Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng, việc nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu bê tông cốt thép ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, tỷ lệ công trình bê tông bị suy giảm do thiết kế thiếu và quá trình sử dụng không đúng cách chiếm khoảng 20-30% trên toàn cầu, gây thiệt hại lớn về kinh tế và an toàn. Luận văn tập trung nghiên cứu hành vi ứng xử cắt của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng bê tông cốt sợi dệt (Textile Reinforced Concrete - TRC), nhằm đề xuất mô hình phân tích chính xác và giải pháp gia cường hiệu quả cho các kết cấu chịu cắt. Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn từ năm 2021 đến 2021 tại TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi bao gồm các dầm bê tông cốt thép gia cường TRC và dầm bê tông cốt sợi thủy tinh gia cường TRC (GFRP). Mục tiêu chính là xác định góc cắt nghiêng của dầm bê tông cốt thép gia cường TRC thông qua mô hình giàn biến đổi góc, đồng thời đánh giá hiệu quả gia cường cắt bằng TRC qua các thí nghiệm thực tế. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ bền, tính an toàn và tuổi thọ công trình, đồng thời góp phần giảm chi phí bảo trì và sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính: mô hình giàn biến đổi góc (Variable Angle Truss Model - VATM) và nguyên lý công tác ảo (Principle of Virtual Work). Mô hình giàn biến đổi góc được sử dụng để phân tích góc nghiêng của thanh chịu nén trong dầm bê tông cốt thép gia cường TRC, giúp mô phỏng chính xác sự phân bố lực cắt và ứng suất trong kết cấu. Nguyên lý công tác ảo được dùng để thiết lập phương trình cân bằng lực trong mô hình giàn, từ đó tính toán góc cắt và ứng suất trong các thành phần bê tông và cốt thép. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: bê tông cốt sợi dệt (TRC), bê tông cốt sợi thủy tinh gia cường polymer (GFRP), góc cắt nghiêng, tỉ lệ a/d (khoảng cách tải trọng đến điểm tựa chia cho chiều cao hiệu quả dầm), và mô hình giàn Ritterifer-Mörsh. Ngoài ra, luận văn còn đề cập đến các thuật ngữ như mô men uốn, ứng suất kéo, ứng suất nén, và các loại vữa kết dính trong TRC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thí nghiệm trên 11 dầm bê tông cốt thép và bê tông cốt sợi thủy tinh gia cường TRC với các tỉ lệ a/d khác nhau (1.7 và 3.18). Cỡ mẫu gồm 6 dầm bê tông cốt thép gia cường TRC và 5 dầm bê tông cốt GFRP, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện cho các trường hợp gia cường khác nhau. Phương pháp phân tích sử dụng mô hình giàn biến đổi góc kết hợp nguyên lý công tác ảo để tính toán góc cắt nghiêng và ứng suất trong dầm. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021, bao gồm thiết kế thí nghiệm, thi công mẫu, đo đạc và phân tích dữ liệu. Các kết quả thí nghiệm được so sánh với dự báo mô hình để đánh giá độ tin cậy của phương pháp phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Góc nghiêng của thanh chịu nén trong mô hình giàn gần tương đương với góc vết nứt quan sát trong thí nghiệm: Kết quả phân tích cho thấy góc cắt nghiêng tính toán bằng mô hình giàn biến đổi góc có sai số nhỏ so với góc vết nứt thực tế, với độ lệch dưới 5%, chứng tỏ tính chính xác của mô hình.

  2. Gia cường bằng TRC làm tăng đáng kể cường độ chịu cắt của dầm bê tông cốt thép: Thí nghiệm trên 6 dầm bê tông cốt thép gia cường TRC cho thấy cường độ chịu cắt tăng trung bình từ 31.3% đến 37.45% so với dầm không gia cường, tùy thuộc vào số lớp vải dệt và phương pháp gia cường.

  3. Số lượng lớp vải dệt và sự bố trí của đai thép ảnh hưởng đến độ bền và tính dẻo dai của dầm: Dầm có 10 lớp vải dệt TRC và đai thép bố trí hợp lý đạt cường độ chịu cắt cao hơn 3-5% so với dầm có 5 lớp, đồng thời kiểm soát được sự phá hủy giòn, giúp dầm có khả năng chịu biến dạng lớn hơn trước khi gãy.

  4. Dầm bê tông cốt GFRP gia cường TRC cũng thể hiện hiệu quả gia cường rõ rệt: Năm dầm bê tông cốt GFRP gia cường TRC có tỉ lệ a/d = 1.7 cho thấy cường độ chịu cắt tăng khoảng 20-25% so với dầm không gia cường, đồng thời giảm biến dạng lớn và kiểm soát được sự phá hủy đột ngột.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ chịu cắt là do bê tông cốt sợi dệt TRC cung cấp thêm khả năng chịu kéo và phân phối ứng suất hiệu quả, làm giảm tập trung ứng suất tại các vết nứt và tăng khả năng liên kết giữa bê tông và cốt thép. So với các nghiên cứu trước đây về gia cường bằng FRP truyền thống, TRC có ưu điểm vượt trội về khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt và dễ thi công. Kết quả thí nghiệm cũng phù hợp với các báo cáo của ngành xây dựng về hiệu quả gia cường bằng vật liệu composite. Việc sử dụng mô hình giàn biến đổi góc giúp dự báo chính xác góc cắt nghiêng, từ đó hỗ trợ thiết kế và đánh giá kết cấu gia cường TRC một cách khoa học. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ chịu cắt giữa các mẫu dầm, bảng tổng hợp góc cắt nghiêng tính toán và quan sát, cũng như biểu đồ biến dạng ứng suất theo tải trọng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình giàn biến đổi góc trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép gia cường TRC: Khuyến nghị các kỹ sư thiết kế sử dụng mô hình này để dự báo chính xác góc cắt nghiêng và ứng suất, giúp tối ưu hóa phương án gia cường, dự kiến áp dụng trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Tăng số lớp vải dệt TRC và bố trí đai thép hợp lý để nâng cao cường độ chịu cắt và tính dẻo dai của dầm: Đề xuất sử dụng từ 5 đến 10 lớp vải dệt tùy theo yêu cầu tải trọng, đồng thời bố trí đai thép theo tiêu chuẩn mới nhằm kiểm soát vết nứt, thực hiện trong giai đoạn thi công và bảo trì.

  3. Khuyến khích sử dụng bê tông cốt sợi thủy tinh gia cường polymer (GFRP) kết hợp TRC cho các kết cấu chịu tải trọng cắt cao trong môi trường ăn mòn: Giải pháp này giúp tăng tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì, áp dụng cho các công trình ven biển hoặc công trình công nghiệp trong 3-5 năm tới.

  4. Xây dựng quy trình thi công và kiểm soát chất lượng gia cường TRC chuẩn hóa: Đề xuất phát triển quy trình thi công, kiểm tra liên kết giữa bê tông và vải dệt, đảm bảo hiệu quả gia cường, dự kiến hoàn thiện trong vòng 1 năm và áp dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu bê tông cốt thép: Nghiên cứu cung cấp mô hình phân tích và giải pháp gia cường mới giúp thiết kế kết cấu an toàn, hiệu quả hơn, đặc biệt trong các công trình chịu tải trọng cắt lớn.

  2. Chuyên gia thi công và giám sát công trình: Thông tin về quy trình thi công và kiểm soát chất lượng gia cường TRC giúp nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiểu sai sót và tăng độ bền công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm phong phú, hỗ trợ nghiên cứu sâu về vật liệu composite và kết cấu bê tông cốt thép.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng: Hiểu rõ về lợi ích và hiệu quả kinh tế của việc gia cường bằng TRC giúp đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gia cường bằng TRC có ưu điểm gì so với FRP truyền thống?
    Gia cường TRC có khả năng chịu kéo cao, không bị ăn mòn, chịu nhiệt tốt và dễ thi công hơn FRP truyền thống. Ví dụ, TRC không bị ảnh hưởng bởi tia UV và có độ bền lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.

  2. Mô hình giàn biến đổi góc giúp gì trong thiết kế kết cấu?
    Mô hình này giúp xác định chính xác góc cắt nghiêng và phân bố ứng suất trong dầm, từ đó tối ưu hóa thiết kế gia cường, giảm thiểu rủi ro phá hủy đột ngột.

  3. Số lớp vải dệt TRC ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả gia cường?
    Tăng số lớp vải dệt giúp tăng cường độ chịu cắt và kiểm soát vết nứt tốt hơn. Thí nghiệm cho thấy dầm có 10 lớp vải dệt có cường độ chịu cắt cao hơn khoảng 3-5% so với 5 lớp.

  4. Có thể áp dụng gia cường TRC cho các kết cấu bê tông cốt sợi thủy tinh không?
    Có, nghiên cứu cho thấy dầm bê tông cốt GFRP gia cường TRC cũng tăng cường độ chịu cắt khoảng 20-25%, phù hợp với các công trình yêu cầu chống ăn mòn cao.

  5. Quy trình thi công gia cường TRC có phức tạp không?
    Quy trình thi công TRC tương đối đơn giản, có thể thực hiện bằng tay với các bước chuẩn hóa như phun cát, cán lớp vữa và dán vải dệt, giúp giảm thời gian và chi phí thi công so với các phương pháp truyền thống.

Kết luận

  • Mô hình giàn biến đổi góc kết hợp nguyên lý công tác ảo là công cụ hiệu quả để phân tích góc cắt nghiêng và ứng suất trong dầm bê tông cốt thép gia cường TRC.
  • Gia cường bằng TRC làm tăng cường độ chịu cắt trung bình từ 31% đến 37%, đồng thời kiểm soát được sự phá hủy giòn và tăng tính dẻo dai của kết cấu.
  • Số lớp vải dệt và bố trí đai thép là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường.
  • Gia cường TRC kết hợp với bê tông cốt sợi thủy tinh GFRP cũng mang lại hiệu quả gia cường rõ rệt, phù hợp với môi trường ăn mòn.
  • Đề xuất áp dụng mô hình và giải pháp gia cường TRC trong thiết kế và thi công kết cấu bê tông cốt thép nhằm nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

Tiếp theo, cần triển khai xây dựng quy trình thi công chuẩn hóa và mở rộng nghiên cứu ứng dụng TRC trong các loại kết cấu khác. Mời các chuyên gia và kỹ sư trong ngành cùng tham gia trao đổi và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng công trình xây dựng.