Đặt vấn đề Ngày nay kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực xây dựng dân dụng, giao thông, thủy lợi và hạ tầng kỹ thuật gồm: nhà ở, cầu, đường, nhà xưởng công nghiệp, sân bay, thủy lợi. Tại Việt Nam, theo các thống kê các công trình xây dựng từ kết cấu bê tông cốt thép chiếm hơn 70% tổng số công trình xây dựng. Ngoài những tính năng ưu việt của loại kết cấu BTCT như: chịu lực lớn, độ bền cao, khả năng tạo hình khối dễ dàng, chống cháy tốt, chống ăn mòn, giá thành thấp. Bên cạnh đó còn có những hạn chế như: tái sử dụng thấp, thời gian thi công lâu, trọng lượng riêng nặng.
Có rất nhiều công trình nghiên cứu chi tiết về các cấu kiện BTCT như cột, dầm, sàn và được các kết quả áp dựng thực tế. Trong thi công xây dựng công trình, cốt thép đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định đến khả năng chịu lực của một cấu kiện kết cấu. Có những tiêu chuẩn bắt buộc liên quan đến việc sản xuất, vận chuyển và lắp đặt nên các thanh thép dùng để làm cốt bê tông luôn có chiều dài nhất định. Trên thực tế, chiều dài của các thanh thép được sản xuất có chiều dài nhất định, thường không dài bằng chiều dài của kết cấu công trình, vì vậy khi thi công xây dựng, người ta phải nối thép để đảm chiều dài của kết cấu.
Việc nối các thanh cốt thép có rất nhiều phương pháp như nối chồng, hàn hay nối bằng ống nối phun vữa cường độ cao [1-4] hoặc các vật liệu khác. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau. Nên tùy mục đích mà các phương pháp nối thép có thể áp dụng. Một trong những ưu điểm của mối nối cốt thép ống nối phun vữa cường độ cao là tạo ra cơ chế truyền lực đúng tâm và giảm mật độ cốt thép nếu phải nối chồng nhiều thanh cốt thép trong một mặt cắt.
Gần đây, Nguyễn Đình Hùng và các cộng sự [3-4] đã cải tiến ống nối cốt thép phun vữa cường độ cao từ nguyên liệu địa phương. Nên đề tài này sử dụng ống trong nghiên cứu của Nguyễn Đình Hùng và các cộng sự [3-4] và kết cấu dầm để tìm hiểu khả năng áp dụng của dạng ống nối này trong thực tế. Chính vì vậy đề tài 1 “Nghiên cứu sử dụng mối nối ống bơm vữa mác cao cho dầm bê tông cốt thép thường” muốn làm rõ một số vấn đề là các loại mối nối có ảnh hưởng như thế nào đến khả năng làm việc của dầm để so sánh và đánh giá. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về sử dụng mối nối ống bơm vữa Splice sleeve Mối nối ống bơm vữa Splice sleeve được phát minh bởi Alfred A.
Yee vào cuối năm 1960, đầu tiên được sử dụng để nối các thanh cốt thép cột trong khách sạn 38 Ala Moana (Honolulu, Hawaii) [5]. Sau đó, bằng sáng chế của nối ống bơm vữa Splice sleeve đã được một công ty của Nhật Bản mua lại và phát triển nó sử dụng hiệu nhiều ở Nhật Bản và Bắc Mỹ, Singapore. Mối nối ống bơm vữa Splice sleeve đã được liệt kê như một công nghệ kết nối cốt thép chính trong báo cáo của Viện bê tông Mỹ năm 1983. Một số thí nghiệm nghiên cứu và phân tích lý thuyết đã được thực hiện ở Nhật Bản và Mỹ, thông qua một loạt các thử nghiệm địa chấn thực sự, mối nối ống bơm vữa Splice sleeve đã được chứng minh đủ tiêu chuẩn có thể sử dụng cho xây dựng nhà cao tầng và các công trình có kết cấu phức tạp khác.
Một số nghiên cứu về sử dụng mối nối ống bơm vữa Splice sleeve như sau: Pantelides và các cộng sự [6] nghiên cứu về Đánh giá các mối nối ống bơm vữa cho trụ cầu bê tông cốt thép đúc sẵn. Theo báo cáo đầu nối ống nối vữa Splice sleeve được xem xét cho kết nối các yếu tố chân cột, cột trong xây dựng cầu. Kết quả cho thấy mối nối này có hạn chế sử dụng đầu nối Splice sleeve này trong các cây cầu nằm ở khu vực địa chấn từ trung bình đến cao. Báo cáo này mô tả một chương trình nghiên cứu được thực hiện để đánh giá các khớp cầu bằng hai loại đầu nối Splice sleeve thực nghiệm tải gần đúng theo thực tế được sử dụng để kiểm tra từ chân đến cột mẫu.
Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất của tất cả các thử nghiệm mẫu vật là thỏa đáng so với tiêu chuẩn hiện tại. So với mẫu vật đối chứng, mối nối ống bơm vữa có giảm khả năng linh hoạt về dịch chuyển cho các mẫu vật đúc sẵn trong cả hai loại. Einea và các cộng sự [1] nghiên cứu phát triển ống nối bơm vữa. Trong đó, chiều dài ống và các vòng bố trí trong ống được thực hiện.
Trong đó, chiều dài dính 2 bám được thí nghiệm tự 5D đến 10D, với D là đường kính của thanh cốt thép. Kết quả là tìm ra được chiều dài phù hợp của ống nối khoảng 7 lần đường kính thanh cốt thép là hợp lý. Đối với các vòng thép bố trí trong ống thép sẽ làm tăng khả năng chịu nén của vữa cường độ cao bởi cơ chế chống nở hông. Do đó, khả năng truyền lực của ống nối phu vữa cường độ cao được nâng cao rõ rệt từ kết quả nghiên cứu của Einea và các cộng sự [1].
a) Ống nối LK b) ông nối NMB c) Ống nối D410 Hình 1.1: Các loại ống nối bơm vữa [5]. Từ các kết quả nghiên cứu về ống nối vữa của Einea, có rất nhiều ống nối được đăng ký bản quyền. Có thể kể đến ba loại ống nối trên thị trường gồm loại Lenton Interlock (LK), ống nối NMB (Splice sleeve NMB) và ống nối D410 như được thể hiện trong Hình 1. Dựa vào đường kính của các thanh cốt thép hay các loại thép khác nhau, ống nối có kích thước khác nhau.
Các ống nối được thiết kế sao cho có ứng suất tới hạn lớn hơn 125% ứng suất chảy của thanh cốt thép được nối trong kết cấu BTCT. Ống nối LK, phát triển bởi công ty ERICO (Mỹ), được thiết kế bằng gang dẻo (ductile iron) theo tiêu chuẩn ASTM 5364. Ống LK được thiết kế sao cho có ứng suất tới hạn lớn hơn 125% ứng suất chảy của các cốt thép theo tiêu chuẩn ASTM A7065 và ASTM A6156, Grade 60. Do đó, vật liệu để chế tạo ống LK là loại Grade 90-65-05, tương ứng là ứng suất kéo tới hạn là 620MPa (90ksi), ứng suất chảy là 448 MPa (65ksi) và có độ dãn dài tương đối tối thiểu là 5%.
Ống LK có chiều dài từ 199 mm đến 516 mm, đường kính ngoài của thép tương ứng từ 65 mm đến 114 mm. Ống LK dùng để nối thép có đường kính từ 16mm đến 57 mm. Một đầu ống nối với thanh cốt thép bằng ren. Đường kính ren nhỏ dần từ trong ra ngoài.
Chiều dài đoạn nối bằng ren từ 22mm đến 70mm phụ thuộc vào đường kính của thanh 3 thép được nối. Đầu nối ren được vặn chặt bằng tay. Đầu còn lại của ống LK nối với thanh thép thông qua vữa không co ngót từ hai ống dẫn vữa. Ống nối NMB cho kết cấu lắp ghép, phát triển bởi công ty Splice Sleeve North Amarica (Mỹ).
Sự khác biệt lớn nhất đối với ống LK là ống NMB không có liên kết bằng ren tại một đầu mà sử dụng vữa để nối ở cả hai đầu. Ống nối NMB được chia làm hai loại là UX và XN dựa vào vật liệu chế tạo. Vật liệu để chế tạo ống nối UX thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM A5364, Grade 85-60-06, có ứng suất chảy là 413 MPa (60ksi) cho ống nối để nối cốt thép có đường kính lớn hơn 16 mm. Đối với loại cốt thép có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 16 mm, vật liệu để chế tạo ống nối thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM A5364, Grade 60- 41-10, ứng suất chảy là 282 MPa (60ksi).
Ống nối XN cũng được chế tạo từ vật liệu thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM A5364, Grade 85-60-06. Theo tiêu chuẩn của Nhật Bản, ống UX dùng để nối cốt thép loại SD295A/B đến SD490 (giới hạn chảy từ 295 MPa đến 490 MPa), với đường kính từ 16mm đến 41mm. Ống nối NX dùng cho cốt thép loại SD295A/B đến SD390 (giới hạn chảy từ 295 MPa đến 490 MPa) có đường kính từ 16 mm đến 22mm. Dựa vào tương quan giữa ứng suất chảy của ống nối và cốt thép, UX là thỏa mãn tiêu chuẩn Loại SA có cường độ, độ cứng và độ dẻo tương đương với cốt thép được nối.
Loại XN là thỏa mãn tiêu chuẩn Loại A có cường độ và độ ứng tương đương cốt thép được nối, nhưng độ dẻo thì hơi nhỏ hơn so với cốt thép được nối. Do nhu cầu sử dụng cốt thép thường cường độ cao, các ống nối UX có ứng suất chảy 590 MPa và 685 MPa cũng được sản xuất. Ống nối D410 cho kết cấu lắp ghép, phát triển bởi công ty Dayton Superior (Mỹ). Cơ chế làm việc của ống nối D410 là tương tự như ống nối NMB.
Vật liệu chế tạo của ống nối D419 giống với vật liệu chế tạo của ống nối LK, cụ thể là ASTM A706 và ASTM A615, Grade 60. Cả ba loại ống nối đều sử dụng các gân bên trong ống để tăng cường dính bám giữa vữa và ống. Đối với ống nối LK, gân được bố trí trên toàn bộ chiều dài 4 lòng ống với khoảng cách là 15mm. Đối với ống nối NMB chỉ có từ 4 đến 7 gân được bố trí từ đầu mỗi ống và phụ thuộc vào chiều dài của ống.
Gân gần tim ống cách tim ống là 30 mm. Trong khi đó, khoảng cách giữa các gân trong ống D410 là 17,8 mm và gân gần tim nhất cách tim ống là 25. Để nối cùng loại cốt thép, hầu hết ống D410 có cường kính ngoài và chiều dài ống là lớn nhất. Đường kính ngoài của ống LK hơi nhỏ hơn so với ống D410.
Đường kính ngoài của ống NMB nhỏ hơn rất nhiều so với hai ống còn lại. Chiều dài của ống NBM nhỏ hơn ống D410 một chút. Chiều dài của ống LK là nhỏ nhất, do một đầu của ống liên kết với thanh cốt thép bằng ren. Có thể nói, với kích thước nhỏ gọn hơn hai ống còn lại, nên thi công ống nối NMB đơn giản hơn.
Jansson [2] sử dụng mối nối LK và NMB để đánh giá về khả năng chịu của hai ống nối này. Kết quả nghiên cứu của Jansson [2] chỉ ra rằng ống nối NMB có 3 khả năng phá hủy là, đứt thanh cốt thép, tuột cốt thanh thép và đứt giữa ống như Hình 1.