Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu liên hợp thép – bê tông (LHT-BT) là giải pháp xây dựng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và đang dần phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt trong các công trình nhà cao tầng và nhà khung nhịp lớn. Theo báo cáo ngành xây dựng, loại kết cấu này tận dụng ưu điểm cơ lý của thép và bê tông để tạo ra kết cấu có khả năng chịu lực cao, độ tin cậy lớn, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy và đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong môi trường có tính ăn mòn cao như ven biển, sông ngòi, việc sử dụng thép truyền thống gặp nhiều hạn chế do hiện tượng rỉ sét, ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng sử dụng cốt thanh thủy tinh gia cường polymer (GFRP) thay thế cho cốt thép trong kết cấu liên hợp thép – bê tông. Thanh GFRP có ưu điểm nổi bật như cường độ chịu kéo cao, bền vững trong môi trường kiềm, axit và các chất ăn mòn khác, cùng trọng lượng nhẹ giúp giảm tải trọng bản thân kết cấu. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát tính chất cơ lý của thanh GFRP, khả năng bám dính với bê tông nền có các mác khác nhau (C20/25, C25/30, C35/45, C45/55), đồng thời thực nghiệm kiểm chứng sự làm việc của kết cấu sàn liên hợp sử dụng thanh GFRP so với kết cấu truyền thống dùng cốt thép.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các kết cấu sàn liên hợp chịu uốn, áp dụng cho công trình nhà cao tầng tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu thực nghiệm và phân tích từ năm 2015 đến 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng mới, nâng cao tuổi thọ và hiệu quả kinh tế cho các công trình xây dựng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết kết cấu liên hợp thép – bê tông (LHT-BT):
    Kết cấu LHT-BT hoạt động dựa trên sự làm việc liên hợp giữa thép và bê tông, trong đó thép chịu lực dạng tấm, thép hình hoặc thép ống được liên kết với bê tông thông qua các chốt hàn, neo, móc nhằm phát huy tối đa đặc tính cơ lý của từng vật liệu. Tiêu chuẩn tính toán dựa trên Eurocode 3 và Eurocode 4, bao gồm kiểm tra trạng thái giới hạn phá hoại và trạng thái sử dụng, tính toán mômen, lực cắt, độ võng và vết nứt của sàn liên hợp.

  2. Lý thuyết về sự làm việc của cốt thanh thủy tinh GFRP trong bê tông:
    Thanh GFRP có tính năng chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn vượt trội. Lý thuyết này tập trung vào cơ chế bám dính giữa thanh GFRP và bê tông nền, sự truyền lực cắt dọc, cũng như ứng xử đàn hồi tuyến tính của vật liệu. Mô hình giả định mặt cắt ngang trước và sau biến dạng luôn phẳng, đảm bảo sự làm việc đồng bộ giữa thanh GFRP và bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Kết cấu liên hợp thép – bê tông (LHT-BT)
  • Thanh thủy tinh gia cường polymer (GFRP)
  • Khả năng bám dính giữa cốt và bê tông
  • Trạng thái giới hạn phá hoại và sử dụng
  • Ứng suất, mômen và độ võng của sàn liên hợp

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm xây dựng, bao gồm:

  • Thí nghiệm kéo tuột giữa thanh GFRP và bê tông nền với các mác bê tông C20/25, C25/30, C35/45, C45/55.
  • Thí nghiệm kéo tuột giữa thanh thép và bê tông nền để so sánh khả năng bám dính.
  • Thí nghiệm uốn sàn liên hợp sử dụng thanh GFRP và thanh thép chịu lực.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều mẫu kéo tuột và sàn liên hợp với kích thước tiêu chuẩn, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy. Phương pháp phân tích sử dụng các tiêu chuẩn Eurocode và ASTM C39 để đánh giá cường độ, mô đun đàn hồi, biến dạng và khả năng chịu lực của vật liệu và kết cấu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ thiết kế thí nghiệm, thi công mẫu, tiến hành thí nghiệm đến phân tích kết quả và so sánh với lý thuyết. Các thiết bị đo đạc như máy kéo, strain gauges, thiết bị thu nhận tín hiệu chuyển vị được sử dụng để thu thập dữ liệu chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng bám dính của thanh GFRP với bê tông nền vượt trội so với thép:
    Thí nghiệm kéo tuột cho thấy lực kéo tuột của thanh GFRP lớn hơn thanh thép từ 20-25% tùy theo mác bê tông. Ví dụ, với bê tông C25/30, lực kéo tuột trung bình của GFRP đạt khoảng 115 kN, trong khi thanh thép chỉ đạt khoảng 90 kN.

  2. Ảnh hưởng của mác bê tông đến lực bám dính:
    Lực kéo tuột tăng theo mác bê tông, với bê tông C45/55 cho lực kéo tuột cao nhất, thể hiện sự tương tác tốt hơn giữa cốt và bê tông nền có cường độ cao.

  3. Khả năng chịu lực của kết cấu sàn liên hợp sử dụng thanh GFRP thấp hơn thép khoảng 25-30%:
    Thí nghiệm uốn sàn cho thấy sàn sử dụng thanh GFRP có khả năng chịu lực tối đa thấp hơn sàn dùng cốt thép khoảng 25-30%, tuy nhiên vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trong giai đoạn đàn hồi.

  4. Ứng xử đàn hồi và mômen – độ võng của sàn liên hợp:
    Quan hệ ứng suất – chuyển vị của sàn liên hợp sử dụng GFRP tương tự như sàn dùng thép trong giai đoạn đàn hồi, cho thấy tính ổn định và khả năng làm việc đồng bộ của vật liệu mới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân lực kéo tuột của thanh GFRP cao hơn thanh thép là do bề mặt thanh GFRP có cấu trúc đặc biệt giúp tăng ma sát và khả năng bám dính với bê tông. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu composite trong xây dựng. Mặc dù khả năng chịu lực của GFRP thấp hơn thép, nhưng với trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn vượt trội, GFRP là lựa chọn tối ưu cho các công trình ở môi trường khắc nghiệt như ven biển, khu vực có độ ẩm cao.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này củng cố thêm luận điểm về tính khả thi của việc thay thế cốt thép bằng GFRP trong kết cấu liên hợp bê tông – thép. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lực kéo tuột giữa GFRP và thép theo từng mác bê tông, cũng như bảng số liệu mômen và độ võng của sàn liên hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng thanh GFRP trong kết cấu sàn liên hợp bê tông cho công trình ven biển và môi trường ăn mòn cao:
    Khuyến nghị sử dụng thanh GFRP thay thế cốt thép trong các công trình xây dựng tại khu vực có môi trường ăn mòn cao nhằm tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì. Thời gian áp dụng trong vòng 2-3 năm tới, chủ thể thực hiện là các công ty xây dựng và tư vấn thiết kế.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và thi công kết cấu sử dụng GFRP:
    Cần phát triển và ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình thi công phù hợp với vật liệu GFRP để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, do các cơ quan quản lý xây dựng và viện nghiên cứu chủ trì.

  3. Đào tạo kỹ sư và công nhân về công nghệ thi công GFRP:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vật liệu GFRP, kỹ thuật lắp đặt và kiểm tra chất lượng nhằm nâng cao năng lực thi công. Thời gian triển khai liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng GFRP trong các kết cấu khác như cọc, dầm cầu, tường chắn:
    Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo mở rộng phạm vi ứng dụng GFRP trong các kết cấu chịu lực khác để tận dụng tối đa ưu điểm của vật liệu. Thời gian nghiên cứu 3-5 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng:
    Giúp hiểu rõ về tính chất và ứng dụng của vật liệu GFRP trong kết cấu liên hợp, từ đó áp dụng vào thiết kế các công trình nhà cao tầng và cầu đường.

  2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án:
    Cung cấp kiến thức về quy trình thi công, kiểm soát chất lượng và các lưu ý kỹ thuật khi sử dụng thanh GFRP, giúp nâng cao hiệu quả thi công và giảm rủi ro.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng:
    Là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu về vật liệu composite, kết cấu liên hợp và phát triển công nghệ xây dựng hiện đại.

  4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng:
    Hỗ trợ trong việc xây dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến vật liệu mới, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ tiên tiến trong ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thanh GFRP có thể thay thế hoàn toàn cốt thép trong kết cấu bê tông không?
    Thanh GFRP có thể thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt thép trong các kết cấu chịu kéo, đặc biệt trong môi trường ăn mòn cao. Tuy nhiên, do khả năng chịu lực thấp hơn thép khoảng 25-30%, việc thiết kế cần tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn.

  2. Khả năng bám dính giữa thanh GFRP và bê tông có tốt hơn thép không?
    Thí nghiệm cho thấy lực kéo tuột của thanh GFRP lớn hơn thanh thép từ 20-25%, chứng tỏ khả năng bám dính tốt hơn, giúp tăng hiệu quả liên kết trong kết cấu.

  3. Thanh GFRP có chịu được nhiệt độ cao và cháy không?
    Thanh GFRP có nhược điểm là suy giảm cường độ nhanh khi tiếp xúc nhiệt độ cao hoặc hỏa hoạn, do đó cần có biện pháp bảo vệ hoặc sử dụng trong các điều kiện phù hợp.

  4. Việc thi công sử dụng thanh GFRP có phức tạp không?
    Do trọng lượng nhẹ và dễ cắt, thanh GFRP giúp thi công nhanh chóng và đơn giản hơn so với thép truyền thống, giảm chi phí vận chuyển và lắp đặt.

  5. Ứng dụng của thanh GFRP phù hợp với loại công trình nào?
    Thanh GFRP rất phù hợp cho các công trình ven biển, cầu cảng, nhà cao tầng ở môi trường ăn mòn cao, các công trình yêu cầu không dẫn điện như phòng y tế hoặc trạm radar.

Kết luận

  • Thanh thủy tinh gia cường polymer (GFRP) có lực kéo tuột lớn hơn thanh thép từ 20-25%, cho thấy khả năng bám dính tốt hơn với bê tông nền.
  • Khả năng chịu lực của kết cấu sàn liên hợp sử dụng thanh GFRP thấp hơn thép khoảng 25-30%, nhưng vẫn đảm bảo làm việc trong giai đoạn đàn hồi.
  • Thanh GFRP có ưu điểm vượt trội về trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn và không dẫn điện, phù hợp với môi trường khắc nghiệt.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu mới trong xây dựng, góp phần nâng cao tuổi thọ và hiệu quả kinh tế cho công trình.
  • Đề xuất tiếp tục hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế, đào tạo nhân lực và mở rộng ứng dụng GFRP trong các kết cấu xây dựng khác.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên tập trung vào việc hoàn thiện quy trình thiết kế và thi công, đồng thời triển khai các dự án thí điểm để đánh giá hiệu quả thực tế của vật liệu GFRP trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp. Hãy bắt đầu áp dụng vật liệu tiên tiến này để nâng cao chất lượng và bền vững cho các công trình tương lai!