Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THỊ LÝ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Đặc biệt Mã số: 9.58.02.06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2022 download by : skknchat@gmail.com Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Duy Anh TS Đào Văn Dinh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin-Thư viện, Đại học GTVT download by : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén lớn cường độ chịu kéo nhỏ Ngoài việc tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo bê tông cần cải thiện để tăng khả chịu lực cho cấu kiện bê tông bê tông cốt thép Để tăng cường độ chịu kéo cho bê tông người ta thường sử dụng loại cốt sợi phân tán thành phần cốt liệu hỗn hợp bê tông Cốt sợi thép (CST) loại cốt sợi sử dụng phổ biến Cốt sợi thép có vai trị làm tăng cường độ chịu kéo cho bê tông bê tơng cường độ cao Từ tăng đóng góp miền chịu kéo cho sức kháng cắt dầm BTCST Để tăng cường khả chịu cắt cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) sử dụng cốt thép đai, cốt thép xiên truyền thống, loại cốt làm từ vật liệu như: cốt đai composite, cốt sợi bon, dán bon… áp dụng Các cốt thép tăng cường sức kháng cắt cho dầm đáng kể, nhiên sử dụng thép gia cường khả chịu cắt cho dầm gặp phải số vấn đề như: Chỉ tăng cường khả chịu lực theo hướng cốt thép; sử đường kính lớn dính bám khơng tốt, khoảng cách cốt q gần dẫn đến khó thi cơng lắp dựng, khó đổ bê tơng, chi phí sản xuất tốn kém… sử dụng sợi thép phân tán đưa vào pha bê tông tăng khả chịu cắt cho dầm xu Nghiên cứu ứng xử cắt dầm bê tông cốt sợi thép (BT CST) nhiều nhà khoa học giới quan tâm Ứng xử cắt dầm BTCST vấn đề phức tạp Sự phá hoại cắt có nguồn gốc từ vết nứt nghiêng nguyên nhân khơng lực cắt mà cịn kết hợp lực cắt với mô men uốn, mô men xoắn lực dọc trục Sự phá hoại cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố kích thước, đặc trưng hình học, tác động tải trọng đặc trưng cấu tạo vật liệu kết cấu Việc nghiên cứu ứng xử cắt dầm BT CST cách toàn diện giúp nhà khoa học đưa mơ hình tính tốn cách xác Đặc biệt, nghiên cứu ứng xử cắt dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐC CST) có sử dụng cốt đai đề tài phức tạp chưa có nhiều nghiên cứu Các chủ đề ứng xử cắt dầm BTCĐC CST cần quan tâm nhiều Xuất phát từ thực tế đó, luận án đề xuất thực đề tài với tên gọi: “Nghiên cứu ứng xử cắt dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép” download by : skknchat@gmail.com 2 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết ứng xử cắt dầm BTCT BTCST nói riêng từ lựa chọn mơ hình bán thực nghiệm phù hợp với tính tốn cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai - Nghiên cứu xây dựng công thức dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST, khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới sức kháng cắt dầm BT CĐCCST - Đưa trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST chịu tải trọng thiết kế tiêu chuẩn Thiết kế cầu đường TCVN 11823-2017 - Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng công thức đề ra, nghiên cứu dạng phá hoại cắt dầm BTCĐC CST nghiên cứu biến dạng cốt thép dọc, cốt thép đai bê tông miền chịu nén dầm giản đơn BT CĐC CST Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ứng xử cắt dầm giản đơn BTCĐC CST Cường độ chịu nén thiết kế 70MPa Cốt thép sợi hàm lượng khoảng từ 0,5%-2% Sợi thép Dramix, uốn móc đầu có có chiều dài thay đổi Cốt sợi thép Dramix loại sợi thép phổ biến có ứng dụng vào kết cấu bê tông cốt thép Việt Nam Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kết hợp lý thuyết thực nghiệm phòng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Kết nghiên cứu luận án đóng góp thêm mơ hình tính tốn sức kháng cắt cho dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép giúp nhà nghiên cứu thiết kế tham khảo cho cơng việc Cấu trúc đề tài Đề tài luận án gồm phần mở đầu, chương chính, phần kết luận, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục Chương TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP VÀ ỨNG XỬ CẮT DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP Lịch sử phát triển bê tông cốt sợi thép Trên giới, từ thời kỳ Ai Cập Babylon, người ta sử dụng loại sợi lông động vật để tăng cường cho gạch, tường trát bùn, thạch cao Với vữa xi măng pooclăng, người ta sử dụng sợi amiăng Những nghiên cứu sợi thép phân tán Romualdi, Batson, Mandel Nghiên cứu sau thực Shah Swamy vài nghiên cứu khác Mỹ, Anh Nga Vào năm 1960, BTCST bắt download by : skknchat@gmail.com đầu sử dụng vào kết cấu mặt đường Trong năm 1989 - 1999, tiêu chuẩn ACI 544 bê tơng cốt sợi đời, gồm có tập: tập 1R tổng quan, tập 2R tính chất, tập 3R giới thiệu công nghệ, tập 4R-99 hướng dẫn thiết kế bê tông tăng cường cốt sợi thép (BTCST) Đến có tập 9R- dự báo dựa đo tính chất học bê tơng cốt sợi cứng Các tiêu chuẩn đưa nội dung tính toán kết cấu BTCST ACI, DIN, AASHTO, EHE, Fib từ năm 1988 đến Ở Việt nam, nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi, sợi thép nghiên cứu thuộc tính bê tông cốt sợi thép tác Trần Bá Việt, Nguyễn Thanh Bình Phạm Duy Anh cơng bố tạp chí có uy tín Ngành Các nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi vật liệu địa phương Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh cho cơng trình Giao thơng Viện KH CN GTVT đóng góp cho phát triển loại vật liệu Việt Nam Các vấn đề BTCST bước đầu quan tâm công bố năm 2003 với sách “Bê tông cốt sợi thép” tác giả Nguyễn Viết Trung chủ biên Các nghiên cứu tính chất học ứng xử kết cấu BTCST tác giả nghiên cứu luận án tiến sỹ từ năm 2000 Tính học BTCST Bê tơng cốt sợi thép vật liệu hỗn hợp dạng composite, cải thiện ứng xử vật liệu bê tông thơng thường sau nứt Các thuộc tính bê tơng sau nứt phụ thuộc lớn vào lực dính bám cốt sợi bê tơng Vai trị chủ đạo cốt sợi thép khâu vết nứt, hạn chế độ mở rộng vết nứt, làm cho BTCST có tính dẻo dai, hấp thu lượng lớn bê tông thường Cốt sợi thép làm tăng cường độ chịu kéo bê tơng Lực dính bám sợi thép bê tơng lớn cường độ chịu kéo BTCST lớn cốt thép khó bị kéo tuột khỏi bê tông Theo Lim cộng sự, cường độ chịu kéo bê tông cốt sợi lớn gấp 2-3 lần cường độ chịu kéo mẫu sợi thép hàm lượng sợi 1% 1,5% Cường độ chịu nén bê tông tăng không đáng kể sử dụng cốt sợi thép phân tán Các kết nghiên cứu trường Đại học Giao thông Vận tải kết cấu dầm BTCST cho thấy cường độ chịu kéo uốn tăng lên từ 15-20 % Lim cộng khẳng định rằng, với hàm lượng sợi thép từ 0%-2% cường độ chịu cắt BTCST tăng đến 100% so với BT thường download by : skknchat@gmail.com Tổng quan nghiên cứu ứng xử cắt dầm BT CST BTCĐC CST nước giới Trên giới, từ năm 80 kỷ thứ 20 tới có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng xử cắt dầm bê tơng cốt sợi (BTCS) nói chung BTCST nói riêng Trong đó, dầm BTCST nhiều nhà khoa học giới quan tâm Phương pháp nghiên cứu cắt dầm BTCST giới chủ yếu nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm nghiên cứu dựa theo mơ hình tính tốn sức kháng cắt tiêu chuẩn hành Một số nghiên cứu hoàn toàn dùng thực nghiệm để đưa mơ hình tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST *) Nghiên cứu mơ hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCST tiêu chuẩn hành giới: Các mơ hình tiêu chuẩn dựa nghiên cứu thực nghiệm bán thực nghiệm nhà khoa học trước Để tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST theo mơ hình tính tiêu chuẩn cần nhiều thơng số thí nghiệm đầu vào Trong tiêu chuẩn RILEM TC62 TDF để tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST, cần thơng số đầu vào cường độ chịu kéo uốn đặc trưng thơng qua thí nghiệm uốn mẫu dầm Trong tiêu chuẩn ACI 544-4R 88, để tính sức kháng cắt dầm BTCST cần có thơng số cường độ chịu kéo trực tiếp gián tiếp thông qua thí nghiệm… Các thơng số thí nghiệm đơi khơng sẵn có gặp nhiều khó khăn cho việc dự báo sức kháng cắt dầm BTCST, khơng có số liệu thí nghiệm  Nghiên cứu lý thuyết hợp thực nghiệm ứng xử cắt dầm BTCST không sử dụng cốt đai Các nghiên cứu ban đầu cắt dầm BT CST tập trung vào khảo sát ảnh hưởng yếu tố hình dạng sợi, hàm lượng sợi tỷ số gữa khoảng cách đặt lực với chiều cao hữu hiệu dầm (gọi tắt tỷ lệ nhịp cắt chiều cao có hiệu) Một số nghiên cứu dựa phương pháp lý thuyết thực nghiệm, đề xuất công thức tính ứng suất cắt trung bình tiết diên dầm (νu) Các nghiên cứu trước cho cốt sợi thép đóng góp lớn cho khả chịu cắt dầm BTCST Các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng yếu tố khác đến sức kháng cắt như: Sharma, Narayanan Darwish, Naaman công sự, Lim Oh, K S Elliott, C H Peaston K A Paine; Joaquim A.O Barros and Lỳcio download by : skknchat@gmail.com A.P.Lourenỗo Simao P.F Santos; Yoon Keunt Kwak, Mack O Eberhard, Woo-Suk Kim, Jubum Kim; Hai H Dinh; Gustavo J Parra-Montesinos, M.ASCE James K Wight cho ứng suất cắt trung bình dầm BTCST 0,33√f’c (MPa) hàm lượng cốt thép 0,75% - 1,5% Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mơ hình tính sức kháng cắt tác giả như: Narayanan Darwish; Yoon Keunt Kwak, Mack O Eberhard, Woo-Suk Kim, Jubum Kim sử dụng kết thử nghiệm từ 139 dầm BTCST sưu tập để xây dựng cơng thức tính ứng suất cắt trung bình dầm BTCST Các tác giả Emma Slater, Moniruzzaman Moni, M Shahria Alam nghiên cứu thực nghiệm 222 dầm bê tông cốt sợi không dùng cốt đai Các tác giả xây dựng cơng thức tính tốn cường độ chịu cắt trung bình dầm phương pháp hồi quy tuyến tính phi tuyến tính cho dầm BTCST BTCĐC CST Trong mơ hình tính có đại lượng cần phải xác định thơng qua thí nghiệm lực dính bám cốt sợi thép bê tơng Lực dính bám cốt sợi thép bê tơng thơng số phụ thuộc vào hình dạng sợi, chiều dài sợi cấp bê tông Sẽ khó khăn khơng có số liệu thí nghiệm thông số  Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm ứng xử dầm BTCST có sử dụng cốt đai Trên giới, có số tác giả nghiên cứu ứng xử cắt dầm BTCST có sử dụng cốt đai Các nghiên cứu thường sử dụng mô hình tính tốn có sẵn tiêu chuẩn hành Esefanía Cuenca luận án năm 2014, sử dụng mơ hình tính tốn sức kháng cắt tiêu chuẩn EHE-08 chứng minh cốt sợi thép thay tồn thay phần cốt đai dầm Nghiên cứu hàm lượng cốt sợi, đánh giá mức độ đóng góp cốt sợi dầm bê tơng có cốt đai ứng xử dầm có sử dụng cốt đai lớn Tuy nhiên tác giả không nghiên cứu cho riêng bê tông cường độ cao không xây dựng mơ hình tính tốn cho dầm BTCST Các tác giả có chung kết luận dầm có cốt thép đai, cốt sợi thép tăng sức kháng cắt nhiều dầm khơng có cốt đai có hàm lượng cốt sợi Daniel de Lima Araújo, Fernanda Gabrielle Tibúrcio Nunes, Romildo Dias Toledo Filho and Moacir Alexandre Souza de Andrade nghiên cứu so sánh hai loại dầm bê tông cốt sợi không sử dụng cốt đai có sử dụng hàm lượng cốt đai thấp (0,21%) Hàm lượng sợi từ 1% đến 2% Các tác giả sử dụng dầm đối chứng khơng có cốt sợi Kết cho thấy, tăng lượng sợi dầm khơng có cốt đai, lực cắt tới hạn tăng so với sử dụng dầm có dùng download by : skknchat@gmail.com cốt đai Meda, Minelli Plizzari nghiên cứu thực nghiệm dầm bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diên chữ I kích thước lớn (kích thước dầm thực), tiết diện chữ I có sử dụng cốt sợi hàm lượng 0,64% có sử dụng cốt đai, cốt sợi làm tăng đáng kể sức kháng cắt dầm Ngồi xem xét đóng góp cốt sợi thép, tác giả cịn cho rằng, cốt sợi thép có thay cho cốt đai tối thiểu Từ xem xét nghiên cứu ứng xử cắt giới cho thấy, nghiên cứu dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép không nhiều Rất nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn sức kháng cắt cho riêng dầm BT CĐC CST dầm sử dụng cốt đai Từ phân tích trên, luận án tập trung vào giải nội dung sau: Nghiên cứu thuộc tính bê tông cốt sợi thép, ứng xử kéo dầm BTCST phục vụ cho tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST Nghiên cứu mô hình thực nghiệm, mơ hình lý thuyết mơ hình tiêu chuẩn giới từ lựa chọn mơ hình phù hợp cho dầm BTCĐC CST; Nghiên cứu thực nghiệm xác định công thức liên quan ứng suất kéo sau nứt BT CĐC CST với hàm lượng sợi tham số khác, từ tìm phần đóng góp cốt sợi thép cho ứng suất kéo sau BTCST bị nứt; Nghiên cứu đề xuất công thức dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST; Nghiên cứu dầm kích thước thiết kế để kiểm chứng công thức luận án đề xuất; qua xem xét số ứng xử dầm BTCĐC CST đánh giá quan hệ lực độ võng nhịp; ứng xử bê tông miền nén, biến dạng cốt dọc chủ cốt đai cách kết nối thiết bị đầu Nghiên cứu đề xuất trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCST tác dụng tải trọng cầu đường Chương NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM BTCĐC CST 2.1 Sự phá hủy thành phần lực cắt dầm BTCST 2.1.1 Sự phá hủy dầm BT CST Đối với dầm BTCST khơng sử dụng cốt đai, cốt sợi đóng vai trò cốt thép đai dầm Cốt sợi thép phân phối lại ứng suất kéo dầm, làm chậm trình lan tuyền mở rộng vết nứt nghiêng Chống lại tách vỡ bê tông dọc cốt thép dọc chủ Cốt sợi kiểm download by : skknchat@gmail.com soát bề rộng vết nứt thúc đẩy hình thành vi vết nứt Với vai trị rõ ràng đó, độ cứng biếng dạng, khả chịu lực dầm tăng cường Sự phân tích cường độ chịu cắt dầm BTCST khơng cốt đai gặp nhiều khó khăn thách thức Vấn đề quan trọng liên quan đến tăng cường cốt sợi phân bố thích hợp chúng để hình thành thuộc tính học đồng Thêm vào đó, mở rộng vết nứt nghiêng dầm BTCST cốt sợi thép bị kéo tuột thay cốt đai chảy dẻo dầm bê tơng cơt thép thông thường 2.1.2 Các thành phần tham gia chịu lực cắt Các thành phần tham gia chịu cắt dầm BTCST gồm: Sự truyền lực cắt vùng bê tông chưa nứt dầm (Vcc); Sự truyền lực cắt bề mặt đan cài cốt liệu gồ ghề bề mặt dọc theo vết nứt nghiêng (Va); Sự truyền lực cắt thông qua hiệu ứng chốt cốt thép dọc (Dowel Action) (Vd); Sự truyền lực cắt thơng qua ứng suất kéo cịn dư lại vết nứt nghiêng (Vcr); Sự truyền lực cắt thông qua cốt thép ngang (đai) chịu cắt (Vs); Thành phần theo phương đứng lực ứng suất trước (Vp) Đối với dầm BT CST thành phần trên, cịn có tham gia truyền lực cắt cốt sợi thép (Vf) 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt dầm BTCST Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt dầm BTCST như: tỷ số khoảng cách từ điểm đặt lực đến gối chiều cao hữu hiệu ( tỷ số a/d); Ảnh hưởng kích thước dầm; Ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tông CST (fc’); Ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi thép; Ảnh hưởng hàm lượng cốt dọc (ρ); Ảnh hưởng hình dạng, kích thước sợi hàm lượng sợi thép yếu tố ảnh hưởng lớn đến sức kháng cắt dầm BTCST 2.2 Các mơ hình dự báo sức kháng cắt dầm BT CST 2.2.1 Các mơ hình tiêu chuẩn hành Trong số tiêu chuẩn đề xuất tính tốn sức kháng cắt dầm theo mơ hình thực nghiệm, số khác dựa theo mơ hình lý thuyết kết hợp thực nghiệm Các mơ hình tiêu chuẩn như: ACI 544-4R88, RILEM TC 162, fib MODEL CODE 2010, EHE-08, DIN-1045-1, MC2010… đề xuất công thức dự báo sức kháng cắt dầm bê tơng cốt sợi thép có khơng có cốt đai 2.2.2 Mơ hình thực nghiệm: Có nhiều tác giả giới nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mơ hình dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCST, nhiên download by : skknchat@gmail.com mơ hình thực nghiệm thường đơn giản bỏ qua số yếu tố thứ yếu Một mơ hình vừa đơn giản dự báo sức kháng cắt dầm BTCST cường độ thường cốt đai Sharma đề xuất như (2-12) Tuy nhiên, cần đánh giá đầy đủ yếu tố ảnh hưởng tới sức kháng cắt Nếu hoàn toàn dùng thực nghiệm xây dựng mơ tốn số lượng mẫu thử nghiệm vô lớn 2.2.3 Mơ hình bán thực nghiệm Các mơ hình bán thực nghiệm như: Mơ hình trường nén cải tiến (MCFT), mơ hình giàn mềm có góc nghiêng cố định (FA-STM) mơ hình giàn mềm có góc nghiêng thay đổi (RA-STM), mơ hình vết nứt trượt (Crack Sliding Model-CMS)…đã nhà nghiên cứu áp dụng để tính tốn cắt cho dầm bê tơng cốt sợi thép bê tông cường độ cao cốt sợi thép Mơ hình trường ứng suất nhiễu loạn (DSFM) giới thiệu Vecchio tác giả áp dụng tính tốn cắt để so sánh với thực nghiệm Các phương pháp khác phương pháp số, phương pháp mơ áp dụng cho tính toán dầm BTCST Ngày nay, số tác giả đề xuất phương pháp Nơ - ron nhân tạo (ANN-8; ANN-10) để tính dự đốn sức kháng cắt tiết diện nghiêng… Một mơ hình bán thực nghiệm có lý thuyết chặt chẽ phù hợp với ứng xử vật liệu BTCST mơ hình Trường nén sửa đổi đơn giản Mơ hình NCS phân tích lựa chọn để tính tốn cắt cho dầm BTCĐC CST 2.3 Xây dựng mơ hình tính tốn sức kháng cắt dầm BTCĐC CST 2.3.1 Cơ sở lý thuyết Mơ hình Trường trường nén sửa đổi (MCFT) sửa đổi đơn giản (SMCFT) mơ hình bán thực nghiệm phù hợp lựa chọn để dự báo sức kháng cắt cho dầm BT CST Đặc biệt sử dụng mơ hình MCFT để tính tốn cắt cho dầm BTCĐC CST phù hợp tính chặt chẽ Các phương trình mơ hình MCFT xem xét mối quan hệ ứng suất biến dạng, tương thích biến dạng điều kiện cân lực Sự đóng góp sợi thép sức kháng cắt mơ hình MCFT xem xét cách độc lập Căn vào cân lực mơ hình MCFT tiết diện nghiêng xem xét dầm BTCST, ứng suất cắt trung bình thiết lập phương trình (2-70) (2-69) cho hai trường hợp sau: (2-68) v   fc '   f cot    z f szcr cot  , a/d≥2.5; download by : skknchat@gmail.com 11 Hình 2.32 Kết xử lý số liệu mẫu sử dụng loại sợi ngắn (lf/df=63.63) Hình 2.33 Kết xử lý số liệu mẫu sử dụng sợi dài (Lf/Df=80) Khi đưa tham số cịn lại cường độ bê tơng, tỷ số kích thước sợi vào phương trình hồi quy, cường độ chịu kéo sau nứt BTCST CĐC cho hai trường hợp theo luận án đề xuất phương trình (2-81) L (2-81)  f  0.37 f  f f 'c Df 2.3.3 Mơ hình tính tốn sức kháng cắt dầm BTCĐC CST đề xuất Từ kết thực nghiệm xác định cường độ chịu kéo dư (sau nứt) BTCĐC CST phương trình (2-81), thay phương trình vào (2-68) (2-69), luận án đưa công thức dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST (2-85) Để xét đến ảnh hưởng hiệu ứng dầm hiệu ứng vòm tỷ lệ a/d < 2.5 cơng thức nhân thêm với 2,5d/a phương trình (2-86) Vn  ( f c '  0.37 f Lf Df f c ' cot    z f szcr cot  )bv dv (2-85) a/d ≥ Vn  2.5d / a(  fc '  0.37 f Lf Df fc ' cot    z f szcr cot  )bv dv , (2-86) a/d < 2.5; 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG - Lựa chọn mơ hình bán thực nghiệm để dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST quan trọng Mơ hình bán thực nghiệm cần phải dự báo cách tương đối xác sức kháng cắt dầm BTCST BTCĐC CST Do NCS lựa chọn mơ hình Trường nén sửa đổi đơn giản tính phù hợp phương pháp download by : skknchat@gmail.com 12 - Trong mơ hình hình trường nén sửa đổi đơn giản, đại lượng tham gia cơng thức tính sức kháng cắt dầm BTCST ứng suất kéo (f1) Đóng góp cho ứng suất kéo bao gồm thành phần: Thành phần bê tơng thành phần đóng góp cốt sợi thép - Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo sau nứt BTCST hàm lượng sợi, hình dạng sợi, chiều dài sợi cấp bê tơng Trong đó, hàm lượng sợi yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến sức kháng kéo BTCST Vì vậy, xây dựng hàm cường độ chịu kéo phụ thuộc vào hàm lượng sợi tham số khác để đánh giá đóng góp cốt sợi thép cho sức kháng cắt NCS thực Do kéo trực tiếp mẫu BTCST gặp khó khăn nên thí nghiệm ép chẻ mẫu trụ theo tiêu chuẩn thực - NCS sử dụng loại sợi trình bày trên, với hàm lượng sợi thay đổi, thiết kế thành phần cho hỗn hợp bê tông cường độ cao cấp 70MPa Điều chỉnh thành phần cho hỗn hợp cấp phối BTCĐC CST tiến hành đúc 105 mẫu để ép chẻ 21 mẫu để kiểm tra cường độ chịu nén cấp phối tính tốn - Căn kết thực nghiệm ép chẻ với 105 mẫu trụ BTCĐC CST, NCS xây dựng cơng thức tính tốn cường độ chịu kéo bê tông cốt sợi thép sau nứt công thức (2-81) - Kết hợp mô hợp với mơ tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST lựa chọn mục 2.2.3, NCS xây dựng công thức tính tốn sức kháng cắt dầm BTCĐC ST cho trường hợp a/d≥2.5 a/d Ps (KN) (KN) (KN.m) đai (s) 300 115.616 234.5 233.96 623.0 OK 300 200.038 401.28 258.35 690.26 OK 300 247.191 493.3 271.38 723.41 OK 300 221.088 442.17 264.0 704.0 OK 300 124.03 242.37 277.65 715.87 OK 300 215.6 496.28 289.45 746.33 OK 3.5 Tiến hành thử nghiệm 3.5.1 Chế tạo dầm Hình 3.5 Cấu tạo ván khn đúc dầm BTCĐC CST 3.5.2 Tiến hành uốn dầm Thiết bị uốn dầm phải có lực kích lớn tải lớn gây phá hoại cắt bảng 3.6 Thiết bị trường ĐH GTVT đáp ứng yêu cầu Hình 3.7 Thí nghiệm uốn dầm download by : skknchat@gmail.com 15 Sử dụng thiết bị kích có lực 100T để gia tải Để đo tải trọng tác dụng lên dầm sử dụng load cell đặt đỉnh dầm Hình 3.8 Đầu cảm biến đo độ võng gắn nhịp, mặt trước dầm kết nối với thiết bị Các sen xơ đo biến dạng bê tơng, cốt dọc đai Hình 3.2 kết nối với thiết bị đo Dầm gia tải theo cấp Tốc độ gia tải theo mối liên hệ tải trọng (P) biến dạng 3.6 Kết phân tích kết 3.6.1 Sức kháng cắt dầm thử nghiệm Hình 3.8 Sơ đồ bố trí thiết bị đo tải trọng độ võng uốn dầm Bảng 3.7 số liệu tải trọng đo dầm bị phá hoại sức kháng cắt thực nghiệm, so sánh với sức kháng cắt tính theo mơ hình đề xuất chương Kết cho thấy sức kháng cắt dầm thực nghiệm cao so với tính tốn Tuy nhiên sai số khơng q lớn Kết cho thấy có tương đồng lý thuyết thực nghiệm Mơ hình phá hoại dầm nằm dự kiến Các vết nứt nghiêng thường bắt đầu nứt từ từ miền chịu kéo phát triển lên miền nén sau dầm gãy Sử dụng tiêu chuẩn ACI 544R88 để so sánh đối chứng thêm Kết so sánh bảng 3.6 Bảng 3.6 So sánh kết thử nghiệm mơ hình lý thuyết Kí hiệu dầm B-0-300-6-300 B-0.63-300-6-300- SN B-1-300-6-300-SN B -0.63-300-6-300-SD A-0-300-6-300 A -0.63-300-6-300-SN Tải Sức kháng Sức kháng trọng tới cắt tính theo Vu Tính cắt theo thực Vutest/ Vu/Vu Dạng mặt cắt hạnmơ hình đề theo nghiệmVutest Vu (ACI) phá hủy Loadcell xuất-Vu ACI544R88 (KN) (KN) (KN) Phá hủy 210.32 105.16 115.61568 157.216 0.91 0.75 cắt-trượt Phá hủy 496.65 221.32 200.03828 191.594 1.1 1.04 cắt-trượt Phá hủy 585.74 261.02 247.19093 223.517 1.06 1.1 cắt-trượt Phá hủy 639.398 284.94 220.46455 230.884 1.29 0.95 cắt-trượt Phá hủy 436.968 194.73 124.03 179.893 1.5 0.7 cắt-trượt Phá hủy 639.5 284.98 215.6 256.051 1.3 0.84 cắt-trượt download by : skknchat@gmail.com 16 3.6.2 Phân tích mơ hình phá hủy Tất dầm xuất vết nứt nghiêng phá hoại cắt uốn Đối với dầm BTCĐC khơng có cốt sợi thép xuất vết nứt nghiêng chính, phá hoại vết nứt đó, bề rộng vết nứt lớn Đối với dầm BT CĐC CST ngồi vết nứt chính, xuất nhiều vết nứt nghiêng có bề rộng nhỏ xuất gần vết nứt Góc nghiêng vết nứt nhỏ so với vết nứt dầm khơng có cốt sợi thép Hình 3.9 Mơ hình vết nứt uốn dầm Dầm B-0-300-6-300 Hình 3.10 Mơ hình vết nứt uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN Hình 3.11 Mơ hình vết nứt uốn dầm Dầm B-1-300-6-300-SN Hình 3.12 Mơ hình vết nứt uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SD Hình 3.13 Mơ hình vết nứt uốn dầm Dầm A-0-300-6-300 Hình 3.14 Mơ hình vết nứt uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN 3.6.3 Phân tích mối quan hệ tải trọng độ võng nhịp Hình 3.15 Đồ thị quan hệ tải trọng độ võng nhịp dầm H400mm download by : skknchat@gmail.com 17 3.6.4 Phân tích mối quan hệ tải trọng biến dạng bê tơng chịu nén Hình 3.16 Đồ thị tải biến dạng bê tông miền nén dầm H400mm Nhận xét, đồ thị tương đối tuyến tính, bê tơng làm việc giai đoạn đàn hồi Sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng cao tính dẻo chịu nén BTCST lớn lớn biến dạng dẻo bê tông miền nén phá hoại lớn 3.6.5 Kết đo biến dạng cốt dọc Đồ thị Hình 3.17 Hình 3.18 cho thấy, dầm B0-300-6-300 khơng sử dụng cốt sợi thép, cốt dọc chủ nhanh chóng chảy dẻo tải trọng nhỏ Các dầm cịn lại sử dụng cốt sợi thép hàm lượng cốt sợi thép tăng, cốt dọc chủ bị chảy dẻo chậm hơn, tải trọng lớn nhiều lần Khả chịu tải trong cốt thép dọc tăng lên phối hợp với cốt sợi cốt sợi thép có tham gia chịu kéo hạn chế bề rộng vết nứt Hình 3.17 Đồ thị quan hệ lực cắt biến dạng cốt dọc chủ vị trí D1(dầm H400mm) Hình 3.18 Đồ thị lực cắt biến dạng cốt dọc chủ vị trí D2 (dầm H400mm) download by : skknchat@gmail.com 18 3.6.6 Kết đo biến dạng cốt dọc Biến dạng vị trí T1 Hình 3.19 vị trí T2 Hình 3.20 Đồ thị đo biến dạng cốt đai cho thấy cốt đai chảy dẻo chậm dầm có cốt sợi thép Cốt đai dầm không sơi (B0-300-6-300) chảy dẻo tải trọng nhỏ Ngược lại cốt đai dầm có hàm lượng cốt sợi lớn dầm B0.63-300-6-300-SD B1-300-6-300-SN chảy dẻo lực đạt giá trị lớn nhiều lần so với dầm khơng có cốt sợi thép Hình 3.19 Đồ thị quan hệ lực Hình 3.20 Đồ thị quan hệ lực cắt cắt biến dạng cốt đai vị biến dạng cốt đai vị trí T2 (μƐ) trí T1 (με) 3.7 Kết luận chương Sau xây dựng mơ hình tính tốn sức kháng cắt cho dầm BTCST, mơ hình kiểm chứng cách thử nghiệm dầm có chiều dài 2,4m, cao h=45cm 40cm - Khảo sát đại lượng cho thấy hàm lượng sợi ảnh hưởng lớn đến sức kháng cắt Với hàm lượng sơi 1% theo thể tích sức kháng cắt tăng 120% - Cùng hàm lượng sợi, hình dạng sợi sợi có kích thước lớn hơn, tính theo mơ hình đề xuất cho thấy sức kháng cắt lớn - Góc nghiêng ứng suất kéo dầm BTCST thường nhỏ 45o - Kết đo lực cắt tới hạn dầm thử nghiệm cho thấy mô hình luận án dự báo tương đối xác sức khác cắt dầm BTCĐC CST Kết uốn dầm BTCĐC CST cho kết tương đồng với kết tính tốn theo mơ hình NCS cs sử dụng công thức tiêu chuẩn ACI 544-4R 88 download by : skknchat@gmail.com 19 để so sánh, kết khớp - Các vết nứt phá hoại cho thấy, vết nứt có góc nghiêng nhỏ 45o phù hợp với dự báo công thức đề xuất - Dạng phá hoại dầm BTCST theo cắt cắt uốn Các vết nứt nghiêng dầm BTCĐC CST xuất nhiều hơn, vết nứt nhỏ khoảng cách nhỏ cho sợi thép làm tăng tính dẻo cho dầm BTCĐC CST chịu cắt Chương NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TỐN VỀ CẮT CHO DẦM CẦU ĐƯỜNG BỘ SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP 4.1 Đặt vấn đề Trên giới, nhiều tiêu chuẩn đưa phương pháp tính toán cắt cho dầm BT CST như: RILEM TC162 TDF, ACI 544-4R-18, Fib Model code 2010, AASHTO LRFD 2017 Ở Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế cầu đường TCVN 11823-2017 sử dụng mơ hình tính tốn cắt dựa theo lý thuyết trường nén sửa đổi đơn giản cho dầm BTCT chưa có phần tính tốn cho dầm BTCST Đề xuất phương pháp thiết kế cắt cho dầm cầu BT CST BT CĐC CST cần thiết mà cơng trình ngày đòi hỏi chất lượng tuổi thọ cần sử dụng vật liệu tiên tiến BT CĐC CST Do đó, NCS đề xuất phương pháp thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST cho dầm cầu đường bộ, tải trọng thực HL93 Phương pháp tài liệu tham khaỏ cho kỹ sư thiết kế cắt 4.2 Giải pháp thiết kế cắt cho dầm cầu dường BTCST Trong tiêu chuẩn AASHTO, mơ hình trường nén cải tiến phân tích áp dụng Trong tính tốn chống cắt, sử dụng hệ số tải trọng sức kháng Các ứng suất kéo bê tông nứt cấu thành sức kháng cắt đáng kể Lý thuyết trường nén cải tiến (MCFT) xem xét ảnh hưởng ứng suất kéo đến ứng xử chịu cắt dầm BTCT sau vết nứt hình thành Các phương trình cân cho lý thuyết trường nén cải tiến (MCFT) nhận cách thức tương tự lý thuyết trường download by : skknchat@gmail.com 20 nén (CFT) với phần ứng suất kéo bê tơng thêm vào Với dầm BTCT ứng suất kéo trung bình sau nứt f1, đề nghị Collins Mitchell (1991) sau: f1  f cr  500 (psi) Trong luận án, đề xuất ứng suất kéo trung bình dầm BTCĐC CST sau: f1  0.33 f c '  5001 (1  v f )   f Trong đó:  f xác định thông qua thực nghiêm, đề xuất luận án  f  0.37 lf df f f 'c 4.2.1 Trình tự thiết kế Với phân tích lý thuyết trình bày NCS đề xuất bước thiết kế cốt đai cho dầm BTCĐC CST có điều chỉnh q trình tính tốn đại lượng liên quan 4.2.2 Ví dụ tính tốn Tính tốn bố trí cốt thép đai cho dầm BTCĐC CST tiết diện chữ T Tải trọng HL93 quy định theo tiêu chuẩn TCVN11823-2017 *Kích thước dầm hình 4.5 Hình 4.5 Kích thước dầm * Số liệu tính toán Chiều dài nhịp dầm: L= Hoạt tải thiết kế HL-93 Hệ số triết giảm m= 0.65 Bề rộng chế tạo cánh bf= 1.6 20 m m download by : skknchat@gmail.com 21 Chiều cao dầm H 0.9 Bề rộng sườn dầm bw 20 Chiều dày cánh hf 165 mm Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu tiện ích Hệ số phân bố ngang tính cho mơ men 0.55 Hệ số phân bố ngang tính cho lực cắt 0.6 Hệ số phân bố ngang tĩnh cho độ võng 0.5 10 Độ võng cho phép hoạt tải m kN/m L/800 11 Bê tơng có f'c= 12 Cốt thép (chịu lực cấu tạo) theo ASTM A615M có 13 Tiêu chuẩn thiết kế 70 MPa gc= 24.5 kN/m3 fy= 520 MPa TCVN 11823-2017 4.2.3 Kết tính tốn Kết tính tốn cốt thép đai cho dầm cầu bê tông cường độ cao với cấp bê tông 70MPa Sử dụng cốt sợi Dramix 3D 80/60 BG mô tả bảng 4.1 Bảng 4.1 Kết tính tốn cốt đai cho dầm BTCST dùng sợi dài Hàm Tỷ lệ hình Đường Khoảng cách cốt Loại sợi lượng sợi dạng (Lf/Df) kính đai đai thiết kế-S (mm) 0% 3D 80/60 BG 80 100 0.5% 3D 80/60 BG 80 283 0.63% 3D 80/60 BG 80 570 0.75% 3D 80/60 BG 80 9030 Ghi Có thể thay hồn tồn cốt đai Kết tính tốn cốt thép đai cho dầm cầu bê tơng cường độ cao với cấp bê tông 70MPa Sử dụng cốt sợi Dramix 3D 65/35 BG mô tả bảng 4.2 download by : skknchat@gmail.com 22 Bảng 4.2 Kết tính tốn cốt đai cho dầm BTCST dùng sợi ngắn Hàm lượng sợi 0% 0.5% 0.63% 0.75% Loại sợi Dramix 3D 65/35 BG Dramix 3D 65/35 BG Dramix 3D 65/35 BG Dramix 3D 65/35 BG Tỷ lệ hình dạng (Lf/Df) Đường kính đai Khoảng cách cốt đai thiết kế-S (mm) 63.63 100 63.63 280 63.63 560 63.63 9000 Ghi Có thể thay hồn toàn cốt đai 4.3 Kết luận chương - Chương đưa trình tự thiết kế cốt đai cho dầm cầu bê tơng cường độ cao có sử dụng cốt sợi thép cốt đai truyền thống đồng thời chịu tải trọng thiết kế HL93 theo tiêu chuẩn TCVN11823-2017 [1] - Nếu giữ nguyên kích thước dầm, sử dụng hàm lượng cốt sợi thép nhỏ (νf