Tóm tắt 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:25

Thêm vào BST

Báo xấu

12
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: Tóm tắt 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 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 Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình đặc biệt Mã số: 9580206 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Nghiên cứu sinh : Vũ Văn Hiệp Hướng dẫn khoa học : 1. PGS.TS. Ngô Đăng Quang 2. PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh HÀ NỘI - 2023
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề 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, 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 … trong công trình xây dựng. Nhiều loại vật liệu mới đã được nghiên cứu và chế tạo thành công đáp ứng các yêu cầu của lớp vỏ và lớp lõi trong kết cấu sandwich, trong đó có bê tông cốt lưới dệt (BTCLD) và bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit (BTN-K). 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 (BTHM) 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, 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. BTN-K là bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ keramzit. Keramzit là cốt liệu dạng hạt, có nguồn gốc từ đất sét nở phồng có trọng lượng nhẹ. Các hạt keramzit cũng làm bê tông có cường độ cao hơn các loại bê tông nhẹ thông thường khác. Hiện nay, các nghiên cứu trên thế giới mới tập trung vào phát triển dạng kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD kết hợp với vật liệu nhẹ có khả năng chịu lực không cao sử dụng làm tấm tường, chưa có nghiên cứu về kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. Do đó, để phát triển dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K có khả năng chịu lực cao ứng dụng làm kết cấu sàn, cần thực hiện các nghiên cứu bao gồm: nguyên tắc cấu tạo, phương pháp tính toán, thiết kế cho kết cấu sandwich dạng này. 2. Mục đích nghiên cứu Nhằm mục đích phát triển dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K làm kết cấu sàn, luận án này được thực hiện nhằm các mục tiêu: (a) Đề xuất được một dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng. (b) 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 1
cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp 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. 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. 4. Cấu trúc của luận án Nội dung của luận án bao gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu và phần kết luận, kiến nghị. - Phần mở đầu nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. - 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. 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 trình bày đề xuất cấu tạo kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel sàn đúc sẵn, làm việc một phương, và các mô hình tính toán 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 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 các loại vật liệu. 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. 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. 2
- Chương 4 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 Các kết luận chính của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. 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. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Kết cấu sandwich và ứng dụng trong công trình xây dựng Kết cấu sandwich là sự phối hợp của hai hay một số dạng vật liệu hoặc kết cấu có những đặc điểm chịu lực khác nhau, đôi khi là trái ngược nhau, thành một hệ thống có khả năng chịu lực tối ưu (Hình 1-1). Liên kết Hình 1-1 Cấu tạo kết cấu sandwich có 3 lớp Kết cấu sandwich được phân loại theo sự làm việc đồng thời của các lớp vật liệu trong kết cấu sandwich thành các nhóm: • “Kết cấu sandwich không liên hợp” là dạng kết cấu sandwich có khả năng dính bám giữa các lớp vật liệu rất nhỏ, tức là các lớp vật liệu trong kết cấu sandwich gần như làm việc độc lập; • “Kết cấu sandwich liên hợp một phần” là dạng kết cấu sandwich có khả năng dính bám giữa các lớp vật liệu là hữu hạn, tức là trong quá trình chịu lực, kết cấu sandwich bị bong tách các lớp vật liệu trong khi các lớp vỏ vẫn còn khả năng chịu lực; •“Kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn” là dạng kết cấu sandwich có liên kết giữa các lớp vật liệu được coi như tuyệt đối, tức là liên kết không phải là yếu tố quyết định sự phá hoại của kết cấu sandwich. Trong lĩnh vực xây dựng, kết cấu sandwich đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại hình công trình khác nhau như công trình dân dụng, công nghiệp, hạ tầng giao thông v.v. (Hình 1-2) Hình 1-2 Một số dạng kết cấu sandwich trong công trình xây dựng 1.2 Bê tông cốt lưới dệt BTCLD được tạo thành từ hai loại vật liệu chính là BTHM và cốt lưới dệt (Hình 1-3). BTHM là hỗn hợp bê tông xi măng có cốt liệu nhỏ (đường kính cốt liệu dưới 1mm). Cốt lưới dệt được làm từ những sợi nhỏ có nguồn gốc từ sợi các bon, sợi thuỷ tinh được dệt thành lưới. 4
Hình 1-3 Cấu tạo BTCLD 1.2.1 Vật liệu thành phần 1.2.1.1 Cốt lưới dệt Cốt lưới dệt được tổ hợp từ các sợi cơ bản (filament) có đường kính vài micromét. Sau đó, các bó sợi được dệt thành tấm lưới làm cốt chịu lực cho bê tông (Hình 1-4). Để làm tăng khả năng dính bám các sợi cơ bản với nhau và giữa các bó sợi với BTHM, sợi được phủ một lớp rất mỏng có nguồn gốc từ polymer như epoxy hoặc styrene butadine rubber (SBR). Hình 1-4 Cấu tạo cốt lưới dệt – bó sợi cơ bản 1.2.1.2 Bê tông hạt mịn BTHM có thành phần cấp phối gồm xi măng, tro bay, muội silic, cốt liệu có đường kính nhỏ hơn 0,6 mm, phụ gia siêu dẻo và nước. Brockmann đã nghiên cứu được BTHM có cường độ chịu nén từ 40 ÷ 135 MPa, với mô đun đàn hồi từ 22 ÷ 32 GPa. Ở Việt Nam, Lê Minh Cường đã nghiên cứu được BTHM có cường độ chịu nén từ 40 ÷ 80 MPa. 1.2.1.3 Tính chất dính bám giữa cốt lưới dệt với bê tông hạt mịn Tính chất dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự làm việc đồng thời giữa hai loại vật liệu này trong BTCLD. Do cốt lưới dệt được hình thành từ hàng nghìn sợi cơ bản nên tính chất dính bám của cốt lưới dệt với BTHM được hình thành từ sự dính bám giữa các sợi cơ bản với nhau và giữa sợi cơ bản ở biên ngoài với BTHM. Cường độ dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM phụ thuộc vào lớp phủ bề mặt các sợi cơ bản. Krüger, Ortlepp đã xây dựng các mô hình thí nghiệm để xác định giá trị cường độ dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM. Trong đó, thí nghiệm do Krüger đề xuất được đánh giá có độ tin cậy cao, và được đưa 5
vào chỉ dẫn kỹ thuật của Đức Zulassung Z-31.10-182. 1.2.2 Ứng xử chịu kéo của tấm bê tông cốt lưới dệt Ứng xử chịu kéo của tấm BTCLD là ứng xử quan trọng phản ánh sự làm việc của cốt lưới dệt trong BTHM. Tuy nhiên, do tính chất không đồng nhất của cốt lưới dệt nên cường độ của cốt lưới dệt trong BTHM bị giảm đi so với cường độ của nó khi nằm ngoài không khí. Nghiên cứu của Curbach về tấm BTCLD chịu kéo dọc trục cho thấy, cường độ chịu kéo lớn nhất của cốt lưới dệt thấp hơn nhiều so với tổng cường độ chịu kéo của từng sợi cơ bản thành phần. 1.2.3 Tính chất dính bám bề mặt giữa lớp vỏ BTCLD và các vật liệu làm lớp lõi trong kết cấu sandwich Khả năng làm việc đồng thời giữa các lớp vỏ và lớp lõi trong kết cấu sandwich phụ thuộc vào kết giữa các lớp vật liệu. Liên kết này được hình thành từ sự tự dính bám của các lớp vật liệu hoặc thông qua các neo, cốt chịu cắt. Với các lớp vỏ và lớp lõi bằng bê tông, liên kết này được hình thành bởi lực dính bám của hồ xi măng với cốt liệu hoặc với bề mặt của mỗi lớp. Đặc trưng dính bám giữa tấm BTCLD với bê tông nền được xác định theo chỉ dẫn của RILEM 250-CSM thông qua thí nghiệm kéo trượt. 1.3 Bê tông nhẹ 1.3.1 Giới thiệu về bê tông nhẹ Theo TCVN 9029:2017, bê tông nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 1800 kg/m3. Việc giảm khối lượng thể tích của bê tông được thực hiện bằng cách thay thế một lượng vật liệu rắn trong bê tông bằng không khí, hàm lượng khí (lỗ rỗng) trong bê tông tăng đồng nghĩa với cường độ của bê tông giảm. Một số loại bê tông nhẹ: bê tông khí hay bê tông bọt, bê tông cấu tạo hốc hoặc bê tông không có cát, bê tông cốt liệu nhẹ. 1.3.2 Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ Hình 1-5 Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ Bê tông cốt liệu nhẹ là loại bê tông nhẹ nhưng có cường độ khá cao. Cốt liệu nhẹ được sử dụng là hạt xốp polystyrene, keramzit, … Hạt xốp polystyrene là loại vật liệu xốp có khối lượng riêng nằm trong khoảng 10 6
÷ 20 kg/m3. Cốt liệu rỗng keramzit có nguồn gốc từ đất sét nở phồng và có khối lượng thể tích đổ đống khoảng 800 ÷ 900 kg/m3. BTN-K (Hình 1-5b) có cường độ cao hơn bê tông xốp, bê tông khí hay bê tông cấu tạo hốc. 1.4 Tổng quan về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng bê tông cốt lưới dệt 1.4.1 Các nghiên cứu về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD Hiện nay, các nghiên cứu về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD kết hợp với lớp lõi bằng vật liệu nhẹ đang được đẩy mạnh. Hầu hết các kết cấu sandwich đã được phát triển đều sử dụng lớp lõi bằng vật liệu nhẹ như xốp EPS (Expanded Polystyrene, EPS), xốp XPS (Extruded Polystyrene, XPS) (Hình 1-6), xốp đặc PU (polyurethane, PU), bê tông xốp. Hình 1-6 Nghiên cứu tấm tường sandwich BTCLD-EPS của Finzel 1.4.2 Các mô hình tính toán sức kháng cho kết cấu sandwich Junes đề xuất một mô hình tính toán khả năng chịu uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD – xốp foam bằng phương pháp chia thớ, với các giả thiết: ứng suất trong mỗi thớ là không đổi, dính bám giữa lớp vỏ và lớp lõi là tuyệt đối. Mô men uốn được xác định qua phương trình cân bằng. Djamai đề xuất mô hình xác định ứng xử chịu uốn của dầm sandwich bằng BTCLD – lõi xốp theo 3 giai đoạn làm việc tương ứng với ứng xử chịu kéo dọc trục của tấm BTCLD, bao gồm: giai đoạn đàn hồi, giai đoạn hình thành các vết nứt và giai đoạn cấu trúc vết nứt ổn định, có xét đến hiệu ứng tăng cứng kéo Hình 1-7. Hình 1-7 Mô hình xác định sức kháng uốn cho mặt cắt sandwich của Djamai Ali Shams đề xuất một mô hình tính toán xác định quan hệ giữa mô men uốn – độ võng của dầm sandwich bằng BTCLD – EPS. Trong mô hình này, biến dạng của kết cấu xét đến cả thành phần mô men uốn và lực cắt; các vật liệu làm lớp vỏ và lớp lõi được xem là vật liệu đẳng hướng; dính bám giữa lớp vỏ và lớp lõi được giả thiết là tuyệt đối. 7
Nguyen đề xuất công thức gần đúng tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD – EPC có xét đến ảnh hưởng của độ mảnh chịu cắt (a/d) của dầm. Hệ số k (a/d) được xác định bằng phân tích thống kê các dữ liệu từ thực nghiệm. 1.4.3 Ứng dụng BTCLD và bê tông nhẹ trong kết cấu sandwich BTCLD đã được một số trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp ở Châu Âu đầu tư phát triển để chế tạo nhiều loại kết cấu đúc sẵn áp dụng làm tấm tường cho công trình như tòa nhà Eastsite VIII (Đức) và tòa nhà EASEE ở Cinisello Balsamo (Ý). Tấm tường có lớp vỏ bằng BTCLD kết hợp với lõi bằng bê tông xốp. 1.5 Định hướng và nội dung nghiên cứu Trong những năm gần đây, kết cấu sandwich đã được nghiên cứu phát triển có lớp vỏ bằng BTCLD và lớp lõi bằng vật liệu nhẹ để làm tấm tường cho công trình xây dựng. Đây là dạng kết cấu sandwich có trọng lượng nhỏ nhưng khả năng chịu lực không cao. Do lớp lõi bằng vật liệu nhẹ có cường độ và mô đun đàn hồi thấp nên khả năng chịu lực của kết cấu sandwich nhỏ. Hiện nay, chưa có nghiên cứu phát triển loại kết cấu sandwich có khả năng chịu lực cao áp dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng. Ngoài ra, các mô hình tính toán cho kết cấu sandwich còn chưa nhiều, có tính chất đơn lẻ theo từng loại kết cấu sandwich cụ thể, chưa có tiêu chuẩn thiết kế cho dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và bê tông nhẹ. Như vậy, nhằm mục đích phát triển kết cấu sandwich có khả năng chịu lực lớn, ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng, nên nghiên cứu, triển khai ứng dụng dạng kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD và lớp lõi bằng BTN-K. Với các phân tích ở trên, định hướng nghiên cứu của luận án là: Phát triển kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel đúc sẵn để ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng. với các nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm: Đề xuất dạng cấu tạo và xây dựng mô hình tính toán cho kết cấu sandwich. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tính chất cơ học của vật liệu, ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich. Khảo sát các tham số ảnh hưởng và xác định cấu tạo một số loại kết cấu sandwich dạng panel làm kết cấu sàn. 8
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 BTCLD VÀ BTN-K 2.1 Mục đích nghiên cứu Kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K là dạng kết cấu mới chưa có đề xuất tương tự. Để áp dụng kết cấu sandwich bằng BTCD và BTN-K một cách an toàn và hiệu quả, các mô hình xác định ứng xử chịu uốn, ứng xử chịu cắt của kết cấu sẽ được nghiên cứu xây dựng. 2.2 Đề xuất cấu tạo cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel, làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng Kết cấu sandwich dạng panel làm kết cấu sàn có cấu tạo: lớp vỏ BTCLD chịu kéo, lớp vỏ BTHM chịu nén và lớp lõi bằng BTN-K như Hình 2-1. Hình 2-1 Cấu tạo sandwich bằng BTHM – BTN-K – BTCLD Vật liệu: BTHM có cường độ khoảng 60 MPa đến 70 MPa; cốt lưới dệt sợi các bon có cường độ khoảng 3000 MPa; BTN-K có cường độ khoảng từ 10 MPa đến 20 MPa. Kích thước mặt cắt: Chiều cao: h   1  1  L , với L là nhịp của panel, h ≥ 100 mm.  45 25    Chiều dày của lớp vỏ BTCLD, BTHM nên được chọn là bội số của 2 mm và tối thiểu là 10 mm. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 4 mm. 2.3 Xây dựng mô hình xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K 2.3.1 Sức kháng uốn Sức kháng uốn của mặt cắt sandwich được tính toán theo phương pháp chia lớp, các lớp vật liệu được chia thành nhiều lớp có chiều dày nhỏ: 9
Hình 2-2 Ứng suất và hợp lực trong các lớp vật liệu Các giả thiết: Ở TTGH về cường độ, mặt cắt vẫn được coi là phẳng; Dính bám giữa cốt lưới dệt và bê tông là tuyệt đối, dính bám giữa BTCLD và lớp BTN-K cũng là tuyệt đối; Biến dạng nén cực hạn cho phép của bê tông là 0,003; ứng suất trong mỗi lớp là không đổi; các dạng phá hoại: bê tông vùng nén bị ép vỡ, hoặc cốt lưới dệt bị kéo đứt. Sử dụng phương trình cân bằng lực và các điều kiện tương thích về biến dạng, sức kháng của mặt cắt sandwich được xác định: m M n  C1 J1   CLi  J Li i 1 Trong đó: C i là hợp lực của mỗi lớp bê tông chịu nén. J i là khoảng cách từ hợp lực C i đến trọng tâm của cốt sợi chịu kéo. 2.3.2 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 Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt sandwich được biểu diễn trên Hình 2-3. Khi ứng suất kéo trong bê tông đạt đến cường độ chịu kéo thì bê tông bị nứt. Từ quan hệ giữa các ứng suất kéo trong BTHM và BTN-K, vết nứt đầu tiên sẽ được xác định xuất hiện ở BTHM hay ở BTN-K. Sau khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, ứng suất trong vùng bê tông bị nứt giảm về không, trên mặt cắt có sự phân bố lại ứng suất. Các tình huống có thể xảy ra sau khi bê tông bị nứt:  BTHM bị nứt trước, ứng suất được phân bố lại trên mặt cắt bị nứt: o BTN-K chưa bị nứt, o BTN-K bị nứt ngay tại vị trí vết nứt đầu tiên.  BTN-K bị nứt trước, ứng suất được phân bố lại trên mặt cắt bị nứt: o BTHM chưa bị nứt, o BTHM bị nứt ngay tại vị trí vết nứt đầu tiên. 10
Hình 2-3 Ứng suất - biến dạng trên mặt cắt sandwich chưa nứt Việc xác định ứng suất kéo trong vùng bê tông chưa nứt sẽ biết được quá trình phát triển của vết nứt. Ngoài ra, do dính bám giữa các lớp vật liệu nên có sự truyền lực giữa các lớp vật liệu theo phương chiều dài (như Hình 2-4). Theo chiều dài truyền lực, ứng suất kéo trong bê tông đạt đến cường độ chịu kéo của bê tông thì vết nứt tiếp theo có thể xuất hiện. Dựa vào các điều kiện cân bằng về lực và mô men uốn, chiều dài truyền lực ngắn nhất sẽ được xác định để ứng suất kéo trong bê tông đạt tới cường độ chịu kéo của bê tông. Từ đó, vị trí của các vết nứt tiếp theo trên kết cấu sandwich sẽ được dự báo theo vị trí vết nứt đầu tiên. Hình 2-4 Biểu đồ ứng suất trong kết cấu sandwich khi BTHM bị nứt Quá trình tính toán dự báo sự hình thành và phát triển vết nứt trong kết cấu sandwich được thể hiện theo sơ đồ khối như Hình 2-5. 11
Hình 2-5 Sơ đồ khối dự đoán sự hình thành và phát triển vết nứt trong sandwich 2.4 Xây dựng mô hình tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh 2.4.1 Phương pháp sơ đồ hệ thanh Phương pháp sơ đồ hệ thanh là phương pháp mô hình hoá các dòng lực trong kết cấu bằng các thanh giàn đơn giản (Hình 2-6). Hình 2-6 Sơ đồ hệ thanh cho dầm ngắn theo ACI 318-19 12
2.4.2 Mô hình hoá kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh Kết cấu sandwich được mô hình hóa theo phương pháp sơ đồ hệ thanh (Hình 2-7): lớp vỏ BTCLD được mô hình thành thanh kéo, BTN- K được mô hình thành thanh nén, vùng giao nhau giữa các thanh được mô hình thành vùng nút (Hình 2-8, Hình 2-9). Hình 2-7 Sơ đồ hệ thanh trong kết cấu sandwich có a/d nhỏ Hình 2-8 Nút ở vị trí đặt tải trọng giữa nhịp Hình 2-9 Nút ở vị trí gối đỡ Sức kháng cắt của kết cấu sandwich được xác định: P V  C sin   T tan  2 2.5 Kết luận chương Chương này đã trình bày đề xuất về dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng. Luận án đã xác định được sức kháng uốn cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp chia lớp. Qua phân tích ứng xử chịu uốn, luận án đã xây dựng mô hình dự đoán quá trình hình thành và phát triển vết nứt trong kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K có xét đến các yếu tố như đặc trưng hình học của mặt cắt kết cấu sandwich, tính chất cơ học của các vật liệu, sự dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM, sự dính bám giữa BTHM và BTN-K. Luận án cũng xây dựng được mô hình tính toán sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh. 13
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 3.1 Mục đích nghiên cứu Thông qua nghiên cứu thực nghiệm, một số đặc tính cơ học quan trọng của BTCLD và BTN-K được sử dụng làm lớp vỏ và lớp lõi của kết cấu sandwich như: dính bám giữa cốt lưới dệt với BTHM, dính bám giữa lớp BTHM và BTN-K,…, sẽ được xác định. Đồng thời, luận án trình bày các thí nghiệm xác định ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K, kiểm chứng các mô hình tính toán đã được đề xuất. 3.2 Nghiên cứu xác định đặc trưng cơ học của vật liệu 3.2.1 Bê tông hạt mịn BTHM trong nghiên cứu này có thành phần cấp phối cát quartz, bột quartz, xi măng PC40, tro bay, muội silic, nước và phụ gia siêu dẻo. Cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn đặc trưng của loại BTHM này lần lượt là 64,06 MPa và 6,75 MPa. Mô đun đàn hồi của BTHM là 31568 MPa. 3.2.2 Bê tông nhẹ cốt liệu keramzit BTN-K có thành phần cấp phối cát vàng, cốt liệu keramzit, xi măng PC40, nước và phụ gia siêu dẻo. Cường độ chịu nén và cường độ kéo (theo ép chẻ) đặc trưng của loại BTN-K này lần lượt là 18,6 MPa và 1,47 MPa. Mô đun đàn hồi của BTN-K là 7693 MPa. 3.2.3 Cốt lưới dệt Cốt lưới dệt loại sợi các bon được sản xuất bởi hãng V.FRAAS (Đức), có mã SITgrid004, với kích thước mỗi tấm là 2 m × 1,25 m. Lưới sợi có độ mịn 1600tex. Cường độ chịu kéo với sợi đơn và cường độ chịu kéo trong bê tông của cốt lưới dệt lần lượt là 3550 MPa và 2700 MPa. Mô đun đàn hồi của cốt lưới dệt là 225 GPa. 3.2.4 Ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM Ứng xử dính bám giữa BTHM với cốt lưới dệt được xác định theo chỉ dẫn Zulassung Z-31.10-182. Cường độ dính bám trung bình giữa lưới sợi các bon SITgrid004 với BTHM xấp xỉ 1,95 MPa, tương ứng với chiều dài neo 152 mm. 3.2.5 Ứng xử dính bám giữa BTHM và BTN-K Ứng xử dính bám giữa BTHM và BTN-K được xác định theo chỉ dẫn thí nghiệm của hội đồng kỹ thuật RILEM 250-CSM. Cường độ dính bám trung bình giữa BTHM và BTN-K là 2,39 MPa. 3.3 Nghiên cứu xác định ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết 14
cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K 3.3.1 Thiết kế mẫu thí nghiệm Các nhóm mẫu thí nghiệm SW1, SW2, SW3 được thiết kế cho thí nghiệm uốn 4 điểm và các nhóm mẫu SW4, SW5 được thiết kế cho thí nghiệm uốn 3 điểm có thông số kích thước như Bảng 3.1. Hình 3-1 Sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm của kết cấu sandwich Bảng 3.1 Kích thước mẫu thí nghiệm sandwich Bảng 3.2 Sức kháng của mẫu thí nghiệm được tính theo mô hình lý thuyết Bảng 3.3 Kết quả dự đoán vết nứt của mẫu được tính theo mô hình lý thuyết 15
3.3.2 Ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich Các nhóm mẫu SW1, SW2, SW3 bị phá hoại khi BTCLD bị phá hoại do cốt lưới dệt bị kéo đứt. Kết quả sức kháng uốn theo thực nghiệm và theo lý thuyết chênh lệch dưới 5,4%. Khoảng cách vết nứt trên các nhóm mẫu nằm trong khoảng từ 1 đến 2 lần kết quả tính theo lý thuyết, có giá trị khoảng từ 46 mm đến 107 mm (Hình 3-5). Hình 3-2 Kết quả thí nghiệm mẫu SW1 Hình 3-3 Kết quả thí nghiệm mẫu SW2 Hình 3-4 Kết quả thí nghiệm mẫu SW3 Hình 3-5 Sự phân bố vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần tuý của mẫu SW1 16
3.3.3 Ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich Các nhóm mẫu SW4, SW5 bị phá hoại chủ yếu do BTN-K bị phá hoại theo vết nứt nghiêng (từ Hình 3-6 đến Hình 3-9). Kết quả sức kháng uốn theo thực nghiệm và theo lý thuyết chênh lệch dưới 9,2%. Hình 3-6 Kết quả thí nghiệm mẫu SW4 Hình 3-7 Kết quả thí nghiệm mẫu SW5 Hình 3-8 Dạng phá hoại mẫu SW4 Hình 3-9 Dạng phá hoại mẫu SW5 3.4 Kết luận chương Chương này đã trình bày kết quả thực nghiệm xác định một số đặc tính cơ học của vật liệu bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi của BTHM, ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt với BTHM; ứng xử dính bám giữa BTHM với BTN-K. Cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của BTN-K. Các mô hình tính toán đã xây dựng ở chương 2 được kiểm chứng qua nghiên cứu thực nghiệm. Kết quả tính toán theo mô hình lý thuyết xấp xỉ với kết quả thực nghiệm, độ sai lệch của mô hình tính sức kháng uốn là dưới 5,4% và độ sai lệch của mô hình tính sức kháng cắt là dưới 9,2%. 17
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU SANDWICH DẠNG PANEL ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU SÀN 4.1 Mục đích nghiên cứu Việc khảo sát các tham số ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế kết cấu sandwich. Thông qua khảo sát, các yêu cầu về vật liệu và kích thước của kết cấu sandwich sẽ được phân tích và đề xuất thông số phù hợp nhằm tạo ra kết cấu sandwich làm việc an toàn và hiệu quả. 4.2 Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp giải tích 4.2.1 Khảo sát tham số chiều dày của các lớp vật liệu trên mặt cắt sandwich Việc khảo sát chiều dày các lớp vật liệu được thực hiện trên mặt cắt sandwich SW1 với các thông số của vật liệu không thay đổi. Bảng 4.1 Kết quả khảo kết cấu sandwich với chiều dày các lớp vật liệu thay đổi Kết quả khảo sát (Bảng 4.1) cho thấy: Khi chiều dày các lớp vỏ được tăng lên thì khả năng chịu lực của kết cấu sandwich gần như không tăng nhưng độ cứng của kết cấu tăng lên đáng kể. Sức kháng của mặt cắt do cốt lưới dệt quyết định. Trong trường hợp này, lớp vỏ với chiều dày nhỏ nhất là 10 mm đảm bảo yêu cầu đối với kết cấu sandwich. 4.2.2 Khảo sát tham số cường độ lớp lõi BTN-K Việc khảo sát cường độ của vật liệu lớp lõi BTN-K được thực hiện trên mặt cắt sandwich SW1 với cường độ vật liệu được thay đổi và kích thước của mặt cắt không đổi. Kết quả khảo sát ở Bảng 4.2 và Bảng 4.3 cho thấy, các trường hợp kết cấu sandwich sử dụng lớp lõi BTN-K có cường độ thấp sẽ có hiệu ứng sandwich kém, dẫn đến việc kết cấu sandwich bị phá hoại khi chưa khai thác hết khả năng chịu lực của các lớp vỏ BTHM và BTCLD. Trong trường hợp này, vật liệu làm lớp lõi BTN-K nên chọn loại có cường độ chịu nén tối thiểu là 10 MPa. 18
Bảng 4.2 Kết quả khảo sát tính theo mặt cắt phẳng Bảng 4.3 Kết quả khảo sát tính theo mô hình hệ thanh 4.3 Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp PTHH 4.3.1 Nghiên cứu mô phỏng Việc khảo sát ảnh hưởng của các thông số được thực hiện trên mô hình mô phỏng bằng phần mềm ATENA (Hình 4-1). Các mô hình được mô phỏng theo thông số của các mẫu thí nghiệm đã thực hiện ở chương 3. Hình 4-1 Mô hình rời rạc hóa kết cấu sandwich trong phần mềm ATENA Hình 4-2 Kết quả mô phỏng mẫu SW1 Hình 4-3 Kết quả mô phỏng các nhóm 19