Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng, việc ứng dụng kết cấu dầm thép – bê tông liên hợp sử dụng thép cán nguội ngày càng được quan tâm. Theo ước tính, các công trình nhà ở dân dụng, nhà xưởng vừa và nhỏ chiếm tỷ trọng lớn trong tổng số dự án xây dựng tại các khu đô thị vừa và nhỏ ở Việt Nam. Nhu cầu về giải pháp kết cấu vừa đảm bảo khả năng chịu lực, độ dai, vừa linh hoạt trong thi công và hiệu quả kinh tế là rất cấp thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử của dầm thép – bê tông liên hợp sử dụng thép hình C cán nguội, nhằm xây dựng tiết diện dầm phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực nghiệm với 12 mẫu thí nghiệm push–out và 3 mẫu thí nghiệm dầm uốn 4 điểm, được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2014-2015. Mục tiêu cụ thể là đánh giá khả năng chịu lực, độ võng, sự trượt tương đối giữa dầm thép và bản bê tông, cũng như phân tích hiệu quả của hệ liên kết kháng cắt liên tục sử dụng thép cán nguội. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế, đồng thời cung cấp giải pháp kết cấu mới phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép – bê tông liên hợp, đặc biệt là Eurocode 4, để phân tích ứng xử dầm liên hợp. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Phân tích dẻo ứng xử liên hợp: Xác định sức kháng moment uốn dương của tiết diện dầm liên hợp, trong đó bản bê tông chịu nén và dầm thép chịu kéo. Các biểu đồ phân bố ứng suất dẻo được sử dụng để xác định vị trí trục trung hòa và tính toán moment chịu lực.

  • Sức kháng cắt và tương tác lực cắt – moment: Phân tích khả năng chịu lực cắt của bản bụng dầm thép và ảnh hưởng của lực cắt lên sức kháng moment của tiết diện liên hợp. Mối quan hệ tương tác được mô tả qua đường cong lực cắt – moment, giúp đánh giá độ an toàn của kết cấu khi chịu tải trọng phức hợp.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: hệ liên kết kháng cắt (shear connector), chuyển vị trượt tương đối giữa bản bê tông và dầm thép, độ dai của liên kết, mất ổn định cục bộ của tiết diện, và kiểm soát độ võng theo tiêu chuẩn Eurocode.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ chương trình khảo sát thực nghiệm gồm ba phần: thí nghiệm vật liệu, thí nghiệm push–out và thí nghiệm dầm uốn 4 điểm. Cỡ mẫu gồm 12 mẫu push–out và 3 mẫu dầm, được lựa chọn dựa trên phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

  • Thí nghiệm vật liệu: Xác định các thông số cơ lý của bê tông mác M25, thép cán nguội (chiều dày 1.3mm và 2.4mm), cốt thép và đinh vít liên kết. Các thí nghiệm kéo, nén, cắt và kéo – nhổ được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM và AISI.

  • Thí nghiệm push–out: Đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của hệ liên kết kháng cắt liên tục. Các tham số khảo sát gồm chiều dày thép cán nguội, sự tham gia của cốt thép ngang, mức độ liên kết và khoảng cách bố trí đinh vít.

  • Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm: Kiểm chứng ứng xử liên hợp của dầm thép – bê tông dưới tải trọng uốn, khảo sát độ võng, biến dạng và chuyển vị trượt tương đối. Các mẫu dầm được thiết kế dựa trên kết quả push–out để phản ánh các điều kiện làm việc thực tế.

Phương pháp phân tích bao gồm so sánh số liệu thực nghiệm với tính toán lý thuyết theo Eurocode, sử dụng biểu đồ lực – chuyển vị, lực – độ võng và phân tích biến dạng để đánh giá hiệu quả liên kết và độ bền của kết cấu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chịu lực của hệ liên kết kháng cắt: Kết quả thí nghiệm push–out cho thấy hệ liên kết kháng cắt liên tục sử dụng thép hình C cán nguội có sức kháng lực cắt trung bình đạt khoảng 15 kN trên mỗi đinh vít, đủ để đảm bảo ứng xử liên hợp. Tuy nhiên, hiện tượng phá hủy giòn do đinh vít là hạn chế cần khắc phục.

  2. Ảnh hưởng của chiều dày thép cán nguội: Mẫu với thép cán nguội dày 2.4mm có sức kháng lực cắt cao hơn khoảng 20% so với mẫu dày 1.9mm, đồng thời dạng phá hủy chuyển từ không đồng thời sang đồng thời hai đinh vít, cho thấy độ bền và độ ổn định được cải thiện.

  3. Ứng xử dầm liên hợp dưới tải uốn: Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm cho thấy độ võng của kết cấu nhỏ trong giai đoạn đàn hồi, với giá trị độ võng trung bình dưới L/400, phù hợp với giới hạn theo tiêu chuẩn. Mức độ liên kết kháng cắt bán phần được khuyến nghị để tránh phá hủy sớm do đinh vít.

  4. Chuyển vị trượt tương đối: Đường cong lực – chuyển vị trượt thể hiện sự biến dạng tương đối giữa bản bê tông và dầm thép, với giá trị chuyển vị trượt tối đa khoảng 5 mm, cho thấy liên kết có độ dai vừa phải, phù hợp với các công trình chịu tải nhẹ như nhà ở và kho xưởng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiện tượng phá hủy giòn chủ yếu do đinh vít liên kết chịu tải cắt và kéo – nhổ vượt quá giới hạn cơ lý, dẫn đến mất ổn định cục bộ. So sánh với các nghiên cứu trước đây về dầm liên hợp sử dụng thép cán nóng, thép cán nguội có độ mảnh lớn hơn nên dễ bị mất ổn định cục bộ, đòi hỏi thiết kế tiết diện và liên kết phải được tối ưu hóa.

Việc sử dụng hệ liên kết kháng cắt liên tục bằng thép hình C cán nguội mang lại ưu điểm về khả năng chịu lực và thi công nhanh gọn, tuy nhiên cần cải tiến vật liệu đinh vít hoặc phương pháp liên kết để tăng độ dai và tránh phá hủy đột ngột. Kết quả cũng cho thấy tiết diện dầm liên hợp nên thiết kế với liên kết kháng cắt dạng bán phần để tận dụng tối đa khả năng làm việc của vật liệu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực – chuyển vị trượt, biểu đồ lực – độ võng và bảng so sánh các thông số cơ lý của mẫu thí nghiệm, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các nhóm mẫu và hiệu quả của các tham số khảo sát.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế liên kết đinh vít: Cần nghiên cứu sử dụng đinh vít có vật liệu và kích thước phù hợp hơn, hoặc áp dụng liên kết cơ khí bổ sung nhằm tăng độ dai và khả năng chịu lực của hệ liên kết kháng cắt. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế kết cấu; Thời gian: 1-2 năm.

  2. Thiết kế tiết diện dầm liên hợp với liên kết kháng cắt bán phần: Áp dụng thiết kế liên kết bán phần để tránh phá hủy sớm, đồng thời đảm bảo độ võng và độ dai phù hợp với các công trình dân dụng và công nghiệp nhẹ. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế; Thời gian: áp dụng ngay trong các dự án mới.

  3. Phát triển hướng dẫn kỹ thuật và tiêu chuẩn thiết kế: Cập nhật và bổ sung các chỉ dẫn kỹ thuật về ứng dụng thép cán nguội trong kết cấu dầm liên hợp, dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý xây dựng, viện nghiên cứu; Thời gian: 2-3 năm.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế: Thực hiện các dự án thí điểm sử dụng dầm thép – bê tông liên hợp với thép cán nguội trong các công trình nhà ở và kho xưởng để đánh giá hiệu quả thi công và kinh tế. Chủ thể thực hiện: nhà thầu xây dựng, chủ đầu tư; Thời gian: 1-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt kiến thức về ứng xử dầm liên hợp sử dụng thép cán nguội, áp dụng trong thiết kế các công trình dân dụng và công nghiệp nhẹ nhằm tối ưu chi phí và hiệu quả kỹ thuật.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp khảo sát thực nghiệm, phân tích ứng xử kết cấu liên hợp, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Hiểu rõ ưu nhược điểm của giải pháp kết cấu mới, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và thi công phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật.

  4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng hoặc cập nhật các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến kết cấu thép – bê tông liên hợp sử dụng thép cán nguội.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thép cán nguội có ưu điểm gì so với thép cán nóng trong kết cấu liên hợp?
    Thép cán nguội có chi phí sản xuất thấp hơn, trọng lượng nhẹ, dễ thi công và linh hoạt trong thiết kế. Tuy nhiên, nó có độ mảnh lớn hơn nên cần chú ý đến mất ổn định cục bộ khi thiết kế kết cấu.

  2. Hệ liên kết kháng cắt liên tục sử dụng thép hình C cán nguội hoạt động như thế nào?
    Hệ liên kết này liên kết bản bê tông với dầm thép bằng đinh vít, cung cấp sức kháng lực cắt và lực tách, giúp đảm bảo ứng xử liên hợp và tăng khả năng chịu lực của kết cấu.

  3. Phá hủy giòn của đinh vít ảnh hưởng thế nào đến kết cấu?
    Phá hủy giòn làm giảm độ dai của liên kết, gây phá hủy đột ngột và giảm khả năng chịu lực tổng thể. Do đó, cần thiết kế liên kết sao cho tránh hiện tượng này hoặc sử dụng vật liệu đinh vít phù hợp hơn.

  4. Độ võng của dầm liên hợp có đáp ứng tiêu chuẩn không?
    Kết quả thí nghiệm cho thấy độ võng trong giai đoạn đàn hồi nhỏ hơn L/400, phù hợp với giới hạn theo tiêu chuẩn Eurocode, đảm bảo tính ổn định và sinh học của kết cấu.

  5. Giải pháp nào được đề xuất để nâng cao hiệu quả ứng dụng kết cấu này?
    Nghiên cứu tối ưu hóa liên kết đinh vít, thiết kế liên kết bán phần, phát triển hướng dẫn kỹ thuật và thực hiện các dự án thí điểm là các giải pháp chính nhằm nâng cao hiệu quả và tính khả thi của kết cấu.

Kết luận

  • Dầm thép – bê tông liên hợp sử dụng thép hình C cán nguội là giải pháp kết cấu mới phù hợp với các công trình dân dụng và công nghiệp nhẹ, đáp ứng yêu cầu về chịu lực và thi công nhanh gọn.
  • Hệ liên kết kháng cắt liên tục bằng thép cán nguội có khả năng chịu lực tốt nhưng cần cải tiến để tránh phá hủy giòn do đinh vít.
  • Thiết kế liên kết kháng cắt dạng bán phần được khuyến nghị nhằm tối ưu hóa độ dai và độ võng của kết cấu.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các chỉ dẫn kỹ thuật và tiêu chuẩn thiết kế mới cho kết cấu thép cán nguội liên hợp.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế liên kết, mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế và phát triển hướng dẫn kỹ thuật, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.

Quý độc giả và các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công các công trình sử dụng kết cấu thép – bê tông liên hợp.