Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu liên hợp thép - bê tông là một trong những giải pháp kỹ thuật quan trọng trong xây dựng hiện đại, tận dụng tối đa ưu điểm của hai vật liệu thép và bê tông. Theo báo cáo của ngành, các công trình sử dụng kết cấu liên hợp đã tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm gần đây, đặc biệt với các dạng dầm liên hợp tiết diện T ngược, giúp nâng cao khả năng chịu lực và tiết kiệm vật liệu. Tuy nhiên, việc truyền lực giữa thép và bê tông qua liên kết kháng cắt vẫn là thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm việc của kết cấu.

Luận văn tập trung nghiên cứu cơ chế truyền lực và khả năng kháng cắt của liên kết perfobond dạng mở trong dầm liên hợp tiết diện T ngược. Mục tiêu chính là khảo sát thực nghiệm khả năng kháng cắt của liên kết perfobond thông qua thí nghiệm nén - đẩy đơn Single Push Out Test (SPOT), đồng thời xây dựng mô hình 3D phân tích ứng xử liên kết bằng phần mềm ANSYS. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các mẫu thí nghiệm với bê tông có cường độ từ 33,7 MPa đến 41 MPa, chiều cao bản bê tông 90 mm và 120 mm, cùng các biến số như hàm lượng cốt thép trong chốt bê tông và chiều dày liên kết.

Ý nghĩa của đề tài nằm ở việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình mô phỏng chi tiết về liên kết perfobond trong dầm T ngược, góp phần hoàn thiện cơ sở thiết kế kết cấu liên hợp tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ nâng cao độ chính xác trong dự đoán khả năng chịu lực và độ bền của liên kết, từ đó thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết kết cấu liên hợp thép - bê tông: Thép chịu kéo, bê tông chịu nén, sự phối hợp làm việc giữa hai vật liệu qua liên kết kháng cắt nhằm hạn chế trượt tương đối và tăng độ cứng hình học của tiết diện.

  • Mô hình ứng xử liên kết kháng cắt perfobond: Perfobond là tấm thép có khoét lỗ, khi đổ bê tông sẽ tạo thành các chốt bê tông xuyên qua lỗ, chịu lực cắt và truyền lực giữa thép và bê tông. Liên kết perfobond dạng mở được ưu tiên do dễ thi công và khả năng kháng cắt cao.

  • Cơ chế truyền lực và mô hình phá hoại: Theo Kraus và Wurzer, lực nén tác động lên bản bê tông gây ra phản lực lên chốt bê tông, tạo ra các vùng ứng suất nén và kéo. Dạng phá hoại phổ biến là phá hoại bê tông quanh chốt hoặc chốt bê tông bị tách do lực kéo.

  • Mô hình dự đoán khả năng kháng cắt: Các công thức thực nghiệm được tổng hợp từ nhiều nghiên cứu, trong đó công thức của Oguejiofor và Hosain, Verissimo và cộng sự, cũng như Tuệ và Vinh được sử dụng để so sánh và hiệu chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm.

Các khái niệm chính bao gồm: liên kết kháng cắt, perfobond, chốt bê tông, biến dạng trượt, khả năng kháng cắt, mô hình phần tử hữu hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực nghiệm và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: 15 mẫu thí nghiệm chia thành 5 nhóm với các biến số gồm chiều cao bản bê tông (90 mm, 120 mm), cường độ bê tông (33,7 MPa và 41 MPa), hàm lượng cốt thép trong chốt bê tông (1 thanh Ø12 hoặc 2 thanh Ø12), và chiều dày tấm perfobond (8 mm hoặc 12 mm).

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm nén - đẩy đơn Single Push Out Test (SPOT) được thực hiện tại phòng thí nghiệm LAS 516, Công ty Hoàng Vinh. Thiết bị đo lực và biến dạng được lắp đặt chính xác để thu thập dữ liệu lực cắt và biến dạng trượt. Mô hình 3D phần tử hữu hạn được xây dựng trên phần mềm ANSYS, sử dụng phần tử SOLID45 cho thép và SOLID65 cho bê tông, mô hình vật liệu đàn dẻo - tái bền theo tiêu chuẩn Model Code 1990.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 6 năm 2013, hoàn thành thí nghiệm và mô phỏng trong vòng 6 tháng, kết thúc vào tháng 12 năm 2013.

  • Lý do lựa chọn phương pháp: Thí nghiệm SPOT phù hợp với dầm tiết diện T ngược không đối xứng, phản ánh chính xác sự làm việc của liên kết perfobond trong thực tế. Mô phỏng phần tử hữu hạn giúp phân tích chi tiết ứng suất, biến dạng và cơ chế phá hoại, hỗ trợ hiệu chỉnh công thức dự đoán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng kháng cắt của liên kết perfobond: Nhóm mẫu S5 với bê tông cường độ 41 MPa, chiều dày perfobond 12 mm và 2 thanh cốt thép Ø12 đạt khả năng kháng cắt trung bình 372,9 kN, cao hơn khoảng 100 kN so với nhóm S1 (bê tông 33,7 MPa, 8 mm, 2 thanh cốt thép) với 186,1 kN. Điều này cho thấy cường độ bê tông và chiều dày liên kết ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lực.

  2. Ảnh hưởng hàm lượng cốt thép trong chốt bê tông: So sánh nhóm S1 (2 thanh Ø12) và S2 (1 thanh Ø12) cho thấy khả năng kháng cắt giảm khoảng 3,4% khi giảm số lượng cốt thép, đồng thời biến dạng trượt giảm từ 10,7 mm xuống 6,2 mm, cho thấy cốt thép tăng khả năng chịu lực và độ dai của liên kết.

  3. Ảnh hưởng chiều cao bản bê tông: Nhóm S3 (bản bê tông 120 mm) có khả năng kháng cắt trung bình 243,3 kN, tăng 31% so với nhóm S1 (90 mm, 186,1 kN), chứng tỏ chiều cao bản bê tông là tham số quan trọng nâng cao khả năng kháng cắt.

  4. Mô phỏng phần tử hữu hạn: Kết quả mô phỏng tương đồng với thực nghiệm, sai số lực tới hạn dưới 5%, biến dạng trượt cũng được dự đoán chính xác. Mô hình cho thấy ứng suất tập trung tại vùng chốt bê tông và phân bố ứng suất trong tấm perfobond phù hợp với cơ chế truyền lực lý thuyết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các tham số ảnh hưởng đến khả năng kháng cắt được giải thích bởi cơ chế truyền lực: cốt thép trong chốt bê tông tăng cường độ chịu kéo, chiều dày tấm perfobond và chiều cao bản bê tông mở rộng diện tích chịu lực, tăng khả năng truyền lực và giảm ứng suất tập trung. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng tăng khả năng kháng cắt khi tăng cường độ bê tông và cốt thép, đồng thời mô hình SPOT được đánh giá phản ánh chính xác hơn so với thí nghiệm POT truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực - biến dạng trượt, bảng tổng hợp khả năng kháng cắt theo nhóm mẫu, và hình ảnh mô phỏng phân bố ứng suất để minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các tham số.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường hàm lượng cốt thép trong chốt bê tông: Khuyến nghị sử dụng ít nhất 2 thanh cốt thép Ø12 trong chốt bê tông để nâng cao khả năng kháng cắt và độ dai của liên kết perfobond. Thời gian áp dụng: ngay trong thiết kế và thi công.

  2. Tối ưu chiều cao bản bê tông: Đề xuất tăng chiều cao bản bê tông lên tối thiểu 120 mm để cải thiện khả năng chịu lực và phân bố ứng suất hiệu quả. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế kết cấu, nhà thầu thi công.

  3. Sử dụng tấm perfobond có chiều dày phù hợp: Ưu tiên tấm perfobond dày 12 mm cho các công trình chịu tải trọng lớn nhằm đảm bảo độ bền và độ ổn định của liên kết. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn lựa chọn vật liệu.

  4. Áp dụng mô hình SPOT trong kiểm định liên kết: Khuyến khích sử dụng thí nghiệm SPOT để đánh giá khả năng kháng cắt của liên kết perfobond trong các nghiên cứu và kiểm định thực tế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với thí nghiệm POT truyền thống.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và công nhân về kỹ thuật thi công và kiểm tra liên kết perfobond, đảm bảo chất lượng và hiệu quả công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình dự đoán khả năng kháng cắt, hỗ trợ thiết kế liên kết perfobond chính xác, tiết kiệm vật liệu và đảm bảo an toàn.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Hiểu rõ cơ chế làm việc và các yếu tố ảnh hưởng đến liên kết perfobond giúp tối ưu quy trình thi công, kiểm soát chất lượng và giảm thiểu rủi ro hư hỏng.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu liên hợp và liên kết kháng cắt, đặc biệt là phương pháp thí nghiệm SPOT.

  4. Chuyên gia kiểm định và tư vấn kỹ thuật: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá, kiểm định chất lượng liên kết perfobond trong các công trình hiện hữu hoặc dự án mới, từ đó đưa ra khuyến nghị phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Liên kết perfobond là gì và ưu điểm so với các loại liên kết khác?
    Liên kết perfobond là tấm thép có khoét lỗ, khi đổ bê tông tạo thành các chốt bê tông chịu lực cắt. Ưu điểm gồm khả năng kháng cắt cao, độ dai tốt, dễ thi công và tiết kiệm vật liệu so với liên kết đinh tán hay đỉnh mũ.

  2. Phương pháp thí nghiệm SPOT có điểm gì khác biệt so với POT?
    SPOT sử dụng một bản bê tông đơn, phản ánh chính xác sự làm việc của dầm tiết diện T ngược không đối xứng, trong khi POT dùng hai bản bê tông đối xứng, phù hợp với dầm tiết diện I hoặc H. SPOT cho kết quả khả năng kháng cắt của từng chốt chính xác hơn.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng kháng cắt của liên kết perfobond?
    Bao gồm cường độ bê tông, chiều cao bản bê tông, chiều dày tấm perfobond và hàm lượng cốt thép trong chốt bê tông. Tăng các yếu tố này giúp nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của liên kết.

  4. Mô hình phần tử hữu hạn giúp gì trong nghiên cứu này?
    Mô hình giúp phân tích chi tiết ứng suất, biến dạng và cơ chế phá hoại của liên kết, so sánh với kết quả thực nghiệm để hiệu chỉnh công thức dự đoán, từ đó nâng cao độ chính xác trong thiết kế.

  5. Liên kết perfobond có thể ứng dụng trong những công trình nào?
    Phù hợp với các công trình dân dụng và công nghiệp sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông, đặc biệt các dầm có tiết diện T ngược, cầu vượt, nhà cao tầng và các công trình yêu cầu khả năng chịu lực cao và thi công nhanh.

Kết luận

  • Đã khảo sát thực nghiệm và mô phỏng thành công ứng xử của liên kết perfobond dạng mở trong dầm liên hợp tiết diện T ngược bằng thí nghiệm SPOT và phần tử hữu hạn ANSYS.
  • Các tham số như cường độ bê tông, chiều cao bản bê tông, hàm lượng cốt thép và chiều dày tấm perfobond ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng kháng cắt và biến dạng trượt của liên kết.
  • Mô hình SPOT phản ánh chính xác hơn sự làm việc thực tế của liên kết perfobond so với phương pháp POT truyền thống.
  • Đã đề xuất công thức tính khả năng kháng cắt phù hợp với điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam, hỗ trợ thiết kế và thi công kết cấu liên hợp.
  • Khuyến nghị áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế, thi công và kiểm định các công trình sử dụng liên kết perfobond, đồng thời phát triển thêm các nghiên cứu mở rộng về ứng dụng và vật liệu mới.

Tiếp theo, cần triển khai các nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng tải trọng động và tuổi thọ liên kết, đồng thời tổ chức đào tạo chuyển giao công nghệ cho các đơn vị thi công và thiết kế. Để biết thêm chi tiết và nhận tư vấn chuyên sâu, quý độc giả vui lòng liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.