Đặt vấn đề Bê tông được chế tạo và sử dụng từ thời La Mã cổ đại, vật liệu này đã tạo nên những kiến trúc lịch sử nổi tiếng mà ngày nay vẫn còn công nhận. Thực tiễn hiện nay hầu hết các công trình trong ngành xây dựng ở nước ta đều vẫn sử dụng bê tông: nó đóng vai trò quan trọng phát triển cơ sở hạ tầng, là vật liệu thúc đẩy công nghiệp hóa và hiện đại của đất nước. Ngày nay với công nghệ hiện đại, các nhà nghiên cứu đã và đang phát triển nhiều loại bê tông khác nhau với nhiều ứng dụng, công dụng khác nhau nhằm đạt hiệu năng tốt nhất. Các loại bê tông đang áp dụng có thể kể đến: bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép ứng suất trước, bê tông siêu nhẹ, bê tông tính năng cao, bê tông tính năng siêu cao, bê tông có tính năng thông minh… giúp nâng cao giá trị sử dụng và thân thiện với môi trường.
Mặt khác, với kết cấu chịu nén, điển hình là kết cấu cột rất phổ biến trong công trình xây dựng, dưới tác động của tải cơ học và tác động môi trường, kết cấu cột có thể bị hỏng, nứt, đi kèm với những hiện tượng này là sự suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Để nâng cao khả năng chịu lực và kháng nứt của cột, một số kết cấu gia cường cột được xem xét sử dụng như sau: - Mở rộng kích thước cột, tăng cốt thép cột: đây là biện pháp truyền thống, thực hiện đơn giản nhưng kiến trúc công trình thường bị ảnh hưởng. Trong dân dụng, gia cố tăng bê tông hay cốt thép làm cho kích thước kết cấu lớn dẫn đến chiếm dụng không gian công trình tăng lên gây nhiều bất tiện trong khai thác. 1 Luan van a) Cột trước khi gia cường b) Cột được mở rộng sau gia cường Hình 1.
Gia cường cột cầu vượt Nguyễn Hữu Cảnh Tp.2 thể hiện kết cấu cột BTCT dùng tấm FRP gia cường chống phá hoại. 2 Luan van Hình 1. Dùng tấm FRP gia cố bê tông chống phá hoại [3] - Sử dụng bê tông cốt sợi tính năng cao HPFRC (High Performance fiber- reinforced Concrete): HPFRC là vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng thay thế cần thiết. Cường độ nén của vật liệu này thường 70-100 MPa, cường độ kéo có thể trên 8 MPa nếu có cốt sợi gia cường trộn vào hợp lý [4].
HPFRC có thể sử dụng, chế tạo thành nhiều hình dạng ống tròn, vuông và các hình dạng khác theo nhu cầu công năng và mỹ quan của công trình. Đối với dạng kết cấu này khả năng chịu tải lớn gấp 2 lần so với kích thước bê tông cốt thép thường nên có thể giảm kích thước tiết diện kết cấu nhờ đó giảm trọng lượng bản thân. Việc sử dụng HPFRC trong hệ khung làm tăng đáng kể khả năng chịu lực của hệ kết cấu, đặc biệt là các vùng thường xảy ra động đất. Các cột HPFRC có khả năng chống động đất tốt nhờ các tính năng ưu việt như cường độ nén lớn, chống co ngót, uốn xoắn thay đổi hình dạng cột bê tông, khả năng tiêu tán năng lượng chống cháy rất tốt, độ bền chống gỉ cao dễ bảo trì sơn phủ 3 Luan van bảo dưỡng, khi thi công sử dụng vỏ ống làm cốp pha và không tiêu hao nhân lực khi tháo lắp.
3 Cầu Vàm Cống dùng vật liệu HPFRC [5] - Sử dụng cột ống thép nhồi bê tông: khả năng chịu nén của cột có vỏ thép bao quanh được tăng lên đáng kể nhờ hiệu ứng bó hông… 4 Luan van Hình 1. 4 Kết cấu sử dụng cột ống thép lòng nhồi bê tông [6] [7] 1. Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Một vài nghiên cứu về HPFRC và vỏ thép kết hợp trong nước như sau: Lê Hoàng An và cộng sự [8] [9] nghiên cứu bê tông tính năng siêu cao không cần sử dụng sợi thép (UHPC và UHPFRC, đây là một dạng của HPFRC) sử dụng cột tròn trong quá trình thí nghiệm.
- Tống Duy Ngô [10] nghiên cứu ứng xử dầm bê tông thường kết hợp gia cường bê tông tính năng cao HPFRC có trộn cốt sợi, tạo ra hợp chất liên kết giữa bê tông tính năng cao và bê tông cốt thép mục đích gia cường thêm sức chịu uốn hạn chế vết cắt của dầm bê tông cốt thép. 5 Luan van - TS. Chu Thị Bình [6] trường đại học kiến trúc Hà Nội đã nghiên cứu thực nghiệm cột thép nhồi bê tông tự đầm có thép hình làm cốt được tiến hành tại trường Đại học Liège – Vương quốc Bỉ nhằm xác định điều kiện khả năng chịu cháy, ứng dụng trong các công trình nhà cao tầng. Nguyễn Thành Công và cộng sự [11] nghiên cứu và thực nghiệm bê tông cốt thép gia cường cấu kiện bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp FRP là giải pháp duy trì và nâng cao sức chịu tải của kết cấu.
- Bài báo hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ XII về sự cố hỏng hóc công trình xây dựng sử dụng vật liệu FRP của TS. Ngô Quang Tường và cộng sự của trường đại học Bách Khoa Tp. HCM [12] Nghiên cứu về lõi HPFRC và vỏ uPVC kết hợp chưa tìm thấy nghiên cứu trong nước. Tuy nhiên gần đây Lê Văn Hải [13] ghiên cứu ống nhựa lòng nhồi bê tông truyền thống và nhận thấy cường độ lõi tăng 1,3-1,5 lần.
Ngoài ra ở Việt Nam việc sử dụng bê tông tính năng cao chưa nhiều do vật liệu này có giá thành đầu tư ban đầu cao hơn bê tông truyền thống, kết hợp với chưa có tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu này gây khó khăn cho công tác thẩm định, nghiệm thu. Tình hình nghiên cứu nước ngoài - Vật liệu HPFRC: đã được nghiên cứu và phát triển từ nhiều thập niên trên toàn thế giới. Cộng hoà Liên bang Đức là nước có rất nhiều dự án đã và đang sử dụng bê tông cốt sợi thép từ nhũng năm 1989. Bê tông cốt sợi thép cũng đã được sử dụng ở các nước Tây Âu từ cuối những năm 70.
Các viện nghiên cứu quốc tế như: Viện nghiên cứu bê tông Mỹ (ACI), Liên đoàn bê tông dự ứng lực quốc tế (FIP) hay Ủy ban Bê tông châu Âu (CEB) đi tiên phong trong việc tiếp cận và ứng dụng loại bê tông này. Các công trình ở châu Âu và Bắc Mỹ có thể kể đến cầu Thiên niên kỷ Gateshead ở Anh dành cho người đi bộ và xe đạp [14] - Kết cấu ống thép lòng nhồi bê tông: tại Trung Quốc, cầu vòm ống thép nhồi bê tông phát triển mạnh mẽ từ thập niên 90 ở thế kỷ trước với nhiều loại hình kết cấu: nhịp vòm chạy trên, chạy dưới, chạy giữa, kết cấu có hoặc không có thanh căng. Với 6 Luan van các tiết diện tổ hợp từ 3 ống thép trở lên, cầu vòm ống thép nhồi bê tông có thể vượt nhịp lên tới 360 m. Cầu Lupu ở Thượng Hải Trung Quốc dài 3900 m là cây cầu theo kết cấu dài nhất thế giới [15].
- Sirijaroonchai và các cộng sự [16] nghiên cứu nén lõi HPFRC – vỏ thép hình lăng trụ kích thước 76x152 mm có kết quả như sau: so với không vỏ, vỏ thép dày 1,6- 3,2 mm làm tăng sức kháng nén lõi HPFRC lên từ 1,5 (sợi Spectra hàm lượng 1-2 % thể tích) và 1,6 lần (sợi thép dạng 2 đầu móc hàm lượng 1-2 % thể tích). Ngoài ra so với HPFRC không gia cường sợi, HPFRC trộn sợi Spectra và sợi thép với hàm lượng 1-2 % thể tích lần lượt làm tăng sức kháng nén lên khoảng 1,22 và 1,15 lần. - Zhou và các cộng sự [17] nghiên cứu nén HPFRC dưới tải 2 trục và 3 trục có kết quả như sau: tải 3 trục tạo ra hiệu ứng tăng kháng nén nhiều hơn tải 2 trục; hiệu quả tăng lớn nhất khi tỉ lệ ứng suất là 1:0,5:0,1 (ứng suất đứng: ứng suất hông phương 1: ứng suất hông phương 2) tạo sức tăng kháng nén tới 3 lần. Một số công trình sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông ở Việt nam - Tại Việt nam, một số công trình cầu được thiết kế theo loại hình kết cấu ống thép lòng nhồi bê tông, các công trình điển hình như: cầu Đông Trù (Quốc lộ 5 bắc qua sông Đuống) [18], cầu Châu Giang (Phủ Lý, Hà Nam) [19], gần đây có cầu Rồng ở Đà Nẵng được xây dựng với hình tượng con rồng làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông.
Cầu Rồng có tổng chiều dài 666 m gồm 5 nhịp chính và 3 nhịp dẫn, chiều rộng 37,5 m [20]. Cầu Ông Lớn trên đường Nguyễn Văn Linh có chiều dài nhịp vòm 99 m (thuộc huyện Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh) [21]. 7 Luan van Hình 1. 5 Cầu Đông Trù trên sông Đuống (Hà Nội) 2014 Hình 1.
6 Cầu Công Lý dài 84 m (T.Hồ Chí Minh) [22] 8 Luan van Hình 1. 7 Cầu vòm Lupu Thượng Hải, Trung Quốc 2003 [15] 1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng xử nén của các vật liệu bê tông cốt sợi (HPFRC) không vỏ, vỏ nhựa uPVC, vỏ thép với các kích thước khác nhau.
Phạm vi nghiên cứu Tác giả sử dụng một loại bê tông lõi HPFRC, ba loại chiều cao mẫu 200 mm, 400 mm và 600 mm, hai loại vật liệu làm vỏ mẫu: không vỏ, vỏ thép dày 1,4 mm và 1,8 mm, vỏ nhựa uPVC dày 3,2 mm và 3,8 mm 1. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thực nghiệm: các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. - Phương pháp phân tích, đánh giá số liệu thí nghiệm. Công việc thực hiện chính như sau: + Thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết + Kế thừa các kết quả nghiên cứu, các số liệu, tài liệu đã có 9 Luan van + Phân tích, xử lý, chọn lọc các kết quả thí nghiệm đã tích lũy được áp dụng vào đề tài 1.
Tính mới của đề tài Một số nghiên cứu ứng xử nén của vật liệu HPFRC trong điều kiện hạn chế nở hông gần đây như sau: Mặc dù ứng xử kết cấu chịu nén có vỏ bao quanh đã được nghiên cứu khá nhiều, kể cả vật liệu lõi HPFRC vỏ thép như đã đề cập, tuy nhiên khi sử dụng vật liệu khác nhau thì ứng xử cũng khác nhau trong đó có vỏ uPVC bao quanh chưa được phổ biến, trong nghiên cứu này vỏ nhựa uPVC cũng được xem xét vì những lý do sau: - Vỏ nhựa có giá thành rẻ hơn vỏ thép, trọng lượng nhẹ hơn thép nên dễ vận chuyển, lắp dựng. - Vỏ nhựa không bị xâm thực mạnh như vỏ thép, đặc biệt công trình nằm trong khu vực xâm thực mạnh.