MỞ ĐẦU 1.1- TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngành xây dựng luôn gắn liền với sự phát triển của đất nước. Trong những năm gần đây nhu cầu xây dựng ngày càng tăng, các công trình ngày càng có quy mô lớn, kết cấu phức tạp và có xu thế hướng tới việc xây dựng bền vững. Vì vậy, đòi hỏi chúng ta phải không ngừng phát triển về mặt khoa học, công nghệ để áp dụng vào thực tế. Như chúng ta đã biết bê tông chịu nén tốt và chịu kéo kém nên để tăng khả năng chịu kéo của cấu kiện người ta thường kết hợp bê tông với thép để tận dụng khả năng chịu nén của bê tông và chịu kéo của cốt thép.
Đối với bê tông cốt thép thông thường thì nguyên nhân dẫn đến xuất hiện vết nứt thì rất nhiều nhưng cốt lõi là khả năng chịu kéo của bê tông ở vùng kéo, khả năng liên kết dính bám giữa các hạt cốt liệu, ngoài ra còn do co ngót và từ biến, do tải trọng động,.và thường là phá hoại giòn, và tuổi thọ có hạn. Do đó, cần nghiên cứu một cấu kiện mới để khắc phục được những nhược điểm của bê tông cốt thép truyền thống sao cho: khả năng chịu lực cao hơn, dẻo hơn, ổn định hơn, bám dính tốt, chịu được tải trọng động tốt hơn và có tuổi thọ lâu hơn. Bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép là cấu kiện mới cần hướng đến để nghiên cứu .Trong đó một yếu tố rất quan trọng, có liên quan mật thiết và ảnh hưởng đến mục tiêu nghiên cứu là khả năng kháng cắt của bê tông. Vì vậy, Nghiên cứu khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép là cần thiết để khắc phục những nhược điểm của bê tông cốt thép thông thường, nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, đáp ứng yêu cấp thiết của thời đại từ đó đưa ra kết luận và khuyến cáo áp dụng vào thực tế để phát huy được tối đa ưu điểm của cấu kiện mới.2- ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép.3- PHẠM VI NGHIÊN CỨU Khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép, có sử dụng cốt sợi thép với nhịp bé hơn 10m bằng mô hình giàn ảo.4- MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Trang 1 Xác định khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép.
Làm rõ ưu, nhược điểm của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép. Vận dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế.5- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tính toán theo mô hình giàn ảo kết hợp với các kết quả các nghiên cứu đã được thí nghiệm.6- Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1- Ý nghĩa khoa học: Đề tài sẽ có những đóng góp về cơ sở lý luận trong việc tính toán khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép. Với phương pháp tính toán bằng mô hình giàn ảo giúp cho chúng ta hiểu rõ về quá trình cũng như sự hình thành vết nứt, đánh giá và tính toán cấu kiện chính xác hơn.2- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài, sẽ góp phần quan trọng trong việc kiểm tra, thẩm định kết cấu; kiểm soát quá trình làm việc và hình thành vết nứt của kết cấu; thiết kế bố trí cốt thép, sợi thép chịu được lực cắt tại vị trí ứng suất cục bộ hoặc tại các vị trí kết cấu hình học không đồng dạng. Trang 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1- BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP Bê tông sợi thép (SFRC) là hỗn hợp gồm vữa xi măng, cốt liệu mịn, cốt liệu thô và sợi thép.
Dưới tác dụng của lực kéo, bê tông sợi thép sẽ bị phá hoại khi sợi thép bị đứt gãy hoặc bị kéo tuột ra khỏi bê tông (Hình 2. Sự phá hủy của bê tông sợi thép Sợi thép được sử dụng trong hỗn hợp bê tông có chiều dài từ 7 đến 80mm, tỉ lệ chiều dài trên đường kính từ 20 đến 100; Cường độ chịu kéo trong khoảng 345-1380 Mpa, mô đun đàn hồi khoảng 200Gpa; Sợi thép có nhiều hình dạng khác nhau: dạng thẳng, dạng có gờ và dạng lượn sóng Hình 2. Khả năng bám dính và cường độ là hai đặc tính quan trọng của sợi thép. Khả năng bám dính phụ thuộc vào tỉ lệ chiều dài sợi thép trên đường kính thép và dạng hình học của sợi.
Đặc tính của bê tông sợi thép phụ thuộc vào đặc tính của bê tông (cường độ và mô đun đàn hồi), đặc tính của sợi thép (hàm lượng, cường độ, mô đun đàn hồi và khả năng bám dính của sợi thép). Một số hình dạng sợi thép Việc sử dụng cốt thép sợi sẽ làm cải thiện đáng kể các đặc tính chịu lực của bê tông, giảm biến dạng do từ biến và biến dạng do co ngót; tăng khả năng chống cắt, giảm bề rộng vết nứt. Trong những trường hợp có yêu cầu riêng về độ ổn định, về hạn chế sử dụng cốt thép hoặc những vị trí đặc biệt cần phải gia cường thì bê tông cốt sợi thép sẽ là sự chọn lựa hợp lý. So với bê tông truyền thống, sử dụng sợi thép với hàm lượng 1.5% không làm tăng đáng kể cường độ chịu nén của bê tông (0 đến 15%), nhưng làm tăng đáng kể cường độ Trang 4 chịu kéo của bê tông (30% đến 40%).
Ngoài ra, khả năng kháng cắt có thể tăng đến 30% ứng với hàm lượng sợi thép 1%. Việc bổ sung sợi thép vào trong bê tông có thể thay đổi tính chất của bê tông đáng kể vì chúng ảnh hưởng đến tính chất của bê tông cả ở trạng thái tươi lẫn trạng thái rắn. Đóng góp chính của các sợi thép là sự cải thiện tính chất của bê tông đông cứng. Tuy nhiên, sự cải thiện đạt được khi sử dụng cốt sợi thép đã kéo theo một số công việc bổ sung khi xử lý nó.
Phạm vi cải thiện bởi việc thêm cốt sợi thép làm thay đổi tính chất của bê tông bị phụ thuộc kiểu sợi, đặc trưng hình học của sợi, hàm lượng sợi trong bê tông và sự định hướng sợi trong bê tông cũng như bởi sự liên kết giữa bê tông và sợi thép.2- TƯƠNG TÁC GIỮA SỢI VÀ VẬT LIỆU NỀN 2.1- Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền là vấn đề cơ bản tạo ra chất lượng của bê tông cốt sợi, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền như: - Điều kiện, trạng thái của vật liệu nền: khi chưa nứt hay đã nứt - Hỗn hợp: thành phần vật liệu nền - Hình dạng, loại sợi, đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của sợi - Hướng sợi: đẳng hướng hay ngẫu nhiên - Tỉ lệ thể tích sợi sử dụng - Tính bền của sợi khi làm việc lâu dài trong bê tông cốt sợi - Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu nền sang sợi Khi bê tông bị kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình mỏi thì các vết nứt vi mô sẽ lan rộng theo bề mặt của cốt liệu và một phần ở khối bê tông xung quanh cốt liệu. Các sợi thép tăng cường giới hạn chịu kéo có thể gây ra nứt ban đầu trong hỗn hợp. Tuy nhiên, mức độ tăng cường còn phụ thuộc số lượng và sự hiệu quả của sợi thép tại vùng có thể xuất hiện đỉnh vết nứt. Mô phỏng sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền dựa trên hình dạng của lực kéo tuột đơn giản (Hình 2.
Mô hình sự kéo tuột sợi tại bề mặt liên kết giữa sợi và vật liệu nền của bê tông cốt sợi 2.1- Tương tác giữa sợi và vật liệu nền khi chưa nứt: Dạng tương tác này xảy ra trong hầu hết bê tông cốt sợi trong suốt giai đoạn tác dụng của tải trọng ban đầu. Trong giai đoạn không có tải trọng, ứng suất trong cả sợi và vật liệu nền được giả thiết bằng không; Trong vật liệu nền xi măng sự hydrat hóa của xi măng sẽ gây ra tăng ứng suất trong sợi và vật liệu nền. Khi vật liệu nền chịu tải trọng, một phần tải trọng được truyền qua sợi, bởi vì sợi và vật liệu nền có độ cứng khác nhau nên ứng suất trượt phát triển dọc theo bề mặt sợi. Nếu sợi có độ cứng lớn hơn độ cứng của vật liệu nền thì sự mất liên kết trên bề mặt sợi và xung quanh sợi sẽ nhỏ như hình: Hình 2.
Mặt phân cách của vật liệu nền – sợi khi vật liệu nền chưa nứt: a) Chưa chất tải; b) Vật liệu nền chịu kéo; c) Vật liệu nền chịu nén Sự truyền ứng suất đàn hồi hiện diện trong bê tông cốt sợi chưa nứt cũng như có trong vật liệu nền và sợi trong giai đoạn đàn hồi. Hiệu ứng, ứng suất- biến dạng đối với vật liệu nền có thể đưa ra khả năng phi đàn hồi và phi tuyến tính trước khi vật liệu bị phá hỏng. Sự chuyển đổi từ truyền ứng suất đàn hồi trước khi mất liên kết sang sự truyền ứng suất ma sát sau khi mất liên kết là một quá trình diễn ra chậm và hai quá trình trên cùng ảnh hưởng lẫn nhau. Sự mất liên kết có thể xảy ra trước khi có vết nứt đầu tiên của Trang 6 vật liệu nền và vì vậy ảnh hưởng kết hợp của hai quá trình này tác động đến hình dạng của đường cong ứng suất – biến dạng trước khi vật liệu nền bị nứt.
Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt – chuyển vị Sự chuyển đổi của ứng suất đàn hồi sang ứng suất trượt ma sát Nếu ứng suất kéo lớn thì việc mất liên kết có thể xảy ra trước khi vật liệu nền nứt, nếu ứng suất kéo nhỏ thì quá trình nứt vật liệu nền sẽ xảy ra trước khi mất liên kết. Như vậy, mọi vấn đề truyền ứng suất đều bị ảnh hưởng của các hiện tượng: truyền ứng suất trượt đàn hồi, ứng suất trượt ma sát, sự mất liên kết và ứng suất biến dạng bình thường. Mô tả sợi trong vật liệu nền – biến dạng và ứng suất xung quanh sợi: a) Dạng hình học biến dạng của vật liệu nền xung quanh sợi trước và sau khi tải tác dụng; b) Phân bố ứng suất trượt đàn hồi tại mặt phân cách và phân bố ứng suất kéo 2.2- Tương tác giữa sợi và vật liệu nền khi đã nứt: Tác dụng chủ yếu của sợi trong bê tông cốt sợi sau khi vật liệu nền nứt là sợi sẽ bắc cầu qua vết nứt để truyền tải trọng qua vết nứt và vì vậy ngăn ngừa được sự phá hủy.