Nghiên cứu ứng xử của dầm chuyển bê tông cốt thép gia cường bằng sợi thép

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trong các đô thị lớn hiện nay, tòa nhà cao tầng ngày càng cần tối ưu 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 thiết kế cho 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 yêu cầu này, cần có một kết cấu chuyển giữa khu vực trên và dưới, chịu uốn/cắt với khả năng vượt nhịp lớn, giúp phân phối tải trọng từ cột hoặc vách phía trên xuống hệ kết cấu cột phía dưới Trong nhà cao tầng, hệ kết cấu chuyển có thể được thiết kế dưới dạng dầm chuyển, giàn, vòm hoặc dầm có 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 loại kết cấu truyền thống Khi sử dụng kết cấu chuyển dưới dạng vòm hoặc 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 cần có không gian rộng cho sảnh đón phía dưới Mặc dù kết cấu chuyển dạng giàn thép có khả năng vượt nhịp lớn, nhưng để chịu tải trọng từ hệ thống cột và sàn phía trên, cần thiết kế giàn thép có kích thước lớn, dẫn đến phức tạp trong thi công và chi phí đầu tư cao.

Trong thực tế, kết cấu chuyển thường được sử dụng là dầm bê tông cốt thép (BTCT) Đối với các tòa nhà lớn, việc áp dụng bê tông cốt thép thông thường là cần thiết để đảm bảo khả năng chịu lực hiệu quả.

Dầm chuyển thường có kích thước lớn, chiều cao có thể lên đến 2,5m, gây ra nhiều khó khăn về kiến trúc, thẩm mỹ và thi công Do đó, cần thiết phải áp dụng các giải pháp gia cường cho dầm chuyển bê tông cốt thép, như sử dụng bê tông cốt sợi thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực, nhằm tăng cường khả năng chịu lực và giảm chiều cao của dầm.

Tổng quan về dầm chuyển

1.2.1 Khái niệm về dầm chuyển

Dầm chuyển BTCT là loại dầm có độ cứng và tiết diện lớn, giúp chuyển đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu Nó có thể thay đổi từ hệ dầm cột chịu lực sang hệ dầm vách chịu lực, hoặc giữ nguyên hệ dầm cột nhưng với số lượng cột phía trên nhiều hơn phía dưới.

Cấu kiện dầm chịu uốn được xác định bởi hai thông số chính là 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 của dầm, cũng như tỷ số giữa nhịp chịu cắt của dầm và chiều cao tiết diện.

Trong thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) cho cấp tải trọng thông thường, tiết diện dầm thường được xác định sơ bộ dựa trên tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp, với dầm chính có tỷ lệ từ 1:12 đến 1:8 và dầm phụ từ 1:20 đến 1:12 Các dầm này được phân loại là dầm thông thường, và việc tính toán chúng được thực hiện theo các lý thuyết truyền thống của kết cấu BTCT, dựa trên một số giả thiết về sức bền vật liệu.

Kết cấu dầm chuyển đặc trưng bởi 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 loại này cũng có những khác biệt đáng kể so với kết cấu dầm chịu uốn thông thường.

Do đó, việc tính toán dầm chuyển (transfer beam) được dựa trên lý thuyết của

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày ba phương pháp tính toán dầm cao (deep beam) đã được công nhận và áp dụng trong tiêu chuẩn thiết kế của nhiều quốc gia Do đó, luận văn này sẽ tập trung vào việc thiết kế và tính toán cấu kiện dầm chuyển bê tông cốt thép (BTCT) chủ yếu dựa vào các phương pháp tính toán dầm cao 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 trình bày và tổng kết vào năm 1965, tiếp theo là các nghiên cứu của Hiệp hội Xi măng và Bê tông (C&CA) vào năm 1969 và Hiệp hội Nghiên cứu và Thông tin Công nghệ Xây dựng (CIRIA) vào năm 1977 Sau đó, nghiên cứu của Tang và Wong vào năm 1987, cùng với Chemrouk, đã bổ sung thêm nhiều khía cạnh quan trọng cho lý thuyết này.

Nghiên cứu đầu tiên về dầm cao 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 quan trọng của các nghiên cứu này là phải dựa vào giả thiết về vật liệu đồng chất, đẳng hướng và tuân theo định luật Hooke, dẫn đến khó khăn trong việc cung cấp hướng dẫn thiết kế đầy đủ cho các trường hợp thực tế, đặc biệt khi vật liệu hoạt động ở trạng thái phi đàn hồi hoặc gần tới điểm phá hủy.

Cần tiến hành nghiên cứu về trạng thái phi đàn hồi, đặc biệt là các cơ chế phá hoại của dầm cao, với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được coi là hiệu quả nhất Trong thập niên 1960, hệ thống thí nghiệm đến tải trọng giới hạn đã được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu như Paiva, Siess, 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 về thí nghiệm phá hoại trên hơn 490 dầm cao, bao gồm các mẫu dầm có trọng lượng 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 báo cáo 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 phương 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 Cũng trong năm 1973, 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 đã tiên phong trong việc thực hiện các thí nghiệm về sự mất ổn định của dầm cao bê tông có độ mảnh lớn, sau đó được Kong và cộng sự tiếp tục vào năm 1986 Đến năm 1987, Mau và Hsu đã áp dụng lý thuyết mô hình giàn để tính toán cho dầm cao, và năm 1988, Kotsovos đã thực hiện một nghiên cứu toàn diện về dầm cao trong trạng thái tới hạn (phá hủy).

5 với nguyên nhân cơ bản là sự 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 chuyển BTCT thường được chế tạo từ bê tông 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 bê tông cốt thép (BTCT) đã trở thành giải pháp phổ biến để 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 tại Mỹ, Malaysia và Thái Lan cho thấy tính ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trong xây dựng hiện đại.

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 vào năm 1997, khi thiết kế khu hội trường và nhà hàng ở tầng 1 và 2 Đơn vị tư vấn thiết kế đã sử dụng hệ dầm chuyển để vượt nhịp lớn, trong khi các dạng kết cấu dầm chuyển vẫn còn mới mẻ tại thời điểm đó.

Năm 2003, tòa nhà 34 tầng tại Khu đô thị Trung Hòa - Nhân Chính, Hà Nội, áp dụng giải pháp kết cấu dầm chuyển với chiều cao 136m Dầm chuyển được đặt ở tầng kỹ thuật, có kích thước chiều rộng từ 1800 đến 2700 mm và chiều cao 2150 mm, với sàn dày 300 mm Tổng khối lượng bê tông sử dụng cho công trình 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, tọa lạc tại Mỹ Đình, Từ Liêm, Hà Nội, bao gồm 4 tháp cao 28 tầng, được chia thành 2 khối và kết nối với nhau bằng 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)

Hệ dầm - sàn chuyển đang được ứng dụng rộng rãi tại các thành phố lớn như Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, với nhiều công trình tiêu biểu như dự án Kenton ở Hồ Chí Minh và khách sạn Hilton tại Đà Nẵng.

Dầm chuyển BTCT đang ngày càng phổ biến trong các công trình xây dựng dân dụng tại Việt Nam Nghiên cứu khả năng chịu lực và ứng xử của dầm chuyển, kết hợp với biện pháp gia cường thích 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 tăng cường khả năng chịu lực cho bê tông xi măng đã được nghiên cứu từ những năm 1960 Hiện nay, bê tông cốt sợi đã trở thành một giải pháp phổ biến trong các kết cấu như dầm, bản, và vỏ, với nhiều loại sợi khác nhau như sợi thép nhỏ, sợi polyme, sợi thủy tinh bền kiềm, sợi cacbon, sợi gỗ và sợi thực vật Những ứng dụng này giúp cải thiện độ bền và tính năng của bê tông, được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới.

Bê tông cốt sợi thép là giải pháp hiệu quả trong ngành xây dựng, có thể ứng dụng để gia cường bê tông bằng sợi thép hoặc kết hợp với cốt thép thanh Kết quả đạt được trong cả hai trường hợp đều khả quan, đặc biệt khi ứng dụng cốt sợi thép giúp gia cường bê tông trong các tình huống có tải trọng gây uốn trên diện tích nhỏ hoặc tại những vị trí khó phân bố co ngót và cốt thép.

Sợi thép được chế tạo từ thép cacbon hoặc thép không gỉ, với cường độ chịu kéo dao động từ 345MPa đến 1380MPa và mô-đun đàn hồi khoảng 200 GPa Tiết diện của sợi thép có thể là hình tròn hoặc vuông, chiều dài thường nhỏ hơn 75 mm, và tỷ số giữa chiều dài và đường kính sợi nằm trong khoảng từ 30 đến 100 Sợi thép này 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 Shah và Rangan đã nghiên cứu bê tông với sợi thép có đường kính từ 0,25 mm đến 0,75 mm để phát triển hỗn hợp bê tông dẻo Lượng sợi và tỷ lệ chiều dài trên đường kính của sợi thép thẳng là những yếu tố quan trọng trong việc kiểm tra các tính chất của bê tông cốt sợi thép, với khối lượng sợi từ 90 - 120 kg/m3 Tuy nhiên, khi sử dụng mật độ sợi cao, một thách thức lớn là sợi có thể cuộn lại thành cục trong quá trình trộn, đặc biệt là với sợi dài.

Việc sử dụng sợi thép có thể làm giảm độ dẻo của hỗn hợp bê tông, ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng của sản phẩm Để khắc phục tình trạng này, Ramakrishnan và cộng sự đã nghiên cứu và áp dụng các loại phụ gia dẻo giảm nước với liều lượng nhỏ nhằm điều chỉnh tính dẻo cho 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 ra từ sự kết hợp của xi măng, nước, cốt liệu mịn và thô cùng với sợi thép phân tán Khi chịu lực kéo, SFRC có khả năng chịu đựng tốt nhưng sẽ bị phá hủy khi sợi thép bị đứt hoặc tuột ra 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 thay thế hoàn toàn 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 ra kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực pha sợi thép với các tính năng chịu lực đặc biệt.

Việc áp dụng cốt thép sợi mang lại sự cải thiện rõ rệt cho khả năng chịu lực của bê tông Đối với các yêu cầu đặc biệt về độ ổn định, giới hạn sử dụng cốt thép, hoặc trong các công trình cần gia cường như bê tông phun cho vỏ hầm và vỏ tàu, bê tông cốt sợi thép trở thành một giải pháp tối ưu.

Các tính chất của bê tông sợi (SFRC) ở trạng thái dẻo nhớt và rắn chắc, cũng như độ bền theo thời gian, phụ thuộc vào thành phần chế tạo SFRC được coi là một vật liệu hỗn hợp, bao gồm bê tông làm vật liệu nền và sợi phân tán Những yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của SFRC.

Sợi thép trong bê tông cốt sợi (SFRC) có 12 tính chất quan trọng, bao gồm hàm lượng sử dụng, cường độ, module đàn hồi và liên kết giữa sợi và bê tông Các tính chất của bê tông cũng đóng vai trò quan trọng, với cường độ, hàm lượng và module đàn hồi ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể Một nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng khả năng cải thiện tính chất của SFRC khi sử dụng cốt sợi có thể được giải thích qua cơ chế hạn chế vết nứt dựa trên cơ học phá hủy Năng lượng cần thiết để mở rộng vết nứt và làm mất liên kết giữa các sợi trong SFRC liên quan chặt chẽ đến các tính chất của sợi và vật liệu nền là bê tông.

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) được xác định bởi độ bền của sợi khi bị kéo ra khỏi bê tông, dẫn đến việc phá vỡ liên kết giữa chúng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa cường độ liên kết và các tính chất cơ học của SFRC Sự "tuột dần" của các sợi ra khỏi bê tông đóng vai trò quan trọng trong việc truyền ứng suất, giúp bê tông không bị phá hủy theo dạng vật liệu giòn khi không có sự hỗ trợ của sợi.

Tính dẻo dai của bê tông phụ thuộc vào loại và hàm lượng sợi Sợi thép có dạng khía, gợn sóng, bề mặt gồ ghề, hoặc có neo ở đầu giúp 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 cường độ và độ dẻo dai yêu cầu.

Sợi thép không chỉ cải thiện độ dẻo dai của bê tông trong mọi điều kiện chịu tải mà còn có tác động khác nhau đến cường độ của bê tông Cụ thể, khi sử dụng hàm lượng sợi thép lên đến 1,5% theo thể tích, cường độ chịu nén chỉ thay đổi từ 0 đến 15%, trong khi cường độ chịu kéo trực tiếp được cải thiện từ 30% đến 40% Cường độ chịu cắt cũng có sự gia tăng đáng kể nhờ vào việc bổ sung sợi thép.

13 và xoắn có thể cải thiện đến 30% [26]

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 giảm trọng lượng kết cấu.

Sợi thép được phân bố ngẫu nhiên trong bê tông giúp giảm kích thước vết nứt và cải thiện cường độ chịu kéo, đặc biệt tại vết nứt đầu tiên Việc sử dụng sợi thép không chỉ tăng cường độ chịu kéo tới hạn của bê tông mà còn nâng cao cường độ cắt – ma sát Điều này xảy ra nhờ vào khả năng của sợi thép trong việc truyền ứng suất qua các vết nứt, tương tự như cơ chế “khâu vết thương”.

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, gây ảnh hưởng đến mỹ quan công trình và khó khăn trong việc tận dụng không gian dưới dầm, đồng thời phát sinh nhiều chi phí Khi chịu tải trọng lớn, dầm chuyển có thể hình thành vết nứt tại 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 giúp tăng cường độ chịu lực, giảm chiều cao dầm và tăng chiều cao thông thủy dưới dầm chuyển Đồng thời, 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.

Với các lý do trên, đề tài Luận văn “Nghiên cứu ứng xử của dầm chuyển BTCT

Nghiên cứu về việc "gia cường bằng sợi thép" rất cần thiết để hiểu rõ hành vi của dầm chuyển bê tông cốt thép khi được gia cường, đặc biệt là khả năng chịu lực và sự hình thành, phát triển vết nứt dưới tải trọng Đề tài 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 bằng sợi thép, và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thí nghiệm trên mẫu dầm thực tế Dựa vào kết quả mô phỏng cho dầm có kích thước thông thường, nghiên cứu cũng phát triển mô phỏng cho trường hợp gia cường sợi thép cho dầm chuyển bê tông cốt thép với kích thước thực đã được thiết kế.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán dầm chuyển nhằm làm rõ khả năng chịu lực của chúng 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 về tính chất cơ lý của sợi thép cho thấy rằng sợi thép đóng vai trò quan trọng trong việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là ở dầm bê tông cốt thép Các thí nghiệm thực nghiệm đã chỉ ra rằng sợi thép không chỉ nâng cao khả năng chịu lực của dầm mà còn giúp hạn chế sự phát sinh và tốc độ phát triển của vết nứt trong kết cấu.

Mô hình mô phỏng dầm bê tông cốt thép gia cường bằng sợi thép với kích thước thông thường được xây dựng bằng phần mềm phân tích kết cấu ABAQUS/CAE Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với dữ 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

Bài viết phát triển mô hình mô phỏng cho dầm chuyển kích thước thực, bao gồm cả dầm 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 này, 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 việc phân tích ứng xử của dầm chuyển bê tông cốt thép gia cường bằng sợi thép, so sánh với ứng xử của dầm chuyển bê tông cốt thép thông thường.

17 giá khả năng ứng dụng bê tông sợi thép giúp tăng khả năng chịu lực, giảm vết nứt, 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

Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm bê tông cốt thép (BTCT) có gia cường sợi thép với kích thước thông thường nhằm đối chiếu và so sánh với kết quả mô phỏng số.

Phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm ABAQUS/CAE được áp dụng để xây dựng mô hình và phân tích ứng xử của dầm chuyển bê tông cốt thép 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) có gia cường bằng sợi thép nhằm làm rõ hiệu quả của việc gia cường đối với khả năng chịu lực của dầm cao Bài nghiên cứu cũng tập trung vào sự hình thành và phát triển vết nứt trên dầm cao, so sánh giữa dầm có và không có gia cường bằng sợi thép.

- Xây dựng mô hình mô phỏng số dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thép sử dụng phần mềm ABAQUS

Mô hình mô phỏng cấu kiện dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thép đã được đánh giá kết quả, cung cấp nền tảng cho việc tính toán các kết cấu khác sử dụng bê tông cốt sợi thép Đồng thời, mô hình này cũng là cơ sở quan trọng để thuyết minh ứng dụng các biện pháp gia cường hiệu quả.

18 cường cho BTCT bằng sợi thép (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) chủ yếu dựa vào lý thuyết đàn hồi và giả thiết vật liệu đồng chất, đẳng hướng theo định luật Hooke Tuy nhiên, những giả thiết này ngày càng trở nên không hợp lý cho kết cấu dầm chuyển BTCT Sau khi xuất hiện vết nứt, các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra 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 cho dầm thông thường chịu uốn và chịu cắt chỉ có thể áp dụng hiệu quả cho dầm cao có tỷ số giữa nhịp và chiều cao không vượt quá 2,5 lần Điều này là do sự phụ thuộc và tác động lẫn nhau của ứng suất pháp theo phương dọc và phương thẳng đứng, cũng như ảnh hưởng của ứng suất tiếp do lực cắt gây ra, theo lý thuyết đàn hồi trong bài toán phẳng.

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 dựa trên giá trị nhỏ nhất giữa chiều cao dầm (h) và nhịp dầm (l) Nếu nhịp dầm (l) nhỏ hơn chiều cao dầm (h), các phần của dầm ở phía trên chiều cao hiệu dụng chỉ đóng vai trò như một bức tường chịu tải, không tham gia vào việc đỡ tải giữa các gối tựa.

Lực cắt từ các tải trọng tác động đến 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 có ảnh hưởng lớn hơn so với biến dạng uốn, đặc biệt trong trường hợp dầm thấp Ứng suất cắt trong dầm cao đóng vai trò quan trọng đối với 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 tải trọng trên gối tựa ngày càng phổ biến ở các dầm cao Tại đây, ứng suất dọc có thể gia tăng, trong khi ứng suất kéo dưới tác dụng của tải trọng tập trung không bị giảm bởi ứng suất nén do uốn.

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 tải trọng.

- 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, khả năng chịu cắt, khả năng 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 dầm và tỷ số giữa nhịp và chiều cao dầm, mà còn liên quan đến 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

Phá hoại do uốn trong dầm cao bê tông cốt thép (BTCT) là hiện tượng phá hoại không đàn hồi, thể hiện qua sự phát triển của các vết nứt dọc từ bụng dầm lên trên khi tải trọng tăng lên Hiện tượng này xảy ra trên hầu hết chiều cao hiệu quả của dầm, dẫn đến sự suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu.

21 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 theo phương 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, ta nhận thấy trục trung hòa hạ thấp, dẫn đến đỉnh cao của ứng suất kéo gia tăng và khu vực chịu nén mở rộng.

Ứng suất chịu kéo tại mép biên của dầm lớn hơn đáng kể so với mép biên chịu nén Cụ thể, giá trị ứng suất kéo ở mép biên dưới không có sự 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 đối với dầm cao trong trạng thái chưa nứt chỉ có giá trị trước khi vết nứt xuất hiện Vết nứt thường hình thành khi tải trọng đạt từ 1/3 đến 1/2 giá trị tải trọng cực hạn Nguyên nhân khiến dầm cao nứt sớm là do ứng suất kéo tại mép dưới của dầm cao và phát triển nhanh chóng Khi các vết nứt đã 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 nứt và cung cấp thông tin về hướng vết nứt cũng như dòng lực sau khi nứt xảy ra.

Trong Hình 2.4, các đường nét đứt thể hiện quỹ đạo ứng suất nén song song với hướng của ứng suất nén chính, trong khi các đường liền nét biểu thị quỹ đạo ứng suất kéo song song với các ứng suất kéo chính Các 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 của ứng suất nén và ứng suất kéo.

23 nghiêng khi dầm bị phá hoại do lực cắt

Hình 2.4 Quỹ đạo ứng suất trong dầm cao [45]

Từ Hình 2.4, có thể thấy rằng quỹ đạo ứng suất kéo chính và ứng suất nén chính dày hơn 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 phù hợp với trạng thái đàn hồi trước khi vết nứt xuất hiện, từ đó làm nổi bật quá trình 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 chung cho thiết kế vẫn chưa đầy đủ trong các Tiêu chuẩn xây dựng Việc thiết lập những quy tắc này không đơn giản, vì cần thống nhất giữa bê tông cốt sợi thép và bê tông thông thường, đồng thời phải xem xét các nguyên tắc ứng xử mới cho bê tông cốt sợi thép.

Quá trình gia tăng sợi thép vào bê tông đã tạo ra một loại bê tông “dẻo dai” hơn, khiến cho việc xác định giới hạn phá hủy trở nên 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 tính toán kết cấu bê tông thông thường Trong khi ứng suất kéo thường ít được chú ý trong lý thuyết về trạng thái chịu uốn của kết cấu bê tông, bê tông cốt sợi thép vẫn duy trì khả năng làm việc ngay cả khi có vết nứt, điều này phụ thuộc vào kiểu sợi và hàm lượng sợi Do đó, trong quá trình tính toán cho bê tông cốt sợi thép, cần áp dụng nguyên lý tính toán thông thường nhưng cũng cần tính đến hiệu ứng làm việc của sợi thép bằng cách sử dụng cường độ thiết kế cao hơn và nâng cao khả năng chịu biến dạng của bê tông.

Kể 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 làm rõ cơ chế hoạt động của vật liệu này, đặc biệt là sự tương tác giữa sợi thép và nền bê tông Dựa trên những nghiên cứu này, các nhà khoa học đã đưa ra những nhận xét quan trọng, đặc biệt là về trạng thái phá hủy của bê tông cốt sợi thép.

37 hủy và khả năng chịu tải của bê tông cốt sợi thép, gồm hai vấn đề chính sau:

2.2.1 Khái niệm về không gian

Khái niệm không gian dựa vào tiền đề liên quan đến việc sử dụng các sợi thép để giảm tốc độ mở rộng của vết nứt vi mô dưới tác động của ứng suất, từ đó nâng cao khả năng chịu lực của vật liệu Vật liệu được xem như một phần tử, và hiệu quả hoạt động của các sợi thép chính là đại diện cho khả năng làm việc tổng thể của toàn bộ vật liệu.

Mô hình cơ cấu phá hủy được phát triển bởi Griffith vào năm 1921, xem xét tính không liên tục của vật liệu Ông đã giới thiệu khái niệm về năng lượng và năng lượng biến dạng trong mô hình 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 góp phần nâng cao khả năng chịu lực Mô hình cơ cấu phá hủy đã tính đến yếu tố này bằng cách đưa hệ số K1 vào công thức tính toán Sự hiện diện của sợi trong vùng vết nứt giúp giảm thiểu biến dạng, từ đó cải thiện độ bền của bê tông.

38 có thể áp dụng trong trường hợp sợi ngắn, phân tán không gian và sợi không định hướng [54]

Bê tông cốt sợi thép được coi là một loại vật liệu composite, bao gồm hai thành phần chính là bê tông và sợi thép, trong đó sợi thép đóng vai trò như một yếu tố tăng cường phân tán Tải trọng mà mỗi thành phần chịu phụ thuộc vào tỷ lệ của chúng trong tổng thể tích và tính đồng chất của vật liệu Độ dài, hướng của sợi và sự liên kết giữa bê tông và sợi thép là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu này.

- 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 chịu tải chủ yếu do cốt sợi chịu lực Ứng suất mỏi của vật liệu này có thể được mô tả thông qua một công thức cụ thể.

(2.24) Trong đó: β cu : cường độ mỏi của vật liệu composite a: 1/2 bề rộng vết nứt τ m : ứng suất liên kết của vật liệu composite

Cơ cấu phá hủy của bê tông cốt sợi thép đã được điều chỉnh dựa trên các kết quả thực nghiệm Đặc tính của vật liệu không chỉ là nền tảng cho tính toán và thiết kế mà còn cần được xác minh qua thử nghiệm 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 của công nghệ số, khả năng mô phỏng vật liệu phi tuyến và hiệu suất tính toán đã thúc đẩy ứng dụng của FEM Các phần mềm FEM thương mại hiện nay cho phép mô phỏng các mô hình vật liệu bê tông và các liên kết giữa thép và bê tông một cách chính xác, phản ánh đúng bản chất cơ học của chúng.

Nhiều nhà nghiên cứu đã tham gia vào việc nghiên cứu mô hình số kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thông qua phương pháp phân tích FEM phi tuyến Kết quả phân tích số cho thấy sự tương đồng cao với kết quả thí nghiệm, đồng thời các mối quan hệ giữa khả năng chịu tải lớn nhất, yếu tố chuyển vị và sự phá hủy của kết cấu đều đáng tin cậy.

ABAQUS/CAE là phần mềm FEM thương mại ngày càng phổ biến 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, giúp người dùng linh hoạt trong việc thực hiện các phân tích phức tạp.

40 giao diện đồ họa, tự động chia phần tử, tinh chỉnh và 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 được chứng minh là mang lại kết quả chính xác trong nhiều nghiên cứu trước đây [57], [58] Vì vậy, trong luận văn này, mô hình Hsu - Hsu [56] sẽ được áp dụng 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 tuân theo định luật Hooke trong miền đàn hồi, được giả định lên đến 50% cường độ chịu nén tối đa Mô hình số Hsu - Hsu chỉ áp dụng để tính toán giá trị ứng suất nén trong khoảng từ 0,5σcu của miền đàn hồi đến 0,3σcu của miền phá hủy của vật liệu, thông qua phương trình đã được xác định.

Trong đó:  là hệ số phụ thuộc vào biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng

 o : biến dạng tại vị trí đạt được ứng suất cực đại

Giá trị mô đun đàn hồi E0 được tính toán bởi biểu thức sau:

Các phương trình nêu trên sử dụng đơn vị 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 được Naya và Rasheed phát triển đã được điều chỉnh để tương thích với phần mềm ABAQUS Kết quả cho thấy mô hình này hội tụ tốt trong môi trường ABAQUS, phản ánh 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) đạt giá trị tối đa (σ_t0) Khi ứng suất giảm xuống dưới 0,8σ_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 yếu tố quan trọng trong tính toán bê tông, cho phép xác định đường cong 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 theo công thức cụ thể.

Trong đó: E C : mô đun đàn hồi của bê tông f c ' : cường độ chịu nén của bê tông (psi)

Tính toán mô đun đàn hồi của vật liệu đồng nhất hóa sử dụng mô hình Voigt:

(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 và được sử dụng làm dữ liệu đầu vào trong quá trình mô phỏng.

2.3.5 Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng

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 mô tả tính chất của vật liệu bê tông và cốt thép, việc mô phỏng cũng cần bao gồm các thông số phá hoại dẻo, như được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 2.1 Thông số mô hình phá hoại dẻo

K c là tỉ số 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 Tỉ 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 biểu thị bằng ký hiệu 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 cốt thép bao gồm 3 thanh ỉ16 ở phía trên và phía dưới dầm, 2 thanh ỉ12 ở giữa dầm, cùng với thớt đai ỉ8a100 Trong số đó, 01 dầm được làm từ BTCT thông thường, còn 03 dầm sử dụng BTCT gia cường bằng sợi thép Auber Steel, với chiều dài 6 cm và độ dày 0,75 mm (L/D = 80), có móc 02 đầu, với hàm lượng sợi thép 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.

Uốn bốn dầm cao bằng phương pháp uốn ba điểm nhằm xác định cường độ chịu lực và độ võng của dầm Nghiên cứu này cũng 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:

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm uốn dầm cao

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

+ 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 Đặc biệt, đối với những dầm có gia cường sợi thép, việc thêm sợi thép vào hỗn hợp sẽ nâng cao độ bền cho công trình Sau khi trộn xong, bê tông sẽ 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 tiến hành thí nghiệm uốn 04 dầm cao bằng phương pháp uốn 3 điểm Hệ thống này bao gồm khung uốn và loadcell thủy lực với tải trọng tối đa lên đến 500 kN Quá trình vận chuyển, lắp đặt hệ thống gối đỡ và 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

3.1.6 Quy trình thí nghiệm uốn dầm cao theo phương pháp uốn 3 điểm

Các dầm cao có kích thước lưới 10 cm x 10 cm được sử dụng để theo dõi sự xuất hiện và phát triển của vết nứt Sau đó, các dầm này được cẩu lên gối tựa bằng hệ thống cầu trục Chiều dài tổng thể của mỗi dầm là 2,2m, với mỗi bên gối tựa có chiều dài 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 dùng để đo lực tác động từ hệ thống Loadcell, trong khi Kênh 02 và Kênh 03 ghi nhận số liệu chuyển vị của dầm, phụ thuộc vào 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 của bê tông:

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

Bê tông gia cường bằng sợi thép có cường độ chịu nén tăng nhưng không đáng kể Cụ thể, mẫu bê tông bổ sung 1% sợi thép theo khối lượng có cường độ chịu nén cao hơn bê tông thông thường khoảng 4% Tuy nhiên, việc gia cường thêm sợi thép chỉ mang lại mức tăng cường độ chịu nén khoảng 2% cho mỗi phần trăm khối lượng sợi thép bổ sung.

Bê tông được gia cường sợi thép có cường độ chịu kéo khi uốn được cải thiện đáng kể nhờ vào việc phân bố ngẫu nhiên của sợi thép trong hỗn hợp Sợi thép giúp phân bố lại ứng suất và truyền ứng suất qua các vết nứt, tương tự như cơ chế "khâu vết thương", từ đó tăng cường độ chịu kéo tại các vết nứt đầu tiên Điều này giúp bê tông có độ bền cao hơn trước sự kéo giật của sợi thép, làm cho bê tông gia cường sợi thép trở nên dẻo dai và khó bị phá hủy giòn hơn 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%)

Khi bê tông được gia cường bằng sợi thép, khả năng chịu kéo và uốn của nó được cải thiện, dẫn đến cấu kiện dầm trở nên "cứng cáp" hơn trong thí nghiệm Điều này giúp giảm đáng kể chuyển vị và tăng cường khả năng chịu lực ổn định so với dầm bê tông cốt thép thông thường Sự cải thiện này cũng ảnh hưởng 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 động từ tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời được xác định bởi momen tương ứng, theo công thức (1/r) 3 Tác động lâu dài của các loại tải trọng này có ảnh hưởng đáng kể đến độ cong của tiết diện.

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 như sau: α1 = E s /E b,red và α2 = E s,red / E b,red, trong đó 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 hai đầu tự do, cần xác định độ cong của tiết diện tại momen lớn nhất Đối với dầm console và dầm có hai đầu gối tựa, công thức tính độ võng được áp dụng là 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 04 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 các dầm có gia cường sợi thép lần lượt xuất hiện vết nứt đầu tiên ở mức tải trọng 231 kN, 234 kN và 292 kN.

Khi gia tải tiếp tục, hai vết nứt mới xuất hiện ở hai bên dầm, cách nhau khoảng 30cm từ vị trí giữa dầm Các vết nứt này phát triển theo hướng chéo, nối từ điểm đặt lực đến vị trí cách giữa dầm khoảng 30cm Vết nứt thứ hai và thứ ba cho thấy sự gia tăng căng thẳng trong cấu trúc.

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 của vết nứt thứ hai và thứ ba muộn hơn, với tải trọng lần lượt là 256 kN và 324 kN cho dầm 1% sợi thép, 284 kN và 337 kN cho dầm 2% sợi thép, và 320 kN và 355 kN cho dầm 3% sợi thép.

Khi gia tải tiếp tục, vết nứt thứ 4 xuất hiện và phát triển theo hướng chéo, nối từ điểm đặt lực đến vị trí khoảng 50cm từ giữa dầm Vết nứt này xuất hiện sớm nhất ở dầm bê tông cốt thép thông thường tại mức tải trọng khoảng 310kN, trong khi đó, ở các dầm gia cường sợi thép, vết nứt xuất hiện muộn hơn tùy thuộc vào tỷ lệ sợi tăng dần và mức tải trọng tương ứng.

Sự xuất hiện của các vết nứt xiên trên dầm khi chịu uốn 3 điểm cho thấy ảnh hưởng của lực cắt Khi tải trọng tăng, lực cắt trong dầm không chỉ gây ra các vết nứt giữa dầm mà còn tạo ra các vết nứt xiên từ điểm đặt lực hướng về phía gối tựa.

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 bê tông cốt thép (BTCT) thông thường xuất hiện vết nứt sớm hơn và ở mức tải trọng thấp hơn so với dầm được gia cường bằng sợi thép Vết nứt trên dầm BTCT thông thường không chỉ phát triển nhanh hơn mà còn có chiều rộng lớn hơn Cụ thể, ở mức tải trọng 430kN, chiều rộng vết nứt tại giữa dầm BTCT thông thường đạt khoảng 0,3mm, trong khi dầm gia cường sợi thép chỉ có vết nứt rộng khoảng 0,1mm Hơn nữa, tốc độ phát triển vết nứt trên dầm gia cường cũng chậm hơn đáng kể so với dầm BTCT thông thường.

Nghiên cứu thực nghiệm uốn 3 điểm đối với 04 dầm cao, bao gồm 01 dầm BTCT thông thường và 03 dầm sử dụng bê tông gia cường sợi thép với tỷ lệ 1%, 2% và 3%, đã cho thấy một số kết luận quan trọng về hiệu suất và tính chất cơ học của các loại dầm này.

THỨ TỰ XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRONG DẦM

Gia cường sợi thép không chỉ nâng cao cường độ chịu nén mà còn cải thiện cường độ chịu kéo khi uốn 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

Trên vùng công cụ chọn biểu tượng (Create Part), bạn 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 (Deformable), và Base Feature để sử dụng dạng cấu kiện Solid với loại Extrusion, xấp xỉ phần tử 200 Sau khi hoàn tất, nhấn Continue.

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 bắt đầu vẽ mặt cắt dọc dầm, màn hình sẽ hiển thị điểm đầu của hình chữ nhật và yêu cầu bạn "Chọn góc 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 nhập tọa độ X,Y là ưu tiên hàng đầu để dễ quản lý và thuận tiện cho các bước tiếp theo.

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 utilizing 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 giá trị Young’s Modulus cùng hệ số Poisson của bê tông Sau đó, chọn Mechanical - Concrete Damaged Plasticity và nhập các thông số mô hình phá hoại dẻo theo Bảng 2.1 Trong mục Compressive Behavior, nhập giá trị đường cong hệ ứng suất – biến dạng cho miền bê tông chịu nén như Hình 2.14, và tương tự trong mục Tensile Behavior cho miền bê tông chịu kéo như Hình 2.16 Cuối cùng, chọn OK để hoàn thành 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 sử dụng (Create Material), mở cửa sổ Edit Material để đặt tên cấu kiện Tiếp theo, chọn General – Density và nhập giá trị khối lượng riêng của thép Sau đó, chọn Mechanical – Elasticity – Elastic và nhập giá trị Young’s Modulus cùng hệ số Poisson của thép Tiếp tục chọn Mechanical - Plasticity - Plastic, trong mục Plasticity, nhập các thông số mô hình dẻo của thép và các thông số đường cong ứng suất - biến dạng của cốt thép như đã trình bày 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

To use the Create Section tool, a Create Section window will appear Enter the section name, select the category (simulation objects, using Solid objects), and choose the type (cross-section properties, using Homogeneous) Then, click Continue to open the Edit Section window.

67 chọn thêm Material (vật liệu cho mặt cắt), các lựa chọn khác sử dụng mặc định Nhấn

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, hãy chọn biểu tượng "Create Section" trên thanh công cụ và nhập 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 Khi cửa sổ Edit Section xuất hiện, bạn cần xác định vật liệu cốt thép và diện tích mặt cắt ngang Cuối cùng, chọn OK để hoàn tất việc 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 để chọn đối tượng cần gán tiết diện trong vùng đồ họa, sau đó nhấn Done để mở cửa sổ Edit Section.

Trong phần Section, chọn loại tiết diện và nhấn OK để hoàn thành việc định nghĩa gán thuộc tính Tiến hành 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 the assembly process in the Enviroment module, select "Assembly" from the menu Next, use the "Instance Part" option on the toolbar, which will open the "Create Instance" window In this dialog, choose the appropriate Part (the assembly object) and specify the Instance Type (the type of object to be assembled) before proceeding.

OK để hoàn thành lắp ghép đối tượng

Hình 4.10 Cửa sổ Create Instance

Gối tựa và gối gia tải là hai thành phần quan trọng trong việc lắp ghép các đối tượng Để thêm chúng vào vùng lắp ghép, quy trình thực hiện tương tự như khi làm việc với dầm bê tông Sau khi hoàn tất việc thêm gối vào vùng làm việc, bạn có thể sử dụng chức năng Translate để điều chỉnh vị trí của chúng một cách chính xác.

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, chọn loại lắp ghép cho cốt thép chịu lực và cốt đai Để hiệu chỉnh chính xác các đối tượng, chọn View - Assembly Display Option và đánh dấu vào các đối tượng cần hiển thị Sau khi thêm đủ các thành phần, sử dụng công cụ Nhóm để gom các cốt đai và cốt chịu lực thành một cấu kiện mới, giúp thao tác dễ dàng hơn Cuối cùng, di chuyển nhóm cốt thép vào vị trí chính xác trong dầm bê tông để hoàn thiện.

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 using the Create Constraint feature on the toolbar, first select the Name (type of constraint) and Type (for reinforced concrete and stirrups, choose Embedded), then click Continue The notification area will display "Select the embedded region," where you can choose the steel to be constrained Next, it will prompt "Select the method for host region," and you should click the Whole Model button to assign the constraint to all objects Finally, the Edit Constraint window will appear; click OK to exit this window, thus completing the definition of the constraint between the steel reinforcement and the 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

To establish a connection between the support bearings and the load bearings with the reinforced concrete beam, it is assumed that the bearings are firmly attached to the beam in the vertical direction To illustrate this, use the Tie constraint in the Create Constraint tool within the Interaction module The prompt will display "Select region for master type"; click on Surface, and then the message will change to "Select region for master Surface." Hover over the contact area of the steel plate with the concrete beam and click Done The next prompt will show "Choose the slave type"; select Surface again and click on the contact area of the steel plate with the concrete beam, then click Done The Edit Constraint window will appear, where you can accept the settings.

72 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

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 thiết lập các bước mô phỏng dầm chuyển trên phần mềm ABAQUS, kết quả thu được đã được so sánh với kết quả 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% Theo một số nghiên cứu, tính chất của bê tông thường và bê tông cốt sợi gần như tương đương nhau Bài viết sẽ so sánh sai số về giá trị chuyển vị tại vị trí giữa dầm của mô hình mô phỏng và thực nghiệm Từ đó, sẽ đưa ra kết luận về khả năng áp dụng mô hình số vật liệu bê tông thông thường cho việc mô phỏng bê tông cốt sợi thép, cùng với mức sai số nếu có thể sử dụng.

Theo kết quả thực nghiệm, quá trình gia tải dừng lại khi chuyển vị dầm đạt mức tương đối nhỏ do công suất giới hạn của thiết bị Dầm chuyển là phần quan trọng trong kết cấu công trình, vì vậy cần khống chế chuyển vị ở mức thấp nhất có thể Trong nghiên cứu của Luận văn, giá trị chuyển vị giới hạn được tham khảo từ tiêu chuẩn Eurocode 2, cụ thể là L/360, để 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 cùng với mô hình đàn dẻo lý tưởng của thép.

Kết quả mô phỏng cho thấy sự hội tụ tốt so với thực nghiệm, với độ lệch tối đa chỉ 0,81% tại vị trí chuyển vị 5mm.

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 rằng, trong giai đoạn dầm chưa xuất hiện vết nứt, sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm lớn nhất ở tải trọng 200 kN với độ lệch khoảng 8% Tại vị trí chuyển vị giới hạn 5mm, kết quả chênh lệch giữa hai phương pháp này là 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)

Hình 4.26 Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị dầm cao BTCT 2% sợi thép

Dầm cao BTCT sử dụng bê tông có hàm lượng cốt sợi 2% 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 tải trọng 200 kN là 14,1% Tại vị trí chuyển vị giới hạn 5mm, độ lệch lớn nhất giữa hai phương pháp 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.

Trong giai đoạn làm việc, độ lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm là 16,7% khi chưa xuất hiện vết nứt Tại vị trí chuyển vị giới hạn 5mm, sự chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm 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, với hàm lượng cốt sợi từ 1% đến 3%, mô hình Hsu - Hsu cho bê tông và mô hình đàn dẻo lý tưởng của thép cho kết quả chênh lệch trong khoảng 1,75% đến 11,3% Như vậy, 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 được gia cường bằng sợi thép, ứng xử của bê tông cốt thép (BTCT) và các cấu kiện BTCT có sự khác biệt rõ rệt so với BTCT thông thường Sự khác biệt này càng gia tăng và trở nên đáng kể khi hàm lượng sợi thép tăng lên 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 có hàm lượng thép cao, có thể lên đến 5% về khối lượng.

Kết quả mô phỏng cho thấy, khi dầm chịu uốn 3 điểm, vùng chịu ứng suất cao nhất (được thể hiện bằng màu vàng cam và xanh nhạt trong Hình 4.23) là khu vực "hình nan quạt" hướng từ điểm đặt lực ra hai bên gối tựa Điều này phù hợp với các thực nghiệm đã ghi nhận 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 ứng dụng vào mô phỏng dầm chuyển tại tầng 2 của Bệnh viện Đa khoa Hoàn Mỹ Sài Gòn, địa chỉ số 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 hầm, một tầng trệt và 12 tầng lầu Tại lầu 2, công trình sử dụng dầm chuyển với kích thước 13 x 1.6 x 1.3.

Để vượt nhịp, vật liệu bê tông cốt thép thông thường được sử dụng nhằm truyền tải tải trọng từ hệ thống cột phía trên xuống móng, đồng thời tạo ra khoảng thông thủy rộng rãi cho sảnh đón của công trình.

Sử dụng các phương pháp và số liệu mô phỏng đã đề cập, luận văn này xây dựng mô hình mô phỏng cho dầm chuyển tại 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

Phần 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 dựa trên tải trọng thiết kế của công trình thực tế từ phần mềm Etabs để xác định chuyển vị bằng phần mềm ABAQUS thông qua mô phỏng dầm bê tông cốt thép thông thường Qua đó, việc điều chỉnh tính đặc sẽ được thực hiện để tối ưu hóa kết quả.

Bê tông thông thường được so sánh với bê tông có 3% hàm lượng gia cường sợi thép, nhằm đánh giá khả năng chịu tải của dầm gia cường sợi thép Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định chuyển vị tại tải trọng thiết kế đã được mô phỏng cho dầm bê tông cốt thép 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

Biểu đồ Hình 4.34 cho thấy giai đoạn làm việc đàn hồi tuyến tính của dầm chuyển không có sự khác biệt đáng kể giữa dầm sử dụng bê tông thường và bê tông cốt sợi 3% Tuy nhiên, khi tải trọng đạt 3.000 kN trở lên, dầm bê tông cốt thép 3% cho thấy khả năng chống lại sự phát triển chuyển vị tốt hơn so với dầm bê tông thường.

Việc ứng dụng bê tông cốt sợi với hàm lượng 3% cho kết cấu dầm chuyển đã cho thấy sự gia tăng đáng kể về tải trọng cực hạn của dầm, cụ thể là tăng khoảng 36,3% so với bê tông cốt thép 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 ứng với tỷ lệ tăng 16,47% Điều này cho thấy dầm chuyển có thể chịu thêm tải tương đương khoảng 1,5 tầng Ngoài ra, việc sử dụng BTCT gia cường bằng sợi thép cũng giúp hạn chế sự xuất hiện và phát triển vết nứt trong kết cấu dầm chuyển, chứng tỏ hiệu quả của loại vật liệu này trong xây dựng.