Tổng Quan Về Bê Tông Cốt Sợi Thép Và Ứng Xử Cắt Của Dầm Btcst Chương 2.

Từ những rủi ro của sự phá hoại do cắt trong cấu kiện chịu uốn bằng BTCT đã xảy ra trong quá khứ, dẫn đến các nhà nghiên cứu quan tâm hơn đến vấn đề này. Qua một số sự cố về phá hoại cắt của các kết cấu BTCT trên thế giới, đặt ra vấn đề cần xem xét, nghiên cứu thêm về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST. Việc nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm BT CST một cách toàn diện giúp các nhà khoa học đưa ra mô hình tính toán một cách chính xác hơn. Đặc biệt, nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai là đề tài phức tạp [48], [70], [91] có rất ít nghiên cứu. Các chủ đề về ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cần được quan tâm nhiều hơn nữa.

Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST rất ít được công bố. Trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT cho công trình cầu đường bộ vẫn chưa đề cập đến tính toán về cắt cho loại dầm BTCST và BTCĐC CST.

Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu một mô hình tính toán về cắt phù hợp cho dầm BTCĐC CST là cấp thiết và mang tính thời sự. Với các dầm có sử dụng cốt đai truyền thống kết hợp với cốt sợi thép, do mối quan hệ phức tạp về ứng suất biến dạng dẫn đến góc nghiêng của ứng suất nén chính và biến dạng trong cốt thép dọc chủ thay đổi. Vì vậy, ứng xử cắt của dầm BTCST vẫn là vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu nhiều hơn và kỹ hơn. Do đó: “Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép” có tính cấp thiết, nhất là sử dụng vật liệu trong điều kiện ở Việt Nam.

2. Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST nói riêng từ đó lựa chọn được mô hình bán thực nghiệm phù hợp với tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai.

- Nghiên cứu thực nghiệm điều chỉnh công thức dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai.

- Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST chịu tải trọng thiết kế trong tiêu chuẩn Thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017

- Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng công thức đề ra, nghiên cứu các dạng phá hoại do cắt trong dầm BTCĐC CST và nghiên cứu về biến dạng trong

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 184 trang tài liệu này.

cốt thép dọc, cốt thép đai và trong bê tông miền chịu nén của dầm giản đơn BT CĐC CST.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là ứng xử cắt của dầm giản đơn BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. Dầm giản đơn BTCĐC CST tiết diện chữ nhật được kiểm chứng theo công thức tính sức kháng cắt đề xuất. Xem xét các hình thức phá hoại do cắt và cắt uốn của các dầm kích thước cụ thể theo thiết kế. Đo biến dạng trong cốt dọc, cốt đai, bê tông miền nén của dầm BTCĐC CST bằng các sen sơ gắn trực tiếp vào các vị trí cốt thép và bê tông theo thiết kế.

 Phạm vi nghiên cứu:

Dầm giản đơn BTCĐC CST. Cường độ chịu nén thiết kế là 70MPa. Cốt thép sợi hàm lượng trong khoảng từ 0,5%-2%. Sử dụng sợi thép Dramix, uốn móc 2 đầu có chiều dài thay đổi. Cốt sợi thép Dramix là loại sợi thép phổ biến và đã có ứng dụng vào kết cấu bê tông cốt thép ở Việt Nam.

4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu Lý thuyết kết hợp thực nghiệm để đưa ra được Mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BTCST và BTCĐC CST.

Phần nghiên cứu lý thuyết có mục tiêu phân tích các mô hình bán thực nghiệm có thể tính toán về cắt cho dầm BTCST. Từ đó lựa chọn được mô hình phù hợp nhất để dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST.

Phần nghiên cứu thực nghiệm gồm: Nghiên cứu thực nghiệm về tính chất chịu kéo (ép chẻ) của vật liệu BTCĐC CST từ đó dùng phần mềm tính toán để đưa ra được công thức dự báo phần đóng góp của riêng cốt sợi cho khả năng chịu kéo của BTCĐC CST. Xác định các tham số đầu vào để thí nghiệm xây dựng hàm mục tiêu.

Kết hợp với mô hình bán thực nghiệm đã xem xét ở trên, xây dựng được công thức tính toán sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai.

Nghiên cứu thử nghiệm trên các dầm kích thước thiết kế để kiểm chứng công thức tính toán sức kháng cắt đề ra. So sánh với mô hình trong tiêu chuẩn hiện hành trên thế giới.

5. Bố cục

Luận án gồm các nội dung được bố cục như sau:

Phần mở đầu

Chương 1. Tổng quan về bê tông cốt sợi thép và ứng xử cắt của dầm BTCST Chương 2. Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm

BTCĐC CST

Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép

Chương 4. Nghiên cứu ứng dụng tính toán về cắt cho dầm cầu đường bộ sử dụng bê tông cường độ cao cốt sợi thép

Kết luận và Kiến nghị

6. Kết quả dự kiến

- Khuyến nghị, lựa chọn được một mô hình phù hợp tính toán sức kháng cắt cho dầm BT CĐC CST

- Kiến nghị công thức tính toán sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST dựa vào lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về ép chẻ của các tổ hợp mẫu bê tông cường độ cao cốt sợi thép.

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST

- Nghiên cứu thử nghiệm trên các dầm BTCĐC CST kiểm chứng công thức dự báo sức kháng cắt đưa ra. Dự báo được góc nghiên ứng suất kéo chủ và hình thức phá hoại cắt dầm BTCĐC CST

- Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm cầu đường bộ.

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP VÀ ỨNG XỬ CẮT DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

1.1. Lịch sử phát triển bê tông cường độ cao cốt sợi thép

1.1.1. Lịch sử phát triển của bê tông cường độ cao

Trên thế giới, do yêu cầu phát triển của ngành xây dựng công trình, luôn đòi hỏi vật liệu mới phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của công trình. Bê tông cường độ cao là một trong những vật liệu mới được nghiên cứu từ những năm 1960 và được ứng dụng sau đó. Lúc đầu bê tông cấp từ 34MPa trở lên đã được coi là cường độ cao [30], [90]. Theo thời gian quan niệm về bê tông cường độ cao cũng đã dần thay đổi, mới đầu bê tông cấp 40 MPa (6000 psi) được xem là cường độ cao và đó cũng là thành tựu đáng quý. Sau đó, theo báo cáo của tiểu ban 363R-92 [30] của Viện bê tông Hoa Kỳ lần thứ 2 đã thay đổi khái niệm, bê tông cường độ cao phải có cấp từ (41-55) MPa. Cho đến năm 1997 trong quá trình sửa đổi, Ủy ban bê tông 363 đã công nhận rằng định nghĩa bê tông cường độ cao tùy vào vị trí địa lý. Ở những nơi ứng dụng bê tông thương phẩm chủ yếu có cường độ nén khoảng 34 MPa thì bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén là 62 MPa trở lên. Theo [15] bê tông cường độ cao là loại bê tông có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn hơn 60MPa, với mẫu hình trụ D=15cm; H=30cm. Mẫu được dưỡng hộ, thử nghiệm theo các tiêu chuẩn hiện hành.

Bê tông cường độ cao (BT CĐC) và chất lượng cao (BT CLC) - High Performance Concrete (HPC) - được nghiên cứu trên Thế giới vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 [15]. Bê tông cường độ cao đã được áp dụng tại Mỹ để xây nhà cao tầng; xây dựng các công trình ngoài biển ở Na Uy; Các công trình cầu được xây dựng từ bê tông chất lượng cao ở Pháp, Nga, Nhật bản đã đạt được thành công nổi bật.

Trong giai đoạn từ năm 1960-1998, Chicago đã đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu phát triển bê tông cường độ cao và sản phẩm bê tông cường độ cao [90]. Tại đây, từ năm 1961 bê tông cấp 42 MPa được áp dụng cho dự án nhà chung cư Outer Drive East cao 40 tầng. Năm 197, lần đầu tiên bê tông có cường độ chịu nén 52 MPa đã được áp dụng để xây dựng nhà 52 tầng của một Trung tâm thương mại;

năm 1974 bê tông 62 MPa đã được áp dụng cho tháp nước. Hai lăm năm sau, khi đã hoàn thiện về nghiên cứu, bê tông có cường độ 95 MPa đã được ứng dụng một cách đều đặn cho nhiều dự án lớn ở Chicago. Ở Bắc Mỹ, cuối những năm 1980, bê tông cường độ rất cao đã được chế tạo thành công và tỷ lệ ứng dụng lớn là loại bê tông có cường độ là 130 MPa với mô đun dẻo của bê tông là 50 GPa.

Tại Nhật bản, cầu bê tông cốt thép cường độ cao đã được xây dựng cho tuyến đường sắt Nhật bản từ năm 1973 [90]. Mục đích sử dụng bê tông tính năng cao để giảm trọng lượng tĩnh tải, giảm độ võng, rung động và giảm tiếng ồn. Sau hai mươi năm đi vào sử dụng, những dạng cầu đó đã đáp ứng được tất cả yêu cầu mà tiêu chuẩn đề ra (CEB-FIB, 1994)

Ở Việt Nam bê tông cường độ cao đã bước đầu được nghiên cứu vào những năm 2000 [15]. Bê tông cường độ cao và bê tông tính năng cao ngày càng được nhiều nhà Khoa học về bê tông nghiên cứu và ứng dụng. Tại trương đại học Giao Thông Vận tải, GS. TS Phạm Duy Hữu đã có nhiều đề tài, bài báo về bê tông cường độ cao và tính năng cao [11], [12], [15], [14], [13]. Trường đại học Xây dựng cũng đã có những nghiên cứu sâu rộng vê bê tông tính năng cao và siêu cao khoảng từ năm 2000 và những năm sau đó và đã có những công bố đáng chú ý [17], [23], [20]. Trường đại học Thủy lợi cũng đã nghiên cứu nhiều vê bê tông tính năng cao và đặc biệt là bê tông đầm lăn. Các công bố về bê tông này cũng đã công bố trên các tạp chí uy tín. Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng cũng đã công bố nhiều công trình nghiên cứu về bê tông tính năng cao [16]. Năm 2011, Sở Giao thông Thành phố Đà nẵng đã có báo cáo tổng kết về tình hình nghiên cứu và ứng dụng về bê tông cường độ cao [21] trong đó cho thấy loại bê tông có tính năng cao đã bước đầu được ứng dụng trong các công trình ở Việt Nam. Các viện nghiên cứu như: Viện Khoa học và công nghệ GTVT, Viện Khoa học Công nghệ xây dựng đã có những công trình nghiên cứu về bê tông tính năng cao và đang dần tiếp cận với bê tông tính năng siêu cao (Ultra High Performance Concrete - UHPC). Năm 2014, tiêu chuẩn về thiết kế hỗn hợp bê tông cường độ cao [3] được ban hành đánh dấu bước tiến mạnh mẽ cho việc áp dụng bê tông cường độ cao và tính năng cao vào xây dựng các công trình, đặc biệt là các công trình Cầu trong ngành Giao Thông Vận Tải.

1.1.2. Lịch sử phát triển của bê tông cốt sợi thép (BTCST)

Trên thế giới, từ thời kỳ Ai Cập và Babylon, người ta đã sử dụng những loại sợi hoặc lông động vật để tăng cường cho gạch, tường trát bùn, thạch cao. Với vữa xi măng pooc lăng, người ta sử dụng sợi amiăng. Những nghiên cứu đầu tiên về sợi thép phân tán là của Romualdi, Batson, Mandel. Nghiên cứu sau đó được thực hiện bởi Shah, Swamy và một vài những nghiên cứu khác ở Mỹ, Anh, Nga...Vào những năm 1960, BTCST đã bắt đầu được sử dụng vào kết cấu mặt đường.

Từ năm 1971 - 1977, Nawy và cộng sự đã nghiên cứu về sự làm việc lâu dài của những bó có nhiều thanh nhỏ, lưới thuỷ tinh và những thanh bị biến dạng như là thanh tăng cường chính trong kết cấu. Từ đó cho đến nay, quá trình sử dụng sợi tăng cường vào bê tông được nghiên cứu rất nhiều nhằm mục đích cải thiện một số tính năng cơ học của bê tông. Tuy nhiên, nó không thay thế cho những thanh thép tăng cường chính trong kết cấu bê tông cốt thép [22]. Khoa học của bê tông cốt sợi đã được phát triển từ đó cho tới nay.

Trong những năm 1989 - 1999, các tiêu chuẩn của ACI 544 [28], [32], [33], [31], [37] về bê tông cốt sợi ra đời, gồm có 4 tập: tập 1R tổng quan, tập 2R các tính chất, tập 3R giới thiệu về công nghệ, tập 4R-99 hướng dẫn thiết kế bê tông được tăng cường cốt sợi thép (BTCST). Đến nay đã có tập 9R- dự báo dựa trên đo tính chất cơ học của bê tông cốt sợi cứng. Tiêu chuẩn ASTM C1018-97 [40] hướng dẫn về thí nghiệm xác định độ dai của BTCST.

Các tổng kết về quá trình phát triển của bê tông cốt sợi thép cũng đã được chỉ rõ trong như sau: Năm 1994, HSu LS và HSu CCT đã phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của BTCST. Năm 1996, Nawy công bố nghiên cứu về tăng cường bê tông bằng cốt sợi. Năm 1978, Wyliam và Sharama công bố về khả năng chịu cắt của bê tông cốt sợi. Năm 1992, Naaman đã thông báo về bê tông cốt sợi chất lượng cao. Richard, năm 1992 công bố về bê tông có độ bền cao sử dụng cốt sợi thép. Năm 1995

-2000, F.De. Larrard và J.M. Torrenti đã có những công bố về bê tông chất lượng cao và BTCST của Bernhard R. Maidl Steel Fibere RC. Năm 1995, nước Đức, giới thiệu kiến thức căn bản về bê tông cốt sợi và các phương pháp phân tích trên quan hệ tải trọng và độ võng

Vấn đề độ dai của bê tông được gia cường cốt sợi đã được quan tâm nghiên cứu từ năm 2000 như của Yu Cheng Kan - Taiwan và Piti Sukontasukkul - Bangkok, các tác giả so sánh thuộc tính này giữa tiêu chuẩn ASTM C1018 và tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE SF-4. Năm 1997, D.O.Al-Ghamdy Đại học Michigan (Mỹ) đã công bố những nghiên cứu về quan hệ giữa độ dai với thành phần vật liệu có hàm lượng cốt sợi vf từ 0.75 đến 1.5% Năm 1994 tác giả Jean Francois ở Trường Đại học Nova Scotia - Canada nghiên cứu và mô tả tính dai của vật liệu BTCST trên mẫu 100x100x350mm với cường độ bê tông từ 40 MPa đến 85 Mpa (mẫu 150x150x150mm) xác định trị số về mô đun đàn hồi và mô đun cắt ở vùng độ võng từ 0-0.4mm tính toán năng lượng đàn hồi và năng lượng tổng thể. Năm 2007, Job Thomas ở Ấn Độ có trình bày nghiên cứu về tính chất cơ học của BTCST có cường độ trên mẫu hình lập phương từ 35-65 MPa với hàm lượng cốt sợi thép từ 0.5-1.5% và xem xét tính chất của bê tông cốt sợi tương quan với hệ số Lf/Df ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để lập ra các công thức đơn giản để dự báo mô đun đàn hồi và các tính chất khác.

Các nghiên cứu về động lực học của BTCST được các tác giả K. Fullard và

P. Barr (Anh) công bố. M.Zineddin và T. Krauthamer (Viện Hàn lâm Khoa học Hoa Kỳ) công bố vào năm 2006. Đại học Munchen Đức đã công bố về các nghiên cứu thí nghiệm va chạm vào tấm bê tông với tốc độ rất cao. Trường Cầu Đường Paris đã trình bày đầy đủ các cơ sở để nghiên cứu BTCST trong cuốn sách Les Bestons de fibres metalliques tác giả Rossi - Casanova - 1998. Năm 1999 tại Berlin tác giả Yong zhi Lin Trường Karlsruhe công bố cuốn sách về bê tông được gia cường cốt sợi trong đó có trình bày phân tích kết cấu của bê tông cốt sợi trên cơ sở cơ học phá hủy.

Năm 2002, cơ sở để thí nghiệm và thiết kế bê tông gia cường bằng cốt sợi dựa theo phương pháp phân tích theo mặt cắt và theo cơ học phá hủy trong tiêu chuẩn RILEM TC 162TDF [104]. Các tiêu chuẩn đã được sử dụng để tính toán các kết cấu BTCST như ACI, DIN, AASHTO, EHE, Fib [1], [32], [54], [57] ra đời từ năm 1988

đến nay.

Tác giả Konig, Holschemacher, Dehn, 11/2002, Leipzig (Đức) đã xuất bản cuốn sách Faserbeton. Sách hướng dẫn về cách thí nghiệm và phân tích các tính chất, phân tích về cơ học phá hủy và phương pháp thiết kế theo mặt cắt, đặc biệt có giới thiệu kết quả nghiên cứu ứng dụng tà vẹt bê tông cốt sợi. Các nghiên cứu về phương pháp tính toán kết cấu BTCST cũng đã được nghiên cứu hoàn thiện gần đây [75].

Các công trình nghiên cứu về vật liệu bê tông siêu cường độ (150-800 MPa) cũng đã được công bố trên thế giới bởi các tác giả Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp, Đức tại Hội nghị về Bê tông chất lượng cao thế giới năm 2005, 2008 và những năm sau đó [62], [44], [50], [73], [74], [78], [84]. Nhiều nghiên cứu về ứng xử của cấu kiện như dầm BT CĐSC, cột bằng vật liệu BT CĐSC đã được đăng trong các tài liệu hội thảo quốc tế về UHPC [67], [73], [94], [84], [68], [65], [86].

Tại Việt Nam, luận án tiến sỹ về bê tông cốt sợi polyme của tác giả Nguyễn Ngọc Long đã hoàn thành năm 2000. Tác giả Nguyễn Văn Chánh, 2001 về bê tông nhẹ cốt sợi hữu cơ [9]. Các vấn đề về BTCST đã bước đầu được quan tâm và công bố năm 2003 với cuốn sách “Bê tông cốt sợi thép” do tác giả Nguyễn Viết Trung chủ biên [22]. Nguyễn Tiến Bình, 2005, với bê tông cốt sợi polypropylene. GS.TS Phạm Duy Hữu [12] đã nghiên cứu về bê tông chất lượng cao trong đó có BTCST và công nghệ thi công Bê tông chất lượng cao và bê tông cốt sợi từ năm 2011. Năm 2012, GS Phạm Duy Hữu và các cộng sự [13] cũng đã có công trình nghiên cứu về vật liệu mới trong đó có công bố về bê tông cốt sợi nói chung và sợi thép nói riêng. Năm 2010, TS. Phạm Duy Anh về tính chất cơ học và ứng xử của bê tông cường độ cao cốt sợi thép trong dầm. Nhiều công trình nghiên cứu khoa học của các trường đại học, các Viện khoa học về bê tông cốt sợi phân tán đã được công bố từ khoảng năm 2006 tới nay. Nghiên cứu về chế tạo bê tông cốt sợi, sợi thép cũng như các nghiên cứu về thuộc tính của bê tông cốt sợi thép của các tác giả như của Trần Bá Việt, Nguyễn Thanh Bình [26], [25], [8] và của Phạm Duy Anh [6] đã được công bố trên các tạp chí có uy tín của các Ngành. Các nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi trên nền vật liệu địa phương [9] của Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh và cho công trình Giao thông của Viện KH và CN GTVT [24] cũng đã đóng góp cho sự