Luận án Nghiên cứu ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu Sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng Panel sàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VŨ VĂN HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ DẠNG PANEL SÀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VŨ VĂN HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ DẠNG PANEL SÀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT MÃ SỐ: 9580206 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Ngô Đăng Quang PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh HÀ NỘI- 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, Ngày tháng năm 2023 Tác giả Vũ Văn Hiệp ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ với đề tài “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng panel sàn” được thực hiện tại trường Đại học Giao thông vận tải. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Ngô Đăng Quang và PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh đã hướng dẫn tận tình, hết lòng giúp đỡ trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn các quý Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Công trình Giao thông thành phố và Công trình thủy đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập và nghiên cứu, cũng như trong các hoạt động chuyên môn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thông vận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Khoa Kỹ thuật xây dựng, Bộ môn Kết cấu xây dựng đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn bên tôi, động viên tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, Ngày tháng năm 2023 Tác giả Vũ Văn Hiệp iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ II MỤC LỤC ............................................................................................................... III DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ VI DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................ VIII DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU .................................................... XII MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................ 6 1.1 Kết cấu sandwich và ứng dụng trong công trình xây dựng ....................................... 6 1.1.1 Giới thiệu về kết cấu sandwich ............................................................................. 6 1.1.2 Ứng xử của kết cấu sandwich khi chịu lực............................................................ 7 1.1.3 Ứng dụng kết cấu sandwich trong xây dựng ....................................................... 11 1.2 Bê tông cốt lưới dệt ................................................................................................. 12 1.2.1 Vật liệu bê tông cốt lưới dệt ................................................................................ 13 1.2.2 Ứng xử chịu kéo của tấm bê tông cốt lưới dệt .................................................... 18 1.2.3 Tính chất dính bám bề mặt giữa lớp vỏ BTCLD và các vật liệu làm lớp lõi trong kết cấu sandwich ................................................................................................... 19 1.3 Bê tông nhẹ .............................................................................................................. 20 1.3.1 Giới thiệu về bê tông nhẹ .................................................................................... 20 1.3.2 Tính chất cơ học của bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ ...................................... 22 1.4 Tổng quan về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng bê tông cốt lưới dệt ..................... 23 1.4.1 Các nghiên cứu về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD ............................ 23 1.4.2 Các mô hình tính toán sức kháng cho kết cấu sandwich ..................................... 28 1.4.3 Ứng dụng BTCLD và vật liệu nhẹ trong kết cấu sandwich ................................ 31 1.5 Định hướng và nội dung nghiên cứu ....................................................................... 33 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẤU TẠO VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU UỐN, CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT - BÊ TÔNG NHẸ .............................................................. 36 2.1 Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 36 2.2 Đề xuất cấu tạo cho kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng panel, làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng. .................................................. 36 2.2.1 Vật liệu được sử dụng làm lớp vỏ cho kết cấu sandwich .................................... 37 iv 2.2.2 Vật liệu được sử dụng làm lớp lõi cho kết cấu sandwich .................................... 39 2.2.3 Kích thước của mặt cắt kết cấu sandwich ........................................................... 40 2.3 Xây dựng mô hình xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ................................................................................................................ 43 2.3.1 Phương pháp xác định khả năng chịu uốn của mặt cắt sandwich ....................... 43 2.3.2 Sức kháng uốn của kết cấu sandwich .................................................................. 45 2.3.3 Xây dựng mô hình dự đoán sự hành thành và phát triển vết nứt trong kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K khi chịu uốn ................................................. 50 2.3.4 Xác định độ cứng chống uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K .. 65 2.4 Nghiên cứu xây dựng mô hình tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh .......................................................... 67 2.4.1 Sức kháng cắt của dầm ........................................................................................ 67 2.4.2 Phương pháp sơ đồ hệ thanh ............................................................................... 68 2.4.3 Mô hình hoá kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh ................................................................................................................. 68 2.4.4 Sức kháng của thanh nén ..................................................................................... 73 2.4.5 Sức kháng của thanh kéo ..................................................................................... 74 2.4.6 Sức kháng của nút ở vị trí gối đỡ ........................................................................ 74 2.4.7 Sức kháng của nút ở vị trí tác dụng tải trọng ...................................................... 75 2.5 Kết luận chương ...................................................................................................... 76 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ ỨNG XỬ CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ ...................................................................................... 77 3.1 Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 77 3.2 Nghiên cứu xác định đặc trưng cơ học của vật liệu ................................................ 77 3.2.1 Bê tông hạt mịn ................................................................................................... 77 3.2.2 Bê tông nhẹ .......................................................................................................... 81 3.2.3 Cốt lưới dệt .......................................................................................................... 84 3.2.4 Ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt và bê tông hạt mịn....................................... 85 3.2.5 Ứng xử dính bám giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ ...................................... 87 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ......................................................................... 88 3.3.1 Phương pháp thí nghiệm...................................................................................... 88 3.3.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm ...................................................................................... 89 3.3.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm ....................................................................................... 95 3.3.4 Thiết bị đo và quy trình thí nghiệm ..................................................................... 95 3.3.5 Kết quả thí nghiệm .............................................................................................. 96 v 3.4 Kết luận chương .................................................................................................... 105 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU SANDWICH DẠNG PANEL ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU SÀN ................. 107 4.1 Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 107 4.2 Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp giải tích ............................... 107 4.2.1 Khảo sát tham số chiều dày của các lớp vật liệu trên mặt cắt sandwich ........... 107 4.2.2 Khảo sát tham số cường độ lớp lõi BTN-K ....................................................... 108 4.3 Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp PTHH ................................. 110 4.3.1 Nghiên cứu mô phỏng ....................................................................................... 110 4.3.2 Khảo sát các tham số ảnh hưởng bằng phần mềm ATENA .............................. 118 4.4 Thiết kế kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng ............................................................................................... 120 4.4.1 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 3 m. ...................................................................... 121 4.4.2 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 4 m; 5 m; 6 m....................................................... 124 4.5 Kết luận chương .................................................................................................... 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................................ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 132 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần của các hỗn hợp BTHM do Brockmann đề xuất [74] ..................... 15 Bảng 1.2 Thành phần BTHM được đề xuất bởi Lê Minh Cường [4] ................................. 17 Bảng 1.3 Thành phần cấp phối bê tông nhẹ được đề xuất bởi Đặng Thùy Chi [2] ............ 22 Bảng 3.1 Thành phần cấp phối BTHM (đơn vị kg/m3) ...................................................... 78 Bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt của cát quartz [4] ........................................................ 78 Bảng 3.3 Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz nghiền ......................................................... 78 Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của BTHM (đơn vị MPa) ....... 79 Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn của BTHM (đơn vị MPa) ............................................................................................................................................. 80 Bảng 3.6 Giá trị mô đun đàn hồi của BTHM...................................................................... 80 Bảng 3.7 Thành phần cấp phối BTN-K .............................................................................. 81 Bảng 3.8 Thành phần cấp phối hạt Keramzit...................................................................... 82 Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của BTN-K (đơn vị MPa) ...... 83 Bảng 3.10 Kết quả xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ của BTN-K (đơn vị MPa) ..... 83 Bảng 3.11 Giá trị mô đun đàn hồi của BTN-K ................................................................... 84 Bảng 3.12 Đặc trưng cơ học của cốt lưới dệt các bon theo cung cấp của nhà sản xuất ..... 85 Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm dính bám giữa BTCLD và BTN ........................................ 88 Bảng 3.14 Kích thước chi tiết của các mẫu panel sandwich (đơn vị: mm) ........................ 90 Bảng 3.15 Mô men uốn của mặt cắt sandwich theo mô hình lý thuyết .............................. 91 Bảng 3.16 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng thanh kéo ................ 91 Bảng 3.17 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng thanh nén ................ 91 Bảng 3.18 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng của nút gối đỡ ......... 91 Bảng 3.19 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng của nút đặt tải ......... 92 Bảng 3.20 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K tính theo lý thuyết ............................................................................................................................................. 92 Bảng 3.21 Kết quả dự đoán khoảng cách vết nứt trong kết cấu sandwich chịu uốn .......... 94 Bảng 3.22 Kết qủa lực và độ võng ở giữa nhịp của thí nghiệm uốn 4 điểm ...................... 97 Bảng 3.23 Mô men gây nứt và mô men uốn cho mẫu sandwich được xác định bằng thực nghiệm ............................................................................................................................... 100 vii Bảng 3.24 So sánh tải trọng và mô men uốn của panel theo mô hình lý thuyết và thực nghiệm với sơ đồ uốn 4 điểm ......................................................................................................... 100 Bảng 3.25 So sánh khoảng cách vết nứt tính theo mô hình lý thuyết và thực nghiệm ..... 102 Bảng 3.26 Lực lớn nhất của các dầm sandwich thí nghiệm (đơn vị kN) ......................... 104 Bảng 3.27 So sánh sức kháng cắt theo lý thuyết và thực nghiệm của kết cấu sandwich . 105 Bảng 4.1 Kết quả khảo sát kết cấu sandwich với tham số là chiều dày các lớp vật liệu .. 108 Bảng 4.2 Kết quả khảo sát kết cấu sandwich với tham số BTN-K thay đổi .................... 109 Bảng 4.3 Kết quả tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich khi thay đổi BTN-K ............ 110 Bảng 4.4 Thông số của vật liệu BTHM và BTN-K .......................................................... 112 Bảng 4.5 So sánh giá trị lực lớn nhất của các mẫu SW giữa mô phỏng và thực nghiệm . 117 Bảng 4.6 So sánh kết quả khảo sát chiều dày lớp vỏ theo phương pháp giải tích và PTHH ........................................................................................................................................... 119 Bảng 4.7 Giá trị lực lớn nhất gây phá hoại cho các mô hình khi BTN-K thay đổi .......... 120 Bảng 4.8 So sánh kết quả khảo sát cường độ BTN-K theo phương pháp giải tích và PTHH ........................................................................................................................................... 120 Bảng 4.9 Tải trọng thường xuyên của kết cấu sandwich .................................................. 121 Bảng 4.10 Hoạt tải sử dụng của sàn phòng ở ................................................................... 122 Bảng 4.11 Sức kháng của mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm ................................. 122 Bảng 4.12 Sức kháng của mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm và 120 mm .............. 123 Bảng 4.13 Độ võng của kết cấu sàn nhịp 3 m................................................................... 123 Bảng 4.14 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 3 m ......................... 124 Bảng 4.15 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 3 m ......................... 124 Bảng 4.16 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 4 m ......................... 124 Bảng 4.17 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 4 m ......................... 125 Bảng 4.18 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 5 m ......................... 125 Bảng 4.19 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 5 m ......................... 125 Bảng 4.20 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 6 m ......................... 126 Bảng 4.21 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 6 m ......................... 126 Bảng 4.22 Tổng hợp các loại panel đúc sẵn bằng kết cấu sandwich sử dụng làm kết cấu sàn phòng ở trong công trình xây dựng ................................................................................... 127 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Cấu tạo kết cấu sandwich có 3 lớp [63]................................................................. 6 Hình 1-2 Hiệu quả về tăng khả năng chịu uốn và độ cứng chịu uốn của kết cấu sandwich [63] ........................................................................................................................................ 7 Hình 1-3 Phân bố biến dạng dọc trục của các lớp vật liệu ở các dạng kết cấu sandwich [70] ............................................................................................................................................... 8 Hình 1-4 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich không liên hợp [38] . 8 Hình 1-5 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn ......... 9 Hình 1-6 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich có lớp vỏ mỏng ....... 9 Hình 1-7 Các dạng phá hoại của kết cấu sandwich [32] ..................................................... 10 Hình 1-8 Kết cấu 3D được sử dụng trong công trình xây dựng ở Việt Nam ..................... 11 Hình 1-9 Kết cấu sandwich làm tấm lợp mái ..................................................................... 12 Hình 1-10 Kết cấu sandwich làm tấm tường ...................................................................... 12 Hình 1-11 Các cấp độ vật liệu: BTCLD, cốt lưới dệt, bó sợi, sợi cơ bản [65] .................. 13 Hình 1-12 Các bó sợi các bon có độ mịn khác nhau [28] ................................................... 14 Hình 1-13 Quan hệ giữa ứng suất-biến dạng của cốt lưới dệt [28] .................................... 14 Hình 1-14 So sánh quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của BTHM khi chịu nén giữa thực nghiệm và mô hình tính sửa đổi từ MC 90 [74] ................................................................. 16 Hình 1-15 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt với BTHM [26] ........ 18 Hình 1-16 Ứng xử của tấm của BTCLD chịu kéo dọc trục [53] ........................................ 19 Hình 1-17 Thí nghiệm dính bám giữa BTCLD và bê tông nền theo chỉ dẫn RILEM 250- CSM [68] ............................................................................................................................ 20 Hình 1-18 Bê tông nhẹ khí chưng áp ................................