Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả chịu lực và độ bền của công trình. Theo ước tính, việc sử dụng liên kết kháng cắt không hoàn toàn (partial shear connection) trong dầm liên hợp có thể tối ưu hóa chi phí và vật liệu so với liên kết toàn phần truyền thống. Tuy nhiên, ứng xử của dầm liên hợp liên tục với liên kết perfobond ở mức độ kháng cắt không hoàn toàn vẫn còn nhiều hạn chế trong nghiên cứu, đặc biệt là tại các vị trí chịu mô men âm như gối tựa.

Mục tiêu chính của luận văn là phân tích và đánh giá ứng xử của dầm liên hợp liên tục thép - bê tông sử dụng liên kết perfobond với các mức độ kháng cắt khác nhau, từ đó dự đoán khả năng làm việc và phá hoại của dầm. Nghiên cứu tập trung vào các vị trí đặc biệt như giữa nhịp và gối chịu mô men âm, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của mức độ liên kết kháng cắt đến khả năng chịu lực và biến dạng của dầm.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm chương trình thí nghiệm thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, với 9 mẫu thí nghiệm Push-out và 2 mẫu thí nghiệm dầm liên hợp liên tục. Thời gian nghiên cứu kéo dài đến tháng 02 năm 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế kết cấu dầm liên hợp tối ưu, giảm thiểu vật liệu và chi phí mà vẫn đảm bảo an toàn và độ bền công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thiết kế kết cấu liên hợp thép - bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (EC4). Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết liên kết kháng cắt perfobond: Liên kết perfobond được tạo thành bằng cách cắt các lỗ trên tấm thép hàn vào cánh trên dầm thép hình I, tạo ra các chốt bê tông xuyên qua lỗ nhằm kháng lực cắt và lực tách giữa bản bê tông và dầm thép. Khả năng chịu lực của liên kết phụ thuộc vào kích thước lỗ, bề dày tấm thép, cường độ bê tông, và số lượng thanh thép xuyên qua lỗ. Các mô hình dự đoán khả năng chịu lực của liên kết perfobond được tham khảo từ các công thức của Leonhardt, Oguejiofor, Medberry, Verissimo và các tác giả khác.

  • Lý thuyết ứng xử dầm liên hợp liên tục với liên kết kháng cắt không hoàn toàn: Dầm liên hợp liên tục chịu mô men dương và âm, trong đó vùng mô men âm tại gối tựa có bản bê tông và liên kết chịu lực kéo nhỏ. Mức độ liên kết kháng cắt ảnh hưởng đến phân bố ứng suất, biến dạng và khả năng chịu lực của dầm. Lý thuyết phân loại mức độ liên kết thành không có liên kết, liên kết bán phần và liên kết toàn phần được sử dụng để đánh giá sự khác biệt trong ứng xử kết cấu.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: liên kết perfobond, mức độ liên kết kháng cắt (partial shear connection), và ứng xử dầm liên hợp liên tục chịu mô men âm và dương.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ chương trình thí nghiệm gồm:

  • Thí nghiệm Push-out: 9 mẫu thí nghiệm với các mức độ liên kết kháng cắt khác nhau (từ 0 đến 2 thanh thép qua lỗ liên kết). Mục đích xác định khả năng chịu lực cắt của liên kết perfobond thông qua quan hệ lực - chuyển vị trượt, sử dụng cảm biến chuyển vị tuyến tính (LVDT) để đo biến dạng.

  • Thí nghiệm dầm liên hợp liên tục: 2 mẫu dầm liên hợp 2 nhịp được gia tải tập trung tại giữa nhịp, với sự thay đổi số lượng liên kết kháng cắt nhằm khảo sát ảnh hưởng đến ứng xử và phá hoại của dầm.

Phương pháp phân tích bao gồm đo đạc biến dạng, chuyển vị, quan sát dạng phá hoại và so sánh kết quả thực nghiệm với mô hình lý thuyết thiết kế theo EC4. Cỡ mẫu được lựa chọn đảm bảo tính đại diện cho các mức độ liên kết khác nhau, giúp đánh giá toàn diện ảnh hưởng của liên kết kháng cắt không hoàn toàn.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2012 đến tháng 02 năm 2016, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo mẫu, thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chịu lực của liên kết perfobond: Kết quả thí nghiệm Push-out cho thấy liên kết perfobond theo thiết kế ban đầu đạt sức chịu tải cần thiết, với lực cắt tối đa trung bình khoảng 150 kN trên mỗi chốt bê tông. Mức độ biến dạng trượt tại lực cực đại dao động trong khoảng 5-6 mm, phù hợp với tiêu chuẩn liên kết dẻo.

  2. Ảnh hưởng của mức độ liên kết kháng cắt đến khả năng chịu lực dầm: Thí nghiệm dầm liên hợp liên tục với hai mẫu B1 (liên kết toàn phần) và B2 (liên kết bán phần) cho thấy sự thay đổi mức độ liên kết làm thay đổi khả năng chịu lực của dầm nhưng không lớn, với sự chênh lệch tải trọng tới hạn khoảng 8%. Độ võng lớn nhất của dầm B2 cao hơn dầm B1 khoảng 12%, phản ánh sự gia tăng biến dạng do liên kết bán phần.

  3. Phá hoại dầm liên hợp liên tục: Phá hoại chủ yếu xảy ra tại gối dầm, với hiện tượng mất ổn định cục bộ bản bụng thép và nứt bản bê tông. Ở vùng chịu mô men âm, bản bê tông và liên kết chịu lực kéo rất nhỏ, do đó cần thiết kế liên kết bán phần để tiết kiệm vật liệu mà vẫn đảm bảo an toàn.

  4. Ứng xử trượt giữa bản bê tông và dầm thép: Quan hệ lực - chuyển vị trượt thể hiện rõ sự khác biệt giữa liên kết toàn phần và bán phần. Liên kết bán phần cho phép trượt tương đối lớn hơn, dẫn đến biến dạng dầm tăng nhưng vẫn trong giới hạn cho phép.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ đặc điểm cấu tạo và cơ chế làm việc của liên kết perfobond. Liên kết này tạo ra các chốt bê tông xuyên qua lỗ thép, kháng lực cắt và lực tách, giúp bản bê tông và dầm thép làm việc đồng bộ. Khi mức độ liên kết giảm, sự trượt tương đối tăng, làm tăng biến dạng dầm nhưng không ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực tổng thể.

So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy kết quả phù hợp với mô hình lý thuyết và các công trình thực tế, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu về ứng xử dầm liên hợp liên tục với liên kết kháng cắt không hoàn toàn. Việc phá hoại tại gối dầm và mất ổn định bản bụng thép cũng trùng khớp với các báo cáo về dầm liên hợp chịu mô men âm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị trượt, biểu đồ lực - độ võng dầm, và bảng so sánh tải trọng tới hạn giữa các mẫu dầm. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng ảnh hưởng của mức độ liên kết đến ứng xử kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế liên kết bán phần cho vùng mô men âm: Khuyến nghị sử dụng liên kết perfobond với mức độ kháng cắt khoảng 50-60% tại vùng gối chịu mô men âm để tiết kiệm vật liệu và chi phí, đồng thời đảm bảo an toàn kết cấu. Thời gian áp dụng trong giai đoạn thiết kế công trình mới.

  2. Gia cố bản bụng thép tại gối dầm: Đề xuất bố trí thêm sườn đứng hoặc gia cố bản bụng thép nhằm tăng khả năng chịu lực và hạn chế mất ổn định cục bộ, đặc biệt với dầm liên hợp liên tục chịu tải trọng lớn. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và thi công trong vòng 6 tháng trước khi thi công.

  3. Kiểm soát biến dạng trượt trong quá trình thi công: Áp dụng các biện pháp giám sát biến dạng trượt giữa bản bê tông và dầm thép bằng cảm biến LVDT để đảm bảo liên kết hoạt động đúng thiết kế, giảm thiểu nguy cơ phá hoại sớm. Thời gian thực hiện trong suốt quá trình thi công và vận hành ban đầu.

  4. Nghiên cứu mở rộng về ứng xử dầm liên hợp trong điều kiện tải trọng thực tế: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng động, tải trọng lặp và điều kiện môi trường đến liên kết perfobond và dầm liên hợp liên tục nhằm hoàn thiện mô hình thiết kế. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, chủ yếu 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: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm giúp kỹ sư lựa chọn loại liên kết và mức độ kháng cắt phù hợp, tối ưu hóa thiết kế dầm liên hợp trong các công trình dân dụng và công nghiệp.

  2. Nhà thầu thi công kết cấu thép và bê tông: Thông tin về ứng xử liên kết perfobond và biến dạng dầm giúp nhà thầu kiểm soát chất lượng thi công, đảm bảo liên kết được thực hiện đúng kỹ thuật, giảm thiểu rủi ro phá hoại.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu liên hợp, liên kết kháng cắt và thiết kế dầm liên hợp liên tục.

  4. Chuyên gia tư vấn và kiểm định công trình: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiện trạng kết cấu dầm liên hợp, đề xuất biện pháp sửa chữa hoặc gia cố phù hợp dựa trên mức độ liên kết và ứng xử thực tế của kết cấu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Liên kết perfobond là gì và có ưu điểm gì?
    Liên kết perfobond là loại liên kết kháng cắt được tạo bằng các lỗ trên tấm thép hàn vào dầm thép, tạo chốt bê tông xuyên qua lỗ để kháng lực cắt và lực tách. Ưu điểm là khả năng chịu lực tốt, tạo sự đồng nhất giữa bê tông và thép, đồng thời dễ thi công và tiết kiệm vật liệu so với liên kết đinh.

  2. Tại sao cần nghiên cứu liên kết kháng cắt không hoàn toàn?
    Liên kết kháng cắt không hoàn toàn giúp giảm chi phí và vật liệu so với liên kết toàn phần, đồng thời phù hợp với các điều kiện tải trọng và yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Nghiên cứu giúp hiểu rõ ứng xử và đảm bảo an toàn khi áp dụng trong thiết kế thực tế.

  3. Phá hoại thường xảy ra ở vị trí nào trên dầm liên hợp liên tục?
    Phá hoại chủ yếu xảy ra tại gối dầm, nơi xuất hiện mô men âm, với hiện tượng mất ổn định cục bộ bản bụng thép và nứt bản bê tông. Vùng giữa nhịp thường chịu mô men dương và ít xảy ra phá hoại trước.

  4. Mức độ liên kết kháng cắt ảnh hưởng thế nào đến biến dạng dầm?
    Mức độ liên kết thấp hơn (bán phần) cho phép trượt tương đối lớn hơn giữa bản bê tông và dầm thép, dẫn đến biến dạng dầm tăng lên, đặc biệt là độ võng và độ xoay tại gối. Tuy nhiên, sự thay đổi này không làm giảm đáng kể khả năng chịu lực tổng thể.

  5. Làm thế nào để kiểm soát biến dạng trượt trong quá trình thi công?
    Sử dụng cảm biến chuyển vị tuyến tính (LVDT) để đo biến dạng trượt giữa bản bê tông và dầm thép, giám sát liên tục trong quá trình thi công và vận hành ban đầu. Điều này giúp phát hiện sớm các vấn đề về liên kết và điều chỉnh kịp thời.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và đánh giá thành công ứng xử của dầm liên hợp liên tục thép - bê tông sử dụng liên kết perfobond với mức độ kháng cắt không hoàn toàn.
  • Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết perfobond đạt khả năng chịu lực cần thiết, mức độ liên kết ảnh hưởng đến biến dạng nhưng không làm giảm đáng kể sức chịu tải của dầm.
  • Phá hoại chủ yếu xảy ra tại gối dầm với hiện tượng mất ổn định bản bụng thép và nứt bản bê tông, cần thiết kế gia cố phù hợp.
  • Đề xuất thiết kế liên kết bán phần tại vùng mô men âm để tiết kiệm vật liệu và chi phí, đồng thời khuyến nghị gia cố bản bụng thép tại gối dầm.
  • Các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu ứng xử dầm liên hợp dưới tải trọng thực tế và điều kiện môi trường, đồng thời áp dụng kết quả vào thiết kế và thi công công trình.

Hành động ngay: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng kết quả này để tối ưu hóa thiết kế dầm liên hợp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của kết cấu trong thực tế.