Tóm tắt: Nghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt Nam

Nghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

Ngô Quý Tuấn

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN DẦM CẦU DỰ ỨNG LỰC SỬ DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO (UHPC) TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông - Xây dựng Cầu hầm

Mã số: 62580205-1

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – Năm 2024

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Bình Hà Người hướng dẫn khoa học 2: TS Lê Bá Danh

Phản biện 1: GS.TS Trần Đức Nhiệm Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh Phản biện 3: TS Đỗ Hữu Thắng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Vào hồi: …… giờ … ngày tháng …năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

1

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-high performance concrete - UHPC) là một sản phẩm bê tông thế hệ mới, thành phần vật liệu chính bao gồm xi măng Poóc lăng, cát nghiền mịn, bột quắc, silica fume, phụ gia siêu dẻo, sợi thép và nước UHPC thể hiện tính chất cơ học vượt trội với cường độ chịu nén lớn hơn 120 MPa , cường độ chịu kéo khi uốn lên đến 50 MPa, cường độ chịu kéo dọc trục từ 6 ÷ 12 MPa , mô đun đàn hồi từ 42 ÷ 55 GPa Ngoài ra, UHPC có độ đặc chắc, tính dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn tốt giúp tăng độ bền và tuổi thọ công trình

UHPC có cường độ chịu kéo cao, vì vậy khi thiết kế uốn, cường độ chịu kéo của UHPC không bỏ qua như đối với bê tông thường Sự lý tưởng hóa đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và nén phục vụ thiết kế kết cấu UHPC là đề tài được các nhà nghiên cứu quan tâm Khi tính toán khả năng chịu uốn dầm UHPC, ứng suất khối Whitmey quen thuộc sử dụng cho kết cấu BTCT truyền thống là không còn phù hợp và được thay thế bằng đường tuyến tính hoặc đường hai đoạn thẳng cho các cấu kiện UHPC Trên thế giới, đã có các tiêu chuẩn và khuyến nghị thiết kế uốn dầm UHPC Trong các tiêu chuẩn này, phương pháp thiết kế uốn dựa trên phân tích mặt cắt sử dụng nguyên lý cân bằng và tương thích biến dạng, đồng thời sử dụng các biểu đồ đường cong UHPC để xác định ứng suất trên tiết diện ngang Việc tính toán sức kháng uốn theo phương pháp này được thực hiện bằng quá trình giải lặp rất phức gây khó khăn cho các kỹ sư thiết kế và các nhà nghiên cứu

Tóm lại, khi nghiên cứu về sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL để áp dụng cho công trình cầu tại Việt Nam cần giải quyết những vấn đề sau: cần xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng cho loại vật liệu UHPC chế tạo tại Việt Nam để thiết kế uốn dầm cầu; cần có công thức tính sức kháng uốn dầm UHPC DƯL được lập dựa trên biểu đồ phân bố ứng suất khối chữ nhật tương đương bao gồm cả vùng ứng suất kéo, tương tự như với bê tông thông thường trong tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017; cần có một mô hình số phù hợp để mô phỏng khả năng chịu uốn dầm UHPC DƯL phục vụ nghiên cứu về uốn trong điều kiện nghiên cứu thực nghiệm đang còn hạn chế như hiện nay

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, với mong muốn cung cấp thêm các cơ sở khoa học phục vụ thiết kế uốn dầm cầu UHPC DƯL tại Việt Nam, nghiên cứu

sinh đã thực hiện đề tài nghiên cứu Tiến sĩ là: “Nghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt Nam”

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm UHPC DƯL sử dụng vật liệu sẵn có trong nước, phục vụ ứng dụng cho kết cấu nhịp cầu tại Việt Nam

2

3 Mục tiêu nghiên cứu

(1) Nghiên cứu tính chất cơ học UHPC sử dụng thành phần vật liệu và công nghệ trong nước được chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời đề xuất các đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và khi nén phục vụ thiết kế uốn

(2) Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL, từ đó đề xuất phương pháp và công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL

(3) Xây dựng cơ sở lý thuyết và mô hình số dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó đề xuất phương pháp mô hình số phù hợp để mô phỏng ứng xử vật liệu UHPC Có thể sử dụng mô hình số này để khảo sát các kết cấu nhịp UHPC DƯL

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn được chế tạo từ các vật liệu thành phần sẵn có trong nước

Phạm vi nghiên cứu:

(1) Các tính chất cơ học bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và ứng xử khi kéo, nén của UHPC được chế tạo tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

(2) Nghiên cứu về sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL ở trạng thái giới hạn cường độ

(3) Phương pháp mô hình số mô phỏng ứng xử uốn dầm đơn sử dụng phương pháp PTHH trong không gian 3 chiều

5 Phương pháp nghiên cứu

(1) Phương pháp nghiên cứu tài liệu: sử dụng để nghiên cứu tổng quan tài liệu nhằm kế thừa, tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu UHPC đã được công bố thời gian gần đây Đồng thời, phương pháp này cũng phục vụ nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn dầm UHPC DƯL

(2) Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: sử dụng để xác định các tính chất cơ học vật liệu UHPC và đánh giá ứng xử khi uốn và sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL

(3) Phương pháp mô hình số PTHH: sử dụng để mô hình hoá các ứng xử vật liệu UHPC cho các mẫu thí nghiệm cơ học vật liệu và mẫu dầm UHPC DƯL

(4) Phương pháp xử lý thông tin: các thông tin định tính và định lượng được xử lý nhằm tìm ra các quy luật và các mối quan hệ phục vụ phân tích, so sánh kết quả nghiên cứu

6 Nội dung chính nghiên cứu

(1) Nghiên cứu tổng quan về UHPC DƯL trên thế giới và ở Việt Nam (2) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén cho UHPC sử dụng thành phần vật liệu ở Việt Nam để phục vụ tính toán sức kháng uốn của dầm cầu

3

(3) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất dạng khối chữ nhật tương đương, từ đó đề xuất công thức tính sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL

(4) Nghiên cứu mô hình số bằng phương pháp PTHH để mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả thực nghiệm Từ đó, có thể sử dụng mô hình số để nghiên cứu ứng xử uốn của dầm trong điều kiện hạn chế về số liệu thực nghiệm

(5) Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế uốn cho một dạng kết cấu dầm cầu UHPC DƯL cụ thể

7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

- Luận án đã xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL

- Luận án đã xây dựng cơ sở mô hình số đánh giá khả năng chịu uốn dầm UHPC DƯL Có thể dùng mô hình số này để tiếp tục nghiên cứu, thiết kế dầm

UHPC DƯL

Ý nghĩa thực tiễn:

- Luận án đã cung cấp cơ sở dữ liệu về các chỉ tiêu cơ học vật liệu UHPC phục vụ thiết kế chịu uốn dầm UHPC DƯL trên cơ sở vật liệu thành phần ở Việt Nam

- Đề xuất cơ sở lý thuyết về tính toán sức kháng uốn, cơ sở lý thuyết về mô hình số dầm UHPC DƯL phục vụ thiết kế nhịp cầu qua đó góp phần thúc đẩy việc ứng dụng loại vật liệu này cho kết cấu cầu tại Việt Nam

8 Những đóng góp mới của luận án

(1) Luận án đã xây dựng mô hình đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén và kéo cho UHPC có sử dụng thành phần vật liệu trong nước chế tạo tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội để xác định khả năng chịu uốn của dầm cầu UHPC DƯL tại Việt Nam

(2) Luận án đề xuất và xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất khối hình chữ nhật tương đương để tính sức kháng uốn của dầm cầu UHPC DƯL, với cạnh hình chữ nhật được thể hiện thông qua các hệ số quy đổi hình khối ứng suất (𝛼1, 𝛽1, 𝛽2) được biểu diễn bằng các công thức dưới đây:

𝛼1= 1.2132 − 0.00345𝑓𝑐′; 𝛽1= 0.795 − 0.0005𝑓𝑐′; 𝛽2= 0.5 + 2279.9𝑒(−𝑓𝑐′⁄13.9)

(3) Luận án đã lập công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL cho tiết diện chữ T tổng quát được thể hiện theo biểu thức sau:

(4) Luận án đã đề xuất mô hình số ứng xử dầm UHPC DƯL phục vụ nghiên cứu, thiết kế và ứng dụng trong thực tiễn

4

(5) Luận án đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng UHPC có thành phần vật liệu trong nước cho kết cấu cầu, kết quả theo điều kiện sức kháng uốn và độ võng, chiều cao dầm tiết diện chữ I nhịp giản đơn dài 42 m khi sử dụng UHPC DƯL có chiều cao 1,1m so với 1,6m khi sử dụng dầm BT DƯL thông thường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO CHO KẾT

CẤU NHỊP CẦU 1.1 Tổng quan về vật liệu UHPC

1.1.1 Khái niệm vật liệu UHPC

Vật liệu UHPC là một sản phẩm bê tông thế hệ mới, thành phần vật liệu chính bao gồm xi măng Poóc lăng, cát nghiền mịn, bột quắc, silica fume, phụ gia siêu dẻo, sợi thép và nước UHPC thể hiện tính chất cơ học vượt trội với cường độ chịu nén lớn hơn 120 MPa , cường độ chịu kéo khi uốn lên đến 50 MPa , cường độ chịu kéo dọc trục từ 6 ÷ 12 MPa , mô đun đàn hồi từ 42 ÷ 55 GPa Ngoài ra, UHPC có độ đặc chắc, tính dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn tốt giúp tăng độ bền và tuổi thọ công trình

1.1.2 Các nguyên tắc chế tạo và ưu, nhược điểm của UHPC 1.1.3 Sự hình thành và phát triển của vật liệu UHPC 1.1.4 Thành phần vật liệu chế tạo UHPC

Thành phần vật liệu chế tạo UHPC bao gồm : xi măng, cát nghiền mịn, cát quắc (quartz sand), silica fume và các hỗn hợp phụ gia khoáng khác, sợi thép, phụ gia siêu dẻo Việc loại bỏ cốt liệu thô có thể cải thiện độ đồng nhất và cấu trúc bên trong của UHPC Độ đặc chắc cao của UHPC được cải thiện nhờ sử dụng cát nghiền mịn, cát quắc và silica fume làm giảm độ rỗng trong UHPC Ngoài ra, sợi thép chịu ứng suất kéo có tác dụng làm chậm sự xuất hiện các vết nứt trong bê tông Để giảm lượng nước và tăng cường độ, một lượng lớn phụ gia siêu dẻo được thêm vào, nhưng cần sử dụng hàm lượng hợp lý tránh làm chậm quá trình đông kết của bê tông

1.2 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC trên thế giới 1.3 Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC ở Việt Nam

1.4 Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng cầu trên thế giới

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng vật liệu UHPC cho công trình cầu ngày càng phổ biến ở nhiều khu vực trên thế giới Vật liệu UHPC ứng dụng vào công trình cầu chủ yếu tập trung vào kết cấu nhịp như dầm cầu, các mối nối liên kết dầm cầu, bản mặt cầu để tăng tính toàn khối và liên tục hóa kết cấu nhịp, tăng chiều dài nhịp, giảm chiều cao kết cấu

1.4.1.1 Ứng dụng UHPC cho cấu kiện dầm cầu

Kết quả tổng hợp trên cho thấy, xu hướng ứng dụng UHPC cho kết cấu dầm chịu lực đang trở nên phổ biến với các mục tiêu chính: cải thiện chất lượng và

5

độ bền kết cấu, giảm chiều cao dầm để kết cấu trở nên thanh mảnh, giảm trọng lượng kết cấu và phát huy tính hiệu quả của vật liệu, tăng khả năng chống chọi với thời tiết và môi trường, giảm chi phí phần móng, chi phí lắp dựng, chi phí bảo trì và chi phí vòng đời công trình

1.4.1.2 Ứng dụng UHPC trong các mối nối cầu 1.4.1.3 Ứng dụng UHPC trong lớp phủ mặt cầu 1.4.1.4 Ứng dụng UHPC cho cầu nhịp lớn

1.4.2 Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC cho công trình cầu tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu trên cho thấy, tiềm năng sử dụng vật liệu UHPC đã và đang được khẳng định trong xây dựng công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam Trong đó, việc ứng dụng UHPC cho công trình cầu ở Việt Nam có tính khả thi cao nhờ vào nguồn trữ lượng vật liệu chế tạo rất dồi dào và đa dạng Hiện nay, đã có một số doanh nghiệp trong nước được chuyển giao công nghệ và bước sản xuất thương mại sản phẩm UHPC, có thể kể đến là Công ty TNHH Đầu tư và Xây dựng Thành Hưng, Công ty TNHH một thành viên bê tông Xuân Mai, Công ty Cổ phần BETON6, Công ty cổ phần bê tông ly tâm Thủ Đức 1 Tuy vậy, việc phát triển ứng dụng chưa được mở rộng do thiếu lý thuyết tính toán kết cấu, chưa ban hành các tiêu chuẩn về thiết kế, thi công và nghiệm thu đồng thời chưa có định mức vật liệu

1.5 Tổng quan nghiên cứu phương pháp xác định sức kháng uốn dầm UHPC

Hiện nay, xác định sức kháng uốn dầm UHPC đều dựa trên phương pháp phân tích mặt cắt sử dụng nguyên lý cân bằng và tương thích biến dạng Mặt cắt ngang của dầm được chia thành các lớp theo chiều cao dầm (Hình 1.8 và 1.9) Ứng suất kéo và nén tại mỗi lớp được tính toán bằng cách giả thiết rằng mặt phẳng tiết diện vẫn là một mặt phẳng tại độ cong cho trước Chiều cao trục trung hòa được tính từ điều kiện cân bằng lực theo ngang Mô men kháng uốn được xác định bằng cách lấy tổng mô men trên tiết diện ngang Quá trình tính toán được lặp lại cho đến khi biến dạng của thanh cốt thép đạt đến giới hạn

(a) (b) (c)

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ứng suất và biến dạng: (a) tiết diện, (b) biểu đồ phân bố biến dạng, (c) biểu đồ phân bố ứng suất

6

(a) (b) (c) (d)

Hình 1.2 Mô hình phân tích tiết diện nhiều lớp: (a) phân lớp tiết diện lý tưởng, (b) biểu đồ phân bố biến dạng lý tưởng, (c) biểu đồ phân bố ứng suất lý tưởng,

(d) sự cân bằng lực trên tiết diện

1.6 Tổng quan nghiên cứu các dạng đường quan hệ ứng suất – biến dạng áp dụng cho thiết kế uốn dầm UHPC

1.6.1 Hiệp hội kỹ sư dân dụng Nhật Bản (JSCE) 1.6.2 Hướng dẫn thiết kế K-UHPC của Hàn Quốc 1.6.3 Hiệp hội đường bộ Hoa Kỳ (FHWA)

1.6.4 Chỉ dẫn thiết kế dầm UHPC DƯL của Ductal

1.6.5 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu UHPC của Hiệp hội xây dựng Pháp 1.7 Nghiên cứu phương pháp phân tích ứng xử dầm UHPC bằng mô hình số

Hiện nay, trên thế giới, việc mô hình các dầm UHPC có thể thực hiện trên các phần mềm phần tử hữu hạn thương mại như phần mềm ABAQUS của hãng Dassault Systemes hoặc phần mềm ANSYS APDL của hãng ANSYS, Inc Tuy nhiên, việc lựa chọn mô hình vật liệu phù hợp để phản ánh các ứng xử cơ học của UHPC vẫn là vấn đề gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu

1.8 Nhận xét rút ra từ nghiên cứu tổng quan và đề xuất nghiên cứu

Bên cạnh những thành tựu đạt được trên, việc nghiên cứu và ứng dụng UHPC vẫn còn tồn tại một số vấn đề sau:

(1) Khi tính toán sức kháng uốn dầm UHPC, ứng suất khối chữ nhật tương đương Whitmey quen thuộc sử dụng cho kết cấu bê tông cốt thép thông thường không còn phù hợp và được thay thế bằng đường tuyến tính hoặc đường hai đoạn thẳng cho các cấu kiện UHPC Đồng thời, để tính toán sức kháng uốn của dầm UHPC, cần phải có các mô hình cơ học vật liệu được lý tưởng và đơn giản hoá để phục vụ tính toán

(2) Các nhà nghiên cứu, khuyến nghị thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế đã đề xuất đường quan hệ ứng suất – biến dạng đơn giản hoá phục vụ thiết kế uốn cho dầm UHPC Tuy nhiên, giá trị các đường quan hệ ứng suất – biến dạng của UHPC phụ thuộc vào nhóm đặc trưng vật liệu và phải được rút ra từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm

(3) Quá trình tính toán sức kháng uốn của dầm được thực hiện bằng phương pháp phân tích mặt cắt sử dụng nguyên lý cân bằng và tương thích biến dạng Trong đó, sử dụng đường quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu UHPC để xác

7

định ứng suất trên tiết diện ngang Sức kháng uốn thu được thông qua phép tính lặp rất phức tạp đã gây khó khăn cho các kỹ sư thiết kế khi tính toán sức kháng uốn dầm UHPC

(4) Việc mô hình số kết cấu UHPC dự ứng lực vẫn còn một số hạn chế do mô hình vật liệu sử dụng cho bê tông thông thường là không phù hợp với vật liệu UHPC

(5) Tiềm năng sử dụng vật liệu UHPC đã và đang được khẳng định trong xây dựng công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam Trong đó, việc ứng dụng UHPC cho công trình cầu ở Việt Nam có tính khả thi cao nhờ vào nguồn trữ lượng vật liệu chế tạo rất dồi dào và đa dạng Tuy vậy, việc phát triển ứng dụng chưa được mở rộng do thiếu lý thuyết tính toán kết cấu, chưa ban hành các tiêu chuẩn về thiết kế, thi công và nghiệm thu đồng thời chưa có định mức vật liệu

Để phục vụ nghiên cứu ứng dụng vật liệu UHPC cho kết cấu nhịp cầu tại Việt Nam, nội dung nghiên cứu cụ thể của luận án tiến sĩ như sau:

(1) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén cho UHPC sử dụng thành phần vật liệu ở Việt Nam để phục vụ tính toán sức kháng uốn của dầm cầu

(2) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất dạng khối chữ nhật tương đương, từ đó đề xuất công thức tính sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL phục vụ thiết kế uốn dầm cầu

(3) Nghiên cứu mô hình số bằng phương pháp PTHH để mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả tính toán, kết quả thực nghiệm Từ đó, có thể sử dụng mô hình số để nghiên cứu ứng xử uốn của dầm trong điều kiện hạn chế về số liệu thực nghiệm

(4) Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế uốn cho một dạng kết cấu dầm cầu UHPC DƯL cụ thể

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mục đích của chương này là trình bày các cơ sở lý thuyết và mô tả phương pháp giải quyết các vấn đề nghiên cứu, nội dung chính bao gồm:

(1) Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén cho vật liệu UHPC Kết quả của nghiên cứu phục vụ tính toán sức kháng uốn và mô hình số ứng xử khi uốn của dầm UHPC

(2) Cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL Kết quả nghiên cứu nhằm đề xuất công thức tính sức kháng uốn dầm cầu UHPC tại Việt Nam

(3) Phương pháp mô hình số PTHH để mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả tính toán sức kháng uốn, kết quả nghiên cứu thực nghiệm Kết quả nghiên cứu nhằm mục đích đề xuất phương pháp mô hình số phù hợp cho kết cấu UHPC DƯL, phục vụ nghiên cứu ứng xử uốn của dầm trong điều kiện hạn chế về số liệu thực nghiệm

2.1 Nghiên cứu thực nghiệm

8

Về vật liệu nghiên cứu, luận án tiến sĩ này sử dụng loại vật liệu UHPC được nghiên cứu và phát triển tại trường Đại học Xây dựng Hà Nội (NUCE-UHPC) Với thành phần chính được lấy từ các loại cốt liệu trong nước ngoại trừ cốt sợi thép và phụ gia siêu dẻo (Superplasticizer – SP) gốc Polycarboxylate được nhập khẩu Thành phần vật liệu trong 1m3 UHPC được trình bày ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần vật liệu NUCE-UHPC

Thành phần vật liệu cho 1m3 NUCE-UHPC (kg)

Sợi thép Cát nghiền Xi măng SF GGBFS SP Nước

2.2 Cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng VL UHPC tại Việt Nam

Trong luận án này, NCS sẽ trình bày chi tiết phương pháp và kết quả xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng cho vật liệu UHPC tại Việt Nam được phát triển tại trường Đại học Xây dựng Hà Nội theo tiêu chuẩn của Hiệp hội xây dựng Pháp NF P18-710 Số liệu đầu vào phục vụ nghiên cứu được kế thừa từ kết quả thí nghiệm thuộc chương trình nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao trong xây dựng cầu quy mô nhỏ và trung bình”, cụ thể như sau:

2.2.1 Đường quan hệ ứng suất - biến dạng nén

Dạng của đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén lý tưởng phục vụ thiết kế kết cấu UHPC được trình bày ở Hình 2.3

2.2.2 Đường quan hệ ứng suất - biến dạng kéo

Việc xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo của UHPC phụ thuộc vào nhóm vật liệu UHPC và loại cấu kiện dày hay cấu kiện mảnh Do đề tài đang nghiên cứu áp dụng cho kết cấu dầm cầu nên loại cấu kiện thuộc dạng cấu kiện dày, dạng đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo được trình bày ở Hình 2.4

Hình 2.1 Dạng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén

Hình 2.2 Dạng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo

Từ dạng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC, dựa trên kết quả số liệu thí nghiệm trên các mẫu uốn thu được, để xác định các tham số trên đường cong theo tiêu chuẩn của Hiệp hội xây dựng Pháp NF P18-470

9

2.2.2.1 Xử lý số liệu kết quả thử nghiệm uốn bốn điểm 2.2.2.2 Xử lý số liệu kết quả thử nghiệm uốn ba điểm

2.3 Cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL

Việc xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL tương tự như công thức xác định sức kháng uốn theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017 dựa trên biểu đồ phân bố ứng suất khối chữ nhật tương đương là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay hầu hết đều sử dụng phương pháp phân tích mặt cắt đã gây khó khăn trong việc thiết kế uốn

2.3.1 Các giả thiết tính toán

2.3.2 Phương pháp xây dựng biểu đồ ứng suất khối chữ nhật tương đương trên tiết diện ngang và lập công thức xác định sức kháng uốn

Giới hạn khả năng chịu uốn của dầm được xác định khi biến dạng kéo cốt thép ở vùng chịu kéo đạt đến giá trị biến dạng tương ứng với cường độ chảy quy định của cốt thép (đối với cốt thép dự ứng lực giá trị này từ 0,005 đến 0,01) ngay khi bê tông chịu nén đạt đến biến dạng giới hạn là 0,003

Để đơn giản trong việc tính toán sức kháng uốn dầm UHPC DƯL, sự phân bố ứng suất kéo và nén được quy đổi thành các khối ứng suất chữ nhật tương đương như trình bày ở Hình 2.6 Trong đó: ứng suất nén phân bố dạng khối chữ nhật có chiều rộng theo phương ứng suất nén là 𝛼1𝑓𝑐′, chiều cao khối ứng suất là 𝛽1𝑑𝑛; ứng suất kéo phân bố dạng khối chữ nhật có chiều rộng theo phương ứng suất kéo là 𝑓𝑡, chiều cao khối ứng suất là 𝛽2(ℎ − 𝑑𝑛)

(a) biến dạng (b) biểu đồ ứng suất lý thuyết (c) ứng suất khối tương đương Hình 2.3 Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên tiết diện ngang dầm ở trạng

thái giới hạn khả năng chịu uốn dầm UHPC

Tổng lực nén do phần bê tông ở vùng chịu nén (C) được trình bày theo công

10

Từ kết quả phân tích lực và vị trí trục trung hoà ta tiến hành giải hệ phương trình và xác định được các giá trị hệ số quy đổi khối ứng suất 𝛼1, 𝛽1, 𝛽2

Sau khi xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất khối chữ nhật tương đương, dựa trên các phương trình cân bằng lực và mô men trên tiết diện ngang ta xây dựng được công thức tính toán vị trí trục trung hòa 𝑑𝑛 và công thức xác định sức kháng uốn 𝑀𝑛 của dầm UHPC DƯL

2.4 Phương pháp mô hình số phần tử hữu hạn mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL

Mô hình số phần tử hữu hạn nhằm mục đích mô phỏng các ứng xử chịu uốn của mẫu dầm thử nghiệm UHPC DƯL Phương pháp này hiện đang được sử dụng rất phổ biến để khắc phục các điều kiện khó khăn khi phải tiến hành thực nghiệm trên các mẫu thử với số lượng và kích thước lớn Mô hình số được thực hiện trên phần mềm Ansys APDL phiên bản 2019 Hai mẫu dầm thực nghiệm UHPC DƯL lần lượt được mô phỏng, kết quả sau đó sẽ được so sánh với số liệu thực nghiệm Cuối cùng sẽ lựa chọn một mô hình số phù hợp nhất

2.4.1 Mô hình hóa vật liệu UHPC

2.4.1.1 Bề mặt Drucker – Prager trong kéo 2.4.1.2 Bề mặt phá hoại kéo Rankine 2.4.1.3 Bề mặt Drucker – Prager trong nén

2.4.1.4 Mô hình ứng xử hóa cứng, hóa mềm và độ nở (HSD)

2.4.2 Mô hình hóa vật liệu cốt thép dự ứng lực 2.4.3 Phần tử sử dụng để mô hình hóa kết cấu UHPC

Kết quả nghiên cứu của Chương 2 đã trình bày cụ thể cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu bao gồm:

(1) Phương pháp xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén cho vật liệu UHPC Kết quả của nghiên cứu phục vụ tính toán sức kháng uốn và mô hình số ứng xử khi uốn của dầm UHPC

(2) Phương pháp xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL Kết quả nghiên cứu nhằm đề xuất công thức tính sức kháng uốn dầm cầu UHPC

(3) Phương pháp mô hình số PTHH để mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả nghiên cứu thực nghiệm Kết quả mô hình số phục vụ nghiên cứu ứng xử uốn của dầm trong điều kiện hạn chế về số liệu thực nghiệm

11

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG ĐƯỜNG QUAN HỆ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN

DẦM CẦU UHPC DƯL

3.1 Xử lý số liệu thí nghiệm uốn để xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng

3.2 Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC phục vụ thiết kế

Đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và khi nén được xây dựng đơn giản hoá dựa vào tiêu chuẩn chế tạo và thí nghiệm vật liệu UHPC của Hiệp hội xây dựng Pháp NF P18-470 Nội dung cụ thể của phương pháp được trình bày ở Chương 2, kết quả đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và nén được trình bày dưới đây:

3.2.1 Quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC

Đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC được xây dựng trên cơ sở kết quả thí nghiệm trên mẫu nén hình trụ tròn Kết quả các thông số đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC phục vụ thiết kế được trình bày ở Hình 3.5

3.2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC

Đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC được xây dựng trên cơ sở kết quả thí nghiệm trên mẫu uốn tiêu chuẩn Kết quả các thông số đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC phục vụ thiết kế được trình bày ở Hình 3.6

Hình 3.1 Đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC

Hình 3.2 Đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC

Từ kết quả đường quan hệ ứng suất nén và đường quan hệ ứng suất kéo, ta có biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén đồng thời của UHPC được trình bày ở Hình 3.7 dưới đây: