Đây là một vật liệu quá phổ biến và được sử dụng thường xuyên đến mức hầu hết các kỹ sư không suy nghĩ sâu về nó. Đối với hầu hết chúng ta, đó chỉ là một vật liệu cần đáp ứng các thông số yêu cầu trong nhiều hình dạng khác nhau. Nhưng khi làm việc với nó, bạn có bao giờ tự hỏi nó xuất phát từ quốc gia nào không? Hay lịch sử của một vật liệu mà nếu không có nó, nhiều công trình nổi tiếng thế giới sẽ không bao giờ được xây dựng ngay từ đầu?
Trong bài viết này, hãy để chúng ta gác lại những vấn đề kỹ thuật phức tạp, thiết kế và đánh giá kết cấu, phân tích tải trọng, và việc áp dụng các tiêu chuẩn. Hãy cùng nhau thực hiện một chuyến du hành ngắn vào lịch sử và xem vật liệu này đến từ đâu, nguồn gốc của nó và cách nó phát triển để tạo ra một lượng đáng kinh ngạc các công trình có mục đích và đáng ngưỡng mộ.
Như tên gọi cho thấy, bê tông cốt thép ban đầu bao gồm hai thành phần thiết yếu: sắt và bê tông. Trước khi thảo luận về bê tông cốt thép, hãy cùng nhìn nhanh vào bê tông. Vật liệu này đã được nhân loại biết đến hơn 2000 năm.
Những lợi ích của bê tông đã được người La Mã (một số người cho là người Ai Cập) sử dụng từ rất sớm. Một số công trình họ xây dựng bằng vật liệu này vẫn còn đứng vững đến ngày nay. Một ví dụ điển hình là mái vòm nguyên khối lớn nhất thế giới tại đền Pantheon ở Rome (hình ảnh bên dưới), được xây dựng bằng công nghệ bê tông đổ tại chỗ vào thế kỷ thứ hai sau Công nguyên. Đây không phải là ví dụ duy nhất về việc áp dụng bê tông sớm: có nhiều công trình tương tự trên thế giới.
Do đó, thật đáng ngạc nhiên khi ý tưởng gia cường bê tông bằng các cấu kiện sắt không xuất hiện cho đến thế kỷ XIX. Với một chút phóng đại, giai đoạn này có thể được gọi là thời kỳ Phục hưng Kỹ thuật. Ngoài bê tông cốt thép, việc sử dụng thép cũng đã cách mạng hóa ngành thi công. Thép bắt đầu xuất hiện trên quy mô rộng hơn dưới dạng các cấu kiện chịu lực chỉ một thời gian ngắn trước khi bê tông cốt thép ra đời.
Vào thế kỷ XIX, một số nhà tiên phong đã thử nghiệm với bê tông cốt thép. Trong số những người đầu tiên và quan trọng nhất là người Anh William Boutland Wilkinson, người đã thử nghiệm các giải pháp chống cháy trong thi công các tòa nhà. Năm 1854, ông đã sử dụng thanh thép và dây cáp để gia cường bê tông trong việc xây dựng một ngôi nhà cho người hầu của mình. Ông đã đăng ký bằng sáng chế cho một giải pháp đã được chứng minh là thành công.
Một nhà tiên phong khác là nhà công nghiệp người Pháp François Coignet, người đầu tiên xây dựng một tòa nhà bốn tầng làm hoàn toàn bằng bê tông cốt thép tại thị trấn Saint-Denis của Pháp vào năm 1853. Ông cũng đã đăng ký bằng sáng chế cho giải pháp của mình vào năm 1855.
"Tổ tiên" đầu tiên của bê tông cốt thép như chúng ta biết ngày nay, kết hợp hiệu quả những ưu điểm tốt nhất của cả hai vật liệu, tức là khả năng chịu nén của bê tông thông thường với khả năng chịu kéo của sắt, có thể được cho là bắt đầu từ năm 1867. Vào thời điểm đó, một người làm vườn người Pháp, Joseph Monier (hình ảnh bên dưới) đang tìm kiếm vật liệu thay thế cho các chậu đất sét và gỗ. Ông đã thử làm chậu bằng bê tông, nhưng chúng bị nứt - vì vậy, ông đã cố gắng tìm cách làm cho chúng đủ bền.
Ông đã nghĩ ra ý tưởng sử dụng một kết cấu sắt đơn giản, sau đó phủ bê tông lên trên. Kết quả vượt quá mọi kỳ vọng, và Joseph Monier đã đăng ký bằng sáng chế cho giải pháp của mình vào ngày 16 tháng 7 năm 1867.
Ông thậm chí đã trưng bày phát minh của mình tại Triển lãm Paris năm đó, nơi giải pháp của ông đã gặt hái được thành công lớn. Chính vào tháng 7 năm nay (2022), bằng sáng chế này đã kỷ niệm 155th năm.
Bê tông cốt thép sau đó đã bùng nổ trong toàn ngành thi công ở thế giới hiện đại. Nó đã lan rộng sang Hoa Kỳ trước khi kết thúc thế kỷ.
Nó nhanh chóng trở thành một vật liệu được sử dụng trong tất cả các loại công trình - từ đường sá, nhà ở đến các công trình hoành tráng tại các đô thị lớn nhất thế giới. Song song với sự mở rộng này, các yêu cầu về tính năng của nó cũng ngày càng tăng. Bê tông, với tư cách là thành phần thiết yếu, đã trải qua một quá trình tiến hóa mang tính cách mạng qua nhiều năm. Các kỹ sư đã thử nghiệm với thành phần và tải trọng, các mác bê tông mới đã được tạo ra, và khả năng sử dụng trong các môi trường khác nhau đã được mở rộng.
Do đó, cũng như công nghệ sản xuất bê tông đã phát triển và các tính năng của nó đã được cải thiện, sự tiến hóa tương tự cũng đã xảy ra đối với các phương pháp tính toán kết cấu bê tông.
Mỗi kết cấu đều chứa các vùng B và D, được đặc trưng bởi cách tiếp cận thiết kế khác nhau.
Vùng B là gì?
Vùng B có thể được định nghĩa là các vùng trong đó giả thuyết Bernoulli-Navier có hiệu lực, giả định rằng một mặt cắt ngang phẳng trước khi biến dạng vẫn phẳng sau khi biến dạng. Đối với các vùng như vậy, giải pháp và đánh giá được đưa ra trong các tiêu chuẩn có thể được sử dụng một cách an toàn. IDEA StatiCa RCS và IDEA StatiCa Beam cung cấp các giải pháp cho vùng B, nơi lý thuyết dầm có hiệu lực.
Vùng D là gì?
Những nơi mà giả thuyết Bernoulli-Navier không có hiệu lực được gọi là vùng gián đoạn hoặc vùng lỗi: các vùng D (vùng gián đoạn). Đây là các vùng đặt gối, xung quanh các dầm đơn, các vị trí thay đổi đột ngột về mặt cắt ngang, lỗ hổng, v.v. Trong thiết kế kết cấu bê tông, chúng ta gặp nhiều vùng D khác như tường, dầm cầu, công xôn ngắn, v.v.
Mặc dù đã có sự phát triển của một số công cụ tính toán trong vài thập kỷ qua, phương pháp mô hình thanh chống - giằng vẫn được sử dụng trong các tính toán thủ công. Tuy nhiên, việc áp dụng nó cho các kết cấu thực tế tốn nhiều thời gian, vì phải thực hiện nhiều lần lặp và cũng cần xem xét nhiều trường hợp tải trọng. Hơn nữa, phương pháp này không phù hợp để kiểm tra các tiêu chí trạng thái giới hạn sử dụng (biến dạng, bề rộng vết nứt, ...).
Những thách thức này và các thách thức tương tự liên quan đến phân tích kết cấu bê tông đã khiến các công ty hợp tác với giới học thuật. IDEA StatiCa đã theo cùng cách tiếp cận đó, và, trong sự hợp tác với ETH Zurich, IDEA StatiCa đã phát triển và kiểm tra kỹ lưỡng một phương pháp gọi là Phương pháp trường ứng suất tương thích (CSFM) để thiết kế các vùng gián đoạn.
Phương pháp này được triển khai trong ứng dụng IDEA StatiCa Concrete và dựa trên việc triển khai máy tính của mô hình trường ứng suất, sử dụng các tính chất vật liệu cơ bản được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế bê tông. CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích) khắc phục những hạn chế của các phương pháp cổ điển và có thể được coi là một phương pháp tương tự giàn tổng quát hóa, nhưng trong đó các vùng thực sự chịu ứng suất được xem xét thay vì các lực hợp lực.
Bê tông và bê tông cốt thép do đó đã trở thành một vật liệu mà việc sử dụng nó thường được tiến hành trước bởi các phân tích phức tạp. Những nhà tiên phong ban đầu đã thử nghiệm với nó chắc chắn không thể đoán được họ đã đặt nền móng rộng lớn như thế nào cho ngành công nghiệp và ngành thi công sử dụng bê tông cốt thép sẽ phát triển đến mức nào.
Tương lai của bê tông cốt thép là gì? Theo Giáo sư Kolísko, Giám đốc Viện Klokner tại Prague, bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi và là vật liệu dễ sử dụng đến mức chúng ta không thể mong đợi sự thay thế của nó trong thời gian sớm. Tuy nhiên, sẽ có sự tối ưu hóa thường xuyên hơn các kết cấu bê tông liên quan đến việc sử dụng xi măng tiết kiệm hơn, vốn là một yếu tố đóng góp đáng kể vào cái gọi là dấu chân carbon.
Tương lai chắc chắn sẽ nằm ở UHPC (bê tông cường độ cực cao), vốn đã được thử nghiệm và cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn trong việc tối ưu hóa kết cấu bê tông.
Chúng tôi vui mừng khi ứng dụng IDEA StatiCa của chúng tôi và các ứng dụng khác sẽ là một phần của câu chuyện này. Trong nhiều năm qua, chúng tôi đã giúp các kỹ sư trên toàn thế giới thiết kế và tối ưu hóa các kết cấu thép và bê tông, tiết kiệm thời gian trong việc thiết kế và kiểm tra tiêu chuẩn bất kỳ cấu kiện bê tông nào.
... Bạn có biết rằng tàu hàng cũng đã được thiết kế từ bê tông cốt thép không? Nhưng chúng ta sẽ nói thêm về điều đó vào lần sau.
Tham gia cùng 10.000 kỹ sư đồng nghiệp và nhận các mẹo kỹ thuật chuyên sâu trực tiếp vào hộp thư của bạn.
Đăng ký nhận bản tin
