Quá trình suy giảm sức kháng của dầm bê tông dự ứng lực dưới tác động của ăn mòn cáp và tải trọng dài hạn
Trong nghiên cứu này, quá trình suy giảm sức kháng của dầm bê tông dự ứng lực dưới tác động đồng thời của ăn mòn cáp và tải trọng dài hạn được phân tích thông qua mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Midas FEA NX 2022.
1. Đặt vấn đề
Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng ăn mòn cốt thép là một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu bê tông, trong đó dầm bê tông dự ứng lực (PSC) chịu tác động nghiêm trọng hơn do đặc thù của cáp dự ứng lực.
Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, ăn mòn làm giảm tiết diện chịu lực của thanh thép, phá hoại liên kết bám dính giữa thép và bê tông, đồng thời gây ra nứt và bong lớp bê tông bảo vệ, từ đó làm suy giảm khả năng chịu uốn và chịu cắt (Vu & Stewart, 2005; Frangopol et al., 2012).
Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số sử dụng phương trình khuếch tán Fick để mô tả quá trình xâm nhập clo, kết hợp với phân tích ứng xử cơ học của dầm đã cung cấp cơ sở khoa học cho việc dự báo thời điểm khởi phát ăn mòn và tốc độ suy giảm sức kháng (Mahmoodian et al., 2015; Sakai, 2006).
Đối với PSC, cáp dự ứng lực có đường kính nhỏ, ứng suất ban đầu cao và thường được đặt sâu trong bê tông, nên quá trình ăn mòn diễn ra khó phát hiện ở giai đoạn đầu nhưng lại có tốc độ lan truyền nhanh khi lớp bảo vệ bị phá vỡ.
Ăn mòn cáp không chỉ gây mất lực dự ứng mà còn làm giảm đáng kể khả năng chịu uốn, đồng thời ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chống cắt và tính ổn định tổng thể của kết cấu (Tran et al., 2022). Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi mức độ ăn mòn tăng, độ võng và biến dạng dầm tăng rõ rệt, mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng sự suy giảm này đã cho kết quả phù hợp với dữ liệu thử nghiệm (Ho et al., 2024).
Ngoài ra, một số nghiên cứu đã kết hợp thí nghiệm gia tốc ăn mòn với phân tích số để xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ ăn mòn và sức kháng còn lại của dầm PSC, qua đó thiết lập các đường cong suy giảm khả năng chịu lực phục vụ công tác đánh giá và bảo trì kết cấu trong môi trường xâm thực (Quaranta et al., 2024).
Kết quả chung cho thấy, việc xem xét đồng thời ảnh hưởng của ăn mòn cáp dự ứng lực và cốt thép thường trong phân tích cơ học là cần thiết để dự báo chính xác sự suy giảm sức kháng của dầm PSC trong điều kiện khai thác lâu dài.
Trong nghiên cứu này, quá trình suy giảm sức kháng của dầm bê tông dự ứng lực dưới tác động đồng thời của ăn mòn cáp và tải trọng dài hạn được phân tích thông qua mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Midas FEA NX 2022.
Mô hình tính toán được xây dựng với phần tử khối mô tả bê tông và phần tử thanh mô tả cốt thép thường cũng như cáp dự ứng lực. Hiệu ứng ăn mòn cáp được giả định thông qua việc giảm tiết diện cáp, đồng thời xét đến tổn thất ứng suất trước theo thời gian. Các phân tích được thực hiện với ba kịch bản khác nhau nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố và sự kết hợp của chúng đến khả năng chịu uốn của dầm.
2. Phương pháp phân tích
Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng ăn mòn cốt thép là một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của kết cấu bê tông, trong đó dầm bê tông dự ứng lực (PSC) chịu tác động nghiêm trọng hơn do đặc thù của cáp dự ứng lực.
Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, ăn mòn làm giảm tiết diện chịu lực của thanh thép, phá hoại liên kết bám dính giữa thép và bê tông, đồng thời gây ra nứt và bong lớp bê tông bảo vệ, từ đó làm suy giảm khả năng chịu uốn và chịu cắt (Vu & Stewart, 2005; Frangopol et al., 2012).
Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số sử dụng phương trình khuếch tán Fick để mô tả quá trình xâm nhập clo, kết hợp với phân tích ứng xử cơ học của dầm đã cung cấp cơ sở khoa học cho việc dự báo thời điểm khởi phát ăn mòn và tốc độ suy giảm sức kháng (Mahmoodian et al., 2015; Sakai, 2006).
Đối với PSC, cáp dự ứng lực có đường kính nhỏ, ứng suất ban đầu cao và thường được đặt sâu trong bê tông, nên quá trình ăn mòn diễn ra khó phát hiện ở giai đoạn đầu nhưng lại có tốc độ lan truyền nhanh khi lớp bảo vệ bị phá vỡ.
Ăn mòn cáp không chỉ gây mất lực dự ứng mà còn làm giảm đáng kể khả năng chịu uốn, đồng thời ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chống cắt và tính ổn định tổng thể của kết cấu (Tran et al., 2022). Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi mức độ ăn mòn tăng, độ võng và biến dạng dầm tăng rõ rệt, mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng sự suy giảm này đã cho kết quả phù hợp với dữ liệu thử nghiệm (Ho et al., 2024).
Ngoài ra, một số nghiên cứu đã kết hợp thí nghiệm gia tốc ăn mòn với phân tích số để xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ ăn mòn và sức kháng còn lại của dầm PSC, qua đó thiết lập các đường cong suy giảm khả năng chịu lực phục vụ công tác đánh giá và bảo trì kết cấu trong môi trường xâm thực (Quaranta et al., 2024).
Kết quả chung cho thấy, việc xem xét đồng thời ảnh hưởng của ăn mòn cáp dự ứng lực và cốt thép thường trong phân tích cơ học là cần thiết để dự báo chính xác sự suy giảm sức kháng của dầm PSC trong điều kiện khai thác lâu dài.
Trong nghiên cứu này, quá trình suy giảm sức kháng của dầm bê tông dự ứng lực dưới tác động đồng thời của ăn mòn cáp và tải trọng dài hạn được phân tích thông qua mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Midas FEA NX 2022.
Mô hình tính toán được xây dựng với phần tử khối mô tả bê tông và phần tử thanh mô tả cốt thép thường cũng như cáp dự ứng lực. Hiệu ứng ăn mòn cáp được giả định thông qua việc giảm tiết diện cáp, đồng thời xét đến tổn thất ứng suất trước theo thời gian. Các phân tích được thực hiện với ba kịch bản khác nhau nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố và sự kết hợp của chúng đến khả năng chịu uốn của dầm.
2. Phương pháp phân tích
Mô hình tính toán được xây dựng trên phần mềm Midas FEA NX 2022 với phân tích phi tuyến tĩnh nhằm phản ánh đầy đủ ứng xử cơ học của kết cấu. Dầm được mô phỏng bằng phần tử khối cho bê tông và phần tử thanh cho cáp dự ứng lực, đảm bảo mô tả chính xác tương tác vật liệu. Dầm có chiều dài 3.600 mm, tiết diện (150×350)mm, bản sàn dày 100 mm.
Bê tông thân dầm dùng mác C40, bản sàn C45; cốt thép chủ và cốt thép đai lần lượt là HRB335 và HRB400. Cáp dự ứng lực gồm ba sợi Ø12,7 mm, căng với ứng suất ban đầu 1.398 MPa.
Hiệu ứng ăn mòn cáp được giả lập bằng cách giảm khoảng 30% tiết diện cáp, đồng thời xét đến tổn thất ứng suất dự ứng lực theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng dài hạn. Ba trường hợp tính toán đại diện được xem xét bao gồm:
- B-N-0: Dầm nguyên trạng, không ăn mòn và không chịu tải dài hạn.
- B-Y-0: Ăn mòn cáp 30%, không chịu tải dài hạn.
- B-Y-100: Ăn mòn cáp 30%, chịu tải dài hạn 100 kN.
Bảng 1. Thuộc tính vật liệu bê tông
Bảng 2. Thuộc tính vật liệu thép và cáp dự ứng lực
* Thiết lập điều kiện biên:
- Gối cố định tại đầu dầm trái (khớp): Khóa dịch chuyển Ux, Uy, Uz.
- Gối con lăn tại đầu phải: Khóa Uy, Uz.
* Gán tải trọng (loads):
- Tải trọng phá hoại: Hai điểm tác dụng tại 1/4 và 3/4 nhịp.
- Mẫu có tải lâu dài (B-Y-100): Tải 100 kN gán ở giữa nhịp trong bước tải đầu tiên.
- Mô phỏng tải phân đoạn theo từng increment để theo dõi biểu đồ lực - chuyển vị.
* Thiết lập phân tích:
- Loại phân tích: Nonlinear static.
- Kiểm soát bước tải: Thực hiện gia tải trên mô hình tính, cho phép bước tải thay đổi khi mô hình khó hội tụ.
* Thực hiện phân tích và xuất kết quả:
- Chạy phân tích với từng trường hợp: B-N-0, B-Y-0, B-Y-100.
- Kết quả đầu ra: Biểu đồ lực - chuyển vị tại giữa nhịp, phân bố ứng suất trong bê tông và cáp, trạng thái biến dạng tổng.
3. Kết quả và thảo luận
Từ biểu đồ có thể đưa ra nhận xét như sau:
- Mẫu B-N-0 cho thấy khả năng chịu uốn lớn nhất, đường cong kéo dài, không phá hoại giòn.
- Mẫu B-Y-0 giảm đáng kể sức kháng (~46%) do ăn mòn cáp gây ra mất tiết diện, giảm lực căng.
- Mẫu B-Y-100 giảm mạnh hơn nữa (~52%) do tác động đồng thời của ăn mòn và tải lâu dài gây phá hoại giòn, mất khả năng đàn hồi rõ rệt.
Hình 7 trình bày kết quả mô phỏng của 2 mẫu dầm: Mẫu dầm cáp dự ứng lực bị ăn mòn 30% và tổn thất ứng suất trong cáp 10% (B-Y-100); mẫu dầm cáp dự ứng lực bị ăn mòn 30% và không xét mất mát ứng suất trong cáp (B-Y-100-NO).
Kết quả cho thấy, việc bỏ qua tổn thất ứng suất trước dẫn đến dự đoán mang tính lý tưởng, với sai lệch lên đến 18%, làm giảm độ chính xác trong đánh giá khả năng chịu lực. Ngược lại, mô phỏng có xét tổn thất ứng suất (B-Y-100) phản ánh rõ sự gia tăng độ võng và suy giảm tải trọng cực hạn, phù hợp với thực tế suy giảm độ cứng và khả năng chịu uốn.
Do đó, cần xem xét tổn thất ứng suất theo thời gian trong thiết kế, vì yếu tố này ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức kháng uốn lâu dài và mức độ an toàn của kết cấu bê tông dự ứng lực.
Sau khi xây dựng mô hình và thực hiện các phân tích bằng phần mềm Midas FEA NX cho ba trường hợp điển hình, kết quả này tiếp tục được kiểm chứng mô hình thông qua việc đối chiếu kết quả với dữ liệu thực nghiệm.
Nguồn dữ liệu tham khảo [5] - trong đó trình bày kết quả thử nghiệm thực tế trên các dầm bê tông dự ứng lực chịu tác động kết hợp của tải lâu dài và ăn mòn, tương đồng với các điều kiện mô phỏng đã thực hiện. Nghiên cứu cung cấp các đường cong tải trọng - chuyển vị, cũng như thông tin về quá trình phá hoại của dầm trong từng trường hợp cụ thể.
Bằng cách sử dụng cùng thông số vật liệu và cấu hình mô phỏng như trong thí nghiệm, nghiên cứu tiến hành so sánh định lượng giữa kết quả FEA và dữ liệu thực nghiệm.
Sự đối chiếu này cho phép đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của mô hình, đồng thời chỉ ra những khác biệt trong dự đoán độ võng, sức kháng cực hạn và cơ chế phá hoại. Các kết quả so sánh và phân tích chi tiết được trình bày ở phần sau.
* So sánh mẫu B-N-0 (không ăn mòn, không tải lâu dài):
Mẫu B-N-0 là mẫu đối chứng không chịu bất kỳ ảnh hưởng suy thoái nào, đóng vai trò kiểm chứng độ chính xác của mô hình số. Kết quả mô phỏng cho thấy tải phá hoại đạt 500 kN, gần tương đồng với giá trị ghi nhận từ thí nghiệm thực tế.
Tuy nhiên, sự khác biệt rõ rệt thể hiện ở giai đoạn đầu tải: Tại mức 100 kN, kết quả FEA ghi nhận chuyển vị chỉ khoảng 2,5 mm, trong khi dữ liệu thí nghiệm cho thấy chuyển vị đạt gần 10 mm. Sự sai lệch này bắt nguồn từ việc mô hình số chưa xét đầy đủ hiện tượng vi nứt sớm, mềm hóa bê tông và trượt liên kết giữa cốt thép - bê tông.
Tuy nhiên, về xu hướng tổng thể và giá trị cực hạn, mô hình FEA vẫn thể hiện độ tin cậy cao. Kết quả mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm về tải phá hoại (~500 kN). Tuy nhiên, ở giai đoạn đầu, mô hình số có thể có độ cứng quá mức, điều này được lý giải do mô hình chưa phản ánh đầy đủ vi nứt sớm và mềm hóa vật liệu.
* So sánh mẫu B-Y-0 (ăn mòn cáp 30%, không tải lâu dài):
Mẫu B-Y-0 phản ánh rõ tác động của ăn mòn cáp mà không có sự ảnh hưởng từ tải lâu dài. Kết quả mô phỏng cho thấy tải phá hoại giảm còn khoảng 220 kN, tương ứng với kết quả thí nghiệm (~200 kN).
Tuy nhiên, độ võng ghi nhận từ mô phỏng tại 100 - 150 kN chỉ đạt ~3 - 4,5 mm, trong khi thí nghiệm cho thấy chuyển vị lớn hơn đáng kể (~10 - 15 mm), cho thấy sai lệch 250 - 300%. Điều này chứng minh rằng, mặc dù mô hình FEA phản ánh được xu hướng suy yếu sức kháng do ăn mòn nhưng vẫn chưa mô phỏng đầy đủ các hiệu ứng mềm hóa, trượt liên kết và mất hiệu quả dự ứng lực trong quá trình ăn mòn thực tế.
* So sánh mẫu B-Y-100 (ăn mòn cáp 30% + tải lâu dài 100 kN):
Mẫu B-Y-100 mô phỏng đồng thời hai cơ chế suy thoái chính: Giảm tiết diện cáp do ăn mòn và mất ứng suất dưới tải dài hạn 100 kN. Kết quả dự đoán tải phá hoại khoảng 240 kN, cao hơn đáng kể so với giá trị thực nghiệm (~200 kN) vốn ghi nhận phá hoại giòn do đứt cáp.
Sự sai khác này không chỉ nằm ở giá trị cực hạn mà còn ở bản chất phá hoại: Mô hình số cho thấy ứng xử tăng dần, trong khi thực nghiệm phản ánh sự phá hoại tải đột ngột. Điều này cho thấy ăn mòn trong thực tế không chỉ làm suy giảm tiết diện cáp mà còn tác động đồng thời đến cốt thép thường và bê tông, gây giảm khả năng chịu lực và độ bền lâu dài.
Tuy nhiên, các cơ chế suy thoái tổng hợp này hiện chưa được phản ánh đầy đủ trong mô hình FEA, vốn mới chỉ xét đến giảm tiết diện và tổn thất ứng suất ban đầu. So sánh kết quả cho thấy mối liên hệ rõ rệt giữa mức độ ăn mòn và sự suy giảm sức kháng uốn tại các vùng có hệ số ăn mòn lớn.
4. Kết luận và kiến nghị
Kết quả phân tích cho thấy mô hình số có khả năng phản ánh xu hướng suy giảm sức kháng của kết cấu ở mức chấp nhận được, phù hợp để so sánh giữa các kịch bản khảo sát và hỗ trợ đánh giá sơ bộ.
Tuy nhiên, do thiếu dữ liệu vật liệu và điều kiện biên phù hợp với thực nghiệm, mô hình chưa thể mô phỏng đầy đủ hành vi phi tuyến và cơ chế phá hoại giòn cuối giai đoạn. Khi được hiệu chỉnh với dữ liệu thực nghiệm, phương pháp này vẫn có tiềm năng ứng dụng trong đánh giá an toàn công trình.
Trong bối cảnh nhiều kết cấu hạ tầng chịu tác động của môi trường xâm thực và tải trọng dài hạn, mô phỏng số kết cấu PSC bị ăn mòn là hướng tiếp cận hiệu quả, giúp tối ưu chi phí, thời gian và nâng cao độ tin cậy khi kết hợp với kiểm định và thử nghiệm thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Cao Duy Tiến, Phạm Văn Khoan, Lê Quang Hùng (2003), Báo cáo tổng kết dự án KT - KT chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và BTCT vùng biển, Viện KHCN Xây dựng.
[2]. Hồ Văn Quân, Nguyễn Văn Tươi, Trần Thế Truyền, Phạm Thái Uyết, Nguyễn Trung (2018), Dự báo tuổi thọ của các kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chí ăn mòn cốt thép do cacbonat hóa và xâm nhập ion clo, Tạp chí Giao thông vận tải.
[3]. Phạm Duy Hữu, Bùi Trọng Cầu, Đào Văn Dinh (2014), Dự báo thời gian lan truyền ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép phơi nhiễm Clo, Tạp chí Cầu đường Việt Nam.
[4]. Tô Minh Tuấn, Nguyễn Ngọc Nam, Vũ Ngọc Anh (2010), Tính toán tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép chịu ăn mòn, NXB. Xây dựng, Hà Nội.
[5]. Yang, J., Guo, T., và Li, A. (2020), Experimental investigation on long-term behavior of prestressed concrete beams under coupled effect of sustained load and corrosion, Adv. Struct. Eng., 23(12), tr.2587-2596.
[6]. Mahmoodian, M., Li, C.Q., & Setunge, S. (2015), Service life prediction of coastal infrastructures in Australia. E-Proceedings of the 36th Conference on Our World in Concrete & Structures, https://scispace.com/pdf/design-options-implementation-issues-and-evaluating-success-5gm1piiz87.pdf.
[7]. Sakai, K. (2006), The JSCE durability design of concrete structures and a proposal for Vietnam construction industry, JSCE Newsletter, https://www.jsce.or.jp/committee/concrete/e/newsletter/newsletter05/1-Vietnam%20Joint%20Seminar(Sakai).pdf.
[8]. Vu, K.A., & Stewart, M.G. (2005), Predicting the likelihood and extent of reinforced concrete corrosion-induced cracking, Journal of Structural Engineering, 131(11), 1681-1689, DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2005)131:11(1681).
[9]. Frangopol, D.M., Saydam, D., & Kim, S. (2012), Maintenance, management, life-cycle design and performance of structures and infrastructures: A brief review, Structure and Infrastructure Engineering, 8(1), 1-25.
[10]. Tran, T.T., Nguyen, X.T., Tran, T.M., et al. (2022), Influences of pre-bending load and corrosion degree of reinforcement on the loading capacity of concrete beams, Journal of the Mechanical Behavior of Materials, 31(1), 1-13,
https://www.researchgate.net/publication/362199864 Influences of pre-bending load and corrosion degree of reinforcement on the loading capacity of concrete beams.
[11]. Ho, Q.V., Le, T.H.M., & Huynh, T.P. (2024), The influence of pre-compression on the durability of high-performance concrete incorporating industrial by-products. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Construction Materials. DOI: 10.1177/14644207231203350.
[12]. Quaranta, G., Giaccu, G.F., Briseghella, B., et al. (2024), Probabilistic corrosion hazard maps for reinforced concrete infrastructure in coastal regions, Structure and Infrastructure Engineering, DOI:10.1080/15732479.2024.2303646.
THS Trần Thu Minh, THS Lê Hà Linh, TS Trần Ngọc Hòa, PGS.TS Trần thế Truyền Trường Đại học Giao thông vận tải/Tapchixaydung
