TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hiện nay, các tòa nhà cao tầng tại đô thị lớn yêu cầu tối đa hóa hiệu quả sử dụng mặt bằng với hệ số sử dụng đất cao và đa dạng công năng Các khu vực dưới thường được sử dụng làm bãi đậu xe, trung tâm thương mại, vườn treo hoặc không gian mở, trong khi các tầng trên chủ yếu là căn hộ và văn phòng Để đáp ứng cấu trúc này, cần có một kết cấu chuyển bố trí giữa khu trên và khu dưới, chịu uốn/cắt và có khả năng vượt nhịp lớn, nhằm chịu tải trọng từ cột hay vách phía trên và phân phối xuống hệ kết cấu cột phía dưới Trong các tòa nhà cao tầng, hệ kết cấu chuyển có thể được thiết kế dưới dạng dầm chuyển, giàn, vòm hoặc dầm với gối đỡ ở giữa.
Kết cấu chuyển yêu cầu có khả năng vượt nhịp và chịu tải trọng lớn, do đó thường có độ cứng và kích thước hình học lớn hơn so với các kết cấu truyền thống Khi sử dụng kết cấu chuyển dạng vòm hay dầm với gối đỡ ở giữa, sẽ gây chia cắt không gian bên trong công trình, không đáp ứng được yêu cầu về công năng và tính thẩm mỹ, đặc biệt là không gian rộng cho sảnh đón Kết cấu chuyển dạng giàn thép có ưu điểm vượt nhịp lớn, nhưng để chịu tải trọng lớn từ hệ thống cột và sàn phía trên, cần thiết kế giàn thép với kích thước rất lớn, dẫn đến quy trình thiết kế và thi công phức tạp cùng chi phí đầu tư cao.
Trong các tòa nhà lớn, dầm BTCT thường được sử dụng để đảm bảo khả năng chịu lực và vượt nhịp Tuy nhiên, khi sử dụng bê tông cốt thép thông thường, kích thước dầm chuyển có thể rất lớn, chiều cao lên đến 2,5m, gây khó khăn về kiến trúc và thi công Do đó, cần áp dụng các giải pháp gia cường như bê tông cốt sợi thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực để tăng cường khả năng chịu lực và giảm chiều cao dầm chuyển.
Tổng quan về dầm chuyển
1.2.1 Khái niệm về dầm chuyển
Dầm chuyển BTCT là một loại dầm có độ cứng và tiết diện lớn, giúp chuyển đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu từ hệ dầm cột chịu lực sang hệ dầm vách hoặc hệ dầm cột với số lượng cột phía trên nhiều hơn phía dưới.
Cấu kiện dầm chịu uốn được thiết kế dựa trên hai thông số quan trọng: chiều cao tiết diện và nhịp dầm Hiệu suất làm việc của dầm, bao gồm cả dầm thông thường và dầm cao, phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp dầm, cũng như tỷ số giữa nhịp chịu cắt và chiều cao tiết diện.
Trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) cho các tải trọng thông thường, tiết diện hình học của dầm được xác định sơ bộ với tỷ lệ chiều cao so với nhịp khoảng 1:12 đến 1:8 cho dầm chính và 1:20 đến 1:12 cho dầm phụ Các dầm này được phân loại là dầm thông thường, và việc tính toán chúng tuân theo các lý thuyết kết cấu BTCT quen thuộc, dựa trên một số giả thiết về sức bền vật liệu.
Kết cấu dầm chuyển có khả năng chịu tải trọng lớn, dẫn đến chiều cao dầm lớn hơn và tỷ lệ giữa nhịp dầm và chiều cao tiết diện nhỏ hơn so với dầm thông thường Sự phân bố ứng suất và biến dạng trên mặt cắt dầm của loại dầm này có sự khác biệt đáng kể so với kết cấu dầm chịu uốn thông thường.
Việc tính toán dầm chuyển (transfer beam) dựa trên lý thuyết tính toán dầm cao (deep beam) đã được chấp nhận và áp dụng trong tiêu chuẩn thiết kế của nhiều quốc gia Trong Luận văn này, các phương pháp tính toán dầm cao BTCT sẽ được áp dụng chủ yếu để thiết kế cấu kiện dầm chuyển BTCT.
1.2.3 Lịch sử phát triển lý thuyết tính toán dầm cao (Deep beam)
Lý thuyết tổng quan về tính toán dầm cao bê tông cốt thép (BTCT) đã được Albritton (1965) và các tổ chức như Hiệp hội Xi măng và Bê tông (C&CA, 1969) cùng Hiệp hội Nghiên cứu và Thông tin Công nghệ Xây dựng (CIRIA, 1977) trình bày và tổng kết Nghiên cứu sau đó đã được mở rộng bởi Tang và Wong (1987) cùng Chemrouk, đóng góp vào sự phát triển và hiểu biết về lĩnh vực này.
Nghiên cứu đầu tiên về dầm cao vào năm 1988 chủ yếu tập trung vào giai đoạn đàn hồi, nhưng hiện nay, các mô hình đàn hồi có thể được thực hiện dễ dàng thông qua phương pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn Tuy nhiên, một hạn chế lớn của các nghiên cứu này là yêu cầu giả thiết về vật liệu đồng chất, đẳng hướng và tuân theo định luật Hooke, điều này gây khó khăn cho việc thiết kế thực tế khi vật liệu hoạt động ở trạng thái phi đàn hồi hoặc gần đến điểm phá hủy.
Cần tiến hành nghiên cứu về trạng thái phi đàn hồi, đặc biệt là các dạng và cơ chế phá hoại của dầm cao, với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm là hiệu quả nhất Trong những năm 1960, hệ thống thí nghiệm đến tải trọng giới hạn đã được thử nghiệm bởi Paiva và Siess, cùng với Loenhardt và Walther.
[9] Những thử nghiệm này đã đạt được bước tiến lớn trong việc nghiên cứu về dầm cao
Từ cuối những năm 1960, Giáo sư F.K.Kong tại Đại học Newcastle-upon-Tyne đã khởi xướng một chương trình nghiên cứu dài hạn, tiếp tục tiến hành thí nghiệm phá hoại trên hơn 490 dầm cao, bao gồm các mẫu dầm nặng lên đến 4,5 T.
Hình 1.1 Thí nghiệm trên một dầm cao kích thước lớn [10]
Nghiên cứu về dầm cao sử dụng khái niệm dẻo đã được đề cập bởi Nielsen và Braestrup Năm 1971, Kong và Evans chỉ ra rằng cốt thép bố trí xiên trong sườn dầm có hiệu quả đối với dầm cao Năm 1973, Kong và Sharp phát hiện cường độ và cách thức phá hoại của dầm cao có lỗ mở, từ đó đề xuất công thức tính toán tải trọng giới hạn, được chỉnh sửa vào năm 1977 và 1978 Cùng năm, Robins và Kong áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán tải trọng giới hạn và sự hình thành vết nứt trong dầm cao Đến năm 1974, Kong và Singh nghiên cứu khả năng làm việc và sự phá hoại của dầm cao dưới tác dụng của tải trọng lặp.
Vào năm 1982, Garcia là một trong những người tiên phong trong việc thí nghiệm sự mất ổn định của dầm cao bê tông có độ mảnh lớn, và công trình này đã được Kong và cộng sự tiếp tục vào năm 1986 Năm 1987, Mau và Hsu đã áp dụng các lý thuyết mô hình giàn để tính toán cho dầm cao Đến năm 1988, Kotsovos đã tiến hành nghiên cứu toàn diện về dầm cao ở trạng thái tới hạn, tập trung vào nguyên nhân phá hoại do cắt.
Ứng dụng dầm chuyển BTCT trong xây dựng
1.3.1 Các loại dầm chuyển BTCT
Trong xây dựng, có hai loại dầm chuyển bằng bê tông cốt thép (BTCT): dầm thường và dầm ứng lực trước Dầm BTCT thường được chế tạo bằng phương pháp truyền thống, trong khi dầm ứng lực trước sử dụng bê tông kết hợp với cốt thép cường độ cao được kéo căng, có thể kết hợp với cốt thép thường, nhằm tạo ra ứng suất trước trong bê tông.
1.3.2 Một số công trình sử dụng kết cấu dầm chuyển
Dầm chuyển BTCT đã trở thành giải pháp phổ biến cho việc vượt qua các không gian lớn trong các tòa nhà cao tầng đa chức năng tại nhiều thành phố lớn như Mỹ, Hong Kong, Malaysia, Singapore và Thái Lan Các hình ảnh minh họa về kết cấu dầm chuyển BTCT được thi công ở Mỹ, Malaysia và Thái Lan cho thấy sự đa dạng và hiệu quả của công nghệ này trong xây dựng.
Hình 1.2 Dầm chuyển của tòa nhà The Legacy tại Millennium Park - Mỹ [21]
Hình 1.3 Công nhân thi công dầm chuyển - Tòa nhà Grand Hyatt - Malaysia [22]
Hình 1.4 Dầm chuyển của tòa nhà Ideo Morph - Thái Lan [23]
Hình 1.5 Lắp đặt cốt thép dầm chuyển The Issara Ladprao - Thái Lan [24]
Hệ dầm chuyển đầu tiên tại Việt Nam được áp dụng tại khách sạn Melia Hà Nội từ năm 1997, khi thiết kế khu hội trường và nhà hàng ở tầng 1 và 2 của khách sạn Đơn vị tư vấn thiết kế đã sử dụng hệ dầm chuyển để vượt nhịp lớn, mặc dù vào thời điểm đó, các kết cấu dầm chuyển vẫn còn ít phổ biến tại Việt Nam.
Vào năm 2003, tòa nhà 34 tầng tại Khu đô thị Trung Hòa - Nhân Chính, Hà Nội, đã áp dụng giải pháp kết cấu dầm chuyển Tòa nhà cao 136m với dầm chuyển được lắp đặt ở tầng kỹ thuật, có kích thước chiều rộng từ 1800 đến 2700 mm và chiều cao 2150 mm, cùng với sàn dày 300 mm Tổng khối lượng bê tông sử dụng lên đến hơn 3.500m³, và dầm sàn bê tông được đổ liền khối một lần mà không có mạch ngừng.
Toà nhà Donphin Plaza tại Mỹ Đình, Từ Liêm, Hà Nội, bao gồm 4 tháp cao 28 tầng, được chia thành 2 khối và liên kết bởi khối đế 3 tầng Dự án được tư vấn bởi Công ty DP Architects từ Singapore và Công ty Tư vấn Đại học Xây dựng.
Hà Nội sử dụng dầm chuyển ứng lực trước có chiều cao 3m vượt nhịp lớn nhất là
28,4 m đặt ở sàn tầng 4 (cao độ + 32,125 m)
Trong các thành phố lớn như Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, nhiều công trình hiện đại áp dụng hệ dầm - sàn chuyển, điển hình là dự án Kenton tại Hồ Chí Minh và khách sạn Hilton ở Đà Nẵng Hình 1.6 minh họa quá trình thi công dầm chuyển tại tòa nhà Donphin Plaza ở Hà Nội.
Dầm chuyển BTCT đang ngày càng phổ biến trong các công trình xây dựng dân dụng tại Việt Nam Việc nghiên cứu khả năng chịu lực và ứng xử của dầm chuyển, kết hợp với các biện pháp gia cường phù hợp, không chỉ giúp tăng cường hiệu suất làm việc mà còn giảm kích thước chiều cao dầm, hạn chế sự phát sinh và phát triển vết nứt trong kết cấu, mang lại ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn.
Tổng quan về bê tông cốt sợi thép và dầm bê tông cốt sợi thép
1.4.1 Sơ lược về bê tông cốt sợi thép
Việc sử dụng sợi để cải thiện khả năng chịu lực của bê tông xi măng đã được nghiên cứu từ những năm 1960 Hiện nay, các cấu trúc như dầm, bản và vỏ bê tông xi măng hoặc bê tông cốt thép được gia cường bằng sợi thép nhỏ, sợi polyme và sợi thủy tinh bền kiềm đang được áp dụng rộng rãi, bao gồm cả ở Việt Nam.
Bê tông cốt sợi thép là giải pháp hiệu quả trong ngành xây dựng, được ứng dụng để gia cường bê tông một cách linh hoạt, bao gồm cả việc kết hợp với cốt thép thanh Giải pháp này mang lại kết quả khả quan cho các kết cấu chịu tải trọng uốn trên diện tích nhỏ hoặc tại các vị trí khó khăn trong việc phân bố co ngót và bố trí cốt thép.
Sợi thép, được sản xuất từ thép cacbon hoặc thép không gỉ, có cường độ chịu kéo từ 345MPa đến 1380MPa và mô-đun đàn hồi khoảng 200 GPa Tiết diện của sợi thép có thể là hình tròn hoặc vuông, với chiều dài thường nhỏ hơn 75 mm Tỷ số giữa chiều dài và đường kính sợi dao động từ 30 đến 100, và sợi thép chủ yếu được sử dụng để gia cường bê tông xi măng.
Bảng 1.1 Một số loại sợi thép thông dụng [27]
Hình dạng sợi Công nghệ chế tạo
Công ty sản xuất Tên sợi
Cán hoặc dập bằng máy Trefil ARBED Wirex
Eurosteel Cắt hoặc bào từ phôi thép Australien Wire Fibre Steel Cán hay dập bằng máy Bekaert Dramix
Cán hay dập bằng máy National Standard Duoform Cắt và xoắn bằng máy National Standard Melt- extracted Cán hay nghiền bằng máy
Cán hay dậpbằng máy Stax
Cán hay dập bằng máy Thibo
Cắt hoặc bào từ phôi thép US Steel Steel sheet fibres
Ban đầu, các nhà khoa học sử dụng sợi thép nhỏ và thẳng để cải thiện khả năng chịu uốn và chống nứt cho bê tông Nghiên cứu của Shah và Rangan đã chỉ ra rằng bê tông cốt sợi thép nhỏ với đường kính từ 0,25 mm đến 0,75 mm có thể tạo ra hỗn hợp bê tông dẻo Lượng sợi và tỷ lệ chiều dài trên đường kính của sợi thép là yếu tố quan trọng trong việc kiểm tra các tính chất của bê tông cốt sợi thép, với khối lượng sợi sử dụng khoảng 90 - 120 kg/m³ Tuy nhiên, với mật độ sợi cao, vấn đề lớn nhất là sợi có thể cuộn lại thành cục trong quá trình trộn, đặc biệt là khi sử dụng sợi dài.
Việc sử dụng sợi thép có thể làm giảm độ dẻo của hỗn hợp bê tông, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bê tông Để khắc phục vấn đề này, Ramakrishnan và cộng sự đã áp dụng các loại phụ gia dẻo giảm nước với một lượng nhỏ nhằm điều chỉnh tính dẻo của hỗn hợp bê tông.
1.4.3 Tính chất của bê tông cốt sợi thép:
Bê tông cốt sợi thép (SFRC) là loại bê tông được tạo thành từ sự kết hợp giữa xi măng, nước, cốt liệu mịn và cốt liệu thô cùng với sợi thép phân tán Khi chịu lực kéo, SFRC có khả năng chống lại sự phá hủy cho đến khi sợi thép bị đứt hoặc tách rời khỏi vữa hoặc bê tông.
Hình 1.7 Bề mặt phá hủy bê tông cốt sợi thép [27]
Mặc dù bê tông cốt sợi thép có nhiều ưu điểm, nhưng trong một số trường hợp, nó không thể hoàn toàn thay thế bê tông cốt thép thường, đặc biệt là khi chịu ứng suất kéo lớn Bê tông cốt sợi thép cũng không thể thay thế bê tông cốt thép dự ứng lực, tuy nhiên, nó có thể được kết hợp để tạo thành kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực pha sợi thép, mang lại những tính năng chịu lực đặc biệt.
Cốt thép sợi là một giải pháp hiệu quả để cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của bê tông Đặc biệt trong các trường hợp yêu cầu cao về độ ổn định, hạn chế sử dụng cốt thép, hoặc các công trình cần gia cường như bê tông phun cho vỏ hầm và vỏ tàu, bê tông cốt sợi thép trở thành lựa chọn hợp lý.
Các tính chất của SFRC, bao gồm độ dẻo nhớt khi mới trộn và độ bền khi đã rắn chắc, phụ thuộc vào thành phần chế tạo SFRC được coi là một loại vật liệu hỗn hợp, bao gồm bê tông làm nền và sợi phân tán Tính chất của SFRC bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như hàm lượng và cường độ của sợi thép, tính chất của bê tông, cũng như đặc tính của mặt tiếp xúc giữa sợi và bê tông Gần đây, một cách tiếp cận mới để cải thiện tính chất của SFRC là dựa trên cơ chế hạn chế vết nứt theo cơ học phá hủy, trong đó năng lượng cần thiết để mở rộng vết nứt và làm mất liên kết các sợi liên quan đến tính chất của cả bê tông và sợi.
Những ưu điểm khác của bê tông cốt sợi thép:
- Giảm biến dạng do từ biến và biến dạng do co ngót
- Tăng khả năng chống cắt
- Cải thiện vấn đề nứt
Ngoài ra, bê tông cốt sợi thép sẽ là sự chọn lựa hợp lí khi ứng dụng cho các cấu kiện chịu lực tập trung lớn [26]
Cơ chế gia cường cốt sợi trong bê tông cốt sợi (SFRC) phụ thuộc vào độ bền kéo của sợi khi bị kéo ra khỏi bê tông, dẫn đến sự phá vỡ liên kết tại bề mặt tiếp xúc Nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa cường độ liên kết và các tính chất cơ học của SFRC Hiện tượng "tuột dần" của sợi khỏi bê tông cho thấy rằng sợi có vai trò quan trọng trong việc truyền ứng suất, giúp bê tông tránh được sự phá hủy theo dạng vật liệu giòn.
Tính dẻo dai của bê tông phụ thuộc vào loại và hàm lượng sợi, trong đó sợi thép có dạng khía, gợn sóng, bề mặt gồ ghề, hoặc có neo ở đầu, hoặc được làm rộng ở hai đầu mút sẽ tăng độ dẻo dai cho bê tông sợi thép (SFRC) hơn so với sợi thẳng cùng chiều dài và đường kính Nhờ đó, có thể giảm khối lượng sợi sử dụng để đạt được giá trị cường độ và độ dẻo dai yêu cầu.
Sợi thép nâng cao độ dẻo dai của bê tông trong mọi điều kiện tải trọng, tuy nhiên, hiệu quả cải thiện cường độ có sự khác biệt tùy thuộc vào loại ứng suất như nén, kéo, cắt, xoắn và uốn Cụ thể, khi sử dụng hàm lượng sợi thép lên đến 1,5% theo thể tích, cường độ chịu nén chỉ thay đổi nhẹ (từ 0 đến 15%), trong khi cường độ chịu kéo trực tiếp được cải thiện từ 30% đến 40%, và cường độ chịu cắt cùng xoắn có thể tăng lên đến 30%.
Nghiên cứu cho thấy khả năng chịu cắt của bê tông sợi thép (SFRC) vượt trội hơn so với bê tông có cốt thép thông thường, mở ra tiềm năng ứng dụng sợi thép để tăng cường hoặc thay thế cốt thép đai trong dầm Những lợi thế này bao gồm khả năng cải thiện độ bền và độ ổn định cho các cấu trúc xây dựng.
Sợi thép được phân bố ngẫu nhiên trong bê tông giúp giảm kích thước vết nứt và cải thiện cường độ chịu kéo tại vết nứt đầu tiên, đồng thời nâng cao cường độ chịu kéo tới hạn của bê tông Ngoài ra, cường độ cắt – ma sát cũng được cải thiện nhờ khả năng chống kéo giật của sợi thép, tạo ra hiệu ứng truyền ứng suất qua các vết nứt tương tự như cơ chế "khâu vết thương".
Cường độ chịu uốn của bê tông cốt sợi (SFRC) cao hơn đáng kể so với cường độ chịu kéo và chịu nén, nhờ vào khả năng chịu lực của SFRC ở vùng chịu kéo, làm thay đổi phân bố ứng suất và biến dạng trên toàn bộ chiều dày kết cấu Sự thay đổi này dẫn đến việc dịch chuyển trục trung hòa sang vùng chịu nén Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng khoảng 4% thể tích sợi trong vữa có thể tăng cường độ chịu uốn lên đến 2 lần Hiện nay, với sự kết hợp của cốt liệu thô và quy trình trộn hợp lý, lượng sợi cần thiết có thể giảm xuống còn 1,5% - 2% thể tích mà vẫn duy trì cường độ chịu uốn cao Độ bền dẻo dai là đặc trưng nổi bật của SFRC so với bê tông không có cốt sợi; dưới tác động va đập, SFRC cho thấy khả năng chịu lực tốt hơn, với ví dụ là mẫu bình chứa làm từ SFRC có thể chịu được nhiều nhát búa mà vẫn giữ được tính toàn vẹn, trong khi bình chứa bằng bê tông thông thường dễ dàng bị phá hủy.
Sự cần thiết thực hiện đề tài
Do kích thước lớn của dầm chuyển, đặc biệt là dầm bê tông cốt thép có thể cao tới 2,5m, ảnh hưởng đến mỹ quan công trình và gây khó khăn trong việc tận dụng không gian dưới dầm Khi dầm chịu tải trọng lớn, có thể xuất hiện vết nứt tại các vị trí cột truyền lực, làm giảm khả năng chịu lực Việc gia cường bê tông cốt thép bằng sợi thép phân bố ngẫu nhiên không chỉ tăng cường độ chịu lực của dầm mà còn giúp giảm chiều cao dầm, từ đó tăng chiều cao thông thủy dưới dầm Hơn nữa, việc phân bố lại ứng suất trong bê tông cốt sợi thép giúp giảm sự hình thành và phát triển vết nứt, nâng cao hiệu quả sử dụng của dầm.
Đề tài Luận văn “Nghiên cứu ứng xử của dầm chuyển BTCT gia cường bằng sợi thép” là cần thiết nhằm tìm hiểu khả năng chịu lực và sự hình thành, phát triển vết nứt trong dầm bê tông cốt thép khi được gia cường bằng sợi thép Nghiên cứu sử dụng phần mềm phân tích kết cấu ABAQUS/CAE để xây dựng mô hình mô phỏng số cho dầm chuyển bê tông cốt thép gia cường, và kết quả mô phỏng sẽ được đối chiếu với dữ liệu thí nghiệm trên mẫu dầm thực tế Dựa trên kết quả mô phỏng dầm có kích thước thông thường, đề tài sẽ phát triển mô phỏng cho trường hợp gia cường sợi thép trên dầm bê tông cốt thép kích thước thực đã được thiết kế.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tính toán dầm chuyển giúp làm rõ khả năng chịu lực của dầm ở trạng thái giới hạn thứ nhất (độ bền) và trạng thái giới hạn thứ hai (giới hạn sử dụng như võng và nứt) khi chịu tải trọng lớn.
Nghiên cứu tính chất cơ lý của sợi thép cho thấy sợi thép có tác dụng quan trọng trong việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là dầm chuyển Thực nghiệm đã chỉ ra rằng việc sử dụng sợi thép không chỉ nâng cao khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép mà còn hạn chế sự phát sinh và tốc độ phát triển của các vết nứt trong kết cấu này.
Mô hình mô phỏng dầm bê tông cốt thép gia cường bằng sợi thép được xây dựng với kích thước thông thường, sử dụng phần mềm phân tích kết cấu ABAQUS/CAE Kết quả mô phỏng sẽ được đối chiếu với số liệu thí nghiệm thu được từ mẫu dầm đúc thực tế trong phòng thí nghiệm.
So sánh kết quả thu được từ mô hình số và thực nghiệm để xác định tính đúng đắn của mô hình số
Dựa trên kết quả của mô hình dầm kích thước thông thường, nghiên cứu này phát triển mô hình mô phỏng cho một dầm chuyển kích thước thực, bao gồm cả phiên bản có và không có gia cường sợi thép Mục tiêu là so sánh khả năng chịu lực và nguyên tắc ứng xử của hai loại dầm, nhằm làm rõ hiệu quả của việc gia cường sợi thép trong kết cấu dầm bê tông cốt thép.
Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào ứng xử của dầm chuyển bê tông cốt thép gia cường bằng sợi thép, so sánh với dầm chuyển bê tông cốt thép thông thường Mục tiêu là đánh giá khả năng ứng dụng của bê tông sợi thép trong việc tăng cường khả năng chịu lực, giảm vết nứt và giảm chiều cao cho dầm chuyển.
- Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu giải tích ứng xử của dầm chuyển bê tông cốt thép và bê tông cốt thép có gia cường sợi thép
Phương pháp thực nghiệm được áp dụng để nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép gia cường bằng sợi thép với kích thước thông thường Nghiên cứu này nhằm mục đích đối chiếu và so sánh các kết quả thu được từ thí nghiệm thực tế với các mô phỏng số.
Phương pháp mô phỏng số bằng PTHH sử dụng phần mềm ABAQUS/CAE để xây dựng mô hình và phân tích ứng xử của dầm chuyển BTCT gia cường bằng sợi thép.
- So sánh, phân tích kết quả để đánh giá hiệu quả của việc gia cường sợi thép trong kết cấu dầm chuyển
Nội dung Luận văn gồm 05 chương
Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán
Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm trên dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thép Chương 4 Nghiên cứu mô phỏng dầm chuyển BTCT gia cường bằng sợi thép Chương 5 Kết luận - Kiến nghị.
Tính mới của đề tài
Nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép (BTCT) gia cường bằng sợi thép nhằm làm rõ hiệu quả gia cường đối với khả năng chịu lực của dầm cao Bài viết phân tích sự hình thành và phát triển vết nứt trên dầm cao, so sánh giữa dầm có gia cường bằng sợi thép và dầm không gia cường Kết quả cho thấy việc gia cường bằng sợi thép cải thiện đáng kể khả năng chịu lực và hạn chế sự phát triển của vết nứt.
- Xây dựng mô hình mô phỏng số dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thép sử dụng phần mềm ABAQUS
Đánh giá kết quả xây dựng mô hình mô phỏng cấu kiện dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thép là nền tảng quan trọng để tính toán và mô phỏng các kết cấu khác sử dụng bê tông cốt sợi thép Đồng thời, nghiên cứu này cung cấp cơ sở để thuyết minh ứng dụng biện pháp gia cường BTCT bằng sợi thép với phân bố ngẫu nhiên trong các công trình xây dựng.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
Cơ sở lý thuyết về tính toán dầm chuyển
2.1.1 Tính toán theo tiêu chuẩn ACI 318-2002 [44]:
Các nghiên cứu trước đây về dầm bê tông cốt thép (BTCT) thường dựa trên lý thuyết đàn hồi và giả thiết vật liệu đồng chất, đẳng hướng theo định luật Hooke Tuy nhiên, các giả thiết này ngày càng trở nên không hợp lý đối với kết cấu dầm chuyển BTCT Sự xuất hiện của vết nứt đã làm nổi bật sự khác biệt trong ứng xử giữa dầm thông thường và dầm chuyển, đặc biệt về phân bố ứng suất trên tiết diện, khả năng chịu lực, cũng như sự hình thành và phát triển vết nứt trong dầm.
Các phương pháp truyền thống áp dụng cho dầm thông thường chịu uốn và chịu cắt gặp khó khăn khi xử lý dầm cao có tỷ số giữa nhịp và chiều cao không vượt quá 2,5 lần Điều này xuất phát từ sự phụ thuộc và tác động lẫn nhau của ứng suất pháp theo phương dọc dầm và theo phương thẳng đứng, cũng như ảnh hưởng của ứng suất tiếp do lực cắt gây ra, theo bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi.
Theo Nguyễn Viết Trung [45], sự phân bố ứng suất trong dầm cao BTCT có một số đặc điểm quan trọng sau đây:
- Giả thiết tiết diện phẳng của dầm có thể không thỏa mãn đối với dầm cao
- Có một vùng chịu ứng suất lớn hai trục tại vị trí gối tựa và đặc biệt là ở bề mặt của gối tựa
Chiều cao hiệu dụng của dầm cao được xác định bằng giá trị nhỏ nhất giữa chiều cao dầm (h) và nhịp dầm (l) Nếu nhịp dầm (l) nhỏ hơn chiều cao dầm (h), thì phần dầm phía trên chiều cao hiệu dụng chỉ hoạt động như một bức tường chịu tải, không có vai trò trong việc đỡ tải giữa các gối tựa.
Lực cắt từ các tải trọng tác động lên gối tựa chủ yếu diễn ra ở nửa dưới của dầm Tuy nhiên, lực cắt tại mặt phẳng thẳng đứng gần gối tựa cần được xem xét cùng với ứng suất trực tiếp, dẫn đến ứng suất kéo chính tới hạn Ứng suất kéo chính này thường nằm ngang trong khu vực gần gối tựa.
Biến dạng dọc do cắt trong dầm cao chiếm ưu thế hơn biến dạng uốn, đặc biệt là trong trường hợp dầm thấp, do đó ảnh hưởng lớn đến tổng biến dạng Ứng suất cắt trong dầm cao đóng vai trò quan trọng trong trạng thái ứng suất và không nên bị bỏ qua như trong dầm chịu uốn thuần túy.
Xu hướng nứt do tải trọng tập trung và tác động tại gối tựa ngày càng phổ biến ở các dầm cao, nơi mà ứng suất dọc có thể vượt quá mức cho phép Ứng suất kéo dưới tải trọng tập trung không được giảm bớt bởi ứng suất nén do uốn, dẫn đến nguy cơ nứt cao hơn.
Dầm dầm cao thường bắt đầu xuất hiện vết nứt sớm, thường là khi tải trọng đạt từ 1/3 đến 1/2 giá trị cực hạn của nó.
- Ứng suất kéo chính theo phương ngang tại mép dưới của dầm cao có giá trị hầu như không thay đổi tại gối này tới gối kia của dầm
- Các vết nứt xuất phát từ đáy dầm phát triển lên có xu thế chụm vào điểm giữa mép trên của dầm
Khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép (BTCT) được xác định dựa trên các dạng phá hoại, bao gồm khả năng chịu uốn, chịu cắt, chịu lực của gối tựa và ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép Dạng phá hoại thực tế của dầm BTCT không chỉ phụ thuộc vào kích thước và tỷ số giữa nhịp và chiều cao dầm, mà còn bị ảnh hưởng bởi cách đặt lực tác dụng và số lượng cũng như bố trí cốt thép trong dầm.
Có 4 dạng phá hoại chính được xác định như sau:
(4) Phá hoại cục bộ (nén vỡ) ngay dưới khu vực đặt tải trọng tập trung
2.1.1.1 Phá hoại do uốn Phá hoại do uốn trong dầm cao BTCT là dạng phá hoại không đàn hồi (dẻo) Sự phát triển các vết nứt theo chiều dọc xuất phát từ bụng dầm và dần lên phía trên, cùng với sự gia tăng tải trọng trên hầu hết chiều cao hiệu quả (Hình 2.1) Sự phá hoại thông thường xảy ra do cốt thép bị kéo đứt hoặc bị chảy dẻo, rất hiếm trường hợp do bê tông vùng nén bị phá hoại
Hình 2.1 Sự phá hoại do uốn trong dầm cao [45] a Sự phân bố ứng suất trên tiết diện dầm
Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm thường
Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm cao
Hình 2.2 Biểu đồ phân bố ứng suất [2], [45]
Các nghiên cứu cho thấy dầm cao bê tông cốt thép (BTCT) hoạt động khác biệt so với dầm BTCT thông thường Trong giai đoạn đàn hồi, ứng suất ngang trong bê tông tại các tiết diện phân bố theo quy luật phi tuyến phức tạp.
Tải trọng phân bố đều
Vết nứt lớn gây ra phá hoại
Vết nứt nhỏ trong vùng chịu kÐo do uèn
So sánh sự phân bố ứng suất do uốn tại tiết diện giữa nhịp với ứng suất tuyến tính cho thấy rằng trục trung hòa đã được hạ thấp, dẫn đến sự gia tăng khu vực chịu nén và một đỉnh cao hơn của ứng suất kéo.
Ứng suất chịu kéo ở mép biên của dầm lớn hơn nhiều so với ứng suất ở mép biên chịu nén Cụ thể, giá trị ứng suất kéo tại mép biên dưới của dầm không thay đổi nhiều giữa tiết diện giữa và một phần tư nhịp.
Hình 2.3 Biểu đồ phân bố ứng suất tiết diện giữa và 1/4 nhịp dầm cao [45]
Phân tích đàn hồi của dầm cao trong trạng thái chưa nứt chỉ có ý nghĩa trước khi xuất hiện vết nứt Vết nứt trong dầm cao thường xuất hiện khi tải trọng đạt từ 1/3 đến 1/2 giá trị tải trọng cực hạn Nguyên nhân chính là do ứng suất kéo tại mép dưới của dầm lớn và phát triển nhanh chóng Khi các vết nứt hình thành, việc phân bố lại các ứng suất là cần thiết Kết quả của phân tích đàn hồi cho thấy sự phân bố ứng suất gây ra vết nứt và cung cấp thông tin về hướng của vết nứt cũng như dòng lực sau khi xảy ra nứt.
Hình 2.4 minh họa rằng các đường nét đứt biểu thị quỹ đạo ứng suất nén song song với ứng suất nén chính, trong khi các đường liền nét thể hiện quỹ đạo ứng suất kéo song song với ứng suất kéo chính Vết nứt thường xuất hiện vuông góc với các đường liền nét, tức là theo phương của ứng suất nén chính Ngoài ra, trong một số trường hợp, khe nứt cũng có thể xuất hiện theo phương thẳng đứng hoặc theo hướng nghiêng của ứng suất nén và kéo khi dầm bị phá hoại do lực cắt.
Hình 2.4 Quỹ đạo ứng suất trong dầm cao [45]
Quỹ đạo ứng suất kéo chính và ứng suất nén chính tại vị trí gối biên của dầm cho thấy sự tập trung ứng suất nén tại gối dầm Các thí nghiệm đã chứng minh rằng quỹ đạo ứng suất này phản ánh trạng thái đàn hồi trước khi vết nứt xuất hiện, từ đó góp phần vào việc hiểu rõ hơn về sự hình thành và phát triển vết nứt.
Cơ sở lý thuyết về bê tông cốt sợi và dầm bê tông cốt sợi
Các tính chất của bê tông cốt sợi thép đã được xác định qua thí nghiệm và lý thuyết, nhưng quy tắc thiết kế vẫn chưa được thiết lập đầy đủ trong các tiêu chuẩn xây dựng Việc này không chỉ cần thống nhất các quy tắc hiện có giữa bê tông cốt sợi thép và bê tông thông thường, mà còn yêu cầu xem xét các nguyên tắc ứng xử mới cho bê tông cốt sợi thép.
Quá trình tăng cường sợi thép vào bê tông giúp cải thiện tính dẻo dai của vật liệu này, tuy nhiên, việc xác định giới hạn phá hủy của bê tông cốt sợi thép gặp nhiều khó khăn do sự phụ thuộc vào kiểu sợi, hàm lượng sợi và công nghệ trộn Để tránh mâu thuẫn với các tiêu chuẩn hiện có, tính chất của bê tông cốt sợi thép cần được xem xét trong quá trình tính toán kết cấu bê tông thông thường Mặc dù ứng suất kéo trong bê tông thường ít được chú ý, nhưng trong bê tông cốt sợi thép, ứng suất này vẫn xuất hiện ngay cả khi có vết nứt, và khả năng làm việc của nó phụ thuộc vào kiểu sợi và hàm lượng sợi Do đó, khi áp dụng nguyên lý tính toán thông thường cho bê tông cốt sợi thép, cần lưu ý đến hiệu ứng làm việc của sợi thép và sử dụng cường độ thiết kế cao hơn để tăng khả năng chịu biến dạng của bê tông.
Từ những năm 1960, nhiều thí nghiệm như kéo, ép chẻ, uốn và nén đã được tiến hành trên bê tông cốt sợi thép nhằm giải thích cơ chế làm việc của vật liệu này, đặc biệt là sự tương tác giữa sợi và nền bê tông Các nghiên cứu đã chỉ ra những nhận xét quan trọng về trạng thái phá hủy và khả năng chịu tải của bê tông cốt sợi thép, tập trung vào hai vấn đề chính.
2.2.1 Khái niệm về không gian Khái niệm không gian dựa vào tiền đề là các sợi thép làm chậm trễ sự mở rộng vết nứt vi mô dưới tác dụng của ứng suất và như vậy cải thiện khả năng chịu lực của vật liệu Vật liệu được coi như một phần tử, khả năng làm việc của sợi cũng chính là khả năng làm việc của toàn bộ vật liệu
Mô hình cơ cấu phá hủy, được phát triển bởi Griffith từ năm 1921, xem xét tính không liên tục của vật liệu và giới thiệu khái niệm năng lượng và năng lượng biến dạng trong tính toán Tỷ lệ năng lượng tới hạn G trong nghiên cứu của Griffith đã được Romualdi và Batson bổ sung hệ số K1, được mô tả qua một phương trình cụ thể.
G: năng lượng tới hạn [N/mm]
E: mô đun đàn hồi [N/mm 2 ]
K 1 : hệ số ứng suất tới hạn [N/mm -3/2 ] Biểu thức chung đối với ứng suất chống nứt của vật liệu giòn:
cr : ứng suất nứt tới hạn
K 1 : hệ số ứng suất tới hạn [N/mm -3/2 ] v: hệ số Poisson a: bán kính nứt [mm]
Hệ số ứng suất tới hạn là đặc tính quan trọng của vật liệu, trong đó việc gia cường sợi trong bê tông giúp nâng cao ứng suất tới hạn thông qua hệ số K1 trong mô hình cơ cấu phá hủy Sự hiện diện của sợi trong vùng vết nứt giảm thiểu biến dạng, và biểu thức này có thể áp dụng cho các loại sợi ngắn, phân tán không gian và sợi không định hướng.
2.2.2 Khái niệm Composite Trong khái niệm composite, hay “Cơ cấu vật liệu composite”, bê tông cốt sợi thép được xem xét như một vật liệu composite gồm có hai thành phần (bê tông và các sợi thép), trong đó sợi thép được xem như sự tăng cường phân tán Mỗi thành phần chịu một tỷ lệ nhất định tải trọng, phụ thuộc vào tỉ lệ của chúng đối với toàn bộ thể tích và sự đồngchất Độ dài, sự định hướng của sợi và sự liên kết giữa bê tông nền và sợi có một vai trò quan trọng trong mô hình này [54]
- Ứng suất trong vùng đàn hồi được mô tả như sau:
c ứng suất của vật liệu composite trong vùng đàn hồi tuyến tính
m : ứng suất của bê tông
f : ứng suất của cốt sợi thép
V m : thể tích của bê tông
V f : thể tích của cốt sợi thép
- Ứng suất nứt khi phá huỷ:
cr : ứng suất tới hạn của vật liệu composite
mu : ứng suất mỏi của bê tông
E r : mô đun đàn hồi của cốt sợi thép
mu : biến dạng vết nứt của bê tông
: hệ số định hướng của cốt sợi
l : hệ số ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi
Vết nứt trong nền vật liệu composite hình thành khi cốt sợi chịu tải Ứng suất mỏi của loại vật liệu này có thể được mô tả thông qua một công thức cụ thể.
Cường độ mỏi của vật liệu composite (β cu) và ứng suất liên kết (τ m) là những yếu tố quan trọng trong việc phân tích cơ cấu phá hủy Đặc biệt, các khái niệm này đã được điều chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm cho bê tông cốt sợi thép Đặc tính của vật liệu không chỉ là nền tảng cho tính toán và thiết kế mà còn cần được kiểm chứng qua các thử nghiệm thực tế để đảm bảo tính đáng tin cậy.
Cơ sở lý thuyết về phương pháp PTHH sử dụng trong phần mềm ABAQUS/CAE
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ngày càng trở nên phổ biến trong việc mô phỏng và đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Sự phát triển công nghệ số và khả năng mô phỏng vật liệu phi tuyến đã nâng cao hiệu suất tính toán Đặc biệt, các phần mềm FEM thương mại hiện nay cho phép mô phỏng các mô hình vật liệu bê tông và các liên kết thép - bê tông một cách dễ dàng, chính xác và phù hợp với bản chất cơ học của chúng.
Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp phân tích FEM phi tuyến trong mô hình số kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) cho kết quả phân tích gần gũi với kết quả thí nghiệm thực tế Các mối quan hệ giữa khả năng chịu tải tối đa và các yếu tố chuyển vị, cũng như sự phá hủy của kết cấu, được xác nhận là đáng tin cậy.
ABAQUS/CAE là phần mềm FEM thương mại ngày càng được ưa chuộng trong mô phỏng cơ học kết cấu, cho phép phân tích sự làm việc và truyền lực cơ học ở nhiều mức độ khác nhau Phần mềm này cung cấp đa dạng tùy chọn về kiểu phần tử, mô hình vật liệu và kiểm soát thuật toán giải FEM, cùng với giao diện đồ họa thân thiện, tự động chia phần tử, và khả năng tinh chỉnh giúp tăng tốc độ xử lý đồ họa.
2.3.1 Tính toán thông số mô hình vật liệu của bê tông cho mô phỏng ABAQUS Đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông đã được xác định bằng phương pháp số và xác minh bằng thực nghiệm của Hsu – Hsu [56] Mô hình này có thể được sử dụng để phát triển mối quan hệ ứng suất – biến dạng dưới lực nén dọc trục đạt đến giá trị của miền phá hủy và áp dụng tính toán cho bê tông có cường độ lên đến khoảng
Mô hình Hsu - Hsu là một phương pháp phổ biến và đã chứng minh tính chính xác qua nhiều nghiên cứu trước đây [57], [58] Vì lý do đó, luận văn này áp dụng mô hình Hsu - Hsu [56] để mô phỏng đặc tính của vật liệu bê tông.
2.3.2 Mô hình số đường cong ứng suất – biến dạng chịu nén của bê tông
Hình 2.14 Đường cong ứng suất – biến dạng miền chịu nén theo Hsu - Hsu [56]
Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo định luật Hooke được áp dụng trong miền đàn hồi, với giả định lên đến 50% cường độ chịu nén tối đa Mô hình số Hsu - Hsu chỉ được sử dụng để tính toán giá trị ứng suất nén từ khoảng 0,5σcu trong miền đàn hồi đến 0,3σcu trong miền phá hủy của vật liệu, dựa trên phương trình cụ thể.
Trong đó: là hệ số phụ thuộc vào biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng
Giá trị mô đun đàn hồi E0 được tính toán bởi biểu thức sau:
Các phương trình được sử dụng trong bài viết này có đơn vị là kip/in², do đó cần thực hiện việc chuyển đổi đơn vị trong quá trình tính toán Hệ số chuyển đổi cần nhớ là 1 MPa tương đương với 0,145037743 kip/in².
2.3.3 Mô hình số đường cong ứng suất - biến dạng chịu kéo của bê tông
Mô hình do Naya và Rasheed phát triển đã được điều chỉnh để tương thích với phần mềm ABAQUS Kết quả của mô hình này cho thấy khả năng hội tụ tốt trong môi trường ABAQUS, đồng thời thể hiện sự hình thành cường độ chịu kéo dựa trên quan hệ ứng suất – biến dạng đẳng hướng.
Theo mô hình Naya và Rasheed, biến dạng tới hạn (ε_cr) đạt được khi ứng suất (σ_t0) đạt giá trị tối đa Tuy nhiên, khi ứng suất giảm xuống dưới 0,8.σ_t0, phần mềm sẽ báo lỗi Do đó, mô hình cải tiến được đề xuất với sự thay đổi giá trị ứng suất biến dạng tại hai vị trí: vị trí đạt giá trị biến dạng cực hạn với giá trị biến dạng-ứng suất là (1,25; 0,77.ε_cr, σ_t0) và vị trí kết thúc ứng xử chịu kéo của bê tông với giá trị biến dạng - ứng suất là (8,7.ε_cr; 0,1.σ_t0) Sự thay đổi này được thể hiện qua các hình ảnh minh họa.
Hình 2.15 Quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông chịu kéo của Naya và Rasheed [59]
Hình 2.16 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông chịu kéo (sửa đổi) [59]
2.3.4 Thông số mô đun đàn hồi, hệ số Poisson
Mô đun đàn hồi là một thông số quan trọng trong tính toán bê tông, giúp xác định đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng Theo tiêu chuẩn ACI 318 - 2002, hệ số mô đun đàn hồi chủ yếu phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông và được tính toán theo công thức cụ thể.
Mô đun đàn hồi của bê tông (E C) và cường độ chịu nén (f c ') được xác định thông qua mô hình Voigt, giúp tính toán mô đun đàn hồi cho vật liệu đồng nhất.
(2.31) Trong đó: A E f , f : lần lượt là diện tích và mô đun đàn hồi vật liệu gia cường
A E : lần lượt là diện tích và mô đun đàn hồi vật liệu nền
Hệ số Poisson (ν) là một thông số quan trọng bên cạnh hệ số mô đun đàn hồi, thể hiện tính chất vật liệu bê tông trong mô phỏng Trong luận văn, hệ số Poisson đã được thực nghiệm trước được sử dụng làm dữ liệu đầu vào với giá trị υ = 0,2.
Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được thiết lập dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép ở Hình 2.17:
Hình 2.17 Mô hình đàn dẻo lý tưởng của vật liệu thép (SEPL) [59]
2.3.6 Thông số mô hình phá hoại dẻo trong mô phỏng ABAQUS Ngoài các thông số để mô tả tính chất vật liệu bê tông, vật liệu cốt thép, mô hình mô phỏng cần có các thông số phá hoại dẻo, được trình bày ở bảng sau:
Bảng 2.1 Thông số mô hình phá hoại dẻo
Tỉ số K c là tỷ lệ giữa cường độ chịu kéo ngoài mặt phẳng làm việc và cường độ chịu nén trong mặt phẳng làm việc Hệ số lệch tâm vật liệu được ký hiệu là ɛ Tỷ lệ σb0/σc0 thể hiện mối quan hệ giữa cường độ chịu nén 1 trục và cường độ chịu nén 2 trục Góc phá hủy được ký hiệu là ψ, trong khi độ nhớt được ký hiệu là à.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THÉP
Công tác thí nghiệm
Chúng tôi đã đúc 04 dầm bê tông cốt thép (BTCT) với kích thước 2200 x 750 x 300 mm, sử dụng bê tông có cường độ B22,5 (M300) Cấu trúc dầm bao gồm 3 thanh thép dọc ỉ16 ở trên và dưới, 2 thanh ỉ12 ở giữa, và thộp đai ỉ8a100 Trong số đó, 01 dầm được làm từ BTCT thông thường, trong khi 03 dầm còn lại sử dụng BTCT gia cường bằng sợi thép Auber Steel, với chiều dài 6 cm, độ dày 0,75 mm (L/D = 80) và có móc 02 đầu Hàm lượng sợi thép được sử dụng lần lượt là 1%, 2% và 3% Mỗi dầm được đúc kèm theo 03 mẫu để xác định cường độ chịu nén và 03 mẫu để xác định cường độ chịu kéo của cả bê tông thông thường và bê tông gia cường sợi thép tương ứng.
Uốn 04 dầm cao bằng phương pháp uốn 3 điểm nhằm xác định cường độ chịu lực và độ võng của dầm, đồng thời khảo sát sự xuất hiện và phát triển vết nứt của dầm sử dụng bê tông cốt thép thông thường và bê tông cốt thép gia cường bằng sợi thép.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm như sau:
3.1.2 Nguyên vật liệu sử dụng:
- Xi măng: Nhãn hiệu INSEE PCB - 40
- Cốt liệu lớn: Đá dăm 1 cm x 2cm theo TCVN: 7576 - 2005
- Cốt liệu nhỏ: Cát vàng theo TCVN: 7576 - 2005
- Nước: Nước sạch thủy cục theo tiêu chuẩn TCXDVN 302 - 2004
- Cốt thép: Theo TCVN 1651 – 2 : 2008 + Thộp dọc: Sử dụng thộp ỉ16 CB300 - V + Thộp đai: sử dụng thộp trũn trơn ỉ8a100
- Sợi thép: Sử dụng sợi thép Auber Steel, kích thước sợi L x D = 60 x 0,75 (mm), (L / D = 80), có các thông số cơ bản theo Hình 3.2
Khối lượng sợi thép sử dụng để gia cường trong dầm với tỷ lệ 1%, 2% và 3% lần lượt là 25kg, 50kg và 75kg
Thông số Kích thước Đường kính sợi (D) 0,75 mm (± 0,08 mm)
Chiều dài sợi (L) 60 mm (+ 6 mm / - 6 mm)
Chiều dài móc (l và l’) 1 - 4 mm
Chiều sâu móc (h và h’) 1,8 mm (+ 1 / - 0 mm)
Góc uốn (α và α’) 45 0 (ít nhất 30 0 )
Tỷ lệ phương diện (L/D) 80 Độ lồi của sợi Tối đa 5% của l’
Tổng chiều dài sợi / 10 kg 1.312 m
Hình 3.2 Thông số sợi thép Auber Steel
Một số hình ảnh thực tế vật liệu sử dụng đúc dầm:
Hình 3.3 Vật liệu sử dụng đúc dầm cao BTCT
Sử dụng bê tông cấp độ bền B 22,5 (tương đương M300) với cấp phối như sau (đơn vị tính trên mỗi m 3 bê tông):
Bảng 3.1 Cấp phối bê tông cấp độ bền B 22,5 (M300)
Loại vật liệu Khối lượng (kg) Thể tích quy đổi (m 3 ) Đá 1 x 2 (cm) 1.379 0,862
Sợi thép 25kg/1% khối lượng
- Chuẩn bị nguyên vật liệu
Cát, đá 1cm x 2 cm rửa sạch, phơi khô Thép dọc được cắt, uốn, bo theo kích thước dầm Thép đai đặt gia công uốn sẵn
- Gia công cốp-pha: Sử dụng cốp-pha phủ phim, dày 11 mm, đóng đinh thép Kích thước cốp-pha phù hợp với kích thước dầm: L x H x B = 2200 x 750 x 300 (mm)
Hình 3.4 Gia công cốp-pha
Hình 3.5 Gia công cốt thép
Nhào trộn bê tông và đúc mẫu là quy trình quan trọng trong xây dựng Sử dụng máy trộn bê tông giúp trộn đều hỗn hợp cốt liệu theo cấp phối, tạo ra hỗn hợp bê tông chất lượng cao Đối với các dầm có gia cường bằng sợi thép, việc thêm sợi thép vào hỗn hợp bê tông sẽ tăng cường độ bền Sau đó, bê tông được đổ vào khuôn để tạo hình dầm.
Hình 3.6 Sử dụng máy trộn bê tông để đúc dầm
Hình 3.7 Nhào trộn bê tông gia cường sợi thép và đúc dầm
- Dưỡng hộ Thực hiện dưỡng hộ bằng hình thức tưới nước và giữ ẩm cho dầm Thời gian dưỡng hộ dầm là 28 ngày
Hình 3.8 Dầm cao BTCT sau khi tháo cốp-pha
Tại Phòng Thí nghiệm công trình - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, khung uốn dầm được sử dụng để uốn 04 dầm cao bằng phương pháp uốn 3 điểm Hệ thống này bao gồm khung uốn và loadcell gia tải bằng thủy lực, với khả năng chịu tải tối đa lên đến 500 kN Việc vận chuyển và lắp đặt hệ thống gối đỡ, cũng như đưa dầm vào vị trí thí nghiệm, được thực hiện thông qua hệ thống cầu trục.
Hình 3.9 Khung uốn dầm và hệ thống cầu trục
Hình 3.10 Hệ thống loadcell gia tải bằng thủy lực
Gắn 02 thiết bị đo chuyển vị tại vị trí giữa dầm, kết hợp với bộ đo Data Logger để nghiên cứu độ võng của dầm phụ thuộc vào lực tác động lên dầm
Hình 3.11 Thiết bị đo chuyển vị và bộ Data Logger
Các dầm cao được kẻ lưới 10 cm x 10 cm để theo dõi sự xuất hiện và phát triển của vết nứt Sau đó, dầm được nâng lên bằng hệ thống cầu trục và tựa lên gối Chiều dài toàn bộ dầm là 2,2m, với mỗi bên gối tựa 0,2m, tạo ra khoảng cách lọt lòng giữa hai gối tựa là 1,8m.
Lắp đặt hai dụng cụ đo chuyển vị giữa dầm và kết nối ba kênh vào Data Logger Kênh 01 sẽ đo lực tác động từ hệ thống Loadcell, trong khi Kênh 02 và Kênh 03 sẽ ghi nhận số liệu chuyển vị của dầm, phản ánh sự thay đổi theo lực tác động tại từng thời điểm.
Hình 3.12 Lắp đặt dầm vào vị trí thực hiện thí nghiệm uốn 3 điểm
Hình 3.13 Nén mẫu xác định cường độ chịu nén của bê tông
Hình 3.14 Uốn mẫu xác định cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông
Kết quả thí nghiệm
3.2.1 Kết quả nén, uốn mẫu để xác định cường độ chịu nén, chịu kéo khi uốn
Bảng 3.2 Cường độ chịu nén của bê tông
Mẫu Lực nén (kN) Cường độ chịu nén (MPa)
Trung bình chịu nén (MPa)
Bảng 3.3 Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông
Mẫu Lực (kN) Cường độ chịu kéo
3.2.2 Kết quả đo chuyển vị giữa dầm theo lực tác động:
Bảng 3.4 Kết quả đo chuyển vị tại vị trí giữa dầm theo lực tác động
Lực (kN) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 430 DẦM 0% 0 0,68 1,28 1,96 2,7 3,34 4,1 4,76 5,36 5,84 DẦM 1% 0 0,49 1,11 1,56 2,13 2,84 3,54 4,15 5,06 5,6 DẦM 2% 0 0,35 0,92 1,31 1,82 2,45 3,11 3,76 4,65 5,31 DẦM 3% 0 0,27 0,66 1,1 1,59 2,18 2,69 3,3 4,05 4,68
3.2.3 Tải trọng gây xuất hiện vết nứt trên dầm cao:
Bảng 3.5 Tải trọng gây xuất hiện các vết nứt trên dầm cao
Lực tác động (kN) Dầm BTCT thường Dầm 1% sợi Dầm 2% sợi Dầm 3% sợi
Vết nứt thứ nhất (kN) 195,2 231,6 234,3 292,4
Vết nứt thứ hai (kN) 252,4 255,8 284,7 320,8
Vết nứt thứ ba (kN) 300,5 324,7 337,6 355,3
Vết nứt thứ tư (kN) 310,2 360,2 380,1 389,4
Hình 3.16 Vết nứt xuất hiện và phát triển trên dầm BTCT không có sợi thép
Hình 3.17 Vết nứt xuất hiện và phát triển trên dầm BTCT 1% sợi thép
Hình 3.18.Vết nứt xuất hiện và phát triển trên dầm BTCT 2% sợi thép
Hình 3.19 Vết nứt xuất hiện và phát triển trên dầm BTCT 3% sợi thép
Nhận xét, đánh giá kết quả thực nghiệm
3.3.1 Về cường độ chịu nén, chịu kéo của bê tông khi gia cường sợi thép
Khi bê tông được gia cường bằng sợi thép, cường độ chịu nén của nó có sự gia tăng, nhưng không đáng kể Cụ thể, mẫu bê tông có bổ sung 1% sợi thép theo khối lượng cho thấy cường độ chịu nén cao hơn khoảng 4% so với bê tông thông thường Tuy nhiên, sự gia tăng cường độ chịu nén chỉ đạt khoảng 2% cho mỗi phần trăm khối lượng sợi thép bổ sung thêm.
Khi bê tông được gia cường bằng sợi thép, cường độ chịu kéo và khả năng uốn của nó được cải thiện đáng kể Sợi thép được phân bố ngẫu nhiên trong bê tông giúp phân tán ứng suất, đồng thời truyền tải ứng suất qua các vết nứt, tương tự như cơ chế "khâu vết thương" Điều này làm tăng cường độ chịu kéo tại các vết nứt đầu tiên và nâng cao cường độ chịu kéo tối đa của bê tông nhờ vào khả năng chống lại lực kéo của sợi thép Kết quả là, bê tông gia cường sợi thép trở nên dẻo dai hơn và ít dễ bị phá hủy giòn so với bê tông nặng thông thường.
3.3.2 Về chuyển vị tại vị trí giữa dầm khi thí nghiệm uốn 3 điểm dầm cao Khi được gia cường sợi thép, dầm BTCT gia cường có chuyển vị giữa dầm giảm xuống so với dầm BTCT thông thường Ở mức tải trọng 430 kN (khả năng tối đa thực tế của hệ thống loadcell gia tải tại Phòng thí nghiệm), chuyển vị giữa dầm BTCT thông thường là 5,84 mm, trong khi dầm 1% sợi thép có chuyển vị tại giữa dầm là 5,6 mm (giảm 4,1%), dầm 2% sợi thép có chuyển vị là 5,31mm (giảm 9,1%) và dầm 3% sợi thép chỉ chuyển vị 4,68 mm (giảm 19,8%)
Việc gia cường sợi thép cho bê tông đã cải thiện khả năng chịu kéo và uốn, làm cho cấu kiện dầm trong thí nghiệm trở nên cứng cáp hơn Kết quả là chuyển vị giảm đáng kể và khả năng chịu lực ổn định hơn so với dầm bê tông cốt thép thông thường Điều này cũng tác động tích cực đến sự hình thành và phát triển vết nứt trong dầm.
Hình 3.20 Biểu đồ thể hiện chuyển vị giữa dầm theo tải trọng tác động
* Tính toán chuyển vị theo TCVN 5574 : 2018 [48]
- Tính toán độ cong cho một tiết diện trong trường hợp có xảy ra vết nứt Độ cong của 1 tiết diện xác định theo công thức
(1/r) 1 : độ cong do tác dụng ngắn hạn của tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời
(1/r) 2 : độ cong do tác dụng ngắn hạn của tải trọng thường xuyên và tải trọng dài hạn của tải tạm thời
Độ cong của một tiết diện chịu tác dụng của momen được xác định theo công thức, phản ánh ảnh hưởng lâu dài của tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời.
D: độ cứng của tiết diện xác định theo công thức dưới đây
Trong đó; E b1 : module biến dạng của bê tông chịu nén, được xác định phụ thuộc vào thời hạn tác dụng của tải trọng
E b1 = E b,red = R b /ɛ b1,red (3.4) ɛ b1,red : biến dạng tương đối của bê tông lấy theo Bảng 9 và mục 6.1.4.3 [48]
I red được xác định tương tự như công thức tính bề rộng vết nứt, với các hệ số quy đổi cốt thép về bê tông được tính toán qua α1 = E s /E b,red và α2 = E s,red / E b,red Trong đó, E s,red được tính theo công thức E s,red = E s /ψ s.
Hệ số ψs lấy bằng 1, do đó α1 và α2 sẽ khác nhau do hệ số ɛb1,red khác nhau cho trường hợp dài hạn
Để tính toán độ võng của dầm có 2 đầu tự do, ta cần xác định độ cong của tiết diện tại vị trí có momen lớn nhất Công thức tính độ võng được biểu diễn như sau: f = s.L²(1/r) max (3.8).
Trong đó: s : hệ số lấy bằng 5/48 với dầm tựa 2 đầu tự do;
(1/r) max : là độ cong toàn phần tại tiết diện có momen uốn lớn nhất
Tính toán với các công thức như trên với các mức tải trọng 100 kN, 200 kN,
300 kN và 400 kN được kết quả chuyển vị giữa dầm như bảng sau:
Bảng 3.6 Kết quả tính toán chuyển vị giữa dầm theo TCVN 5474 : 2018
Hình 3.21 So sánh chuyển vị giữa dầm theo TCVN 5574 : 2018 và thực nghiệm
3.3.3 Về sự hình thành và phát triển vết nứt khi uốn dầm cao:
Khi tiến hành thí nghiệm uốn 3 điểm đối với 04 dầm cao, ghi nhận được sự xuất hiện và phát triển các vết nứt như sau:
Vết nứt đầu tiên xuất hiện trên cả bốn dầm tại vị trí giữa, phát triển từ dưới lên trên Dầm không có sợi thép xuất hiện vết nứt sớm nhất ở mức tải trọng khoảng 195 kN Trong khi đó, các dầm có gia cường sợi thép với tỷ lệ khối lượng sợi thép tăng dần lần lượt xuất hiện vết nứt đầu tiên ở mức tải trọng 231 kN, 234 kN và 292 kN.
Khi tiếp tục gia tải, hai vết nứt thứ hai và thứ ba xuất hiện ở hai bên dầm, cách nhau khoảng 30cm từ vị trí giữa dầm Các vết nứt này phát triển theo đường chéo, nối từ điểm đặt lực đến vị trí khoảng 30cm tính từ giữa dầm.
Các dầm BTCT thông thường xuất hiện vết nứt đầu tiên ở mức tải trọng 252 kN và 300 kN, trong khi đó, các dầm gia cường sợi thép cho thấy sự xuất hiện vết nứt thứ hai và thứ ba muộn hơn Cụ thể, dầm có 1% sợi thép nứt ở 256 kN và 324 kN, dầm có 2% sợi thép nứt ở 284 kN và 337 kN, còn dầm có 3% sợi thép nứt ở 320 kN và 355 kN.
Khi tiếp tục gia tải, một vết nứt thứ 4 xuất hiện và phát triển theo đường chéo, nối từ điểm đặt lực đến vị trí khoảng 50cm tính từ giữa dầm Vết nứt này xuất hiện sớm nhất tại dầm bê tông cốt thép thông thường ở mức tải trọng khoảng 310kN, trong khi ở các dầm gia cường sợi thép, vết nứt xuất hiện muộn hơn theo tỷ lệ sợi tăng dần.
Sự xuất hiện của các vết nứt xiên trên dầm cao khi chịu uốn 3 điểm cho thấy ảnh hưởng của lực cắt, đặc biệt là từ điểm đặt lực hướng về phía gối tựa Khi tải trọng tăng, lực cắt trong dầm không chỉ gây ra vết nứt giữa dầm mà còn là nguyên nhân chính dẫn đến các vết nứt xiên.
Hình 3.22 Mức tải trọng xuất hiện vết nứt trong dầm cao
- Về tốc độ phát triển vết nứt và chiều rộng vết nứt khi uốn dầm cao:
Dầm BTCT thông thường dễ xuất hiện vết nứt ở tải trọng thấp hơn và phát triển nhanh hơn so với dầm được gia cường sợi thép Ở mức tải trọng 430kN, vết nứt giữa dầm BTCT thông thường có chiều rộng khoảng 0,3mm, trong khi dầm gia cường sợi thép chỉ có vết nứt khoảng 0,1mm Tốc độ phát triển vết nứt trên dầm gia cường sợi thép cũng chậm hơn, cho thấy khả năng chống nứt tốt hơn của loại dầm này.
Nghiên cứu thực nghiệm uốn 3 điểm đối với 04 dầm cao, bao gồm 01 dầm bê tông cốt thép thông thường và 03 dầm sử dụng bê tông gia cường bằng sợi thép, đã chỉ ra sự khác biệt về hiệu suất và khả năng chịu lực giữa các loại dầm Kết quả cho thấy bê tông gia cường sợi thép mang lại độ bền và độ dẻo cao hơn so với bê tông thông thường.
THỨ TỰ XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRONG DẦM
Việc gia cường sợi thép không chỉ nâng cao cường độ chịu nén mà còn cải thiện cường độ chịu kéo của bê tông và các cấu kiện bê tông cốt thép Đặc biệt, cường độ chịu kéo được cải thiện rõ rệt hơn so với cường độ chịu nén.
(2) Các dầm cao BTCT được gia cường sợi thép khi chịu uốn có chuyển vị thấp hơn so với dầm cao BTCT thông thường
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA DẦM CHUYỂN
Tính toán thông số đầu vào cho mô phỏng
4.1.1 Đặc trưng cơ học của bê tông
Từ kết quả thí nghiệm mẫu, có được bảng thông số đặc trưng của vật liệu như sau:
Bảng 4.1 Thông số đặc trưng của bê tông có và không có gia cường sợi thép
4.1.2 Thông số mô hình vật liệu thép
Các thông số đặc trưng của cốt thép được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 4.2 Thông số đặc trưng của cốt thép
Es (GPa) ʋs ƒy (MPa)
Phân tích mô phỏng ABAQUS
4.2.1 Xây dựng cấu kiện dầm chuyển
Trong vùng công cụ chọn biểu tượng (Create Part), người dùng cần khai báo các mục như Name để đặt tên cho cấu kiện, Modeling Space để chọn đối tượng mô phỏng 3D, Type để chọn loại phần tử biến dạng là phần tử Deformable, và Base Feature để sử dụng dạng cấu kiện Solid với loại Extrusion và xấp xỉ phần tử 200 Sau khi hoàn tất, nhấn Continue để tiếp tục.
Hình 4.1: Cửa sổ Create Part của dầm
Khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng (Create lines:
Rectangle (4 lines) Vùng thông báo hiển thị Pick a starting corner for the rectangle or enter X Y (chọn điểm đầu tiên của hình chữ nhật hoặc nhập tọa độ X, Y), nhấn Enter
Để vẽ mặt cắt dọc dầm, đầu tiên, màn hình sẽ hiển thị điểm đầu của hình chữ nhật với hướng dẫn "Chọn điểm đối diện cho hình chữ nhật hoặc nhập tọa độ X Y" Bạn cần nhấn Enter để kết thúc thao tác Trong bước này, việc khai báo tọa độ X,Y sẽ giúp bạn dễ dàng quản lý và thực hiện các bước tiếp theo một cách thuận tiện.
Hình 4.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện dầm
Chọn (Select the entity to dimension), kích chọn (Sketch the section for the solid extrusion) để khởi tạo mô hình 3D của dầm
Cửa sổ Edit Base Extrusion trong mục Depth nhập chiều cao của dầm, chọn
OK để đóng cửa sổ
Hình 4.3.Cửa sổ Edit Base Extrusion
Hình 4.4 Mô hình ba chiều của dầm
4.2.2 Xây dựng gối tựa và gối gia tải Thực hiện tương tự với cấu kiện dầm chuyển đã được thực hiện ở trên
In the Create Part tool, users can name their project in the Create Part window, select a Modeling Space using a 3D simulation object, choose the Type as Deformable, and set the Base Feature to Wire with a Planar type.
Sau khi khởi động giao diện vẽ đồ họa hai chiều Các bước thực hiện tương tự đối với cấu kiện dầm
Hình 4.5 Mô hình hình học hai chiều của cốt đai
4.2.4 Xây dựng cốt thép dọc Thực hiện tương tự như đối với cốt thép đai
Trong vùng công cụ sử dụng (Create Material), mở cửa sổ Edit Material để đặt tên cho cấu kiện Chọn Genera - Density và nhập giá trị khối lượng riêng của bê tông Tiếp theo, chọn Mechanical - Elasticity - Elastic và nhập các giá trị Young’s Modulus và hệ số Poisson của bê tông Đối với phần Mechanical - Concrete Damaged Plasticity, nhập thông số mô hình phá hoại dẻo theo Bảng 2.1 Trong mục Compressive Behavior, điền giá trị đường cong ứng suất - biến dạng cho miền bê tông chịu nén như Hình 2.14, và tương tự cho mục Tensile Behavior với giá trị đường cong ứng suất - biến dạng cho miền bê tông chịu kéo như Hình 2.16 Cuối cùng, chọn OK để hoàn tất việc thiết lập thông số cho bê tông.
Hình 4.6 Xác định thông số vật liệu bê tông
- Vật liệu cốt thép chịu lực
Trong vùng công cụ Create Material, mở cửa sổ Edit Material để đặt tên cho cấu kiện Tiếp theo, chọn General – Density và nhập giá trị khối lượng riêng của thép Sau đó, chuyển đến Mechanical – Elasticity – Elastic để nhập giá trị Young’s Modulus và hệ số Poisson của thép Tiếp tục chọn Mechanical - Plasticity - Plastic, và trong mục Plasticity, nhập các thông số mô hình dẻo của thép cùng với đường cong ứng suất - biến dạng của cốt thép như đã trình bày trong phần lý thuyết Cuối cùng, nhấn OK để hoàn tất cửa sổ Edit Material cho vật liệu thép.
- Vật liệu của gối tựa và gối gia tải
Thiết lập tương tự như cốt thép chịu lực
4.2.6 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt ngang
Sử dụng công cụ Create Section để mở cửa sổ Create Section, nơi bạn cần đặt tên cho tiết diện (Name), chọn Category (đối tượng mô phỏng, sử dụng đối tượng Solid) và Type (tính năng) Bạn có thể thêm Material (vật liệu cho mặt cắt) và các lựa chọn khác sẽ sử dụng mặc định.
OK, hoàn thành định nghĩa các thuộc tính mặt cắt Định nghĩa tương tự cho gối tựa và gối gia tải
Hình 4.7 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông
Để tạo mặt cắt, chọn biểu tượng "Create Section" trên thanh công cụ, sau đó đặt tên cho mặt cắt, chọn loại đối tượng là Beam và loại phần tử là Truss Giữ các thông số khác ở mặc định và nhấn Continue Cửa sổ Edit Section sẽ xuất hiện, nơi bạn cần xác định vật liệu cốt thép và diện tích mặt cắt ngang Cuối cùng, chọn OK để hoàn tất định nghĩa thuộc tính mặt cắt ngang cho cốt thép, và thực hiện các bước tương tự cho cốt thép đai.
Hình 4.8 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép
4.2.7 Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện
Sử dụng chức năng "Assign Section" trên thanh công cụ, chọn đối tượng cần gán tiết diện trong vùng đồ họa và nhấn "Done" để mở cửa sổ "Edit Section".
Trong phần chọn loại tiết diện, hãy nhấn OK để hoàn tất việc định nghĩa và gán thuộc tính Tiếp theo, thực hiện tương tự cho các cấu kiện bê tông, cốt thép chịu lực, gối tựa và gối gia tải.
Hình 4.9 Cửa sổ Edit Section Assignment
4.2.8 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện
To begin assembling in the Enviroment module, select 'Assembly' from the menu Utilize the 'Instance Part' option on the toolbar, which will open the 'Create Instance' window In this dialog, choose the desired 'Part' for assembly and specify the 'Instance Type' needed for the assembly process.
OK để hoàn thành lắp ghép đối tượng
Hình 4.10 Cửa sổ Create Instance
- Gối tựa và gối gia tải Để thêm các đối tượng vào vùng lắp ghép, thiết lập tương tự như đối với dầm
Instance để di chuyển gối tựa và gối gia tải đúng vào vị trí mô phỏng Sau khi hoàn thành, nhấn Done và được mô hình như sau:
Hình 4.11 Cửa sổ hoàn thành việc lắp ghép bê tông, gối tựa và gối gia tải
Sử dụng công cụ Instance Part trên thanh công cụ để mở cửa sổ Create Instance, cho phép lựa chọn loại lắp ghép đối tượng cho cả cốt thép chịu lực và cốt đai Để hiệu chỉnh chính xác, chọn View - Assembly Display Option và đánh dấu vào các đối tượng cần hiển thị, giúp tránh tình trạng che khuất khi thao tác Sau khi thêm đủ các đối tượng cần lắp ghép, sử dụng công cụ Nhóm để kết hợp các thành phần khung thép chịu lực thành một cấu kiện mới, tạo thuận lợi cho việc thao tác Cuối cùng, di chuyển nhóm cốt thép vào vị trí chính xác trong dầm bê tông để hoàn thiện cấu trúc.
Hình 4.12 Hoàn thành việc lắp ghép các đối tượng
4.2.9 Liên kết giữa cốt thép chịu lực và bê tông
To create a constraint, use the Create Constraint function on the toolbar In the dialog box, select the Name for the constraint type and choose Embedded as the Type, which is suitable for rebar and stirrups Click Continue, and the notification area will prompt you to "Select the embedded region," allowing you to choose the rebar to be constrained When prompted with "Select the method for host region," click the Whole Model button to assign the constraint to all objects The Edit Constraint window will appear; click OK to exit, completing the definition of the constraint between the rebar and concrete.
Hình 4.13 Liên kết giữa cốt thép và bê tông
4.2.10 Liên kết giữa điểm đặt lực và dầm bê tông Để có thể gán tải trọng lên mô hình dầm bê tông cốt thép, cần tạo một điểm đặt lực ảo để gán tải trọng cho dầm Điểm đó là điểm tự chọn và phải cách mặt trên lớp đệm thép Vì vậy, cần gán ràng buộc giữa điểm này và dầm bê tông cốt thép Trong trường hợp này, chúng ta sử dụng loại ràng buộc Coupling Để tạo điểm gán tải trọng, sử dụng công cụ Create Reference Point trong modul Interaction, vùng thông báo sẽ hiện thị “Select point to act as reference point – or enter X,Y,Z”, nhập tọa độ cần thiết Kết thúc lệnh nhấn Done Sau khi hoàn thành hiển thị như hình sau:
Hình 4.14 Ràng buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông
4.2.11 Liên kết giữa gối đỡ, gối gia tải với dầm bê tông Cần tạo sự liên kết giữa gối đỡ và gối gia tải với dầm bê tông cốt thép (như mô hình thực nghiệm) Giả thiết các gối tựa dính chặt với dầm bê tông theo phương đứng Để thể hiện điều này, sử dụng loại ràng buộc Tie tại công cụ Create Constraint trong module Interaction Vùng thông báo tiếp tục hiển thị “Select region for master type”, nhấn Surface, vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Select region for master Surface”, đưa chuột chọn vùng tiếp xúc dầm bê tông của tấm thép, nhấn Done Vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Choose the slave type”, nhấn Surface, dùng chuột chọn phần tiếp xúc tấm thép của dầm bê tông Nhấn Done Xuất hiện cửa sổ Edit Constraint, chấp nhận các mặc định, nhấn OK Hoàn thành việc ràng buộc giữa tấm thép và dầm bê tông hiển thị như hình sau:
Hình 4.15 Liên kết giữa gối đỡ với dầm bê tông
4.2.12 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên
Từ Modul trên thanh môi trường, lựa chọn chức năng Load để định nghĩa tải trọng và điều kiện biên
Tải trọng trong thí nghiệm dầm bê tông được định nghĩa là tải trọng theo thời gian Để đảm bảo tính chính xác trong thử nghiệm, cần thiết lập quy luật tải trọng theo thời gian khi tác động lên dầm.
Kết quả mô phỏng và so sánh giữa kết quả mô phỏng với kết quả nghiên cứu thực nghiệm
4.3.1 Hướng nghiên cứu so sánh:
Sau khi hoàn thành các bước mô phỏng dầm chuyển trên phần mềm ABAQUS, kết quả thu được đã được đối chiếu với dữ liệu thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Trong phạm vi nghiên cứu, Luận văn trình bày hai hướng so sánh chính là:
Mô hình số vật liệu bê tông thông thường được sử dụng để mô phỏng bê tông cốt sợi với tỷ lệ gia cường sợi thép từ 1% đến 3%, dựa trên các nghiên cứu cho thấy tính chất của hai loại bê tông này gần tương đương Bài viết sẽ so sánh sai số về giá trị chuyển vị tại vị trí giữa dầm giữa mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm Từ đó, sẽ rút ra kết luận về khả năng áp dụng mô hình số bê tông thông thường cho việc mô phỏng bê tông cốt sợi thép và xác định mức sai số nếu có thể sử dụng.
Theo kết quả thực nghiệm, quá trình gia tải dừng lại ở chuyển vị dầm tương đối nhỏ do công suất giới hạn của thiết bị Dầm chuyển là bộ phận quan trọng trong kết cấu công trình, vì vậy cần khống chế chuyển vị ở mức thấp nhất Trong nghiên cứu này, giá trị chuyển vị giới hạn được tham khảo theo tiêu chuẩn Eurocode 2, cụ thể là L/360, nhằm đánh giá sự chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
4.3.2 Kết quả mô phỏng dầm cao:
Hình 4.23 Kết quả mô hình mô phỏng dầm cao
Bảng 4.3 Số liệu lực - chuyển vị mô phỏng dầm cao BTCT thông thường
Dầm BTCT thông thường Chuyển vị (mm) Lực (kN)
Hình 4.24 Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị dầm cao BTCT thông thường
Biểu đồ Hình 4.24 cho thấy mô hình số Hsu – Hsu được áp dụng để mô phỏng bê tông cốt thép thông thường và mô hình đàn dẻo lý tưởng của thép.
Kết quả mô phỏng cho thấy sự hội tụ tốt khi so sánh với thực nghiệm Cụ thể, tại vị trí chuyển vị 5mm, độ lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm chỉ đạt 0,81%.
Bảng 4.4 Số liệu lực – chuyển vị mô phỏng dầm cao BTCT 1% sợi thép
Dầm gia cường 1% SỢI THÉP Chuyển vị (mm) Lực (kN)
Hình 4.25 Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị dầm cao BTCT 1% sợi thép
Biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị của dầm bê tông cốt thép với 1% sợi thép cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm Cụ thể, tại tải trọng 200 kN, độ lệch lớn nhất lên tới 8% khi dầm chưa xuất hiện vết nứt Ở vị trí chuyển vị giới hạn 5mm, sự chênh lệch giữa hai kết quả giảm xuống còn 1,75%.
Bảng 4.5 Số liệu lực – chuyển vị mô phỏng dầm cao BTCT 2% sợi thép
Dầm gia cường 2% SỢI THÉP Chuyển vị (mm) Lực (kN)
Trong nghiên cứu về dầm cao BTCT sử dụng bê tông có hàm lượng cốt sợi 2%, kết quả cho thấy sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm lớn hơn so với dầm bê tông cốt thép thông thường với hàm lượng 1% Cụ thể, trong giai đoạn chưa xuất hiện vết nứt, độ lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm tại mức tải trọng 200 kN là 14,1% Ở vị trí chuyển vị giới hạn 5mm, độ lệch lớn nhất giữa hai phương pháp này là 6,96%.
Bảng 4.6 Số liệu lực – chuyển vị mô phỏng dầm cao BTCT 3% sợi thép
Dầm gia cường 3% SỢI THÉP Chuyển vị (mm) Lực (kN)
Hình 4.27 Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị dầm cao BTCT 3% sợi thép
Biểu đồ Hình 4.27 minh họa sự so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng của dầm chuyển bê tông cốt thép, trong đó bê tông được gia cường với 3% cốt sợi thép, cho thấy độ lệch đáng chú ý.
Mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt so với các trường hợp khác, với độ lệch 16,7% trong giai đoạn làm việc trước khi xuất hiện vết nứt Tại vị trí chuyển vị giới hạn 5mm, kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự chênh lệch khoảng 11,3%.
Kết quả phân tích cho thấy, khi hàm lượng cốt sợi gia cường trong bê tông cốt thép tăng, độ chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm cũng gia tăng Cụ thể, khi hàm lượng cốt sợi tăng từ 1% đến 3%, mô phỏng sử dụng mô hình Hsu - Hsu cho bê tông và mô hình đàn dẻo lý tưởng cho thép cho thấy độ chênh lệch trong khoảng từ 1,75% đến 11,3% Do đó, có thể kết luận rằng việc sử dụng mô hình số phát triển cho vật liệu bê tông thông thường để mô phỏng tính chất của bê tông cốt sợi với hàm lượng sợi thép từ 1% đến 3% là chấp nhận được.
Kết quả so sánh cho thấy rằng, khi bê tông cốt thép (BTCT) được gia cường bằng sợi thép, có sự khác biệt rõ rệt trong ứng xử của BTCT và các cấu kiện so với BTCT thông thường Sự khác biệt này gia tăng đáng kể khi hàm lượng sợi thép tăng Do đó, trong nghiên cứu tiếp theo, cần điều chỉnh các thông số và mô hình đầu vào của ABAQUS để đạt được kết quả mô phỏng sát với thực nghiệm, đặc biệt đối với các cấu kiện BTCT gia cường với hàm lượng sợi thép cao, có thể lên đến 5% về khối lượng.
Trong kết quả mô phỏng uốn 3 điểm, vùng chịu ứng suất cao nhất được thể hiện bằng màu vàng cam và xanh nhạt, nằm ở khu vực "hình nan quạt" từ điểm đặt lực tỏa ra hai bên gối tựa Kết quả này tương đồng với các thí nghiệm thực tế trên dầm cao BTCT, cả có và không có gia cường bằng sợi thép.
Ứng dụng mô hình mô phỏng một dầm chuyển trong công trình thực tế
Dựa trên kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm, mô phỏng cho thấy sự hội tụ tốt với thực nghiệm Luận văn này phát triển từ mẫu mô hình thực nghiệm để áp dụng vào mô phỏng dầm chuyển của công trình thực tế, cụ thể là dầm chuyển tại tầng 2 của Bệnh viện Đa khoa Hoàn Mỹ Sài Gòn, địa chỉ 60 - 60A đường Phan Xích Long, phường 1, quận Phú Nhuận, Thành phố Hồ Chí Minh Quy mô thực tế của công trình và vị trí sử dụng dầm chuyển được thể hiện trong Hình 4.28.
Hình 4.28 Công trình Bệnh viện Đa khoa Hoàn Mỹ Sài Gòn
Bệnh viện đa khoa Hoàn Mỹ Sài Gòn - cơ sở Phan Xích Long có diện tích 8.800 m², bao gồm 02 tầng hầm, 01 tầng trệt và 12 tầng lầu Tại lầu 2, dầm chuyển được sử dụng có kích thước 13 x 1.6 x 1.3 m.
Để vượt nhịp, vật liệu bê tông cốt thép thông thường được sử dụng để truyền tải tải trọng từ hệ thống cột phía trên xuống móng, đồng thời tạo ra khoảng thông thủy rộng cho sảnh đón của công trình.
Luận văn áp dụng phương pháp và các số liệu mô phỏng đã được đề cập để xây dựng mô hình mô phỏng cho dầm chuyển tại công trình Bệnh viện đa khoa Hoàn Mỹ Sài Gòn.
Hình 4.29 Xây dựng mô hình tính toán dầm chuyển thực tế
Hình 4.30 Khai báo điều kiện biên và tải trọng cho dầm chuyển thực tế
Hình 4.31 Tiến hành chia lưới để phân tích cấu kiện dầm chuyển
Hình 4.32 Kết quả phân tích mô hình tính toán dầm chuyển thực tế
Bài viết này tập trung vào việc so sánh và đánh giá hiệu quả chịu lực của dầm chuyển khi sử dụng bê tông cốt sợi thép thay cho bê tông cốt thép thông thường Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh thực tế tại công trình Bệnh viện Đa khoa Hoàn Mỹ Sài Gòn.
Tiêu chí đánh giá sử dụng tải trọng thiết kế từ phần mềm Etabs để xác định chuyển vị qua mô phỏng dầm bê tông cốt thép (BTCT) bằng phần mềm ABAQUS Nghiên cứu này thay đổi tính chất của bê tông thông thường bằng bê tông có 3% hàm lượng gia cường sợi thép Dựa trên kết quả, khả năng chịu tải của dầm chuyển gia cường sợi thép được đánh giá tương ứng với chuyển vị tại tải trọng thiết kế đã xác định trong mô phỏng dầm BTCT thông thường.
Hình 4.33 Kết quả lực dọc tác dụng lên dầm chuyển xuất ra từ Etabs (kN)
Hình 4.34 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị dầm chuyển thực tế
Theo biểu đồ Hình 4.34, giai đoạn làm việc đàn hồi tuyến tính của dầm chuyển không có sự khác biệt đáng kể giữa bê tông thường và bê tông cốt sợi 3% Tuy nhiên, khi tải trọng đạt từ 3.000 kN trở lên, dầm chuyển bằng bê tông cốt thép thường cho thấy sự phát triển chuyển vị nhanh hơn rõ rệt so với dầm chuyển được gia cường 3% sợi thép.
Việc ứng dụng bê tông cốt sợi với hàm lượng 3% cho kết cấu dầm chuyển đã giúp tăng cường đáng kể tải trọng cực hạn của dầm, với mức tăng khoảng 36,3% so với bê tông thông thường.
Tại tải trọng thiết kế, dầm chuyển BTCT thông thường có chuyển vị 7,24 mm Khi sử dụng bê tông cốt sợi với hàm lượng 3%, khả năng chịu tải của dầm chuyển tăng từ 3.630 kN lên 4.228 kN, tương đương với tỷ lệ tăng khoảng 16,47% Điều này cho thấy dầm chuyển có thể chịu thêm tải tương đương với khoảng 1,5 tầng nữa Bên cạnh đó, việc sử dụng BTCT gia cường bằng sợi thép còn giúp hạn chế sự xuất hiện và phát triển vết nứt trong kết cấu dầm chuyển và tại các vị trí đặt tải, chứng minh hiệu quả vượt trội của BTCT gia cường bằng sợi thép trong thiết kế dầm chuyển.
