Nghiên cứu ứng xử của dầm thép liên hợp trong luận văn thạc sĩ HCMUTE

• Tác giả: Nguyễn Đức Hòa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Liêm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử của dầm có vỏ thép liên hợp
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM CÓ VỎ THÉP LIÊN HỢP

I. Giới thiệu về dầm thép liên hợp

Nghiên cứu ứng xử của dầm thép liên hợp là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công trình xây dựng. Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Đức Hòa tại HCMUTE đã tập trung vào việc phân tích và đánh giá khả năng chịu lực của các loại dầm này. Dầm thép liên hợp được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp, nhờ vào khả năng chịu tải tốt và tính linh hoạt trong thiết kế. Việc nghiên cứu ứng xử của dầm thép không chỉ giúp cải thiện chất lượng công trình mà còn tối ưu hóa chi phí xây dựng. Theo tác giả, việc áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại như mô phỏng phần tử hữu hạn sẽ mang lại những kết quả chính xác hơn trong việc dự đoán khả năng chịu lực của dầm.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu dầm thép

Nghiên cứu về ứng xử dầm thép có vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp kỹ thuật mới cho ngành xây dựng. Dầm thép liên hợp không chỉ giúp tăng cường khả năng chịu lực mà còn giảm thiểu trọng lượng tổng thể của công trình. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay, khi mà yêu cầu về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng cao. Tác giả đã chỉ ra rằng việc sử dụng dầm thép liên hợp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất làm việc của công trình, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa trong tương lai.

II. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn đã áp dụng ba phương pháp chính để nghiên cứu ứng xử dầm thép: phương pháp giải tích, thực nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn. Phương pháp giải tích được sử dụng để thiết lập các công thức dự đoán sức kháng uốn của dầm. Tác giả đã phân tích mặt cắt ngang và mô hình vật liệu để đưa ra các kết quả chính xác. Trong khi đó, phương pháp thực nghiệm được thực hiện thông qua việc thử nghiệm các dầm có kích thước và cấu trúc khác nhau. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt về sức kháng giữa các loại dầm có vỏ thép và không có vỏ thép. Cuối cùng, mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Abaqus đã giúp kiểm tra và xác nhận các kết quả thu được từ hai phương pháp trước đó.

2.1. Phân tích giải tích

Phân tích giải tích là bước đầu tiên trong nghiên cứu, nơi tác giả thiết lập các công thức để dự đoán sức kháng uốn của dầm. Các yếu tố như kích thước, loại vật liệu và cấu trúc của dầm được xem xét kỹ lưỡng. Tác giả đã chỉ ra rằng việc áp dụng các công thức này có thể giúp dự đoán chính xác khả năng chịu lực của dầm thép liên hợp. Kết quả từ phân tích giải tích cho thấy rằng sức kháng mô men của dầm có thể tăng lên đáng kể khi sử dụng vỏ thép, với các tỷ lệ tăng khác nhau tùy thuộc vào độ dày của vỏ thép.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vỏ thép có thể nâng cao sức chịu tải của dầm một cách đáng kể. Đối với bê tông M300, sức kháng mô men thực nghiệm tăng 2,18 và 3,07 lần khi so sánh dầm có vỏ thép dày 1,2mm và 2mm với dầm không vỏ. Tương tự, đối với bê tông M200, sức kháng mô men thực nghiệm cũng tăng lên 2,51 và 3,89 lần. Những kết quả này không chỉ khẳng định tính hiệu quả của việc sử dụng vỏ thép mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Tác giả cũng ghi nhận rằng sai số giữa kết quả phân tích giải tích và thực nghiệm là từ 1-13%, cho thấy độ tin cậy cao của các phương pháp nghiên cứu đã áp dụng.

3.1. Đánh giá hiệu quả của vỏ thép

Việc sử dụng vỏ thép trong dầm bê tông cốt thép không chỉ giúp tăng cường sức chịu tải mà còn cải thiện độ bền và tuổi thọ của công trình. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng dầm có vỏ thép dày 2mm có khả năng chịu lực tốt hơn hẳn so với dầm không có vỏ. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế và thi công dầm thép liên hợp là cần thiết để nâng cao chất lượng công trình. Tác giả cũng nhấn mạnh rằng các kết quả này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong các công trình yêu cầu tính chịu lực cao.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Luận văn đã chỉ ra rằng nghiên cứu ứng xử của dầm thép liên hợp là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết trong ngành xây dựng. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Tác giả khuyến nghị rằng các nhà thiết kế và kỹ sư nên xem xét việc áp dụng vỏ thép trong các công trình xây dựng để nâng cao hiệu quả sử dụng và độ bền của dầm. Ngoài ra, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các loại vật liệu mới và công nghệ thi công hiện đại để tối ưu hóa thiết kế dầm thép liên hợp trong tương lai.

4.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Tác giả đề xuất rằng các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các loại vật liệu mới có khả năng chịu lực tốt hơn và nhẹ hơn. Việc áp dụng công nghệ mô phỏng hiện đại cũng cần được mở rộng để có thể dự đoán chính xác hơn về ứng xử của dầm thép trong các điều kiện khác nhau. Hơn nữa, cần có các nghiên cứu thực nghiệm bổ sung để xác nhận các kết quả lý thuyết và mở rộng ứng dụng của dầm thép liên hợp trong các công trình xây dựng hiện đại.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành xây dựng, việc nghiên cứu và ứng dụng các kết cấu liên hợp nhằm nâng cao hiệu quả chịu lực và tính thẩm mỹ của công trình ngày càng trở nên cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, dầm bê tông cốt thép có vỏ thép liên hợp là một giải pháp mới, tận dụng ưu điểm cơ lý của thép và bê tông để tạo ra kết cấu có sức chịu tải lớn và độ bền cao. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép có vỏ thép liên hợp với kích thước tiết diện 150x150 mm, chiều dài nhịp 900 mm, sử dụng bê tông mác M200 và M300 cùng các độ dày vỏ thép 0 mm, 1,2 mm và 2,0 mm. Mục tiêu chính là phân tích, thực nghiệm và mô phỏng để đánh giá khả năng chịu lực, biến dạng và sự hình thành vết nứt của dầm, từ đó thiết lập công thức dự báo sức kháng uốn phù hợp với thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dầm có tiết diện chữ nhật, chịu tải uốn 3 điểm, với dữ liệu thu thập tại phòng thí nghiệm và mô phỏng bằng phần mềm Abaqus. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các kết cấu liên hợp mới, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công công trình dân dụng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ học vật rắn biến dạng và ứng xử của dầm bê tông cốt thép dưới tải trọng uốn 3 điểm. Mô hình phân tích bao gồm:

• Lý thuyết uốn dầm 3 điểm: Phân tích sơ đồ tải trọng, phân bố nội lực, và mối quan hệ giữa độ võng, độ cong và tải trọng. Phương trình chuyển vị được thiết lập cho từng đoạn dầm theo điều kiện biên cụ thể, giúp xác định ứng suất và biến dạng trong dầm.

• Ứng xử của dầm bê tông cốt thép: Mô tả các giai đoạn làm việc của dầm từ chưa nứt, hình thành vết nứt đến giai đoạn chảy dẻo và phá hoại. Các khái niệm chính gồm điểm giới hạn đàn hồi (LOP), điểm phá hoại (MOR), và sự phân bố ứng suất – biến dạng trong bê tông và thép.

• Ứng xử của dầm liên hợp: Áp dụng phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính và phân tích dẻo để xác định nội lực và biến dạng trong dầm có vỏ thép liên hợp. Mô hình vật liệu và tiết diện được điều chỉnh để phản ánh sự liên kết giữa lõi bê tông và vỏ thép.

• Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng ứng xử phi tuyến của dầm, bao gồm mô hình vật liệu bê tông phá hoại dẻo với các thông số mô hình như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, và quan hệ ứng suất – biến dạng phi tuyến. Mô hình phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chính xác ứng xử thực tế của dầm dưới tải trọng uốn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thí nghiệm thực tế trên 9 mẫu dầm bê tông cốt thép có vỏ thép liên hợp và không có vỏ, kích thước 150x150x900 mm, sử dụng bê tông mác M200 và M300, với các độ dày vỏ thép 0 mm, 1,2 mm và 2,0 mm. Các mẫu được chế tạo theo cấp phối chuẩn, vật liệu thép CB 400V và thép tấm SS400.

• Phương pháp phân tích: Phân tích giải tích dựa trên mô hình mặt cắt ngang theo tiêu chuẩn ACI 318-14, thiết lập công thức dự báo sức kháng uốn và vị trí trục trung hòa. So sánh kết quả phân tích với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

• Phương pháp mô phỏng: Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus với mô hình vật liệu phi tuyến, thiết lập mô hình 3D cấu kiện dầm, định nghĩa vật liệu, lắp ghép cấu kiện, điều kiện biên và tải trọng. Phân chia lưới phần tử hữu hạn chi tiết để đảm bảo độ chính xác mô phỏng.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2016 đến tháng 5/2018, bao gồm giai đoạn thiết kế thí nghiệm, chế tạo mẫu, tiến hành thí nghiệm, phân tích dữ liệu, mô phỏng và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng sức kháng uốn nhờ vỏ thép liên hợp: Đối với bê tông mác M300, sức kháng mô men thực nghiệm tăng 2,18 lần với vỏ thép dày 1,2 mm và 3,07 lần với vỏ thép dày 2,0 mm so với dầm không vỏ. Đối với bê tông mác M200, mức tăng tương ứng là 2,51 lần và 3,89 lần. Kết quả này cho thấy vỏ thép liên hợp có hiệu quả rất cao trong việc nâng cao khả năng chịu lực của dầm.

2. Sai số giữa phân tích giải tích và thực nghiệm: Sai số giữa kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm dao động trong khoảng 1-13%, thể hiện độ tin cậy của công thức dự báo được thiết lập. Đối với dầm kích thước lớn hơn (200x300 mm hoặc 200x400 mm), sức kháng mô men dự báo tăng khoảng 2 đến 2,6 lần với vỏ thép dày 1,2 - 2,0 mm.

3. Mô phỏng phần tử hữu hạn phù hợp với thực nghiệm: Đường cong ứng xử uốn mô phỏng bằng Abaqus phù hợp với đường cong thực nghiệm, sai số về sức kháng mô men từ 4-13% tùy loại dầm. Điều này khẳng định tính khả thi của phương pháp mô phỏng trong dự báo ứng xử dầm liên hợp.

4. Ảnh hưởng của mác bê tông và độ dày vỏ thép: Mác bê tông cao hơn (M300) không chỉ tăng sức kháng uốn mà còn làm giảm độ nhạy biến dạng. Độ dày vỏ thép càng lớn càng nâng cao sức kháng uốn, tuy nhiên cần cân nhắc chi phí và thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng cường sức kháng uốn là do vỏ thép liên hợp tạo ra hiệu ứng khung thép bao quanh lõi bê tông, giúp phân phối ứng suất đều hơn và hạn chế sự phát triển vết nứt. So với các nghiên cứu trước đây về kết cấu dầm bê tông cốt thép truyền thống, kết quả này cho thấy sự cải thiện đáng kể về khả năng chịu lực và độ bền. Việc sai số giữa mô hình lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm nằm trong giới hạn chấp nhận được chứng tỏ phương pháp phân tích và mô phỏng được áp dụng phù hợp. Kết quả cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của dầm có vỏ thép liên hợp trong các công trình dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là các công trình yêu cầu kết cấu mảnh, nhẹ nhưng chịu lực cao. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mô men – độ võng và bảng so sánh sức kháng uốn giữa các loại dầm để minh họa rõ ràng hiệu quả của vỏ thép liên hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng thiết kế dầm có vỏ thép liên hợp trong công trình cầu và nhà cao tầng: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và thi công sử dụng kết cấu dầm có vỏ thép liên hợp với độ dày vỏ từ 1,2 mm đến 2,0 mm nhằm tăng cường sức chịu tải và độ bền công trình trong vòng 1-3 năm tới.

2. Phát triển tiêu chuẩn thiết kế và thi công cho kết cấu dầm liên hợp: Cơ quan quản lý xây dựng cần xây dựng và ban hành các quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến kết cấu dầm bê tông cốt thép có vỏ thép liên hợp, đảm bảo tính đồng bộ và an toàn, dự kiến hoàn thành trong 2 năm.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho kỹ sư xây dựng: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, phân tích và thi công kết cấu liên hợp cho kỹ sư trong ngành xây dựng nhằm nâng cao chất lượng công trình, thực hiện liên tục hàng năm.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng và tối ưu hóa vật liệu: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục nghiên cứu ứng xử của dầm liên hợp với các loại vật liệu mới, kích thước lớn hơn và điều kiện tải trọng phức tạp, nhằm tối ưu hóa chi phí và hiệu quả sử dụng trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp công thức tính toán và dữ liệu thực nghiệm giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp kết cấu dầm liên hợp phù hợp, nâng cao hiệu quả chịu lực và tiết kiệm vật liệu.

2. Nhà thầu thi công xây dựng: Thông tin về cấu tạo, vật liệu và phương pháp thi công dầm có vỏ thép liên hợp giúp nhà thầu áp dụng kỹ thuật thi công chính xác, đảm bảo chất lượng và tiến độ công trình.

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 bê tông cốt thép và kết cấu liên hợp, đặc biệt trong lĩnh vực phân tích ứng xử kết cấu.

4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để xây dựng hoặc cập nhật các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến kết cấu dầm bê tông cốt thép có vỏ thép liên hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Dầm có vỏ thép liên hợp là gì và ưu điểm chính của nó?
   Dầm có vỏ thép liên hợp là kết cấu bê tông cốt thép được bao quanh bởi một lớp vỏ thép kín hoặc bán kín nhằm tăng cường khả năng chịu lực. Ưu điểm chính là tăng sức kháng uốn lên đến 3-4 lần so với dầm truyền thống, cải thiện độ bền và độ dẻo của kết cấu.

2. Phương pháp thí nghiệm nào được sử dụng để đánh giá ứng xử của dầm?
   Phương pháp thí nghiệm uốn 3 điểm được áp dụng, với kích thước dầm 150x150x900 mm, sử dụng bê tông mác M200 và M300, cùng các độ dày vỏ thép khác nhau để đo tải trọng và độ võng, từ đó tính toán mô men kháng uốn.

3. Sai số giữa kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm có lớn không?
   Sai số dao động từ 1% đến 13%, cho thấy công thức phân tích và mô hình lý thuyết được thiết lập có độ chính xác cao và phù hợp với thực tế.

4. Phần mềm Abaqus được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Abaqus được dùng để mô phỏng ứng xử phi tuyến của dầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn, mô hình hóa vật liệu bê tông phá hoại dẻo và liên kết giữa bê tông và thép, giúp dự báo chính xác đường cong mô men – độ võng.

5. Ứng dụng thực tế của kết quả nghiên cứu này là gì?
   Kết quả giúp thiết kế và thi công các kết cấu dầm bê tông cốt thép có vỏ thép liên hợp trong công trình cầu, nhà cao tầng và công nghiệp, nâng cao hiệu quả chịu lực, giảm trọng lượng kết cấu và tiết kiệm vật liệu.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công công thức dự báo sức kháng uốn của dầm bê tông cốt thép có vỏ thép liên hợp, với sai số từ 1-13% so với thực nghiệm.
• Thí nghiệm uốn 3 điểm cho thấy vỏ thép liên hợp làm tăng sức kháng mô men lên đến 3,89 lần so với dầm không vỏ, tùy thuộc vào mác bê tông và độ dày vỏ.
• Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus phù hợp với kết quả thực nghiệm, sai số mô phỏng trong khoảng 4-13%, khẳng định tính khả thi của phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển kết cấu dầm liên hợp mới, có thể ứng dụng rộng rãi trong xây dựng dân dụng và công nghiệp.
• Đề xuất các giải pháp thiết kế, thi công và nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện tiêu chuẩn và nâng cao hiệu quả sử dụng kết cấu dầm có vỏ thép liên hợp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị thiết kế và thi công áp dụng kết quả nghiên cứu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về vật liệu và kích thước kết cấu để tối ưu hóa hiệu quả công trình.