7.1 Mô hình vật liệu (AS 3600)

Bê tông - Cường độ

Mô hình bê tông được triển khai cho tính toán cường độ trong CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích) dựa trên đường cong ứng suất - biến dạng parabol - dẻo. Cường độ chịu kéo bị bỏ qua, giống như trong thiết kế bê tông cốt thép truyền thống.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 76\qquad The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis}}}$$

Việc triển khai CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích) trong IDEA StatiCa Detail không xét đến tiêu chí phá hoại tường minh theo biến dạng đối với bê tông chịu nén (tức là sau khi đạt ứng suất đỉnh, chương trình xét một nhánh dẻo với ε_c0 có giá trị tối đa là 5%, trong khi AS 3600 Cl. 8.3.1 giả định biến dạng cực hạn nhỏ hơn 0,3%). Sự đơn giản hóa này không cho phép kiểm tra khả năng biến dạng của các kết cấu bị phá hoại do nén. Tuy nhiên, cường độ vẫn được dự báo chính xác khi, ngoài hệ số xét đến bê tông bị nứt (k_c2 được định nghĩa trong (Fig. 77)), còn xét đến sự gia tăng tính giòn của bê tông khi cường độ tăng thông qua hệ số giảm $\eta_{fc}$ được định nghĩa trong fib Model Code 2010 như sau:

$$f'_{c,lim}=\alpha_{2}\cdot\phi_{s}\cdot \beta \cdot \eta_{fc}\cdot f'_{c}$$

$${\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f'_{c}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1$$

trong đó:

α₂ là hệ số giảm cường độ chịu nén của bê tông được định nghĩa trong AS 3600 Cl. 8.3.1
Khi sử dụng biểu đồ ứng suất - biến dạng dạng parabol - chữ nhật , cần giảm ứng suất nén tối đa theo hệ số này. Điều này lấy trung bình phân bố ứng suất trong vùng nén sao cho cường độ chịu nén thu được nhỏ hơn hoặc bằng cường độ chịu nén tính theo biểu đồ ứng suất - biến dạng có nhánh dẻo giảm dần. Một cách tiếp cận tương tự được định nghĩa cho khối ứng suất chữ nhật trong Chương 8.1.3.

Φ_s là hệ số giảm ứng suất đối với bê tông. Giá trị mặc định được thiết lập theo AS 3600 Table 2.2.3.

β là hệ số giảm do có vết nứt ngang (trong tài liệu này còn được gọi là k_c2)

f'_c là cường độ chịu nén mẫu trụ của bê tông (tính bằng MPa khi dùng trong định nghĩa của $\eta_{fc}$).

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 77\qquad The compression softening law.}}}$$

β là hệ số giảm dựa trên cùng nguyên tắc với hệ số cường độ chịu nén hiệu dụng được định nghĩa trong Chương 2.2.3. Tài liệu tham khảo làm cơ sở xác định hệ số này có thể tìm thấy (bao gồm cả bối cảnh của tiêu chuẩn AS3600) trong AS3600:2018 Sup 1:2022 CL. C2.2.3.

Bê tông – Trạng thái sử dụng

Phân tích trạng thái sử dụng có một số đơn giản hóa đối với các mô hình vật liệu được dùng cho phân tích cường độ. Nhánh dẻo của đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông chịu nén bị bỏ qua, trong khi nhánh đàn hồi là tuyến tính và kéo dài vô hạn. Quy luật mềm hóa do nén không được xét đến. Những đơn giản hóa này giúp tăng độ ổn định số và tốc độ tính toán, đồng thời không làm giảm tính tổng quát của lời giải miễn là các giới hạn ứng suất vật liệu thu được ở trạng thái sử dụng thấp hơn rõ rệt so với điểm chảy của chúng (theo yêu cầu của AS3600). Do đó, các mô hình đơn giản hóa dùng cho trạng thái sử dụng chỉ có giá trị khi tất cả các yêu cầu kiểm tra đều được thỏa mãn.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 78\qquad Concrete stress-strain diagrams implemented for serviceability analysis: short- and long-term verifications.}}}$$

Hiệu ứng dài hạn

Trong phân tích trạng thái sử dụng, các hiệu ứng dài hạn của bê tông được xét đến bằng hệ số từ biến thiết kế theo AS 3600 CL 3.1.8 (φ_cc, mặc định lấy giá trị 2,5), hệ số này điều chỉnh mô đun đàn hồi cát tuyến của bê tông (E_c)  như sau:

$$E_{c,eff} = \frac{E_{c}}{1+\varphi_{cc}}$$

Các gia số tải trọng được tính tuần tự theo thứ tự: Ứng suất trước - Tĩnh tải - Hoạt tải, sử dụng mô đun đàn hồi hiệu dụng phù hợp cho từng gia số như thể hiện trong Fig. 78. Các hệ số từ biến do người dùng định nghĩa trong thuộc tính vật liệu và phải được tính theo AS 3600 CL 3.1.8.3

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 79\qquad Definition of the design creep factor}}}$$

Hiệu ứng ngắn hạn

Để thực hiện các kiểm tra ngắn hạn, một phép tính khác được thực hiện trong đó tất cả tải trọng được tính không có hệ số phụ thuộc thời gian đối với tải trọng dài hạn. Cả hai phép tính cho kiểm tra dài hạn và ngắn hạn được thể hiện trong Fig. 78.

Cốt thép

Biểu đồ ứng suất - biến dạng đàn dẻo lý tưởng với điểm chảy xác định được xét đối với cốt thép không dự ứng lực, xem AS 3600 Section 3.2. Việc định nghĩa biểu đồ này chỉ yêu cầu biết các đặc trưng cơ bản của cốt thép – cường độ và mô đun đàn hồi.

Biểu đồ ứng suất - biến dạng của cốt thép cũng có thể do người dùng định nghĩa, nhưng trong trường hợp này không thể xét đến hiệu ứng tăng cứng do kéo (không thể tính bề rộng vết nứt). 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 80 \qquad Stress-strain diagram of reinforcement}}}$$

trong đó:

Φ_s là hệ số giảm cường độ đối với cốt thép. Giá trị mặc định được thiết lập theo AS 3600 Table 2.2.3.

f_y là cường độ chảy của cốt thép

E_s là mô đun đàn hồi của cốt thép

Tăng cứng do kéo (Fig. 81)  được xét đến tự động bằng cách điều chỉnh quan hệ ứng suất - biến dạng đầu vào của thanh cốt thép trần nhằm phản ánh độ cứng trung bình của các thanh nằm trong bê tông (ε_m).

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 81\qquad Scheme of tension stiffening.}}}$$