Luận văn thạc sĩ: Ứng xử sàn rỗng tổ hợp từ vữa xi măng cát sử dụng lưới sợi thép - Lê Công Định

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ phân tích ứng xử cơ học của sàn rỗng tổ hợp từ tấm vữa xi măng cát sử dụng lưới sợi thép định hình. Đánh giá hiệu quả kết cấu và

• Tác giả: Lê Công Định
• Người hướng dẫn: TS. Đào Duy Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Ứng xử của sàn rỗng tổ hợp từ tấm vữa xi măng cát sử dụng lưới sợi thép định hình
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về sàn rỗng tổ hợp tấm vữa xi măng cát lưới sợi thép định hình

Sàn rỗng tổ hợp là loại kết cấu mới trong xây dựng dân dụng và công nghiệp. Kết cấu này sử dụng các tấm vữa xi măng cát kết hợp với lưới sợi thép định hình tạo thành hệ thống sàn nhẹ. Sàn rỗng có ưu điểm giảm trọng lượng bản thân công trình. Công nghệ này giúp tiết kiệm vật liệu bê tông cốt thép truyền thống. Nghiên cứu ứng xử của sàn rỗng tổ hợp từ tấm vữa xi măng cát sử dụng lưới sợi thép định hình là đề tài có tính khoa học cao. Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh năm 2020. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử biến dạng của kết cấu. Nghiên cứu tập trung vào mẫu sàn kích thước 2m x 3m. Kết cấu được tổ hợp từ các tấm lưới sợi thép dạng gấp khúc. Loại sàn này có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong thực tế thi công.

1.1. Khái niệm sàn rỗng tổ hợp trong xây dựng

Sàn rỗng tổ hợp là kết cấu sàn phẳng có các lõi rỗng bên trong. Các lõi rỗng giúp giảm thể tích bê tông không tham gia chịu lực. Từ đó giảm trọng lượng bản thân kết cấu. Sàn rỗng tổ hợp từ tấm vữa xi măng cát sử dụng lưới sợi thép định hình là biến thể mới. Kết cấu sử dụng tấm vữa xi măng cát mỏng làm phần bao bọc. Lưới sợi thép định hình dạng gấp khúc đóng vai trò gia cường. Sự kết hợp này tạo nên hệ thống sàn có khả năng chịu lực tốt.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ sàn rỗng trên thế giới

Công nghệ sàn rỗng phát triển mạnh từ thập niên 1990 tại châu Âu. Hệ thống Bubbledeck được J. Breuning nghiên cứu năm 1997 tại Đan Mạch. Công nghệ này đạt nhiều giải thưởng khoa học tại Hà Lan và Đan Mạch. Trong 7 năm đầu, hơn một triệu mét vuông sàn Bubbledeck đã được thi công. Các nghiên cứu của Pfeffer, Pajari, Lai và nhiều tác giả khác đã chứng minh hiệu quả. Công nghệ sàn rỗng ngày càng được cải tiến và ứng dụng rộng rãi toàn cầu.

II. Phân tích ứng xử cơ học của sàn rỗng tổ hợp tấm vữa xi măng cát

2.1. Đường cong ứng xử tải trọng chuyển vị P δ

Đường cong P-δ là công cụ quan trọng để đánh giá ứng xử sàn rỗng. Đường cong thể hiện mối quan hệ giữa tải trọng đặt lên sàn và chuyển vị tại vị trí đo. Giai đoạn đầu, sàn hoạt động trong vùng đàn hồi tuyến tính. Khi tải trọng tăng, vết nứt bắt đầu xuất hiện làm giảm độ cứng. Đường cong chuyển sang giai đoạn phi tuyến. Tại tải trọng cực đại, sàn đạt khả năng chịu lực tối đa. Sau đó, chuyển vị tiếp tục tăng trong khi tải trọng giảm dần.

2.2. Các kiểu phá hoại và vị trí xuất hiện nứt

Sàn rỗng tổ hợp có thể phá hoại theo nhiều cơ chế khác nhau. Kiểu phá hoại uốn xảy ra khi moment uốn vượt quá giới hạn chịu uốn. Kiểu phá hoại cắt xuất hiện tại vùng tiếp giáp giữa các tấm. Mất ổn định cục bộ có thể xảy ra tại vùng có lưới thép mỏng. Vị trí nứt thường tập trung ở giữa nhịp theo phương ngắn. Nứt cũng xuất hiện tại mối nối giữa các tấm vữa xi măng cát. Quan sát mẫu thực nghiệm giúp xác định chính xác vị trí và kiểu phá hoại.

III. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sàn rỗng tổ hợp tấm vữa xi măng cát

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng chính trong đề tài này. Chương trình thí nghiệm tiến hành trên mẫu sàn rỗng kích thước 2m x 3m. Mẫu sàn được tổ hợp từ các tấm vữa xi măng cát có gia cường lưới sợi thép. Lưới sợi thép định hình dạng gấp khúc được bố trí theo thiết kế tối ưu. Hệ thống thí nghiệm sử dụng kích thủy lực để tải trọng phân bố đều. Cảm biến dịch chuyển được đặt tại nhiều vị trí để đo chuyển vị. Mẫu được tải dần từ nhỏ đến lớn cho đến khi phá hoại. Dữ liệu tải trọng và chuyển vị được ghi liên tục bằng hệ thống thu thập dữ liệu. Phương pháp phân tích bao gồm đánh giá đường cong P-δ và xác định tải trọng phá hoại. Kết quả thực nghiệm được so sánh với tính toán lý thuyết để kiểm chứng.

3.1. Thiết kế và chế tạo mẫu sàn rỗng tổ hợp

Mẫu sàn rỗng được thiết kế với kích thước 2m x 3m. Các tấm vữa xi măng cát có độ dày mỏng, được sản xuất sẵn. Lưới sợi thép định hình dạng gấp khúc được đặt bên trong tấm. Vữa xi măng cát được trộn theo tỷ lệ tiêu chuẩn đảm bảo cường độ. Quá trình chế tạo yêu cầu kiểm soát chặt chẽ chất lượng. Các mối nối giữa các tấm được xử lý cẩn thận để đảm bảo liên kết. Mẫu sau khi chế tạo được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn 28 ngày.

3.2. Quy trình thí nghiệm và thu thập dữ liệu

Thí nghiệm sử dụng hệ thống tải trọng tĩnh với kích thủy lực. Tải trọng được tăng dần theo từng cấp nhỏ. Tại mỗi cấp tải, chuyển vị được đo tại nhiều điểm trên bề mặt sàn. Hệ thống cảm biến LVDT đo chuyển vị chính xác cao. Dữ liệu được thu thập tự động bằng phần mềm chuyên dụng. Quan sát trực tiếp các vết nứt và ghi nhận vị trí xuất hiện. Thí nghiệm kết thúc khi sàn đạt trạng thái phá hoại hoàn toàn.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng sàn rỗng tổ hợp tấm vữa xi măng cát

Nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả quan trọng về ứng xử sàn rỗng tổ hợp. Sàn rỗng từ tấm vữa xi măng cát sử dụng lưới sợi thép định hình có khả năng chịu lực đáp ứng yêu cầu. Đường cong P-δ cho thấy kết cấu có tính đàn hồi-dẻo tốt. Tải trọng phá hoại đạt giá trị cao hơn dự đoán ban đầu. Các vị trí phá hoại tập trung tại giữa nhịp và vùng mối nối. Khả năng mất ổn định của kết cấu cần được lưu ý trong thiết kế. Thiết kế lưới thép định hình được đánh giá lại và đề xuất cải tiến. Loại sàn này có trọng lượng nhẹ hơn sàn đặc truyền thống. Thi công đơn giản, nhanh chóng, giảm thời gian xây dựng. Chi phí vật liệu và nhân công có thể tiết kiệm đáng kể. Triển vọng áp dụng loại kết cấu này vào thực tiễn xây dựng là khả thi. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ sàn nhẹ tại Việt Nam.

4.1. Kết quả nghiên cứu chính về ứng xử sàn rỗng

Kết quả thực nghiệm xác nhận sàn rỗng tổ hợp có khả năng chịu lực tốt. Tải trọng phá hoại của mẫu sàn đạt yêu cầu thiết kế. Đường cong P-δ thể hiện rõ ba giai đoạn: đàn hồi, nứt và phá hoại. Kết cấu duy trì được khả năng chịu lực sau khi đạt tải trọng cực đại. Biến dạng dư cho thấy tính dẻo của kết cấu. Vị trí phá hoại phù hợp với dự đoán lý thuyết. Kết quả này chứng minh tính khả thi của loại sàn rỗng tổ hợp mới.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong thực tiễn xây dựng

Sàn rỗng tổ hợp từ tấm vữa xi măng cát có nhiều ưu điểm ứng dụng. Trọng lượng nhẹ giúp giảm tải trọng lên móng và khung kết cấu. Thi công nhanh gọn, không cần coffa phức tạp. Chi phí vật liệu thấp hơn so với sàn bê tông cốt thép đặc. Loại sàn phù hợp cho công trình nhà ở, văn phòng, trường học. Có thể áp dụng cho cả công trình mới và cải tạo công trình cũ. Nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng với mẫu lớn hơn và điều kiện tải trọng đa dạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ CÔNG ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA SÀN RỖNG TỔ HỢP TỪ TẤM VỮA XI MĂNG CÁT SỬ DỤNG LƯỚI SỢI THÉP ĐỊNH HÌNH NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG – 8580201 SKC006673 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ CÔNG ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA SÀN RỖNG TỔ HỢP TỪ TẤM VỮA XI MĂNG CÁT SỬ DỤNG LƯỚI SỢI THÉP ĐỊNH HÌNH NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ CÔNG ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA SÀN RỖNG TỔ HỢP TỪ TẤM VỮA XI MĂNG CÁT SỬ DỤNG LƯỚI SỢI THÉP ĐỊNH HÌNH NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐÀO DUY KIÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: LÊ CÔNG ĐỊNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/04/1994 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 50/5/2, Đường 36, P. Bình Trưng Tây, Quận 2, TP. HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0988402338 Fax: E-mail: II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2012 đến 12/2017 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật xây dựng dân dụng và công nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: CAO ỐC A&B Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 06/2016, TP.HCM Người hướng dẫn: TS. Ngô Việt Dũng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 12/2017- Công Ty TNHH Khảo Sát Thiết Nhân viên phòng kỹ thuật 06/2019 Kế Tư Vấn XD Trường Sơn CÔNG TY CỔ Phần Tư Vấn- 11/2019-nay Nhân viên phòng kỹ thuật Đầu Tư- Xây Dựng GIZA LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2020 (Ký tên và ghi rõ họ tên) TÓM TẮT Nhằm đánh giá đúng ứng xử của kết cấu sàn rỗng tổ hợp từ các tấm vữa xi măng cát có gia cường bằng lưới sợi thép định hình, chương trình thực nghiệm được tiến hành trên mẫu sàn rỗng kích thước 2m x 3m, được tổ hợp từ các tấm lưới sợi thép dạng gấp khúc. Nghiên cứu tập trung phân tích đường cong ứng xử (P-δ), khả năng chịu lực của kết cấu sàn rỗng tổ hợp như vậy có đáp ứng được yêu cầu để đưa vào thiết kế sử dụng hay không, các vị trí xuất hiện phá hoại ra sao, khả năng mất ổn định của kết cấu, đồng thời đánh giá lại thiết kế lưới thép định hình được sử dụng trong nghiên cứu. Từ đó đánh giá được triển vọng áp dụng loại kết cấu mới này cho việc thiết kế và xây dựng công trình có khả thi hay không. ABSTARCT BEHAVIOUR OF HOLLOW SLAB USING SAND CEMENT MOTARAND SHAPPED WIRE MESH In order to accurately evaluating the behavior of the hollow slab using a sand-cement mortar and shaped wire mesh, the experimental program was conducted on a hollow slab model of size 2m x 3m, which was assembled from folded zigzag wire mesh. This study focuses on analyzing the behavioral curve (P-δ), whether the bearing capacity of such a hollow slab can reach the requirements to put into the design of the structure or not and progressing of cracking destructive, the structural instability, and at the same time reassess the shape of the wire mesh design used in the study. From there, it is possible to assess whether the prospect of applying this new type of structure to the design and construction of projects is feasible or not. Giới thiệu chung về kết cấu sàn rỗng. Giới thiệu chung về kết cấu bê tông lưới sợi thép (Ferrocement). Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Kết cầu sàn rỗng. Các nghiên cứu trên thế giới về sàn rỗng. Các nghiên cứu trong nước về kết cấu sàn rỗng. Kết cấu vữa cốt lưới sợi thép (Ferrocement). Các nghiên cứu trên thế giới. Các nghiên cứu trong nước. Động lực cho nghiên cứu. Mục tiêu và giới hạn của đề tài. Mục tiêu của đề tài. Giới hạn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu . Khảo sát về mặt lý thuyết. Khảo sát bằng thực nghiệm . Ý nghĩa của đề tài . Ý nghĩa thực tiễn . Ý nghĩa khoa học. Cấu trúc luận văn. Ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép khi chịu tải trọng. Ứng xử của vật liệu bê tông. Ứng xử chịu kéo một trục. Ứng xử chịu nén một trục . Ứng xử nén ba trục. Ứng xử trong trạng thái ứng suất phẳng. Ứng xử của vật liệu thép. Liên kết giữa bê tông và cốt thép. Các giai đoạn trạng thái ứng suất của cấu kiện chịu uốn phẳng. Sự làm việc của kết cấu sàn rỗng. Sự làm việc của lưới sợi thép trong kết cấu vữa cốt lưới cốt thép. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM . Nguyên lý và mô hình thí nghiệm. Nguyên lý thí nghiệm xác định khả năng chịu lực. Mô hình mẫu thí nghiệm. Thí nghiệm xác định các thông số của vật liệu đầu vào. Xác định thông số cát. Thí nghiệm xác định cường độ vữa. Thí nghiệm xác định đường quan hệ ứng suất – biến dạng . Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo. Tính toán sơ bộ khả năng chịu tải của các mẫu sàn theo ACI-318 . Tính khả năng chịu tải cho mẫu sàn Type1 . Tính khả năng chịu tải cho mẫu sàn Type2 và Type3 . Chương trình thí nghiệm. Nhóm mẫu và mục tiêu khảo sát. Mô hình mẫu thí nghiệm. Gia công hệ lưới thép và lắp đặt các khối xốp. Công tác ván khuôn và đổ vữa xi măng. Lắp đặt thiết bị thí nghiệm. Sơ đồ gia tải và quy trình thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm. Nhận xét chung. Đánh giá độ võng của tấm mẫu. So sánh độ võng giữa các mẫu. Biến dạng và dạng phá hoại của tấm mẫu. Đánh giá chung. So sánh giữa các mẫu . Dạng phá hoại của kết cấu sàn rỗng. Độ dẻo của kết cấu sàn rỗng sử dụng lưới sợi thép định hình . Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép tham gia chịu lực. Ảnh hưởng của cách xắp xếp và bố trí các ô đơn. Ảnh hưởng của tiết diện mặt cắt. Ảnh hưởng của cấu tạo lưới thép. Đánh giá khả năng sử dụng của kết cấu sàn rổng tổ hợp từ tấm vữa xi măng cát sử dụng lưới sợi thép định hình. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . Kết quả thí nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của cấu kiện. Hướng phát triển của đề tài. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 111 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Kết quả xác định khối lượng tự nhiên của cát .2: Kết quả xác định khối lượng thể tích của cát .3: Kết quả xác định thành phần hạt và mô đun độ lớn của cát .4: Thành phần cấp phối vữa.5: Kết quả thí nghiệm nén mẫu.6: Kết quả thí nghiệm nén mẫu và đo mô đun đàn hồi.7: Kết quả thí nghiệm uốn mẫu.8: Kết quả thí nghiệm kéo sợi thép.9: Diện tích tính toán của các lớp lưới sợi thép .10: Kết quả tính lại biến dạng và ứng suất của lưới sợi thép sàn Type1 .11: Kết quả tính toán moment đàn hồi mẫu sàn Type1 .12: Diện tích tính toán của các lớp lưới sợi thép mẫu Type2 và Type3 .13: Kết quả tính lại biến dạng và ứng suất của lưới sợi thép sàn Type2,3 .14: Kết quả tính toán moment đàn hồi mẫu sàn Type2,3 .15: Mô tả mẫu thí nghiệm.16: Khả năng chịu tải và tốc độ gia tải của các mẫu sàn.17: Kết quả thí nghiệm.18: Độ dẻo của các mẫu sàn.19: Chênh lệch về hàm lượng thép và khả năng chịu tải của các mẫu sàn . 102 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các phương án sàn bê tông cốt thép.2: Các phương án sàn rỗng, sàn nhẹ.3: Kết cấu vữa cốt lưới sợi thép (Ferrocement)[8].4: Kết cấu vữa cốt lưới sợi thép đầu tiên-Batton của Lambot[9] .5: Công trình xây dựng làm từ kết cấu vữa cốt lưới sợi thép .6: Đập nước làm bằng kết cấu vữa cốt lưới sợi thép tại Ấn Độ[12] .7: Công trình và các cấu kiện làm từ kết cấu vữa cốt lưới sợi thép tại Việt Nam .8: Công trình cầu đường bộ dùng kết cấu vữa cốt lưới sợi thép ở Việt Nam .9: Một số loại lưới sợi thép.10: Các tổ hợp sàn thực hiện thí nghiệm .1: Biểu đồ chuyển vị-lực của ứng xử một chiều đối với kết cấu bê tông cốt thép .2: Ứng xử của mẫu bê tông chịu kéo theo Hillerborg (1983)[69] .3: Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình trụ.4: Bê tông bị kéo nén ba trục.5: Bê tông chịu kéo nén 2 trục.6: Thí nghiệm kéo đối với mẫu thép có chiều dài tự do 750mm .7: Quan hệ dính bám giữa bê tông và cốt thép.8: Các gia đoạn phát triển ưng suất-biến dạng của cấu kiện chịu uốn .9: Mặt cắt sàn rỗng Uboot [27].10: Tiết diện quy đổi sàn rỗng Uboot [27].11: Sơ đồ ứng xuất biến dạng của dầm chữ T khi phân tích theo ACI- 318.12: Đường cong chuẩn hoá quan hệ ứng suất-biến dạng của kết cấu vữa cốt lưới sợi thép khi chịu kéo [74].13: Sơ đồ ứng suất trên tiết diện vuông góc của cấu kiện vữa cốt lưới sợi thép chịu uốn khi phân tích theo tiêu chuẩn ACI-318 [75] .1: Bố trí và kích thước của các mẫu sàn thí nghiệm .2: Biểu đồ thành phần hạt của cát dùng làm thí nghiệm .3: Thí nghiệm kiểm tra cường độ chịu nén của vữa.4: Mẫu dùng cho thí nghiệm theo tiêu chuẩn ACI-318-05.5: Vị trí dán strain gauge thí nghiệm đo ứng suất biến dạng của mẫu vữa.6: Bố trí thiết bị thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của vữa .7: Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng của vữa.8 Thí nghiệm uốn mẫu dầm.9: Biểu đồ quan hệ ứng suất-biến dạng của sợi thép.10: Sơ đồ tính toán khả năng chịu tải của các mẫu sàn thí nghiệm .11: Dải sàn điển hình của mẫu sàn Type1-Mặt cắt giữa nhịp .12: Biểu đồ biến dạng và lực của mặt cắt trung tâm dải sàn Type1 .13: Dải sàn điển hình của mẫu sàn Type2 và Type3-Mặt cắt giữa nhịp .14: Biểu đồ biến dạng và lực của mặt cắt trung tâm dải sàn Type2 và Type3 .15: Bố trí tổ hợp sàn rỗng Type 1 .16: Bố trí và chi tiết của tổ hợp sàn rỗng Type2 .