Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu liên hợp thép và bê tông sử dụng cốt thanh thủy tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

------

LÊ ANH SƠN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU

LIÊN HỢP THÉP VÀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG

CỐT THANH THỦY TINH

LU N V N THẠC S

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Thành Phố Hồ Chí Minh. tháng 09 năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

------

LÊ ANH SƠN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU

LIÊN HỢP THÉP VÀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG

CỐT THANH THỦY TINH

Ch n n ành : Xâ dựn Côn trình dân dụn và Côn n hiệp

M ố h n n ành : 60 58 02 08

LU N V N THẠC S XÂY DỰNG

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

N i h n d n hó h :

TS. L Anh T ấn

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này “Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu liên

hợp thép và bê tông sử dụng cốt thanh thủy tinh” là bài nghiên cứu của chính tôi.

Ngoài trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi

cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được

công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong

luận văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

Thành Phố Hồ Chí Minh, năm 2016

Tác giả luận văn

Lê Anh Sơn

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp của

trường Đại Học Mở TPHCM nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang

bị cho học viên có một đề tài nghiên cứu khoa học bổ ích, thực tiễn và những

kiến thức chuyên sâu trước khi ra trường.

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng tôi đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ từ thầy hướng dẫn, bạn bè và người thân. Tôi chân thành cảm ơn

những sự giúp đỡ và quan tâm đó.

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn TS. Lê Anh Tuấn đã

giúp tôi định hướng và có cái nhìn tổng quát về đề tài. Trong quá trình làm luận

văn Thầy hướng dẫn rất nhiệt tình và cung cấp những tài liệu quý báu giúp tôi

hoàn thành luận văn trong thời gian sớm nhất.

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trưởng khoa Xây Dựng trường Đại Học

Mở TPHCM đó là TS. Trần Tuấn Anh đã quan tâm và định hướng tôi những đề

tài có ứng dụng thực tiễn.

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự cố gắng

của bản thân nhưng cũng không thể tránh được những sai sót. Kính mong các

quý thầy cô đưa ra những nhận xét giúp tôi có những kiến thức và cái nhìn đúng

đắn hơn.

Xin trân trọng cảm ơn!

iii

TÓM TẮT

Kết cấu liên hợp thép – bê tông (LHT-BT) đã và đang được sử dụng khá hiệu quả

ở các nước trên thế giới và tại nước ta trong việc xây dựng các công trình nhà nhiều tầng

và nhà khung nhịp lớn, do loại kết cấu này tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng

cơ lí của cả hai loại vật liệu phổ biến là thép và bê tông để tạo ra kết cấu có khả năng chịu

lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy, đáp ứng được công

năng sử dụng cao với khẩu độ lớn, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo về mỹ thuật cao. Bên

cạnh đó với số lượng lớn các công trình xây dựng dọc theo bờ biển, trên sông, tại những

nơi có môi trường ăn mòn cốt thép trong bê tông cao. Mục tiêu nghiên cứu sử dụng cốt

thanh thủy tinh (GFRP) thay thế cho cốt thép trong kết cấu LHT-BT, do đặc điểm cường

độ chịu kéo của thanh (GFRP) cao, bền vững trong môi trường kiềm, axit và các chất ăn

mòn khác với trọng lượng riêng nhẹ giúp giảm tải bản thân của kết cấu.

Đề tài nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của thanh thủy tinh (GFRP) và khả năng

bám dính khi làm việc với bê tông nền có mác bê tông khác nhau C20/25, C25/30,

C35/45, C45/55. So sánh với khả năng bám dính của thép khi làm việc với bê tông nền.

Thực nghiệm kiểm chứng kết cấu sàn liên hợp LHT-BT sử dụng thanh thủy tinh (GFRP)

thay thế cho cốt thép chịu lực và kết quả so sánh với lý thuyết đồng thời so sánh với kết

cấu sàn LHT-BT sử dụng cốt thép chịu lực.

Kết quả nghiên cứu cho thấy cùng với vật liệu bê tông nền thì lực kéo tuột của cốt

thanh thủy tinh lớn hơn thanh thép từ 20-25%, do đó cốt thanh thủy tinh bám dính vào

bê tông nền tốt hơn so với thanh cốt thép. Thanh thủy tinh GFRP có thể thay thế cho cốt

thép để làm cốt cấu tạo và cốt chịu lực cho bê tông nền. Khi tính toán nên lấy cường độ

chịu lực của thanh thủy tinh GFRP trong giai đoạn đàn hồi. Với cùng một cấu kiện thì

khả năng chịu lực của cốt thanh thủy tinh GFRP thấp hơn khả năng chịu lực của cốt

thép khoảng 25 – 30%.

Trường Đại Học Mở TP.HCM GVHD: TS. Lê Anh Tuấn

Học viên: Lê Anh Sơn Trang iv

Mục lục

Trang

Lời cam đoan .......................................................................................................................... i

Lời cảm ơn ............................................................................................................................. ii

Tóm tắt .................................................................................................................................. iii

Mục lục ................................................................................................................................. iv

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................................... vi

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. xi

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP VÀ

BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT THANH THỦY TINH ........................................................ xii

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .................................................................................. 1

1.1 Giới thiệu kết cấu liên hợp thép – bê tông và thanh thủy tinh polymer GFRP ............ 1

1.1.1 Kết cấu liên hợp thép – bê tông ............................................................................ 1

1.1.2 Thanh thủy tinh polymer ....................................................................................... 4

1.2 Tình hình nghiên cứu thanh GFRP và kết cấu liên hợp thép bê tông ở trong và

ngoài nước .......................................................................................................................... 6

1.2.1 Thế giới ................................................................................................................. 6

1.2.2 Trong nước .......................................................................................................... 12

1.3 Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 13

1.4 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 14

CHƢƠNG II: CƠ SỞ KHOA HỌC .................................................................................. 15

2.1 Cơ sở khoa học của hệ dầm sàn liên hợp cốt thép – bê tông ..................................... 15

2.1.1 Phương pháp và tiêu chuẩn tính toán .................................................................. 15

2.1.2 Cơ sở tính toán hệ dầm sàn liên hợp bê tông – cốt thép ..................................... 15

2.1.3 S làm việc của sàn liên hợp bê tông – thép ...................................................... 22

2.2 Cơ sở khoa học của s làm việc của cốt thanh thủy tinh – bê tông ........................... 25

Trường Đại Học Mở TP.HCM GVHD: TS. Lê Anh Tuấn

Học viên: Lê Anh Sơn Trang v

CHƢƠNG III: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ................... 28

3.1 Vật liệu ....................................................................................................................... 28

3.1.1 Bê tông ................................................................................................................ 28

3.1.2 Thanh thủy tinh GFRP ........................................................................................ 29

3.1.3 Tấm tôn Type “K” Panel (Zamil Steel) .............................................................. 31

3.2 Phương pháp th c nghiệm ......................................................................................... 32

3.2.1 Thiết kế sàn liên hợp chịu th c nghiệm .............................................................. 32

3.2.2 Thi công sàn ........................................................................................................ 43

3.2.3 Mẫu thí nghiệm kéo tuột cốt thép và cốt thủy tinh ............................................. 50

3.2.4 Quy trình thí nghiệm kéo tuột thanh thép và thanh thủy tinh GFRP .................. 52

3.2.5 Quy trình uốn sàn LHT-BT ................................................................................ 54

CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 58

4.1 Ảnh hưởng của khả năng bám dính đến s làm việc chung giữa cốt thanh và

bê tông nền ....................................................................................................................... 58

4.1.1 Mô hình bám dính của cốt thép và bê tông nền .................................................. 59

4.1.2 Mô hình bám dính của Thanh thủy tinh và bê tông nền ..................................... 62

4.1.3 So sánh khả năng bám dính của cốt thép và cốt thanh thủy tinh trong

bê tông nền ................................................................................................................... 66

4.2 Kiểm chứng mô hình kết cấu chịu uốn ...................................................................... 70

4.2.1 Vật liệu nền là bê tông và cốt thép ..................................................................... 71

4.2.2 Vật liệu nền là bê tông và cốt thanh thủy tinh .................................................... 77

4.2.3 So sánh các mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị ........................................ 84

CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................. 87

5.1 Kết luận ...................................................................................................................... 87

5.2 Hướng phát triển của đề tài ........................................................................................ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 89

Trường Đại Học Mở TP.HCM GVHD: TS. Lê Anh Tuấn

Học viên: Lê Anh Sơn Trang vi

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Tháp thiên niên kỷ - Áo .......................................................................... 2

Hình 1.2: Quá trình xây d ng tháp thiên niên kỷ .................................................... 2

Hình 1.3: Hệ dầm sàn trong quá trình thi công ....................................................... 2

Hình 1.4: Thi công chốt hàn .................................................................................... 3

Hình 1.5: Trung tâm thương mại tài chính Bitexco tại Hồ Tùng Mậu – Hải Triều

Quận 1 – TP.Hồ Chí Minh ..................................................................... 3

Hình 1.6: Một vài hình ảnh về thanh thủy tinh gia cường Polymer GFRP ............. 5

Hình 1.7: Sơ đồ thí nghiệm của M.Sanfan .............................................................. 9

Hình 1.8: Mặt cắt tiết diện ....................................................................................... 9

Hình 1.9: Toàn cảnh thí nghiệm của M.Sanfan ...................................................... 9

Hình 1.10: Toàn cảnh thí nghiệm của Shimming Chen ........................................ 10

Hình 1.11: Quan hệ mômen và độ võng trong thí nghiệm Shimming Chen.......... 11

Hình 1.12: Toàn cảnh thí nghiệm của Wojciech Lorenc ....................................... 12

Hình 2.1: Tải trọng trên tấm tôn một nhịp và nhiều nhịp ..................................... 16

Hình 2.2: Phân bố ứng suất chịu mômen dương khi trục trung hòa nằm phía

trên sóng tôn ......................................................................................... 17

Hình 2.3: Phân bố ứng suất chịu mômen dương khi trục trung hòa nằm trong

sóng tôn ................................................................................................ 18

Hình 2.4: Mối quan hệ thí nghiệm giữa Mpr và Mpa .............................................. 19

Hình 2.5: Phân bố ứng suất tiết diện chịu mômen âm .......................................... 20

Hình 2.6: Tính toán l c cắt đứng .......................................................................... 20

Hình 2.7: Chu vi phá hoại chọc thủng (punching shear) ...................................... 21

Hình 2.8: Các biện pháp hạn chế s trượt giữa tôn và bê tông ............................. 23

Hình 2.9: S làm việc của sàn liên hợp ................................................................. 24

Hình 2.10: S làm việc giòn và làm việc d o ....................................................... 25

Hình 2.11: Quá trình chịu tác dụng l c của bê tông ............................................. 26

Hình 2.12: Cơ chế chịu tác động l c của các thanh trong bê tông nền ................. 26

Hình 2.13: Cơ chế chịu tác động l c của kết cấu chịu uốn bê tông cốt

thanh polymer .................................................................................... 27

Trường Đại Học Mở TP.HCM GVHD: TS. Lê Anh Tuấn

Học viên: Lê Anh Sơn Trang vii

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán sàn LHT-BT ................................................................. 32

Hình 3.2: Mômen sàn LHT-BT ............................................................................. 32

Hình 3.3: Mặt cắt sàn ............................................................................................ 32

Hình 3.4: Lắp tấm tôn “K” panel cho sàn liên hợp cốt thép ................................. 44

Hình 3.5: Tạo lưới cốt thủy tinh cho sàn ............................................................... 44

Hình 3.6: Lưới sợi thủy tinh sau khi hoàn thành ................................................... 45

Hình 3.7: Các chốt hàn của sàn liên hợp cốt thép ................................................. 45

Hình 3.8: Lắp lưới sợi thủy tinh vào sàn ............................................................... 46

Hình 3.9: Lắp cốt thủy tinh vào sàn để chuẩn bị đổ bê tông ................................. 46

Hình 3.10: Thi công các chốt hàn ......................................................................... 47

Hình 3.11: Hoàn thành công tắc lắp lưới sợi thủy tinh ......................................... 48

Hình 3.12: Kiểm tra độ sụt cho bê tông sàn .......................................................... 48

Hình 3.13: Bắt đầu đổ bê tông cho sàn ................................................................. 49

Hình 3.14: Đổ bê tông cho sàn .............................................................................. 49

Hình 3.15: Thí nghiệm kéo tuột giữa thanh thủy tinh (thép) và bê tông nền ........ 50

Hình 3.16: Mẫu để thí nghiệm kéo tuột cho cốt thủy tinh .................................... 51

Hình 3.17: Các mẫu thí nghiệm kéo tuột cho bê tông ........................................... 51

Hình 3.18: Lắp mẫu cần kéo vào bộ gá để cố định mẫu ....................................... 52

Hình 3.19: Đặt mẫu vừa cố định lên máy kéo ....................................................... 52

Hình 3.20: Gia tải theo tốc độ cho phép đến khi mẫu phá hoại ............................ 53

Hình 3.21: Tháo mẫu sau khi đã phá hoại ra khỏi bộ gá ....................................... 53

Hình 3.22: Sơ đồ tính toán sàn LHT-BT ............................................................... 54

Hình 3.23: Vị trí gắn Strain gauges mặt trên sàn LHT-BT ................................... 54

Hình 3.24: Vị trí lắp các thiết bị thu nhận tính hiệu đo chuyển vị (mặt dưới sàn) 54

Hình 3.25: Lắp các thiết bị chuyển đổi l c tập trung thành l c phân bố đều ....... 55

Hình 3.26: Lắp các Strain Gauges tại vị trí 1, 2 và 3 ............................................ 56

Hình 3.27: Lắp các thiết bị thu nhận tính hiệu đo chuyển vị tại vị trí 4, 5, 6, 7

8, và 9 ................................................................................................ 56

Hình 3.28: Khởi động máy và cài đặt các thông số .............................................. 57

Hình 3.29: Diễn biến quá trình uốn sàn LHT-BT ................................................. 57

Trường Đại Học Mở TP.HCM GVHD: TS. Lê Anh Tuấn

Học viên: Lê Anh Sơn Trang viii

Hình 4.1: Th c nghiệm kéo tuột thép trơn ............................................................ 58

Hình 4.2: Mẫu kéo tuột thép gân ........................................................................... 59

Hình 4.3: So sánh kết quả thí nghiệm kéo tuột ở 4 cấp phối BTCT ..................... 60

Hình 4.4: So sánh tải trọng kéo tuột cốt thép với cấp phối bê tông nền khác

nhau ...................................................................................................... 61

Hình 4.5: Hình phân chia các giai đoạn trong thí nghiệm .................................... 62

Hình 4.6: So sánh kết quả thí nghiệm kéo tuột cốt thủy tinh với cấp phối bê

tông nền khác nhau .............................................................................. 64

Hình 4.7: So sánh tải trọng kéo tuột ở 4 cấp phối mẫu BTCT .............................. 64

Hình 4.8: Phân chia các giai đoạn trong kéo tuột thanh thủy tinh ........................ 65

Hình 4.9 Mẫu kéo tuột thanh thủy tinh với bê tông Mac cao ............................... 66

Hình 4.10: Hình so sánh tải trọng kéo tuột ở cấp phối mẫu BTCT và BTCTT .... 67

Hình 4.11: So sánh kết quả thí nghiệm kéo tuột của bê tông nền C25/30 ............ 67

Hình 4.12: Mô hình về ứng suất biến dạng của thép ............................................ 68

Hình 4.13: Mô hình về ứng suất biến dạng của bê tông ....................................... 68

Hình 4.14: Mô hình ứng xử bám dính của bê tông và thép .................................. 69

Hình 4.15: Sơ đồ tính toán sàn LHT-BT ............................................................... 70

Hình 4.16: Vị trí gắn Strain gauges mặt trên sàn LHT-BT ................................... 70

Hình 4.17: Vị trí lắp các thiết bị thu nhận tính hiệu đo chuyển vị

(mặt dưới sàn) ...................................................................................... 70

Hình 4.18: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C20/25 vị trí 6+7

(giữa nhịp) ............................................................................................ 73

Hình 4.19: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C20/25 vị trí 4+5+8+9 ......... 73

Hình 4.20: Sàn liên hợp sau th c nghiệm ............................................................. 74

Hình 4.21: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C25/30 tại vị trí 6+7

(giữa nhịp) ............................................................................................ 76

Hình 4.22: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCT C25/30 tại vị trí 4+5+8+9 .... 77

Hình 4.23: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCTT C20/25 tại vị trí 6+7

(giữa nhịp) ............................................................................................ 80

Hình 4.24: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCTT C20/25 tại vị trí 4+5+8+9 .. 80

Hình 4.25: Quan hệ ứng suất chuyển vị sàn BTCTT C25/30 tại vị trí 6+7

(giữa nhịp) ............................................................................................ 83