Microsoft Word bia Mau doc Bé n«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n viÖn khoa häc thñy lîi viÖt nam b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi kh&cn cÊp bé nghiªn cøu øng dông l−íi thÐp kh«ng gian 3 chiÒu (3d) trong kÕt c[.]
Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi việt nam báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp nghiên cứu ứng dụng lới thép không gian chiều (3d) kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi chủ nhiệm đề tài: ts Nguyễn thành công 7194 19/03/2009 Hà nội - 2008 Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi MỤC LỤC MỤC LỤC .1 DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH 1.1 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH 1.1.1.Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.2.Tình hình nghiên cứu nước 11 1.2 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN LOẠI CÁC CẤU KIỆN BÊ TƠNG CỐT THÉP TRONG CƠNG TRÌNH THUỶ LỢI THEO MỨC ĐỘ HUY ĐỘNG SỨC CHỊU LỰC CỦA VẬT LIỆU 12 1.2.1 Phân tích, xử lý số liệu thu thập 12 1.2.2 Phân loại cấu kiện bê tông cốt thép theo mức độ huy động sức chịu lực vật liệu .14 1.3 CẤU TẠO BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D .17 1.3.1 Vữa bê tông 18 1.3.2 Sợi thép 18 1.3.3 Lớp mốp (mushy polysteren) 19 1.4 CÁC ƯU ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D VÀ SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 19 1.4.1 Các ưu điểm bê tông cốt thép 3D 19 1.4.2 Về sử dụng Panel 3D xây dựng dân dụng 20 1.4.2 Khả ứng dụng xây dựng cơng trình thuỷ lợi .21 CHƯƠNG 24 CƠ SỞ LÝ LUẬN CÔNG NGHỆ LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D) LÀM CỐT CHỊU LỰC TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 24 2.1 TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT THÉP VÀ BÊ TÔNG .24 2.1.1 Đặt vấn đề .24 2.1.2 Sự tương tác bê tông cốt thép 24 2.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ MƠ HÌNH HĨA 28 2.2.1 Đặt vấn đề .28 2.2.2 Phương pháp mơ hình hình hóa phân tích kết cấu 3D .29 Trung tâm Thủy công -1Viện Khoa học Thủy lợi Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi 2.2.3 Xây dựng chương trình phát sinh mơ hình phần tử hữu hạn tính kết cấu 3D 58 2.3 TÍNH TỐN KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP 3D 68 2.3.1 Về lý thuyết tính tốn bê tơng cốt thép 68 2.3.2 Thiết kế bê tông cốt thép 3D 69 2.3.3 Xây dựng chương trình tính toán thiết kế kết cấu BTCT 3D .76 2.3.4 Xây dựng chương trình tự động tính tốn tối ưu vật liệu BTCT 3D 78 CHƯƠNG 83 THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH VẬT LÝ VÀ MƠ HÌNH SỐ CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D 83 3.1 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT THÉP 3D VÀ BÊ TƠNG 83 3.1.1 Mơ hình 3D thí nghiệm 83 3.1.2 Quá trình chất tải 86 3.1.3 Bố trí điểm đo 86 3.1.4 Kết thí nghiệm 87 3.2 MƠ HÌNH TÍNH TỐN SỐ 88 3.2.1 Mơ hình phần tử hữu hạn .88 3.2.2 Mơ hình tải trọng giai đoạn chất tải .90 3.2.3 Các kết tính tốn 92 CHƯƠNG 99 TÍNH TỐN TỐI ƯU VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ KẾT CẤU CỬA VAN BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ SỬ DỤNG LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D) 99 4.1 TÍNH TỐN TỐI ƯU CHO KẾT CẤU CỬA VAN 99 4.1.1 Đặt vấn đề .99 4.1.2 So sánh cửa van sử dụng kết cấu BTCT truyền thống (tấm đặc) cửa van sử dụng 3D 100 4.1.3 Kết cấu cửa van sử dụng 3D 104 4.2 XÂY DƯNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ .106 4.2.1 Đặt vấn đề 106 4.2.2 Các bước chung quy trình thiết kế 3D 107 4.2.3 Các bước chi tiết quy trình 108 4.3 XÂY DƯNG CÁC ĐỒ THỊ, BẢNG TRA PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT KẾ 124 4.3.1 Đặt vấn đề 124 4.3.2 Đồ thị bảng tra chiều dày 124 4.3.3 Đồ thị bảng tra lượng cốt thép theo hai phương 125 CHƯƠNG .126 Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -2- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi LỰA CHỌN VỮA BÊ TƠNG VÀ QUY TRÌNH THI CƠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D 126 5.1 LỰA CHỌN VỮA BÊ TÔNG DÙNG TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D (BÊ TÔNG TỰ ĐẦM) .126 5.1.1 Đặt vấn đề 126 5.1.2 Giới thiệu chung bê tông tự đầm (Self Compacting Concrete – SCC) 127 5.1.3 Ứng dụng bê tông tự đầm thực tế 130 5.1.4 Ứng dụng bê tông tự đầm kết cấu bê tông cốt thép 3D .130 5.2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THI CƠNG CƠNG TRÌNH BẰNG LƯỚI THÉP KHƠNG GIAN 3D 131 5.2.1 Đặt vấn đề 131 5.2.2 Vật liệu thiết bị thi công cơng trình 131 5.2.3 Bố trí mặt thi cơng 131 CHƯƠNG .142 CƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 142 6.1 ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU CỬA VAN 142 6.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ CỬA VAN CÓ SỬ DỤNG KẾT CẤU LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN 3D 142 6.2.1 Giới thiệu chung cơng trình 142 6.4.2 Cấu tạo chi tiết kết cấu cửa van 143 6.4.3 Áp dụng tính tốn 145 6.4.4 So sánh hai phương án: Kết cấu truyền thống (PA.1) kết cấu có sử dụng BTCT 3D (PA.2) 147 CHƯƠNG .149 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO 152 Phụ lục Bảng điều tra số cơng trình thuỷ lợi sử dụng cấu kiện BTCT truyền thống dạng dầm Phụ lục Các đồ thị, bảng tra phục vụ cho công tác thiết kế Phụ lục Một số hình ảnh hoạt động nghiên cứu đề tài Phụ lục Một số biên đánh giá, nghiệm thu bàn giao cơng trình thử nghiệm Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -3- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 So sánh kết cấu bê tông xi măng lưới thép kết cấu 3D .21 Bảng Kết đo biến dạng thực mơ hình thí nghiệm .87 Bảng 2: Kết tính ứng suất điểm đo (phần tử) tải trọng cấp tải gây (không kể trọng lượng thân) Đơn vị ứng suất : daN/cm2 .88 Bảng 3 Bảng kết ứng suất giai đoạn chịu lực (khơng có trọng lượng thân) Đơn vị ứng suất: daN/cm2 97 Bảng 4: Sai số kết ứng suất đo từ thí nghiệm tính tốn theo mơ hình số 97 Bảng Các kết nội lực đơn vị thống kê qua bảng .104 Bảng Các kết tính tốn bố trí cốt thép 104 Bảng So sánh giá thành bê tông thường bê tông tự đầm 129 Bảng So sánh thành phần cấp phối bê tông thường BT tự đầm.129 Bảng Một số cơng trình sử dụng bê tông tự đầm giới 130 Bảng Tổng hợp trị số chuyển vị nhỏ lớn tính tốn 145 Bảng Tổng hợp trị số nội lực nhỏ lớn ứng với trường hợp tính tốn 146 Bảng So sánh giá thành hai phương án 147 Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -4- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Trường hợp phá hoại cân dầm bê tơng cốt thép 15 Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo panel 3D 18 Hình Mơ hình kéo tuột cốt thép bề mặt liên kết cốt thép bê tông 25 Hình 2 Thí nghiệm xác định lực dính 26 Hình Hình Lực nút chuyển vị nút toán uốn Hình Hình Hình Hình 2.8 Xoay pháp tuyến quanh trục x y xét tới biến dạng trượt Hình Hình 10 Hình 11 Hình 12 Hình 2.13:Phần tử điểm nút Hình 14 Khả chịu lực mặt cắt bê tông cốt thép Hình 15 Sơ đồ nội lực phần tử vỏ dạng chữ nhật .72 Hình 16 Sơ đồ nội lực mặt cắt tính tốn .72 Hình 17 Sơ đồ tính tốn biểu đồ lực cắt dầm 74 Hình 18 Biểu đồ nội lực mặt cắt tính tốn 74 Hình 19 Sơ đồ bố trí thép xiên dầm 76 Hình 1: Bố trí cốt thép mơ hình thí nghiệm 85 Hình Sơ đồ chất tải mơ hình thí nghiệm .86 Hỡnh Sơ đồ bố trí điểm đo biến dạng chuyển vị mặt dới Hỡnh Sơ đồ bố trí điểm đo biến dạng chuyển vị mặt cđa b¶n Hình Mơ hình 3D dầm thí nghiệm .89 Hình Mơ hình tải trọng tác dụng lên dầm thí nghiệm .91 Hình Sơ đồ tải trọng tác dụng lênh kết cấu cửa van .100 Hình Cấu tạo cửa van BTCT theo phương án truyền thống 143 Hình Cấu tạo cửa van có sử dụng lưới thép 3D 144 Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -5- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi GIỚI THIỆU CHUNG Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng rộng rãi xây dựng cơng trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, sở hạ tầng cơng trình thuỷ lợi Kết cấu bê tơng cốt thép có nhiều ưu điểm so với dạng kết cấu làm loại vật liệu khác thép, gỗ, đá, Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng loại vật liệu sẵn có thép thanh, thép sợi, xi măng, cốt liệu sỏi, đá, cát, , có giá thành hợp lý, có khả chịu lực tốt, độ bền cao, lâu dài, dễ dàng tạo kiến trúc phải bảo dưỡng loại vật liệu khác Kết cấu bê tông cốt thép với loại vật liệu tạo có phạm vi áp dụng ngày rộng lớn lĩnh vực xây dựng cầu, cống, nhà cửa, đường hầm, bể chứa nước, đập chắn nước, nhà máy thuỷ điện, cầu cảng, Như vậy, bê tơng cốt thép đóng vai trò quan trọng xây dựng phát triển hình loại sở hạ tầng kiến trúc trái đất Trong xây dựng công trình thủy lợi giới nói chung nước ta nói riêng, cơng trình hạng mục cơng trình bê tơng cốt thép chiếm tỷ trọng lớn, nhiều loại cơng trình hạng mục cơng trình khơng có vật liệu ưu việt bê tơng cốt thép Sự phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật nói chung khoa học xây dựng nói riêng ngày tạo thêm nhiều thách thức cho chuyên gia xây dựng, đặc biệt giai đoạn phát triển ứng dụng công nghệ tin học loại vật liệu Nhiều cơng trình xây dựng thiết kế theo dạng kiến trúc mới, đáp ứng yêu cầu sử dụng đa dạng xã hội, sử dụng tiến khoa học vật liệu, thi cơng nhanh, giảm giá thành Nhờ có phát triển mạnh vật liệu thép, xi măng loại phụ gia, vật liệu bê tông bê tông cốt thép không ngừng phát triển Các hướng cải thiện vật liệu bê tông bê tông cốt thép tập trung vào: + Nâng cao khả chịu lực thông qua việc thay đổi số tính chất vật liệu cho thêm vào bê tông số cốt liệu muội silic, cốt sợi, , bố trí cốt thép dạng khơng gian; + Nâng cao cường độ chịu thấm, khả chống nứt; + Giảm thời gian ninh kết; + Giảm nguy sinh nứt từ phản ứng toả nhiệt; + Cải thiện vữa bê tông phù hợp cho công nghệ phun vữa bê tông tự đầm Một số công nghệ bê tơng cốt thép điển hình có hiệu qủa kinh tế kỹ thuật cao gần là: Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -6- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi + Cơng nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực Công nghệ cho phép kéo dài dầm chịu lực, cọc cột, cho phép mở rộng độ công trình độ cầu, độ nhà, + Công nghệ bê tông lưới thép vỏ mỏng Công nghệ đời cho phép tối ưu hoá kết cấu mỏng, vỏ mỏng + Công nghệ bê tông cốt sợi thép Công nghệ cho phép nâng cao khả chống nứt bê tơng q trình thi công khai thác sử dụng + Công nghệ bê tông cốt thép 3D (3D Panel) Ưu điểm công nghệ giảm khối lượng thép vật liệu chịu lực huy động mức độ cao khả làm việc vật liệu chịu lực Công nghệ lưới thép không gian ba chiều (gọi tắt lưới thép 3D) đời từ ý tưởng thay cho việc bố trí thép tập trung cần bố trí thép phân bố, cách lý tưởng theo trường ứng suất Và bố trí thép phân bố cho phần vật liệu cấu thành huy động đến tối đa khả chịu lực Cách bố trí phân bố cốt thép bố trí khơng gian - giàn khơng gian hình thành bên cấu kiện bê tông cốt thép Từ ưu điểm nêu đối chiếu vào thực tế xây dựng cơng trình thủy lợi nhận thấy: Đối với cấu kiện bê tông đặt đất yếu, việc giảm thiểu trọng lượng cấu kiện có ý nghĩa quan trọng Việc ứng dụng lưới thép không gian 3D cho phép giảm khối lượng vật liệu chịu lực điều kiện cho phép giảm trọng lượng cấu kiện Điều có ý nghĩa lớn chỗ thị trường áp dụng cơng nghệ lớn, vùng đồng sông Cửu Long rộng lớn vùng đồng ven biển Việc ứng dụng công nghệ cho phép mở rộng độ kết cấu có ý nghĩa với cơng trình thủy lợi vùng địa lý khác giới nói chung, nước ta nói riêng * Mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu đề tài: - Mục tiêu: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lưới thép không gian ba chiều (3D) làm cốt chịu lực kết cấu bê tơng cốt thép cơng trình thủy lợi nhằm huy động tối đa sức chịu tải thép bê tông, giảm khối lượng vật liệu giá thành công trình - Nội dung nghiên cứu: 1) Đánh giá phân loại cấu kiện bê tông cốt thép cơng trình thủy lợi theo mức độ huy động sức chịu lực vật liệu 2) Nghiên cứu lý thuyết lưới thép không gian 3D Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -7- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi 3) Nghiên cứu mơ hình vật lý để xác định ứng suất biến dạng kết cấu BTCT có sử dụng lưới thép khơng gian 3D để hiệu chỉnh số thông số mơ hình số 4) Nghiên cứu mơ hình số để tính tốn kết cấu 5) Nghiên cứu lựa chọn vữa bê tông dùng kết cấu lưới thép 3D (bê tông phun bê tông tự đầm) 6) Nghiên cứu biện pháp thi cơng 7) Thiết kế cơng trình thử nghiệm 8) Thi cơng cơng trình thử nghiệm 9) Dự thảo hướng dẫn quy trình thiết kế, thi cơng cấu kiện dầm cốt thép 3D dùng công trình thủy lợi - Phương pháp nghiên cứu: + Điều tra đánh giá trạng: Thu thập tài liệu, phân tích đánh giá phân loại theo mức huy động sức chịu lực vật liệu; + Nghiên cứu phòng: Nghiên cứu sở lý thuyết để đề xuất sơ đồ cấu tạo, bố trí lưới thép xác định quy luật phân bố ứng suất - biến dạng trường hợp chịu lực khác + Nghiên cứu mơ hình vật lý + Sử dụng mơ hình số: Xây dựng hệ thống chương trình phục vụ tính tốn tối ưu vật liệu, thiết lập quan hệ phục vụ tính tốn thiết kế; + Thiết kế, tính tốn tối ưu cho cơng trình thử nghiệm (kết cấu cửa van); + Thi công thử nghiệm 01 cửa van cống đê huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định; + Hội thảo trao đổi lấy ý kiến nhà chuyên môn; + Theo dõi cơng trình thử nghiệm, tiếp thu ý kiến nhà chun mơn, xây dựng quy trình cơng nghệ thiết kế, quy trình cơng nghệ thi cơng cấu kiện dầm bê tơng cốt thép 3D dùng cơng trình thủy lợi Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -8- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi Chương I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH Việc dùng lưới thép bố trí khơng gian để tăng cường khả chịu lực cho cấu kiện bê tông ý tưởng đề từ lâu Bê tông cốt thép 3D bắt đầu nghiên cứu từ đầu năm 1960 Ngày nay, dạng kết cấu như: dầm, bản, vỏ vật liệu bê tông cốt thép 3D (3D Panel) nghiên cứu sử dụng rộng rãi giới bước đầu quan tâm nước ta 1.1 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH 1.1.1.Tình hình nghiên cứu ngồi nước Cơng nghệ lưới thép 3D nghiên cứu áp dụng cho xây dựng nhà dân dụng áp dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng Khởi đầu công nghệ ý tưởng vật liệu lớp kẹp "Panel 3D lưới thép" nhà khoa học Mỹ đề xuất năm 1960 Panel 3D lưới thép gồm lớp, lớp biên vữa xi măng lưới thép cường độ cao đường kính đến mm lớp thứ vật liệu mốp xuyên qua thép xiên, tạo nên cấu trúc cứng chiều (3D) có khả chịu lực tốt Vào năm 1980, theo đề nghị TS Mars, chuyên gia công nghệ vật liệu Australia, Viện Nghiên cứu Công nghệ thuộc Trường Đại học Kỹ thuật GRAZ tiến hành nghiên cứu đưa vào sản xuất panel dùng làm tường, sàn, , với cách Polystyrene nhẹ rẻ tiền Trong thập niên 1980-1990, nước công nghiệp phát triển Mỹ, Đức, Áo, , Panel 3D nghiên cứu thực nghiệm nhiều nhằm tìm hiểu tính chịu lực, độ võng, phá hoại trạng thái giới hạn Tuy nhiên loại cấu kiện quan niệm theo sơ đồ dạng dầm chịu uốn, cột chịu nén uốn Hiện nay, loại vật liệu 3D có chất lượng đạt tiêu chuẩn vật liệu xây dựng quốc gia nước Mỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc có tên gọi Panel 3D Cộng Hoà Áo nước đầu giới việc sáng chế công Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -9- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi b Các kết cấu dầm tuý Thường gặp tiết diện chữ nhật chữ T (phổ biến dầm thả phai, dầm cầu công tác, dàn van cống tràn xả lũ) Nhịp dầm biến đổi từ 7-9m - Đường kính cốt dọc chịu lực thường từ d=10-25mm - Cốt dọc cấu tạo để: + Làm cốt gá để giữ vị trí cốt đai lúc thi cơng (đối với dầm mà theo tính tốn cần cốt dọc chịu kéo) chịu ứng suất co ngót nhiệt độ, thường dùng cốt thép có đường kính từ d = (10÷12)mm + Làm cốt thép phụ đặt thêm vào mặt bên tiết diện dầm chiều cao tiết diện vượt 70cm Các cốt chịu ứng suất co ngót nhiệt độ giữ cho khung cốt thép khỏi bị lệch đổ bê tông c Các kết cấu kết hợp dầm Thường sử dụng đáy cầu máng, tường cánh, cầu công tác, dàn van d Phân loại kết cấu BTCT theo mức độ huy động sức chịu lực (khả chịu lực), phân loại cấu kiện bê tông cốt thép sau: - Cấu kiện chịu uốn - Cấu kiện chịu kéo, nén - Cấu kiện chịu cắt xoắn 2.2.2 Nghiên cứu lý thuyết lưới thép không gian 3D 2.2.2.1 Cấu tạo bê tông cốt thép 3D: Kết cấu bê tơng cốt thép có sử dụng lưới thép khơng gian ba chiều (three dimensions panel - 3D) có cấu trúc hình 1.2 Gồm có: Hai lớp mặt ngồi bê tơng lưới thép (có đường kính từ ÷ 4mm, lớp cách loại vật liệu xốp, nhẹ, polystyrene xử lý chống cháy) Hình Sơ đồ cấu tạo panel 3D Loại kết cấu nhẹ so với kết cấu bê tông cốt thép đặc khả chịu lực Kết cấu sản xuất theo hướng cơng nghiệp hóa hàng loạt xưởng hỗ trợ hệ thống thiết bị tự động nên chất lượng kiểm sốt chặt chẽ giảm đáng kể thời gian thi công 2.2.2.2 Nghiên cứu tương tác cốt thép bê tơng: Báo cáo tóm tắt -5- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi Sử dụng thép sợi kéo nguội (thép cường độ cao) với hình thức bố trí khơng gian bê tơng thay đổi khả chịu lực bê tông đáng kể; vấn đề tạo thay đổi tương tác cốt thép vật liệu bê tông Hiểu biết tương tác đánh giá chất lượng vật liệu bê tơng, vai trị cốt thép 3D dự đốn khả học bê tơng cốt thép 3D Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tương tác cốt thép bê tông: - Điều kiện, trạng thái vật liệu bê tông: Khi chưa nứt hay nứt - Hỗn hợp: thành phần vật liệu bê tông - Đặc điểm bề mặt, độ cứng tính chất cốt thép - Hình thức bố trí cốt thép: Bố trí tập trung, phân bố hay khơng gian - Hàm lượng thép sử dụng - Tính bền cốt thép làm việc lâu dài bê tơng Bố trí cốt thép bê tơng làm nâng cao tính chất học vật liệu bê tơng thơng qua hai q trình: - Q trình truyền tải trọng từ vật liệu bê tông sang cốt thép - Sự ảnh hưởng bắc cầu cốt thép qua vết nứt xuất tăng tải trọng bê tông - Cơ chế truyền ứng suất cho phép dự đoán đường cong ứng suất - biến dạng bê tông cốt thép dạng phá huỷ dẻo hay phá huỷ giịn Mơ tương tác cốt thép bê tơng dựa hình dạng lực kéo tuột đơn giản (hình 2.1) l dx σ (x) Cốt thép 2r (x) P (x) P Bê tông x P σ(x) + dσ P(x) +dP τ (x) dx Hình Mơ hình kéo tuột cốt thép bề mặt liên kết cốt thép bê tông Các trình liên quan đến tương tác bê tông cốt thép chủ yếu xảy vùng tương đối nhỏ xung qua cốt thép vật liệu bê tông Trước xảy vết nứt nào, truyền ứng suất đàn hồi chế quan trọng đầu tiên, chuyển vị theo phương dọc cốt thép bê tông mặt phân cách thể rõ rệt Sự truyền ứng suất trượt đàn hồi chế chính, dùng để dự đoán giá trị ứng suất vết nứt Sự phân bố ứng suất trượt đàn hồi (τ) dọc theo mặt phân cách cốt thép bê tông không đồng 2.2.2.3 Nghiên cứu xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn để mơ hình hố kết cấu bê tông lưới thép 3D: Lý thuyết tính tốn thiết kế cho loại kết cấu chưa thực phát triển tương xứng với khả ứng dụng Việc thiết kế chủ yếu dựa vào kết thí nghiệm mẫu trực tiếp Một số phương pháp giải tích qui đổi kết cấu dạng dầm hay đặc tương đương phát triển, nhiên chứa đựng nhiều sai số tính toán, việc xác định đặc trưng độ cứng tương đương chưa xác Có thể thấy khơng có mặt lớp bê tơng làm cho kết cấu nhẹ hơn, đồng thời khả chịu cắt kết cấu bị giảm nhiều Chính vậy, thép chéo có mục đích chịu cắt ràng buộc độ cứng lớp bê tơng cốt Báo cáo tóm tắt -6- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi thép Chúng làm cho hệ thống làm việc đồng thời, đặc biệt kết cấu chịu uốn Khi so sánh với đặc chịu uốn, ta thấy sử dụng lý thuyết uốn bình thường, nghĩa giả thiết phân tố thẳng sử dụng tương đối phù hợp Tuy nhiên, kết cấu lưới thép 3D xem xét, không liên tục vùng làm cho việc sử dụng giả thiết phân tố thẳng áp dụng được, lúc này, chịu cắt phụ thuộc vào thép chéo Chính hướng nghiên cứu sử dụng kết cấu tương đương [3] không giải tốn cách thấu đáo, nên sử dụng có nhiều khảo sát hay thí nghiệm tiến hành Như vậy, kết cấu bê tơng lưới thép 3D có ứng xử phức tạp lý sau đây: vật liệu làm việc phi tuyến, độ cứng chung chịu lực kết cấu phụ thuộc vào lưới thép bố trí theo khơng gian, đặc điểm phân bố tải trọng Phương pháp số cách tiếp cận hiệu nhiều so với phương pháp giải tích Sự mơ ứng xử phức tạp vật liệu bê tông liên kết cốt thépbê tơng khơng gian hồn tồn thực với đầy đủ xác hình học giả thiết vật liệu đắn đến điểm kết cấu Đề tài lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn cơng cụ để mơ hình hóa tính tốn kết cấu bê tơng lưới thép 3D Lý thuyết mơ hình hóa phân tích kết cấu bê tông lưới thép 3D phát triển sở phương pháp Nội dung là: xây dựng lý thuyết mơ hình hóa vật liệu, hình học, liên kết tải trọng kết cấu bê tông cốt thép lưới thép không gian; xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho số dạng chịu lực kết cấu bê tông cốt thép 3D; phân tích lựa chọn phần mềm thích hợp để đánh giá ứng xử kết cấu nghiên cứu theo mơ hình lập Ngồi ra, số mẫu thí nghiệm thực tế tiến hành nhằm kiểm tra đánh giá lại lý thuyết tính tốn xây dựng a) Phương pháp mơ hình hình hóa phân tích kết cấu 3D: Phương pháp mơ hình hóa phân tích kết cấu chọn dựa phương pháp phần tử hữu hạn Lựa chọn mơ hình nghiên cứu ứng xử mẫu kết cấu 3D mơ hình phần tử vỏ cho phần bê tông, phần tử cho thép sườn bê tông làm việc đồng thời với Các phần tử làm việc tiếp xúc với phần tử vỏ; để tương thích chuyển vị hai loại phần tử ta dùng phần tử điểm nút phần tử bậc cao điểm nút tương ứng với việc sử dụng phần tử vỏ điểm nút b) Xây dựng chương trình phát sinh mơ hình phần tử hữu hạn tính kết cấu 3D Như nêu trên, phương pháp PTHH nhóm đề tài lựa chọn để mơ hình hóa tính tốn kết cấu 3D; mơ hình phần tử lựa chọn mơ hình phần tử vỏ cho phần bê tông, phần tử cho thép sườn bê tông làm việc đồng thời với Với kết cấu đơn giản, mô hình hóa thực tay khối lượng xử lý nhỏ Với kết cấu có cấu tạo làm việc phức tạp hơn, việc tạo lưới phần tử hữu hạn phải thực máy tính với phần mềm mơ hình hóa phần tử hữu hạn Nhóm đề tài xây dựng thành công phần mềm chuyên biệt để hỗ trợ phát sinh mơ hình phần tử hữu hạn phục vụ tính tốn 3D Đối tượng lựa chọn nghiên cứu kết cấu 3D ứng dụng cho kết cấu cửa van cơng trình thủy lợi Chương trình tự động phát sinh lưới phần tử hữu hạn cho 3D phát triển dựa công cụ sau: Ngơn ngữ lập trình lựa chọn ngơn ngữ C# (C Sharp); Mơi trường phát triển tích hợp (IDE): chương trình xây dựng dựa Microsoft Báo cáo tóm tắt -7- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT công trình Thủy lợi Visual Studio NET; Hệ quản trị sở liệu: sở liệu chương trình xây dựng dựa Microsoft Access 2007 Chương trình biên dịch thành công với tên ứng dụng “3Dapp.exe” 2.2.2.4 Nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết cấu bê tông cốt thép 3D: Trong tiêu chuẩn thiết kế xây dựng nước, quy tắc chung cho trình tính tốn thiết kế chưa thiết lập Do đó, việc xây dựng lý thuyết tính tốn phù hợp cho loại kết cấu có sử dụng bê tơng cốt thép 3D cần thiết Tính chất bê tơng cốt thép 3D cần phải tính đến q trình tính tốn khn khổ tính tốn kết cấu bê tơng thơng thường Và điều mở khả ứng dụng rộng rãi thực tiễn Phương pháp lựa chọn để thiết kế kết cấu bê tông cốt thép 3D phương pháp trạng thái giới hạn Điều kiện an toàn cho kết cấu biểu diễn theo biểu thức sau: (2-1) U ≤ φRn Trong đó: U - Là tải trọng tác dụng tính tốn từ tổ hợp lực; Rn - Là độ bề cấu kiện bê tông cốt thép; φ - Là hệ số giảm độ bền, phụ thuộc trạng thái biến dạng kết cấu a) Tính tốn tiết diện cho kết cấu bê tơng cốt thép 3D: Việc thiết kế 3D lựa chọn sơ kích thước, vật liệu bố trí cấu tạo Sau tiến hành mơ hình hóa tính tốn kết cấu 3D chọn Việc phân tích kết phải dựa thống kê tổng hợp tất kết mơ hình tính Để giảm thiểu cơng sức tính tốn, nhóm đề tài xây dựng chương trình có khả tự động phân tích kết q trình phân tích kết cấu Việc phân tích kết tính tốn 3D thực chất q trình kiểm toán 3D tác dụng tải trọng Số liệu q trình kết quả, tính tốn nội lực, ứng suất phận Các số liệu so sánh với khả chịu lực phận (khả chịu lực tính tốn dựa kích thước, bố trí cấu tạo phận) 0,85fc’.b.x σ - ứng suất cốt thép M f s As N fs - cường độ cốt thép Hình Khả chịu lực mặt cắt bê tông cốt thép b Kiểm toán khả chịu lực bê tông: Các bê tông rời rạc hóa thành phần tử vỏ dạng chữ nhật Kết nội lực tính tốn phần tử thành phần nội lực đơn vị Vì để kiểm tra khả chịu lực vị trí, tách phân tố có kích thước đơn vị hình vẽ đây: Báo cáo tóm tắt -8- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi Hình 2 Sơ đồ nội lực phần tử vỏ dạng chữ nhật Việc tính tốn khả chịu lực xác định theo phương ứng với hệ tọa độ địa phương phần tử, tức ứng với mặt cắt theo phương Trên mặt cắt, việc tính tốn dựa khả chịu lực kết hợp: lực dọc + mô men lực cắt Hình Sơ đồ nội lực mặt cắt tính tốn Mặt cắt chịu nén uốn Các phương trình ứng với trạng thái giới hạn: Phương trình lực dọc: (2-109) Nn = 0,85fc’.b.x – fsAs Phương trình mơ men: (2-110) Mn = 0,85fc’.b.x.(h-x) / Mặt cắt chịu kéo uốn Các phương trình ứng với trạng thái giới hạn: Phương trình lực dọc: Nn = fsAs - 0,85fc’.b.x (2-111) Phương trình mơ men: (2-112) Mn = 0,85fc’.b.x.(h-x) / Trong đó: fc’: cường độ chịu nén bê tông fs : cường độ thép b : bề rộng mặt cắt (lấy đơn vị) h : chiều cao mặt cắt x : chiều cao vùng bê tơng chịu nén c Kiểm tốn khả chịu lực thép: Với cốt thép thép xiên, kết kiểm toán dựa so sánh ứng suất với cường độ thép chế tạo σ > fs : thép không đủ khả chịu lực σ < fs : thép đủ khả chịu lực Báo cáo tóm tắt -9- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép khơng gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi * Cơng thức tính tốn bố trí thép xiên: Xem xét cho trường hợp kết cấu 3D sử dụng cho cửa van cơng trình thủy lợi Do xác định mật độ thép xiên công thức tường minh từ kết tính tốn kết cấu theo mơ hình vỏ (vì kết tính phụ thuộc vào lượng thép xiên), ta xác định mật độ thép xiên theo lực cắt dầm thay Hình Sơ đồ bố trí thép xiên dầm Để cho hiệu quả, ta nên bố trí thép xiên góc 450 so với mặt Do cửa van làm việc hai chiều, ta nên bố trí thép xiên thành hai nhóm vng góc với Khi khoảng cách a khoảng cách tim hai đơn Khoảng cách b xác định từ công thức (2-2) 2Ft [σ] (2-2) ⎛ 2z ⎞ A τ ⎜1 − ⎟HLa L⎠ ⎝ 2.2.2.5 Xây dựng chương trình tính tốn thiết kế kết cấu BTCT 3D: b= Việc xây dựng chương trình tự động phân tích kết tính tốn 3D giúp cải thiện nhiều thời gian công sức trình thiết kế Kết chương trình cho phép kết luận thiết kế đảm bảo hay chưa Nếu thiết kế chưa đạt, phải có q trình thiết kế lại – mơ hình hóa lại – tính tốn lại – kiểm tốn lại Cứ vậy, trình thiết kế trình lặp có kích thước bố trí hợp lý Nhóm đề tài xây dựng thành cơng chương trình tính tốn thiết kế kết cấu BTCT 3D 2.2.2.6 Xây dựng chương trình tự động tính tốn tối ưu vật liệu BTCT 3D: Tính toán tối ưu vật liệu cho 3D thực chất thực tự động q trình tính tốn lặp nhằm xác định kích thước lượng cốt thép bố trí hợp lý cho 3D Trình tự tính tốn thể sơ đồ sau: Báo cáo tóm tắt - 10 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi Thiết kế sơ Bắt đầu Xác định kích thước Bố trí sơ cốt thép Mơ hình hóa PTHH Phát sinh lưới PTHH Mơ hình hóa liên kết Mơ hình hóa tải trọng Tính tốn kết cấu Nội lực Ứng suất Phân tích kết (Kiểm tốn) Tấm bê tơng Cốt thép S Thiết kế hợp lý ? Đ Kết thúc - Kích thước tấm: Chiều rộng chiều dài thường xác định từ đầu u cầu kích thước cơng trình Vì vậy, kích thước cần tính tốn thông số chiều dày Chiều dày phải lớn giá trị tối thiểu hmin đó, xác định theo công thức: h ≥ hmin = 8.M 0,85 f c' b Trong đó: + Cường độ chịu nén bê tông fc’ + Cường độ chịu kéo thép fs Báo cáo tóm tắt - 11 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi + Mô men mặt cắt M - Lượng cốt thép bố trí: Lượng cốt thép xác định theo phương theo chiều rộng chiều dài Diện tích cốt thép xác định theo cơng thức: As = (0,85 f c' b.x1 + N ) fs Trong đó: + Chiều cao vùng chịu nén x1 + Lực dọc mặt cắt N a) Thiết kế hệ thống xây dựng chương trình: - Phương pháp thiết kế hệ thống: phương pháp hướng đối tượng - Nhóm đề tài xây dựng thành cơng chương trình tính tối ưu vật liệu 3D Mặt khác chương trình xuất vẽ dạng vẽ AutoCAD 2.2.3 Thí nghiệm mơ hình vật lý mơ hình số cho kết cấu bê tơng cốt thép 3D Nhóm đề tài tiến hành thí nghiệm mơ hình vật lý mơ hình số cho kết cấu Mơ hình thí nghiệm tiến hành cho có kích thước: Tấm chế tạo thí nghiệm có chiều dài 2200 mm, chiều rộng 500 mm Tấm chế tạo gồm đơn có chiều dày 60 mm, khoảng cách tim đơn 120 mm (tấm 3D dày 180 mm) Tải trọng Tấm 3D Gối kê Hình Sơ đồ chất tải mơ hình thí nghiệm Mơ hình phần tử hữu hạn: - Mơ hình vật liệu: vật liệu mơ hình số tạo với thơng số tương đương với vật liệu sử dụng thí nghiệm - Mơ hình phần tử: sử dụng phần tử vỏ (Shell) để mô tả đơn, sử dụng phần tử dàn để mô tả cốt thép, sử dụng phần tử dầm để mô tả sườn hai đầu Hình Mơ hình 3D dầm thí nghiệm Báo cáo tóm tắt - 12 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi So sánh kết thí nghiệm mơ hình vật lý mơ hình số: - Khi tải cịn bé, ứng suất kéo bê tơng cịn nhỏ (dưới daN/cm2) sai số tính tốn theo mơ hình số thí nghiệm có sai số từ 5%-10% Đây sai số chấp nhận làm thí nghiệm với kết cấu BTCT Từ nhận xét cho thấy việc tính tốn mơ hình số phản ánh thực tế làm việc kết cấu 3D - Khi tải trọng lớn, ứng suất bê tông vượt ứng suất kéo, bê tông bắt dầu bị nứt sai số lớn lên, có điểm tới gần 40% Điều chứng tỏ ta khơng thể tính tốn kết cấu bê tơng nứt theo mơ hình tuyến tính thơng thường được, lý thuyết thực nghiệm chứng minh điều 2.2.4 Tính tốn tối ưu xây dựng quy trình thiết kết cho kết cấu cửa van BTCT có sử dụng lưới thép khơng gian 2.2.4.1 Tính tốn tối ưu cho kết cấu cửa van Cửa van BTCT có ưu điểm giá thành rẻ, chi phí bảo dưỡng; sử dụng dạng kết cấu truyền thống dầm, đặc trọng lượng lớn gây khó khăn thi cơng khai thác Để khắc phục nhược điểm này, việc sử dụng kết cấu BTCT 3D cho cửa van giúp giảm trọng lượng, chịu lực tốt Điều đặc biệt có ý nghĩa số lượng cửa van cơng trình thuỷ lợi lớn * So sánh kết cấu cửa van sử dụng BTCT 3D với kết cấu BTCT truyền thống: Việc so sánh dựa xem xét hai có kích thước (chiều rộng chiều cao), tải trọng mực nước phía trước phía sau cống - Về mặt tải trọng: tải trọng áp lực nước tác dụng lên hai tương đương Tuy nhiên 3D rỗng có trọng lượng nhỏ Vì ứng suất kéo trọng lượng thân nhỏ so với đặc Do lượng cốt thép bố trí theo phương đứng so với đặc - Sự hợp lý bố trí vật liệu: 3D, vật liệu đẩy xa mặt trung gian tấm, khả chịu uốn tải trọng vng góc với mặt tốt Đối với đặc, phần bê tơng phía làm việc không hiệu - Bố trí cốt thép: lượng cốt thép bố trí 3D Tuy nhiên 3D phải có thêm cốt thép xiên - Khối lượng vật liệu: lượng thép 3D so với đặc, trọng lượng bê tơng 3D đáng kể so với đặc - Tính dễ thi cơng: đặc dễ thi cơng thi công trường Với 3D, tốt nên đúc xưởng Quá trình thi cơng 3D có u cầu cao chiều dày bê tông nhỏ, phải đặt thêm thép xiên Vì thi cơng 3D, ván khn phức tạp hơn, bê tơng cần có độ sụt cao Tuy nhiên với công nghệ bê tông nước ta, nhược điểm hồn tồn khắc phục việc sử dụng loại bê tông tự đầm, bê tông chất lượng cao Hơn trọng lượng nhẹ nên việc đưa 3D vào cửa cống dễ dàng đặc - Khả làm việc trình khai thác: cửa van sử dụng 3D làm việc tốt dễ dàng vận hành Bảng Các kết nội lực đơn vị thống kê qua bảng Thành phần nội lực lớn Cửa van có sử dụng kết cấu BTCT 3D Cửa van sử dụng kết cấu BTCT truyền thống Chênh lệch (%) Mô men Mxx (KN.m/m) 0.83 2.52 66.94 Lực dọc Fxx (KN/m) 33.9 47.7 28.93 Báo cáo tóm tắt - 13 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi Mơ men Myy (KN.m/m) 0.67 1.94 65.46 Lực dọc Fyy (KN/m) 127 130 2.31 + Biến dạng Biến dạng lớn đặc chịu uốn δy = 1,24.10-3 m > biến dạng lớn đơn δy = 4,19.10-4 m Các kết cho thấy kết cấu cửa van truyền thống (tấm đặc) chịu lực bất lợi kết cấu cửa van sử dụng BTCT 3D - Lượng cốt thép thiết kế: Mật độ cốt thép bố trí theo hai phương thể qua bảng thống kê Bảng Các kết tính tốn bố trí cốt thép Mật độ cốt thép (cm2/ cm) Cốt thép theo phương ngang Cốt thép theo phương đứng Tấm đặc 0.0438 0.0393 Tấm 3D 0.0295 0.0293 Chênh lệch (%) 32.65 25.45 Kết cho thấy: lượng cốt thép phải bố trí cho đặc nhiều đáng kể so với 3D Điều dễ hiểu tải trọng, nội lực ứng suất đặc lớn 3D 2.2.4.2 Xây dựng quy trình thiết kế cho kết cấu cửa van sử dụng BTCT 3D Việc lập quy trình thiết kế cần thiết Đó tài liệu quan trọng nhằm hướng dẫn, trợ giúp kỹ sư trình thiết kế Với quy trình này, người thiết kế tiết kiệm thời gian, tránh sai sót cơng việc * Các bước chung quy trình thiết kế 3D: Quá trình thiết kế 3D việc chuẩn bị đầy đủ số liệu phục vụ thiết kế Sau vào số liệu yêu cầu thiết kế kỹ sư lựa chọn dạng kết cấu phù hợp, lựa chọn sơ kích thước bố trí cốt thép cho Sau bước bước phân tích tính tốn sơ lựa chọn: mơ hình hóa phần tử hữu hạn, tính toán kết cấu Cuối cùng, kỹ sư phải phân tích kết tính tốn đề giải pháp phù hợp: giữ nguyên hay chỉnh sửa thiết kế sơ đề Sau có giải pháp liên quan đến thiết kế cho tấm, người thiết kế phải thực thao tác tính tốn, phân tích lại mơ hình phần tử hữu hạn Công việc kết thúc người thiết kế nhận thấy thiết kế chỉnh sửa đạt u cầu Khi đó, việc cịn lại kỹ sư tạo vẽ chi tiết cho thiết kế (sử dụng chức lập xuất vẽ chương trình) thuyết minh tính tốn kèm theo Khi sử dụng phần mềm hỗ trợ thiết kế “3DApp”, bước chung quy trình thiết kế thể theo sơ đồ đây: Báo cáo tóm tắt - 14 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi Chuẩn bị số liệu cần thiết Xác định kích thước sơ số lượng tấm, số lượng bố trí sườn liên kết thép xiên Phát sinh mơ hình phần tử hữu hạn nhằm phục vụ tính toán kết cấu Nhập liệu thiết kế sơ giao diện 3DApp Tạo tổ hợp (tấm 3D) 3DApp Xuất kết mơ hình phần tử hữu hạn phát sinh Tính tốn mơ hình phần tử hữu hạn phát sinh Kết nối với chương trình phân tích phần tử hữu hạn Đưa mơ hình phần tử hữu hạn phát sinh vào chương trình Thực tính tốn Tính tốn mơ hình phần tử hữu hạn phát sinh Kết nối với chương trình phân tích phần tử hữu hạn Đưa mơ hình phần tử hữu hạn phát sinh vào chương trình Thực tính tốn Phân tích kết tính toán Đưa liệu kết vào phần mềm 3DApp Phân tích kết quả, tính tốn tối ưu cho vật liệu Đúng Báo cáo tóm tắt Thiết kế lại - 15 - Kết thúc Bản vẽ Thuyết minh Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi 2.2.5 Xây dựng đồ thị, bảng tra phục vụ công tác thiết kế Việc xây dựng phần mềm hỗ trợ thiết kế thực giúp ích nhiều cho kỹ sư q trình thiết kế, tính toán 3D Tuy nhiên nhiều trường hợp, điều kiện sử dụng máy tính phần mềm bị hạn chế việc áp dụng tự động hố gặp khó khăn Đồng thời, để rút ngắn trình thiết kế, đặc biệt tránh thời gian bước thiết kế sơ bộ, người thiết kế cần số liệu thiết kế mang tính “định hình” – tính tốn, thiết kế trước để làm tài liệu tham khảo, định hướng thiết kế Vì vậy, việc tạo hệ thống bảng tra, đồ thị phục vụ cho trình thiết kế có ý nghĩa Các bảng tra đồ thị thực làm tiết kiệm thời gian công sức cho người kỹ sư Thông qua bảng tra đồ thị, người thiết kế có thề xác định thông số thiết kế cần thiết thông số thiết kế sơ mà không cần phải trải qua bước tính tốn, phân tích Nhóm đề tài xây dựng bảng tra đồ thị phục vụ công tác thiết kế 3D bao gồm: - Bố trí thép xiên - Xác định chiều dày - Xác định mật độ cốt thép theo hai phương bố trí cho 2.2.6 Lựa chọn vữa bê tơng quy trình thi cơng kết cấu bê tông cốt thép 3D 2.2.6.1 Lựa chọn vữa bê tông dùng kết cấu BTCT 3D (Bê tông tự đầm): Tại Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ bê tơng tự đầm vào cơng trình xây dựng, xây dựng thuỷ lợi điều mẻ giai đoạn thử nghiệm Sử dụng bê tơng tự đầm thi cơng kết cấu có hình dạng phức tạp, mật độ cốt thép dầy đặc, kết cấu thành vách mỏng (như cống hộp đê, đập, ống xi phông dẫn nước qua sông, ) với kết cấu địi hỏi thân bê tơng phải đặc chắc, có khả chống thấm, chống ăn mịn chất lượng bề mặt tốt Do đặc điểm kết cấu bê tông lưới thép không gian ba chiều (3D) cấu tạo hai lớp lưới thép thép xiên Vì vậy, đổ bê tông thông thường, phải sử dụng thiết bị đầm học để tạo độ đặc gặp nhiều khó khăn; mặt khác chiều dày lớp bê tơng mỏng nên u cầu hỗn hợp bê tơng phải có tính chống thấm cao Những điều khắc phục nhờ vào ưu điểm đặc biệt bê tông tự đầm khả tự lèn chặt (không cần đến thiết bị đầm học) để đạt cường độ thiết kế Như vậy, với ưu điểm vật liệu vữa bê tông tự đầm (khả tự lèn chặt, độ linh động cao vào khe, kẽ nhỏ ), việc ứng dụng kết cấu bê tơng cốt thép bố trí theo không gian ba chiều phù hợp 2.2.6.2 Xây dựng quy trình thi cơng kết cấu BTCT có sử dụng lưới thép 3D: Nhóm đề tài xây dựng quy trình thi cơng cho kết cấu BTCT có sử dụng lưới thép 3D với nội dung sau: - Quy trình vật liệu thiết bị thi cơng; - Bố trí mặt thi cơng; - Tổ chức thi công; - Biện pháp thi công: Các yêu cầu công tác cốp fa, đà giáo, công tác cốt thép; công tác cắt mốp (Polystyrene); công tác thi công bê tông tự đầm - Công tác nghiệm thu; - Cơng tác an tồn vệ sinh mơi trường phịng chống cháy nổ Báo cáo tóm tắt - 16 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi 2.2.7 Thiết kế thi cơng cơng trình thử nghiệm Đề tài ứng dụng thành công công nghệ BTCT 3D cho thiết kế thi công kết cấu cửa van cống Ngọc Hùng Cống Ngọc Hùng nằm đê Hữu sông Ninh Cơ, thuộc địa phận Huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định Cống có nhiệm vụ ngăn lũ từ sơng Ninh Cơ, tiêu nước đồng Cống xây dựng từ năm 1982 Kết cấu cửa van có BTCT thơng thường, có kích thước BxH=2,2x3,2m; thiết bị đóng mở tời 10T Qua nhiều năm vận hành cửa hư hỏng nặng Nhóm đề tài tiến hành thiết kế, so sánh hai phương án sử dụng cửa van kết cấu BTCT truyền thống (theo kết cấu cửa sử dụng cho cống Ngọc Hùng) cửa van kết cấu BTCT có sử dụng lưới thép không gian 3D Kết cho thấy: - So sánh khối lượng cho thấy: Phương án dùng bê tơng cốt thép 3D có khối lượng giảm (30÷35)% so với phương án truyền thống - So sánh giá thành: cửa van dùng bê tông cốt thép 3D có giá thành giảm (12÷15)% so với cửa van dùng BTCT theo phương án truyền thống Giá thành giảm do: + Khối lượng giảm, vật liệu bê tông giảm nhiều + Biện pháp thi công đơn giản: Thép xiên lớp mốp đặt hàng sản xuất nhà máy, vận chuyển đến cơng trình, tiến hành lắp dựng ván khuôn cuối đổ bê tơng hồn thiện kết cấu Qua mơ tả biện pháp thi công cho thấy giảm đáng kể chi phí nhân cơng thời gian gia cơng cốt thép trường theo phương án truyền thống + Giá thành thép tăng chậm so với cường độ Do dùng thép cường độ cao góp phần làm giảm giá thành cơng trình Mặt khác, tính cho tồn cơng trình giá thành giảm trọng lượng cửa giảm, dẫn đến giảm lực đóng mở cửa, từ giảm giá thành máy đóng mở cửa Ngồi ra, hiệu kinh tế - kỹ thuật cơng trình áp dụng bê tơng cốt thép 3D cịn thể điểm sau: - Trọng lượng giảm dẫn đến kết cấu móng giảm; điều đặc biệt có ý nghĩa cơng trình xây dựng đất yếu - Các lưới thép mốp chế tạo nhà máy vận chuyển dễ dàng; phù hợp với cơng trình vùng sâu, vùng xa - Do có khả lắp ghép cao, giảm thời gian gia công cốt thép trường, nên thời gian thi cơng hồn thành cơng trình rút ngắn Như vậy, hiệu kinh tế - kỹ thuật công nghệ bê tông cốt thép 3D thể rõ nét qua công trình thử nghiệm cửa van cống Ngọc Hùng Với ưu điểm công nghệ nêu cho thấy khả ứng dụng cơng nghệ vào cơng trình thuỷ lợi lớn 2.2.8 Kết luận kiến nghị 2.2.8.1 Kết luận: Cấu kiện bê tông cốt thép 3D chứng minh có nhiều ưu điểm có nhiều tiềm phát triển lớn Việt Nam, khó khăn cho q trình ứng dụng tính chất chịu lực phức tạp Ở nước ta chưa có tiêu chuẩn, quy phạm dành cho thiết kế thi công công trình có sử dụng vật liệu Lý thuyết tính toán nghiên cứu đầy đủ kết cấu lưới thép không gian 3D làm rõ mở khả ứng dụng rộng rãi thực tiễn Để hiểu rõ tính chất làm việc đặc trưng học kết cấu lưới thép không gian 3D, phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mơ hình số thơng qua Báo cáo tóm tắt - 17 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi chương trình tính 3Dapp.exe Midas áp dụng để tiến hành nghiên cứu Kết nghiên cứu đề tài cho thấy: Có thể ứng dụng công nghệ lưới thép không gian ba chiều (3D) kết hợp với lớp mốp (nơi vật liệu gần với đường trung hoà) cho kết cấu cửa van Với kết cấu vậy, yếu tố lợi ích kinh tế - kỹ thuật thể qua việc tiết kiệm vật liệu bê tông thay lớp bê tông dải mốp, rút ngắn thời gian thi cơng; điều thể nhận số lượng cửa van cơng trình thủy lợi lớn Kết nghiên cứu đề tài cho phép dự báo hiệu kinh tế - kỹ thuật ứng dụng công nghệ lưới thép 3D vào cấu kiện bản, dầm cơng trình thuỷ lợi đem lại cao Những đóng góp đề tài: * Về mặt khoa học, đề tài có đóng góp sau : - Đề tài làm nhiều thí nghiệm chất tải bố trí cốt thép với mơ hình một cửa van bê tơng cốt thép có ứng dụng lưới thép khơng gian để tìm quan hệ ứng suất biến dạng cốt thép bê tông với đầu đo gắn bê tông trước thử chất tải Từ xác định hệ số, ứng suất để làm kết kiểm nghiệm phục vụ việc lập phần mềm thiết kế cửa van ứng dụng lưới thép không gian - Đã xây dựng chương trình phần mềm để tính tốn thiết kế cửa van bê tơng cốt thép có sử dụng lưới thép khơng gian ba chiều cơng trình thuỷ lợi, đặc biệt cống đê có ảnh hưởng triều Đề tài đánh giá xác vùng ứng suất bê tông cốt thép, ảnh hưởng chịu lực thép bố trí xiên đến cốt thép khác nhằm tận dụng khả chịu lực theo không gian hệ cốt thép qua giảm chi phí vật liệu thép - Đề tài nghiên cứu, chế tạo lưới thép 3D lắp đặt thành công cho cửa bê tông cốt thép cống đê chịu ảnh Thuỷ triều thuộc huyện Nghĩa hưng tỉnh Nam Định địa phương đánh giá tốt giảm khối lượng bê tông cốt thép dẫn đến việc giảm lực đóng mở cửa cống vận hành Trong tình nghiên cứu chế tạo cửa van ứng dụng lưới thép 3D, đề tài ứng dụng vật liệu bê tơng tự đầm nhằm giảm chi phí nhân cơng đầm mà bảo đảm tiêu thiết kế - Những nghiên cứu đề tài góp phần bổ sung cơng nghệ tính tốn ứng suất lưới thép không gian ba chiều quy trình thi cơng cửa van bê tơng cốt thép cơng trình thuỷ lợi * Về mặt thực tiễn đề tài có đóng góp sau: - Đề tài xây dựng bảng tra kết cấu loại cửa van bê tông cốt thép với nhiều loại độ cống thông dụng chênh lệch cột nước điển hình khác thơng qua phần mềm tính tốn kết cấu công nghệ lưới thép ba chiều - Đề tài thiết kế, chế tạo lắp dựng thành công 01 cửa van bê tông cốt thép ứng dụng lưới 3D bê tơng tự đầm có độ b* h = 2,2* 3,2 m cống ngăn mặn đê Nghĩa Hưng tỉnh Nam Định, qua mở việc áp dụng cho nhiều cửa van bê tông cốt thép nước Đặc biệt cửa van bê tơng cốt thép có độ lớn cống ngăn mặn - Kết tính tốn phần mềm ứng dụng lưới thép không gian tiết kiệm 15% khối lượng so với kết cấu bố trí thép thơng thường loại cửa van, điều kiện chịu lực mà đảm bảo an toàn kết cấu * Về mặt khác : - Đề tài kết hợp tốt công tác nghiên cứu ngắn với đào tạo; khơng đào tạo cao học mà cịn đào tạo đội ngũ cán kỹ thuật công nhân lĩnh vực cửa van bê tông lưới thép 3D kết hợp với bê tông tự đầm Báo cáo tóm tắt - 18 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) kết cấu BTCT cơng trình Thủy lợi - Sau đề tài kết thúc có 02 thành viên đề tài làm luận văn cao học có 01 học viên bảo vệ xuất sắc luận văn nhận thạc sĩ; 01 học viên làm luận văn chuẩn bị bảo vệ - Đề tài công bố 02 báo tạp chí chuyên nghành 2.2.8.2 Kiến nghị: Công nghệ ứng dụng lưới thép không gian D cơng nghệ mới, ứng dụng rộng rãi xây dựng nhà dân dụng nhiều ngành khác Trong lĩnh vực thuỷ lợi chưa áp dụng nghành thuỷ lợi có đặc thù riêng kết cấu, hình thức chịu lực….nên nghiên cứu ứng dụng cho cửa van bê tơng cốt thép Mặc dù đề tài có thành cơng bước đầu, nhiên cịn nhiều vấn đề cần nghiên cứu hoàn thiện Đề tài kiến nghị Bộ Nông nghiệp &PTNT cho phép tiến hành theo hướng sau: - Nghiên cứu công nghệ thi công lưới thép máy dạng chập điện để tiện cho việc thi công, giảm giá thành lắp đặt - Nghiên cứu thép khơng gian 3D dạng có gờ với đường kính lớn để áp dụng cho cửa van tự động bê tông cốt thép với độ lớn - Nghiên cứu ứng dụng cho cầu máng có nhịp tiết diện lớn, đất yếu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Ngọc Khánh (Chủ biên) NNK (1996), “Cơ học kết cấu phần - Phương pháp Phần tử hữu hạn” Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội [2] Ngô Thế Phong (chủ biên) NNK (2005), “Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện bản” Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Đỗ Kiến Quốc (Chủ trì) NNK (2002), “Lý thuyết tính kết cấu Panel 3D lưới thép theo mơ hình vỏ trực hướng” Đại Học Bách Khoa, TP Hồ Chí Minh [4] Trần Mạnh Tn (2005), “Tính tốn kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 3182002” Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [5] Nguyễn Viết Trung (Chủ biên) NNK (2005), “Bê tông cốt sợi thép” Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [6] Nguyễn Viết Trung, “Thiết kế tối ưu”, Nhà xuất Xây dựng, 2003 [7] Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, “Mô hình hóa phân tích kết cấu cầu với MIDAS/Civil”, Tập & 2, NXB Xây dựng, 2006 [8] Hoàng Phó Un (Chủ trì) NNK (2005), “Nghiên cứu chế tạo vữa bê tông tự lèn phục vụ xây dựng cơng trình thuỷ lợi” Viện Khoa học Thuỷ lợi, Hà Nội [9] The Consulting Engineers Group (1991), “Structural Analysis of ICS 3-D Wall Panels”, Publication I.C [10] R Park & T Pauley (1975), “Reinforced Concrete Structures” [11] http://www.structurtech.com [12] http://www.greensandwichtech.com [13] http://www.solarcrete.com Báo cáo tóm tắt - 19 -