Luận án tiến sĩ: Ứng xử cắt dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép - Nghiên cứu của Trần Thị Lý

Đặt vấn đề Bê tông là một trong những loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình nói chung và công trình Giao thông nói riêng. Ngày nay do yêu cầu về quy mô và chất lượng, nhiều công trình đòi hỏi vật liệu bê tông có cường độ cao hơn. Đồng thời do khoa học phát triển, nhiều loại bê tông có tính năng cao và siêu cao đã được nghiên cứu và áp dụng. Bê tông cường độ cao (BTCĐC) - High Strength Concrete(HSC) là một trong những loại bê tông tiên tiến đã được áp dụng rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam.

Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén lớn nhưng cường độ chịu kéo vẫn rất nhỏ. Ngoài việc tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo của bê tông cũng cần được cải thiện để tăng khả năng chịu lực cho các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép. Để tăng cường độ chịu kéo cho bê tông người ta thường sử dụng các loại cốt sợi phân tán như là một thành phần của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông. Cốt sợi thép (CST) là một trong những loại cốt sợi được sử dụng phổ biến nhất do những lợi ích của nó mang lại.

Vì vậy, bê tông cốt sợi thép (BT CST) là một trong những loại bê tông cốt sợi được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới [6], [7], [8], [22], [26], [32], [42]. Nghiên cứu về thành phần và tính chất cơ học của BT CST đã được các nhà khoa học công bố rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam. Trước đây, để tăng cường khả năng chịu cắt cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) người ta sử dụng cốt thép đai, cốt thép xiên truyền thống. Ngoài sử dụng cốt thép dạng thanh thông thường, các loại cốt làm từ vật liệu mới cũng đã được nghiên cứu để tăng cường sức kháng cắt của dầm BTCT như: cốt đai bằng composite, cốt sợi các bon, tấm dán các bon [18], [108],.

Để tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT có thể sử dụng cốt dạng thanh như cốt đai, cốt xiên hoặc cốt sợi trong đó có sợi thép. Sợi thép có tính chất hàn gắn các vi vết nứt vì nó bắc cầu qua vết nứt, ngăn chặn sự phát triển vết nứt theo nghiên cứu của Narayanan và Darwish [95], Lim và Oh [99], Swamy R. Cốt sợi thép làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông, làm tăng sức kháng cắt vì vai trò kháng ứng suất kéo chính do lực cắt và mô men gây ra. Cốt sợi thép có thể ngăn 2 ngừa sự nứt chéo do ứng suất kéo chủ và vết nứt do kéo.

Do đó việc sử dụng cốt sợi thép trong dầm BTCT chống lại sự phá hoại do cắt và làm tăng ứng xử dẻo trong dầm [92]. Đối với BTCĐC, cốt sợi thép sẽ phát huy tốt hơn vai trò của nó do lực dính bám giữa sợi thép và BTCĐC tốt hơn. Nhiều nghiên cứu về ứng xử của dầm bê tông cốt sợi thép đã chỉ ra được vai trò của cốt sợi thép khi chịu cắt. Theo một số nghiên cứu của các nhà sản xuất cốt sợi thép, sử dụng cốt sợi thép trong kết cấu BTCST có thể giảm được giá thành của công trình vì lý do: giảm được kích thước, thời gian thi công nhanh, độ bền lớn, khả năng chịu tác động môi trường tốt do nứt nhỏ.

Chi phí thi công có thể giảm tới 30% [7], [22], [33]. Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu ứng xử cắt dầm BTCST có cường độ trung bình [41], [59], [70], [76], [95]. Một số nghiên cứu về ứng xử cắt dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐC CST) và dầm bê tông cường độ siêu cao cũng đã được công bố [59], [101], [107], [115]. Đa số các nghiên cứu tập trung vào dầm không có cốt đai truyền thống để dễ dàng xem xét đóng góp của cốt sợi thép hơn.

Tuy nhiên, do cốt thép đai đóng vai trò quan trọng trong dầm như: định vị cốt dọc, tạo khung cốt thép, chống xoắn tốt… Nên loại dầm bê tông có sử dụng cả cốt sợi thép và cốt đai truyền thống được quan tâm nghiên cứu. Việc nghiên cứu sâu hơn cho dầm BTCST có sử dụng cốt đai chưa được đề cập nhiều trên thế giới. Với bê tông cường độ cao, dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông rất tốt. Ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cũng sẽ khác biệt với bê tông thường.

Đặc biệt dầm bê tông cường độ cao sử dụng cốt sợi thép và cốt thép đai đồng thời đang là chủ đề cần nghiên cứu thêm. Như ta đã biết, ứng xử cắt của dầm bê tông cốt thép (BTCT) luôn là vấn đề phức tạp. Sự phá hoại do cắt có nguồn gốc từ các vết nứt nghiêng do nguyên nhân không chỉ bởi lực cắt mà còn do sự kết hợp của lực cắt với mô men uốn, mô men xoắn và lực dọc trục [10]. Sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, đặc trưng hình học, tác động tải trọng và các đặc trưng cấu tạo của vật liệu kết cấu.

Các vết nứt do cắt nằm nghiêng và sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào số lượng lớn các yếu tố, vì vậy thiết kế dầm bê tông cốt thép chịu cắt không giống như thiết kế dầm chịu uốn mà phải xem xét sự đáp ứng của kết cấu trong một chiều dài nhất định hơn là xem xét tại các mặt cắt riêng lẻ. 3 Từ những rủi ro của sự phá hoại do cắt trong cấu kiện chịu uốn bằng BTCT đã xảy ra trong quá khứ, dẫn đến các nhà nghiên cứu quan tâm hơn đến vấn đề này. Qua một số sự cố về phá hoại cắt của các kết cấu BTCT trên thế giới, đặt ra vấn đề cần xem xét, nghiên cứu thêm về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST. Việc nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm BT CST một cách toàn diện giúp các nhà khoa học đưa ra mô hình tính toán một cách chính xác hơn.

Đặc biệt, nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai là đề tài phức tạp [48], [70], [91] có rất ít nghiên cứu. Các chủ đề về ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cần được quan tâm nhiều hơn nữa. Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST rất ít được công bố. Trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT cho công trình cầu đường bộ vẫn chưa đề cập đến tính toán về cắt cho loại dầm BTCST và BTCĐC CST.

Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu một mô hình tính toán về cắt phù hợp cho dầm BTCĐC CST là cấp thiết và mang tính thời sự. Với các dầm có sử dụng cốt đai truyền thống kết hợp với cốt sợi thép, do mối quan hệ phức tạp về ứng suất biến dạng dẫn đến góc nghiêng của ứng suất nén chính và biến dạng trong cốt thép dọc chủ thay đổi. Vì vậy, ứng xử cắt của dầm BTCST vẫn là vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu nhiều hơn và kỹ hơn. Do đó: “Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép” có tính cấp thiết, nhất là sử dụng vật liệu trong điều kiện ở Việt Nam.

Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST nói riêng từ đó lựa chọn được mô hình bán thực nghiệm phù hợp với tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. - Nghiên cứu thực nghiệm điều chỉnh công thức dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. - Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST chịu tải trọng thiết kế trong tiêu chuẩn Thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 - Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng công thức đề ra, nghiên cứu các dạng phá hoại do cắt trong dầm BTCĐC CST và nghiên cứu về biến dạng trong 4 cốt thép dọc, cốt thép đai và trong bê tông miền chịu nén của dầm giản đơn BT CĐC CST. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là ứng xử cắt của dầm giản đơn BTCĐC CST có sử dụng cốt đai.

Dầm giản đơn BTCĐC CST tiết diện chữ nhật được kiểm chứng theo công thức tính sức kháng cắt đề xuất. Xem xét các hình thức phá hoại do cắt và cắt uốn của các dầm kích thước cụ thể theo thiết kế. Đo biến dạng trong cốt dọc, cốt đai, bê tông miền nén của dầm BTCĐC CST bằng các sen sơ gắn trực tiếp vào các vị trí cốt thép và bê tông theo thiết kế.  Phạm vi nghiên cứu: Dầm giản đơn BTCĐC CST.

Cường độ chịu nén thiết kế là 70MPa. Cốt thép sợi hàm lượng trong khoảng từ 0,5%-2%. Sử dụng sợi thép Dramix, uốn móc 2 đầu có chiều dài thay đổi. Cốt sợi thép Dramix là loại sợi thép phổ biến và đã có ứng dụng vào kết cấu bê tông cốt thép ở Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu Lý thuyết kết hợp thực nghiệm để đưa ra được Mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BTCST và BTCĐC CST. Phần nghiên cứu lý thuyết có mục tiêu phân tích các mô hình bán thực nghiệm có thể tính toán về cắt cho dầm BTCST. Từ đó lựa chọn được mô hình phù hợp nhất để dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST. Phần nghiên cứu thực nghiệm gồm: Nghiên cứu thực nghiệm về tính chất chịu kéo (ép chẻ) của vật liệu BTCĐC CST từ đó dùng phần mềm tính toán để đưa ra được công thức dự báo phần đóng góp của riêng cốt sợi cho khả năng chịu kéo của BTCĐC CST.

Xác định các tham số đầu vào để thí nghiệm xây dựng hàm mục tiêu. Kết hợp với mô hình bán thực nghiệm đã xem xét ở trên, xây dựng được công thức tính toán sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. Nghiên cứu thử nghiệm trên các dầm kích thước thiết kế để kiểm chứng công thức tính toán sức kháng cắt đề ra. So sánh với mô hình trong tiêu chuẩn hiện hành trên thế giới.

Bố cục Luận án gồm các nội dung được bố cục như sau: Phần mở đầu Chương 1. Tổng quan về bê tông cốt sợi thép và ứng xử cắt của dầm BTCST Chương 2. Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép Chương 4.

Nghiên cứu ứng dụng tính toán về cắt cho dầm cầu đường bộ sử dụng bê tông cường độ cao cốt sợi thép Kết luận và Kiến nghị 6.