Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3d) trong kết cấu bê tông cốt thép công trình thuỷ lợi

Bé n«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n
viÖn khoa häc thñy lîi viÖt nam








b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi kh&cn cÊp bé

nghiªn cøu øng dông l−íi thÐp
kh«ng gian 3 chiÒu (3d) trong kÕt cÊu
bª t«ng cèt thÐp c«ng tr×nh thñy lîi

chñ nhiÖm ®Ò tµi: ts. NguyÔn thµnh c«ng

7194
19/03/2009

Hµ néi - 2008




Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 1 -

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU 4
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
GIỚI THIỆU CHUNG 6
CHƯƠNG I 9
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D
TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 9
1.1. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY
DỰNG CÔNG TRÌNH 9
1.1.1.Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9
1.1.2.Tình hình nghiên cứu trong nước 11
1.2. ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN LOẠI CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG
CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI THEO MỨC ĐỘ HUY ĐỘNG SỨC CHỊU LỰC CỦ
A VẬT

LIỆU 12
1.2.1. Phân tích, xử lý số liệu thu thập được 12
1.2.2. Phân loại các cấu kiện bê tông cốt thép theo mức độ huy động sức chịu lực của
vật liệu 14
1.3. CẤU TẠO BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D 17
1.3.1. Vữa bê tông 18
1.3.2. Sợi thép 18
1.3.3. Lớp mốp (mushy polysteren) 19
1.4. CÁC ƯU ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D VÀ SỬ DỤNG TRONG XÂY
DỰNG CÔNG TRÌNH 19
1.4.1. Các ưu điểm chính của bê tông cốt thép 3D 19
1.4.2. Về sử dụng Panel 3D trong xây d
ựng dân dụng 20
1.4.2. Khả năng ứng dụng trong xây dựng công trình thuỷ lợi 21
CHƯƠNG 2 24
CƠ SỞ LÝ LUẬN CÔNG NGHỆ LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D) LÀM
CỐT CHỊU LỰC TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 24
2.1. TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT THÉP VÀ BÊ TÔNG 24
2.1.1. Đặt vấn đề 24
2.1.2. Sự tương tác giữa bê tông và cốt thép 24
2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ MÔ HÌNH HÓA 28
2.2.1. Đặt vấn đề 28
2.2.2. Phương pháp mô hình hình hóa và phân tích kết cấu tấm 3D 29
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 2 -

2.2.3. Xây dựng chương trình phát sinh mô hình phần tử hữu hạn tính kết cấu tấm 3D 58

2.3. TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D 68
2.3.1. Về lý thuyết tính toán bê tông cốt thép 68
2.3.2. Thiết kế bê tông cốt thép 3D 69
2.3.3. Xây dựng chương trình tính toán thiết kế kết cấu tấm BTCT 3D 76
2.3.4. Xây dựng chương trình tự động tính toán tối ưu vật liệu tấm BTCT 3D 78
CHƯƠNG 3 83
THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH SỐ CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT
THÉP 3D 83
3.1. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TƯƠNG TÁC GIỮ
A CỐT THÉP 3D VÀ BÊ TÔNG 83
3.1.1. Mô hình tấm 3D thí nghiệm 83
3.1.2. Quá trình chất tải 86
3.1.3. Bố trí các điểm đo 86
3.1.4. Kết quả thí nghiệm 87
3.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỐ 88
3.2.1 Mô hình phần tử hữu hạn 88
3.2.2 Mô hình tải trọng và các giai đoạn chất tải. 90
3.2.3 Các kết quả tính toán 92
CHƯƠNG 4 99
TÍNH TOÁN TỐI ƯU VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ KẾT CẤU CỬA VAN
BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ SỬ DỤNG LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D) 99
4.1. TÍNH TOÁN TỐI ƯU CHO KẾT CẤU CỬ
A VAN 99
4.1.1. Đặt vấn đề 99
4.1.2. So sánh giữa cửa van sử dụng kết cấu BTCT truyền thống (tấm đặc) và cửa van
sử dụng tấm 3D. 100
4.1.3. Kết cấu cửa van sử dụng tấm 3D. 104
4.2. XÂY DƯNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ 106
4.2.1. Đặt vấn đề 106
4.2.2. Các bước chung của quy trình thiết kế tấm 3D 107

4.2.3. Các bước chi tiết của quy trình. 108
4.3. XÂY DƯNG CÁC ĐỒ THỊ, BẢNG TRA PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT KẾ 124
4.3.1.
Đặt vấn đề 124
4.3.2. Đồ thị và bảng tra chiều dày tấm. 124
4.3.3. Đồ thị và bảng tra lượng cốt thép theo hai phương 125
CHƯƠNG 5 126
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 3 -

LỰA CHỌN VỮA BÊ TÔNG VÀ QUY TRÌNH THI CÔNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT
THÉP 3D 126
5.1. LỰA CHỌN VỮA BÊ TÔNG DÙNG TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D
(BÊ TÔNG TỰ ĐẦM) 126
5.1.1. Đặt vấn đề 126
5.1.2. Giới thiệu chung về bê tông tự đầm (Self Compacting Concrete – SCC) 127
5.1.3. Ứng dụng bê tông tự đầm trong thực tế 130
5.1.4. Ứng dụng bê tông tự đầm trong kết cấu bê tông cốt thép 3D 130
5.2. XÂY DỰNG QUY TRÌNH THI CÔNG CÔNG TRÌNH BẰNG LƯỚI THÉP KHÔNG
GIAN 3D 131
5.2.1. Đặt vấn đề 131
5.2.2. Vật liệu và thiế
t bị thi công công trình 131
5.2.3. Bố trí mặt bằng thi công 131
CHƯƠNG 6 142
CÔNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 142
6.1. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU CỬA VAN 142

6.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỬA VAN CÓ SỬ DỤNG KẾT CẤU LƯỚI THÉP
KHÔNG GIAN 3D 142
6.2.1. Giới thiệu chung về công trình 142
6.4.2 Cấu tạo chi tiết kết cấu cửa van 143
6.4.3. Áp dụng tính toán 145
6.4.4. So sánh hai phương án: Kết cấu truyền thống (PA.1) và kết cấu có sử dụng BTCT
3D (PA.2) 147
CHƯƠ
NG 7 149
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 149
TÀI LIỆU THAM KHẢO 152
Phụ lục 1. Bảng điều tra một số công trình thuỷ lợi sử dụng các cấu kiện BTCT
truyền thống dạng bản và dầm.
Phụ lục 2. Các đồ thị, bảng tra phục vụ cho công tác thiết kế.
Phụ lục 3. Một số hình ảnh hoạt động nghiên cứu của đề tài.
Phụ lục 4. Một số biên bản đánh giá, nghiệm thu và bàn giao công trình thử nghiệm.

Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 4 -

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1. So sánh giữa kết cấu bê tông xi măng lưới thép và kết cấu 3D 21

Bảng 3. 1. Kết quả đo biến dạng thực hiện trên mô hình thí nghiệm 87

Bảng 3. 2: Kết quả tính ứng suất tại các điểm đo (phần tử) do tải trọng các cấp

tải gây ra (không kể trọng lượng bản thân). Đơn vị ứng suất : daN/cm2 88

Bảng 3. 3. Bảng kết quả ứng suất trong các giai đoạn chịu lực (không có trọng
lượng bản thân) . Đơn vị ứng suất: daN/cm2 97

Bảng 3. 4: Sai số giữa kết quả của ứng suất đo được từ thí nghiệm và tính toán
theo mô hình số 97
Bảng 4. 1 Các kết quả nội lực đơn vị thống kê qua bảng dưới đây 104

Bảng 4. 2 Các kết quả tính toán và bố trí cốt thép trong tấm. 104
Bảng 5. 1. So sánh giá thành giữa bê tông thường và bê tông tự đầm 129

Bảng 5. 2. So sánh thành phần cấp phối giữa bê tông thường và BT tự đầm.129
Bảng 5. 3. Một số công trình sử dụng bê tông tự đầm trên thế giới 130
Bảng 6. 1. Tổng hợp trị số chuyển vị nhỏ nhất và lớn nhất tính toán. 145

Bảng 6. 2. Tổng hợp trị số nội lực nhỏ nhất và lớn nhất ứng với trường hợp
tính toán. 146

Bảng 6. 3. So sánh giá thành giữa hai phương án 147



Nghiờn cu ng dng li thộp khụng gian ba chiu (3D) trong kt cu BTCT cụng trỡnh Thy li

Trung tõm Thy cụng
Vin Khoa hc Thy li
- 5 -

DANH MC HèNH V

Hỡnh 1.1. Trng hp phỏ hoi cõn bng ca dm bờ tụng ct thộp 15
Hỡnh 1.2. S cu to panel 3D 18
Hỡnh 2. 1. Mụ hỡnh kộo tut ct thộp ti b mt liờn kt gia ct thộp v bờ tụng
25
Hỡnh 2. 2. Thớ nghim xỏc nh lc dớnh 26
Hỡnh 2. 3 1
Hỡnh 2. 4. Lc nỳt v chuyn v nỳt trong bi toỏn tm un 1
Hỡnh 2. 5 1
Hỡnh 2. 6 1
Hỡnh 2. 7 1

Hỡnh 2.8 Xoay ca phỏp tuyn quanh trc x v y khi xột ti bin dng trt 1
Hỡnh 2. 9 1
Hỡnh 2. 10 1
Hỡnh 2. 11 1
Hỡnh 2. 12 1
Hỡnh 2.13:Phn t thanh 2 im nỳt 1
Hỡnh 2. 14. Kh nng chu lc ca mt ct bờ tụng v thanh ct thộp. 1
Hỡnh 2. 15. S ni lc trong phn t v dng ch nht 72
Hỡnh 2. 16. S ni l
c trờn mt ct tớnh toỏn 72
Hỡnh 2. 17. S tớnh toỏn v biu lc ct ca dm 74
Hỡnh 2. 18. Biu ni lc ca mt ct tớnh toỏn 74
Hỡnh 2. 19. S b trớ thộp xiờn trong dm 76
Hỡnh 3. 1: B trớ ct thộp mụ hỡnh thớ nghim 85
Hỡnh 3. 2. S cht ti ca mụ hỡnh thớ nghim 86
Hỡnh 3. 4. Sơ đồ bố trí các điểm đo biến dạng và chuyển vị mặt dới của bản 1
Hỡnh 3. 4. Sơ đồ bố trí các điểm đo biến dạng và chuyển vị mặt trên của bản 1
Hỡnh 3. 5. Mụ hỡnh 3D dm thớ nghim 89

Hỡnh 3. 6. Mụ hỡnh ti trng tỏc dng lờn dm thớ nghim 91
Hỡnh 3. 7. S ti trng tỏc dng lờnh kt cu ca van 100

Hỡnh 6. 1 Cu to ca van BTCT theo phng ỏn truyn thng 143
Hỡnh 6. 2. Cu to ca van cú s dng li thộp 3D 144
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 6 -

GIỚI THIỆU CHUNG
Kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng các công
trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, cơ sở hạ tầng và công trình thuỷ lợi. Kết
cấu bê tông cốt thép có nhiều ưu điểm so với các dạng kết cấu làm bằng các loại vật
liệu khác như thép, gỗ, đá, Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng các loại vật liệu sẵn
có như thép thanh, thép sợi, xi măng, cốt li
ệu sỏi, đá, cát, , có giá thành hợp lý, có
khả năng chịu lực tốt, độ bền cao, lâu dài, dễ dàng tạo kiến trúc và ít phải bảo
dưỡng như các loại vật liệu khác.
Kết cấu bê tông cốt thép với các loại vật liệu mới tạo ra có phạm vi áp dụng
ngày càng rộng lớn trong mọi lĩnh vực xây dựng cầu, cống, nhà cửa, đường hầm, bể
chứa nước, đập chắn n
ước, nhà máy thuỷ điện, cầu cảng,
Như vậy, bê tông cốt thép đã và đang đóng vai trò rất quan trọng trong xây
dựng và phát triển các hình loại cơ sở hạ tầng và kiến trúc trên trái đất của chúng ta.
Trong xây dựng công trình thủy lợi trên thế giới nói chung và ở nước ta nói
riêng, các công trình và hạng mục công trình bằng bê tông cốt thép chiếm một tỷ
trọng lớn, nhiều loại công trình và hạng mục công trình không có vật liệu nào ưu
việ

t hơn bê tông cốt thép.
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nói chung và khoa học xây
dựng nói riêng ngày càng tạo thêm nhiều thách thức mới cho các chuyên gia xây
dựng, đặc biệt trong giai đoạn phát triển các ứng dụng của công nghệ tin học và các
loại vật liệu mới. Nhiều công trình xây dựng được thiết kế theo các dạng kiến trúc
mới, đáp ứng yêu cầu sử dụng đa dạng của xã hội, sử dụ
ng các tiến bộ của khoa học
vật liệu, thi công nhanh, giảm giá thành.
Nhờ có sự phát triển mạnh về vật liệu thép, xi măng và các loại phụ gia, vật
liệu bê tông và bê tông cốt thép cũng không ngừng phát triển. Các hướng cải thiện
vật liệu bê tông và bê tông cốt thép cơ bản tập trung vào:
+ Nâng cao khả năng chịu lực thông qua việc thay đổi một số tính chất của
vật liệu như cho thêm vào bê tông một số c
ốt liệu muội silic, các cốt sợi, , hoặc bố
trí cốt thép dạng không gian;
+ Nâng cao cường độ chịu thấm, khả năng chống nứt;
+ Giảm thời gian ninh kết;
+ Giảm nguy cơ sinh nứt từ phản ứng toả nhiệt;
+ Cải thiện vữa bê tông phù hợp cho công nghệ phun vữa và bê tông tự đầm
Một số công nghệ bê tông cốt thép điển hình có hiệu qủa kinh tế kỹ thuật cao
g
ần đây là:
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 7 -

+ Công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực. Công nghệ này cho phép kéo dài
các dầm chịu lực, các cọc và cột, do vậy cho phép mở rộng khẩu độ công trình như

khẩu độ cầu, khẩu độ nhà,
+ Công nghệ bê tông lưới thép vỏ mỏng. Công nghệ này ra đời cho phép tối
ưu hoá kết cấu bản mỏng, vỏ mỏng.
+ Công nghệ bê tông cốt sợi thép. Công nghệ này cho phép nâng cao khả
năng chống nứt của bê tông trong quá trình thi công và khai thác sử dụng.
+ Công nghệ bê tông cốt thép 3D (3D Panel). Ưu điểm cơ bản của công nghệ
là giảm được khối lượng thép và vật liệu chịu lực do huy động ở mức độ cao khả
năng làm việc của các vật liệu chịu lực.
Công nghệ lưới thép không gian ba chiều (gọi tắt là lưới thép 3D) ra đời từ ý
tưởng là thay cho việc bố trí thép tập trung cần bố trí thép phân bố, một cách lý
tưởng là theo trường ứ
ng suất. Và bố trí thép phân bố sao cho các phần vật liệu cấu
thành đều được huy động đến tối đa khả năng chịu lực. Cách bố trí phân bố cốt thép
chính là bố trí không gian - giàn không gian được hình thành bên trong các cấu kiện
bê tông cốt thép.
Từ những ưu điểm nêu trên đối chiếu vào thực tế xây dựng công trình thủy lợi
có thể nhận thấy: Đối với các cấu kiện bê tông đặt trên nền đất y
ếu, việc giảm thiểu
trọng lượng của cấu kiện có một ý nghĩa quan trọng. Việc ứng dụng lưới thép không
gian 3D cho phép giảm khối lượng vật liệu chịu lực là điều kiện cho phép giảm
được trọng lượng cấu kiện. Điều này có ý nghĩa lớn ở chỗ thị trường áp dụng công
nghệ rất lớn, đó là vùng đồng bằng sông Cửu Long rộng l
ớn và những vùng đồng
bằng ven biển.
Việc ứng dụng công nghệ cho phép mở rộng khẩu độ kết cấu có ý nghĩa với
công trình thủy lợi ở mọi vùng địa lý khác nhau trên thế giới nói chung, ở nước ta
nói riêng.
* Mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu của đề tài:

- Mục tiêu:

Nghiên cứu ứng dụng được công nghệ lưới thép không gian ba chiều (3D)
làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi nhằm huy động
tối đa sức chịu tải của thép và bê tông, giảm khối lượng vật liệu và giá thành công
trình.
- Nội dung nghiên cứu:
1) Đánh giá và phân loại các cấu kiện bê tông cốt thép trong công trình
thủy lợi theo mức độ huy động sức chịu lực củ
a vật liệu.
2) Nghiên cứu lý thuyết về lưới thép không gian 3D.
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 8 -

3) Nghiên cứu mô hình vật lý để xác định ứng suất và biến dạng trong kết
cấu BTCT có sử dụng lưới thép không gian 3D để hiệu chỉnh một số thông số trong
mô hình số.
4) Nghiên cứu mô hình số để tính toán kết cấu.
5) Nghiên cứu lựa chọn vữa bê tông dùng trong kết cấu lưới thép 3D (bê
tông phun và bê tông tự đầm).
6) Nghiên cứu biện pháp thi công.
7) Thiết kế công trình thử nghiệm.
8) Thi công công trình thử nghiệm.
9) Dự thảo hướng dẫ
n quy trình thiết kế, thi công cấu kiện bản và dầm cốt
thép 3D dùng trong công trình thủy lợi.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Điều tra đánh giá hiện trạng: Thu thập tài liệu, phân tích đánh giá và phân
loại theo mức huy động sức chịu lực của vật liệu;

+ Nghiên cứu trong phòng: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để đề xuất ra sơ đồ
cấu tạo, bố trí lưới thép và xác định quy luật phân bố ứng su
ất - biến dạng trong các
trường hợp chịu lực khác nhau.
+ Nghiên cứu mô hình vật lý.
+ Sử dụng các mô hình số: Xây dựng một hệ thống chương trình phục vụ
tính toán tối ưu vật liệu, thiết lập các quan hệ và phục vụ tính toán thiết kế;
+ Thiết kế, tính toán tối ưu cho công trình thử nghiệm (kết cấu cửa van);
+ Thi công thử nghiệm 01 cửa van trên cống dưới đê ở huyện Nghĩ
a Hưng,
tỉnh Nam Định;
+ Hội thảo trao đổi lấy ý kiến các nhà chuyên môn;
+ Theo dõi công trình thử nghiệm, tiếp thu ý kiến các nhà chuyên môn, xây
dựng quy trình công nghệ thiết kế, quy trình công nghệ thi công cấu kiện bản và
dầm bê tông cốt thép 3D dùng trong công trình thủy lợi.


Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 9 -

Chương I
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT
THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

Việc dùng lưới thép bố trí không gian để tăng cường khả năng chịu lực cho
cấu kiện bê tông là một ý tưởng được đề ra từ rất lâu. Bê tông cốt thép 3D đã được
bắt đầu nghiên cứu từ đầu những năm 1960. Ngày nay, các dạng kết cấu như: dầm,

bản, vỏ bằng vậ
t liệu bê tông cốt thép 3D (3D Panel) đã được nghiên cứu và sử
dụng rộng rãi trên thế giới cũng như bước đầu được quan tâm ở nước ta.
1.1. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
1.1.1.Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Công nghệ lưới thép 3D được nghiên cứu và áp dụng đầu tiên cho xây dựng
nhà dân dụng và cho đến nay vẫn áp dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực xây dựng đó.
Khởi đầu của công nghệ là ý tưở
ng vật liệu lớp kẹp "Panel 3D lưới thép" do
các nhà khoa học Mỹ đề xuất những năm 1960. Panel 3D lưới thép gồm 3 lớp, 2 lớp
biên bằng vữa xi măng lưới thép cường độ cao đường kính 2 đến 4 mm và lớp thứ 3
ở giữa là vật liệu mốp được xuyên qua bởi các thanh thép xiên, tạo nên một cấu trúc
cứng 3 chiều (3D) có khả năng chịu lực tốt.
Vào những năm 1980, theo đề nghị của TS Mars, chuyên gia công nghệ v
ật
liệu Australia, Viện Nghiên cứu Công nghệ thuộc Trường Đại học Kỹ thuật GRAZ
đã tiến hành nghiên cứu và đưa vào sản xuất các tấm panel dùng làm tường, sàn, ,
với các tấm cách Polystyrene nhẹ và rẻ tiền hơn.
Trong thập niên 1980-1990, ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức,
Áo, , Panel 3D được nghiên cứu thực nghiệm nhiều nhằm tìm hiểu tính chịu lực,
độ võng, sự phá hoại ở các trạng thái giới hạ
n. Tuy nhiên loại cấu kiện này cũng chỉ
mới được quan niệm theo sơ đồ dạng thanh như dầm chịu uốn, cột chịu nén uốn.
Hiện nay, loại vật liệu 3D có chất lượng đạt tiêu chuẩn vật liệu xây dựng
quốc gia của các nước Mỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc có tên gọi
là Panel 3D. Cộng Hoà Áo là nước đi đầu trên thế giới trong việc sáng chế ra công
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công

Viện Khoa học Thủy lợi
- 10 -

nghệ sản xuất vật liệu Panel 3D và được 38 nước trên thế giới tiến hành nghiên cứu
và ứng dụng. Sản phẩm 3D của Cộng Hoà Áo có tên gọi đầy đủ là EVG -3D Panel
(EVG là tên của một tập đoàn kinh tế lớn của Áo, đã có công nghiên cứu chế tạo ra
công nghệ sản xuất tấm 3D Panel) được đăng ký bản quyền tại nhiều nước trên thế
giới trong đó có cả Nhật Bản, M
ỹ và tại Việt Nam.
Tại Mỹ, Mexico, Brazil, các nước Nam Mỹ, quần đảo Caribe, một số nước ở
châu Á, Trung Đông đã đưa vào sử dụng đại trà trong xây dựng bằng vật liệu 3D
của Cộng Hoà Áo từ cách đây hơn 20 năm. Những nước này chịu ảnh hưởng khí
hậu khắc nghiệt của thiên tai, gió bão, lũ lụt, động đất, sóng thần, , vì thế sử dụng
xây dựng công nghệ này
đã đạt được tính chuẩn trội so với dùng vật liệu xây dựng
thường.
Kết cấu bê tông cốt thép không gian 3D có đặc điểm như sau:
+ Cốt liệu rời vẫn là xi măng, cát và đá dăm như bê tông thông thường;
+ Cốt thép là khung lưới thép không gian 3D cấu thành bởi các thép thanh
mạ kẽm, đường kính 3 đến 4 mm, cường độ cao (R= 4000 đến 5000 kg/cm
2
) liên
kết với nhau bằng liên kết hàn;
+ Mác bê tông từ M150 trở lên. Độ dày tấm 3D Panel từ 70mm đến 140mm,
trong đó lớp giữa bằng vật liệu Polystyrene dày 30mm đến 100mm.
Quá trình sản xuất và lắp dựng tấm panel 3D như sau: Lớp mốp và lưới thép
không gian được gắn với nhau và sản xuất tại nhà máy, sau đó được đưa đến công
trình, tiến hành lắp dựng và trát vữa bê tông, có thể trát bằng thủ công hoặc bằng
máy phun để tạ
o 2 lớp còn lại. Đặc điểm của công trình xây bằng công nghệ này là

đơn giản hoá trong thi công; do được công xưởng hoá trong kết cấu xây dựng nên
thời gian xây dựng công trình nhanh hơn so với phương pháp xây dựng truyền
thống.
Ưu điểm cơ bản của công nghệ là giảm được khối lượng thép và vật liệu chịu
lực do huy động được ở mức độ cao khả năng làm việc của các vật li
ệu chịu lực.
Theo tài liệu nghiên cứu và tính toán, qua thử nghiệm của một số nước trên thế giới
cho biết, tải trọng nhẹ hơn 40% so với công trình sử dụng vật liệu bê tông cốt thép
truyền thống
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 11 -

Từ ưu điểm cơ bản này, công nghệ được áp dụng để giảm mặt cắt hoặc giảm
khối lượng thép và vật liệu chịu lực trong trường hợp không giảm mặt cắt. Công
nghệ cũng được sử dụng với mục đích tăng khẩu độ kết cấu (diện tích bản hay chiều
dài thanh, dầm).
1.1.2.Tình hình nghiên cứu trong nước
Thông tin về công nghệ Panel 3D c
ủa Mỹ và Áo bắt đầu xâm nhập vào nước
ta cuối năm 1992 đầu năm 1993. Tuy nhiên do giá thành của dây chuyền công nghệ
cao và hiểu biết kỹ thuật của ta còn hạn chế nên các bước triển khai vào thực tế có
hạn chế. Phải đến đầu những năm 2000, công nghệ này mới được nhập, và Công ty
cổ phần 3D có trụ sở tại Thành phố Hồ Chí Minh là chủ sở hữu dây chuyền công
nghệ. Đế
n nay, công nghệ đã bắt đầu được ứng dụng vào khá nhiều công trình nhà
dân dụng (các nhà biệt thự từ 3÷4 tầng) ở Thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Bạc
Liêu, Cần Thơ, Đà Lạt,

Đặc biệt, việc nghiên cứu đánh giá và chọn lựa sản phẩm 3D được các
chuyên gia xây dựng rất quan tâm. Ngay từ năm 1997, nhóm các nhà khoa học
thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ quốc gia cũng đã tiến hành
nghiên cứu ch
ế tạo dây chuyền sản xuất tấm 3D, Công ty Vật liệu và Công nghệ
Matech đã thi công lắp đặt dây chuyền sản xuất này. Sản phẩm vật liệu khi sản xuất
cũng đã được áp dụng xây dựng một số công trình tại Hà Nội như khách sạn Tràng
Tiền, Bảo tàng Công an và nhà khách Bộ Công an. Năm 2002, Công ty Cổ phần
Thế Kỷ Mới- TPHCM đã đầu tư hơn 9,5 triệu USD để xây dựng nhà máy sả
n xuất
tấm EVG 3D Panel công nghệ Áo với công suất 2 triệu m
2
/năm. Nhà máy đặt tại
khu công nghiệp Phú Bài, Thừa Thiên Huế để ưu tiên việc xây dựng nhà ở cho đồng
bào miền Trung, nơi khí hậu khắc nghiệt nhất so với cả nước.
Trong xây dựng công trình thủy lợi, cầu đường giao thông, công nghệ này
chưa được đề cập.
Như vậy, để khắc phục tính chưa tối ưu trong tính toán bố trí cốt thép cho
cấu kiện bản, dầm bằng bê tông cố
t thép, hiện nay, cần thiết nghiên cứu ứng dụng ý
tưởng vật liệu Panel 3D hay ứng dụng lưới thép không gian 3D làm cốt cho các cấu
kiện bê tông cốt thép trong xây dựng công trình thủy lợi.
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 12 -

Tuy nhiên, phải nhận thức được một điểm cơ bản là không thể áp dụng một
cách máy móc cấu tạo vật liệu Panel 3D cho các cấu kiện bê tông cốt thép trong

công trình thủy lợi, dù đó chỉ đơn thuần là bản hay dầm. Tính chất tải trọng và chịu
lực của các cấu kiện bê tông trong công trình thủy lợi nhiều chỗ, nhiều trường hợp
khác xa cấu kiện panel bản sàn hay khung cột nhà dân dụng. Do vậy, nh
ất thiết phải
nghiên cứu ứng xử của các cấu kiện này khi sử dụng lưới thép 3D làm cốt thông qua
"quan trắc" và phân tích các quan hệ ứng suất - biến dạng và diễn biến của chúng
theo thời gian dưới các loại tải trọng và tác dụng khác nhau. Việc "quan trắc" và
phân tích cần được tiến hành một cách bài bản bằng lý thuyết, khảo sát trên mô hình
vật lý và mô hình số, và thử nghiệm ở công trình thực tế.
1.2. ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN LOẠI CÁC CẤ
U KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP
TRONG CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI THEO MỨC ĐỘ HUY ĐỘNG SỨC
CHỊU LỰC CỦA VẬT LIỆU
Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đi sâu vào nghiên cứu cấu kiện bản và
dầm trong các đối tượng sau:
+ Các tấm bê tông cốt thép lát mái đập, đê, kênh;
+ Kênh bê tông mặt cắt chữ nhật (hở và kín);
+ Cầu máng mặt cắt chữ nhật (hở và kín);
+ Tường cánh, tường ngực;
+ Bản mặ
t trần cống, sàn cầu công tác, cầu giao thông trên cống hoặc
tràn;
+ Cửa van bê tông cốt thép sử dụng trên các cống.
+ Dầm chịu lực phổ biến như dầm cầu công tác, dầm thả phai,
Tiến hành điều tra, thu thập tài liệu thiết kế một số công trình thuỷ lợi đã
xây dựng có các hạng mục nêu trên; kết quả được nêu ở phụ lục 1.
1.2.1. Phân tích, xử lý số liệu thu thập được
Trên c
ơ sở các số liệu thu thập được, tiến hành đánh giá đặc điểm (hình
dạng, lực tác dụng, hình thức bố trí cốt thép) của các kết cấu bản và dầm được sử

dụng trong công trình thuỷ lợi.
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 13 -

1.2.1.1 Các kết cấu bản thuần tuý
Bản là kết cấu phẳng có chiều dầy khá bé so với chiều dài và chiều rộng.
Trong các kết cấu công trình thuỷ lợi, cụ thể là các kết cấu cầu máng, chiều dày bản
(thành và đáy máng) biến động trong khoảng từ 8cm đến 15cm; nhịp máng biến đổi
từ 8m đến 10m. Đối với những cầu máng có nhịp lớn từ 15m đến 20m, chiều dày
đáy và thành máng biến đổi t
ừ 40m đến 60cm (Cầu máng tại K18+206 trên kênh
chính Văn Phong - Hồ chứa nước Định Bình, tỉnh Bình Định). Ở các kết cấu kênh,
bản có chiều dày biến đổi từ 10cm đến 20cm; kích thước theo chiều cao biến đổi từ
0,6m đến 2,0m. Vật liệu bê tông thường có mác 200 đôi khi đến 250 đối với cầu
máng. Ở các kết cấu cửa van bê tông cốt thép, bản có chiều dày biến đổi từ 12cm
đến 20cm; kích thước theo chiều rộng biế
n đổi từ 1,0m đến 2,6m, theo chiều cao
biến đổi từ 1,0m đến 3,8m.
Lực tác dụng chủ yếu là áp lực ngang và đứng của nước, đất; ngoài ra còn có
tải trọng bản thân, tải trọng gió, người đi lại,
Cốt thép trong bản gồm có cốt chịu lực và cốt phân bố bằng thép nhóm A-I,
đôi khi là thép A-II. Cốt chịu lực đặt trong vùng chịu kéo do mô men gây ra. Đường
kính cốt chịu lực từ 6mm đến 12mm. Số lượ
ng cốt chịu lực được xác định theo tính
toán và được thể hiện qua đường kính và khoảng cách giữa hai cốt cạnh nhau.
Khoảng cách giữa trục hai cốt thép chịu lực, đặt trong vùng có mô men lớn, từ
15cm đến 20cm.

Như vậy, các kết cấu bản thuần tuý được sử dụng chủ yếu ở các hạng mục:
Cầu máng, kênh chữ nhật (thành cầu máng, thành kênh), sàn cầu công tác, bản mặt
trần cống, tường ng
ực, cửa van trên cống.
1.2.1.2. Các kết cấu dầm thuần tuý
Dầm là cấu kiện mà chiều cao và chiều rộng của tiết diện ngang khá nhỏ so
với chiều dài của nó. Tiết diện ngang của dầm có thể là chữ nhật, chữ T, chữ I, hình
thang, hình hộp, Thường gặp nhất là tiết diện chữ nhật và chữ T (phổ biến ở dầm
thả phai, dầm cầu công tác, dàn van ở các cống và tràn xả l
ũ). Nhịp dầm biến đổi từ
7m đến 9m, chiều cao dầm phụ thuộc vào đặc điểm làm việc của từng dầm.
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 14 -

Cốt thép trong dầm gồm có cốt dọc chịu lực, cốt dọc cấu tạo, cốt đai và cốt
xiên.
Cốt dọc chịu lực đặt ở vùng kéo của dầm, đôi khi cũng có cốt dọc chịu lực
đặt tại vùng nén. Diện tích tiết diện ngang của chúng được xác định theo mô men
uốn. Đường kính cốt dọc chịu lực thường từ d=10-25mm. Số thanh trong tiết diện
phụ thu
ộc vào diện tích yêu cầu và chiều rộng tiết diện.
Cốt dọc cấu tạo để:
+ Làm cốt gá để giữ vị trí của cốt đai trong lúc thi công (đối với những dầm
mà theo tính toán chỉ cần cốt dọc chịu kéo) và chịu các ứng suất do co ngót và nhiệt
độ, thường dùng cốt thép có đường kính từ d = (10÷12)mm.
+ Làm cốt thép phụ đặt thêm vào mặt bên của tiết diện dầm khi chiều cao của
ti

ết diện vượt 70cm. Các cốt này chịu các ứng suất do co ngót và nhiệt độ và giữ
cho khung cốt thép khỏi bị lệch đi khi đổ bê tông.
Cốt xiên và cốt đai dùng để chịu nội lực cắt Q, cốt đai gắn vùng bê tông chịu
nén với vùng bê tông chịu kéo để đảm bảo cho tiết diện chịu được mômen. Khoảng
cách diện tích cốt xiên và cốt đai được xác định theo tính toán.
1.2.1.3. Các kết cấu kết hợp b
ản và dầm
Các cấu kiện kết hợp bản và dầm thường có tiết diện chữ T. Thường được sử
dụng ở đáy cầu máng, tường cánh, cầu công tác, dàn van, cửa van.
1.2.2. Phân loại các cấu kiện bê tông cốt thép theo mức độ huy động sức chịu
lực của vật liệu
Theo mức độ huy động sức chịu lực (khả năng chịu lực), có thể phân loại cấu
kiện bê tông cốt thép như sau:
1) Cấu kiện chịu uốn
2) Cấu kiện chịu kéo, nén
3) Cấu kiện chịu cắt và xoắn.
1.2.2.1. Cấu kiện chịu uốn
Các thành phần nội lực xuất hiện trong cấu kiện chịu uốn gồm có mô men
uốn và lực cắt. Cấu kiện chịu uốn là cấu kiện cơ bản rất hay gặp trong thực tế xây
dựng công trình thuỷ lợ
i. Đó là các dầm, bản của cầu máng, kênh dẫn nước, dầm
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 15 -

cầu công tác, giàn thả phai, Về mặt hình dáng có thể chia cấu kiện chịu uốn ra hai
loại: bản và dầm. Các bản làm việc theo một phương cũng được đưa về tính toán
như dầm với bề rộng một đơn vị.

Khi cấu kiện chịu uốn đạt đến giai đoạn phá hoại, quan hệ ứng suất và biến
dạng là phi tuyến; khi ứng suất đạt đến trị s
ố khoảng 0,5f
c
' (f
c
' là cường độ chịu nén
của bê tông) thì phân bố ứng suất của bê tông vùng nén có dạng parabol [4].
Tuỳ theo đặc trưng hình học của mặt cắt, các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu và tải
trọng tác dụng, dầm bê tông cốt thép chịu uốn có thể bị phá hoại trong các trường
hợp sau [4]:
- Phá hoại dẻo: Cốt thép bị biến dạng chảy dẻo và bị kéo đứt trước khi bê
tông bị ép vỡ, đạt
đến trị số biến dạng ép vỡ ε
cu
. Dầm bê tông cốt thép như vậy được
xem là có ít cốt thép (hàm lượng cốt thép nhỏ).
- Phá hoại dòn: Bê tông vùng nén bị ép vỡ trước khi cốt thép ở vùng chịu kéo
đạt đến giới hạn chảy và bị kéo đứt. Dầm bê tông như thế được xem là có quá nhiều
thép (hàm lượng cốt thép lớn).
- Phá hoại cân bằng: Trường hợp kinh tế nhất trong thiết kế kết cấu bê tông
cốt thép là khi phá hoại, bê tông vùng chịu nén bị ép vỡ đồng thờ
i với cốt thép vùng
bị kéo đứt. Đây là trường hợp phá hoại cân bằng và dầm bê tông cốt thép như thế
gọi là có hàm lượng cốt thép vừa phải (hàm lượng cân bằng); đây còn gọi là trường
hợp phá hoại mà ta đã tận dụng được hết khả năng chịu lực của cốt thép và bê tông.
Sơ đồ ứng suất biến dạng của dầm bê tông cốt thép trong trường hợp phá
hoạ
i cân bằng như hình 1.1.
AT =A f

sb
y
s
sb
C
b

Hình 1.1. Trường hợp phá hoại cân bằng của dầm bê tông cốt thép
Trong đó: c
b
- là độ cao vùng bê tông chịu nén trong trường hợp cân bằng;
d - là khoảng cách từ mép biên vùng nén đến lớp thép chịu kéo ngoài cùng;
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 16 -

ε
cu
- là biến dạng cực hạn của bê tông vùng nén (theo ACI 318-02, ε
cu
lấy
bằng 0,003);
ε
y
- là biến dạng chảy dẻo của thép tương ứng với cường độ f
y
;
A

s
- là diện tích cốt thép.
1.2.2.2. Cấu kiện chịu nén, kéo (lực dọc)
Theo vị trí đặt lực, cột được phân loại thành cột chịu nén đúng tâm và cột
chịu nén lệch tâm. Cột chịu nén đúng tâm chỉ chịu một mình lực dọc tại tâm cột,
không có mô men tác dụng. Trong thực tế, các cột đều được thiết kế để có thể chịu
các lực tác dụng chưa tính toán trước và độ lệch tâm ngẫu nhiên do ván khuôn bố
trí
không thẳng theo trục thiết kế của cột.
Đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm, khi cấu kiện bị phá hoại, ứng suất trong
bê tông đạt đến cường độ chịu nén của bê tông và ứng suất trong cốt thép đạt đến
cường độ chịu nén của cốt thép. Nhờ có lực dính giữa bê tông và cốt thép mà có thể
sử dụng được hết khả năng chịu lực củ
a bê tông và cốt thép.
Khi lực dọc đặt lệnh tâm của cấu kiện, cột chịu tác dụng đồng thời của mô
men uốn và lực dọc theo trục cấu kiện.
Những kết cấu bê tông cốt thép chịu tác dụng đồng thời của mô men uốn và
lực dọc rất phổ biến trong xây dựng. Trong các hệ thống kết cấu khung, các cột đỡ
dầm chịu lực là các cấu kiện chị
u đồng thời tác dụng của mô men uốn và lực nén
(như khung giàn van, giàn thả phai, dầm cầu trục trong các công trình trạm bơm,
tháp cống lấy nước).
Các giả thiết về phân bố ứng suất và biến dạng của tiết diện dùng trong tính
toán cho cấu kiện chịu uốn cũng được áp dụng cho cấu kiện chịu nén lệch tâm.
Khi tải trọng tác dụng lên cột tăng, khe nứt xuất hiện dọc theo chiề
u cao cột
theo phương các cốt thép đai. Tại trạng thái giới hạn của tiết diện, lớp bảo vệ của
cột bị ép vỡ, rời ra và cốt thép dọc trong cột lộ ra ngoài.
Sự phá hỏng của cột do vật liệu có thể bắt đầu do cốt thép ở mép biên chịu
kéo bị chảy dẻo hoặc bê tông miền nén bị ép vỡ hoặc cột bị mất ổn định theo

phương ngang.
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 17 -

Trường hợp cột bị phá hoại do vật liệu: cốt thép chảy dẻo hoặc bê tông bị ép
vỡ thì được phân loại là cột ngắn hoặc cột không thanh mảnh; khi cột bị phá hoại do
mất ổn định theo phương ngang gọi là cột dài.
1.2.2.3. Cấu kiện chịu xoắn, cắt
Trong kết cấu bê tông cốt thép hầu như không gặp hiện tượng xoắn thuần tuý
mà chỉ gặp xoắn cùng vớ
i uốn, ví dụ dầm có bản liên kết ở một phía, các xà ngang
của khung biên đỡ các dầm theo phương vuông góc với liên kết cứng, mô men uốn
trong các mút dầm này tạo lên mô men xoắn trong xà, khung.
Khả năng chịu xoắn của cấu kiện BTCT kém so với khả năng chịu uốn, do
đó trong nhiều trường hợp giá trị mô men xoắn tuy không lớn nhưng cũng gây ảnh
hưởng đáng kể, làm xuất hiện khe nứt.
Với trườ
ng hợp xoắn thuần tuý, mô men xoắn gây nên ứng suất tiếp mà tổng
hợp của chúng sẽ là các ứng suất kéo chính và ứng suất nén chính nghiêng 45
0
so
với trục cấu kiện. Các ứng suất kéo chính, khi vượt quá khả năng chịu kéo của bê
tông sẽ gây nên các vết nứt vuông góc với phương ứng suất kéo chính, có nghĩa là
các vết nứt sẽ nghiêng 45
0
với trục [3].
Trường hợp cấu kiện vừa chịu xoắn vừa chịu uốn thì sự làm việc của nó

phức tạp hơn. Các vết nứt sẽ tạo nên tiết diện vênh gồm ba phía chịu kéo và một
phía chịu nén. Sự phá hoại theo tiết diện vênh sẽ bắt đầu khi ứng suất trong cốt thép
vùng kéo đạt đến giới hạn chảy hoặc ứng suất trong bê tông đạt đến c
ường độ của
nó.
1.3. CẤU TẠO BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D
Kết cấu bê tông cốt thép có sử dụng lưới thép không gian ba chiều (three
dimensions panel - 3D) có cấu trúc như ở hình 1.2. Gồm có: Hai lớp mặt ngoài là bê
tông lưới thép (có đường kính từ 2 ÷ 4mm, lớp cách ở giữa là loại vật liệu xốp, nhẹ,
bằng polystyrene đã xử lý chống cháy).

Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 18 -



Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo panel 3D
1.3.1. Vữa bê tông
Vữa dùng trong kết cấu bê tông cốt thép 3D (Panel 3D) là vữa bê tông hoặc
vữa xi măng; tuỳ mục đích sử dụng mà có thể dùng vữa xi măng – cát mác 75-
M100, bê tông đá 1x2, mác 200-300 hoặc bê tông cốt liệu nhỏ, ; có thể chia thành
2 loại: Bê tông phun và bê tông thông thường.
Bê tông dùng làm cấu kiện bê tông cốt thép phải có những tính năng cơ lý
thoả mãn những yêu cầu nhất định. Những tính năng chủ yếu của bê tông là: Cường
độ, độ chặt, sự
dính bám với cốt thép, tính chất biến dạng, các khả năng chống
thấm, chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt.

Cường độ là đặc trưng cơ học chủ yếu của bê tông, cường độ phụ thuộc vào
cấu trúc của bê tông tức là phụ thuộc vào thành phần bê tông, do đó có thể căn cứ
vào cường độ để phân biệt các loại bê tông khác nhau.
Trong kết cấu bê tông cốt thép 3D, bê tông chủ yế
u là chịu nén và cường độ
chịu nén được xác định chính xác bằng thực nghiệm do đó cường độ chịu nén được
dùng làm chỉ tiêu cơ bản của cường độ bê tông.
1.3.2. Sợi thép
Sử dụng thép CT3 kéo nguội, cường độ chịu kéo R > 4000 Kg/cm
2
, đường
kính từ (2,0÷4,0)mm, mật độ ô lưới là (52×50)mm hoặc (100×100)mm; sợi thép
được mạ kẽm để tăng khả năng chống rỉ sét.
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 19 -

Tính chất cơ học của thép phụ thuộc vào thành phần hoá học và vào công
nghệ chế tạo chúng. Sợi kéo nguội được chuốt qua các khuôn có đường kính nhỏ
dần, làm như vậy cường độ thép được nâng cao nhưng độ dẻo giảm.
Cốt thép sử dụng trong kết cấu Panel 3D phải có hàm lượng carbon thấp từ
(0,12 ÷ 0,15)%, và độ căng đạt 700Mpa. Máy hàn theo công nghệ này phải dùng
hàn điểm, điện hàn < 6 volt, tốc độ
hàn phải đạt 1/1000 giây, để tránh các mối hàn
bị nhũn, và làm yếu các mối hàn.
1.3.3. Lớp mốp (mushy polysteren)
Có đặc tính cách điện, cách nhiệt tốt, nhẹ, nhưng đủ cứng để đóng vai trò ván
khuôn khi thực hiện đổ lớp bê tông.

Các tấm này được mang đến công trường, lắp ghép và liên kết lại với nhau
theo hình dáng kiến trúc công trình thiết kế; sau đó tiến hành phun hoặc trát bê tông
để trở thành một hệ toàn khối.
Như vậy, công nghệ
bê tông cốt thép 3D là loại công nghệ kết hợp hài hoà
những nguyên tắc cơ bản về kết cấu xây dựng:
- Sử dụng vật liệu tối ưu nhờ phân bổ vật liệu chịu lực ra xa trục trung hoà.
- Kết hợp được tính công nghiệp hoá của kết cấu lắp ghép và tính đồng nhất
cao của kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.
- Nâng cao và đa năng hoá về chất các loại vật liệ
u thông thường (bê tông,
lưới thép, polystyrene ) nhờ phối hợp chúng một cách hợp lý.
1.4. CÁC ƯU ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D VÀ SỬ DỤNG TRONG
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
1.4.1. Các ưu điểm chính của bê tông cốt thép 3D
Những ưu điểm chính của hệ kết cấu 3D là:
a. Trọng lượng nhẹ:
Trọng lượng tấm khi lắp ghép gồm thép và polystyrene từ 6 ÷ 8 kg/m
2
, với
trọng lượng này khi vận chuyển và lắp ghép chỉ dùng thủ công, không phải nhờ đến
máy móc, thiết bị lớn.
Trong công trình xây dựng dân dụng, trọng lượng trung bình của tường, sàn
sau khi đã trát hoàn thiện khoảng (130÷150)kg/m
2
. Có thể so sánh với 1m
2
hoàn
thiện với các loại kết cấu khác như sau:
Panel 3D 130 kg/m

2

Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 20 -

Tường gạch 110 270 kg/m
2

Tường gạch 220 450 kg/m
2

Sàn bê tông cốt thép dày 8cm 300 kg/m
2

Trong trường hợp vượt các không gian lớn hơn, sàn này sẽ dày hơn, có thể
đến 500kg/m
2
, trong khi đó sàn 3D hầu như không tăng trọng lượng khi tăng không
gian.
Nếu tính trung bình tải trọng tác dụng trên 1m
2
sàn (cả tĩnh tải lẫn hoạt tải sử
dụng) thì nhà xây tường dày 110mm nặng khoảng 1,7 lần, tường dày 220mm nặng
gấp khoảng 2,6 lần so với công trình sử dụng vật liệu Panel 3D .
Trọng lượng nhẹ là một ưu điểm cơ bản cho việc sử dụng bê tông cốt thép
3D vào các công trình xây dựng trên nền đất yếu, làm giảm đáng kể kết cấu móng
công trình.

- Dùng bê tông cốt thép 3D cho các công trình cao sẽ làm giảm
đáng kể tải
trọng động đất (khoảng 30-40%) vừa làm tăng khả năng kháng chấn của công trình
nhờ tăng độ cứng và tính toàn khối hoá. Theo các tài liệu tổng kết của Mỹ, Úc,
Canada, , thì nhà xây dựng bằng vật liệu 3D có khả năng chịu động đất đến 7,5 độ
Richter mà chưa bị hư hại.
b. Khả năng chịu lực cao:
Qua một số kết quả ứ
ng dụng trong công trình xây dựng dân dụng cho thấy:
Khả năng chịu lực của tường gạch 220mm: 20 T/m
Khả năng chịu lực của tường 3D 120mm: 40 T/m
(Kết quả thí nghiệm nén tấm tường cao 2,4m, rộng 1m, dày 12cm, bê tông
dày 3cm và đạt tải trọng gây nứt 70 tấn, tải trọng phá hoại 110 tấn). Với sức chịu tải
như vậy thì khi xây dựng nhà hệ tường cao đến 7-8 tầng về nguyên tắc vẫn không
cần dùng
đến kết cấu khung.
Do tính toàn khối hoá cao và panel 3D có độ cứng lớn nên khả năng chịu tải
trọng ngang của công trình rất cao, chịu được động đất trên 7 độ Richter, gió bão
trên 300km/giờ.
c. Công nghệ xây dựng:
Khi xây dựng công trình không cần nhiều ván khuôn, dàn giáo và thiết bị
lớn. Thời gian xây dựng nhanh do áp dụng công nghệ lắp ghép và tốn ít thời gian
hoàn thiện.
1.4.2. Về sử dụng Panel 3D trong xây dựng dân dụng
Với ưu điểm n
ổi bật là nhẹ, khả năng chịu lực cao, thi công đơn giản, Panel
3D có thể:
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công

Viện Khoa học Thủy lợi
- 21 -

- Dùng làm kết cấu tấm chịu lực cho nhà không khung đến 5 tầng. Khi số
tầng càng cao thì ưu điểm của kết cấu BTCT 3D càng thể hiện so với các kết cấu
truyền thống do độ bền và tính toàn khối cao.
- Dùng làm tường bao nhà công nghiệp, thi công lắp ghép rất thuận lợi với
năng suất thi công rất cao (gấp hàng chục lần so với các công nghệ truyền thống).
- Dùng làm tường, vách ngăn, sàn cho nhà cao tầng. Trong trường hợp này,
nó v
ừa làm giảm tải trọng đứng, vừa giảm tải trọng ngang do gió và động đất, vừa
làm tăng độ cứng cho hệ chịu lực của toàn bộ công trình.
- Dùng trong các kết cấu có tính chất đặc biệt như: mái dốc, mái cong, các
hình khối kiến trúc không phẳng, các kết cấu nhịp lớn như nhà công nghiệp, cung
thể thao, sân vận động,
- Dùng làm tường ngoài, làm mái sẽ lợi dụng được khả năng cách âm, cách
nhiệt, tiế
t kiệm năng lượng chạy điều hoà, quạt mùa hè, sưởi ấm mùa đông. Thêm
nữa, trong công trình 3D, giảm được các lớp cấu tạo phức tạp và rất nặng nề của các
lớp chống nóng, cách âm, cách nhiệt.
- Đặc biệt, Panel 3D hơn hẳn các kết cấu khác khi xây dựng các công trình
trên nền đất yếu như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, vùng đồng bằng sông Hồng,
đồng bằng sông Cửu Long, , các vùng thường xuyên chịu gió bão, động
đất, có
khả năng xây dựng nhà từ 5 đến 7 tầng mà không cần phải dùng đến móng cọc.
1.4.2. Khả năng ứng dụng trong xây dựng công trình thuỷ lợi
1.4.2.1. So sánh giữa bê tông cốt thép 3D và vật liệu xi măng lưới thép
Vật liệu xi măng lưới thép là loại vật liệu gồm vữa xi măng và các lưới dây
thép. Ngày nay, xi măng lưới thép được áp dụng trong xây dựng các kết cấu mỏng,
làm panel mái, sàn, làm bể chứa,

So với bê tông cốt thép, xi m
ăng lưới thép là vật liệu đồng nhất hơn vì trong
đó các sợi thép nhỏ được phân bố đều và dày đặc. Các tính chất khác như tính đàn
hồi, cường độ chịu kéo, khẳ năng chống nứt, chống thấm của xi măng lưới thép đều
cao hơn bê tông cốt thép thông thường. Sử dụng xi măng lưới thép cho phép tiết
kiệm được vật liệu và giảm được trọng lượng bản thân.
Vớ
i những ưu điểm trên của xi măng lưới thép thì việc tiến hành so sánh
giữa hai vật liệu xi măng lưới thép và Panel 3D là cần thiết; từ đó thấy được những
đặc điểm nổi bật của vật liệu bê tông cốt thép 3D và khả năng ứng dụng của nó
trong xây dựng công trình thuỷ lợi nói riêng, xây dựng công trình nói chung (xem
bảng 1.1)
.

Bảng 1. 1. So sánh giữa kết cấu bê tông xi măng lưới thép và kết cấu 3D

Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 22 -

Các mặt Xi măng lưới thép Bê tông cốt thép 3D
1. Vữa bê tông

- Gồm xi măng, cát * Gồm xi măng, cát, đá dăm
2. Cốt thép
- Loại φ6, φ8, cường độ thấp
(R
k

=2100kg/cm
2
-
2700kg/cm
2
) liên kết với
nhau bằng buộc kẽm, cấu
tạo 1 lớp phẳng
- Gồm đường kính φ3, φ4 cường
độ cao (R
k
=4000÷ 5500kg/cm
2
),
liên kết với nhau bằng hàn
thành một kết cấu không gian
ba chiều (3D)
3. Lưới thép - Gồm 2 hoặc 4 lớp lưới
đường kính d=(1÷1,2)mm
bố trí 2 bên lớp cốt thép
- Không có lưới thép
4. Cấu tạo - Chiều dày từ 2cm-5cm - Chiều dày từ 6cm trở lên
5. Mác bê tông - M250, M300, M350,
M400
- Từ M200 trở lên
6. Công nghệ chế
tạo
- Trát tay, công nghệ rung,
công nghệ phun bê tông
- Đổ bê tông thường, công nghệ

rung, công nghệ phun bê tông
7.Khả năng chịu
lực
- Chịu lực 1 phương (bài
toán phẳng)
- Chịu lực 3 phương (bài toán
không gian ba chiều)
8. Giá thành - Đắt hơn - Rẻ hơn vì tận dụng hết khả
năng làm việc của kết cấu

1.4.2.2. Khả năng ứng dụng
Những ưu điểm của kết cấu bê tông cốt thép 3D rất phù hợp (hay nói cách
khác phát huy hiệu quả cao) với những cấu kiện tấm, cấu kiện có độ mảnh vừa và
lớn. Qua phân tích, đánh giá đặc điểm của kết cấu Panel 3D và đặc điểm làm việc
của một số kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thuỷ lợi nêu trên, có thể thấ
y
ứng dụng hợp lý đối với những dạng kết cấu sau:
- Các tấm bê tông cốt thép lát mái đập, đê, kênh;
- Kênh bê tông mặt cắt chữ nhật (hở và kín);
- Cầu máng mặt cắt chữ nhật (hở và kín);
Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 23 -

- Tường cánh (dạng bản sườn hoặc hộp rỗng), tường ngực;
- Bản mặt trần cống, sàn cầu công tác, giàn van, cầu giao thông trên cống
hoặc tràn;
- Kết cấu bản cửa van bê tông cốt thép sử dụng trên các cống.

- Dầm chịu lực phổ biến như dầm cầu công tác, dầm thả phai, ;
- Kết cấu đập xà lan di động; kết cấu nhà trạm, bể hút, bể xả của các trạm
b
ơm tưới, tiêu.
Với những ưu điểm của kết cấu Panel 3D, việc ứng dụng được trong một số
kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thuỷ lợi nêu trên có ý nghĩa rất lớn cả về
kinh tế và kỹ thuật. Ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép 3D sẽ làm giảm kích thước
cấu kiện, giảm trọng lượng cấu kiện, giảm kết cấu móng, từ đ
ó giảm giá thành công
trình; với khả năng chịu lực cao có thể tăng được khẩu độ của kết cấu; với đặc điểm
nhẹ, thi công lắp ghép đơn giản, kết cấu này cũng rất phù hợp với những công trình
ở vùng sâu, vùng xa, miền núi và hải đảo.
Để có thể ứng dụng được kết cấu bê tông cốt thép 3D trong các kết cấu nêu
trên, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu
đầy đủ về ứng xử cơ học của vật liệu cũng
như của toàn kết cấu (xác định được trường ứng suất và biến dạng) đối với từng
trường hợp làm việc cụ thể.
Trong phạm đề tài chỉ đi sâu nghiên cứu ứng dụng kết cấu lưới thép không
gian ba chiều (3D) cho kết cấu cửa van trên cống; tiến hành nghiên cứu lý thuyết, sử

dụng mô hình số (thông qua phương pháp phần tử hữu hạn) kết hợp với thí nghiệm
mô hình vật lý để nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng trong kết cấu cửa van
có sử dụng lưới thép 3D. Qua phân tích kết quả tính toán sẽ đưa ra được các kết
luận về việc ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép 3D trong kết cấu cửa van trong công
trình thuỷ lợi. Những phân tích này sẽ giúp ích rất nhiề
u cho công tác thiết kế, thi
công các kết cấu có ứng dụng bê tông cốt thép 3D.

Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi

Trung tâm Thủy công
Viện Khoa học Thủy lợi
- 24 -

Chương 2
CƠ SỞ LÝ LUẬN CÔNG NGHỆ LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN BA CHIỀU
(3D) LÀM CỐT CHỊU LỰC TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

2.1. TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT THÉP VÀ BÊ TÔNG
2.1.1. Đặt vấn đề
Sử dụng thép sợi kéo nguội (thép cường độ cao) với hình thức bố trí không
gian trong bê tông có thể thay đổi khả năng chịu lực của bê tông đáng kể; vấn đề cơ
bản tạo ra những thay đổi đó chính là sự
tương tác giữa cốt thép và vật liệu bê tông.
Hiểu biết về sự tương tác này sẽ đánh giá được chất lượng của vật liệu bê tông, vai
trò của cốt thép 3D và dự đoán khả năng cơ học của bê tông cốt thép 3D.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa cốt thép và bê tông:
- Điều kiện, trạng thái của vật liệu bê tông: Khi chưa nứt hay đã n
ứt.
- Hỗn hợp: thành phần vật liệu bê tông.
- Đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của cốt thép.
- Hình thức bố trí cốt thép: Bố trí tập trung, phân bố hay không gian.
- Hàm lượng thép sử dụng.
- Tính bền của cốt thép khi làm việc lâu dài trong bê tông.
Bố trí cốt thép trong bê tông sẽ làm nâng cao tính chất cơ học của vật liệu bê
tông thông qua hai quá trình:
- Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu bê tông sang cốt thép.

- Sự
ảnh hưởng bắc cầu của cốt thép qua vết nứt xuất hiện khi tăng tải trọng
của bê tông.
- Cơ chế truyền ứng suất sẽ cho phép dự đoán đường cong ứng suất - biến
dạng của bê tông cốt thép và dạng phá huỷ dẻo hay phá huỷ giòn.
2.1.2. Sự tương tác giữa bê tông và cốt thép
Bê tông là hỗn hợp đặc không đồng nhất của:
- Xi măng
- Nước
- Cốt li
ệu thô