Nghiên cứu ứng dụng lưới thép không gian ba chiều (3d) trong kết cấu bê tông cốt thép công trình thuỷ lợi

* Mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu của đề tài: - Mục tiêu: Nghiên cứu ứng dụng được công nghệ lưới thép không gian ba chiều 3D làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông cốt thé

viện khoa học thủy lợi việt nam

báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ

nghiên cứu ứng dụng lưới thép

không gian 3 chiều (3d) trong kết cấu

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

GIỚI THIỆU CHUNG 6

CHƯƠNG I 9

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 9

1.1 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 9

1.1.1.Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9

1.1.2.Tình hình nghiên cứu trong nước 11

1.2 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN LOẠI CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI THEO MỨC ĐỘ HUY ĐỘNG SỨC CHỊU LỰC CỦA VẬT LIỆU 12

1.2.1 Phân tích, xử lý số liệu thu thập được 12

1.2.2 Phân loại các cấu kiện bê tông cốt thép theo mức độ huy động sức chịu lực của vật liệu 14

1.3 CẤU TẠO BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D 17

1.3.1 Vữa bê tông 18

1.3.2 Sợi thép 18

1.3.3 Lớp mốp (mushy polysteren) 19

1.4 CÁC ƯU ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D VÀ SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 19

1.4.1 Các ưu điểm chính của bê tông cốt thép 3D 19

1.4.2 Về sử dụng Panel 3D trong xây dựng dân dụng 20

1.4.2 Khả năng ứng dụng trong xây dựng công trình thuỷ lợi 21

CHƯƠNG 2 24

CƠ SỞ LÝ LUẬN CÔNG NGHỆ LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D) LÀM CỐT CHỊU LỰC TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 24

2.1 TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT THÉP VÀ BÊ TÔNG 24

2.1.1 Đặt vấn đề 24

2.1.2 Sự tương tác giữa bê tông và cốt thép 24

2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ MÔ HÌNH HÓA 28

2.2.1 Đặt vấn đề 28

2.2.3 Xây dựng chương trình phát sinh mô hình phần tử hữu hạn tính kết cấu tấm 3D 58

2.3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D 68

2.3.1 Về lý thuyết tính toán bê tông cốt thép 68

2.3.2 Thiết kế bê tông cốt thép 3D 69

2.3.3 Xây dựng chương trình tính toán thiết kế kết cấu tấm BTCT 3D 76

2.3.4 Xây dựng chương trình tự động tính toán tối ưu vật liệu tấm BTCT 3D 78

CHƯƠNG 3 83

THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH SỐ CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D 83

3.1 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT THÉP 3D VÀ BÊ TÔNG 83

3.1.1 Mô hình tấm 3D thí nghiệm 83

3.1.2 Quá trình chất tải 86

3.1.3 Bố trí các điểm đo 86

3.1.4 Kết quả thí nghiệm 87

3.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỐ 88

3.2.1 Mô hình phần tử hữu hạn 88

3.2.2 Mô hình tải trọng và các giai đoạn chất tải .90

3.2.3 Các kết quả tính toán 92

CHƯƠNG 4 99

TÍNH TOÁN TỐI ƯU VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ KẾT CẤU CỬA VAN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ SỬ DỤNG LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN BA CHIỀU (3D) 99

4.1 TÍNH TOÁN TỐI ƯU CHO KẾT CẤU CỬA VAN 99

4.1.1 Đặt vấn đề 99

4.1.2 So sánh giữa cửa van sử dụng kết cấu BTCT truyền thống (tấm đặc) và cửa van sử dụng tấm 3D .100

4.1.3 Kết cấu cửa van sử dụng tấm 3D .104

4.2 XÂY DƯNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ 106

4.2.1 Đặt vấn đề 106

4.2.2 Các bước chung của quy trình thiết kế tấm 3D 107

4.2.3 Các bước chi tiết của quy trình .108

4.3 XÂY DƯNG CÁC ĐỒ THỊ, BẢNG TRA PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT KẾ 124

4.3.1 Đặt vấn đề 124

4.3.2 Đồ thị và bảng tra chiều dày tấm .124

4.3.3 Đồ thị và bảng tra lượng cốt thép theo hai phương 125

CHƯƠNG 5 126

LỰA CHỌN VỮA BÊ TÔNG VÀ QUY TRÌNH THI CÔNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT

THÉP 3D 126

5.1 LỰA CHỌN VỮA BÊ TÔNG DÙNG TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D (BÊ TÔNG TỰ ĐẦM) 126

5.1.1 Đặt vấn đề 126

5.1.2 Giới thiệu chung về bê tông tự đầm (Self Compacting Concrete – SCC) 127

5.1.3 Ứng dụng bê tông tự đầm trong thực tế 130

5.1.4 Ứng dụng bê tông tự đầm trong kết cấu bê tông cốt thép 3D 130

5.2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THI CÔNG CÔNG TRÌNH BẰNG LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN 3D 131

5.2.1 Đặt vấn đề 131

5.2.2 Vật liệu và thiết bị thi công công trình 131

5.2.3 Bố trí mặt bằng thi công 131

CHƯƠNG 6 142

CÔNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 142

6.1 ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU CỬA VAN 142

6.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỬA VAN CÓ SỬ DỤNG KẾT CẤU LƯỚI THÉP KHÔNG GIAN 3D 142

6.2.1 Giới thiệu chung về công trình 142

6.4.2 Cấu tạo chi tiết kết cấu cửa van 143

6.4.3 Áp dụng tính toán 145

6.4.4 So sánh hai phương án: Kết cấu truyền thống (PA.1) và kết cấu có sử dụng BTCT 3D (PA.2) 147

CHƯƠNG 7 149

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 149

TÀI LIỆU THAM KHẢO 152

Phụ lục 1 Bảng điều tra một số công trình thuỷ lợi sử dụng các cấu kiện BTCT

truyền thống dạng bản và dầm

Phụ lục 2 Các đồ thị, bảng tra phục vụ cho công tác thiết kế

Phụ lục 3 Một số hình ảnh hoạt động nghiên cứu của đề tài

Phụ lục 4 Một số biên bản đánh giá, nghiệm thu và bàn giao công trình thử nghiệm

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 So sánh giữa kết cấu bê tông xi măng lưới thép và kết cấu 3D 21

Bảng 3 1 Kết quả đo biến dạng thực hiện trên mô hình thí nghiệm 87

Bảng 3 2: Kết quả tính ứng suất tại các điểm đo (phần tử) do tải trọng các cấp tải gây ra (không kể trọng lượng bản thân) Đơn vị ứng suất : daN/cm2 88

Bảng 3 3 Bảng kết quả ứng suất trong các giai đoạn chịu lực (không có trọng lượng bản thân) Đơn vị ứng suất: daN/cm2 97

Bảng 3 4: Sai số giữa kết quả của ứng suất đo được từ thí nghiệm và tính toán theo mô hình số 97

Bảng 4 1 Các kết quả nội lực đơn vị thống kê qua bảng dưới đây 104

Bảng 4 2 Các kết quả tính toán và bố trí cốt thép trong tấm .104

Bảng 5 1 So sánh giá thành giữa bê tông thường và bê tông tự đầm 129

Bảng 5 2 So sánh thành phần cấp phối giữa bê tông thường và BT tự đầm.129 Bảng 5 3 Một số công trình sử dụng bê tông tự đầm trên thế giới 130

Bảng 6 1 Tổng hợp trị số chuyển vị nhỏ nhất và lớn nhất tính toán .145

Bảng 6 2 Tổng hợp trị số nội lực nhỏ nhất và lớn nhất ứng với trường hợp tính toán .146

Bảng 6 3 So sánh giá thành giữa hai phương án 147

DANH MỤC HèNH VẼ

Hỡnh 1.1 Trường hợp phỏ hoại cõn bằng của dầm bờ tụng cốt thộp 15

Hỡnh 1.2 Sơ đồ cấu tạo panel 3D 18

Hỡnh 2 1 Mụ hỡnh kộo tuột cốt thộp tại bề mặt liờn kết giữa cốt thộp và bờ tụng 25

Hỡnh 2 2 Thớ nghiệm xỏc định lực dớnh 26

Hỡnh 2 3 1

Hỡnh 2 4 Lực nỳt và chuyển vị nỳt trong bài toỏn tấm uốn 1

Hỡnh 2 5 1

Hỡnh 2 6 1

Hỡnh 2 7 1

Hỡnh 2.8 Xoay của phỏp tuyến quanh trục x và y khi xột tới biến dạng trượt 1

Hỡnh 2 9 1

Hỡnh 2 10 1

Hỡnh 2 11 1

Hỡnh 2 12 1

Hỡnh 2.13:Phần tử thanh 2 điểm nỳt 1

Hỡnh 2 14 Khả năng chịu lực của mặt cắt bờ tụng và thanh cốt thộp .1

Hỡnh 2 15 Sơ đồ nội lực trong phần tử vỏ dạng chữ nhật 72

Hỡnh 2 16 Sơ đồ nội lực trờn mặt cắt tớnh toỏn 72

Hỡnh 2 17 Sơ đồ tớnh toỏn và biểu đồ lực cắt của dầm 74

Hỡnh 2 18 Biểu đồ nội lực của mặt cắt tớnh toỏn 74

Hỡnh 2 19 Sơ đồ bố trớ thộp xiờn trong dầm 76

Hỡnh 3 1: Bố trớ cốt thộp mụ hỡnh thớ nghiệm 85

Hỡnh 3 2 Sơ đồ chất tải của mụ hỡnh thớ nghiệm 86

Hỡnh 3 4 Sơ đồ bố trí các điểm đo biến dạng và chuyển vị mặt dưới của bản 1

Hỡnh 3 4 Sơ đồ bố trí các điểm đo biến dạng và chuyển vị mặt trên của bản 1

Hỡnh 3 5 Mụ hỡnh 3D dầm thớ nghiệm 89

Hỡnh 3 6 Mụ hỡnh tải trọng tỏc dụng lờn dầm thớ nghiệm 91

Hỡnh 3 7 Sơ đồ tải trọng tỏc dụng lờnh kết cấu cửa van 100

Hỡnh 6 1 Cấu tạo cửa van BTCT theo phương ỏn truyền thống 143

Hỡnh 6 2 Cấu tạo cửa van cú sử dụng lưới thộp 3D 144

GIỚI THIỆU CHUNG

Kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, cơ sở hạ tầng và công trình thuỷ lợi Kết cấu bê tông cốt thép có nhiều ưu điểm so với các dạng kết cấu làm bằng các loại vật liệu khác như thép, gỗ, đá, Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng các loại vật liệu sẵn

có như thép thanh, thép sợi, xi măng, cốt liệu sỏi, đá, cát, , có giá thành hợp lý, có khả năng chịu lực tốt, độ bền cao, lâu dài, dễ dàng tạo kiến trúc và ít phải bảo dưỡng như các loại vật liệu khác

Kết cấu bê tông cốt thép với các loại vật liệu mới tạo ra có phạm vi áp dụng ngày càng rộng lớn trong mọi lĩnh vực xây dựng cầu, cống, nhà cửa, đường hầm, bể chứa nước, đập chắn nước, nhà máy thuỷ điện, cầu cảng,

Như vậy, bê tông cốt thép đã và đang đóng vai trò rất quan trọng trong xây dựng và phát triển các hình loại cơ sở hạ tầng và kiến trúc trên trái đất của chúng ta Trong xây dựng công trình thủy lợi trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, các công trình và hạng mục công trình bằng bê tông cốt thép chiếm một tỷ trọng lớn, nhiều loại công trình và hạng mục công trình không có vật liệu nào ưu việt hơn bê tông cốt thép

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nói chung và khoa học xây dựng nói riêng ngày càng tạo thêm nhiều thách thức mới cho các chuyên gia xây dựng, đặc biệt trong giai đoạn phát triển các ứng dụng của công nghệ tin học và các loại vật liệu mới Nhiều công trình xây dựng được thiết kế theo các dạng kiến trúc mới, đáp ứng yêu cầu sử dụng đa dạng của xã hội, sử dụng các tiến bộ của khoa học vật liệu, thi công nhanh, giảm giá thành

Nhờ có sự phát triển mạnh về vật liệu thép, xi măng và các loại phụ gia, vật liệu bê tông và bê tông cốt thép cũng không ngừng phát triển Các hướng cải thiện vật liệu bê tông và bê tông cốt thép cơ bản tập trung vào:

+ Nâng cao khả năng chịu lực thông qua việc thay đổi một số tính chất của vật liệu như cho thêm vào bê tông một số cốt liệu muội silic, các cốt sợi, , hoặc bố trí cốt thép dạng không gian;

+ Nâng cao cường độ chịu thấm, khả năng chống nứt;

+ Giảm thời gian ninh kết;

+ Giảm nguy cơ sinh nứt từ phản ứng toả nhiệt;

+ Cải thiện vữa bê tông phù hợp cho công nghệ phun vữa và bê tông tự đầm

Một số công nghệ bê tông cốt thép điển hình có hiệu qủa kinh tế kỹ thuật cao gần đây là:

+ Công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực Công nghệ này cho phép kéo dài các dầm chịu lực, các cọc và cột, do vậy cho phép mở rộng khẩu độ công trình như khẩu độ cầu, khẩu độ nhà,

+ Công nghệ bê tông lưới thép vỏ mỏng Công nghệ này ra đời cho phép tối

ưu hoá kết cấu bản mỏng, vỏ mỏng

+ Công nghệ bê tông cốt sợi thép Công nghệ này cho phép nâng cao khả năng chống nứt của bê tông trong quá trình thi công và khai thác sử dụng

+ Công nghệ bê tông cốt thép 3D (3D Panel) Ưu điểm cơ bản của công nghệ

là giảm được khối lượng thép và vật liệu chịu lực do huy động ở mức độ cao khả năng làm việc của các vật liệu chịu lực

Công nghệ lưới thép không gian ba chiều (gọi tắt là lưới thép 3D) ra đời từ ý tưởng là thay cho việc bố trí thép tập trung cần bố trí thép phân bố, một cách lý tưởng là theo trường ứng suất Và bố trí thép phân bố sao cho các phần vật liệu cấu thành đều được huy động đến tối đa khả năng chịu lực Cách bố trí phân bố cốt thép chính là bố trí không gian - giàn không gian được hình thành bên trong các cấu kiện

bê tông cốt thép

Từ những ưu điểm nêu trên đối chiếu vào thực tế xây dựng công trình thủy lợi

có thể nhận thấy: Đối với các cấu kiện bê tông đặt trên nền đất yếu, việc giảm thiểu trọng lượng của cấu kiện có một ý nghĩa quan trọng Việc ứng dụng lưới thép không gian 3D cho phép giảm khối lượng vật liệu chịu lực là điều kiện cho phép giảm được trọng lượng cấu kiện Điều này có ý nghĩa lớn ở chỗ thị trường áp dụng công nghệ rất lớn, đó là vùng đồng bằng sông Cửu Long rộng lớn và những vùng đồng bằng ven biển

Việc ứng dụng công nghệ cho phép mở rộng khẩu độ kết cấu có ý nghĩa với công trình thủy lợi ở mọi vùng địa lý khác nhau trên thế giới nói chung, ở nước ta nói riêng

* Mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu của đề tài:

- Mục tiêu:

Nghiên cứu ứng dụng được công nghệ lưới thép không gian ba chiều (3D) làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi nhằm huy động tối đa sức chịu tải của thép và bê tông, giảm khối lượng vật liệu và giá thành công

trình

- Nội dung nghiên cứu:

1) Đánh giá và phân loại các cấu kiện bê tông cốt thép trong công trình thủy lợi theo mức độ huy động sức chịu lực của vật liệu

2) Nghiên cứu lý thuyết về lưới thép không gian 3D

3) Nghiên cứu mô hình vật lý để xác định ứng suất và biến dạng trong kết cấu BTCT có sử dụng lưới thép không gian 3D để hiệu chỉnh một số thông số trong

mô hình số

4) Nghiên cứu mô hình số để tính toán kết cấu

5) Nghiên cứu lựa chọn vữa bê tông dùng trong kết cấu lưới thép 3D (bê tông phun và bê tông tự đầm)

6) Nghiên cứu biện pháp thi công

7) Thiết kế công trình thử nghiệm

8) Thi công công trình thử nghiệm

9) Dự thảo hướng dẫn quy trình thiết kế, thi công cấu kiện bản và dầm cốt thép 3D dùng trong công trình thủy lợi

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Điều tra đánh giá hiện trạng: Thu thập tài liệu, phân tích đánh giá và phân loại theo mức huy động sức chịu lực của vật liệu;

+ Nghiên cứu trong phòng: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để đề xuất ra sơ đồ cấu tạo, bố trí lưới thép và xác định quy luật phân bố ứng suất - biến dạng trong các trường hợp chịu lực khác nhau

+ Nghiên cứu mô hình vật lý

+ Sử dụng các mô hình số: Xây dựng một hệ thống chương trình phục vụ tính toán tối ưu vật liệu, thiết lập các quan hệ và phục vụ tính toán thiết kế;

+ Thiết kế, tính toán tối ưu cho công trình thử nghiệm (kết cấu cửa van);

+ Thi công thử nghiệm 01 cửa van trên cống dưới đê ở huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định;

+ Hội thảo trao đổi lấy ý kiến các nhà chuyên môn;

+ Theo dõi công trình thử nghiệm, tiếp thu ý kiến các nhà chuyên môn, xây dựng quy trình công nghệ thiết kế, quy trình công nghệ thi công cấu kiện bản và dầm bê tông cốt thép 3D dùng trong công trình thủy lợi

Chương I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT

THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

Việc dùng lưới thép bố trí không gian để tăng cường khả năng chịu lực cho cấu kiện bê tông là một ý tưởng được đề ra từ rất lâu Bê tông cốt thép 3D đã được bắt đầu nghiên cứu từ đầu những năm 1960 Ngày nay, các dạng kết cấu như: dầm, bản, vỏ bằng vật liệu bê tông cốt thép 3D (3D Panel) đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như bước đầu được quan tâm ở nước ta

1.1 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

1.1.1.Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Công nghệ lưới thép 3D được nghiên cứu và áp dụng đầu tiên cho xây dựng nhà dân dụng và cho đến nay vẫn áp dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực xây dựng đó Khởi đầu của công nghệ là ý tưởng vật liệu lớp kẹp "Panel 3D lưới thép" do các nhà khoa học Mỹ đề xuất những năm 1960 Panel 3D lưới thép gồm 3 lớp, 2 lớp biên bằng vữa xi măng lưới thép cường độ cao đường kính 2 đến 4 mm và lớp thứ 3

ở giữa là vật liệu mốp được xuyên qua bởi các thanh thép xiên, tạo nên một cấu trúc cứng 3 chiều (3D) có khả năng chịu lực tốt

Vào những năm 1980, theo đề nghị của TS Mars, chuyên gia công nghệ vật liệu Australia, Viện Nghiên cứu Công nghệ thuộc Trường Đại học Kỹ thuật GRAZ

đã tiến hành nghiên cứu và đưa vào sản xuất các tấm panel dùng làm tường, sàn, , với các tấm cách Polystyrene nhẹ và rẻ tiền hơn

Trong thập niên 1980-1990, ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức,

Áo, , Panel 3D được nghiên cứu thực nghiệm nhiều nhằm tìm hiểu tính chịu lực,

độ võng, sự phá hoại ở các trạng thái giới hạn Tuy nhiên loại cấu kiện này cũng chỉ mới được quan niệm theo sơ đồ dạng thanh như dầm chịu uốn, cột chịu nén uốn

Hiện nay, loại vật liệu 3D có chất lượng đạt tiêu chuẩn vật liệu xây dựng quốc gia của các nước Mỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc có tên gọi

là Panel 3D Cộng Hoà Áo là nước đi đầu trên thế giới trong việc sáng chế ra công

nghệ sản xuất vật liệu Panel 3D và được 38 nước trên thế giới tiến hành nghiên cứu

và ứng dụng Sản phẩm 3D của Cộng Hoà Áo có tên gọi đầy đủ là EVG -3D Panel (EVG là tên của một tập đoàn kinh tế lớn của Áo, đã có công nghiên cứu chế tạo ra công nghệ sản xuất tấm 3D Panel) được đăng ký bản quyền tại nhiều nước trên thế giới trong đó có cả Nhật Bản, Mỹ và tại Việt Nam

Tại Mỹ, Mexico, Brazil, các nước Nam Mỹ, quần đảo Caribe, một số nước ở châu Á, Trung Đông đã đưa vào sử dụng đại trà trong xây dựng bằng vật liệu 3D của Cộng Hoà Áo từ cách đây hơn 20 năm Những nước này chịu ảnh hưởng khí hậu khắc nghiệt của thiên tai, gió bão, lũ lụt, động đất, sóng thần, , vì thế sử dụng xây dựng công nghệ này đã đạt được tính chuẩn trội so với dùng vật liệu xây dựng thường

Kết cấu bê tông cốt thép không gian 3D có đặc điểm như sau:

+ Cốt liệu rời vẫn là xi măng, cát và đá dăm như bê tông thông thường;

+ Cốt thép là khung lưới thép không gian 3D cấu thành bởi các thép thanh

mạ kẽm, đường kính 3 đến 4 mm, cường độ cao (R= 4000 đến 5000 kg/cm2) liên kết với nhau bằng liên kết hàn;

+ Mác bê tông từ M150 trở lên Độ dày tấm 3D Panel từ 70mm đến 140mm, trong đó lớp giữa bằng vật liệu Polystyrene dày 30mm đến 100mm

Quá trình sản xuất và lắp dựng tấm panel 3D như sau: Lớp mốp và lưới thép không gian được gắn với nhau và sản xuất tại nhà máy, sau đó được đưa đến công trình, tiến hành lắp dựng và trát vữa bê tông, có thể trát bằng thủ công hoặc bằng máy phun để tạo 2 lớp còn lại Đặc điểm của công trình xây bằng công nghệ này là đơn giản hoá trong thi công; do được công xưởng hoá trong kết cấu xây dựng nên thời gian xây dựng công trình nhanh hơn so với phương pháp xây dựng truyền thống

Ưu điểm cơ bản của công nghệ là giảm được khối lượng thép và vật liệu chịu lực do huy động được ở mức độ cao khả năng làm việc của các vật liệu chịu lực Theo tài liệu nghiên cứu và tính toán, qua thử nghiệm của một số nước trên thế giới cho biết, tải trọng nhẹ hơn 40% so với công trình sử dụng vật liệu bê tông cốt thép truyền thống

Từ ưu điểm cơ bản này, công nghệ được áp dụng để giảm mặt cắt hoặc giảm khối lượng thép và vật liệu chịu lực trong trường hợp không giảm mặt cắt Công nghệ cũng được sử dụng với mục đích tăng khẩu độ kết cấu (diện tích bản hay chiều dài thanh, dầm)

1.1.2.Tình hình nghiên cứu trong nước

Thông tin về công nghệ Panel 3D của Mỹ và Áo bắt đầu xâm nhập vào nước

ta cuối năm 1992 đầu năm 1993 Tuy nhiên do giá thành của dây chuyền công nghệ cao và hiểu biết kỹ thuật của ta còn hạn chế nên các bước triển khai vào thực tế có hạn chế Phải đến đầu những năm 2000, công nghệ này mới được nhập, và Công ty

cổ phần 3D có trụ sở tại Thành phố Hồ Chí Minh là chủ sở hữu dây chuyền công nghệ Đến nay, công nghệ đã bắt đầu được ứng dụng vào khá nhiều công trình nhà dân dụng (các nhà biệt thự từ 3÷4 tầng) ở Thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Bạc Liêu, Cần Thơ, Đà Lạt,

Đặc biệt, việc nghiên cứu đánh giá và chọn lựa sản phẩm 3D được các chuyên gia xây dựng rất quan tâm Ngay từ năm 1997, nhóm các nhà khoa học thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ quốc gia cũng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo dây chuyền sản xuất tấm 3D, Công ty Vật liệu và Công nghệ Matech đã thi công lắp đặt dây chuyền sản xuất này Sản phẩm vật liệu khi sản xuất cũng đã được áp dụng xây dựng một số công trình tại Hà Nội như khách sạn Tràng Tiền, Bảo tàng Công an và nhà khách Bộ Công an Năm 2002, Công ty Cổ phần Thế Kỷ Mới- TPHCM đã đầu tư hơn 9,5 triệu USD để xây dựng nhà máy sản xuất tấm EVG 3D Panel công nghệ Áo với công suất 2 triệu m2/năm Nhà máy đặt tại khu công nghiệp Phú Bài, Thừa Thiên Huế để ưu tiên việc xây dựng nhà ở cho đồng bào miền Trung, nơi khí hậu khắc nghiệt nhất so với cả nước

Trong xây dựng công trình thủy lợi, cầu đường giao thông, công nghệ này chưa được đề cập

Như vậy, để khắc phục tính chưa tối ưu trong tính toán bố trí cốt thép cho cấu kiện bản, dầm bằng bê tông cốt thép, hiện nay, cần thiết nghiên cứu ứng dụng ý tưởng vật liệu Panel 3D hay ứng dụng lưới thép không gian 3D làm cốt cho các cấu

kiện bê tông cốt thép trong xây dựng công trình thủy lợi

Tuy nhiên, phải nhận thức được một điểm cơ bản là không thể áp dụng một cách máy móc cấu tạo vật liệu Panel 3D cho các cấu kiện bê tông cốt thép trong công trình thủy lợi, dù đó chỉ đơn thuần là bản hay dầm Tính chất tải trọng và chịu lực của các cấu kiện bê tông trong công trình thủy lợi nhiều chỗ, nhiều trường hợp khác xa cấu kiện panel bản sàn hay khung cột nhà dân dụng Do vậy, nhất thiết phải nghiên cứu ứng xử của các cấu kiện này khi sử dụng lưới thép 3D làm cốt thông qua

"quan trắc" và phân tích các quan hệ ứng suất - biến dạng và diễn biến của chúng theo thời gian dưới các loại tải trọng và tác dụng khác nhau Việc "quan trắc" và phân tích cần được tiến hành một cách bài bản bằng lý thuyết, khảo sát trên mô hình vật lý và mô hình số, và thử nghiệm ở công trình thực tế

1.2 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN LOẠI CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI THEO MỨC ĐỘ HUY ĐỘNG SỨC CHỊU LỰC CỦA VẬT LIỆU

Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đi sâu vào nghiên cứu cấu kiện bản và dầm trong các đối tượng sau:

+ Các tấm bê tông cốt thép lát mái đập, đê, kênh;

+ Kênh bê tông mặt cắt chữ nhật (hở và kín);

+ Cầu máng mặt cắt chữ nhật (hở và kín);

+ Tường cánh, tường ngực;

+ Bản mặt trần cống, sàn cầu công tác, cầu giao thông trên cống hoặc tràn;

+ Cửa van bê tông cốt thép sử dụng trên các cống

+ Dầm chịu lực phổ biến như dầm cầu công tác, dầm thả phai,

Tiến hành điều tra, thu thập tài liệu thiết kế một số công trình thuỷ lợi đã xây dựng có các hạng mục nêu trên; kết quả được nêu ở phụ lục 1

1.2.1 Phân tích, xử lý số liệu thu thập được

Trên cơ sở các số liệu thu thập được, tiến hành đánh giá đặc điểm (hình dạng, lực tác dụng, hình thức bố trí cốt thép) của các kết cấu bản và dầm được sử dụng trong công trình thuỷ lợi

1.2.1.1 Các kết cấu bản thuần tuý

Bản là kết cấu phẳng có chiều dầy khá bé so với chiều dài và chiều rộng Trong các kết cấu công trình thuỷ lợi, cụ thể là các kết cấu cầu máng, chiều dày bản (thành và đáy máng) biến động trong khoảng từ 8cm đến 15cm; nhịp máng biến đổi

từ 8m đến 10m Đối với những cầu máng có nhịp lớn từ 15m đến 20m, chiều dày đáy và thành máng biến đổi từ 40m đến 60cm (Cầu máng tại K18+206 trên kênh chính Văn Phong - Hồ chứa nước Định Bình, tỉnh Bình Định) Ở các kết cấu kênh, bản có chiều dày biến đổi từ 10cm đến 20cm; kích thước theo chiều cao biến đổi từ 0,6m đến 2,0m Vật liệu bê tông thường có mác 200 đôi khi đến 250 đối với cầu máng Ở các kết cấu cửa van bê tông cốt thép, bản có chiều dày biến đổi từ 12cm đến 20cm; kích thước theo chiều rộng biến đổi từ 1,0m đến 2,6m, theo chiều cao biến đổi từ 1,0m đến 3,8m

Lực tác dụng chủ yếu là áp lực ngang và đứng của nước, đất; ngoài ra còn có tải trọng bản thân, tải trọng gió, người đi lại,

Cốt thép trong bản gồm có cốt chịu lực và cốt phân bố bằng thép nhóm A-I, đôi khi là thép A-II Cốt chịu lực đặt trong vùng chịu kéo do mô men gây ra Đường kính cốt chịu lực từ 6mm đến 12mm Số lượng cốt chịu lực được xác định theo tính toán và được thể hiện qua đường kính và khoảng cách giữa hai cốt cạnh nhau Khoảng cách giữa trục hai cốt thép chịu lực, đặt trong vùng có mô men lớn, từ 15cm đến 20cm

Như vậy, các kết cấu bản thuần tuý được sử dụng chủ yếu ở các hạng mục: Cầu máng, kênh chữ nhật (thành cầu máng, thành kênh), sàn cầu công tác, bản mặt trần cống, tường ngực, cửa van trên cống

1.2.1.2 Các kết cấu dầm thuần tuý

Dầm là cấu kiện mà chiều cao và chiều rộng của tiết diện ngang khá nhỏ so với chiều dài của nó Tiết diện ngang của dầm có thể là chữ nhật, chữ T, chữ I, hình thang, hình hộp, Thường gặp nhất là tiết diện chữ nhật và chữ T (phổ biến ở dầm thả phai, dầm cầu công tác, dàn van ở các cống và tràn xả lũ) Nhịp dầm biến đổi từ 7m đến 9m, chiều cao dầm phụ thuộc vào đặc điểm làm việc của từng dầm

Cốt thép trong dầm gồm có cốt dọc chịu lực, cốt dọc cấu tạo, cốt đai và cốt xiên

Cốt dọc chịu lực đặt ở vùng kéo của dầm, đôi khi cũng có cốt dọc chịu lực đặt tại vùng nén Diện tích tiết diện ngang của chúng được xác định theo mô men uốn Đường kính cốt dọc chịu lực thường từ d=10-25mm Số thanh trong tiết diện phụ thuộc vào diện tích yêu cầu và chiều rộng tiết diện

Cốt dọc cấu tạo để:

+ Làm cốt gá để giữ vị trí của cốt đai trong lúc thi công (đối với những dầm

mà theo tính toán chỉ cần cốt dọc chịu kéo) và chịu các ứng suất do co ngót và nhiệt

độ, thường dùng cốt thép có đường kính từ d = (10÷12)mm

+ Làm cốt thép phụ đặt thêm vào mặt bên của tiết diện dầm khi chiều cao của tiết diện vượt 70cm Các cốt này chịu các ứng suất do co ngót và nhiệt độ và giữ cho khung cốt thép khỏi bị lệch đi khi đổ bê tông

Cốt xiên và cốt đai dùng để chịu nội lực cắt Q, cốt đai gắn vùng bê tông chịu nén với vùng bê tông chịu kéo để đảm bảo cho tiết diện chịu được mômen Khoảng cách diện tích cốt xiên và cốt đai được xác định theo tính toán

1) Cấu kiện chịu uốn

2) Cấu kiện chịu kéo, nén

3) Cấu kiện chịu cắt và xoắn

1.2.2.1 Cấu kiện chịu uốn

Các thành phần nội lực xuất hiện trong cấu kiện chịu uốn gồm có mô men uốn và lực cắt Cấu kiện chịu uốn là cấu kiện cơ bản rất hay gặp trong thực tế xây dựng công trình thuỷ lợi Đó là các dầm, bản của cầu máng, kênh dẫn nước, dầm

cầu công tác, giàn thả phai, Về mặt hình dáng có thể chia cấu kiện chịu uốn ra hai loại: bản và dầm Các bản làm việc theo một phương cũng được đưa về tính toán như dầm với bề rộng một đơn vị

Khi cấu kiện chịu uốn đạt đến giai đoạn phá hoại, quan hệ ứng suất và biến dạng là phi tuyến; khi ứng suất đạt đến trị số khoảng 0,5fc' (fc' là cường độ chịu nén của bê tông) thì phân bố ứng suất của bê tông vùng nén có dạng parabol [4]

Tuỳ theo đặc trưng hình học của mặt cắt, các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu và tải trọng tác dụng, dầm bê tông cốt thép chịu uốn có thể bị phá hoại trong các trường hợp sau [4]:

- Phá hoại dẻo: Cốt thép bị biến dạng chảy dẻo và bị kéo đứt trước khi bê tông bị ép vỡ, đạt đến trị số biến dạng ép vỡ εcu Dầm bê tông cốt thép như vậy được xem là có ít cốt thép (hàm lượng cốt thép nhỏ)

- Phá hoại dòn: Bê tông vùng nén bị ép vỡ trước khi cốt thép ở vùng chịu kéo đạt đến giới hạn chảy và bị kéo đứt Dầm bê tông như thế được xem là có quá nhiều thép (hàm lượng cốt thép lớn)

- Phá hoại cân bằng: Trường hợp kinh tế nhất trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép là khi phá hoại, bê tông vùng chịu nén bị ép vỡ đồng thời với cốt thép vùng

bị kéo đứt Đây là trường hợp phá hoại cân bằng và dầm bê tông cốt thép như thế gọi là có hàm lượng cốt thép vừa phải (hàm lượng cân bằng); đây còn gọi là trường hợp phá hoại mà ta đã tận dụng được hết khả năng chịu lực của cốt thép và bê tông

Sơ đồ ứng suất biến dạng của dầm bê tông cốt thép trong trường hợp phá hoại cân bằng như hình 1.1

A sb T =A f s sb y

C b

Hình 1.1 Trường hợp phá hoại cân bằng của dầm bê tông cốt thép

Trong đó: cb - là độ cao vùng bê tông chịu nén trong trường hợp cân bằng;

d - là khoảng cách từ mép biên vùng nén đến lớp thép chịu kéo ngoài cùng;

εcu - là biến dạng cực hạn của bê tông vùng nén (theo ACI 318-02, εcu lấy bằng 0,003);

εy - là biến dạng chảy dẻo của thép tương ứng với cường độ fy;

As - là diện tích cốt thép

1.2.2.2 Cấu kiện chịu nén, kéo (lực dọc)

Theo vị trí đặt lực, cột được phân loại thành cột chịu nén đúng tâm và cột chịu nén lệch tâm Cột chịu nén đúng tâm chỉ chịu một mình lực dọc tại tâm cột, không có mô men tác dụng Trong thực tế, các cột đều được thiết kế để có thể chịu các lực tác dụng chưa tính toán trước và độ lệch tâm ngẫu nhiên do ván khuôn bố trí không thẳng theo trục thiết kế của cột

Đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm, khi cấu kiện bị phá hoại, ứng suất trong

bê tông đạt đến cường độ chịu nén của bê tông và ứng suất trong cốt thép đạt đến cường độ chịu nén của cốt thép Nhờ có lực dính giữa bê tông và cốt thép mà có thể

sử dụng được hết khả năng chịu lực của bê tông và cốt thép

Khi lực dọc đặt lệnh tâm của cấu kiện, cột chịu tác dụng đồng thời của mô men uốn và lực dọc theo trục cấu kiện

Những kết cấu bê tông cốt thép chịu tác dụng đồng thời của mô men uốn và lực dọc rất phổ biến trong xây dựng Trong các hệ thống kết cấu khung, các cột đỡ dầm chịu lực là các cấu kiện chịu đồng thời tác dụng của mô men uốn và lực nén (như khung giàn van, giàn thả phai, dầm cầu trục trong các công trình trạm bơm, tháp cống lấy nước)

Các giả thiết về phân bố ứng suất và biến dạng của tiết diện dùng trong tính toán cho cấu kiện chịu uốn cũng được áp dụng cho cấu kiện chịu nén lệch tâm

Khi tải trọng tác dụng lên cột tăng, khe nứt xuất hiện dọc theo chiều cao cột theo phương các cốt thép đai Tại trạng thái giới hạn của tiết diện, lớp bảo vệ của cột bị ép vỡ, rời ra và cốt thép dọc trong cột lộ ra ngoài

Sự phá hỏng của cột do vật liệu có thể bắt đầu do cốt thép ở mép biên chịu kéo bị chảy dẻo hoặc bê tông miền nén bị ép vỡ hoặc cột bị mất ổn định theo phương ngang

Trường hợp cột bị phá hoại do vật liệu: cốt thép chảy dẻo hoặc bê tông bị ép

vỡ thì được phân loại là cột ngắn hoặc cột không thanh mảnh; khi cột bị phá hoại do mất ổn định theo phương ngang gọi là cột dài

1.2.2.3 Cấu kiện chịu xoắn, cắt

Trong kết cấu bê tông cốt thép hầu như không gặp hiện tượng xoắn thuần tuý

mà chỉ gặp xoắn cùng với uốn, ví dụ dầm có bản liên kết ở một phía, các xà ngang của khung biên đỡ các dầm theo phương vuông góc với liên kết cứng, mô men uốn trong các mút dầm này tạo lên mô men xoắn trong xà, khung

Khả năng chịu xoắn của cấu kiện BTCT kém so với khả năng chịu uốn, do

đó trong nhiều trường hợp giá trị mô men xoắn tuy không lớn nhưng cũng gây ảnh hưởng đáng kể, làm xuất hiện khe nứt

Với trường hợp xoắn thuần tuý, mô men xoắn gây nên ứng suất tiếp mà tổng hợp của chúng sẽ là các ứng suất kéo chính và ứng suất nén chính nghiêng 450 so với trục cấu kiện Các ứng suất kéo chính, khi vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông sẽ gây nên các vết nứt vuông góc với phương ứng suất kéo chính, có nghĩa là các vết nứt sẽ nghiêng 450 với trục [3]

Trường hợp cấu kiện vừa chịu xoắn vừa chịu uốn thì sự làm việc của nó phức tạp hơn Các vết nứt sẽ tạo nên tiết diện vênh gồm ba phía chịu kéo và một phía chịu nén Sự phá hoại theo tiết diện vênh sẽ bắt đầu khi ứng suất trong cốt thép vùng kéo đạt đến giới hạn chảy hoặc ứng suất trong bê tông đạt đến cường độ của

nó

1.3 CẤU TẠO BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D

Kết cấu bê tông cốt thép có sử dụng lưới thép không gian ba chiều (three dimensions panel - 3D) có cấu trúc như ở hình 1.2 Gồm có: Hai lớp mặt ngoài là bê tông lưới thép (có đường kính từ 2 ÷ 4mm, lớp cách ở giữa là loại vật liệu xốp, nhẹ, bằng polystyrene đã xử lý chống cháy)

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo panel 3D

1.3.1 Vữa bê tông

Vữa dùng trong kết cấu bê tông cốt thép 3D (Panel 3D) là vữa bê tông hoặc vữa xi măng; tuỳ mục đích sử dụng mà có thể dùng vữa xi măng – cát mác 75-M100, bê tông đá 1x2, mác 200-300 hoặc bê tông cốt liệu nhỏ, ; có thể chia thành

2 loại: Bê tông phun và bê tông thông thường

Bê tông dùng làm cấu kiện bê tông cốt thép phải có những tính năng cơ lý thoả mãn những yêu cầu nhất định Những tính năng chủ yếu của bê tông là: Cường

độ, độ chặt, sự dính bám với cốt thép, tính chất biến dạng, các khả năng chống thấm, chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt

Cường độ là đặc trưng cơ học chủ yếu của bê tông, cường độ phụ thuộc vào cấu trúc của bê tông tức là phụ thuộc vào thành phần bê tông, do đó có thể căn cứ vào cường độ để phân biệt các loại bê tông khác nhau

Trong kết cấu bê tông cốt thép 3D, bê tông chủ yếu là chịu nén và cường độ chịu nén được xác định chính xác bằng thực nghiệm do đó cường độ chịu nén được dùng làm chỉ tiêu cơ bản của cường độ bê tông

1.3.2 Sợi thép

Sử dụng thép CT3 kéo nguội, cường độ chịu kéo R > 4000 Kg/cm2, đường kính từ (2,0÷4,0)mm, mật độ ô lưới là (52×50)mm hoặc (100×100)mm; sợi thép được mạ kẽm để tăng khả năng chống rỉ sét

Tính chất cơ học của thép phụ thuộc vào thành phần hoá học và vào công nghệ chế tạo chúng Sợi kéo nguội được chuốt qua các khuôn có đường kính nhỏ dần, làm như vậy cường độ thép được nâng cao nhưng độ dẻo giảm

Cốt thép sử dụng trong kết cấu Panel 3D phải có hàm lượng carbon thấp từ (0,12 ÷ 0,15)%, và độ căng đạt 700Mpa Máy hàn theo công nghệ này phải dùng hàn điểm, điện hàn < 6 volt, tốc độ hàn phải đạt 1/1000 giây, để tránh các mối hàn

- Sử dụng vật liệu tối ưu nhờ phân bổ vật liệu chịu lực ra xa trục trung hoà

- Kết hợp được tính công nghiệp hoá của kết cấu lắp ghép và tính đồng nhất cao của kết cấu bê tông cốt thép toàn khối

- Nâng cao và đa năng hoá về chất các loại vật liệu thông thường (bê tông, lưới thép, polystyrene ) nhờ phối hợp chúng một cách hợp lý

1.4 CÁC ƯU ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP 3D VÀ SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

1.4.1 Các ưu điểm chính của bê tông cốt thép 3D

Những ưu điểm chính của hệ kết cấu 3D là:

a Trọng lượng nhẹ:

Trọng lượng tấm khi lắp ghép gồm thép và polystyrene từ 6 ÷ 8 kg/m2, với trọng lượng này khi vận chuyển và lắp ghép chỉ dùng thủ công, không phải nhờ đến máy móc, thiết bị lớn

Trong công trình xây dựng dân dụng, trọng lượng trung bình của tường, sàn sau khi đã trát hoàn thiện khoảng (130÷150)kg/m2 Có thể so sánh với 1m2 hoàn thiện với các loại kết cấu khác như sau:

Tường gạch 110 270 kg/m2

Tường gạch 220 450 kg/m2

Sàn bê tông cốt thép dày 8cm 300 kg/m2

Trong trường hợp vượt các không gian lớn hơn, sàn này sẽ dày hơn, có thể đến 500kg/m2, trong khi đó sàn 3D hầu như không tăng trọng lượng khi tăng không gian

Nếu tính trung bình tải trọng tác dụng trên 1m2 sàn (cả tĩnh tải lẫn hoạt tải sử dụng) thì nhà xây tường dày 110mm nặng khoảng 1,7 lần, tường dày 220mm nặng gấp khoảng 2,6 lần so với công trình sử dụng vật liệu Panel 3D

Trọng lượng nhẹ là một ưu điểm cơ bản cho việc sử dụng bê tông cốt thép 3D vào các công trình xây dựng trên nền đất yếu, làm giảm đáng kể kết cấu móng công trình

- Dùng bê tông cốt thép 3D cho các công trình cao sẽ làm giảm đáng kể tải trọng động đất (khoảng 30-40%) vừa làm tăng khả năng kháng chấn của công trình nhờ tăng độ cứng và tính toàn khối hoá Theo các tài liệu tổng kết của Mỹ, Úc, Canada, , thì nhà xây dựng bằng vật liệu 3D có khả năng chịu động đất đến 7,5 độ Richter mà chưa bị hư hại

b Khả năng chịu lực cao:

Qua một số kết quả ứng dụng trong công trình xây dựng dân dụng cho thấy: Khả năng chịu lực của tường gạch 220mm: 20 T/m

Khả năng chịu lực của tường 3D 120mm: 40 T/m

(Kết quả thí nghiệm nén tấm tường cao 2,4m, rộng 1m, dày 12cm, bê tông dày 3cm và đạt tải trọng gây nứt 70 tấn, tải trọng phá hoại 110 tấn) Với sức chịu tải như vậy thì khi xây dựng nhà hệ tường cao đến 7-8 tầng về nguyên tắc vẫn không cần dùng đến kết cấu khung

Do tính toàn khối hoá cao và panel 3D có độ cứng lớn nên khả năng chịu tải trọng ngang của công trình rất cao, chịu được động đất trên 7 độ Richter, gió bão trên 300km/giờ

c Công nghệ xây dựng:

Khi xây dựng công trình không cần nhiều ván khuôn, dàn giáo và thiết bị lớn Thời gian xây dựng nhanh do áp dụng công nghệ lắp ghép và tốn ít thời gian hoàn thiện

1.4.2 Về sử dụng Panel 3D trong xây dựng dân dụng

Với ưu điểm nổi bật là nhẹ, khả năng chịu lực cao, thi công đơn giản, Panel 3D có thể:

- Dùng làm kết cấu tấm chịu lực cho nhà không khung đến 5 tầng Khi số tầng càng cao thì ưu điểm của kết cấu BTCT 3D càng thể hiện so với các kết cấu truyền thống do độ bền và tính toàn khối cao

- Dùng làm tường bao nhà công nghiệp, thi công lắp ghép rất thuận lợi với năng suất thi công rất cao (gấp hàng chục lần so với các công nghệ truyền thống)

- Dùng làm tường, vách ngăn, sàn cho nhà cao tầng Trong trường hợp này,

nó vừa làm giảm tải trọng đứng, vừa giảm tải trọng ngang do gió và động đất, vừa làm tăng độ cứng cho hệ chịu lực của toàn bộ công trình

- Dùng trong các kết cấu có tính chất đặc biệt như: mái dốc, mái cong, các hình khối kiến trúc không phẳng, các kết cấu nhịp lớn như nhà công nghiệp, cung thể thao, sân vận động,

- Dùng làm tường ngoài, làm mái sẽ lợi dụng được khả năng cách âm, cách nhiệt, tiết kiệm năng lượng chạy điều hoà, quạt mùa hè, sưởi ấm mùa đông Thêm nữa, trong công trình 3D, giảm được các lớp cấu tạo phức tạp và rất nặng nề của các lớp chống nóng, cách âm, cách nhiệt

- Đặc biệt, Panel 3D hơn hẳn các kết cấu khác khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, vùng đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long, , các vùng thường xuyên chịu gió bão, động đất, có khả năng xây dựng nhà từ 5 đến 7 tầng mà không cần phải dùng đến móng cọc

1.4.2 Khả năng ứng dụng trong xây dựng công trình thuỷ lợi

1.4.2.1 So sánh giữa bê tông cốt thép 3D và vật liệu xi măng lưới thép

Vật liệu xi măng lưới thép là loại vật liệu gồm vữa xi măng và các lưới dây thép Ngày nay, xi măng lưới thép được áp dụng trong xây dựng các kết cấu mỏng, làm panel mái, sàn, làm bể chứa,

So với bê tông cốt thép, xi măng lưới thép là vật liệu đồng nhất hơn vì trong

đó các sợi thép nhỏ được phân bố đều và dày đặc Các tính chất khác như tính đàn hồi, cường độ chịu kéo, khẳ năng chống nứt, chống thấm của xi măng lưới thép đều cao hơn bê tông cốt thép thông thường Sử dụng xi măng lưới thép cho phép tiết kiệm được vật liệu và giảm được trọng lượng bản thân

Với những ưu điểm trên của xi măng lưới thép thì việc tiến hành so sánh giữa hai vật liệu xi măng lưới thép và Panel 3D là cần thiết; từ đó thấy được những đặc điểm nổi bật của vật liệu bê tông cốt thép 3D và khả năng ứng dụng của nó trong xây dựng công trình thuỷ lợi nói riêng, xây dựng công trình nói chung (xem bảng 1.1)

Các mặt Xi măng lưới thép Bê tông cốt thép 3D

1 Vữa bê tông - Gồm xi măng, cát * Gồm xi măng, cát, đá dăm

2 Cốt thép - Loại φ6, φ8, cường độ thấp

2700kg/cm2) liên kết với nhau bằng buộc kẽm, cấu tạo 1 lớp phẳng

- Gồm đường kính φ3, φ4 cường

độ cao (Rk=4000÷ 5500kg/cm2), liên kết với nhau bằng hàn thành một kết cấu không gian

năng làm việc của kết cấu

1.4.2.2 Khả năng ứng dụng

Những ưu điểm của kết cấu bê tông cốt thép 3D rất phù hợp (hay nói cách khác phát huy hiệu quả cao) với những cấu kiện tấm, cấu kiện có độ mảnh vừa và lớn Qua phân tích, đánh giá đặc điểm của kết cấu Panel 3D và đặc điểm làm việc của một số kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thuỷ lợi nêu trên, có thể thấy ứng dụng hợp lý đối với những dạng kết cấu sau:

- Các tấm bê tông cốt thép lát mái đập, đê, kênh;

- Kênh bê tông mặt cắt chữ nhật (hở và kín);

- Cầu máng mặt cắt chữ nhật (hở và kín);

- Tường cánh (dạng bản sườn hoặc hộp rỗng), tường ngực;

- Bản mặt trần cống, sàn cầu công tác, giàn van, cầu giao thông trên cống hoặc tràn;

- Kết cấu bản cửa van bê tông cốt thép sử dụng trên các cống

- Dầm chịu lực phổ biến như dầm cầu công tác, dầm thả phai, ;

- Kết cấu đập xà lan di động; kết cấu nhà trạm, bể hút, bể xả của các trạm bơm tưới, tiêu

Với những ưu điểm của kết cấu Panel 3D, việc ứng dụng được trong một số kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thuỷ lợi nêu trên có ý nghĩa rất lớn cả về kinh tế và kỹ thuật Ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép 3D sẽ làm giảm kích thước cấu kiện, giảm trọng lượng cấu kiện, giảm kết cấu móng, từ đó giảm giá thành công trình; với khả năng chịu lực cao có thể tăng được khẩu độ của kết cấu; với đặc điểm nhẹ, thi công lắp ghép đơn giản, kết cấu này cũng rất phù hợp với những công trình

ở vùng sâu, vùng xa, miền núi và hải đảo

Để có thể ứng dụng được kết cấu bê tông cốt thép 3D trong các kết cấu nêu trên, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu đầy đủ về ứng xử cơ học của vật liệu cũng như của toàn kết cấu (xác định được trường ứng suất và biến dạng) đối với từng trường hợp làm việc cụ thể

Trong phạm đề tài chỉ đi sâu nghiên cứu ứng dụng kết cấu lưới thép không gian ba chiều (3D) cho kết cấu cửa van trên cống; tiến hành nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình số (thông qua phương pháp phần tử hữu hạn) kết hợp với thí nghiệm

mô hình vật lý để nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng trong kết cấu cửa van

có sử dụng lưới thép 3D Qua phân tích kết quả tính toán sẽ đưa ra được các kết luận về việc ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép 3D trong kết cấu cửa van trong công trình thuỷ lợi Những phân tích này sẽ giúp ích rất nhiều cho công tác thiết kế, thi công các kết cấu có ứng dụng bê tông cốt thép 3D

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa cốt thép và bê tông:

- Điều kiện, trạng thái của vật liệu bê tông: Khi chưa nứt hay đã nứt

- Hỗn hợp: thành phần vật liệu bê tông

- Đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của cốt thép

- Hình thức bố trí cốt thép: Bố trí tập trung, phân bố hay không gian

- Hàm lượng thép sử dụng

- Tính bền của cốt thép khi làm việc lâu dài trong bê tông

Bố trí cốt thép trong bê tông sẽ làm nâng cao tính chất cơ học của vật liệu bê tông thông qua hai quá trình:

- Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu bê tông sang cốt thép

- Sự ảnh hưởng bắc cầu của cốt thép qua vết nứt xuất hiện khi tăng tải trọng của bê tông

- Cơ chế truyền ứng suất sẽ cho phép dự đoán đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông cốt thép và dạng phá huỷ dẻo hay phá huỷ giòn

2.1.2 Sự tương tác giữa bê tông và cốt thép

Bê tông là hỗn hợp đặc không đồng nhất của:

- Xi măng

- Cốt liệu thô

- Cốt liệu mịn

- Cốt thép

Phản ứng thuỷ hoá giữa xi măng và nước dẫn đến sự co ngót rõ rệt của hồ xi măng đông cứng Hàm lượng cốt liệu thô hợp lý mang tính hai mặt, vừa tiết kiệm được khối lượng hồ xi măng, vừa là một thành phần chống lại sự co ngót do thuỷ hoá

Hsu, Slate, Sturman & Winter trong bài viết "Microcracking of Plain Concrete an the Shape of the Stress-Strain Curve" [Journal of the ACI, 2/1963, page 209] đã chỉ ra rằng có những vết nứt vi mô tại bề mặt của các phần tử cốt liệu thô kích thước lớn Các vết nứt này tồn tại ở trạng thái không tải

Khi bê tông bị kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình mỏi, các vết nứt vi mô sẽ lan rộng theo bề mặt của cốt liệu và một phần ở khối bê tông xung quanh cốt liệu

Khối bê tông trở thành hỗn hợp được tăng cường bởi cốt thép Các cốt thép tăng cường giới hạn chịu kéo có thể gây ra nứt ban đầu trong hỗn hợp tuy nhiên mức độ tăng cường còn phụ thuộc số lượng và sự hiệu quả của cốt thép tại vùng có thể xuất hiện đỉnh vết nứt

Mô phỏng sự tương tác giữa cốt thép và bê tông dựa trên hình dạng của lực kéo tuột đơn giản (hình 2.1)

P

Hình 2 1 Mô hình kéo tuột cốt thép tại bề mặt liên kết giữa cốt thép và bê tông

Các quá trình liên quan đến sự tương tác giữa bê tông và cốt thép chủ yếu xảy ra trong vùng tương đối nhỏ xung qua cốt thép và vật liệu bê tông

Trước khi xảy ra bất cứ vết nứt nào, sự truyền ứng suất đàn hồi là một cơ chế quan trọng đầu tiên, sự chuyển vị theo phương dọc giữa cốt thép và bê tông tại mặt phân cách được thể hiện rõ rệt Sự truyền ứng suất trượt đàn hồi là cơ chế chính,

trượt đàn hồi (τ) dọc theo mặt phân cách giữa cốt thép và bê tông là không đồng nhất

2.1.2.1 Lực dính giữa bê tông và cốt thép

Sự tồn tại ứng suất trượt bám dính τ (cường độ lực dính) là nhân tố cơ bản bảo đảm sự làm việc chung giữa cốt thép và bê tông, làm cho cốt thép và bê tông cùng biến dạng và có sự truyền lực qua lại giữa hai vật liệu

a Các nhân tố tạo nên lực dính

- Do bề mặt cốt thép gồ ghề (cốt có gờ) phần bê tông nằm dưới các gờ chống lại sự trượt của cốt thép

- Do keo xi măng có tác dụng như một thứ hồ dán cốt thép vào bê tông

- Khi bê tông khô cứng, do ảnh hưởng của co ngót mà bê tông ôm chặt lấy cốt thép, tạo nên lực ma sát giữa chúng

l - Chiều dài cốt thép chôn trong bê tông;

τmax = = 1 (2-2) Trong đó: ω - Hệ số hoàn chỉnh biểu đồ lực dính, ω < 1

Có nhiều nhân tố ảnh đến trị số cường độ lực dính, trong đó hai nhân tố cơ bản là chất lượng bê tông và bề mặt cốt thép

2.1.2.2 Sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép

Do cùng làm việc trong một kết cấu như một thể thống nhất, và do có tích chất cơ lý khác nhau, bê tông và cốt thép có những ảnh hưởng qua lại

a Ứng suất ban đầu do bê tông co ngót

Khảo sát một thanh bê tông có đặt cốt thép dọc theo trục thanh Nếu bê tông được co tự do nó sẽ có biến dạng εco Nhưng vì cốt thép dính với bê tông nên nó cản trở sự co đó, kết quả thanh bê tông cốt thép có biến dạng co ε1 < εco

Xét một cách tương đối thấy rằng, cốt thép đã bị bê tông gây cho một biến dạng nén là ε1 và trong cốt thép có ứng suất nén σac = ε1Ea, ngược lại bê tông bị cốt thép chống lại sự co, tạo nên một biến dạng ε2 = εco - ε1 và trong bê tông tồn tại ứng suất kéo σkc = ν ε2Eb (ν - hệ số đàn hồi; Eb - mô đun đàn hồi của bê tông)

Nếu σkc vượt quá giới hạn chịu kéo, bê tông sẽ bị nứt, đó là vết nứt do co ngót Hợp lực của σac và σkc là những lực nội tại, chúng tự cân bằng

b Ứng suất do ngoại lực gây ra

Xét trường hợp đơn giản là thanh bê tông cốt thép chịu nén hoặc chịu kéo nhưng bê tông chưa bị nứt Bê tông và cốt thép cùng làm việc với nhau, có biến dạng như nhau bằng ε, cùng nhau chịu lực

- Ứng suất trong bê tông σb = ν εEb (2-3)

Đặt

b

a b

a

E

E n

νσ

σ =

= ⇒ σa = nσb (2-5)

Trong cấu kiện chịu kéo hoặc trong vùng kéo của cấu kiện chịu uốn, sau khi

bê tông bị nứt, phần nội lực do bê tông chịu được truyền sang cho cốt thép và cốt thép chịu toàn bộ nội lực kéo

c Sự phân bố lại ứng suất do từ biến

Khi chịu tác dụng lâu dài bê tông bị từ biến Cốt thép cũng cản trở sự từ biến của bê tông Xét cấu kiện chịu nén, kết quả của từ biến làm cho ứng suất trong cốt thép tăng lên và ứng suất trong bê tông giảm xuống Đó là hiện tượng phân phối lại ứng suất một cách có lợi

2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ MÔ HÌNH HÓA

KẾT CẤU TẤM BÊ TÔNG LƯỚI THÉP 3D

2.2.1 Đặt vấn đề

Kết cấu tấm bê tông lưới thép không gian (3D) đang ngày càng được sử dụng rộng rãi kết cấu trong xây dựng, Kết tấm cấu bê tông lưới thép 3D có nhiều ưu điểm Với ưu điểm nổi trội là khả năng chịu lực tốt, độ cứng cao, chuyển vị và biến dạng rất lớn trước khi bị phá hoại Việc bố trí cốt thép không gian 3D trong kết cấu

bê tông nhằm mục đính phân tán các điểm chịu ứng suất tập trung trên bê tông, làm tăng khả năng chịu lực của cấu kiện

Loại kết cấu này nhẹ hơn so với tấm kết cấu bê tông cốt thép đặc cùng khả năng chịu lực Kết cấu có thể được sản xuất theo hướng công nghiệp hóa hàng loạt trong xưởng dưới sự hỗ trợ của hệ thống thiết bị tự động nên chất lượng được kiểm soát chặt chẽ và có thể giảm đáng kể thời gian thi công

Tuy nhiên, về lý thuyết tính toán thiết kế cho loại kết cấu này chưa thực sự phát triển tương xứng với khả năng ứng dụng của nó Việc thiết kế chủ yếu dựa vào các kết quả thí nghiệm mẫu trực tiếp Một số phương pháp giải tích như qui đổi kết cấu về dạng dầm hay tấm đặc tương đương cũng đã được phát triển, tuy nhiên chứa đựng nhiều sai số tính toán, do việc xác định các đặc trưng về độ cứng tương đương chưa được chính xác [3]

Có thể thấy rằng sự không có mặt ở lớp bê tông giữa làm cho kết cấu nhẹ hơn, nhưng đồng thời khả năng chịu cắt của kết cấu cũng bị giảm đi rất nhiều Chính vì vậy, các thanh thép chéo có mục đích chính là chịu cắt và ràng buộc độ cứng giữa 2 lớp bê tông cốt thép Chúng làm cho cả hệ thống làm việc đồng thời,

đặc biệt là khi kết cấu tấm chịu uốn Khi so sánh với một tấm đặc chịu uốn, ta thấy

có thể sử dụng lý thuyết tấm uốn như bình thường, nghĩa là các giả thiết như phân

tố thẳng có thể sử dụng tương đối phù hợp Tuy nhiên, đối với kết cấu tấm lưới thép 3D như chúng ta đang xem xét, sự không liên tục ở vùng giữa tấm làm cho việc sử dụng giả thiết phân tố thẳng không thể áp dụng được, hơn nữa lúc này, sự chịu cắt phụ thuộc chính vào các thanh thép chéo Chính vì vậy hướng nghiên cứu sử dụng kết cấu tương đương như [3] không giải quyết được bài toán một cách thấu đáo, nó chỉ nên được sử dụng khi đã có nhiều khảo sát hay thí nghiệm được tiến hành

Như vậy, kết cấu tấm bê tông lưới thép 3D có ứng xử phức tạp vì các lý do chính sau đây: vật liệu làm việc phi tuyến, độ cứng chung và sự chịu lực của kết cấu phụ thuộc chính vào lưới thép được bố trí theo không gian, đặc điểm và sự phân bố của tải trọng

Phương pháp số là một cách tiếp cận hiệu quả hơn nhiều so với phương pháp giải tích Sự mô phỏng các ứng xử phức tạp của vật liệu bê tông cũng như các liên kết cốt thép-bê tông trong không gian hoàn toàn có thể được thực hiện với đầy đủ

sự chính xác về hình học cũng như các giả thiết vật liệu đúng đắn hơn đến từng điểm của kết cấu Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp

số mạnh và ngày càng được phát triển rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực phân tích kết cấu Nó chiếm trên 80% thị phần của các phương pháp số và được cài đặt hầu hết trong các phần mềm phân tích kết cấu mạnh như: ANSYS, ABAQUS, ADINA, LUSAS, SAP, MIDAS,…

Đề tài này lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ chính để mô hình hóa và tính toán kết cấu tấm bê tông lưới thép 3D Lý thuyết về mô hình hóa

và phân tích kết cấu tấm bê tông lưới thép 3D cũng được phát triển trên cơ sở phương pháp này Nội dung chính là: xây dựng lý thuyết mô hình hóa vật liệu, hình học, liên kết và tải trọng của kết cấu bê tông cốt thép và lưới thép không gian; xây dựng các mô hình phần tử hữu hạn cho một số dạng chịu lực của kết cấu tấm bê tông cốt thép 3D; phân tích lựa chọn phần mềm thích hợp để đánh giá ứng xử của kết cấu nghiên cứu theo mô hình đã lập Ngoài ra, một số mẫu thí nghiệm thực tế cũng sẽ được tiến hành nhằm kiểm tra đánh giá lại lý thuyết tính toán đã xây dựng

2.2.2 Phương pháp mô hình hình hóa và phân tích kết cấu tấm 3D

Phương pháp mô hình hóa và phân tích kết cấu được chọn dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Khi nghiên cứu ứng xử của các mẫu kết cấu tấm 3D, các mô

bê tông và phần tử thanh cho các thanh thép làm việc đồng thời Hai là mô hình phần tử vỏ cho phần bản bê tông, phần tử thanh cho các thanh thép và sườn bê tông làm việc đồng thời với nhau Hai mô hình tính toán này cho kết quả khá sát với sự làm việc thực tế của kết cấu, sai số tương đối giữa chúng là không nhiều Mô hình tính thứ hai, dùng phần tử vỏ mô hình hóa bản bê tông sử dụng hợp lý hơn dùng mô hình phần tử khối vì khối lượng tính toán của phần tử vỏ nhỏ hơn khối lượng tính toán của phần tử khối nhiều, và quan trọng hơn là kết quả của mô hình này cho ta là nội lực đơn vị (mô men uốn, lực màng, lực cắt), còn mô hình phần tử khối thì chỉ cho kết quả là ứng suất Khi kiểm toán về mặt độ bền của bản bê tông, người ta cần nội lực chứ không cần ứng suất

2.2.2.1 Mô hình phần tử vỏ

a) Khái niệm về kết cấu vỏ

Kết cấu vỏ được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật vì khả năng ứng dụng rộng rãi cũng như đặc tính cơ học với sự tác dụng của tải trọng đa dạng của

nó Như chúng ta đã biết từ lý thuyết tính vỏ, thực hiện giải bằng giải tích cho loại hình kết cấu này hết sức phức tạp, nhất là khi vỏ có hình học bất kỳ Phương pháp phần tử hữu hạn đặc biệt thích hợp để phân tích kết cấu vỏ tổng quát, tổng quát cả

về dạng hình học, tải trọng và vật liệu Nhiều phần tử vỏ đã được đề xuất, trong số

đó, nhiều phần tử đáp ứng được đa số các trường hợp tính, hiệu quả cả về thời gian tính cũng như tiết kiệm bộ nhớ Cho tới nay đã có nhiều tài liệu đề cập đến việc tính toán vỏ, tuy nhiên trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi chỉ đề cập đến loại phần tử

vỏ phẳng đồng tham số 4 và 8 điểm nút Hai loại phần tử này rất thích hợp khi được

sử dụng trong tính toán các loại hình kết cấu vỏ được tạo thành từ những tấm phẳng như: Dầm cầu bê tông cốt thép dạng hộp, cống ngầm, cống lộ thiên, vỏ hầm dạng hộp chữ nhật v.v

Kết cấu vỏ tổng quát có thể hiểu là trường hợp riêng của vật thể 3 chiều, trong

đó có 1 chiều kích thước khá bé so với 2 chiều còn lại Kích thước bé gọi là chiều dày của vỏ, hai chiều còn lại tạo thành mặt vỏ, mặt chia đôi chiều dày vỏ gọi là mặt trung bình (mặt trung gian hoặc mặt trung hòa) Xét tổng quát thì mặt trung bình là một mặt cong Nếu chiều dày của vỏ mà nhỏ so với bán kính cong của mặt trung bình thì được coi là vỏ mỏng về hình học Nếu các thành phần lực cắt trên đơn vị

dài là đủ nhỏ, sao cho độ võng do các thành phần trên gây ra là không đáng kể so với độ võng do uốn, thì vỏ được coi là vỏ mỏng về kết cấu

Cũng như trong trường hợp phân tích tấm uốn, lý thuyết vỏ được xây dựng từ các giả thiết của Kirchhoff Nghĩa là mỗi nét thẳng vuông góc với mặt trung bình của tấm trước khi biến dạng vẫn giữ nguyên là thẳng và vuông góc với mặt trung bình sau biến dạng Đồng thời ta giả thiết ứng suất pháp bằng không Giả thiết này cho phép xác định chuyển vị tại mỗi điểm trong vỏ và tiếp theo biến dạng và ứng suất thông qua chuyển vị của thuộc mặt trung bình của vỏ Hình 2.1 minh họa các thành phần nội lực tác dụng lên phần tử vỏ

Đặt hệ trục tọa độ Descartes cục bộ có trục 0z hướng theo pháp tuyến mặt trung bình Theo hướng z có 3 thành phần ứng suất tác dụng là σz, τxz, và τyz Tải trọng tác dụng lên vỏ có thể theo phương bất kỳ Mỗi thành phần tải trọng tác dụng vuông góc với mặt vỏ và tải trọng tác dụng trong mặt vỏ Dưới tác dụng của thành phần tải trọng vuông góc, trong trường hợp tổng quát ứng suất σz ≠ 0 Tuy nhiên người ta quan niệm rằng với mọi điểm dọc theo chiều dày của vỏ đều có cùng chuyển vị theo phương 0z, và chuyển vị này chủ yếu là do uốn của mặt vỏ gây ra, khi đó εz = 0 và kéo theo σz = 0 Như vậy xét về phương diện lực, vỏ là trường hợp riêng của vật thể 3 chiều (vật thể khối), trong đó ứng suất tác dụng theo phương pháp tuyến luôn bằng 0 Nếu coi τxz≈τyz≈0 thì vỏ được coi là mỏng về kết cấu, trái lại vỏ được coi là vỏ dày

b Tổng quan về phần tử vỏ

1) Phần tử kiểu tấm phẳng

Để xây dựng phần tử vỏ, phương pháp tiếp cận đầu tiên là kết hợp phần tử màng (phần tử tấm trong bài toán ứng suất phẳng) với phần tử tấm uốn trên cơ sở giải thiết của Kirchhoff Trên cơ sở cách tiếp cận trên, một lớp các phần tử vỏ ra đời, đặc điểm của lớp này là chỉ cho hình học xấp xỉ với bề mặt thật của vỏ Lớp phần tử này đã được xác định là cho khả năng hội tụ cao và đã được sử dụng trong

bộ chương trình quen thuộc SAP IV như phần tử chủ yếu để phân tích kết cấu vỏ mỏng Sự phát triển phần tử vỏ thuộc lớp này hoàn toàn đồng thời với sự phát triển của các phần tử tấm uốn

Hạn chế của phần tử kiểu vỏ phẳng có thể được liệt kê ngắn gọn qua mấy điểm sau:

ƒ Tính chất của vỏ, như được mô tả bằng hệ phương trình vi phân không hoàn toàn đồng nhất với kết cấu tấm phẳng

ƒ Sự mất liên tục của các thành phần đạo hàm qua biên giữa các phần tử tấm phẳng có thể làm phát sinh các thành phần mô men uốn tại những nơi mà thực sự không tồn tại trong vỏ

Một số tác giả như Bogner, Fox và Schmit đã đề xuất phần tử vỏ trụ, trong đó

sử dụng hàm nội suy được xác định trong hệ tọa độ của vỏ Thông số tại nút bao gồm ba chuyển vị và các thành phần đạo hàm của chuyển vị xét trong hệ tọa độ cục

bộ Kết quả là mỗi một trong 4 nút của phần tử 12 bậc tự do Utku đã đề xuất phần

tử vỏ tam giác cong, tại mỗi nút xác định 3 thông số chuyển vị thẳng và 2 góc xoay

áp dụng các phương trình của lý thuyết vỏ mỏng, chấp nhận giả thiết coi chuyển vị trong phần tử biến thiên tuyến tính để tính biến dạng phần tử

2.2.2.2 Phần tử vỏ kiểu tấm phẳng đồng tham số

1) Mô hình phần tử, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ lực nút

- Mô hình phần tử

xy

Phần tử vỏ này được kết hợp bởi 2 phần tử: Phần tử màng (phần tử tấm phẳng trong bài toán ứng suất phẳng) và phần tử tấm uốn Trong bài toán này ta sử dụng lý thuyết biến dạng bé nên có coi các biến dạng trong bài toán phẳng và trong bài toán tấm uốn là độc lập với nhau, do đó ma trận độ cứng của phần tử vỏ có thể được thành lập bằng cách kết hợp ma trận độ cứng của phần tử màng và ma trận độ cứng của phần tấm uốn

1 e δ

δ

yi xi i i i

1 e F

F

yi xi i yi xi

1 1

1 1

của phần tử vỏ

(u i ) N xi

M yi (θ yi ) (θ xi ) M xi

M yi (θ yi ) (θ xi ) M xi

e m m T

xy y

x

x

v y

u y

v x

u

γ ε

T xy y x

0 1 µ

0 µ 1

µ 1

E D

1 1

1 1

1

µ 1

µ µ , µ 1

i x n

=

= 41 i i

i y n

∑

=

= 41 i i

i u n

=

= 41 i i

ivn

T m

m δ N v

n J y n x n

i

i 1 i

4 1

4 1

4 1

i

i i i

i i i

i i i

i i

y s

n x

s n

y r

n x

0 0 s r J J

J 0

0 J N

T

1 2 2

1 m

i i i

s

n r

n 0 0

0 0 s

n r

n H

1 1

m m

T m e

drds J h B D B

- Véc tơ tải của phần tử

Có 3 loại tải trọng tác dụng lên phần tử cần được dời về nút là: lực thể tích, lực phân bố trên bề mặt và lực tập trung đặt tại điểm bất kỳ

Lực thể tích { }p =[X Y]T: { } =∫ [ ] { }

V

T m

p = : { } =∫ [ ] { }

A

T m

ƒ Nét thẳng vuông góc với mặt trung bình của tấm, sau biến dạng vẫn giữ nguyên là thẳng và vuông góc với mặt trung bình của tấm (giả thiết phân

tố thẳng)

ƒ Bỏ qua các thành phần ứng suất vuông góc với mặt trung bình của tấm

ƒ Mặt trung bình của tấm chỉ có chuyển vị theo phương vuông góc với mặt trung bình của tấm

* Các quan hệ cơ bản của tấm mỏng chịu uốn :

Lý thuyết về tấm mỏng đã được trình bày trong Lý thuyết đàn hồi và nhiều tài liệu khác, ở đây chúng tôi chỉ nhấn mạnh những điểm quan trọng nhất để xây dựng công thức phần tử hữu hạn cho phần tử tấm Đặt tấm vào hệ tọa độ Descartes 0xyz, có trục z vuông góc với mặt phẳng trung bình của tấm Với tấm mỏng chịu uốn các thành phần ứng suất tác dụng theo phương z bị triệt tiêu, σz = 0, τxz = τyz =

0 Từ các giả thiết về tấm mỏng chịu uốn, ta chứng minh được các thành phần ứng suất σx, σy, τxy biến thiên tuyến tính dọc theo chiều dày của tấm Nội lực đơn vị của tấm là các hợp lực của các thành phần ứng suất trên diện tích hình chữ nhật có cạnh bằng đơn vị dọc theo trục x hoặc y và cạnh là bề dày của tấm

dz z σ

y τ zdz

Dưới tác dụng của tải trọng theo phương z, mỗi điểm thuộc mặt trung bình có chuyển vị w, mặt trung bình bị cong đi, các thành phần biến dạng, các thành phần chuyển vị u và v theo trục x và y, các thành phần ứng suất sẽ được biểu diễn qua các đạo hàm của chuyển vị w theo x và y

Từ giả thiết phân tố thẳng, ta có: γxz = γyz = 0, nên:

z

u x

w

∂

∂ +

w 2 x

v y

trong đó

y x

w k

, y

w k

, x

w k

2 xy 2

2 y 2

Các thành phần biến dạng khác εz = γxz = γyz = 0, bài toán được đơn giản hóa

và do đó việc giải sẽ thuận tiện hơn Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong trường hợp này có dạng (vật liệu đẳng hướng):

k k

k D γ

ε ε

d d d d

d d d d

d d d d

τ σ σ

xy y

x I xy y x

34 33 32 31

24 23 22 21

14 13 12 11

xy y x

x b xy

y

x I

3 2

/ h 2 / h 2 xy

y

x I xy y x

k k

k D k

k

k D 12

h dz z k

k

k D M

x b

M M

x b k k

0 1 µ

0 µ 1 µ 1 12

Eh

3

gọi là ma trận đàn hồi tương ứng với biến dạng uốn của tấm

Từ các công thức trên ta có thể viết:

2 x

y

w µ x

w D

M , =− ⎜⎜⎝⎛∂∂ + ∂∂ 2 ⎟⎟⎠⎞

2 2

2

w µ y

w D M

w µ 1 D

3 µ 1 12

Eh D

−

Từ các quan hệ trên ta có nhận xét là nghiệm của bài toán tấm mỏng chịu uốn

* Biến dạng trượt trong tấm :

Trong lý thuyết tấm mỏng, ta đã bỏ qua các thành biến dạng trượt ngang (γxz

và γyz) Biến dạng trong tấm được xác định hoàn toàn khi biết chuyển vị w(x,y), trong đó w là thành phần chuyển vị theo phương vuông góc với mặt trung bình của tấm Khi cần kể đến biến dạng trượt trong tấm, vấn đề cơ bản là phải đưa được ảnh hưởng của của các thành phần biến dạng này vào các thông số góc xoay tại các nút Các thành phần biến dạng trượt nhất thiết phải được tính tới trong trường hợp tấm dày Kirchhoff và sau này là Mindlin đã tính toán lại bằng cách thay đổi lại giả thiết của Kirchhoff Xấp xỉ của Mindlin là hoàn toàn phù hợp với việc xét biến dạng trượt trong tấm và đặc biệt thuận lợi trong phân tích phần tử hữu hạn khi sử dụng phần tử đồng tham số

- Giả thiết của Mindlin về biến dạng trượt trong tấm

Mindlin giả thiết nét thẳng vuông góc với mặt trung bình của tấm trước khi biến dạng, sau khi biến dạng vẫn thẳng nhưng không còn vuông góc với mặt trung hòa của tấm Mindlin coi góc của tiết diện khi biến dạng có thể phân thành 2 thành phần

+ Xoay của pháp tuyến do ảnh hưởng uốn của mặt trung bình

+ Xoay do ảnh hưởng của trượt ngang (γxz và γyz)

Để tính tới biến dạng trượt trong tấm Mindlin đưa ra các giải thiết sau:

Gt1 : Độ võng w của tấm là nhỏ

Gt2 : Pháp tuyến mặt trung bình trước biến dạng, sau biến dạng sẽ giữ nguyên

là thẳng nhưng không nhất thiết còn vuông góc với mặt trung bình

Gt3 : ứng suất pháp đối với mặt trung bình là bé có thể bỏ qua được (σz = 0)

Giả thiết thứ hai kể đến biến dạng trượt Giả thiết này như sau:

vị trí biến dạng giả địnhmặt trung bình