Nghiên cứu ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng panel sàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VŨ VĂN HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ DẠNG PANEL SÀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VŨ VĂN HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ DẠNG PANEL SÀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH ĐẶC BIỆT MÃ SỐ: 9580206 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Ngô Đăng Quang PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh HÀ NỘI- 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu cá nhân Các kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Hà Nội, Ngày tháng năm 2023 Tác giả Vũ Văn Hiệp i LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ với đề tài “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn chịu cắt kết cấu sandwich bê tông cốt lưới dệt bê tông nhẹ dạng panel sàn” thực trường Đại học Giao thơng vận tải Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Ngô Đăng Quang PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh hướng dẫn tận tình, hết lịng giúp đỡ q trình học tập nghiên cứu thực luận án Tôi xin cảm ơn q Thầy giáo, Cơ giáo Bộ mơn Cơng trình Giao thơng thành phố Cơng trình thủy giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập nghiên cứu, hoạt động chuyên môn Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thơng vận tải, Phịng Đào tạo Sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Khoa Kỹ thuật xây dựng, Bộ môn Kết cấu xây dựng giúp đỡ tạo điều kiện để thực luận án Cuối cùng, xin cảm ơn người thân, bạn bè đồng nghiệp ln bên tơi, động viên tơi hồn thành luận án Hà Nội, Ngày tháng năm 2023 Tác giả Vũ Văn Hiệp ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC BẢNG BIỂU VI DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU XII MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Kết cấu sandwich ứng dụng cơng trình xây dựng 1.1.1 Giới thiệu kết cấu sandwich 1.1.2 Ứng xử kết cấu sandwich chịu lực 1.1.3 Ứng dụng kết cấu sandwich xây dựng 11 1.2 Bê tông cốt lưới dệt 12 1.2.1 Vật liệu bê tông cốt lưới dệt 13 1.2.2 Ứng xử chịu kéo bê tông cốt lưới dệt 18 1.2.3 Tính chất dính bám bề mặt lớp vỏ BTCLD vật liệu làm lớp lõi kết cấu sandwich 19 1.3 Bê tông nhẹ 20 1.3.1 Giới thiệu bê tông nhẹ 20 1.3.2 Tính chất học bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ 22 1.4 Tổng quan kết cấu sandwich có lớp vỏ bê tơng cốt lưới dệt 23 1.4.1 Các nghiên cứu kết cấu sandwich có lớp vỏ BTCLD 23 1.4.2 Các mơ hình tính tốn sức kháng cho kết cấu sandwich 28 1.4.3 Ứng dụng BTCLD vật liệu nhẹ kết cấu sandwich 31 1.5 Định hướng nội dung nghiên cứu 33 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẤU TẠO VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU UỐN, CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT - BÊ TÔNG NHẸ 36 2.1 Mục đích nghiên cứu 36 2.2 Đề xuất cấu tạo cho kết cấu sandwich bê tông cốt lưới dệt bê tông nhẹ dạng panel, làm kết cấu sàn cơng trình xây dựng 36 2.2.1 Vật liệu sử dụng làm lớp vỏ cho kết cấu sandwich 37 iii 2.2.2 Vật liệu sử dụng làm lớp lõi cho kết cấu sandwich 39 2.2.3 Kích thước mặt cắt kết cấu sandwich 40 2.3 Xây dựng mơ hình xác định ứng xử chịu uốn kết cấu sandwich BTCLD BTN-K 43 2.3.1 Phương pháp xác định khả chịu uốn mặt cắt sandwich .43 2.3.2 Sức kháng uốn kết cấu sandwich 45 2.3.3 Xây dựng mơ hình dự đốn hành thành phát triển vết nứt kết cấu sandwich BTCLD BTN-K chịu uốn 50 2.3.4 Xác định độ cứng chống uốn kết cấu sandwich BTCLD BTN-K 65 2.4 Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính sức kháng cắt kết cấu sandwich BTCLD BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ 67 2.4.1 Sức kháng cắt dầm 67 2.4.2 Phương pháp sơ đồ hệ 68 2.4.3 Mơ hình hố kết cấu sandwich BTCLD BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ 68 2.4.4 Sức kháng nén 73 2.4.5 Sức kháng kéo 74 2.4.6 Sức kháng nút vị trí gối đỡ 74 2.4.7 Sức kháng nút vị trí tác dụng tải trọng 75 2.5 Kết luận chương 76 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ ỨNG XỬ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ 77 3.1 Mục đích nghiên cứu 77 3.2 Nghiên cứu xác định đặc trưng học vật liệu 77 3.2.1 Bê tông hạt mịn 77 3.2.2 Bê tông nhẹ 81 3.2.3 Cốt lưới dệt 84 3.2.4 Ứng xử dính bám cốt lưới dệt bê tơng hạt mịn 85 3.2.5 Ứng xử dính bám bê tơng hạt mịn bê tơng nhẹ 87 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn ứng xử chịu cắt kết cấu sandwich BTCLD BTN-K 88 3.3.1 Phương pháp thí nghiệm 88 3.3.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm 89 3.3.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm 95 3.3.4 Thiết bị đo quy trình thí nghiệm 95 3.3.5 Kết thí nghiệm 96 iv 3.4 Kết luận chương 105 CHƯƠNG 4NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU SANDWICH DẠNG PANEL ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU SÀN 107 4.1 Mục đích nghiên cứu 107 4.2 Khảo sát tham số ảnh hưởng theo phương pháp giải tích 107 4.2.1 Khảo sát tham số chiều dày lớp vật liệu mặt cắt sandwich 107 4.2.2 Khảo sát tham số cường độ lớp lõi BTN-K 108 4.3 Khảo sát tham số ảnh hưởng theo phương pháp PTHH 110 4.3.1 Nghiên cứu mô 110 4.3.2 Khảo sát tham số ảnh hưởng phần mềm ATENA 118 4.4 Thiết kế kết cấu sandwich BTCLD BTN-K dạng panel làm kết cấu sàn cơng trình xây dựng 120 4.4.1 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp m 121 4.4.2 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp m; m; m 124 4.5 Kết luận chương 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần hỗn hợp BTHM Brockmann đề xuất [74] 15 Bảng 1.2 Thành phần BTHM đề xuất Lê Minh Cường [4] 17 Bảng 1.3 Thành phần cấp phối bê tông nhẹ đề xuất Đặng Thùy Chi [2] 22 Bảng 3.1 Thành phần cấp phối BTHM (đơn vị kg/m ) 78 Bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt cát quartz [4] 78 Bảng 3.3 Lượng lọt sàng (%) bột Quartz nghiền 78 Bảng 3.4 Kết thí nghiệm xác định cường độ chịu nén BTHM (đơn vị MPa) 79 Bảng 3.5 Kết thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo uốn BTHM (đơn vị MPa) 80 Bảng 3.6 Giá trị mô đun đàn hồi BTHM 80 Bảng 3.7 Thành phần cấp phối BTN-K 81 Bảng 3.8 Thành phần cấp phối hạt Keramzit 82 Bảng 3.9 Kết thí nghiệm xác định cường độ chịu nén BTN-K (đơn vị MPa) .83 Bảng 3.10 Kết xác định cường độ chịu kéo ép chẻ BTN-K (đơn vị MPa) 83 Bảng 3.11 Giá trị mô đun đàn hồi BTN-K 84 Bảng 3.12 Đặc trưng học cốt lưới dệt bon theo cung cấp nhà sản xuất 85 Bảng 3.13 Kết thí nghiệm dính bám BTCLD BTN 88 Bảng 3.14 Kích thước chi tiết mẫu panel sandwich (đơn vị: mm) .90 Bảng 3.15 Mô men uốn mặt cắt sandwich theo mơ hình lý thuyết 91 Bảng 3.16 Sức kháng cắt kết cấu sandwich tính theo sức kháng kéo .91 Bảng 3.17 Sức kháng cắt kết cấu sandwich tính theo sức kháng nén .91 Bảng 3.18 Sức kháng cắt kết cấu sandwich tính theo sức kháng nút gối đỡ .91 Bảng 3.19 Sức kháng cắt kết cấu sandwich tính theo sức kháng nút đặt tải 92 Bảng 3.20 Sức kháng cắt kết cấu sandwich BTCLD BTN-K tính theo lý thuyết 92 Bảng 3.21 Kết dự đoán khoảng cách vết nứt kết cấu sandwich chịu uốn 94 Bảng 3.22 Kết qủa lực độ võng nhịp thí nghiệm uốn điểm .97 Bảng 3.23 Mô men gây nứt mô men uốn cho mẫu sandwich xác định thực nghiệm 100 vi Bảng 3.24 So sánh tải trọng mô men uốn panel theo mơ hình lý thuyết thực nghiệm với sơ đồ uốn điểm 100 Bảng 3.25 So sánh khoảng cách vết nứt tính theo mơ hình lý thuyết thực nghiệm 102 Bảng 3.26 Lực lớn dầm sandwich thí nghiệm (đơn vị kN) 104 Bảng 3.27 So sánh sức kháng cắt theo lý thuyết thực nghiệm kết cấu sandwich 105 Bảng 4.1 Kết khảo sát kết cấu sandwich với tham số chiều dày lớp vật liệu 108 Bảng 4.2 Kết khảo sát kết cấu sandwich với tham số BTN-K thay đổi 109 Bảng 4.3 Kết tính sức kháng cắt kết cấu sandwich thay đổi BTN-K 110 Bảng 4.4 Thông số vật liệu BTHM BTN-K 112 Bảng 4.5 So sánh giá trị lực lớn mẫu SW mô thực nghiệm 117 Bảng 4.6 So sánh kết khảo sát chiều dày lớp vỏ theo phương pháp giải tích PTHH 119 Bảng 4.7 Giá trị lực lớn gây phá hoại cho mơ hình BTN-K thay đổi 120 Bảng 4.8 So sánh kết khảo sát cường độ BTN-K theo phương pháp giải tích PTHH 120 Bảng 4.9 Tải trọng thường xuyên kết cấu sandwich 121 Bảng 4.10 Hoạt tải sử dụng sàn phòng 122 Bảng 4.11 Sức kháng mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm 122 Bảng 4.12 Sức kháng mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm 120 mm .123 Bảng 4.13 Độ võng kết cấu sàn nhịp m 123 Bảng 4.14 Tổng hợp kết sức kháng kết cấu sandwich nhịp m 124 Bảng 4.15 Tổng hợp độ võng nhịp kết cấu sandwich nhịp m .124 Bảng 4.16 Tổng hợp kết sức kháng kết cấu sandwich nhịp m 124 Bảng 4.17 Tổng hợp độ võng nhịp kết cấu sandwich nhịp m .125 Bảng 4.18 Tổng hợp kết sức kháng kết cấu sandwich nhịp m 125 Bảng 4.19 Tổng hợp độ võng nhịp kết cấu sandwich nhịp m .125 Bảng 4.20 Tổng hợp kết sức kháng kết cấu sandwich nhịp m 126 Bảng 4.21 Tổng hợp độ võng nhịp kết cấu sandwich nhịp m .126 Bảng 4.22 Tổng hợp loại panel đúc sẵn kết cấu sandwich sử dụng làm kết cấu sàn phịng cơng trình xây dựng 127 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Cấu tạo kết cấu sandwich có lớp [63] Hình 1-2 Hiệu tăng khả chịu uốn độ cứng chịu uốn kết cấu sandwich [63] Hình 1-3 Phân bố biến dạng dọc trục lớp vật liệu dạng kết cấu sandwich [70] Hình 1-4 Phân bố ứng suất mặt cắt ngang kết cấu sandwich không liên hợp [38] Hình 1-5 Phân bố ứng suất mặt cắt ngang kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn Hình 1-6 Phân bố ứng suất mặt cắt ngang kết cấu sandwich có lớp vỏ mỏng Hình 1-7 Các dạng phá hoại kết cấu sandwich [32] 10 Hình 1-8 Kết cấu 3D sử dụng cơng trình xây dựng Việt Nam 11 Hình 1-9 Kết cấu sandwich làm lợp mái 12 Hình 1-10 Kết cấu sandwich làm tường 12 Hình 1-11 Các cấp độ vật liệu: BTCLD, cốt lưới dệt, bó sợi, sợi [65] 13 Hình 1-12 Các bó sợi bon có độ mịn khác [28] 14 Hình 1-13 Quan hệ ứng suất-biến dạng cốt lưới dệt [28] 14 Hình 1-14 So sánh quan hệ ứng suất – biến dạng BTHM chịu nén thực nghiệm mơ hình tính sửa đổi từ MC 90 [74] 16 Hình 1-15 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám cốt lưới dệt với BTHM [26] 18 Hình 1-16 Ứng xử BTCLD chịu kéo dọc trục [53] 19 Hình 1-17 Thí nghiệm dính bám BTCLD bê tông theo dẫn RILEM 250CSM [68] 20 Hình 1-18 Bê tơng nhẹ khí chưng áp 21 Hình 1-19 Bê tơng nhẹ cấu tạo hốc 21 Hình 1-20 Bê tơng nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ 21 Hình 1-21 Quan hệ ứng suất – biến dạng chịu nén BTN-K, Campione [57] 23 Hình 1-22 Nghiên cứu tường sandwich BTCLD - EPS, Hegger Horstmann [52] 24 Hình 1-23 Nghiên cứu tường sandwich BTCLD - EPS, Finzel [41] 24 Hình 1-24 Nghiên cứu tường sandwich BTCLD - EPS, Colombo [49] 24 Hình 1-25 Nghiên cứu sandwich BTCLD - EPS, Isabella [50] 24 viii ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VŨ VĂN HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ DẠNG PANEL SÀN LUẬN... trọng 75 2.5 Kết luận chương 76 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ ỨNG XỬ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ ... 3.2.4 Ứng xử dính bám cốt lưới dệt bê tông hạt mịn 85 3.2.5 Ứng xử dính bám bê tơng hạt mịn bê tông nhẹ 87 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn ứng xử chịu cắt kết cấu sandwich