Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu liên hợp thép và bê tông sử dụng cốt thanh thủy tinh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.26 MB, 102 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
------
LÊ ANH SƠN
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU
LIÊN HỢP THÉP VÀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG
CỐT THANH THỦY TINH
LU N V N THẠC S
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Thành Phố Hồ Chí Minh. tháng 09 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
------
LÊ ANH SƠN
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU
LIÊN HỢP THÉP VÀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG
CỐT THANH THỦY TINH
Ch
M
n n ành
ố h
n n ành
: Xâ dựn Côn trình dân dụn và Côn n hiệp
: 60 58 02 08
LU N V N THẠC S XÂY DỰNG
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
N
ih
n d n hó h :
TS. L Anh T ấn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn này “Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu liên
hợp thép và bê tông sử dụng cốt thanh thủy tinh” là bài nghiên cứu của chính tôi.
Ngoài trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi
cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được
công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.
Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong
luận văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.
Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các
trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.
Thành Phố Hồ Chí Minh, năm 2016
Tác giả luận văn
Lê Anh Sơn
i
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp của
trường Đại Học Mở TPHCM nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang
bị cho học viên có một đề tài nghiên cứu khoa học bổ ích, thực tiễn và những
kiến thức chuyên sâu trước khi ra trường.
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng tôi đã nhận được rất nhiều
sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, bạn bè và người thân. Tôi chân thành cảm ơn
những sự giúp đỡ và quan tâm đó.
Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn TS. Lê Anh Tuấn đã
giúp tôi định hướng và có cái nhìn tổng quát về đề tài. Trong quá trình làm luận
văn Thầy hướng dẫn rất nhiệt tình và cung cấp những tài liệu quý báu giúp tôi
hoàn thành luận văn trong thời gian sớm nhất.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trưởng khoa Xây Dựng trường Đại Học
Mở TPHCM đó là TS. Trần Tuấn Anh đã quan tâm và định hướng tôi những đề
tài có ứng dụng thực tiễn.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự cố gắng
của bản thân nhưng cũng không thể tránh được những sai sót. Kính mong các
quý thầy cô đưa ra những nhận xét giúp tôi có những kiến thức và cái nhìn đúng
đắn hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
ii
TÓM TẮT
Kết cấu liên hợp thép – bê tông (LHT-BT) đã và đang được sử dụng khá hiệu quả
ở các nước trên thế giới và tại nước ta trong việc xây dựng các công trình nhà nhiều tầng
và nhà khung nhịp lớn, do loại kết cấu này tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng
cơ lí của cả hai loại vật liệu phổ biến là thép và bê tông để tạo ra kết cấu có khả năng chịu
lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy, đáp ứng được công
năng sử dụng cao với khẩu độ lớn, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo về mỹ thuật cao. Bên
cạnh đó với số lượng lớn các công trình xây dựng dọc theo bờ biển, trên sông, tại những
nơi có môi trường ăn mòn cốt thép trong bê tông cao. Mục tiêu nghiên cứu sử dụng cốt
thanh thủy tinh (GFRP) thay thế cho cốt thép trong kết cấu LHT-BT, do đặc điểm cường
độ chịu kéo của thanh (GFRP) cao, bền vững trong môi trường kiềm, axit và các chất ăn
mòn khác với trọng lượng riêng nhẹ giúp giảm tải bản thân của kết cấu.
Đề tài nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của thanh thủy tinh (GFRP) và khả năng
bám dính khi làm việc với bê tông nền có mác bê tông khác nhau C20/25, C25/30,
C35/45, C45/55. So sánh với khả năng bám dính của thép khi làm việc với bê tông nền.
Thực nghiệm kiểm chứng kết cấu sàn liên hợp LHT-BT sử dụng thanh thủy tinh (GFRP)
thay thế cho cốt thép chịu lực và kết quả so sánh với lý thuyết đồng thời so sánh với kết
cấu sàn LHT-BT sử dụng cốt thép chịu lực.
Kết quả nghiên cứu cho thấy cùng với vật liệu bê tông nền thì lực kéo tuột của cốt
thanh thủy tinh lớn hơn thanh thép từ 20-25%, do đó cốt thanh thủy tinh bám dính vào
bê tông nền tốt hơn so với thanh cốt thép. Thanh thủy tinh GFRP có thể thay thế cho cốt
thép để làm cốt cấu tạo và cốt chịu lực cho bê tông nền. Khi tính toán nên lấy cường độ
chịu lực của thanh thủy tinh GFRP trong giai đoạn đàn hồi. Với cùng một cấu kiện thì
khả năng chịu lực của cốt thanh thủy tinh GFRP thấp hơn khả năng chịu lực của cốt
thép khoảng 25 – 30%.
iii
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Mục lục
Trang
Lời cam đoan .......................................................................................................................... i
Lời cảm ơn ............................................................................................................................. ii
Tóm tắt .................................................................................................................................. iii
Mục lục ................................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. xi
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP VÀ
BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT THANH THỦY TINH ........................................................ xii
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu kết cấu liên hợp thép – bê tông và thanh thủy tinh polymer GFRP ............ 1
1.1.1 Kết cấu liên hợp thép – bê tông ............................................................................ 1
1.1.2 Thanh thủy tinh polymer ....................................................................................... 4
1.2 Tình hình nghiên cứu thanh GFRP và kết cấu liên hợp thép bê tông ở trong và
ngoài nước .......................................................................................................................... 6
1.2.1 Thế giới ................................................................................................................. 6
1.2.2 Trong nước .......................................................................................................... 12
1.3 Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 13
1.4 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 14
CHƢƠNG II: CƠ SỞ KHOA HỌC .................................................................................. 15
2.1 Cơ sở khoa học của hệ dầm sàn liên hợp cốt thép – bê tông ..................................... 15
2.1.1 Phương pháp và tiêu chuẩn tính toán .................................................................. 15
2.1.2 Cơ sở tính toán hệ dầm sàn liên hợp bê tông – cốt thép ..................................... 15
2.1.3 S làm việc của sàn liên hợp bê tông – thép ...................................................... 22
2.2 Cơ sở khoa học của s làm việc của cốt thanh thủy tinh – bê tông ........................... 25
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang iv
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
CHƢƠNG III: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ................... 28
3.1 Vật liệu ....................................................................................................................... 28
3.1.1 Bê tông ................................................................................................................ 28
3.1.2 Thanh thủy tinh GFRP ........................................................................................ 29
3.1.3 Tấm tôn Type “K” Panel (Zamil Steel) .............................................................. 31
3.2 Phương pháp th c nghiệm ......................................................................................... 32
3.2.1 Thiết kế sàn liên hợp chịu th c nghiệm .............................................................. 32
3.2.2 Thi công sàn ........................................................................................................ 43
3.2.3 Mẫu thí nghiệm kéo tuột cốt thép và cốt thủy tinh ............................................. 50
3.2.4 Quy trình thí nghiệm kéo tuột thanh thép và thanh thủy tinh GFRP .................. 52
3.2.5 Quy trình uốn sàn LHT-BT ................................................................................ 54
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 58
4.1 Ảnh hưởng của khả năng bám dính đến s làm việc chung giữa cốt thanh và
bê tông nền ....................................................................................................................... 58
4.1.1 Mô hình bám dính của cốt thép và bê tông nền .................................................. 59
4.1.2 Mô hình bám dính của Thanh thủy tinh và bê tông nền ..................................... 62
4.1.3 So sánh khả năng bám dính của cốt thép và cốt thanh thủy tinh trong
bê tông nền ................................................................................................................... 66
4.2 Kiểm chứng mô hình kết cấu chịu uốn ...................................................................... 70
4.2.1 Vật liệu nền là bê tông và cốt thép ..................................................................... 71
4.2.2 Vật liệu nền là bê tông và cốt thanh thủy tinh .................................................... 77
4.2.3 So sánh các mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị ........................................ 84
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................. 87
5.1 Kết luận ...................................................................................................................... 87
5.2 Hướng phát triển của đề tài ........................................................................................ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 89
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang v
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Tháp thiên niên kỷ - Áo .......................................................................... 2
Hình 1.2: Quá trình xây d ng tháp thiên niên kỷ .................................................... 2
Hình 1.3: Hệ dầm sàn trong quá trình thi công ....................................................... 2
Hình 1.4: Thi công chốt hàn .................................................................................... 3
Hình 1.5: Trung tâm thương mại tài chính Bitexco tại Hồ Tùng Mậu – Hải Triều
Quận 1 – TP.Hồ Chí Minh ..................................................................... 3
Hình 1.6: Một vài hình ảnh về thanh thủy tinh gia cường Polymer GFRP ............. 5
Hình 1.7: Sơ đồ thí nghiệm của M.Sanfan .............................................................. 9
Hình 1.8: Mặt cắt tiết diện ....................................................................................... 9
Hình 1.9: Toàn cảnh thí nghiệm của M.Sanfan ...................................................... 9
Hình 1.10: Toàn cảnh thí nghiệm của Shimming Chen ........................................ 10
Hình 1.11: Quan hệ mômen và độ võng trong thí nghiệm Shimming Chen.......... 11
Hình 1.12: Toàn cảnh thí nghiệm của Wojciech Lorenc ....................................... 12
Hình 2.1: Tải trọng trên tấm tôn một nhịp và nhiều nhịp ..................................... 16
Hình 2.2: Phân bố ứng suất chịu mômen dương khi trục trung hòa nằm phía
trên sóng tôn ......................................................................................... 17
Hình 2.3: Phân bố ứng suất chịu mômen dương khi trục trung hòa nằm trong
sóng tôn ................................................................................................ 18
Hình 2.4: Mối quan hệ thí nghiệm giữa Mpr và Mpa .............................................. 19
Hình 2.5: Phân bố ứng suất tiết diện chịu mômen âm .......................................... 20
Hình 2.6: Tính toán l c cắt đứng .......................................................................... 20
Hình 2.7: Chu vi phá hoại chọc thủng (punching shear) ...................................... 21
Hình 2.8: Các biện pháp hạn chế s trượt giữa tôn và bê tông ............................. 23
Hình 2.9: S làm việc của sàn liên hợp ................................................................. 24
Hình 2.10: S làm việc giòn và làm việc d o ....................................................... 25
Hình 2.11: Quá trình chịu tác dụng l c của bê tông ............................................. 26
Hình 2.12: Cơ chế chịu tác động l c của các thanh trong bê tông nền ................. 26
Hình 2.13: Cơ chế chịu tác động l c của kết cấu chịu uốn bê tông cốt
thanh polymer .................................................................................... 27
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang vi
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Hình 3.1: Sơ đồ tính toán sàn LHT-BT ................................................................. 32
Hình 3.2: Mômen sàn LHT-BT ............................................................................. 32
Hình 3.3: Mặt cắt sàn ............................................................................................ 32
Hình 3.4: Lắp tấm tôn “K” panel cho sàn liên hợp cốt thép ................................. 44
Hình 3.5: Tạo lưới cốt thủy tinh cho sàn ............................................................... 44
Hình 3.6: Lưới sợi thủy tinh sau khi hoàn thành ................................................... 45
Hình 3.7: Các chốt hàn của sàn liên hợp cốt thép ................................................. 45
Hình 3.8: Lắp lưới sợi thủy tinh vào sàn ............................................................... 46
Hình 3.9: Lắp cốt thủy tinh vào sàn để chuẩn bị đổ bê tông ................................. 46
Hình 3.10: Thi công các chốt hàn ......................................................................... 47
Hình 3.11: Hoàn thành công tắc lắp lưới sợi thủy tinh ......................................... 48
Hình 3.12: Kiểm tra độ sụt cho bê tông sàn .......................................................... 48
Hình 3.13: Bắt đầu đổ bê tông cho sàn ................................................................. 49
Hình 3.14: Đổ bê tông cho sàn .............................................................................. 49
Hình 3.15: Thí nghiệm kéo tuột giữa thanh thủy tinh (thép) và bê tông nền ........ 50
Hình 3.16: Mẫu để thí nghiệm kéo tuột cho cốt thủy tinh .................................... 51
Hình 3.17: Các mẫu thí nghiệm kéo tuột cho bê tông ........................................... 51
Hình 3.18: Lắp mẫu cần kéo vào bộ gá để cố định mẫu ....................................... 52
Hình 3.19: Đặt mẫu vừa cố định lên máy kéo ....................................................... 52
Hình 3.20: Gia tải theo tốc độ cho phép đến khi mẫu phá hoại ............................ 53
Hình 3.21: Tháo mẫu sau khi đã phá hoại ra khỏi bộ gá ....................................... 53
Hình 3.22: Sơ đồ tính toán sàn LHT-BT ............................................................... 54
Hình 3.23: Vị trí gắn Strain gauges mặt trên sàn LHT-BT ................................... 54
Hình 3.24: Vị trí lắp các thiết bị thu nhận tính hiệu đo chuyển vị (mặt dưới sàn) 54
Hình 3.25: Lắp các thiết bị chuyển đổi l c tập trung thành l c phân bố đều ....... 55
Hình 3.26: Lắp các Strain Gauges tại vị trí 1, 2 và 3 ............................................ 56
Hình 3.27: Lắp các thiết bị thu nhận tính hiệu đo chuyển vị tại vị trí 4, 5, 6, 7
8, và 9 ................................................................................................ 56
Hình 3.28: Khởi động máy và cài đặt các thông số .............................................. 57
Hình 3.29: Diễn biến quá trình uốn sàn LHT-BT ................................................. 57
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang vii
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Hình 4.1: Th c nghiệm kéo tuột thép trơn ............................................................ 58
Hình 4.2: Mẫu kéo tuột thép gân ........................................................................... 59
Hình 4.3: So sánh kết quả thí nghiệm kéo tuột ở 4 cấp phối BTCT ..................... 60
Hình 4.4: So sánh tải trọng kéo tuột cốt thép với cấp phối bê tông nền khác
nhau ...................................................................................................... 61
Hình 4.5: Hình phân chia các giai đoạn trong thí nghiệm .................................... 62
Hình 4.6: So sánh kết quả thí nghiệm kéo tuột cốt thủy tinh với cấp phối bê
tông nền khác nhau .............................................................................. 64
Hình 4.7: So sánh tải trọng kéo tuột ở 4 cấp phối mẫu BTCT .............................. 64
Hình 4.8: Phân chia các giai đoạn trong kéo tuột thanh thủy tinh ........................ 65
Hình 4.9 Mẫu kéo tuột thanh thủy tinh với bê tông Mac cao ............................... 66
Hình 4.10: Hình so sánh tải trọng kéo tuột ở cấp phối mẫu BTCT và BTCTT .... 67
Hình 4.11: So sánh kết quả thí nghiệm kéo tuột của bê tông nền C25/30 ............ 67
Hình 4.12: Mô hình về ứng suất biến dạng của thép ............................................ 68
Hình 4.13: Mô hình về ứng suất biến dạng của bê tông ....................................... 68
Hình 4.14: Mô hình ứng xử bám dính của bê tông và thép .................................. 69
Hình 4.15: Sơ đồ tính toán sàn LHT-BT ............................................................... 70
Hình 4.16: Vị trí gắn Strain gauges mặt trên sàn LHT-BT ................................... 70
Hình 4.17: Vị trí lắp các thiết bị thu nhận tính hiệu đo chuyển vị
(mặt dưới sàn) ...................................................................................... 70
Hình 4.18: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C20/25 vị trí 6+7
(giữa nhịp) ............................................................................................ 73
Hình 4.19: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C20/25 vị trí 4+5+8+9 ......... 73
Hình 4.20: Sàn liên hợp sau th c nghiệm ............................................................. 74
Hình 4.21: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C25/30 tại vị trí 6+7
(giữa nhịp) ............................................................................................ 76
Hình 4.22: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C25/30 tại vị trí 4+5+8+9 .... 77
Hình 4.23: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCTT C20/25 tại vị trí 6+7
(giữa nhịp) ............................................................................................ 80
Hình 4.24: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCTT C20/25 tại vị trí 4+5+8+9 .. 80
Hình 4.25: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCTT C25/30 tại vị trí 6+7
(giữa nhịp) ............................................................................................ 83
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang viii
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Hình 4.26: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCTT C25/30 tại
vị trí 4+5+8+9 .................................................................................... 83
Hình 4.27: Ứng suất chuyển vị tại Vị trí 6+7 (giữa nhịp) với bê tông nền
C20/25 ............................................................................................... 84
Hình 4.28: Ứng suất chuyển vị tại Vị trí 4+5+8+9 với bê tông nền C20/25 ........ 85
Hình 4.29: Ứng suất chuyển vị tại Vị trí 4+5+8+9 với bê tông nền C25/30 ........ 85
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang ix
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: So sánh kết quả thí nghiệm giữa dầm LHT-BT và dầm LHT-BT ƯST
trong thí nghiệm của M.Sanfan ............................................................................... 8
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của bê tông .............................................................. 28
Bảng 3.2: Thiết kế cấp phối bê tông mác C20/25 ................................................. 28
Bảng 3.3: Thiết kế cấp phối bê tông mác C25/30 ................................................. 29
Bảng 3.4: Thiết kế cấp phối bê tông mác C35/45 ................................................. 29
Bảng 3.5: Thiết kế cấp phối bê tông mác C45/55 ................................................. 29
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của thanh GFRP ...................................................... 30
Bảng 3.7: Kết quả cường độ kéo, mô đun đàn hồi và biến dạng thanh GFRP ..... 30
Bảng 3.8: Các thông số khác ................................................................................. 30
Bảng 3.9: Các thông số kỹ thuật tấm tôn Type “K” Panel .................................... 31
Bảng 3.10: Thiết kế chi tiết sàn LHT-BT .................................... 35,36,37,38,39,40
Bảng 3.11: Số liệu tính toán đối với sàn BTCT C20/25 ....................................... 41
Bảng 3.12: Số liệu tính toán đối với sàn BTCT C25/30 theo tính toán ........... 41,42
Bảng 3.13: Các số liệu tính toán trung gian xác định độ võng sàn ....................... 42
Bảng 4.1: Th c nghiệm kéo tuột cốt thép – bê tông ........................................ 59,60
Bảng 4.2: Th c nghiệm kéo tuột cốt thanh thủy tinh – bê tông ............................ 63
Bảng 4.3: Số liệu tính toán lý thuyết đối với sàn BTCT C20/25 .......................... 71
Bảng 4.4: Kết quả th c nghiệm đối với sàn BTCT C20/25 .................................. 72
Bảng 4.5: Số liệu tính toán đối với sàn BTCT C25/30 theo tính toán .................. 75
Bảng 4.6: Số liệu thí nghiệm đối với sàn BTCT C25/30 ................................. 75,76
Bảng 4.7: Kết quả tính toán đối với sàn BTCTT C20/25 ..................................... 78
Bảng 4.8: Kết quả th c nghiệm đối với sàn BTCTT C20/25 ............................... 79
Bảng 4.9: Kết quả tính toán đối với sàn BTCTT C25/30 ..................................... 81
Bảng 4.10: Kết quả thí nghiệm đối với sàn BTCTT C25/30 ................................ 82
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang x
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BTCT: Bê tông cốt thép
BTCTT: Bê tông cốt sợi thủy tinh
GFRP: Thanh thủy tinh polymer
LHT-BT: Liên hợp thép – bê tông
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang xi
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU LIÊN
HỢP THÉP VÀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT THANH
THỦY TINH
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang xii
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu kết cấu liên hợp thép – bê tông và thanh thủy tinh polymer GFRP.
1.1.1 Kết cấu liên hợp thép – bê tông.
Kết cấu liên hợp thép – bê tông đã và đang được sử dụng khá hiệu quả ở nhiều nước trên
thế giới và ở nước ta trong việc xây dựng các công trình nhà nhiều tầng và nhà khung nhịp
lớn, do loại kết cấu này tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lí của cả 2 loại vật
liệu phổ biến là thép và bê tông để tạo ra kết cấu có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao,
đồng thời tăng cường khả năng chống cháy. Công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp
thép bê tông đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo yếu tố
thẩm mỹ. Kết cấu liên hợp thép – bê tông (LHT-BT) là kết cấu mà thép chịu lực có dạng
thép tấm, thép hình, thép ống liên kết (chốt hàn, thép góc hàn, neo, móc …) với bê tông
cùng làm việc phát huy hiệu quả của hai loại vật liệu. Sự làm việc hoàn toàn khác với
BTCT và chỉ được thực hiện khi đảm bảo sự làm việc liên hợp giữa bê tông và thép kết cấu.
Sàn liên hợp thường bao gồm các tấm tôn ở mặt dưới, bên trên nó là lưới cốt thép và bê
tông đổ tại chỗ. Tấm tôn được cấu tạo theo nhiều hình dạng khác nhau, chúng có các sườn
nổi nhằm tăng độ cứng uốn và giảm trọng lượng của bản sàn, tăng khả năng truyền lực giữa
bê tông và tấm tôn, ngăn cản chuyển vị ngang của dầm thép trong quá trình lắp dựng. Các
chốt liên kết được hàn sẵn với tấm tôn để tăng khả năng chịu cắt giữa bê tông và tấm tôn.
Bản sàn liên hợp thường có chiều dày không dưới 80mm và có thể dày đến 180mm, tùy
theo yêu cầu tải trọng và khả năng chịu lực của bản sàn. Chiều dày của lớp bê tông nằm trên
sóng tôn yêu cầu phải lớn hơn 40mm để tạo thành lớp bê tông bảo vệ cốt thép và đảm bảo
khả năng chịu lực. Nhịp của sàn có thể từ 2.5 đến 4m, có khi lên đến 7m nếu có sử dụng các
cột trụ chống đỡ trong quá trình thi công.
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 1
Trường Đại Học Mở TP.HCM
Hình 1.1: Tháp thiên niên kỷ - Áo
(nguồn: [24, tr18] [26, tr18)
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Hình 1.2: Quá trình xây dựng tháp thiên
niên kỷ (nguồn: [24, tr19] [26, tr19)
Hình 1.3: Hệ dầm sàn trong quá trình TC
(nguồn: [Internet])
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 2
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Hình 1.4: Thi công chốt hàn
(nguồn: [5, tr8] [26, tr22])
Hình 1.5: Trung tâm thương mại tài chính Bitexco tại Hồ Tùng Mậu – Hải Triều – Quận 1 –
TP.HCM
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 3
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Sàn liên hợp phải được thiết kế đảm bảo khả năng chịu lực trong suốt quá trình thi công
và quá trình sử dụng khi mà bê tông đã đông cứng. Tấm tôn đóng vai trò ván khuôn trong
quá trình thi công cần được tính toán về khả năng chịu các loại tải trọng do trọng lượng bản
thân của bê tông ướt, lưới cốt thép, các thiết bị đổ tông và người thao tác ... Cần phải kiểm
tra sàn liên hợp tại các vị trí nguy hiểm có thể xảy ra phá hoại do mômen lớn, trượt dọc,
trượt ngang tại mặt tiếp xúc giữa tấm tôn và bê tông.
1.1.2 Thanh thủy tinh polymer.
Xuất phát từ nhu cầu cần có một loại vật liệu có thể thay thế một phần cốt thép cho các
công trình xây dựng yêu cầu độ bền vững cao trong điều kiện môi trường khắc nghiệt mà
không bị phá hoại do hiện tượng rỉ sét, vật liệu không có tính năng dẫn điện cho các công
trình yêu cầu chống sét và cho phép sóng điện từ đi qua, thanh thủy tinh polymer – thanh
cốt sợi thủy tinh gia cường Polymer - (GFRP) với tính năng chịu kéo cao hơn thép nhiều
lần, trọng lượng nhẹ và không bị ăn mòn. GFRP bền vững trong môi trường muối, axit và
các chất ăn mòn khác. Tại Mỹ, từ năm 1991 đã triển khai sản xuất thử nghiệm và ứng dụng
thanh thủy tinh GFRP. Tại Nhật Bản, thanh GFRP bắt đầu được sử dụng từ năm 1990 cho
các công trình cầu giao thông. Các các nước thuộc Châu Âu, thanh GFRP cũng được nghiên
cứu và phát triển từ những năm 1986. Sự ra đời của GFRP giúp kéo dài tuổi thọ của công
trình, xây dựng các công trình ở những nơi có điều kiện môi trường khắc nghiệt. Thanh cốt
sợi thủy tinh có thể dùng để thay thế cho một phần hay toàn bộ cốt thép trong cấu kiện,
công trình xây dựng.
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 4
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Hình 1.6: Một vài hình ảnh về thanh thủy tinh gia cường Polymer GFRP
Thép polymer có hiệu quả kinh tế cao khi dùng cho các công trình ngầm: các loại cọc
đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi và Barret - tường vây cho tầng hầm nhà cao tầng, sàn tầng
hầm và sàn nhà. Các công trình giao thông và cầu cảng như sàn mặt cầu, mặt đường bê
tông, trong xây dựng kết cấu hạ tầng có thể sử dụng với thép thường trong cùng một cấu
kiện, trong đó thanh GFRP là thành phần chịu lực chính của kết cấu, chi tiết đai và cấu tạo
có thể dùng thép thường.
* Đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của cốt sợi GFRP
Ưu điểm :
- Độ bền kéo cao, cao hơn thép gấp 3 lần. Điều này có nghĩa thanh GFRP có thể có
diện tích tính toán nhỏ hơn cốt thép. Thanh GFRP có thể thay thế cốt thép với đường kính
nhỏ hơn do độ bền kéo cao hơn. Việc thanh thế sẽ được thực hiện theo tải trọng kéo và mô
đun đàn hồi. Trong trường hợp thay thế đúng tính tiết kiệm có thể đạt đến 30%.
- Khối lượng riêng thấp, khối lượng riêng của thanh GFRP ít hơn cốt thép 5 lần.
Trong trường hợp thay thế tải trọng kéo như nhau khối lượng của khung cốt giảm tới 9 lần.
- Không có tính điện từ, vì thanh GFRP là không có tính điện từ, thanh GFRP có thể
được sử dụng trong các dự án khi mà yêu cầu không có tính điện từ. Chẳng hạn như phòng
y tế với trang thiết bị y tế rất nhạy hoặc các trạm radar.
- Chống ăn mòn, sản phẩm thanh GFRP có khả năng chống ăn mòn, điều này tạo
điều kiện để giảm lớp bảo vệ bê tông đến 15-20mm.
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 5
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
- Sức chịu mỏi rất cao, thanh GFRP có thể thay đổi phụ thuộc vào đơn đặt hàng từ 1400m, với đường kính nhỏ hơn 12mm thanh GFRP có thể cuộn lại giúp cho việc vận
chuyển có tính hiệu quả và kinh tế hơn.
- Đơn giản và nhanh chóng ứng dụng. Khối lượng nhẹ, dễ dàng cắt và thanh GFRP
bốc dở và lắp đặt cho khung gia cố.
- Khả năng chịu kiềm. Nhiều công trình bảo vệ bờ biển, cầu, cảng và xưởng cạn bị
ăn mòn quá nhiều cốt thép do ảnh hưởng của nước biển (kiềm). Thanh GFRP tránh được
nhược điểm này. Thanh GFRP có khả năng chống kiềm ăn mòn và không chịu ảnh hưởng
của môi trường nước biển.
- Hệ số giãn nở nhiệt tương tự như bê tông. Các vết nứt của lớp bê tông do ảnh
hưởng của nhiệt độ thay đổi không thể xảy ra.
- Về độ bền, thanh GFRP tăng tuổi thọ kết cấu bê tông 2-3 lần so với cốt thép, đặc
biệt là trong khu vực chịu tiếp xúc với môi trường ăn mòn. Tuổi thọ của bê tông thanh
GFRP ít nhất là 80 năm.
- Dẫn nhiệt, dẫn điện thấp.
Nhược điểm :
- Tính chất suy giảm cường độ nhanh trong điều kiện nhiệt độ cao khi tiếp giáp
nguồn nhiệt, gặp hỏa hoạn.
- Hạn chế trong việc không thể gia công tại công trường đòi hỏi phải tăng cường việc
chuẩn bị, tính toán định hình ngay tại dây chuyền sản xuất.
1.2 Tình hình nghiên cứu thanh GFRP và kết cấu liên hợp thép bê tông ở trong và
ngoài nước.
1.2.1 Thế giới.
Cốt sợi polymer (FRP) đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong lĩnh vực hàng không,
vũ trụ, ô tô và các lĩnh vực khác. Năm 1950 khi lần đầu tiên thanh GFRP được sử dụng
trong kết cấu công trình dân dụng. Tuy nhiên, phải đến những năm 1970 thì FRP mới được
xem xét cho các ứng dụng kỹ thuật kết cấu và hiệu suất vượt trội của nó so với thép bọc
epoxy đã được công nhận. Kể từ đó, nhiều vật liệu FRP mới đã được phát triển với một loạt
các hình thức khác nhau như dạng thanh, sợi, lưới hoặc hình dạng cấu trúc tiêu chuẩn. Các
vật liệu sợi bao gồm aramid, polyvinyl, carbon và sợi thủy tinh cải tiến.
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 6
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Lịch sử phát triển của thanh GFRP bắt đầu từ ứng dụng cho phần bản mặt của các công
trình cầu ô tô ở Bắc Mỹ thay thế cho cốt thép, nhằm hạn chế sự phá hoại cốt thép của thành
phần clo xâm nhập vào bê tông khi người ta buộc phải rải muối lên mặt cầu đường để phá
tan băng tuyết cho xe lưu thông những năm 1980, đến nay càng ngày càng nhiều ứng dụng
của thanh GFRP được nghiên cứu và phát triển. Thanh cốt sợi thuỷ tinh gia cường polymer
(GFRP) với tính năng chịu kéo cao hơn thép nhiều lần lại nhẹ và không bị gỉ. GFRP bền
vững trong môi trường muối, axit và các chất ăn mòn khác đã được nhắc đến ở Việt Nam từ
những năm 70 của thế kỷ trước, nhưng chỉ như một ước vọng xa xôi, ai cũng nghĩ rằng nó
chỉ dùng được ở vài ngành kỹ thuật sang trọng như hàng không vũ trụ hoặc các dự án quốc
phòng. Thống kê sơ bộ có trên 30 quốc gia phát triển đã có nhiều nghiên cứu và sử dụng
thanh GFRP, riêng tại Mỹ có trên 3000 doanh nghiệp với 250.000 lao động đang làm việc
trong ngành nghề liên quan đến thanh GFRP, đã có nhiều Hiệp hội về sản xuất ứng dụng
các dạng sản phẩm của thanh GFRP được ra đời, trong đó nổi tiếng nhất là ACMA
(American composites manufacturers association)
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép bê tông dùng trong các lĩnh
vực cầu đường, nhà cao tầng đã và đang được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm. Nhiều
hội nghị khoa học về kết cấu liên hợp thép – bê tông ở tầm cỡ quốc tế đã được tổ chức.
Nhiều nghiên cứu về kết cấu liên hợp bê tông trên thế giới.
Thời gian
Sự kiện
Năm 1894
Kết cấu liên hợp thép - bê tông sử dụng xây cầu Rock Rapids bởi kỹ sư
Joset Melan.
Năm 1900
Kết cấu liên hợp thép – bê tông xuất hiện ở Anh.
Năm 1922
Lý thuyết về tính toán được nghiên cứu bởi giáo sư H.M. MC Kay
trường đại học Mc Gill, Canada.
Năm 1954
Phương pháp tính toán kết cấu liên hợp ra đời tại Châu Âu.
Năm 1978
Hội nghị lần thứ I về kết cấu liên hợp diễn ra tại Tokyo Nhật Bản.
Năm 1984
Hội nghị lần thứ II về kết cấu liên hợp diễn ra tại Settle Washington Mỹ.
Năm 1987
Hội nghị lần III về kết cấu liên hợp diễn ra tại New Hamshire.
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 7
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Nhiều bài nghiên cứu, báo cáo khoa học trên thế giới đã nói về kết cấu liên hợp bê tông
và vật liệu composite. Các tiêu chuẩn, hướng dẫn thiết kế kết cấu liên hợp bê tông và vật
liệu composite cụ thể như: “ACI 440.1R-06 (2006), Guide for the Design and construction
of structural concrete Reinforced with FRP Bars, American Concrete Institute [4]” đã
nghiên cứu về sự gia cường thanh thủy tinh trong cấu trúc dầm, từ đó phân tích các yếu tố
ảnh hưởng đến dầm đã được gia cường và hướng dẫn thiết kế, ứng dụng dầm liên hợp trong
xây dựng.
Bên cạnh đó vào năm 2010, bài nghiên cứu “Serviceability behavior of FRP reinforced
concrete beams” của tác giả Cristina Barris Pena [6], đại học Girona đã nghiên cứu về ứng
xử của thanh sợi thủy tinh trong cấu trúc dầm bê tông.
Một số nghiên cứu liên quan đến LHT-BT :
* Nghiên cứu thực nghiệm của M.Sanfan, trường Đại học kỹ thuật Czech tại Prague [18],
đã so sánh về khả năng chịu lực, độ võng giữa hai dầm LHT-BT và dầm LHT-BT ƯST có
kích thước như nhau (dầm liên tục 2 nhịp, 7m/nhịp, phần dầm thép I.B.No30, bản bê tông
kích thước 600x6mm, dùng 2 thanh căng đường kính 15,5mm). Kết quả cho thấy với cùng
một tiết diện, sơ đồ kết cấu và cùng loại tải trọng tác động thì khả năng chịu lực như sau:
Bảng 1.1: So sánh kết quả thí nghiệm giữa dầm LHT-BT và dầm LHT-BT ƯST
trong thí nghiệm của M.Sanfan
Nội dung so sánh
Tải trọng khi xuất hiện vết
Dầm LHT-BT
Dầm LHT-BT ƯST
25 kN
115 kN
nứt đầu tiên (P)
Tổng số vết nứt khi kết thúc
31 vết nứt/tổng chiều dài
20 vết nứt/tổng chiều dài
thí nghiệm
vết nứt là 223 cm
vết nứt là 126 cm
230 kN
300 kN
1
0,56
Tải trọng cực đại (P)
Độ võng so sánh
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 8
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
Hình 1.7: Sơ đồ thí nghiệm của M.Sanfan (nguồn [18])
Hình 1.8: Mặt cắt tiết diện
Hình 1.9: Toàn cảnh thí nghiệm của M.Sanfan (nguồn [18])
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 9
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
* Một số nghiên cứu của Shimming Chen (Đại học Tổng hợp Tongji) như khảo sát thí
nghiệm so sánh dầm LHT-BT ƯST với dầm LHT-BT (01 dầm liên tục 2 nhịp; 01 dầm liên
tục 1 nhịp có 2 đầu công-xôn) [29]; Nghiên cứu thực nghiệm trên 2 dầm đơn giản LHT-BT
ƯST, nhịp 5,0m [30]; hoặc xác định bề rộng hiệu quả của dầm LHT-BT ƯST có dây căng
ngoài [28] cho các kết luận như sau:
- Sử dụng ứng suất trước vào dầm LHT-BT sẽ làm tăng khả năng chịu lực, giảm độ
võng [30].
- Bề rộng hiệu quả của bản sàn tăng lên so với khi không ứng suất trước [28].
- Sự co ngót của bê tông có ảnh hưởng đến bề rộng hiệu quả của dầm LHT-BT ứng
suất trước, tuy nhiên ảnh hưởng này được bỏ qua khi xác định bề rộng hiệu quả [28].
- Sự trượt bề mặt giữa bê tông và thép trong dầm LHT-BT ứng suất trước, tuy nhiên
ảnh hưởng này được bỏ qua khi xác định bề rộng hiệu quả [28].
Hình 1.10: Toàn cảnh thí nghiệm của Shimming Chen (nguồn [29])
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 10
Trường Đại Học Mở TP.HCM
GVHD: TS. Lê Anh Tuấn
BS1 trong thí nghiệm 2
BS1 trong
thí nghiệm 1
Hình 1.11: Quan hệ mômen và độ võng trong thí nghiệm Shimming Chen (nguồn [29])
Ghi chú: dầm BS1 trong thí nghiệm 1 là dầm LHT-BT; dầm BS1 trong thí nghiệm 2 và
dầm BS2 là dầm LHT-BT ứng suất trước.
* Với nghiên cứu thực nghiệm trên 6 dầm LHT-BT đơn giản nhịp 5,5m (bao gồm 01
dầm không ƯST; 02 dầm ƯST sử dụng dây căng thẳng; 03 dầm ƯST sử dụng căng gấp
khúc), Wojciech Lorenc (Trường Đại học công nghệ Wroclaw – Ba Lan) đã đưa ra một số
kết luận cơ bản sau:
- Dây căng ngoài ứng suất trước làm tăng khả năng chịu tải và tải trọng cực hạn của
dầm LHT-BT lên 25% tại các tiết diện chịu mômen dương so với dầm LHT-BT không ứng
suất trước.
- Trong dầm đơn giản, với một độ lệch tâm như nhau của dây căng thì dường như
không có sự khác nhau về sự làm việc giữa dầm sử dụng dây căng gấp khúc với dầm sử
dụng căng thẳng không có neo trung gian [33].
Học viên: Lê Anh Sơn
Trang 11
