CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.4. Tổng quan về bờtụng cốt sợi thộp và dầm bờtụng cốt sợi thộp
1.4.3. Tớnh chất của bờtụng cốt sợi thộp
Bờ tụng cốt sợi thộp (Steel Fiber Reinforced Concrete - SFRC) là bờ tụng được chế tạo từ hỗn hợp bao gồm xi măng, nước, cốt liệu mịn hoặc cốt liệu mịn và cốt liệu thụ và sợi thộp phõn tỏn. Khi chịu kộo, SFRC rắn chắc bị phỏ hủy sau khi sợi thộp đứt hoặc bị tuột ra khỏi vữa hoặc bờ tụng.
11
Hỡnh 1.7. Bề mặt phỏ hủy bờ tụng cốt sợi thộp [27]
Mặc dự cú nhiều ưu điểm nhưng trong một số trường hợp, bờ tụng cốt sợi thộp khụng thể thay thế hoàn toàn bờ tụng cốt thộp thường, vớ dụ như trong trường hợp chịu ứng suất kộo lớn. Bờ tụng cốt sợi thộp cũng khụng thể thay thế được bờ tụng cốt thộp dự ứng lực nhưng cú thể kết hợp để tạo thành kết cấu bờ tụng cốt thộp dự ứng lực pha sợi thộp với những tớnh năng chịu lực đặc biệt.
Việc sử dụng cốt thộp sợi giỳp cải thiện đỏng kể cỏc đặc tớnh chịu lực của bờ tụng. Trong những trường hợp cú yờu cầu riờng về độ ổn định, về hạn chế sử dụng cốt thộp hoặc những cụng trỡnh cần phải gia cường (vớ dụ bờ tụng phun làm vỏ hầm, vỏ tàu), bờ tụng cốt sợi thộp cú thể là một giải phỏp hợp lý.
Cỏc tớnh chất của SFRC ở cả hai trạng thỏi dẻo nhớt khi mới trộn và khi đó rắn chắc, cũng như độ bền theo thời gian đều phụ thuộc vào thành phần chế tạo. Một cỏch tiếp cận phổ biến đối với SFRC là xem vật liệu này như một loại vật liệu hỗn hợp bao gồm vật liệu nền (bờ tụng) và sợi phõn tỏn. Cỏc tớnh chất của SFRC bị ảnh hưởng bởi
12
tớnh chất của sợi thộp (hàm lượng sử dụng, cường độ, module đàn hồi, liờn kết của sợi), cỏc tớnh chất của bờ tụng (cường độ, hàm lượng, module đàn hồi) và tớnh chất của mặt tiếp xỳc giữa sợi và vật liệu nền (bờ tụng). Một cỏch tiếp cận gần đõy hơn về khả năng cải thiện tớnh chất của SFRC khi sử dụng cốt sợi là giả thiết về cơ chế hạn chế vết nứt dựa trờn cơ học phỏ hủy. Theo đú, năng lượng để mở rộng vết nứt và làm mất liờn kết cỏc sợi trong SFRC cú liờn quan đến cỏc tớnh chất của vật liệu nền (bờ tụng) và sợi.
Những ưu điểm khỏc của bờ tụng cốt sợi thộp:
- Giảm biến dạng do từ biến và biến dạng do co ngút. - Tăng khả năng chống cắt.
- Cải thiện vấn đề nứt.
Ngoài ra, bờ tụng cốt sợi thộp sẽ là sự chọn lựa hợp lớ khi ứng dụng cho cỏc cấu kiện chịu lực tập trung lớn [26].
Cơ chế gia cường cốt sợi trong SFRC được xỏc định thụng qua độ bền của sợi khi bị kộo giật ra khỏi bờ tụng, làm phỏ vỡ liờn kết trờn bề mặt tiếp xỳc giữa bờ tụng và sợi. Thực tế đó cú những nghiờn cứu để thiết lập mối quan hệ giữa cường độ liờn kết với cỏc tớnh chất cơ học hỗn hợp của SFRC. Kết quả của sự “tuột dần” cỏc sợi ra khỏi bờ tụng cú tớnh chất bắc cầu, truyền ứng suất sang bờ tụng vỡ nếu khụng cú sợi thỡ bờ tụng sẽ làm việc và phỏ hủy theo dạng vật liệu giũn.
Tớnh dẻo dai của bờ tụng phụ thuộc vào loại và hàm lượng sợi. Cỏc loại sợi thộp cú dạng khớa hoặc gợn súng, bề mặt gồ ghề, hoặc cú neo ở đầu, hoặc được làm rộng ra ở hai đầu mỳt làm tăng độ dẻo dai cho SFRC hơn so với loại sợi thẳng tương đương cú cựng chiều dài và đường kớnh. Do đú, cú thể giảm khối lượng sợi sử dụng nếu so sỏnh với sợi thẳng để đạt cựng giỏ trị cường độ và độ dẻo dai yờu cầu [26].
Sợi thộp cải thiện được độ dẻo dai của bờ tụng trờn tất cả cỏc điều kiện chịu tải nhưng hiệu quả của chỳng trong việc cải thiện cường độ thỡ khỏc nhau đối với cỏc trường hợp chịu nộn, kộo, cắt, xoắn và uốn. Theo đú, với hàm lượng sợi thộp sử dụng đến 1,5% theo thể tớch, cường độ chịu nộn chỉ chịu ảnh hưởng nhỏ (biến đổi từ 0 đến 15%); cường chịu chịu kộo trực tiếp được cải thiện từ 30% đến 40%, cường độ chịu cắt
13
và xoắn cú thể cải thiện đến 30% [26].
Một số nghiờn cứu đó chứng minh khả năng chịu cắt (kộo chộo gúc) của SFRC được tăng lờn so với cốt thộp thường; do đú sợi thộp cú một số lợi thế tiềm năng được sử dụng để làm tăng hoặc thay thế cốt thộp đai trong dầm. Những lợi thế này là: (1) Sự phõn bố ngẫu nhiờn của sợi trờn toàn bộ thể tớch bờ tụng ở khoảng cỏch gần nhau hơn rất nhiều đối với cỏc thanh cốt thộp nhỏ nhất, dẫn đến sự phõn bố lại vết nứt với kớch thước nứt giảm xuống; (2) Cường độ chịu kộo ở vết nứt đầu tiờn và cường độ chịu kộo tới hạn của bờ tụng được tăng lờn do việc sử dụng sợi thộp và (3) Cường độ cắt – ma sỏt được tăng lờn nhờ độ bền trước sự kộo giật của cỏc sợi thộp ra khỏi bờ tụng nền vỡ cỏc sợi thộp cú tỏc dụng truyền ứng suất bắc cầu qua cỏc vết nứt theo cơ chế tương tự như việc “khõu vết thương” [26].
Sự gia tăng cường độ chịu uốn của SFRC lớn hơn so với cường độ chịu kộo hoặc cường độ chịu nộn vỡ khả năng chịu lực của kết SFRC trờn phớa chịu kộo của kết cấu chịu uốn làm thay đổi sự phõn bố đàn hồi của ứng suất và biến dạng trờn toàn chiều dày (độ cao tiết diện) của kết cấu. Sự thay đổi phõn bố ứng suất này, về bản chất là dẻo trong vựng chịu kộo và đàn hồi trong vựng chịu nộn, làm chuyển dịch trục trung hũa của kết cấu sang phần chịu nộn. Cỏc nghiờn cứu trước đõy chỉ ra rằng cường độ chịu uốn cú thể tăng hơn 2 lần khi sử dụng khoảng 4% thể tớch sợi trong vữa xi măng - cỏt. Hiện nay, với sự cú mặt của cốt liệu thụ cựng với quy trỡnh trộn và đổ bờ tụng cốt sợi hợp lý cú thể giỳp giảm lượng dựng sợi xuống chỉ cũn 1,5% - 2% thể tớch và vẫn tăng cường độ chịu uốn của cấu kiện xấp xỉ đến 2 lần.
Độ bền dẻo dai (toughness) được xem như là đặc trưng phõn biệt rừ nhất SFRC với bờ tụng khụng cú cốt sợi. Dưới điều kiện va đập, độ bền dẻo dai cú thể được biểu thị một cỏch định tớnh bằng cỏch thử nghiệm sự phỏ hủy kết cấu SFRC bằng bỳa tạ. Chẳng hạn, một mẫu bỡnh chứa sử dụng SFRC cú thể chịu được nhiều nhỏt bỳa trước khi bị xuyờn thủng tại điểm va chạm với bỳa; thậm chớ khi đú, phần cũn lại của bỡnh vẫn cũn cú thể giữ được tớnh toàn vẹn tương đối về kết cấu của nú. Ngược lại, một bỡnh chứa tương tự làm bằng bờ tụng thụng thường bị phỏ hủy thành nhiều mảnh sau khi bổ một nhỏt bỳa, mất hoàn toàn tớnh toàn vẹn về kết cấu.
14
Tương tự, kết cấu dầm SFRC bị phỏ hoại bởi sự phỏt triển từ từ của cỏc vết nứt đơn hay nhiều vết nứt khi độ vừng tăng lờn, nhưng vẫn giữ được mức độ toàn vẹn về mặt kết cấu và sức bền sau khi bị nứt, thậm chớ cả khi độ vừng đó tăng đỏng kể. Một dầm tương tự sử dụng bờ tụng khụng cú sợi thộp bị phỏ hoại đột ngột, rời ra thành hai mảnh khi mới xuất hiện độ vừng tương đối nhỏ. Ngoài ra, sợi thộp cũng cú tỏc dụng nhất định trong việc cải thiện cỏc chỉ số của cỏc kết cấu SFRC khi chịu tải va chạm mạnh, làm việc khi mỏi, độ dẫn nhiệt, khả năng chịu mài mũn, chịu ma sỏt và trượt… 1.4.4. Cỏc nghiờn cứu khoa học về dầm bờ tụng cốt sợi thộp:
Tỏc giả Griffith [30] phỏt triển mụ hỡnh cơ cấu phỏ hủy của vật liệu xột đến tớnh khụng liờn tục của vật liệu. í tưởng cơ bản của mụ hỡnh này là tải trọng tỏc dụng đến những "điểm yếu" trong vật liệu, gõy nờn sự tập trung ứng suất, dẫn tới sự hỡnh thành vết nứt và cuối cựng là sự phỏ hủy vật liệu, dẫn đến phỏ hủy cấu kiện. Nghiờn cứu này đạt những nền tảng đầu tiờn cho việc sử dụng cỏc loại sợi (trong đú cú sợi thộp) trong cỏc cấu kiện dầm bờ tụng cốt thộp.
Romualdi và Batson [31] đó sử dụng mụ hỡnh này và phỏt triển mụ tả trạng thỏi cơ học của bờ tụng cốt sợi thộp vào năm 1963. Ngoài cơ cấu phỏ hủy của Griffith, cỏc tỏc giả cũn ỏp dụng một số nguyờn lý liờn kết trong vựng lõn cận vết nứt, mối quan hệ phi tuyến giữa nứt và tải trọng mỏi được tớnh đến mối quan hệ ứng suất - biến dạng.
Cỏc nghiờn cứu của cỏc tỏc giả Charles, Henage và Doberty [32], Naaman và Shah [33], Hughes và Fattuhi [34] nghiờn cứu về khả năng làm việc của hỗn hợp và cấu kiện bờ tụng cốt sợi thộp, trong đú xỏc định ảnh hưởng của chiều dài sợi, tỷ lệ, hàm lượng sợi đến cỏc tớnh chất cơ lý của hỗn hợp và cấu kiện bờ tụng sợi thộp.
Cỏc tỏc giả Saluja và cộng sự [35], Balaguru và cộng sự, [36] Faisal và cộng sự [37], Agarwal và cộng sự [38], Singh và Singhal [39] đó khảo sỏt và đỏnh giỏ ảnh hưởng của sợi thộp khỏc nhau như sợi Hooke, sợi dài, sợi thẳng với cỏc tỷ lệ sợi, tỷ lệ chiều dài – đường kớnh khỏc nhau.
Ở trong nước, Nguyễn Viết Trung [26] đó nghiờn cứu và tổng hợp cỏc kết quả nghiờn cứu trờn thế giới về khả năng ứng dụng của sợi thộp dựng cho cỏc kết cấu cụng trỡnh, ảnh hưởng của hàm lượng sợi và cỏc đặc tớnh cơ học của sợi thộp đến tớnh
15
chất vật liệu. Qua đú, tỏc giả đó đưa ra những ứng dụng của bờ tụng sợi thộp sử dụng trong cỏc cụng trỡnh, cú khả năng gia cường cỏc tớnh chất của cỏc loại cấu kiện (trong đú cú dầm bờ tụng cốt sợi thộp).
Tỏc giả Trần Bỏ Việt [40] đó nghiờn cứu ứng dụng sợi thộp trong bờ tụng và khả năng phõn tỏn của sợi trong bờ tụng nền để cú thể ứng dụng trong cỏc kết cấu cụng trỡnh. Cỏc tỏc giả Nguyễn Thanh Bỡnh và Trần Bỏ Việt [41] nghiờn cứu ảnh hưởng của sợi thộp phõn tỏn đến tớnh chất của bờ tụng mỏc cao trong điều kiện khớ hậu núng ẩm Việt Nam. Tỏc giả Nguyễn Văn Chỏnh và Trần Văn Miền [42] nghiờn cứu chế tạo bờ tụng cốt sợi trờn nền vật liệu xõy địa phương, trong đú nghiờn cứu sự phụ thuộc của tớnh chất hỗn hợp bờ tụng đối với chủng loại và hàm lượng sợi sử dụng, ỏp dụng thớ điểm bờ tụng sử dụng cốt sợi để chế tạo những cấu kiện lớn và nghiờn cứu cỏc tớnh chất của những cấu kiện này trong điều kiện làm việc cụ thể của cụng trỡnh xõy dựng. Tỏc giả Nguyễn Tiến Bỡnh và Trần Bỏ Việt [43] nghiờn cứu về bờ tụng cốt sợi hỗn hợp, sử dụng sợi thộp kết hợp sợi poly-propylene tạo ra bờ tụng cú những ưu điểm vượt trội so với việc sử dụng riờng biệt từng loại sợi, đặc biệt là làm tăng tớnh dẻo dai, chống nứt do co mềm và co cứng cho bờ tụng.
1.5. Sự cần thiết thực hiện đề tài:
Do đặc điểm về tải trọng, hầu hết cỏc dầm chuyển thườngcú kớch thước lớn (dầm chuyển bờ tụng cốt thộp cú khi cao tới 2,5m) ảnh hưởng đến mỹ quan cụng trỡnh, gõy ra khú khăn trong việc tận dụng khoảng khụng gian vượt nhịp dưới dầm chuyển và phỏt sinh nhiều chi phớ. Ngoài ra, khi dầm chuyển chịu tải trọng lớn, tại cỏc vị trớ cột truyền lực lờn dầm chuyển cú thể hỡnh thành những vết nứt, phỏt triển nhanh làm ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của dầm. Việc gia cường bờ tụng cốt phộp bằng sợi thộp (phõn bố ngẫu nhiờn) cú thể giỳp tăng cường độ chịu lực của dầm, giỳp giảm chiều cao dầm, tăng chiều cao thụng thủy của khoảng khụng gian dưới dầm chuyển. Đồng thời, tỏc dụng phõn bố lại ứng suất trong bờ tụng cốt sợi thộp giỳp làm giảm sự hỡnh thành và phỏt triển vết nứt trờn dầm chuyển, tăng hiệu quả sử dụng của dầm.
16
gia cường bằng sợi thộp” là cần thiết, qua đú, tỡm hiểu về ứng xử của dầm chuyển bờ tụng cốt thộp khi được gia cường bằng sợi thộp, làm rừ thờm khả năng chịu lực, sự hỡnh thành và phỏt triển vết nứt trong dầm khi chịu tải trọng. Đề tài sử dụng phần mềm phõn tớch kết cấu ABAQUS/CAE xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng số dầm chuyển bờ tụng cốt thộp cú gia cường bằng sợi thộp, đối chiếu kết quả mụ phỏng với số liệu thớ nghiệm trờn mẫu dầm đỳc thực tế. Dựa trờn kết quả mụ phỏng dầm cú kớch thước thụng thường, đề tài phỏt triển mụ phỏng trường hợp gia cường sợi thộp cho dầm chuyển bờ tụng cốt thộp kớch thước thực đó thiết kế trong thực tế.
1.6. Mục tiờu nghiờn cứu:
Nghiờn cứu cỏc lý thuyết tớnh toỏn dầm chuyển để làm rừ khả năng chịu lực (uốn, cắt) ở trạng thỏi giới hạn thứ nhất (độ bền hay cực hạn) và ở trạng thỏi giới hạn thứ hai (giới hạn sử dụng: vừng, nứt) của dầm chuyển khi chịu tải trọng lớn.
Nghiờn cứu cỏc tớnh chất cơ lý của sợi thộp và tỏc dụng của sợi thộp trong việc gia cường cho cỏc kết cấu bờ tụng cốt thộp núi chung, dầm chuyển bờ tụng cốt thộp núi riờng. Làm rừ tỏc dụng gia cường của sợi thộp trong việc nõng cao khả năng chịu lực và hạn chế sự phỏt sinh và tốc độ phỏt triển vết nứt trong kết cấu dầm bờ tụng cốt thộp dựa trờn cỏc thớ nghiệm thực nghiệm.
Xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng dầm bờ tụng cốt thộp cú gia cường bằng sợi thộp với kớch thước thụng thường, sử dụng phần mềm phõn tớch kết cấu ABAQUS/CAE, đối chiếu với số liệu thớ nghiệm trờn mẫu dầm đỳc thực tế trong phũng thớ nghiệm. So sỏnh kết quả thu được từ mụ hỡnh số và thực nghiệm để xỏc định tớnh đỳng đắn của mụ hỡnh số.
Từ kết quả mụ hỡnh dầm kớch thước thụng thường, đề tài phỏt triển mụ hỡnh mụ phỏng cho 01 dầm chuyển kớch thước thực (cú và khụng cú gia cường sợi thộp). So sỏnh về khả năng chịu lực và nguyờn tắc ứng xử để làm rừ hiệu quả của việc gia cường sợi thộp trong kết cấu dầm chuyển bờ tụng cốt thộp.
1.7. Phạm vi và phương phỏp nghiờn cứu
Phạm vi nghiờn cứu là ứng xử của dầm chuyển bờ tụng cốt thộp cúgia cường bằng sợi thộp; đối chiếu với ứng xử của dầm chuyển bờ tụng cốt thộp thườngđể đỏnh
17
giỏ khả năng ứng dụng bờ tụng sợi thộp giỳp tăng khả năng chịu lực, giảm vết nứt, giảm chiều cao cho dầm chuyển.
Phương phỏp nghiờn cứu:
- Phương phỏp lý thuyết: nghiờn cứu giải tớch ứng xử của dầm chuyển bờ tụng cốt thộp và bờ tụng cốt thộp cú gia cường sợi thộp.
- Phương phỏp thực nghiệm: nghiờn cứu thực nghiệm ứng xử của dầm BTCT cú gia cường sợi thộp với kớch thước thụng thường để đối chiếu, so sỏnh với kết quả mụ phỏng số.
- Phương phỏp mụ phỏng số bằng phương phỏp PTHH: sử dụng phần mềm ABAQUS/CAE để xõy dựng mụ hỡnh và phõn tớch mụ phỏng ứng xử cho dầm chuyển BTCT gia cường bằng sợi thộp.
- So sỏnh, phõn tớch kết quả để đỏnh giỏ hiệu quả của việc gia cường sợi thộp trong kết cấu dầm chuyển.
Nội dung Luận văn gồm 05 chương
Chương 1. Tổng quan.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tớnh toỏn.
Chương 3. Nghiờn cứu thực nghiệm trờn dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thộp. Chương 4. Nghiờn cứu mụ phỏng dầm chuyển BTCT gia cường bằng sợi thộp. Chương 5. Kết luận - Kiến nghị.
1.8. Tớnh mới của đề tài
- Nghiờn cứu ứng xử của dầm chuyển BTCT cú gia cường bằng sợi thộp để làm rừ hiệu quả của việc gia cường đối với khả năng chịu lực của dầm cao, sự hỡnh thành và phỏt triển vết nứt trờn dầm cao cú và khụng cú gia cường bằng sợi thộp.
- Xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng số dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thộp sử dụng phần mềm ABAQUS.
- Đỏnh giỏ kết quả xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng cấu kiện dầm cao BTCT gia cường bằng sợi thộp là cơ sở để mụ phỏng tớnh toỏn cỏc kết cấu khỏc sử dụng bờ tụng cốt sợi thộp; đồng thời là cơ sở để thuyết minh ứng dụng biện phỏp gia
18
cường cho BTCT bằng sợi thộp (phõn bố ngẫu nhiờn) trong cỏc cụng trỡnh xõy dựng.
19
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ Lí THUYẾT TÍNH TỐN
2.1. Cơ sở lý thuyết về tớnh toỏn dầm chuyển:
2.1.1. Tớnh toỏn theo tiờu chuẩn ACI 318-2002 [44]:
Cỏc nghiờn cứu trước đõy về dầm BTCT đều dựa trờn lý thuyết đàn hồi và sử dụng cỏc giả thiết vật liệu là đồng chất, đẳng hướng và tuõn theo định luật Hooke. Nhưng về sau cỏc giả thiết này ngày càng trở nờn khụng hợp lý đối với kết cấu dầm