A.Tổng quan chung
1.1. Tóm tắt tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước.
Sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế nước ta đã thúc đẩy mạnh mẽ tốc độ phát triển của ngành xây dựng về số lượng và đa dạng loại hình kết cấu. Các kết cấu làm nhà cao tầng, nhà nhịp lớp, hệ thanh ngày càng xuất hiện nhiều ở Việt Nam và các nước trên thế giới. Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) ngày nay đang được sử dụng rộng rãi và rất có hiệu quả.
Hiện tại trong nước [1-4] và ngồi nước [5-9] có nhiều tác giả nghiên cứu về các tiết diện cấu kiện dầm khác nhau như chữ nhật, I, T, tiết diện tròn, hộp rỗng. Đặc biệt dầm chữ nhật tiết diện không đổi được sử dụng nhiều như dầm cầu trục, dầm mái,… trong nhà cao tầng, vì vậy việc mơ phỏng các giá trị chịu lực của dầm cần được quan tâm nghiên cứu.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài.
Mơ phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép bằng các phần mềm hiện đại ngày càng trở nên phổ biến và góp một vai trị quan trọng trong q trình tính tốn cũng như nghiên cứu [10-14]. Việc mơ phỏng rút ngắn được thời gian tính tốn so với việc phải làm thực nghiệm cũng giúp giảm được một phần yếu tố kinh tế. Tuy nhiên việc chênh lệch giữa các giá trị Mơ phỏng – Tính tốn – Thực nghiệm, vẫn đang còn là điều tồn tại. Một trong các nguyên nhân gây ra sự sai lệch đó có thể là khi mơ phỏng các tác giả chưa đề cập đến sự bám dính khơng hồn tồn giữa bê tơng và cốt thép. Chính vì vậy, đề tài này cũng mong muốn phần nào thể hiện được sự bám dính khơng hồn tồn giữa bê tơng và cốt thép có vai trị như thế nào trong việc mô phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép. Qua đó Giúp cho việc mơ phỏng các cấu kiện bê tơng cốt thép có được kết quả chính xác hơn.
1.3. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Kiểm tra được kết quả mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật, sử dụng nhiều loại vật liệu bê tông khác nhau như: bê tông thường, bê tông Geopolymer, bê tông xỉ thép… sao cho kết quả bằng phương pháp
mô phỏng tiệm cận nhất với thực nghiệm. 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng Nghiên cứu:
Các dầm bê tơng cốt thép dài 3m kích thước tiết diện 200 x 300 mm
Các cấu kiện dầm bê tơng cốt thép được sử dụng có nhiều loại gồm: bê tông cốt thép thường và bê tông Geopolymer, bê tông xỉ thép…
Phạm vi nghiên cứu:
Nhằm kiểm tra mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của các cấu kiện dầm bê tông cốt thép thường và bê tơng Geopolymer khi mơ phỏng có tính đến sự bám dính khơng hồn tồn giữa bê tơng và cốt thép khi cấu kiện bị phá hoại có gần với kết quả thực nghiệm hay khơng.
So sánh kết quả thu được khi mơ phỏng với những kết quả đã được tính tốn thiết kế cũng như kiểm nghiệm qua q trình thực nghiệm. Sau đó có thể đối chiếu với các tiêu chuẩn.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm phân tích và mơ phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép Abaqus để mô phỏng dầm bê tông cốt thép thể hiện sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép khi cấu kiện bị phá hoại.
Kết hợp giữa các kết quả lập trình tính tốn lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu đề xuất đưa ra được giải pháp ứng dụng vào công tác học tập cũng như nghiên cứu tại Việt Nam.
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Tính thực tiễn của đề tài: Tính thực tiễn của đề tài:
Hiện tại có rất nhiều các tác giả nghiên cứu sự phá hoại của bê tông cốt thép nhưng khi mô phỏng lại xuất ra được kết quả chưa thật chính xác nhất so với tính tốn thiết kế cũng như thực nghiệm, chính vì vậy đề tài này nhằm mục đích thực tiễn nhất chính là làm sáng tỏ vấn đề này.
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong cơng tác tính tốn mơ phỏng. Các kết quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị xây dựng cơng trình, các nhà quản lý, làm tài liệu tham khảo cho công tác học tập ở bậc đại học và sau đại học.
B.Tổng quan về bê tông cốt thép 1.7. Tính chất của bê tơng cốt thép. 1.7. Tính chất của bê tơng cốt thép.
Bê tơng cốt thép là vật liệu xây dựng phức hợp do hai loại vật liệu là bê tông và cốt thép có đặc trưng cơ học khác nhau cùng phối hợp chịu lực với nhau.
Bê tông là loại vật liệu phức hợp bao gồm xi măng (chất kết dính), cát, sỏi - đá (cốt liệu) kết lại với nhau dưới tác dụng của nước. Cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ hơn cường độ chịu nén rất nhiều (8 -15 lần).
Cốt thép là loại vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều rất tốt. Do đó nếu đặt lượng cốt thép thích hợp vào tiết diện của kết cấu thì khả năng chịu lực của kết cấu tăng lên rất nhiều. Dầm bê tơng cốt thép có thể có khả năng chịu lực lớn hơn dầm bê tơng có cùng kích thước đến gần 20 lần.
Bê tông và cốt thép cùng làm việc được với nhau là do:
+ Bê tơng khi đóng rắn lại thì dính chặt với thép cho nên ứng lực có thể truyền từ vật liệu này sang vật liệu kia, lực dính có được đảm bảo đầy đủ thì khả năng chịu lực của thép mới được khai thác triệt để.
+ Giữa bê tơng và cốt thép khơng xảy ra phản ứng hóa học, ngồi ra hệ số giãn nở của cốt thép và bê tơng st sốt bằng nhau:
∝s = 0.000012 ; ∝b =0.000010-0.000015 1.8. Lực bám dính giữa bê tơng và cốt thép
Lực dính bám giữa bê tơng và cốt thép: lực này hình thành trong q trình đơng cứng của bê tơng và giúp cốt thép khơng bị tuột khỏi bê tơng trong q trình chịu lực.
Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tơng và thép có Lực dính bám khá lớn nên lực có thể truyền từ bê tơng sang thép và ngược lại. Lực dính bám có rất quan trọng đối với bê tơng cốt thép. Nhờ có lực dính bám mà cường độ của cốt thép mới được khai thác,
bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế. Do vậy người ta phải tìm mọi cách để tăng cường lực dính bám giữa bê tơng và cốt thép.
Giữa bê tơng và cốt thép khơng có phản ứng hóa học làm ảnh hưởng đến từng loại vật liệu, ngoài ra do cốt thép đặt bên trong bê tơng nên cịn được bê tông bảo vệ khỏi ăn mịn do tác động mơi trường.
Vì bê tơng và cốt thép có hệ số giãn nở nhiệt xấp xỉ nhau, do đó phạm vi biến đổi nhiệt độ thông thường (dưới 100°C) không làm ảnh hưởng tới sự kết hợp bên trong giữa bê tông và cốt thép.
1.9. Tính chất cơ lý của bê tơng cốt thép
Các tính chất cơ lý của bê tơng cốt thép được tham khảo TCXDVN 5574:2012 “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép” [15-16].
Cấp độ bền của bê tông
Khi thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép cần chỉ định chỉ tiêu chất lượng về cấp độ bền chịu nén B của bê tông và cấp độ bền chịu kéo bê tơng.
Các đặc trưng tiêu chuẩn và đặc trưng tính tốn của bê tơng
Các loại cường độ tiêu chuẩn của bê tông bao gồm cường độ khi nén dọc trục mẫu lăng trụ (cường độ lăng trụ) Rbn và cường độ khi kéo dọc trục Rbtn .
Các cường độ tính tốn của bê tơng khi tính tốn theo các trạng thái giới hạn thứ nhất Rb , Rbt và theo các trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser , Rbt,ser được xác định bằng cách lấy cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số độ tin cậy của bê tông tương ứng khi nén γbc và khi kéo γbt . Các giá trị của hệ số γbc và γbt của một số loại bê tông cho trong bảng 1.
Cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi nén dọc trục Rbn tùy theo cấp độ bền chịu nén của bê tông và cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi kéo dọc trục Rbtn được cho trong bảng dưới.
Bảng 1.2: Các cường độ tiêu chuẩn của bê tơng nặng và cường độ tính tốn [16]
Các cường độ tính tốn của bê tơng Rb , Rbt , Rb,ser , Rbt,ser (đã làm tròn) tùy thuộc vào cấp độ bền chịu nén và kéo dọc trục của bê tông cho trong bảng 3 khi tính theo các trạng thái giới hạn thứ nhất và bảng 2 khi tính tốn theo các trạng thái giới hạn thứ hai.
Bảng 1.3: Các cường độ tính tốn của bê tơng khi tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất (MPa) [16]
Biến dạng đàn hồi của bê tông
Khi chịu nén môđun đàn hồi ban đầu của bê tông Eb được định nghĩa theo biểu thức sau: 0 b b b E tg (1.1)
∝o - góc lập bởi tiếp tuyến tại gốc của biểu đồ σ - 𝜀 với trục 𝜀 (hình 3). Giá trị của Eb phụ thuộc cấp độ bền và loại bê tơng cho trong bảng 4.
Hình 1.1: Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông [16]
Hệ số nở ngang (hệ số poission) của bê tông μb lấy bằng 0,2. Môđun chống cắt của bê tông Gb = 0,4Eb.
Bảng 1.4: Môđun đàn hồi của bê tông nặng ở điều kiện đông cứng tự nhiên [16]
1.10. Ưu điểm của bê tông cốt thép
Kết cấu bê tông cốt thép (cũng như kết cấu bê tông) được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm sau:
+ Giá thành thấp: bê tông được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu sẵn có như đá, sỏi, cát... Các vật liệu khác như xi măng, thép đắt tiền hơn nhưng chỉ chiếm tỷ trọng khoảng 1/6 đến 1/5 tổng khối lượng.
+ Khả năng chịu lực lớn: khả năng chịu lực của bê tông cốt thép lớn hơn rất nhiều so với các dạng vật liệu khác như gạch, đá, gỗ... Hơn nữa, khác với các loại vật liệu xây dựng có nguồn gốc tự nhiên, bê tông cốt thép là vật liệu nhân tạo nên thơng qua việc chế tạo có thể lựa chọn các tính năng mong muốn.
+ Độ bền cao: bê tơng là một loại đá do đó có khả năng chịu ăn mịn, xâm thực từ mơi trường cao hơn các vật liệu như thép, gỗ... Chi phí bảo dưỡng do đó cũng thấp hơn.
+ Khả năng tạo hình khối dễ dàng: trước khi đơng cứng thì bê tơng ở dạng hỗn hợp lỏng và dẻo nên có khả năng tạo các hình khối phù hợp yêu cầu kiến trúc nhờ
vào hệ thống ván khuôn.
+ Khả năng chống cháy tốt: trong ngưỡng dưới 400°C thì cường độ của bê tông không bị suy giảm đáng kể, hệ số dẫn nhiệt của bê tông cũng thấp nên giúp bảo vệ cốt thép ở nhiệt độ cao.
1.11. Ứng dụng của bê tông cốt thép.
Kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực xây dựng dân dụng và xây dựng cơng trình giao thơng như nhà ở, cầu, đường, nhà xưởng công nghiệp, sân bay, thủy lợi... Tại Việt Nam, theo các thống kê chưa đầy đủ các cơng trình xây dựng từ kết cấu bê tông cốt thép chiếm 70% tổng số cơng trình xây dựng.
Một số dạng kết cấu bê tơng điển hình:
- Nhà cao tầng: Là dạng cơng trình phổ biến nhất sử dụng kết cấu bê tơng cốt thép. Độ cứng lớn của bê tơng cốt thép cho phép rất thích hợp khi chịu tải trọng ngang như gió.
- Cầu: Nhờ những ưu điểm về tuổi thọ, khả năng chống ăn mịn cao nên bê tơng cốt thép được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng cầu, do các cơng trình cầu phải chịu ảnh hưởng nhiều tác động và ảnh hưởng của mơi trường hơn cơng trình nhà.
1.12. Vai trị chịu lực của cốt thép trong bê tơng.
Một dầm bê tơng khơng có cốt thép sẽ sụp đổ , một hệ thống sàn không cốt thép sẽ khơng tồn tại, ngay cả cột khơng có cốt thép cũng ln đứng trước nguy cơ gãy đổ. Vậy nên cốt thép có vai trị rất quan trọng trong kết cấu bê tông cốt thép.
Tác dụng của cốt thép trong bê tông là chịu lực kéo , do bê tơng có sức chịu nén tốt, nhưng lại hầu như khơng chống được lực cắt , kéo. Trong khi đó, các cấu kiện như dầm , sàn, cột đều khơng chỉ có u cầu chống lại lực nén mà phải chống cả lực cắt, kéo tốt .Trong bê tơng , có một số loại cốt thép được gọi tên theo vai trò làm việc như:
Cốt thép chịu lực : Dùng để chống lại lực kéo trong các cấu kiện chịu uốn như dầm hoặc trong các cấu kiện chịu lực kéo. Cốt thép phân phối : Cốt thép được dùng trong dầm để chống lại các lực phụ và cục bộ, có thể chưa được tính tốn hết trong q trình thiết kế . Nó cịn có tác dụng phân phối đều tải trọng trên sàn và định vị
các cốt thép chịu lực .
Cốt thép đai : Cốt thép dùng trong dầm cột , đảm bảo vị trí của cốt thép chụi lực khơng xê dịch, đồng thời lại có tác dụng chống lại ứng lực chính của từng bộ phận một
Cốt thép cấu tạo : Dùng để giữ vị trí các thanh thép chịu lực và làm tồn bộ cốt thép thành một bộ khung vững chắc, tăng sự ổn định của sàn hay dầm.
1.13. Các thí nghiệm để khảo sát tính dính bám giữa bê tơng và cốt thép. 1.13.1. Những mơ hình thực nghiệm cơ sở 1.13.1. Những mơ hình thực nghiệm cơ sở
Hiện tại có rất nhiều nhà nghiên cứu đã và đang nghiên cứu khả năng chịu lực của bê tông cốt thép với nhiều loại vật liệu tạo nên nhiều loại bê tông cốt thép khác nhau[1-4], trên cơ sở các nghiên cứu đó đề tài này sẽ sử dụng những kết quả nghiên cứu thực nghiệm đó để mơ phỏng lại bằng phương pháp phần tử hữu hạn có đề cập đến sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép để giúp kết quả mô phỏng gần hơn với thực nghiệm.
1.13.2. Trình tự các thí nghiệm cơ sở
Sau khi định lượng vật liệu bằng các quy trình cân đo đong đếm, tiến hành cơng tác trộn bê tông.
Tiến hành kiểm tra độ sụt trước khi đúc mẫu. Sau đó, đổ hỗn hợp bê tông tươi vào khuôn và tiến hành đầm dùi để bê tơng có thể lắp đầy vào ván khn tránh tình trạng rỗ bề mặt dầm.
Hình 1. 2: Cơng tác đầm dùi.
Dùng búa gõ nhẹ xung quanh thành khuôn cho nước xi măng chảy đều tránh rổ mặt khi tháo khuôn. Dùng bay xoa phẳng mặt khuôn. Ghi nhãn (hạng mục, ký hiệu mẫu, ngày đúc, mác, người đúc) và đem dưỡng hộ. Mẫu sau khi dưỡng hộ đủ ngày sẽ làm thí nghiệm nén, mặt chịu nén phải là mặt tiếp xúc với thành khn.
Hình 1. 3: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm. 1.13.3. Kiểm tra mẫu thử 1.13.3. Kiểm tra mẫu thử
Tất cả các cấu kiện dầm đều được tiến hành thí nghiệm tại phịng thí nghiệm của Trường ĐHSPKT.
Dầm được đặt trên tựa đơn trên các gối tựa của máy uốn. Các thiết bị đo biến dạng và chuyển vị được gắn trên dầm để ghi nhận kết quả.
Dầm bê tơng kích thước 3300 x 200 x 300 (mm). Các gối đỡ cách đầu dầm 150 mm. Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.
Hình 1.4: Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm [1]
Đối với bê tông Geopolymer và bê tông Xỉ thép cốt thép chịu kéo sử dụng thép Ø14 có diện tích mặt cắt ngang As=154 mm2. Cịn bê tơng thường sử dụng cốt thép chịu kéo Ø16 có diện tích mặt cắt ngang As=210 mm2. Đối với cốt thép chịu nén sử dụng thép Ø12 có diện tích mặt cắt ngang As=113 mm2. Cốt thép đai chịu cắt