Xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo dự đoán sức kháng cắt của dầm bê tông cốt thép sợi polyme

Tác giả: TS. NGUYỄN THÙY ANH
              ThS. ĐOÀN LAN PHƯƠNG
              Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

Trong điều kiện môi trường bất lợi (như môi trường xâm thực vùng biển), hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tông dẫn đến làm nứt vỡ và phá hủy kết cấu bê tông và bê tông cốt théo (BTCT), làm bê tông bị hư hỏng sớm, không đảm bảo tuổi thọ công trình [1,2]. Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, khả năng chống ăn mòn, loại xi măng, phụ gia, cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và biện pháp quản lý, sử dụng công trình...). Có nhiều giải pháp chống và hạn chế ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT, tuy nhiên kèm theo đó là tăng chi phí cho kết cấu như các giải pháp tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, sử dụng bê tông mác cao tăng độ đặc chắc, dùng sơn chống thấm... Khả năng chống ăn mòn của kết cấu BTCT có thể được tăng lên bằng cách áp dụng các thanh cốt sợi polyme (FRP) (bao gồm các loại: polyme gia cố bằng sợi thủy tinh phi kim loại (GFRP), thanh polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP), polyme gia cố bằng sợi bazan (BFRP) hoặc polyme gia cố bằng sợi aramid (AFRP) thay thế cốt thép và loại kết cấu này được gọi là kết cấu bê tông dùng thanh cốt sợi polymer [2]. Các thanh polyme gia cường bằng sợi (FRP) được đặc trưng bởi các tính chất cơ học tốt (độ bền kéo cao), trọng lượng bản thân nhỏ, dễ vận chuyển, lắp đặt, không dẫn điện, không nhiễm từ và dẫn nhiệt ít [2-4]. Do thanh thép FRP không bị ăn mòn trong môi trường xâm thực nên dùng phù hợp cho các công trình biển đảo, công trình hạ tầng và các kết cấu tiếp xúc với môi trường xâm thực nặng như trong các nhà máy hóa chất, kho muối... thậm chí có thể dùng trong kết cấu bê tông dùng cát và nước nhiễm mặn [4]. Người ta đã thừa nhận rằng, khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép FRP có thể được xác định với các giả thiết truyền thống được sử dụng trong dầm bê tông cốt thép thường. Tuy nhiên, các đặc tính vật liệu của FRP có sự khác biệt đáng kể so với các đặc tính của cốt thép, đặc biệt là mô-đun đàn hồi thấp so với thanh thép, do đó, ứng xử cắt (bao gồm cường độ cắt, biến dạng và chiều rộng vết nứt) của dầm bê tông được gia cố bằng thanh FRP khác với dầm được gia cố bằng lượng cốt thép tương tự [5,6]. Vì vậy, không thể áp dụng trực tiếp các mô hình dự báo cường độ cắt hiện có cho dầm BTCT để tính cho dầm FRP-RC.

Cho đến nay, nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được thực hiện để dự đoán độ bền cắt của các cấu kiện bê tông FRP [2,7] và để khảo sát sự tương tác giữa các thông số ảnh hưởng đến cơ chế độ bền cắt. Hầu hết các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đã cố gắng đưa ra các phương trình dự đoán đơn giản dựa trên các cơ chế cắt khác nhau để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng thanh FRP trong kết cấu bê tông [8]. Mặc dù các phương pháp này thuận tiện, nhưng độ chính xác của chúng bị hạn chế do sự phá hủy đột ngột và giòn của dầm BTCT bị chi phối bởi tác động cắt và các phương trình thiết kế hợp lý không có trong các quy chuẩn xây dựng liên quan. Cải thiện hiệu suất dự đoán là quan trọng trong việc thiết kế dầm bê tông cốt thép, vì vậy cần có một mô hình hiệu quả để tăng độ chính xác dự đoán về độ bền cắt cho các loại dầm bê tông cốt thép khác nhau.

Một phương pháp thay thế cho các phương pháp cổ điển và thông thường để dự đoán các vấn đề phức tạp trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như độ bền cắt của các cấu kiện FRP-RC, là việc sử dụng các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo như mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), hệ thống suy luận mờ (FIS) và lập trình di truyền (GP). Trong suốt hai thập kỷ gần đây, các phương pháp này đã nổi bật và được sử dụng hiệu quả trong nhiều ứng dụng khoa học phong phú, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật xây dựng. Chính vì vậy, mục tiêu chính của nghiên cứu này là đề xuất mô hình AI phù hợp để dự đoán sức kháng cắt của dầm bê tông có cốt thép dọc và cốt thép đai là thép FRP dựa trên bộ dữ liệu gồm 112 kết quả thí nghiệm đã được công bố trên các tạp chí uy tín. Trên cơ sở đó, kết quả của nghiên cứu này cung cấp cho các kỹ sư xây dựng tài liệu tham khảo để xác định sức kháng cắt của dầm FRP-RC nhanh chóng và chính xác.

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