Chương I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH Việc dùng lưới thép bố trí không gian để tăng cường khả năng chịu lực cho cấu kiện bê tông là một ý tưởng được đề ra từ rất lâu. Bê tông cốt thép 3D đã được bắt đầu nghiên cứu từ đầu những năm 1960. Ngày nay, các dạng kết cấu như: dầm, bản, vỏ bằng vật liệu bê tông cốt thép 3D (3D Panel) đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như bước đầu được quan tâm ở nước ta. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 1.Tình hình nghiên cứu ngoài nước Công nghệ lưới thép 3D được nghiên cứu và áp dụng đầu tiên cho xây dựng nhà dân dụng và cho đến nay vẫn áp dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực xây dựng đó.
Khởi đầu của công nghệ là ý tưởng vật liệu lớp kẹp "Panel 3D lưới thép" do các nhà khoa học Mỹ đề xuất những năm 1960. Panel 3D lưới thép gồm 3 lớp, 2 lớp biên bằng vữa xi măng lưới thép cường độ cao đường kính 2 đến 4 mm và lớp thứ 3 ở giữa là vật liệu mốp được xuyên qua bởi các thanh thép xiên, tạo nên một cấu trúc cứng 3 chiều (3D) có khả năng chịu lực tốt. Vào những năm 1980, theo đề nghị của TS Mars, chuyên gia công nghệ vật liệu Australia, Viện Nghiên cứu Công nghệ thuộc Trường Đại học Kỹ thuật GRAZ đã tiến hành nghiên cứu và đưa vào sản xuất các tấm panel dùng làm tường, sàn, ., với các tấm cách Polystyrene nhẹ và rẻ tiền hơn. Trong thập niên 1980-1990, ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Áo, ., Panel 3D được nghiên cứu thực nghiệm nhiều nhằm tìm hiểu tính chịu lực, độ võng, sự phá hoại ở các trạng thái giới hạn.
Tuy nhiên loại cấu kiện này cũng chỉ mới được quan niệm theo sơ đồ dạng thanh như dầm chịu uốn, cột chịu nén uốn. Hiện nay, loại vật liệu 3D có chất lượng đạt tiêu chuẩn vật liệu xây dựng quốc gia của các nước Mỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc có tên gọi là Panel 3D. Cộng Hoà Áo là nước đi đầu trên thế giới trong việc sáng chế ra công Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi -9- Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi nghệ sản xuất vật liệu Panel 3D và được 38 nước trên thế giới tiến hành nghiên cứu và ứng dụng. Sản phẩm 3D của Cộng Hoà Áo có tên gọi đầy đủ là EVG -3D Panel (EVG là tên của một tập đoàn kinh tế lớn của Áo, đã có công nghiên cứu chế tạo ra công nghệ sản xuất tấm 3D Panel) được đăng ký bản quyền tại nhiều nước trên thế giới trong đó có cả Nhật Bản, Mỹ và tại Việt Nam.
Tại Mỹ, Mexico, Brazil, các nước Nam Mỹ, quần đảo Caribe, một số nước ở châu Á, Trung Đông đã đưa vào sử dụng đại trà trong xây dựng bằng vật liệu 3D của Cộng Hoà Áo từ cách đây hơn 20 năm. Những nước này chịu ảnh hưởng khí hậu khắc nghiệt của thiên tai, gió bão, lũ lụt, động đất, sóng thần,., vì thế sử dụng xây dựng công nghệ này đã đạt được tính chuẩn trội so với dùng vật liệu xây dựng thường. Kết cấu bê tông cốt thép không gian 3D có đặc điểm như sau: + Cốt liệu rời vẫn là xi măng, cát và đá dăm như bê tông thông thường; + Cốt thép là khung lưới thép không gian 3D cấu thành bởi các thép thanh mạ kẽm, đường kính 3 đến 4 mm, cường độ cao (R= 4000 đến 5000 kg/cm2) liên kết với nhau bằng liên kết hàn; + Mác bê tông từ M150 trở lên. Độ dày tấm 3D Panel từ 70mm đến 140mm, trong đó lớp giữa bằng vật liệu Polystyrene dày 30mm đến 100mm.
Quá trình sản xuất và lắp dựng tấm panel 3D như sau: Lớp mốp và lưới thép không gian được gắn với nhau và sản xuất tại nhà máy, sau đó được đưa đến công trình, tiến hành lắp dựng và trát vữa bê tông, có thể trát bằng thủ công hoặc bằng máy phun để tạo 2 lớp còn lại. Đặc điểm của công trình xây bằng công nghệ này là đơn giản hoá trong thi công; do được công xưởng hoá trong kết cấu xây dựng nên thời gian xây dựng công trình nhanh hơn so với phương pháp xây dựng truyền thống. Ưu điểm cơ bản của công nghệ là giảm được khối lượng thép và vật liệu chịu lực do huy động được ở mức độ cao khả năng làm việc của các vật liệu chịu lực. Theo tài liệu nghiên cứu và tính toán, qua thử nghiệm của một số nước trên thế giới cho biết, tải trọng nhẹ hơn 40% so với công trình sử dụng vật liệu bê tông cốt thép truyền thống Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi - 10 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi Từ ưu điểm cơ bản này, công nghệ được áp dụng để giảm mặt cắt hoặc giảm khối lượng thép và vật liệu chịu lực trong trường hợp không giảm mặt cắt.
Công nghệ cũng được sử dụng với mục đích tăng khẩu độ kết cấu (diện tích bản hay chiều dài thanh, dầm).Tình hình nghiên cứu trong nước Thông tin về công nghệ Panel 3D của Mỹ và Áo bắt đầu xâm nhập vào nước ta cuối năm 1992 đầu năm 1993. Tuy nhiên do giá thành của dây chuyền công nghệ cao và hiểu biết kỹ thuật của ta còn hạn chế nên các bước triển khai vào thực tế có hạn chế. Phải đến đầu những năm 2000, công nghệ này mới được nhập, và Công ty cổ phần 3D có trụ sở tại Thành phố Hồ Chí Minh là chủ sở hữu dây chuyền công nghệ. Đến nay, công nghệ đã bắt đầu được ứng dụng vào khá nhiều công trình nhà dân dụng (các nhà biệt thự từ 3÷4 tầng) ở Thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Bạc Liêu, Cần Thơ, Đà Lạt,.
Đặc biệt, việc nghiên cứu đánh giá và chọn lựa sản phẩm 3D được các chuyên gia xây dựng rất quan tâm. Ngay từ năm 1997, nhóm các nhà khoa học thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ quốc gia cũng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo dây chuyền sản xuất tấm 3D, Công ty Vật liệu và Công nghệ Matech đã thi công lắp đặt dây chuyền sản xuất này. Sản phẩm vật liệu khi sản xuất cũng đã được áp dụng xây dựng một số công trình tại Hà Nội như khách sạn Tràng Tiền, Bảo tàng Công an và nhà khách Bộ Công an. Năm 2002, Công ty Cổ phần Thế Kỷ Mới- TPHCM đã đầu tư hơn 9,5 triệu USD để xây dựng nhà máy sản xuất tấm EVG 3D Panel công nghệ Áo với công suất 2 triệu m2/năm.
Nhà máy đặt tại khu công nghiệp Phú Bài, Thừa Thiên Huế để ưu tiên việc xây dựng nhà ở cho đồng bào miền Trung, nơi khí hậu khắc nghiệt nhất so với cả nước. Trong xây dựng công trình thủy lợi, cầu đường giao thông, công nghệ này chưa được đề cập. Như vậy, để khắc phục tính chưa tối ưu trong tính toán bố trí cốt thép cho cấu kiện bản, dầm bằng bê tông cốt thép, hiện nay, cần thiết nghiên cứu ứng dụng ý tưởng vật liệu Panel 3D hay ứng dụng lưới thép không gian 3D làm cốt cho các cấu kiện bê tông cốt thép trong xây dựng công trình thủy lợi. Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi - 11 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi Tuy nhiên, phải nhận thức được một điểm cơ bản là không thể áp dụng một cách máy móc cấu tạo vật liệu Panel 3D cho các cấu kiện bê tông cốt thép trong công trình thủy lợi, dù đó chỉ đơn thuần là bản hay dầm.
Tính chất tải trọng và chịu lực của các cấu kiện bê tông trong công trình thủy lợi nhiều chỗ, nhiều trường hợp khác xa cấu kiện panel bản sàn hay khung cột nhà dân dụng. Do vậy, nhất thiết phải nghiên cứu ứng xử của các cấu kiện này khi sử dụng lưới thép 3D làm cốt thông qua "quan trắc" và phân tích các quan hệ ứng suất - biến dạng và diễn biến của chúng theo thời gian dưới các loại tải trọng và tác dụng khác nhau. Việc "quan trắc" và phân tích cần được tiến hành một cách bài bản bằng lý thuyết, khảo sát trên mô hình vật lý và mô hình số, và thử nghiệm ở công trình thực tế. ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN LOẠI CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI THEO MỨC ĐỘ HUY ĐỘNG SỨC CHỊU LỰC CỦA VẬT LIỆU Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đi sâu vào nghiên cứu cấu kiện bản và dầm trong các đối tượng sau: + Các tấm bê tông cốt thép lát mái đập, đê, kênh; + Kênh bê tông mặt cắt chữ nhật (hở và kín); + Cầu máng mặt cắt chữ nhật (hở và kín); + Tường cánh, tường ngực; + Bản mặt trần cống, sàn cầu công tác, cầu giao thông trên cống hoặc tràn; + Cửa van bê tông cốt thép sử dụng trên các cống.
+ Dầm chịu lực phổ biến như dầm cầu công tác, dầm thả phai,. Tiến hành điều tra, thu thập tài liệu thiết kế một số công trình thuỷ lợi đã xây dựng có các hạng mục nêu trên; kết quả được nêu ở phụ lục 1. Phân tích, xử lý số liệu thu thập được Trên cơ sở các số liệu thu thập được, tiến hành đánh giá đặc điểm (hình dạng, lực tác dụng, hình thức bố trí cốt thép) của các kết cấu bản và dầm được sử dụng trong công trình thuỷ lợi. Trung tâm Thủy công Viện Khoa học Thủy lợi - 12 - Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3D) trong kết cấu BTCT công trình Thủy lợi 1.1 Các kết cấu bản thuần tuý Bản là kết cấu phẳng có chiều dầy khá bé so với chiều dài và chiều rộng.
Trong các kết cấu công trình thuỷ lợi, cụ thể là các kết cấu cầu máng, chiều dày bản (thành và đáy máng) biến động trong khoảng từ 8cm đến 15cm; nhịp máng biến đổi từ 8m đến 10m. Đối với những cầu máng có nhịp lớn từ 15m đến 20m, chiều dày đáy và thành máng biến đổi từ 40m đến 60cm (Cầu máng tại K18+206 trên kênh chính Văn Phong - Hồ chứa nước Định Bình, tỉnh Bình Định). Ở các kết cấu kênh, bản có chiều dày biến đổi từ 10cm đến 20cm; kích thước theo chiều cao biến đổi từ 0,6m đến 2,0m. Vật liệu bê tông thường có mác 200 đôi khi đến 250 đối với cầu máng.
