Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Hùng với đề tài "Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa", chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng (mã số: 9580201), được thực hiện tại Trường Đại học Xây dựng dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Trung Hiếu và GS.TS. Ngô Thế Phong, hoàn thành vào năm 2021.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bê tông là vật liệu đàn dẻo (visco-plastic), có biến dạng diễn biến phức tạp theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng hoặc không chịu tải trọng. Biến dạng toàn phần của bê tông gồm biến dạng tức thời và các thành phần biến dạng dài hạn (từ biến, co ngót và biến dạng nhiệt). Trong đó, biến dạng từ biến và hiện tượng chùng ứng suất (stress relaxation) là hai mặt của một tính chất xảy ra đồng thời khi kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) làm việc dài hạn. Hiện tượng chùng ứng suất thể hiện qua sự suy giảm nội lực, ứng suất theo thời gian khi biến dạng của kết cấu được duy trì, điển hình nhất là khi biến dạng không đổi.

Trong thực tế xây dựng công trình, chùng ứng suất phát sinh phổ biến ở các kết cấu dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa kéo dài, ví dụ như:

  • Dầm móng BTCT liên kết các đài cọc chịu chuyển vị cưỡng bức do sự lún lệch giữa các móng.
  • Dầm BTCT liên kết giữa cột và vách nhà cao tầng chịu chuyển vị cưỡng bức do sự chênh lệch biến dạng co ngắn dài hạn giữa cột và vách.

Mặc dù đây là các vấn đề kỹ thuật thường gặp, công tác thiết kế thực tế tại Việt Nam hiện chủ yếu chỉ xem xét bài toán dài hạn thông qua đặc trưng từ biến của bê tông mà chưa xét đến ảnh hưởng của chùng ứng suất. Chùng ứng suất có thể làm giảm đáng kể ứng suất kéo trong cốt thép và bê tông, từ đó làm chậm và hạn chế sự phát triển của vết nứt. Khoảng trống nghiên cứu thực nghiệm về chùng ứng suất trên cấu kiện kết cấu BTCT chịu uốn ở Việt Nam còn rất lớn, đặc biệt là các mô hình thực nghiệm có khả năng cô lập riêng ảnh hưởng của chuyển vị cưỡng bức gối tựa mà không bị pha tạp bởi tải trọng sử dụng hay biến dạng nhiệt và co ngót.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu xây dựng một mô hình thực nghiệm phù hợp và đảm bảo độ tin cậy nhằm nghiên cứu sự làm việc dài hạn của cấu kiện dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa.
  2. Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê tông, sử dụng trong việc tính toán sự làm việc dài hạn của kết cấu dầm BTCT.
  3. Nghiên cứu xây dựng công thức dự báo chùng ứng suất theo thời gian cho kết cấu dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu dầm bê tông cốt thép chế tạo bằng bê tông nặng thông thường, làm việc chịu uốn và chịu tác động của chuyển vị cưỡng bức tại gối tựa.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Cấu kiện dầm BTCT được tính toán và thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018.
    • Khảo sát sự làm việc dài hạn của dầm chỉ do chuyển vị cưỡng bức của gối tựa liên kết gây ra; các ảnh hưởng của trọng lượng bản thân cấu kiện, biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt của bê tông được loại trừ thông qua giải pháp đo đạc và cấu tạo mô hình thí nghiệm.
    • Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trong điều kiện môi trường tự nhiên tại phòng thí nghiệm LAS-XD125, Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Trong chương tổng quan, tác giả hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến từ biến và chùng ứng suất của bê tông và kết cấu BTCT:

  1. Cơ chế vi mô và bản chất của từ biến:

    • Feldman và Sereda (1968) giải thích từ biến xuất phát từ sự dịch chuyển của các phân tử nước xen kẽ giữa các lớp gel canxi silicat hydrat (C-S-H), dẫn đến sự trượt tương đối giữa các lớp gel và làm biến đổi cấu trúc vi mô của xi măng ngậm nước.
    • Gilbert và Ranzi (2010) mô tả tổng biến dạng bê tông $\varepsilon_c(t) = \varepsilon_{in}(t) + \varepsilon_{cr}(t) + \varepsilon_{sh}(t) + \varepsilon_{th}(t)$, trong đó từ biến gồm thành phần phục hồi được và thành phần không thể phục hồi (chiếm phần lớn). Từ biến gây ra sự tái phân phối ứng suất từ bê tông sang cốt thép trong cấu kiện chịu nén và làm suy giảm mô men uốn trên cấu kiện dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa.
    • Mucambe (2010) phân loại 4 cơ chế chính của từ biến: khuếch tán độ ẩm, nứt vi mô, biến dạng đàn hồi bị trì hoãn và điều chỉnh cấu trúc vi mô qua dòng chảy nhớt.
    • Alexander và Beushausen (2009) chỉ ra rằng khi mức ứng suất nhỏ hơn 40% cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông, quan hệ giữa ứng suất và từ biến là tuyến tính. Biến dạng từ biến đạt khoảng 50% giá trị cuối cùng sau 2 đến 3 tháng và đạt khoảng 90% sau 2 đến 3 năm.

  2. Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến chùng ứng suất:

    • Gutsch và Rostasy (1994) khảo sát từ biến và chùng ứng suất dưới ứng suất kéo cao (từ 30% đến 90% cường độ), chỉ ra rằng các vết nứt vi mô xuất hiện làm suy giảm độ cứng và thúc đẩy quá trình chùng ứng suất.
    • Hossain và Weiss (2004) dùng thí nghiệm vòng thép tròn kiềm chế co ngót với các chiều dày 3,1 mm, 9,5 mm và 19 mm, chứng minh mức độ kiềm chế càng cao thì ứng suất phát triển càng lớn và hiệu ứng chùng ứng suất sau đó càng rõ rệt.
    • Morimoto và Koyanagi (1994) thí nghiệm chùng ứng suất chịu nén và kéo trên hai hỗn hợp bê tông có tỷ lệ nước/xi măng (N/X) là 0,45 và 0,60 ở các ngày tuổi 1, 3, 7, 14 và 21 ngày. Kết quả chỉ ra chùng ứng suất diễn ra với tốc độ rất nhanh trong những giờ đầu tiên và đạt giá trị ổn định lớn nhất sau khoảng 100 giờ (2 đến 3 ngày), đồng thời chùng ứng suất khi nén cao hơn đáng kể so với khi kéo.
    • Beushausen và cộng sự (2012) nghiên cứu chùng ứng suất kéo ở 72 giờ trên các mẫu vữa ở 2, 7 và 28 ngày tuổi với ứng suất ban đầu bằng 80% độ bền kéo, xác nhận tuổi chất tải càng lớn thì độ chùng ứng suất càng giảm.
    • Atrushi (2003) nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng silica fume, nhiệt độ (5°C, 13°C, 20°C, 45°C) và biến dạng co ngót tự sinh đến chùng ứng suất, ghi nhận hiện tượng ứng suất tăng trở lại sau 24 giờ do co ngót tự sinh phát triển.
    • Masuku (2009) và Chilwesa (2012) thực hiện thí nghiệm chùng ứng suất kéo trên máy thí nghiệm vạn năng điều khiển biến dạng Zwick Roell, phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ N/X và hàm lượng cốt liệu mịn.
    • Tanabe và Ishikawa (1993) so sánh chùng ứng suất ở trạng thái nén (đạt 60% đến 67%) và kéo (đạt 20% đến 25%) ở tuổi 1 và 3 ngày.
    • Serda và Kristek (1988) chỉ ra quan hệ phi tuyến giữa ứng suất ban đầu và chùng ứng suất khi mức ứng suất vượt quá 11,8 MPa.

  3. Nghiên cứu chùng ứng suất trên cấu kiện dầm BTCT:

    • Ghali và cộng sự (1969) nghiên cứu thực nghiệm chùng ứng suất trên dầm BTCT liên tục chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa.
    • Jukka Jokela (1990) khảo sát thực nghiệm 04 mẫu dầm BTCT chịu tác dụng đồng thời của gradient nhiệt độ và chuyển vị cưỡng bức gối tựa, ghi nhận sự suy giảm của phản lực gối tựa theo thời gian.
    • Koichi Maekawa và cộng sự (2006) thí nghiệm trên dầm BTCT hai nhịp chịu chuyển vị cưỡng bức tại gối giữa kết hợp tải trọng sử dụng và biến dạng co ngót.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm về chùng ứng suất trên thế giới được tiến hành trên các mẫu thử bê tông nhỏ dạng lăng trụ hoặc hình trụ chịu nén/kéo đơn trục; rất ít thí nghiệm được thực hiện trực tiếp trên cấu kiện kết cấu BTCT làm việc chịu uốn. Trong các thí nghiệm dầm hiếm hoi của Jokela (1990) hay Maekawa (2006), sự chùng ứng suất luôn bị tác động đồng thời bởi nhiều yếu tố phức tạp (tải trọng nhiệt, tải trọng tĩnh, co ngót) mà chưa tách biệt được tác động độc lập của chuyển vị cưỡng bức gối tựa. Tại Việt Nam, nghiên cứu thực nghiệm về chùng ứng suất trên kết cấu BTCT chịu uốn chưa từng được công bố. Luận án giải quyết trực tiếp khoảng trống này bằng cách thiết kế hệ thí nghiệm cách ly riêng biệt tác động của chuyển vị gối tựa và xây dựng mô hình giải tích dự báo sự suy giảm phản lực theo thời gian.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình giải tích

Luận án áp dụng các cơ sở lý thuyết cơ bản về ứng xử dài hạn của bê tông:

  • Lý thuyết từ biến tuyến tính: Áp dụng khi ứng suất trong bê tông không vượt quá 0,4 đến 0,5 cường độ chịu nén đặc trưng. Mối quan hệ giữa biến dạng dài hạn $\varepsilon(t)$, hàm từ biến $J(t, t_0)$, hệ số từ biến $\varphi(t, t_0)$ và mô đun đàn hồi $E_c(t)$ được thiết lập qua phương trình tích phân kế thừa Volterra: $$\varepsilon(t) = \sigma(t_0) J(t, t_0) + \int_{t_0}^t J(t, \tau) \frac{\partial \sigma(\tau)}{\partial \tau} d\tau + \varepsilon_n(t)$$
  • Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả (EMM): Sử dụng mô đun đàn hồi suy giảm theo thời gian dựa trên hệ số từ biến.
  • Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh theo tuổi (AEMM): Dựa trên tiêu chuẩn CEB-FIP Model Code 1990-1993 (MC 90-93) và fib Model Code 2010. Mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh được xác định bằng công thức: $$E_{eff}(t, t_0) = \frac{E_c(t_0)}{1 + \chi(t, t_0) \cdot \varphi(t, t_0)}$$ trong đó $\chi(t, t_0)$ là hệ số già (aging coefficient) của bê tông.
  • Hàm chùng ứng suất xấp xỉ (ARF): Sử dụng hàm $R(t, t_0)$ hoặc $E_R(t, t_0)$ liên hệ mật thiết với hàm từ biến để biểu diễn sự suy giảm của ứng suất dưới biến dạng không đổi.
  • Lý thuyết uốn dầm theo TCVN 5574:2018: Xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm BTCT khi chưa nứt và khi nứt, chiều dài vùng nứt, diện tích tiết diện quy đổi $A_{red}$, mô men kháng nứt $M_{crc}$, mô men quán tính quy đổi $I_{red}$, chiều cao vùng nén $x$ và độ cứng danh định $D$ của cấu kiện uốn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa giải tích số và nghiên cứu thực nghiệm:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và giải tích số:
    • Xây dựng mô hình tính toán dầm BTCT một đầu ngàm một đầu khớp chịu chuyển vị cưỡng bức tại gối khớp.
    • Ứng dụng mô hình AEMM có điều chỉnh để thiết lập thuật toán tính toán lặp hàm chùng ứng suất $E_R(t, t_0)$ bằng phần mềm Matlab (Phụ lục 8).
    • Thiết lập chương trình giải hệ phương trình xác định quy luật suy giảm phản lực gối tựa $R_B(t)$ và ứng suất cốt thép $\sigma_s(t)$ theo thời gian bằng phần mềm Maple (Phụ lục 9).
  2. Phương pháp thực nghiệm:
    • Chế tạo 12 mẫu dầm BTCT có kích thước hình học $b \times h \times L = 100 \times 150 \times 800\text{ mm}$.
    • Khảo sát 3 nhóm dầm với hàm lượng cốt thép dọc vùng kéo khác nhau:
      • Nhóm 1: 4 dầm ký hiệu D1-10, D2-10, D3-10, D4-10 (đặt 2Ø10, hàm lượng $\mu_1 = 1{,}163%$).
      • Nhóm 2: 4 dầm ký hiệu D1-12, D2-12, D3-12, D4-12 (đặt 2Ø12, hàm lượng $\mu_2 = 1{,}675%$).
      • Nhóm 3: 4 dầm ký hiệu D1-14, D2-14, D3-14, D4-14 (đặt 2Ø14, hàm lượng $\mu_3 = 2{,}279%$).
    • Thiết kế hệ khung thép treo dầm và hệ khung trượt tạo chuyển vị cưỡng bức, cố định chuyển vị bằng hệ nêm thép và khóa cứng bằng thanh kéo ren thép Ø6.
    • Chế tạo các mẫu đối chứng không chịu lực cùng kích thước để đo riêng biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt nhằm loại trừ hai thành phần này khỏi kết quả đo của dầm chịu lực.
    • Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý vật liệu: cường độ nén bê tông, mô đun đàn hồi $E_c$, hệ số từ biến $\varphi(t, t_0)$ trên thiết bị nén lò xo giữ tải chuyên dụng, và đo chùng ứng suất trong bản thân thanh thép Ø6.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: Tổng quan về ứng xử dài hạn của bê tông và kết cấu bê tông cốt thép

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các lý thuyết về từ biến và chùng ứng suất trong bê tông. Tác giả phân tích chi tiết cơ chế vi mô của biến dạng dài hạn, chỉ rõ vai trò của nước tự do, nước mao quản và nước hấp phụ trong gel xi măng C-S-H theo mô hình Feldman và Sereda (1968). Từ biến được phân tách thành từ biến cơ bản (xảy ra trong điều kiện độ ẩm không đổi) và từ biến khô (phát sinh khi có sự trao đổi độ ẩm với môi trường ngoài).

Phần tổng quan làm rõ hiện tượng chùng ứng suất trong điều kiện biến dạng cưỡng bức giữ nguyên theo thời gian ($\Delta \varepsilon = \Delta \varepsilon_e + \Delta \varepsilon_{cr} + \Delta \varepsilon_{sh} = 0$), khi đó biến dạng từ biến và co ngót tăng lên buộc biến dạng đàn hồi phải giảm đi, dẫn đến ứng suất giảm theo hệ số đàn hồi ($\Delta \sigma = E_c \cdot \Delta \varepsilon_e < 0$). Chương 1 trích dẫn bảng số liệu thực nghiệm quan trọng của Morimoto và Koyanagi (1994) mô tả thời gian chùng một nửa $r$ và tỷ lệ phần trăm chùng cuối $Q$ theo tuổi bê tông khi chịu tải:

Tuổi chất tải (ngày) 1/2 thời gian chùng $r$ (giờ) Phần trăm chùng cuối $Q$ (%)
1 25 - 30 95 - 100
3 10 - 14 60 - 65
7 5 - 15 40 - 50
14 7 - 8 30 - 40
21 7 - 15 35 - 45

Tác giả đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp phân tích ứng xử dài hạn gồm EMM, AEMM (theo Model Code 90-93 và fib 2010), và phương pháp hàm chùng ứng suất xấp xỉ ARF. Từ đó, chương 1 khẳng định sự cần thiết phải phân tích đồng thời từ biến và chùng ứng suất trên kết cấu dầm BTCT làm việc chịu uốn dưới tác động của chuyển vị gối tựa.

CHƯƠNG 2: Tính toán dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa theo thời gian

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết giải tích và phương pháp tính toán số cho dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa:

  • Thiết lập sơ đồ tính: Sơ đồ dầm liên tục hoặc hai đầu ngàm được quy đổi về sơ đồ dầm đơn giản một đầu ngàm, một đầu gối khớp chịu chuyển vị cưỡng bức thẳng đứng $\Delta(t, t_0)$ tại gối khớp.
  • Xác định trạng thái nứt và độ cứng dầm: Dưới tác dụng của chuyển vị cưỡng bức ban đầu $\Delta(t_0)$, dầm xuất hiện mô men uốn lớn nhất tại ngàm. Dầm được chia thành hai vùng: vùng nứt (gần đầu ngàm, nơi mô men uốn vượt quá mô men kháng nứt $M_{crc}$) và vùng chưa nứt (gần gối khớp). Chiều cao vùng nén $x$, mô men quán tính tiết diện quy đổi $I_{red}$ và độ cứng danh định $D$ được xác định riêng cho từng vùng theo chỉ dẫn của TCVN 5574:2018.
  • Thiết lập mối quan hệ từ biến - hệ số già: Xây dựng mối quan hệ hàm số giữa hệ số từ biến $\varphi(t, t_0)$ và hệ số già $\chi(t, t_0)$ của bê tông cho các cấp độ bền bê tông khác nhau (như trường hợp $f_c = 30\text{ MPa}$ tính theo Eurocode 2).
  • Mô hình AEMM có điều chỉnh: Ứng dụng mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh $E_{eff}(t, t_0)$ để tính hàm chùng $E_R(t, t_0)$ thông qua chương trình tính lặp thiết lập trên phần mềm Matlab.
  • Xác định sự suy giảm phản lực gối tựa $R_B(t)$: Do chuyển vị tại gối tựa được giữ cố định theo thời gian ($\Delta(t) = \text{const}$), hiện tượng chùng ứng suất và từ biến làm phân phối lại nội lực, dẫn đến độ cứng của dầm suy giảm và phản lực gối tựa $R_B(t)$ giảm dần theo thời gian. Sự suy giảm của tỷ số $R_B(t)/R_B(t_0)$ phản ánh trực tiếp mức độ chùng ứng suất và sự suy giảm ứng suất kéo $\sigma_s(t)$ trong cốt thép.
  • Khảo sát tham số: Bằng phần mềm Maple, tác giả tính toán và lập các biểu đồ khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông ($f_c$), giá trị phản lực ban đầu $R_B(t_0)$ và 3 hàm lượng cốt thép ($\mu_1, \mu_2, \mu_3$) đến tốc độ và mức độ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian.

CHƯƠNG 3: Xây dựng mô hình thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm LAS-XD125:

  • Thiết kế hệ giá thí nghiệm: Để nghiên cứu thuần túy tác động của chuyển vị gối tựa mà không bị ảnh hưởng bởi trọng lượng bản thân dầm, hệ dầm được bố trí treo trên hệ khung thép chuyên dụng. Chuyển vị cưỡng bức tại đầu gối khớp được tạo ra bằng hệ khung trượt gia tải. Khi đạt giá trị chuyển vị thiết kế, gối tựa được khóa cứng bằng hệ nêm thép và cố định thông qua thanh thép kéo Ø6 có gắn thiết bị đo lực (loadcell) và cảm biến biến dạng.
  • Loại trừ biến dạng co ngót và nhiệt độ: Bố trí một nhóm mẫu dầm đối chứng không chịu lực cùng kích thước và cấp phối (thuộc nhóm hàm lượng cốt thép $\mu_2 = 1{,}675%$), lắp đặt thiết bị đo chuyển vị và biến dạng song song để theo dõi riêng biến dạng do co ngót $\varepsilon_{sh}(t)$ và dao động nhiệt ẩm $\varepsilon_{th}(t)$. Các giá trị này được trừ khử khỏi biến dạng tổng của dầm chịu tải.
  • Xác định đặc trưng cơ học vật liệu:
    • Bê tông: Đo mô đun đàn hồi $E_c$ và đo hệ số từ biến $\varphi(t, t_0)$ bằng thiết bị chuyên dùng sử dụng cụm lò xo nén giữ tải ổn định lâu dài.
    • Cốt thép: Thí nghiệm kéo xác định giới hạn chảy, mô đun đàn hồi $E_s$ và đo chùng ứng suất độc lập của thanh thép Ø6.
  • Kết quả đo đạc thực nghiệm:
    • Theo dõi liên tục biến thiên nhiệt độ và độ ẩm môi trường theo thời gian.
    • Phản lực gối tựa $R_B(t)$ suy giảm rõ rệt theo thời gian qua các giai đoạn: tốc độ suy giảm rất nhanh trong giai đoạn đầu (vài ngày đầu tiên) và chậm dần, tiệm cận giá trị ổn định sau thời gian dài.
    • Biến dạng nén trong bê tông vùng nén và biến dạng kéo trong cốt thép dọc vùng kéo đều có sự phân phối lại và suy giảm tương ứng với sự chùng ứng suất.
    • So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả giải tích từ Chương 2 cho thấy đường cong suy giảm phản lực thực nghiệm $R_B(t)/R_B(t_0)$ phù hợp với kết quả tính toán theo mô hình AEMM điều chỉnh cho cả 3 nhóm mẫu dầm $\mu_1 = 1{,}163%$, $\mu_2 = 1{,}675%$ và $\mu_3 = 2{,}279%$.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được công bố trên 4 bài báo tạp chí chuyên ngành và 1 báo cáo hội nghị khoa học, luận án đã đạt được các đóng góp mới sau:

  1. Xây dựng mô hình thực nghiệm chuyên biệt và tin cậy: Đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống thí nghiệm cho phép khảo sát dài hạn hiện tượng chùng ứng suất trên cấu kiện dầm BTCT chịu uốn do chuyển vị cưỡng bức gối tựa gây ra. Mô hình thực nghiệm có khả năng loại bỏ triệt để ảnh hưởng gây nhiễu của trọng lượng bản thân cấu kiện, biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt của môi trường.
  2. Xác định quan hệ hệ số từ biến và hệ số già: Đã thiết lập được mối quan hệ định lượng giữa hệ số từ biến $\varphi(t, t_0)$ và hệ số già $\chi(t, t_0)$ của bê tông, tạo cơ sở dữ liệu đầu vào cho các thuật toán phân tích kết cấu BTCT làm việc dài hạn.
  3. Xây dựng công thức dự báo chùng ứng suất theo thời gian: Đã xây dựng công thức và quy trình tính toán số (trên Matlab và Maple) dựa trên mô hình AEMM điều chỉnh để dự báo mức độ suy giảm phản lực gối tựa $R_B(t)/R_B(t_0)$ theo thời gian cho kết cấu dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Trong tính toán thiết kế các cấu kiện BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức kéo dài (như dầm móng chịu lún lệch, dầm giằng liên kết cột - vách chịu chênh lệch co ngắn), cần xét đến sự suy giảm nội lực do chùng ứng suất thay vì chỉ tính toán nội lực đàn hồi tức thời hoặc chỉ xét từ biến đơn thuần.
  • Việc tính đến chùng ứng suất giúp dự báo chính xác hơn mức độ ứng suất thực tế trong cốt thép và bê tông, hạn chế việc thiên về an toàn quá mức trong tính toán lượng cốt thép và hỗ trợ kiểm soát chính xác sự mở rộng vết nứt trong giai đoạn khai thác công trình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên các mẫu dầm có kích thước tiết diện nhỏ ($100 \times 150 \times 800\text{ mm}$), chế tạo bằng bê tông nặng thông thường trong phạm vi cấp độ bền giới hạn.
  • Thí nghiệm được tiến hành với sơ đồ dầm đơn giản một đầu ngàm một đầu khớp chịu chuyển vị cưỡng bức một lần không đổi tại gối khớp, chưa xét đến trường hợp chuyển vị cưỡng bức biến đổi tăng dần theo thời gian hoặc các sơ đồ kết cấu không gian phức tạp.
  • Điều kiện môi trường thí nghiệm phụ thuộc vào khí hậu tự nhiên tại khu vực Hà Nội trong thời gian đo đạc, chưa khảo sát trong các buồng môi trường kiểm soát hoàn toàn nhiệt ẩm nhân tạo.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng mô hình thực nghiệm trên các cấu kiện có kích thước hình học thực tế lớn hơn và các sơ đồ kết cấu siêu tĩnh nhiều nhịp liên tục.
  • Khảo sát sự làm việc dài hạn với các loại bê tông đặc tính mới như bê tông cường độ cao, bê tông cốt sợi hoặc bê tông tự lèn.
  • Nghiên cứu bài toán chuyển vị cưỡng bức gối tựa phát triển động theo thời gian (như quá trình lún tăng dần của móng công trình theo tiến độ thi công tải trọng tầng).

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp nguồn tài liệu khoa học và thực tiễn có giá trị cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình: Có thể tham khảo phương pháp thiết lập giá thí nghiệm treo dầm khử trọng lượng bản thân, giải pháp dùng mẫu dầm đối chứng để tách biệt co ngót - nhiệt độ, cũng như thuật toán lập trình hàm chùng ứng suất trên Matlab và Maple tại Phụ lục 8 và Phụ lục 9.
  • Kỹ sư kết cấu và chuyên gia tư vấn thiết kế: Ứng dụng quy trình tính toán suy giảm nội lực gối tựa để tối ưu hóa thiết kế kết cấu dầm móng và dầm liên kết cột - vách nhà cao tầng, giảm thiểu nguy cơ nứt và tiết kiệm hàm lượng cốt thép hợp lý.
  • Các cơ quan biên soạn tiêu chuẩn xây dựng: Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm đo đạc tại Việt Nam làm cơ sở khoa học để hoàn thiện các điều khoản tính toán kết cấu BTCT dài hạn và độ bền lâu trong các bản soát xét tiêu chuẩn TCVN trong tương lai.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng chùng ứng suất trong dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa diễn ra theo cơ chế nào?

Chùng ứng suất là sự suy giảm nội lực và ứng suất trong cấu kiện khi biến dạng cưỡng bức ban đầu được duy trì không đổi theo thời gian. Khi gối tựa bị chuyển vị và cố định vị trí, tổng biến dạng không đổi ($\Delta \varepsilon = \Delta \varepsilon_e + \Delta \varepsilon_{cr} + \Delta \varepsilon_{sh} = 0$). Dưới tác dụng của từ biến và co ngót, thành phần biến dạng đàn hồi $\varepsilon_e$ bị suy giảm dần theo thời gian. Sự suy giảm biến dạng đàn hồi này dẫn trực tiếp đến sự suy giảm ứng suất trong cốt thép, ứng suất trong bê tông và làm giảm phản lực gối tựa liên kết.

2. Luận án đã sử dụng giải pháp nào để loại trừ ảnh hưởng của co ngót và biến thiên nhiệt độ trong thí nghiệm?

Tác giả đã chế tạo một nhóm mẫu dầm đối chứng không chịu lực cùng kích thước ($100 \times 150 \times 800\text{ mm}$), cùng thành phần vật liệu và đặt trong cùng môi trường thí nghiệm với các dầm chịu lực. Trên mẫu dầm này, các cảm biến đo biến dạng và đồng hồ so chuyển vị được bố trí tương tự để đo riêng thành phần biến dạng do co ngót $\varepsilon_{sh}(t)$ và biến dạng do biến thiên nhiệt độ $\varepsilon_{th}(t)$. Giá trị đo được từ mẫu đối chứng này sau đó được trừ khỏi số liệu đo tổng của các dầm chịu chuyển vị cưỡng bức.

3. Các mẫu dầm trong nghiên cứu thực nghiệm có quy cách cấu tạo và hàm lượng cốt thép như thế nào?

Thí nghiệm khảo sát tổng cộng 12 mẫu dầm chính, tiết diện ngang $b \times h = 100 \times 150\text{ mm}$, chiều dài tính toán $L = 800\text{ mm}$, sơ đồ làm việc một đầu ngàm, một đầu khớp. 12 dầm được chia đều thành 3 nhóm theo hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo:

  • Nhóm 1: D1-10 đến D4-10, đặt 2 thanh thép Ø10, hàm lượng cốt thép $\mu_1 = 1{,}163%$.
  • Nhóm 2: D1-12 đến D4-12, đặt 2 thanh thép Ø12, hàm lượng cốt thép $\mu_2 = 1{,}675%$.
  • Nhóm 3: D1-14 đến D4-14, đặt 2 thanh thép Ø14, hàm lượng cốt thép $\mu_3 = 2{,}279%$.

4. Tác giả đã dùng công cụ tính toán số nào để giải bài toán chùng ứng suất và suy giảm phản lực gối tựa?

Tác giả đã sử dụng hai phần mềm toán học:

  • Matlab: Thiết lập thuật toán tính lặp giải tích phân để xác định hàm chùng ứng suất $E_R(t, t_0)$ dựa trên mô hình AEMM điều chỉnh kết hợp quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già (chi tiết tại Phụ lục 8).
  • Maple: Thiết lập hệ phương trình giải tích tính toán quy luật suy giảm phản lực gối tựa $R_B(t)/R_B(t_0)$ theo thời gian dưới sự thay đổi của các tham số cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép và phản lực ban đầu (chi tiết tại Phụ lục 9).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Mạnh Hùng đã giải quyết bài toán ứng xử dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa thông qua việc kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết giải tích và khảo sát thực nghiệm chuyên sâu. Công trình đã xây dựng thành công mô hình thực nghiệm tin cậy có khả năng khử trừ ảnh hưởng của trọng lượng bản thân, co ngót và nhiệt độ, đồng thời xác lập mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê tông. Các công thức dự báo sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian được xây dựng trên cơ sở mô hình AEMM điều chỉnh có sự phù hợp cao với số liệu đo đạc thực tế trên các nhóm dầm có hàm lượng cốt thép khác nhau. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn giá trị cho việc tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn có xét đến ảnh hưởng đồng thời của từ biến và chùng ứng suất nhằm đảm bảo độ bền lâu cho công trình.