Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình Dự Đoán Khả Năng Kháng Chọc Thủng Móng Bê Tông Cốt Phi Kim Sợi Thủy Tinh

Tài liệu chuyên sâu Mô Hình Dự Đoán Khả Năng Kháng Chọc Thủng Móng Bê Tông ..., phân tích đa chiều, cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc cho chuyên

• Tác giả: Phạm Duy Minh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Long
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Mô Hình Dự Đoán Khả Năng Kháng Chọc Thủng Móng Bê Tông Cốt Phi Kim Sợi Thủy Tinh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Mô hình dự đoán khả năng kháng chọc thủng của móng bê tông cốt phi kim sợi thủy tinh (GFRP) là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực xây dựng. Khả năng kháng chọc thủng của móng bê tông cốt FRP có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và độ bền của công trình. Việc nghiên cứu và phát triển các mô hình dự đoán chính xác khả năng này là cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cốt thép truyền thống có nhiều hạn chế, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt. Do đó, việc sử dụng cốt FRP, với những ưu điểm vượt trội như không bị ăn mòn và trọng lượng nhẹ, đang ngày càng trở nên phổ biến. Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có các tiêu chuẩn hoàn chỉnh để tính toán khả năng kháng chọc thủng cho các cấu kiện này.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một mô hình dự đoán khả năng kháng chọc thủng cho móng bê tông cốt FRP. Mô hình này sẽ giúp cải thiện độ chính xác trong việc thiết kế và tính toán cho các công trình sử dụng vật liệu mới này. Việc áp dụng mô hình sẽ giúp các kỹ sư có thể dự đoán chính xác hơn khả năng kháng chọc thủng của móng, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế cho các dự án xây dựng. Đặc biệt, trong bối cảnh ngày càng nhiều công trình sử dụng vật liệu FRP, việc có một mô hình chính xác là rất cần thiết.

II. Tổng quan nghiên cứu

Tổng quan nghiên cứu về khả năng kháng chọc thủng của móng bê tông cốt FRP cho thấy nhiều công trình đã được thực hiện nhằm đánh giá và cải thiện các công thức tính toán hiện có. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các công thức hiện tại chủ yếu dựa trên các giả thuyết không hoàn toàn phù hợp với thực tế. Việc áp dụng các công thức này cho các cấu kiện có kích thước lớn hoặc hình dạng bất thường thường dẫn đến kết quả không chính xác. Do đó, việc phát triển một mô hình mới dựa trên lý thuyết cơ học rạn nứt là cần thiết để cải thiện độ chính xác trong tính toán khả năng kháng chọc thủng.

2.1. Các mô hình và lý thuyết hiện có

Nhiều mô hình và lý thuyết đã được phát triển để xác định khả năng kháng chọc thủng của kết cấu bê tông cốt thép. Tuy nhiên, các mô hình này thường không áp dụng được cho các cấu kiện bê tông cốt FRP. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng cần có một cách tiếp cận mới để tính toán khả năng kháng chọc thủng cho các cấu kiện này. Việc áp dụng lý thuyết cơ học rạn nứt vào mô hình dự đoán sẽ giúp cải thiện độ chính xác và tính khả thi của các công thức tính toán.

III. Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một mô hình dự đoán khả năng kháng chọc thủng cho móng bê tông cốt FRP. Mô hình này sẽ được xây dựng dựa trên các kết quả thực nghiệm và lý thuyết cơ học rạn nứt. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cải thiện độ chính xác trong tính toán mà còn góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu FRP trong xây dựng. Việc có một mô hình chính xác sẽ giúp các kỹ sư thiết kế các công trình an toàn hơn và tiết kiệm chi phí hơn.

3.1. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng dụng vật liệu FRP vào các công trình xây dựng. Việc phát triển một mô hình dự đoán chính xác sẽ giúp các kỹ sư có thể thiết kế các cấu kiện bê tông cốt FRP một cách hiệu quả hơn. Điều này không chỉ giúp nâng cao độ an toàn cho các công trình mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa trong tương lai. Hơn nữa, nghiên cứu cũng sẽ góp phần vào việc phát triển các tiêu chuẩn và quy định liên quan đến việc sử dụng vật liệu FRP trong xây dựng.

IV. Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết về khả năng kháng chọc thủng của móng bê tông cốt FRP cho thấy nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng này. Các yếu tố như tỉ lệ cốt, hình dạng của móng và điều kiện đất nền đều có tác động lớn đến khả năng kháng chọc thủng. Việc phân tích các yếu tố này sẽ giúp xây dựng một mô hình chính xác hơn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc bỏ qua các yếu tố này trong tính toán sẽ dẫn đến những sai số lớn trong kết quả. Do đó, việc xem xét các yếu tố này là rất cần thiết trong việc phát triển mô hình mới.

4.1. Nhận xét và kiểm chứng các công thức hiện có

Các công thức hiện có thường dựa trên các giả thuyết không hoàn toàn phù hợp với thực tế. Việc kiểm chứng các công thức này thông qua thực nghiệm là cần thiết để đánh giá độ chính xác của chúng. Nghiên cứu này sẽ tiến hành kiểm chứng các công thức hiện có và so sánh với kết quả thực nghiệm để xác định độ chính xác của từng công thức. Kết quả kiểm chứng sẽ là cơ sở để phát triển một công thức mới phù hợp hơn với thực tế.

V. Kiểm chứng công thức đề xuất

Kiểm chứng công thức đề xuất là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Công thức mới sẽ được kiểm chứng thông qua các thí nghiệm thực tế để đánh giá độ chính xác và tính khả thi của nó. Việc so sánh kết quả từ công thức đề xuất với các công thức hiện có sẽ giúp xác định ưu điểm và nhược điểm của từng công thức. Kết quả kiểm chứng sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc áp dụng công thức mới trong thực tế.

5.1. Kết quả kiểm chứng

Kết quả kiểm chứng sẽ được trình bày chi tiết trong phần này. Các số liệu thực nghiệm sẽ được so sánh với các dự đoán từ công thức đề xuất và các công thức hiện có. Việc phân tích kết quả sẽ giúp xác định mức độ chính xác của công thức mới và khả năng áp dụng của nó trong thực tế. Kết quả này sẽ là cơ sở để khuyến nghị sử dụng công thức đề xuất trong thiết kế và tính toán cho các công trình bê tông cốt FRP.

VI. Kết luận

Nghiên cứu này đã phát triển một mô hình dự đoán khả năng kháng chọc thủng cho móng bê tông cốt FRP. Mô hình này đã được kiểm chứng thông qua các thí nghiệm thực tế và cho thấy độ chính xác cao hơn so với các công thức hiện có. Việc áp dụng mô hình này sẽ giúp cải thiện độ an toàn và hiệu quả kinh tế cho các công trình xây dựng. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng cần có thêm nhiều nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện các tiêu chuẩn và quy định liên quan đến việc sử dụng vật liệu FRP trong xây dựng.

6.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các tiêu chuẩn và quy định cho việc sử dụng vật liệu FRP trong xây dựng. Cần có thêm nhiều nghiên cứu thực nghiệm để xác định rõ hơn các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng chọc thủng của các cấu kiện bê tông cốt FRP. Việc phát triển các mô hình tính toán mới cũng là cần thiết để cải thiện độ chính xác trong thiết kế và tính toán cho các công trình sử dụng vật liệu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu nhằm phục vụ cho việc dự đoán khả năng kháng chọc thủng của móng đơn bê tông cốt FRP được hợp lý hơn. Công thức này được xây dựng dựa trên mô hình cân bằng năng lượng theo lý thuyết cơ học rạn nứt. Tính chính xác của công thức đề xuất được kiểm chứng dựa trên kết quả thực nghiệm; đồng thời được so sánh với một số các công thức xác định khả năng kháng chọc thủng hiện có. Trang 3 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu Chương 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu sơ lược Cốt FRP (Fiber Reinforced Polymer) được làm từ vật liệu composite, từ hai thành phần chính: vật liệu sợi (fibers) và chất kết dính (resin).

Chất kết dính được làm từ nhiều loại polymer khác nhau như epoxy, polyester, vinylester, polyurethane, phenolic. Sợi là thành phần chính, tạo nên các đặc tính cơ lý cho FRP và cũng được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Hiện nay, có 3 loại sợi được sử dụng nhiều nhất là sợi thủy tinh (glass), aramid (aramid) và cac-bon (carbon). Các loại sợi được liên kết với nhau bằng chất kết dính tạo thành cốt FRP.

Tùy theo loại sợi mà cốt FRP có tên gọi khác nhau như cốt GFRP (cốt sợi thủy tinh), AFRP (cốt sợi aramid) và CFRP (cốt sợi cacbon).1: Cốt FRP dạng thanh và lưới Trang 4 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu 2.2 Đặc tính cơ lý Vật liệu FRP có một số đặc tính cơ lý nổi bật như cường độ chịu kéo rất cao, khả năng biến dạng lớn, không bị ảnh hưởng bởi ăn mòn, trọng lượng nhẹ, không dẫn điện, nhiễm từ. Do thành phần cấu tạo của cốt FRP khác hẳn so với cốt thép dẫn tới đặc tính cơ lý của cốt FRP so với cốt thép cũng khác biệt. Modul đàn hồi Các loại cốt FRP (ngoại trừ CFRP) đều có mô-đun đàn hồi tương đối thấp, trong đó cốt GFRP có mô-đun đàn hồi thấp nhất chỉ dao động từ 35 tới 51 GPa, cốt AFRP từ 41 đến 125 GPa. Cốt CFRP có mô-đun đàn hồi cao hơn, biến động từ 120 đến 580 GPa (ACI 440.

Trọng lượng riêng Trọng lượng riêng của vật liệu FRP chỉ bằng 16.5% trọng lượng riêng của cốt thép. Do đó, công tác thi công ngoài công trường được thuận lợi hơn và giúp giảm chi phí vận chuyển. Trọng lượng riêng của các loại cốt FRP được tổng hợp tại Bảng 2.1: Trọng lượng một số loại FRP so với thép (kg/m3) (CEB-FIB, 2007) CFRP AFRP GFRP Thép Polyester 1430-1650 1310-1430 1750-2170 Epoxy 1440-1670 1320-1450 1760-2180 7850 Vinyl ester 1440-1630 1300-1410 1730-2150 c. Hệ số nở nhiệt Hệ số nở nhiệt của cốt FRP theo phương dọc trục và nở hông phụ thuộc vào vật liệu sợi, chất kết dính, kích thước của sợi.

Hệ số giãn nở dọc trục vì nhiệt được xác định bởi những đặc tính của sợi, trong khi hệ số nở hông được xác định bởi chất kết dính. Đặc tính cơ học Vật liệu FRP có ứng xử đàn hồi: Ứng xử kéo: FRP là vật liệu không đẳng hướng. Cốt FRP có cường độ chịu kéo tốt hơn so với cốt thép. Khả năng chịu kéo và độ cứng của cốt FRP phụ thuộc vào tỉ lệ diện tích cốt sợi trên tổng diện tích mặt cắt ngang và đường kính của cốt FRP.

Trang 5 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu Ứng xử nén: Cốt FRP được đề nghị là không nên sử dụng để chịu ứng suất nén như trong cấu kiện cột, cốt thép vùng chịu nén trong dầm. Với mục đích nghiên cứu, một vài thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm tra ứng suất nén và cho thấy rằng khả năng chịu nén của cốt FRP nhỏ hơn khả năng chịu kéo. Mô đun đàn hồi chịu nén của cốt FRP cũng nhỏ hơn mô đun đàn hồi chịu kéo tương ứng. Phá hoại do nén dọc trục cốt FRP có thể xảy ra ở các dạng sau: do nở hông, do mất ổn định cốt sợi hoặc do lực cắt.

Ứng xử cắt: Hầu hết các loại cốt FRP đều có khả năng kháng cắt yếu do các lớp sợi trong thanh FRP được liên kết với nhau bởi chất nền tương đối yếu. Khả năng bám dính: Phụ thuộc vào thiết kế, qui trình sản xuất, đặc tính vật liệu và điều kiện môi trường làm việc của nó. Lực bám dính giữa cốt FRP và bê tông bao gồm các thành phần lực sau: (1) Lực bám dính bề mặt hay còn gọi là bám dính hoá học, (2) Lực ma sát bề mặt chống lại sự trượt và (3) Hiện tượng cài móc cơ học bởi sự không đồng nhất của bề mặt. Trong thanh FRP, lực bám dính được truyền qua lại giữa các sợi thành phần thông qua chất nền, và do đó sự phá hoại của chất nền khi ngoại lực tác động quá lớn là hoàn toàn có thể xảy ra.

Carbon 2500 Armid 2000 1500 Glass 1000 500 Thép 0.2: Biểu đồ ứng suất biến dạng của các loại FRP (CEB-FIB, Bulletin 2007) Trang 6 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu Bảng 2.2: Tính chất cơ lý của một số loại FRP so với thép (CEB-FIB, Bulletin 2007) Tính chất Thép GFRP CFRP AFRP Mô đun đàn hồi 200 35-60 100-580 40-125 (GPa) Cường độ chịu kéo 450-700 450-1600 600-3500 1000-2500 (MPa) Biến dạng kéo cực hạn 5.3: Ưu, nhược điểm cốt FRP (ACI 440.1R, 2006) Ưu điểm Nhược điểm Cường độ chịu kéo cao Không chảy dẻo trước khi đứt Chống ăn mòn Mô-đun đàn hồi thấp Dễ bị ảnh hưởng phá hủy lớp keo nền và sợi Không bị nhiễm từ bởi bức xạ cực tím bên ngoài Độ bền mỏi cao Cường độ theo phương ngang thấp Trọng lượng nhẹ (bằng 1/5 đến 1/4 Độ bền sợi thủy tinh trong môi trường ẩm rất thép) thấp Dẫn điện và dẫn nhiệt thấp (sợi Độ bền của sợi thủy tinh và sợi aramid trong aramid, sợi thủy tinh) môi trường ankyl thấp Hệ số dãn nở vì nhiệt cao Dễ cháy Trang 7 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu 2.2 CÁC MÔ HÌNH, LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT CỦA KẾT CẤU BTCT 2.1 Mô hình giàn nguyên thủy (The early truss anology) Mô hình giàn nguyên thủy được Ritter đề xuất vào năm 1899 và Mörsch phát triển thêm ứng dụng trong cơ chế chống xoắn vào năm 1920. Mô hình này nhằm giải thích cơ chế truyền ứng suất trong dầm BTCT đã bị nứt khi chịu cắt. Theo đó, ứng xử của dầm BTCT bị nứt được xem tương tự như một cơ cấu dàn có thép dọc chịu kéo làm việc như thanh cánh dưới, vùng bê tông chịu nén làm việc như thanh cánh trên chịu nén, thép đai làm việc như các thanh đứng chịu kéo và thanh xiên nối chân và đỉnh các thép đai kế tiếp chịu ứng suất nén xiên trong bê tông. Từ đó, dựa trên điều kiện cân bằng lực để xác định khả năng kháng cắt của dầm BTCT.

Trong nghiên cứu của mình, Ritter và Mörsch đều dựa trên những giả thuyết sau:  Bỏ qua ứng suất kéo trong các vết nứt xiên;  Sau khi bê tông bị nứt, ứng suất nén xiên nghiêng một góc 45 0 so với trục dọc của dầm;  Ứng suất nén xiên trong bê tông tách rời các bề mặt phía trên và phía dưới dầm, trong khi ứng suất kéo trong thép đai kéo chúng lại với nhau. Witney (1907, 1908) giới thiệu mô hình giàn của Ritter ở hội nghị khoa học tại Mỹ và đã chỉ ra rằng mô hình tính toán này đưa ra những kết quả khác biệt so với những kiểm chứng thực tế. Talbot (1909) cũng đồng tình với phát biểu này của Witney, ông đã chỉ ra rằng:  Ứng suất chống cắt thay đổi phụ thuộc vào lượng cốt thép sử dụng, chiều dài dầm và các thông số có ảnh hưởng đến độ cứng của dầm;  Trong dầm không có cốt đai, khả năng kháng cắt hoàn toàn dựa trên chất lượng và cường độ của bê tông;  Dầm càng cứng thì ứng suất cắt trong dầm càng lớn;  Dầm ngắn, dầm cao cho khả năng kháng cắt cao hơn dầm có độ mảnh lớn;  Dầm với hàm lượng cốt thép nhiều có khả năng kháng cắt cao hơn dầm có hàm lượng cốt thép thấp. Trang 8 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu Tuy nhiên, mô hình giàn của Ritter và Morsch vẫn được dùng làm mô hình cơ sở trong việc tính toán chống cắt trong tiêu chuẩn ACI 318 trong giai đoạn 1921 – 1951.

Tháng 8/1955, sự cố đứt gãy dầm của nhà kho sân bay Wilkins tại Shelby, Ohio đã đặt ra câu hỏi về độ an toàn trong qui trình tính toán chống cắt của tiêu chuẩn ACI trong giai đoạn trước đó. Những phát hiện trước đó của Talbot (1909) và sự cố nhà kho sân bay Wilkins đã tạo ra động lực cho hàng loạt các nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán khả năng kháng cắt sau này.2 Lý thuyết miền chịu nén (Compression field theory) Wagner (1931) trong quá trình nghiên cứu, thiết kế khả năng kháng cắt của cánh máy bay đã phát hiện ra rằng: sau khi một tấm thép mỏng bị mất ổn định, nó vẫn còn khả năng chịu cắt. Khả năng kháng cắt lúc này của tấm thép mỏng dựa trên sự xuất hiện của những trường kéo xiên. Lý thuyết miền chịu nén (CFT) cho dầm BTCT do Collins và Mitchell (1974) đề xuất được dựa trên quan sát trên.

Theo đó, các tác giả cho rằng sau khi bị nứt, bê tông không chịu ứng suất kéo và cơ chế kháng cắt được dựa trên trường nén xiên. Lý thuyết miền chịu nén được xây dựng dựa trên các giả thuyết:  Không tồn tại ứng suất kéo trong bê tông sau khi bị nứt;  Góc của biến dạng nén chính  trùng với góc của ứng suất nén chính;  Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng trong cốt thép dọc và cốt đai là quan hệ song tuyến tính.3: Các điều kiện cân bằng (CFT) Trang 9 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu Hình 2.4: Các điều kiện tương thích (CFT) Hình 2.5: Quan hệ σ – ε của cốt thép (CFT) Hình 2.6: Quan hệ σ – ε của bê tông (CFT) Ứng suất tiếp  dọc theo vết nứt của bê tông gây ra ứng suất kéo trong cốt thép dọc fsx, cốt đai fsy và ứng suất nén chính f2 trong vùng bê tông bị nứt xiên. Ứng suất tiếp được xác định từ vòng tròn Mohr ứng suất:  x f sx  fcy  v cot   (2.1) v f sy  fcy  v tan   (2.2) Trang 10 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu f2 v tan cot (2.3) Trong đó góc của biến dạng nén chính được xác định theo công thức của Wagner (1929), được dẫn ra từ vòng tròn Mohr biến dạng:  x  2 tan 2   (2.4)  y  2 Trước khi công thức này được sử dụng để xác định góc , cần thiết phải xác định được đường quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép và bê tông.