Mô hình số dự đoán tải trọng tới hạn của các cấu kiện ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật

Tác giả: TS. LÊ TIẾN THỊNH
              Trường Đại học Phenikaa; Viện Nghiên cứu và Công nghệ Phenikaa (PRATI)
              NGUYỄN THẢO NGUYÊN
              BÙI ANH TUẤN
              Trường Đại học Phenikaa
              TS. LÊ MINH VƯỢNG
              Viện Mô hình hóa và Mô phỏng số đa cấp độ (MSME),
              Trường Đại học Paris-Est, Marne-la-Vallée, Cộng hòa Pháp

Sơ đồ cột CFST chịu nén

Ngày nay, thép được ứng dụng rộng rãi cho các thành phần kết cấu trong các lĩnh vực xây dựng khác nhau như dân dụng, công nghiệp, cầu... [1]. Tuy nhiên, kết cấu thép có nhược điểm là dễ bị ăn mòn và giá thành cao [2]. Ngoài ra, kết cấu ống thép dễ bị móp méo khi va đập. Tuy nhiên, việc gia cường bê tông vào ống thép đã (a) tăng cường khả năng chống ăn mòn của bề mặt bên trong ống thép, (b) giảm độ mảnh của các cấu kiện, (c) tăng độ ổn định cục bộ của thành ống, và (d) tăng khả năng chống biến dạng [3]. Cấu kiện thép có bê tông bên trong có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [4]. Loại cấu trúc này được gọi là ống thép nhồi bê tông (CFST) [5] và ưu điểm của nó là cường độ/độ cứng cao, khả năng chịu tải dọc trục cao, tính năng dẻo tuyệt vời, ngoại hình hấp dẫn, khả năng chống cháy cao, khả năng hấp thụ năng lượng lớn và suy giảm cường độ thấp [5]. Do những ưu điểm này, CFST có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dạng kết cấu và các điều kiện làm việc khác nhau [6], chẳng hạn như trong các công trình cao tầng và cầu với vai trò là các bộ phận kết cấu: cột, sườn vòm, trụ, móng cầu, đê hay ngay cả ở những vùng có nguy cơ địa chấn cao [7].

Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu về khả năng chịu tải và ứng xử của cột CFST đã được thực hiện. Cho đến nay, nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện, tập trung vào các đặc tính cơ học của cột CFST chịu nén dọc trục. Trong Schneider et al. [8], 14 mẫu vật đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của độ dày thành và hình dạng ống thép lên độ bền tối ưu của cột làm từ vật liệu composite. Trong nghiên cứu này, các thông số bao gồm hình dạng của ống thép và tỷ lệ giữa chiều sâu và độ dày thành ống. Hơn nữa, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, các thông số kỹ thuật thiết kế hiện tại không đủ để dự đoán khả năng tải trọng dưới nhiều tiết diện cấu kiện khác nhau. Bên cạnh đó, mô phỏng số cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu ứng xử của các cột CFST khi chịu nén dọc trục. Ví dụ, Dai et al. [9] đã sử dụng mô hình phần tử hữu hạn (FE) phát triển thông qua phần mềm ABAQUS để mô phỏng các cột thép hình elip đổ bê tông chịu nén dọc trục. Choi và cộng sự [10] đã đề xuất một chương trình số để phân tích hoạt động của các cột thép nhồi bê tông và dự đoán các chế độ tương tác khác nhau giữa ống thép và bê tông khi chịu nén dọc trục. Trong thực nghiệm cũng như mô phỏng số, rất khó để xem xét tất cả các điều kiện phức tạp và đặc tính vật liệu, vì vậy các mô hình này chưa thể dự đoán hoạt động của các cấu kiện CFST trong điều kiện tải với mức độ chính xác hợp lý [11]. Cho đến nay, chưa có phương pháp đề xuất nào ở trên được sử dụng rộng rãi do giới hạn về phạm vi ứng dụng. Do đó, một phương pháp mạnh mẽ và chính xác cần được phát triển để tính toán khả năng chịu tải tới hạn của cấu kiện CFST.

Trong nghiên cứu này, một phương pháp học máy sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo ANN được đề xuất để dự đoán lực tới hạn của ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật. Với mục đích này, một cơ sở dữ liệu gồm 422 mẫu thí nghiệm nén đã được thu thập từ các tài liệu có sẵn. Các biến trong cơ sở dữ liệu bao gồm các thông số hình học của các thành phần kết cấu cũng như các đặc tính cơ học của vật liệu cấu thành (tức là thép và bê tông). Số lượng dữ liệu cao như vậy cho phép thu được kết quả tin cậy trong việc huấn luyện và kiểm chứng mô hình. Hiệu suất của mô hình ANN đã được đánh giá và so sánh với các kỹ thuật tối ưu thông thường, chẳng hạn như LM, OSS, SCG, GDA và CGB.

Mời độc giả xem nội dung đầy đủ bài khoa học tại đây