Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:172

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "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" nhằm đề xuất được một dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng; Xây dựng được mô hình tính toán một số ứng xử chịu uốn và chịu cắt cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ở trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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 CÔNG 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 này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng 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 và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng panel sàn” được thực hiện tại trường Đại học Giao thông vận tải. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Ngô Đăng Quang và PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh đã hướng dẫn tận tình, hết lòng giúp đỡ trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn các quý Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Công trình Giao thông thành phố và Công trình thủy đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập và nghiên cứu, cũng như trong các hoạt động chuyên môn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thông vận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Khoa Kỹ thuật xây dựng, Bộ môn Kết cấu xây dựng đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn bên tôi, động viên tôi hoàn thành luận án này. 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 ..................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................6 1.1 Kết cấu sandwich và ứng dụng trong công trình xây dựng .......................................6 1.1.1 Giới thiệu về kết cấu sandwich .............................................................................6 1.1.2 Ứng xử của kết cấu sandwich khi chịu lực............................................................7 1.1.3 Ứng dụng kết cấu sandwich trong 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 của tấm bê tông cốt lưới dệt ....................................................18 1.2.3 Tính chất dính bám bề mặt giữa lớp vỏ BTCLD và các vật liệu làm lớp lõi trong kết cấu sandwich ...................................................................................................19 1.3 Bê tông nhẹ ..............................................................................................................20 1.3.1 Giới thiệu về bê tông nhẹ ....................................................................................20 1.3.2 Tính chất cơ học của bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ ......................................22 1.4 Tổng quan về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng bê tông cốt lưới dệt .....................23 1.4.1 Các nghiên cứu về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD ............................23 1.4.2 Các mô hình tính toán sức kháng cho kết cấu sandwich .....................................28 1.4.3 Ứng dụng BTCLD và vật liệu nhẹ trong kết cấu sandwich ................................31 1.5 Định hướng và nội dung nghiên cứu .......................................................................33 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẤU TẠO VÀ XÂY DỰNG MÔ 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 bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng panel, làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng. ..................................................36 2.2.1 Vật liệu được sử dụng làm lớp vỏ cho kết cấu sandwich ....................................37 iii
2.2.2 Vật liệu được sử dụng làm lớp lõi cho kết cấu sandwich ....................................39 2.2.3 Kích thước của mặt cắt kết cấu sandwich ...........................................................40 2.3 Xây dựng mô hình xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ................................................................................................................43 2.3.1 Phương pháp xác định khả năng chịu uốn của mặt cắt sandwich .......................43 2.3.2 Sức kháng uốn của kết cấu sandwich ..................................................................45 2.3.3 Xây dựng mô hình dự đoán sự hành thành và phát triển vết nứt trong kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K khi chịu uốn .................................................50 2.3.4 Xác định độ cứng chống uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ..65 2.4 Nghiên cứu xây dựng mô hình tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh ..........................................................67 2.4.1 Sức kháng cắt của dầm ........................................................................................67 2.4.2 Phương pháp sơ đồ hệ thanh ...............................................................................68 2.4.3 Mô hình hoá kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh .................................................................................................................68 2.4.4 Sức kháng của thanh nén .....................................................................................73 2.4.5 Sức kháng của thanh kéo .....................................................................................74 2.4.6 Sức kháng của nút ở vị trí gối đỡ ........................................................................74 2.4.7 Sức kháng của nút ở vị trí tác dụng tải trọng ......................................................75 2.5 Kết luận chương ......................................................................................................76 CHƯƠNG 3 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 cơ học của 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 giữa cốt lưới dệt và bê tông hạt mịn.......................................85 3.2.5 Ứng xử dính bám giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ ......................................87 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và 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 và quy trình thí nghiệm .....................................................................95 3.3.5 Kết quả thí nghiệm ..............................................................................................96 iv
3.4 Kết luận chương ....................................................................................................105 CHƯƠNG 4 NGHIÊN 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 các tham số ảnh hưởng theo phương pháp giải tích ...............................107 4.2.1 Khảo sát tham số chiều dày của các lớp vật liệu trên mặt cắt sandwich ...........107 4.2.2 Khảo sát tham số cường độ lớp lõi BTN-K.......................................................108 4.3 Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp PTHH .................................110 4.3.1 Nghiên cứu mô phỏng .......................................................................................110 4.3.2 Khảo sát các tham số ảnh hưởng bằng phần mềm ATENA ..............................118 4.4 Thiết kế kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng ...............................................................................................120 4.4.1 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 3 m. ......................................................................121 4.4.2 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 4 m; 5 m; 6 m.......................................................124 4.5 Kết luận chương ....................................................................................................128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................................129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................................131 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................132 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần của các hỗn hợp BTHM do Brockmann đề xuất [74] ..................... 15 Bảng 1.2 Thành phần BTHM được đề xuất bởi Lê Minh Cường [4] ................................. 17 Bảng 1.3 Thành phần cấp phối bê tông nhẹ được đề xuất bởi Đặng Thùy Chi [2] ............ 22 Bảng 3.1 Thành phần cấp phối BTHM (đơn vị kg/m3) ...................................................... 78 Bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt của cát quartz [4] ........................................................ 78 Bảng 3.3 Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz nghiền ......................................................... 78 Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của BTHM (đơn vị MPa) ....... 79 Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn của BTHM (đơn vị MPa) ............................................................................................................................................. 80 Bảng 3.6 Giá trị mô đun đàn hồi của 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 quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của BTN-K (đơn vị MPa) ...... 83 Bảng 3.10 Kết quả xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ của BTN-K (đơn vị MPa) ..... 83 Bảng 3.11 Giá trị mô đun đàn hồi của BTN-K ................................................................... 84 Bảng 3.12 Đặc trưng cơ học của cốt lưới dệt các bon theo cung cấp của nhà sản xuất ..... 85 Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm dính bám giữa BTCLD và BTN ........................................ 88 Bảng 3.14 Kích thước chi tiết của các mẫu panel sandwich (đơn vị: mm) ........................ 90 Bảng 3.15 Mô men uốn của mặt cắt sandwich theo mô hình lý thuyết .............................. 91 Bảng 3.16 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng thanh kéo ................ 91 Bảng 3.17 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng thanh nén ................ 91 Bảng 3.18 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng của nút gối đỡ ......... 91 Bảng 3.19 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng của nút đặt tải ......... 92 Bảng 3.20 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K tính theo lý thuyết ............................................................................................................................................. 92 Bảng 3.21 Kết quả dự đoán khoảng cách vết nứt trong kết cấu sandwich chịu uốn .......... 94 Bảng 3.22 Kết qủa lực và độ võng ở giữa nhịp của thí nghiệm uốn 4 điểm ...................... 97 Bảng 3.23 Mô men gây nứt và mô men uốn cho mẫu sandwich được xác định bằng thực nghiệm............................................................................................................................... 100 vi
Bảng 3.24 So sánh tải trọng và mô men uốn của panel theo mô hình lý thuyết và thực nghiệm với sơ đồ uốn 4 điểm ......................................................................................................... 100 Bảng 3.25 So sánh khoảng cách vết nứt tính theo mô hình lý thuyết và thực nghiệm ..... 102 Bảng 3.26 Lực lớn nhất của các dầm sandwich thí nghiệm (đơn vị kN) ......................... 104 Bảng 3.27 So sánh sức kháng cắt theo lý thuyết và thực nghiệm của kết cấu sandwich . 105 Bảng 4.1 Kết quả khảo sát kết cấu sandwich với tham số là chiều dày các lớp vật liệu .. 108 Bảng 4.2 Kết quả khảo sát kết cấu sandwich với tham số BTN-K thay đổi .................... 109 Bảng 4.3 Kết quả tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich khi thay đổi BTN-K ............ 110 Bảng 4.4 Thông số của vật liệu BTHM và BTN-K .......................................................... 112 Bảng 4.5 So sánh giá trị lực lớn nhất của các mẫu SW giữa mô phỏng và thực nghiệm . 117 Bảng 4.6 So sánh kết quả khảo sát chiều dày lớp vỏ theo phương pháp giải tích và PTHH ........................................................................................................................................... 119 Bảng 4.7 Giá trị lực lớn nhất gây phá hoại cho các mô hình khi BTN-K thay đổi .......... 120 Bảng 4.8 So sánh kết quả khảo sát cường độ BTN-K theo phương pháp giải tích và PTHH ........................................................................................................................................... 120 Bảng 4.9 Tải trọng thường xuyên của kết cấu sandwich .................................................. 121 Bảng 4.10 Hoạt tải sử dụng của sàn phòng ở ................................................................... 122 Bảng 4.11 Sức kháng của mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm ................................. 122 Bảng 4.12 Sức kháng của mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm và 120 mm .............. 123 Bảng 4.13 Độ võng của kết cấu sàn nhịp 3 m................................................................... 123 Bảng 4.14 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 3 m ......................... 124 Bảng 4.15 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 3 m ......................... 124 Bảng 4.16 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 4 m ......................... 124 Bảng 4.17 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 4 m ......................... 125 Bảng 4.18 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 5 m ......................... 125 Bảng 4.19 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 5 m ......................... 125 Bảng 4.20 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 6 m ......................... 126 Bảng 4.21 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 6 m ......................... 126 Bảng 4.22 Tổng hợp các loại panel đúc sẵn bằng kết cấu sandwich sử dụng làm kết cấu sàn phòng ở trong công trình xây dựng ................................................................................... 127 vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Cấu tạo kết cấu sandwich có 3 lớp [63]................................................................. 6 Hình 1-2 Hiệu quả về tăng khả năng chịu uốn và độ cứng chịu uốn của kết cấu sandwich [63] ........................................................................................................................................ 7 Hình 1-3 Phân bố biến dạng dọc trục của các lớp vật liệu ở các dạng kết cấu sandwich [70] ............................................................................................................................................... 8 Hình 1-4 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich không liên hợp [38] . 8 Hình 1-5 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn ......... 9 Hình 1-6 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich có lớp vỏ mỏng ....... 9 Hình 1-7 Các dạng phá hoại của kết cấu sandwich [32] ..................................................... 10 Hình 1-8 Kết cấu 3D được sử dụng trong công trình xây dựng ở Việt Nam ..................... 11 Hình 1-9 Kết cấu sandwich làm tấm lợp mái ..................................................................... 12 Hình 1-10 Kết cấu sandwich làm tấm tường ...................................................................... 12 Hình 1-11 Các cấp độ vật liệu: BTCLD, cốt lưới dệt, bó sợi, sợi cơ bản [65] .................. 13 Hình 1-12 Các bó sợi các bon có độ mịn khác nhau [28] ................................................... 14 Hình 1-13 Quan hệ giữa ứng suất-biến dạng của cốt lưới dệt [28] .................................... 14 Hình 1-14 So sánh quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của BTHM khi chịu nén giữa thực nghiệm và mô hình tính sửa đổi từ MC 90 [74] ................................................................. 16 Hình 1-15 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt với BTHM [26] ........ 18 Hình 1-16 Ứng xử của tấm của BTCLD chịu kéo dọc trục [53] ........................................ 19 Hình 1-17 Thí nghiệm dính bám giữa BTCLD và bê tông nền theo chỉ dẫn RILEM 250- CSM [68] ............................................................................................................................ 20 Hình 1-18 Bê tông nhẹ khí chưng áp .................................................................................. 21 Hình 1-19 Bê tông nhẹ cấu tạo hốc ..................................................................................... 21 Hình 1-20 Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ ...................................................................... 21 Hình 1-21 Quan hệ giữa ứng suất – biến dạng khi chịu nén của BTN-K, Campione [57] 23 Hình 1-22 Nghiên cứu tấm tường sandwich BTCLD - EPS, Hegger và Horstmann [52] . 24 Hình 1-23 Nghiên cứu tấm tường sandwich BTCLD - EPS, Finzel [41] ........................... 24 Hình 1-24 Nghiên cứu tấm tường sandwich BTCLD - EPS, Colombo [49] ...................... 24 Hình 1-25 Nghiên cứu tấm sandwich BTCLD - EPS, Isabella [50] ................................... 24 viii
Hình 1-26 Tấm sandwich BTCLD - Xốp bông khoáng, Von der Heid [81] ...................... 25 Hình 1-27 Nghiên cứu tấm tường BTCLD - Xốp foam, Chira [30] ................................... 26 Hình 1-28 Kết cấu sandwich BTCLD - Xốp foam, Junes [54] .......................................... 26 Hình 1-29 Kết cấu sandwich BTCLD - ACC chịu tải trọng va chạm, Dey [37] ................ 27 Hình 1-30 Nghiên cứu kết cấu sandwich BTCLD – EPC, Nguyen [62] ............................ 27 Hình 1-31 Dầm sandwich liên hợp FRP – bê tông nhẹ - bê tông thường [69]. .................. 28 Hình 1-32 Mô hình xác định ứng xử chịu lực của Junes [54] ............................................ 29 Hình 1-33 Mô hình xác định sức kháng uốn của mặt cắt sandwich, Djamai [83].............. 30 Hình 1-34 Mô hình tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich BTCLD - EPC, Nguyễn [62] ............................................................................................................................................. 30 Hình 1-35 Kết cấu tấm tường sandwich sử dụng BTCLD – bê tông xốp ở Đức ............... 31 Hình 1-36 Tòa nhà Eastsite VIII (Đức) sử dụng kết cấu sandwich bằng BTCLD – Bê tông xốp....................................................................................................................................... 32 Hình 1-37 Công trình nhà ở Dublin (Ireland) [66] hoàn toàn bằng kết cấu sandwich ....... 32 Hình 1-38 Tòa nhà EASEE ở Cinisello Balsamo (Ý) có tường là sandwich BTCLD ....... 32 Hình 1-39 Tấm tường sandwich được sử dụng để chống ồn cho đường cao tốc ............... 33 Hình 2-1 Cấu tạo sandwich bằng BTHM – BTN-K – BTCLD .......................................... 37 Hình 2-2 Quy đổi mặt cắt sandwich về vật liệu BTHM ..................................................... 41 Hình 2-3 Phân bố ứng suất trên mặt cắt sandwich khi chịu uốn ........................................ 43 Hình 2-4 Ứng suất và hợp lực trong các lớp vật liệu .......................................................... 44 Hình 2-5 Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt lưới dệt ................................................... 46 Hình 2-6 Phân bố ứng suất trên mặt cắt sandwich sau khi được chia thành các lớp mỏng 47 Hình 2-7. Ứng suất - biến dạng trên mặt cắt sandwich chưa nứt ....................................... 51 Hình 2-8. Các trường hợp vết nứt đầu tiên xuất hiện trên kết cấu sandwich ..................... 54 Hình 2-9 Ứng suất - biến dạng của mặt cắt sandwich khi BTHM bị nứt ........................... 55 Hình 2-10 Biểu đồ ứng suất trong kết cấu sandwich khi BTHM bị nứt ............................. 56 Hình 2-11 Dạng phân bố vết nứt trên kết cấu sandwich – trường hợp (1) - (a) ................. 58 Hình 2-12 Biểu đồ phân bố ứng suất khi BTHM và BTN-K cùng nứt tại một vị trí ......... 59 Hình 2-13 Dạng phân bố vết nứt trên kết cấu sandwich – trường hợp (1) - (b) ................. 60 Hình 2-14 Ứng suất - biến dạng của mặt cắt khi BTN-K bị nứt và BTHM chưa nứt ........ 60 ix
Hình 2-15 Biểu đồ phân bố ứng suất khi BTN-K bị nứt, BTHM chưa bị nứt.................... 62 Hình 2-16 Dạng phân bố vết nứt trong BTN-K khi BTN-K nứt trước, trường hợp (2) - (a) ............................................................................................................................................. 63 Hình 2-17 Dạng phân bố vết nứt trên BTHM khi BTN-K nứt trước, trường hợp (2) – (a) 63 Hình 2-18 Sơ đồ khối dự đoán quá trình hình thành và phát triển vết nứt trong kết cấu sandwich ............................................................................................................................. 64 Hình 2-19 Quy đổi mặt cắt sandwich chưa nứt .................................................................. 66 Hình 2-20 Quy đổi mặt cắt sandwich bị nứt ....................................................................... 66 Hình 2-21 Sơ đồ hệ thanh cho dầm ngắn theo ACI 318-19 [18] ........................................ 69 Hình 2-22 Một số dạng nút theo ACI-318-19 [18] ............................................................. 70 Hình 2-23 Nút ở vị trí gối đỡ .............................................................................................. 71 Hình 2-24 Nút ở vị trí đặt tải trọng ..................................................................................... 71 Hình 2-25 Nút ở vị trí đặt tải trọng giữa nhịp ..................................................................... 72 Hình 2-26 Sơ đồ hệ thanh trong kết cấu sandwich có a/d nhỏ ........................................... 72 Hình 3-1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và chịu kéo uốn của BTHM ............... 79 Hình 3-2 Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi............................................................................ 80 Hình 3-3 Sỏi Keramzit ........................................................................................................ 81 Hình 3-4 Mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông nhẹ ............................ 82 Hình 3-5 Mẫu thử BTN-K được thí nghiệm ép chẻ ............................................................ 83 Hình 3-6 Kích thước cốt lưới dệt sợi carbon ...................................................................... 85 Hình 3-7 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt với BTHM ................. 86 Hình 3-8 Quan hệ lực trượt – chuyển vị điển hình giữa cốt lưới dệt và BTHM ................ 86 Hình 3-9 Thiết lập thí nghiệm kéo trượt BTCLD – BTN ................................................... 87 Hình 3-10 Các dạng phá hoại của mẫu dính bám BTCLD và BTN-K ............................... 87 Hình 3-11 Cấu tạo mẫu panel sandwich cho thí nghiệm uốn 4 điểm ................................. 89 Hình 3-12 Cấu tạo mẫu panel sandwich cho thí nghiệm uốn 3 điểm ................................. 89 Hình 3-13 Chế tạo mẫu thí nghiệm SW .............................................................................. 95 Hình 3-14 Thiết lập thí nghiệm uốn 4 điểm........................................................................ 96 Hình 3-15 Thiết lập thí nghiệm uốn 3 điểm........................................................................ 96 Hình 3-16 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW1 ....................................... 97 x
Hình 3-17 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW2 ....................................... 97 Hình 3-18 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW3 ....................................... 98 Hình 3-19 Các dạng phá hoại của một số mẫu kết cấu sandwich....................................... 99 Hình 3-20 Biến dạng nén ở mép trên và biến dạng nén ở mép dưới của panel SW1-1 ... 100 Hình 3-21 Sự phân bố vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần tuý của mẫu SW1 ................... 101 Hình 3-22 Sự phân bố vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần tuý của mẫu SW2 ................... 102 Hình 3-23 Sự phân bố vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần tuý của mẫu SW3 ................... 102 Hình 3-24 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW4 ..................................... 103 Hình 3-25 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW5 ..................................... 103 Hình 3-26 Các vết nứt chính khi phá hoại của mẫu SW4, SW5....................................... 105 Hình 4-1 Mô hình ½ dầm sandwich ................................................................................. 110 Hình 4-2 Mô hình rời rạc hóa kết cấu sandwich trong phần mềm ATENA .................... 111 Hình 4-3 Mô hình vật liệu BTHM trong phần mềm ATENA .......................................... 112 Hình 4-4 Mô hình vật liệu BTN-K trong phần mềm ATENA ......................................... 112 Hình 4-5 Mô hình hoá dính bám bề mặt giữa BTHM và BTN-K trong phần mềm ATENA ........................................................................................................................................... 113 Hình 4-6 Mô hình vật liệu cốt lưới dệt trong phần mềm ATENA .................................... 114 Hình 4-7 Mô hình dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM trong phần mềm ATENA ....... 114 Hình 4-8 So sánh biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị của dầm giữa mô phỏng và thực nghiệm ........................................................................................................................................... 116 Hình 4-9 Cấu trúc vết nứt tại thời điểm gần phá hoại của mô hình SW1 ......................... 117 Hình 4-10 Quan hệ ứng suất – chuyển vị của các mô hình có chiều dày lớp vỏ khác nhau ........................................................................................................................................... 118 Hình 4-11 Quan hệ lực – độ võng giữa nhịp của các mô hình với BTN-K có cường độ khác nhau ................................................................................................................................... 119 Hình 4-12 Cấu tạo mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm được bố trí 1 lớp cốt lưới dệt ........................................................................................................................................... 121 xi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa AASHTO Hiệp hội Quan chức Giao thông và xa lộ Tiểu bang Mỹ (American Association of State Highway and Transportation Officials) ACI Hiệp hội Bê tông Mỹ (American concrete institute) ASTM Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) BTCLD Bê tông cốt lưới dệt BTHM Bê tông hạt mịn BTN-K Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu keramzit EPC Bê tông xốp polystyrene, Expanded Polystyrene Concrete EPS Bê tông xốp, Expanded Polystyrene PU Xốp đặc PU, polyurethane RILEM Liên đoàn thế giới của các phòng thí nghiệm và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu (The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) TCVN Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam Af Diện tích cốt lưới dệt a Khoảng cách từ điểm đặt lực đến gối đỡ b Bề rộng của mặt cắt sandwich c Chiều cao vùng bê tông chịu nén d Chiều cao có hiệu của mặt cắt sandwich h Chiều cao của mặt cắt sandwich L Chiều dài dầm sandwich tb Chiều dày lớp bê tông hạt mịn phía dưới tc Chiều dày lớp bê tông nhẹ tt Chiều dày lớp bê tông hạt mịn phía trên Ec Mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn Ef Mô đun đàn hồi chịu kéo của cốt lưới dệt Elc Mô đun đàn hồi của bê tông nhẹ Mcr Mô men gây nứt của mặt cắt sandwich Ma Mô men nội lực lớn nhất trên chiều dài nhịp Mu Mô men uốn lớn nhất của mặt cắt sandwich xii
Pcr Lực gây nứt của mặt cắt sandwich Pu Lực phá hoại của mặt cắt sandwich I Mô men quán tính của mặt cắt I cr Mô men quán tính của mặt cắt sau khi nứt Ie Mô men quán tính có hiệu của mặt cắt Ig Mô men quán tính của mặt cắt chưa nứt C1 Hợp lực trong lớp bê tông hạt mịn chịu nén J1 Khoảng cách từ hợp lực C1 đến trọng tâm của cốt sợi chịu kéo C2 Hợp lực nén trong bê tông nhẹ T1 Hợp lực kéo trong bê tông hạt mịn T2 Hợp lực kéo trong bê tông nhẹ Tf Hợp lực kéo trong cốt lưới dệt C1A Hợp lực nén trong bê tông hạt mịn tại vị trí bị nứt đầu tiên C2A Hợp lực nén trong bê tông nhẹ tại vị trí bị nứt đầu tiên T2A Hợp lực kéo trong bê tông nhẹ tại vị trí bị nứt đầu tiên TfA Hợp lực kéo trong cốt lưới dệt tại vị trí bị nứt đầu tiên T1A Hợp lực kéo trong bê tông hạt mịn chịu kéo tại vị trí bị nứt đầu tiên εc Biến dạng khi chịu nén của bê tông hạt mịn εcu Biến dạng khi phá hoại của bê tông hạt mịn εt Biến dạng nén của bê tông hạt mịn ở mép trên ε1 Biến dạng nén ở vị trí tiếp xúc giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ εf Biến dạng của sợi chịu kéo f c Cường độ chịu nén của bê tông hạt mịn  f lc Cường độ chịu nén của bê tông nhẹ f cr Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông hạt mịn flcr Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông nhẹ f sp Cường độ chịu kéo khi ép chẻ của bê tông nhẹ ff Cường độ chịu kéo của cốt lưới dệt  Cường độ dính bám giữa hai vật liệu lf Chiều dài truyền lực giữa cốt lưới dệt và bê tông hạt mịn lc Chiều dài truyền lực giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ xiii
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, xây dựng công trình đã phát triển ở trình độ cao, các vật liệu xây dựng truyền thống như bê tông, thép, bê tông cốt thép đang được sử dụng một cách hiệu quả. Tuy nhiên, những vật liệu này vẫn còn tồn tại những hạn chế như có trọng lượng lớn, dễ bị xâm thực bởi môi trường. Do đó, việc tìm ra những vật liệu xây dựng mới, có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu về sử dụng, chịu lực, độ bền và hiệu quả kinh tế luôn là nhiệm vụ hàng đầu của khoa học hiện nay. Ngoài ra, việc nghiên cứu phát triển các dạng kết cấu mới, trong đó, có kết cấu nhẹ cũng là một lĩnh vực đang rất được ưu tiên trong xây dựng. Các hướng nghiên cứu kết cấu nhẹ có thể kể đến như kết cấu sử dụng vật liệu có cường độ cao dẫn đến giảm kích thước và trọng lượng của kết cấu hoặc sử dụng vật liệu nhẹ hoặc, hiệu quả hơn, sử dụng kết hợp một cách tối ưu vật liệu cường độ cao và vật liệu nhẹ. Trong dạng kết cấu sử dụng kết hợp nhiều loại vật liệu này, các khu vực kết cấu không yêu cầu chịu lực cao sẽ được thay thế bằng vật liệu nhẹ có cường độ thấp. Điển hình trong dạng kết cấu sử dụng kết hợp vật liệu này là kết cấu sandwich. Kết cấu sandwich là dạng kết cấu có nhiều lớp được sắp xếp theo một thứ tự nhất định nhằm khai thác một cách hiệu quả khả năng chịu lực của các vật liệu thành phần. Các lớp ở bên ngoài được gọi là lớp vỏ, thường được làm từ vật liệu cường độ cao, đóng vai trò chịu lực chính. Lớp ở bên trong được gọi là lớp lõi, được tạo thành từ vật liệu có khả năng chịu lực không cao và trọng lượng nhỏ. Lớp lõi đóng vai trò cấu tạo, giữ ổn định cho các lớp vỏ và đảm bảo yêu cầu cách âm, cách nhiệt. Với cấu trúc dạng này, kết cấu sandwich có khả năng chịu lực cao, độ cứng lớn nhưng trọng lượng nhỏ, rất phù hợp cho các kết cấu dạng tấm tường, tấm sàn hay cầu thang … trong công trình xây dựng. Trong các kết cấu sandwich có sử dụng bê tông hiện nay, lớp vỏ chịu lực được làm bằng vật liệu bê tông cốt thép thường. Để đáp ứng yêu cầu chống gỉ, kết cấu sandwich sử dụng bê tông cốt thép phải có chiều dày lớn nên kết cấu nặng nề dẫn đến chưa thực sự hợp lý về chịu lực và kinh tế. Nhiều loại vật liệu mới đã được nghiên cứu và chế tạo thành công đáp ứng các yêu cầu của lớp vỏ trong kết cấu sandwich, trong đó có bê tông cốt lưới dệt (BTCLD). BTCLD là một dạng vật liệu composite được tạo thành từ hai thành phần chính là bê tông hạt mịn và cốt lưới dệt. Bê tông hạt mịn là một loại bê tông xi măng có cốt liệu nhỏ và cốt lưới dệt là một hệ thống lưới với các bó sợi từ carbon, thuỷ tinh kháng kiềm, basalt, 1
v.v. Do được cấu tạo từ các vật liệu có cường độ cao và không bị ăn mòn nên BTCLD có nhiều tính năng ưu việt như cường độ và độ bền cao, trọng lượng nhỏ [27]. Một số nghiên cứu đã cho thấy, BTCLD, khi được sử dụng làm lớp vỏ kết hợp với lớp lõi bằng vật liệu nhẹ như bọt xốp polystyrene [52], xốp cứng polyurethane [64], bê tông xốp [82] đã tạo ra kết cấu sandwich có trọng lượng nhỏ nhưng độ cứng cao, có khả năng cách âm và cách nhiệt tốt. Tuy nhiên, các dạng kết cấu sandwich này thường có khả năng chịu lực không cao do lớp lõi có cường độ và độ cứng nhỏ và thường được sử dụng trong các kết cấu bao che hoặc kết cấu chịu lực nhỏ. Nhằm mục đích tạo ra một dạng kết cấu sandwich có khả năng chịu lực cao, vượt nhịp lớn, hướng nghiên cứu được đề xuất ở đây là sử dụng các vật liệu nhẹ nhưng có cường độ và mô đun đàn hồi tương đối lớn làm lớp lõi cho kết cấu sandwich. Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit (BTN-K) là một vật liệu có những đặc điểm phù hợp với yêu cầu của lớp lõi cho kết cấu sandwich chịu lực này. Keramzit là cốt liệu dạng hạt, có nguồn gốc từ đất sét nở phồng, với hàm lượng lỗ rỗng trong hạt keramzit lớn là yếu tố chính làm giảm trọng lượng của BTN-K. Ngoài ra, cường độ và độ cứng của hạt keramzit cũng khá lớn nên BTN-K có cường độ cao [69], thậm chí với những cấp phối phù hợp có thể tạo ra BTN-K có cường độ rất cao [2]. Với những đặc tính vượt trội của BTCLD và BTN-K, việc kết hợp BTCLD làm lớp vỏ và BTN-K làm lớp lõi sẽ tạo ra một dạng kết cấu sandwich có khả năng chịu lực cao, trọng lượng nhỏ, cách âm và cách nhiệt tốt. Hướng nghiên cứu này có tính khả thi và sẽ có tính ứng dụng cao. Cho đến nay, kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K chưa được nghiên cứu nhiều. Do đó, để hiện thực hoá ý tưởng này, cần thực hiện các nghiên cứu cơ bản từ quy mô vật liệu đến quy mô kết cấu, bao gồm nguyên tắc cấu tạo, phương pháp tính toán, thiết kế cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K được sản xuất ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để từng bước triển khai áp dụng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K vào xây dựng công trình. 2. Mục đích nghiên cứu. Với các vấn đề được đặt ra như trên, luận án này được thực hiện nhằm các mục tiêu sau:  Đề xuất được một dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng. 2
 Xây dựng được mô hình tính toán một số ứng xử chịu uốn và chịu cắt cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ở trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel đúc sẵn, làm việc chịu uốn một phương theo sơ đồ một nhịp giản đơn. Phạm vi nghiên cứu:  Ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng dầm/ bản một phương giản đơn chịu tải trọng tĩnh, tác dụng ngắn hạn;  Bê tông hạt mịn có cường độ chịu nén đến 60 MPa;  BTN-K có cường độ chịu nén đến 20 MPa, khối lượng riêng khoảng 1300 kg/m3;  Cốt lưới dệt từ sợi các bon có cường độ chịu kéo đến 3000 MPa. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án được nghiên cứu dựa trên ba phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng số. Phần nghiên cứu lý thuyết được thực hiện trên cơ sở tổng hợp, phân tích và kế thừa các nghiên cứu ở trong nước và nước ngoài về BTCLD, BTN-K để đề xuất dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. Luận án sẽ xây dựng các mô hình tính toán cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. Phần nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm nhằm xác định một số ứng xử chịu lực thực tế của vật liệu và kết cấu sử dụng BTCLD, BTN-K, qua đó, giúp cho nghiên cứu lý thuyết có cơ sở phân tích quá trình làm việc của kết cấu và đề ra các phương pháp tính thích hợp. Nghiên cứu thực nghiệm cũng có vai trò kiểm nghiệm, đánh giá mức độ chính xác của các mô hình tính toán được đề xuất trong phần nghiên cứu lý thuyết. Phần nghiên cứu mô phỏng số được xây dựng trên phần mềm phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử chịu lực của kết cấu sandwich. 5. Cấu trúc của luận án - Phần mở đầu nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. - Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu. 3
Chương 1 trình bày về tình hình nghiên cứu đã được thực hiện ở trong nước và nước ngoài về kết cấu sandwich, vật liệu BTCLD, vật liệu BTN-K và ứng dụng các vật liệu này trong kết cấu sandwich. Từ đó, hướng nghiên cứu được đề xuất và những nội dung cần được giải quyết trong luận án này được làm rõ. - Chương 2. Nghiên cứu đề xuất cấu tạo và xây dựng mô hình xác định ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. Chương này trình bày việc đề xuất cấu tạo kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel sàn trong công trình xây dựng, làm việc một phương, và các mô hình tính toán được xây dựng để xác định một số ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. - Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. Nội dung của chương 3 sẽ trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định một số đặc tính cơ học chính của BTCLD, BTN-K bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt và bê tông hạt mịn, giữa bê tông hạt mịn và BTN-K. Đồng thời, các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K làm việc một phương cũng được thực hiện. Các kết quả này sẽ được sử dụng để kiểm chứng lại các mô hình tính toán đã xây dựng ở nội dung Chương 2. - Chương 4. Nghiên cứu khảo sát các tham số và thiết kế kết cấu sandwich dạng panel ứng dụng cho kết cấu sàn. Chương này trình bày việc nghiên cứu khảo sát các tham số như: cường độ của lớp lõi BTN-K, chiều dày các lớp vật liệu của mặt cắt sandwich ảnh hưởng đến ứng xử chịu lực của kết cấu sandwich. Đồng thời, chương này cũng giới thiệu thiết kế một kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel đúc sẵn làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng. - Phần kết luận và kiến nghị Trình bày các kết luận chính của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. 4
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án đã phát triển được một dạng kết cấu sandwich mới có cấu tạo lớp vỏ bằng BTCLD và lớp lõi bằng BTN-K dạng panel đúc sẵn. Đây là kết cấu sandwich có khả năng chịu lực cao và bền vững với môi trường. Luận án đã xây dựng được một số mô hình tính toán sức kháng và quá trình hình thành vết nứt cho kết cấu sandwich. Các mô hình tính toán này có xét đến sự làm việc đồng thời giữa các lớp vật liệu khác nhau trong kết cấu. Luận án đã cung cấp được một bộ dữ liệu thực nghiệm về ứng xử chịu lực kết cấu sandwich có sử dụng BTCLD và BTN-K. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Các kết quả nghiên cứu ban đầu của luận án cho thấy tính hiệu quả khi kết hợp vật liệu có khả năng chịu lực cao là BTCLD với vật liệu nhẹ là BTN-K trong kết cấu sandwich. Kết cấu sandwich dạng này có khả năng chịu lực cao, bền vững với môi trường, trọng lượng nhỏ. Kết cấu sử dụng loại sàn sandwich này có lợi thế đáng kể với kết cấu truyền thống. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở triển khai kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng. 5