Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực của sàn liên hợp thép bê tông sử dụng một số loại tôn phổ biến trên thị trường (tt)

Tuy nhiên, trên thực tế vẫn có khá nhiều công trình dân dụng vừa và nhỏ sử dụng tôn lợp mái độ dày thường từ 0,45mm đến 0,5mm thay cho tôn sàn chuyên dụng để làm kết cấu sàn liên hợp với

CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG SỬ DỤNG MỘT SỐ LOẠI TÔN PHỔ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng

Mã số: 8.58.02.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Đà Nẵng, năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Quang Hưng

Phản biện 1: PGS.TS Phạm Thanh Tùng

Phản biện 2: TS Lê Anh Tuấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng họp tại Trường Đại học Bách

khoa vào ngày 24 tháng 01 năm 2021

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách

khoa - ĐHĐN

 Thư viện Khoa Xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU Tính cần thiết của đề tài:

Hiện nay, sàn liên hợp thép – bê tông đang được sử dụng ngày càng nhiều trong thiết kế nhà dân dụng và công nghiệp Khi thiết kế sàn liên hợp phải tuân thủ tiêu chuẩn Eurocode 4, dựa vào tính chất công trình

và chọn kích thước tôn chuyên dụng (tôn sàn Deck) phù hợp Tuy nhiên, trên thực tế vẫn có khá nhiều công trình dân dụng vừa và nhỏ

sử dụng tôn lợp mái (độ dày thường từ 0,45mm đến 0,5mm) thay cho tôn sàn chuyên dụng để làm kết cấu sàn liên hợp với chiều dài nhịp sàn khoảng 1,0m

Việc sử dụng tôn lợp mái để làm kết cấu sàn liên hợp như trên hoàn toàn chưa quy định trong tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành mà chủ yếu dựa trên kết quả thi công thực tế ở các công trình tương tự đã có Do

đó, khó kiểm soát kết quả thiết kế, cũng như gây mất an toàn cho công trình khi đi vào vận hành

Đề tài “Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực của sàn liên hợp thép-bê tông sử dụng một số loại tôn phổ biến trên thị trường”

nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc của kết cấu sàn liên hợp khi sử dụng một số loại tôn lợp mái thông dụng để đưa ra những lời khuyên hữu ích đến người thiết kế khi lựa chọn kết cấu sàn là sàn liên hợp thép – bê tông

Mục tiêu nghiên cứu:

Đề tài tập trung vào việc chế tạo các tấm sàn liên hợp phù hợp với quy định của EC4 sử dụng một số loại tôn trên thị trường hiện nay Sau đó, tiến hành thí nghiệm để xác định khả năng chịu lực của từng

loại sàn, đánh giá và đưa ra những lời khuyên hữu ích phục vụ cho thiết kế sàn liên hợp

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Sàn liên hợp sử dụng một số loại tôn trên thị trường hiện nay với các cấp bền khác nhau

- Phạm vi nghiên cứu: Xác định khả năng chịu lực của sàn liên hợp

Phương pháp nghiên cứu: Dùng phương pháp nghiên cứu thực

nghiệm, cụ thể như sau:

- Thu mua các loại tôn phục vụ cho thí nghiệm có sẵn trên thị trường thành phố Đà Nẵng và thường được các nhà thầu thi công sử dụng, gồm 3 loại: 02 loại tôn lợp mái (9 sóng, 11 sóng) dày 0,5mm và 01 loại tôn sàn Desk loại H50W1000 dày 0,5mm;

- Chuẩn bị bê tông với 2 mác thông dụng: M250 và M300

Bê tông được đặt mua từ Công ty chuyên bê tông xây dựng;

- Tiến hành đúc mẫu sàn liên hợp theo tiêu chuẩn EC4 và các tiêu chuẩn hiện hành liên quan;

- Tưới ẩm, bảo dưỡng mẫu liên tục cho đến khi mẫu sàn

đủ 28 ngày tuổi;

- Tiến hành thí nghiệm gia tải, quan sát quá trình làm việc của mẫu sàn đến lúc phá hoại, ghi số gia tải lớn nhất cho mỗi mẫu sàn;

- Tổng hợp, phân tích, đánh giá quá trình làm việc của mẫu sàn, xác định khả năng chịu lực tới hạn của mẫu, tổng hợp cho từng nhóm mẫu;

- Kết luận khả năng chịu lực đại diện cho từng nhóm mẫu sàn và đưa ra các khuyến nghị hữu ích phục vụ cho công tác thiết kế sàn liên hợp

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Kết cấu sàn liên hợp gồm: Bê tông và tôn sàn Desk đã được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp quy mô vừa và lớn, kết cấu đã dần trở nên quen thuộc với các nhà thiết kế trong nước với ưu điểm rút ngắn tiến độ thi công Tuy nhiên, với những công trình nhà quy mô vừa và nhỏ hiện nay, việc sử dụng tôn lợp mái thay thế cho tôn sàn Desk làm kết cấu cho sàn liên hợp là tương đối nhìu nhằm tối ưu nhất về chi phí Việc sử dụng tôn lợp mái làm kết cấu sàn liên hợp như vậy là chưa được quy định trong tiêu chuẩn, quy chuẩn trong nước và cả ngoài nước Mà chỉ dựa vào những tính toán ổn định mang tính tương quan, cũng như kinh nghiệm triển khai thi công thực tiễn Do đó, loại kết cấu sàn này cần được nghiên cứu, thí nghiệm và thử nghiệm nhiều hơn để đưa ra những lời khuyên hữu ích cho người thiết kế, để hạn chế thấp nhất những rủi ro mà thiết kế chưa lường hết được

Nội dung luận văn:

Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1 Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông

Chương 2 Chương trình thí nghiệm

Chương 3 Kết quả thí nghiệm

1.1.2 Các công trình hiện hữu

1.1.3 Đặc điểm, yêu cầu cấu tạo của sàn liên hợp thép – bê tông 1.1.4 Ưu điểm, nhượt điểm

Ưu điểm:

- Tiến độ thi công, chi phí được tối ưu hơn;

- Ngoài ra, kết cấu liên hợp thép-bê tông có khả năng vượt nhịp lớn, chiều cao dầm giảm nên tăng không gian sử dụng, giảm chiều cao tầng

Nhượt điểm:

- Chiều cao công trình còn hạn chế, ít được áp dụng cho công trình nhiều tầng và siêu cao tầng

1.2 Sự làm việc và các dạng phá hoại của kết cấu sàn liên hợp

Ba dạng làm việc của bản sàn liên hợp:

- Tương tác hoàn toàn: Không có trượt giữa thép và bê tông ở mặt tiếp xúc, phá hoại có thể dẻo hoặc giòn, lực tới hạn Pu lớn nhất;

- Không tương tác: Trượt rất lớn xảy ra tại bề mặt tiếp xúc của

bê tông và thép, gần như không có sự truyền lực cắt, lực tới hạn Pu nhỏ nhất;

- Tương tác một phần: Trượt bé, lực cắt truyền một phần, tải tới hạn Pu có giá trị trung gian giữa 2 trường hợp trên, phá hoại giòn hoặc dẻo

Các dạng phá hoại:

- Phá hủy do mômen uốn: xảy ra tại tiết diện I-I chịu mômen uốn lớn nhất, việc kiểm tra bền theo trạng thái giới hạn thứ nhất M≤Mgh trong đó Mgh là mômen giới hạn mà tiết diện chịu được

- Phá hủy do sự trượt dọc giữa tấm tôn và bê tông tại vùng có lực cắt lớn II-II, nguyên nhân do lực liên kết giữa tấm tôn và

bê tông không đảm bảo chống lại lực cắt tại vùng này Khả năng chống trượt dọc của sàn liên hợp thường được xác định bằng thực nghiệm

- Phá hủy do lực cắt đứng tại tiết diện có lực cắt lớn III-III: khả năng chống lực cắt đứng do phần bê tông quyết định, kiểm tra bền theo trạng thái giới hạn thứ nhất V≤Vgh

- Phá hủy do chọc thủng: nếu trên sàn có lực tập trung P thì sàn cần được kiểm tra chống chọc thủng tương tự như sàn BTCT

Hình 1.5: Tiết diện phá hoại của các dạng phá hoại khác nhau

Sự phá hoại sàn liên hợp có thể xảy ra theo 2 dạng làm việc:

- Phá hoại giòn: sự phá hoại xảy ra đột ngột, nói chung không có biến dạng lớn;

- Phá hoại dẻo: sự phá hoại xảy ra từ từ kèm theo biến dạng lớn,

có những dấu hiệu báo trước

1.3 Tính toán khả năng chịu lực của kết cấu sàn liên hợp

1.3.1 Tính toán sức bền kháng uốn của tiết diện sàn liên hợp

a Tiết diện chịu mômen dương ( sagging bending )

 Trục trung hòa dẻo đi qua vùng bê tông nằm trên sườn:

 Trục trung hòa dẻo đi qua sườn tấm tôn:

b Tiết diện chịu mômen âm ( hogging bending )

1.3.2 Khả năng chịu trượt dọc của sàn liên hợp

1.3.3 Khả năng chịu lực cắt đứng của sàn liên hợp

1.3.4 Khả năng chống chọc thủng của sàn liên hợp

1.4 Tổng quan thực trạng thiết kế sàn liên hợp hiện nay

1.4.1 Áp dụng đa dạng loại tấm tôn trong thiết kế và thi công

Với những tính năng nổi bật của kết cấu sàn liên hợp như đã nói trên: là sàn công tác, là cốt pha cho vữa bê tông và là cốt thép dọc lớp dưới chịu lực của bản sàn, đo đá loại sàn này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công tác thiết kế và cũng như những nhà thầu thi công Tuy nhiên, thực tế với những công trình công trình nhỏ, chịu tải trọng không lớn, có nhà thiết kế cũng như thi công vẫn chọn loại tôn lợp (không dập tạo gờ ma sát) thay cho tôn sàn Desk chuyên dụng với

bề dày tương ứng với tôn sàn Desk được tính toán theo tiêu chuẩn nhằm tối ưu chi phí

Theo thực tế thiết kế và thi công cũng như từ các nhà cung cấp tôn như vậy, nên trong đề tài đã sử dụng 2 loại này: 9 sóng và 11 sóng và

1 loại tôn sàn Desk với bề dày xấp xỉ và bằng nhau để đúc mẫu sàn thí nghiệm, quan sát và đánh giá sự khác biệt trong quá trình làm việc của mỗi loại

1.4.2 Chất lượng sàn liên hợp khi sử dụng tấm tôn không chuyên dụng

- Về tôn: Tôn lợp 9 sóng dày 0,5mm, tôn lợp 11 sóng dày 0,5mm và tôn sàn Desk loại H50W1000 dày 0,58mm;

- Về bê tông: M250 và M300

Các thông số kích thước mẫu đại diện như sau:

- Chiều dài mẫu là 1,2m (Trong đó: 1,0m là chiều dài nhịp để thí nghiệm, còn lại 0,2m phần đầu thừa)

- Tiết diện ngang các nhóm mẫu cụ thể như sau:

Hình 2.1: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tôn 9 sóng, b= 375 mm

Hình 2.2: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tôn 11 sóng, b= 300 mm

Hình 2.4: Bãi đúc mẫu Hình 2.5: Mẫu đúc loại tôn 9

sóng

Tuy nhiên, trong quá trình bảo dưỡng dưới sự thay đổi nhiệt độ môi trường ngày đêm, một vài mẫu dùng tôn lợp bị bong, tách rời tôn khỏi

bê tông do sự co giản không đều giữa 2 loại vật liệu Do đó, thí nghiệm

đã chọn ra 8 mẫu tối ưu nhất để tiến hành nén mẫu nhằm đem lại kết quả đánh giá xác thực với điều kiện thực tế làm của mẫu nhất, cụ thể như bảng sau:

Tên mẫu

Tôn lợp 9 sóng

Tôn lợp 11 sóng

Tôn Desk Tôn Desk

Mẫu thí nghiệm Cường độ chịu nén

trung bình Rn (MPa)

Hệ số biến động (%)

2.3.1 Lắp đặt sơ đồ các thiết bị thí nghiệm

Sơ đồ thí nghiệm mẫu sàn được bố trí theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn EC4 Mẫu sàn đặt lên 2 gối tựa dọc bằng thép tròn D16 được hàn cố định vào hệ khung thép hình cứng, đảm bảo không bị chuyển vị trong quá trình gia tải Khoảng các giữa 2 gối tựa theo tim là L= 1,00 m Mẫu sàn chịu 2 tải trọng tập trung bằng nhau P/2 và cách đều 2 gối một khoảng L/4

Tải trọng P/2 tác dụng lên mẫu thí nghiệm được tạo ra bằng ½ tải trọng tập trung từ kích thủy lực và được đo bằng dụng cụ đo điện từ Load-Cell Đo độ võng bụng mẫu sàn bằng 01 dụng cụ đo chuyển vị điện tử (Linear Variable Differential Transformer) Đo ứng suất - biến dạng mẫu bằng 02 cảm biến lá điện trở Strain Gauge được bố trí ở mặt trên và mặt dưới của mẫu

Các dụng cụ đo lực, chuyển vị, ứng suất – biến dạng được kết nối với bộ thu thập và xử lý số liệu (Data Logger) cho phép ghi nhận số liệu tự động và đồng thời trong quá trình đo

LVDT Kích gia tải

SG2

2.4 Quy trình thí nghiệm nén mẫu

Quy trình thí nghiệm tuân thủ theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn EC4: Bước 1: Lắp đặt hệ khung làm gối tựa, mẫu sàn, bộ khung chia tải, kích thủy lực và các thiết bị đo theo sơ trên Kết nối toàn bộ thiết bị

đo với Data Logger để ghi số liệu tự động và chính xác cao theo từng bước 01 giây

Bước 2: Gia tải thử nghiệm với mẫu thử, kiểm tra sự làm việc của các dụng cụ đo với mẫu sàn thử nghiệm và hiệu chỉnh để bắt đầu tiến hành thí nghiệm

Bước 3: Tiến hành gia tải thí nghiệm, gia tải liên tục và đều đặn cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn Quan sát quá trình làm việc của sàn trong suốt quá trình thí nghiệm Xác định thời điểm xuất hiện vết nứt, thời điểm tấm tôn bị bong tách ra khỏi phần bê tông

2.5 Tính toán khả năng chịu lực của 4 nhóm mẫu

Kết quả tính toán khả năng chịu lực của 4 nhóm mẫu được triển khai thí nghiệm gia tải, với 2 trường hợp phá hủy như bảng sau:

Trường hợp phá hủy

Tải trọng Pth (kN)

TL 9 - M250

TL 11 - M250

Desk - M250

Desk - M300

I Ứng với KT mẫu thực tế thí nghiệm Tiết diện chịu mômen

Tiết diện chịu lực cắt

Trường hợp phá hủy

Tải trọng Pth (kN)

TL 9 - M250

TL 11 - M250

Desk - M250

Desk - M300

II Ứng với KT mẫu sàn bề rộng 1,00m Tiết diện chịu mômen

2.6 Dự đoán cơ chế phá hoại mẫu

Theo kết quả tính toán ở Mục 2.5, tải trọng dùng để gia tải Pth ứng các nhóm mẫu là khá lớn do xét khả năng chịu lực của mẫu sàn khi 2 vật bê tông-thép làm việc đồng thời cho đến lúc đạt trạng thái phá hoại Tuy nhiên, trong đề tài thí nghiệm này, tác giả chỉ tập trung xét ảnh hưởng từ lực bám dính thuần túy giữa bê tông và thép tạo ra do quá trình thủy hóa xi-măng Do đó, tác giả dự kiến tải trọng Pth thực tế khi gia tải sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở 2 trường hợp trên

Dự đoán, sự làm việc của mẫu sàn thuộc dạng tương tác một phần, dạng phá hoại của mẫu là dạng phá hoại II, sự phá hoại của mẫu là phá hoại giòn Nhìn chung, khi gia tải đến tải trọng Pth thực tế, mẫu sẽ bị bong, tách rời tấm tôn ra khỏi bề mặt bê tông, do bê tông chịu kéo kém nên sẽ xuất hiện vết nứt và gãy đột ngột tại vị trí xung yếu nhất định, mẫu sàn mất khả năng chịu lực

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.1 Hình ảnh gia tải thí nghiệm đến khi mẫu bị phá hoại và xuất hiện vết nứt

Nhận xét chung:

- Khi gia tải đến mức độ đủ lớn, làm liến kết giữa bê tông và tấm tôn dần dần bong, tách và phá vỡ liên kết, quá trình phá vỡ liên kết giữa bê tông – tấm tôn phát sinh những tiếng nổ từ nhỏ (tiếng Lách tách) cho đến lớn (tiếng Bùng – khi đó mẫu bị phá hủy hoàn toàn)

- Các mẫu khi đạt trạng thái phá hoại, đều xuất hiện vết nứt ở phạm

vi giữa bụng của mẫu, nơi chịu mômen dương lớn nhất Tại 2 vị trí gối tựa không xuất hiện vết nứt

Hình 3.7: Mẫu D-M300-m2 bị phá hoại

Hình 3.8: Vết nứt sau khi mẫu bị phá hoại ở mẫu D-M300-m2

Vết nứt

3.2.3 Nhóm mẫu tôn Deck - M250

Các giá trị đặc trưng của nhóm mẫu sàn thí nghiệm như sau:

3.2.4 Nhóm mẫu tôn Deck – M300

Các giá trị đặc trưng của nhóm mẫu sàn thí nghiệm như sau:

3.3 Tương quan giữa tải trọng và độ võng tại giữa nhịp

Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng P và độ võng ở giữa nhịp của 4 nhóm mẫu sàn (xét cùng bề rộng sàn 1m) được thể hiện như sau:

Các giá trị đặc trưng của 4 nhóm mẫu sàn thí nghiệm như sau:

3.4 Phân tích sự làm việc của mẫu sàn

Có thể nhìn thấy, sự làm việc chung của 4 mẫu thí nghiệm tương đối đồng đều nhau, phù hợp với bản chất nhận định ban đầu về sự làm việc của dạng kết cấu chịu uốn như mẫu thí nghiệm đề ra

Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng P và độ võng ở giữa nhịp của 4 nhóm mẫu sàn (xét cùng bề rộng sàn 1m) có thể chia ra 3 giai đoạn chính:

- Giai đoạn làm việc đàn hồi (đoạn AB): Quan hệ giữa tải trọng và

3.5 Kết luận

- Khả năng chịu trượt dọc thuần túy của mẫu chỉ bằng khoảng 50% khả năng chịu mômen dương tại giữa nhịp và nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng chịu lực cắt đứng tại 2 đầu gối tựa

- Mẫu sàn liên hợp sử dụng tôn lợp mái bị phá hủy đột ngột, tức phá hoại giòn; ngược lại sàn sử dụng tôn Deck chuyên dụng có giai đoạn làm việc dẻo nên đảm bảo độ an toàn

- Với 2 loại tôn lợp mái, với đặc tính tiết diện sóng tôn thấp nên phần thép chịu kéo có cánh tay đòn đến trục trung hòa lớn hơn, do đó phát huy tốt hơn về mặt chịu tải trọng Tuy nhiên, hạn chế về mặt chịu chuyển vị, do bề mặt tôn phẳng nên liên kết bám dính với bê tông thấp,

dễ bị tách rời khi có chuyển vị lớn;

- Với 2 loại tôn sàn Deck chuyên dụng: Phát huy tốt sự làm việc đồng thời giữa bê tông và thép nên đạt được độ võng cho phép lớn hơn

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận văn trình bày kết quả thực nghiệm về sự làm việc khác nhau của kết cấu sàn liên hợp khi sử dụng tôn sàn chuyên Desk và tôn không chuyên dụng (tôn lợp mái) Dựa vào kết quả thực nghiệm, có thể rút

ra những kết luận chính như sau:

- Sự làm việc của sàn liên hợp thép – bê tông cơ bản tuần theo sự làm việc của kết cấu sàn bê tông cốt thép chịu uốn, có thể chia ra thành

3 giai đoạn chính: (1) - Giai đoạn làm việc đàn hồi, (2) - Giai đoạn làm tách dần giữa tôn và bê tông, (3) - Giai đoạn phá hoại

- Trong kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông, sự làm việc đồng thời giữa 2 vật liệu chính này là rất quan trọng, nó quyết định sự làm việc

ổn định và bền vững của kết cấu

- Sàn liên hợp sử dụng tôn lợp mái bị phá hủy đột ngột, tức phá hoại giòn; ngược lại sàn sử dụng tôn Deck chuyên dụng có giai đoạn làm việc dẻo nên đảm bảo độ an toàn

- Kết quả thực nghiệm cho thấy, giá trị tải trọng phá hoại mẫu ứng với khả năng chịu trượt dọc thuần túy của mẫu chỉ bằng khoảng 50% khả năng chịu mômen dương tại giữa nhịp và nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng chịu lực cắt đứng tại 2 đầu gối tựa Từ thực tế này, cho thấy việc bố trí đầy đủ các đinh chống trượt ở 2 đầu gối tựa là rất quan trọng