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

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNGCƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - 2022

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNGCƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệtMã số : 9580206

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Phạm Duy Anh2 TS Đào Văn Dinh

HÀ NỘI - 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệunêu trong luận án là do tôi thực hiện, kết quả thí nghiệm trung thực và chưađược công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Tác giả luận án

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP VÀ ỨNG XỬ CẮT DẦMBÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 6

1 1 Lịch sử phát triển bê tông cường độ cao cốt sợi thép 6

1 1 1 Lịch sử phát triển của bê tông cường độ cao 6

1 1 2 Lịch sử phát triển của bê tông cốt sợi thép (BTCST) 8

1 2 Tính năng cơ học của bê tông cốt sợi thép 11

1 2 1 Lực dính bám giữa sợi thép và chất nền BT, dính bám của cốt thép vàBTCST 11

1 2 2 Cường độ chịu kéo trực tiếp của BTCST 13

1 2 3 Cường độ chịu nén 15

1 2 4 Cường độ chịu uốn 16

1 2 5 Độ bền cắt 17

1 2 6 Co ngót và từ biến 18

1 2 7 Ảnh hưởng của cốt sợi thép đến tính chất cơ học BTCST 18

1 3 Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BT CST và BTCĐC CSTtrong nước và thế giới 21

2 1 3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BT CST 48

2 2 Các mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BT CST 53

2 2 1 Các mô hình trong tiêu chuẩn hiện hành 53

2 2 2 Các mô hình thực nghiệm 56

2 2 3 Các mô hình bán thực nghiệm: 64

2 3 Xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCĐC CST 76

2 3 1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt dầmBTCĐC CST 76

2 3 2 Kế hoạch thí nghiệm xây dựng mô hình tính toán cường độ chịu kéodư (σf) 85

2 3 3 Mô hình tính toán sức kháng cắt đề xuất dầm BTCĐC CST và sơ đồkhối bài toán 92

2 4 Kết luận chương 2 95

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CẮT DẦM BTCĐC CST 973 1 Mục tiêu thí nghiệm 97

3 2 Thiết kế dầm thí nghiệm 97

3 2 1 Lựa chọn cấu tạo dầm BT CĐC CST thí nghiệm 97

3 2 2 Số lượng dầm, các thông số của dầm thí nghiệm 100

3 3 Tính toán sức kháng cắt dầm thử nghiệm theo mô hình đề xuất và khảo sátcác yếu tố ảnh hưởng 100

3 3 1 Dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST và khảo sát hưởng hàmlượng sợi 100

3 3 2 Ảnh hưởng của chiều dài sợi 102

3 3 3 Ảnh hưởng của chiều cao dầm 102

3 4 Tính toán tải trọng thí nghiệm 103

3 6 1 Sức kháng cắt của dầm thử nghiệm 107

3 6 2 Phân tích hình thức phá hủy dầm thử nghiệm 108

3 6 3 Phân tích về mối quan hệ tải trọng và độ võng giữa nhịp 110

3 6 4 Phân tích kết quả đo biến dạng bê tông miền nén 111

3 6 5 Kết quả đo biến dạng trong cốt dọc chủ 112

3 6 6 Kết quả đo biến dạng trong cốt đai 114

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

PHỤ LỤC 1: 142

PHỤ LỤC 2: 153

PHỤ LỤC 3: 158

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Ứng xử của cốt sợi thép Dramix trong bê tông 12

Hình 1 2 Thí nghiệm kéo cốt thép trượt khỏi bê tông[105] 13

Hình 1 3 Biểu đồ úng xuất- biến dạng của thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu BTCST 14Hình 1 4 Mẫu thử và đồ thị mối quan hệ giữa ứng suất- độ biến dạng sau nứt 14

Hình 1 5 Ứng xử uốn của bê tông cốt sợi thép 16

Hình 1 6 Mối liên hệ giữa chiều dài sợi (Lf) và độ mở rộng vết nứt (w) với mômen trong dầm theo tác giả De-Montaignac và các cộng sự 19

Hình 1 7 Chiều dài nhịp cắt(a) và chiều cao hữu hiệu(d) 25

Hình 1 8 Biểu đồ liên hệ giữa lực tác dụng và độ võng dầm BTCST 26

Hình 1 9 Các vết nứt do lực cắt gây ra trong dầm BT CĐC và BTCĐC CST 28

Hình 1 10 Các dạng vết nứt trong dàm UHPC 31

Hình 1 11 Mô hình thí nghiệm dầm BTCT DUL sử dụng cốt sợi thép 33

Hình 1 12 Dạng phá hoại của dầm BT CĐSC không bố trí cốt đai và cốt sợi 34

Hình 1 13 Ứng xử cắt của dầm BT CĐSC có sợi thép 35

Hình 1 14 Ứng xử cắt của dầm BT CĐSC có sợi thép 35

Hình 1 15 Ứng xử cắt trong dầm BT CĐSC có bố trí cốt đai và cốt sợi kết hợp 35

Hình 2 1 Các hình thức phá hủy của dầm BTCST không cốt đai 40

Hình 2 2 Mô hình phá hủy dầm BTCST có cốt đai 41

Hình 2 3 Vùng B và vùng D trong dầm thông thường 42

Hình 2 4 Sự phân bố ứng suất cắt trong bê tông chưa nứt 42

Hình 2 5 Cơ chế truyền lực của bê tông thông qua ma sát giữa các bề mặt vết nứtkhi có cốt thép chịu cắt 44

Hình 2 6 Đường cong quan hệ giữa biến dạng trượt do cắt và ứng suất cắt 45

Hình 2 7 Mô hình phá hủy cơ học do hiệu ứng chốt 46

Hình 2 8 Lớp bê tông bảo vệ quanh cốt thép 46

Hình 2 9 Biểu đồ ứng suất kéo và độ mở rộng vết nứt của bê tông CST 47

Hình 2 10 Sự làm việc của bê tông và cốt đai trong mô hình dàn 48

Hình 2 11 Mô hình dàn khi tính toán chống cắt dầm BTCT 48

Hình 2 12 Đồ thị biểu diễn tương quan giữa ứng suất cắt trung bình và tỷ số a/d 49

Hình 2 13 Tương quan giữa ứng suất cắt trung bình và chiều cao có hiệu của dầmBTCST 50

Hình 2 14 So sánh cường độ chịu cắt thử nghiệm và trong tiêu chuẩn khi tăngcường độ chịu nén tới 100MPa 51

Hình 2 15 Mô hình tính toán về cắt dầm BTCĐC CST không cốt đai 57

Hình 2 16 Mô hình tính toán dầm BTCST theo Lim và Oh 60

Hình 2 17 Mô hình tính toán sức kháng cắt theo Hai H Dinh và cộng sự 62

Hình 2 18 Sơ đồ úng suất trên tiết diện 63

Hình 2 19 Mô hình vết nứt trượt trong dầm bê tông cốt sợi thép không có cốt đaitrên hình 65

Hình 2 20 Mô hình vật liệu BTCST 66

Hình 2 21 Mô hình giàn mềm cải tiến tính toán về cắt Dầm BTCST 66

Hình 2 22 Xác định giá trị và cho các dầm không chứa cốt thép đai 72

Hình 2 23 So sánh giá trị của β và θ khi sử dụng hai mô hình MCFT và MCFTđơn giản 73

Hình 2 24 Cấu trúc của mạng ANN 10 75

Hình 2 25 Mô hình ứng xử kéo của bê tông cốt sợi thép theo MCTF 78

Hình 2 26 Phân bố ứng suất trên tiết diện vết nứt nghiêng 79

Hình 2 27 Hiệu ứng vòm trong dầm BTCST 82

Hình 2 28 Môi quan hệ giữa năng lực thống kê phụ thuộc theo cỡ mẫu và độ saikhác so với giá trị trung bình 88

Hình 2 29 Hàm phân phối chuẩn cường độ ép chẻ của mẫu không sợi và sợi ngắn 90

Hình 2 30 Hàm phân phối chuẩn cường độ ép chẻ của mẫu không sợi và sợi dài 90Hình 2 31 Hàm phân phối chuẩn cường độ ép chẻ của mẫu sợi ngắn và sợi dài 90

Hình 2 32 Kết quả xử lý số liệu của mẫu sử dụng loại sợi ngắn (lf/df=63 63) 91

Hình 2 33 Kết quả xử lý số liệu của mẫu sử dụng sợi dài (Lf/Df=80) 91

Hình 2 34 Sơ đồ khối tính toán sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST 94

Hình 3 1 Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng khi thí nghiệm kéo cốt dọc chủ 98

Hình 3 2 Bố trí cốt thép và các vị trí đo biến dạng và độ võng khi uốn dầm

Hình 3 8 Sơ đồ bố trí thiết bị đo tải trọng và độ võng khi uốn dầm 106

Hình 3 9 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300 108

Hình 3 10 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0 63-300-6-300-SN 109

Hình 3 11 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-1-300-6-300-SN 109

Hình 3 12 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0 63-300-6-300-SD 109

Hình 3 13 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm A-0-300-6-300 110

Hình 3 14 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0 63-300-6-300-SN 110

Hình 3 15 Đồ thị quan hệ giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp dầm H400mm 111

Hình 3 16 Đồ thị về tải trong và biến dạng trong bê tông miền nén dầm H400mm 112

Hình 3 17 Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D1(dầm H400mm) 113Hình 3 18 Đồ thị lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D2 (dầm H400mm) 113

Hình 3 19 Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T1 (με) 114

Hình 3 20 Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T2 (μƐ) 115

Hình 4 1 Đồ thị quan hệ tải trọng và độ mở rộng vết nứt 118

Hình 4 2 Ứng xử mềm (a) và cứng (b) khi kéo dọc trục 118

Hình 4 3 Mẫu dầm xác định cường độ chịu kéo uốn 119

Hình 4 4 Giá trị của Sx khi cốt dọc tập trung và không tập trung 123

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Phương trình tương thích biến dạng, các phương trình cân bằng trong

mô hình và ứng suất biếng dạng MCFT cho đầm BTCT [47] 69

Bảng 2 2 Phương trình tương thích biến dạng, các phương trình cân bằng trongmô hình và ứng suất biếng dạng MCFT cho đầm BTCST [61] 77

Bảng 2 3 Kết quả tính toán số lượng mẫu trong một tổ mẫu bằng Minitab V17 88

Bảng 2 4 Số lượng và kích thước mẫu ép chẻ và mẫu nén 89

Bảng 3 1 Kết quả thí nghiệm kéo thép đai 99

Bảng 3 2 Các thông số thiết kế của các dầm thử nghiệm 100

Bảng 3 3 Kết quả tính toán sức kháng cắt dầm BT CĐC CST theo mô hình đềxuất (Sợi ngắn) 101

Bảng 3 4 So sánh ứng suất cắt trung bình trong dầm BTCĐC CST trong dầm cóH=400mm và H=450mm 103

Bảng 3 5 Bảng tải trọng tính toán theo lực cắt và mô men tới hạn 104

Bảng 3 6 So sánh kết quả thử nghiệm và mô hình lý thuyết 107

Bảng 4 1 Kết quả tính toán cốt đai cho dầm BTCST khi dùng sợi dài 126

Bảng 4 2 Kết quả tính toán cốt đai cho dầm BTCST khi dùng sợi ngắn 126

DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

: American Association of State Highway and Transportationofficials (Hiệp hội Các viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ): American Association of State Highway officials (Hiệp hội Cácviên chức Đường bộ Mỹ)

: American Concrete Institute (Viện bê tông Mỹ): Americal Sociaty of Civil Engineers

: Bê tông cốt thép: Bê tông cốt sợi thép: Bê tông cường độ cao

BTCĐC CST : Bê tông cường độ cao cốt sợi thépCMOD

: Crack Mouth Opening Displacement: Chất kết dính

: Comité Européen du Béton (Ủy ban Bê tông Châu Âu): Deutsches Institut fỹr Normung (Viện Tiêu chuẩn Đức): đá/cát

: Fédération Internationale de la Précontraninte (Hiệp hội Quốc tếvề Dự ứng lực)

: Fly Ash (tro bay): Giao thông vận tải

: High Range Water Reducer (Phụ gia giảm nước cao): High Performance Concrete (Bê tông tính năng cao): High Strength Concrete (Bê tông cường độ cao)

: Japan Society of Civil Engineers (Hội Kỹ sư Xây dựng Nhật Bản): International Union of Laboratories and Experts in ConstructionMaterials, Systems and Structures (Hiệp hội Quốc tế các phòng thínghiệm và chuyên gia về vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu): Muội silic

: Nước/xi măng

: Nước/Chất kết dính: Chỉ số sợi thép

: Phụ gia siêu dẻo

: Steel Fiber Reinforeced Concrete (bê tông cốt sợi thép): Tiêu chuẩn ngành

: Tiêu chuẩn Việt Nam

: Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam: Chỉ số độ dẻo BTCST

: Ultra High Performance Concrete (bê tông siêu tính năng): Vật liệu xây dựng

: Water reducing admixture (Phụ gia giảm nước): Chiều dài sợi thép/đường kính sợi thép

: Chiều dài sợi tiêu chuẩn: Đường kính sợi

: Cường độ dính bám bề mặt: Khoảng cách sợi tiêu chuẩn

: Cường độ chịu kéo sau nứt BTCST: Hệ số ảnh hưởng do chiều dài sợi: Hệ số ảnh hưởng do hướng của sợi

: Hệ số xét tới số sợi cắt qua một đơn vị diện tích: Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông

: Hàm lượng sợi

: Bề rộng tiết diện dầm bê tông cốt sợi: Chiều cao tiết diện dầm bê tông cốt sợi: Hệ số sợi

: Hệ số tính đổi cường độ chịu kéo gián tiếp sang trực tiếp: Cường độ chịu cắt trung bình của bê tông cốt sợi thép

: Hê số xét đến khả năng truyền lực kéo và cắt của bê tông đã nứt: Cường độ chịu kéo của bê tông cốt sợi

fspadρρvνbfcùfbwMuVuVccVdVaVfAsAvfyfwy(σt) evrageθνf1f2wfagSxeƐ1Ɛ2

: Cường độ chịu ép chẻ của bê tông cốt sợi: Chiều dài nhịp cắt

: Chiều cao hữu hiệu: Hàm lượng cốt dọc chủ: Hàm lượng cốt đai

: Ứng suất cắt do đóng góp cốt sợi thép chịu kéo

: Cường độ chịu nén của mẫu bê tông cốt sợi khối lập phương: Bề rộng hữu hiệu

: Mô men do tải trọng tính toán gây ra: Lực cắt do tải trọng tính toán gây ra: Sức khắng cắt của miền bê tông chịu nén: Sức kháng cắt của cốt đai

: Sức kháng cắt do sự cài cốt liệu: Sức kháng cắt của do cốt sợi thép: Diện tích cốt thép dọc

: Diện tích cốt đai trong phạm vi bước cốt đai: Cường độ chịu kéo chảy của cốt dọc

: Cường độ chịu kéo chảy của cốt đai: Ứng suất kéo trung bình của BTCST: Góc nghiêng của ứng suất nén chéo: Ứng suất cắt trung bình

: Ứng suất kéo trung bình của bê tông trên tiết diện nghiêng: Ứng suất nén trung bình của bê tông trên tiết diện nghiêng: Bề rộng vết nứt nghiêng

: Hệ số ma sát giữa bê tông và sợi thép: Kích thước lớn nhất của cốt liệu thô: Thông số khoảng cách vết nứt: Biến dạng do ứng suất kéo chính: Biến dạng do ứng suất nén chính

: Biến dạng theo phương dọc trục dầm tại giữa chiều cao hữu hiệu: Biến dạng trong cốt thép dọc chủ

: Ứng suất cắt trên bề mặt vết nứt của bê tông: Ứng suất nén trung bình trên bê mặt vết nứt

MỞ ĐẦU1 Đặt vấn đề

Bê tông là một trong những loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựngcông trình nói chung và công trình Giao thông nói riêng Ngày nay do yêu cầu về quymô và chất lượng, nhiều công trình đòi hỏi vật liệu bê tông có cường độ cao hơn Đồng thời do khoa học phát triển, nhiều loại bê tông có tính năng cao và siêu cao đãđược nghiên cứu và áp dụng Bê tông cường độ cao (BTCĐC) - High StrengthConcrete(HSC) là một trong những loại bê tông tiên tiến đã được áp dụng rất nhiềutrên thế giới và ở Việt Nam Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén lớn nhưngcường độ chịu kéo vẫn rất nhỏ Ngoài việc tăng cường độ chịu nén, cường độ chịukéo của bê tông cũng cần được cải thiện để tăng khả năng chịu lực cho các cấu kiệnbê tông và bê tông cốt thép Để tăng cường độ chịu kéo cho bê tông người ta thườngsử dụng các loại cốt sợi phân tán như là một thành phần của cốt liệu trong hỗn hợpbê tông Cốt sợi thép (CST) là một trong những loại cốt sợi được sử dụng phổ biếnnhất do những lợi ích của nó mang lại Vì vậy, bê tông cốt sợi thép (BT CST) là mộttrong những loại bê tông cốt sợi được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới[6], [7], [8], [22], [26], [32], [42] Nghiên cứu về thành phần và tính chất cơ học củaBT CST đã được các nhà khoa học công bố rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam

Trước đây, để tăng cường khả năng chịu cắt cho dầm bê tông cốt thép (BTCT)người ta sử dụng cốt thép đai, cốt thép xiên truyền thống Ngoài sử dụng cốt thépdạng thanh thông thường, các loại cốt làm từ vật liệu mới cũng đã được nghiên cứuđể tăng cường sức kháng cắt của dầm BTCT như: cốt đai bằng composite, cốt sợi cácbon, tấm dán các bon [18], [108],

Để tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT có thể sử dụng cốt dạng thanhnhư cốt đai, cốt xiên hoặc cốt sợi trong đó có sợi thép Sợi thép có tính chất hàn gắncác vi vết nứt vì nó bắc cầu qua vết nứt, ngăn chặn sự phát triển vết nứt theo nghiêncứu của Narayanan và Darwish [95], Lim và Oh [99], Swamy R và H Bahia [41] Cốt sợi thép làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông, làm tăng sức kháng cắt vì vaitrò kháng ứng suất kéo chính do lực cắt và mô men gây ra Cốt sợi thép có thể ngăn

ngừa sự nứt chéo do ứng suất kéo chủ và vết nứt do kéo Do đó việc sử dụng cốt sợithép trong dầm BTCT chống lại sự phá hoại do cắt và làm tăng ứng xử dẻo trong dầm[92] Đối với BTCĐC, cốt sợi thép sẽ phát huy tốt hơn vai trò của nó do lực dính bámgiữa sợi thép và BTCĐC tốt hơn Nhiều nghiên cứu về ứng xử của dầm bê tông cốtsợi thép đã chỉ ra được vai trò của cốt sợi thép khi chịu cắt

Theo một số nghiên cứu của các nhà sản xuất cốt sợi thép, sử dụng cốt sợi théptrong kết cấu BTCST có thể giảm được giá thành của công trình vì lý do: giảm đượckích thước, thời gian thi công nhanh, độ bền lớn, khả năng chịu tác động môi trườngtốt do nứt nhỏ Chi phí thi công có thể giảm tới 30% [7], [22], [33]

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu ứng xử cắt dầm BTCST có cường độtrung bình [41], [59], [70], [76], [95] Một số nghiên cứu về ứng xử cắt dầm bê tôngcường độ cao cốt sợi thép (BTCĐC CST) và dầm bê tông cường độ siêu cao cũng đãđược công bố [59], [101], [107], [115] Đa số các nghiên cứu tập trung vào dầm khôngcó cốt đai truyền thống để dễ dàng xem xét đóng góp của cốt sợi thép hơn Tuy nhiên,do cốt thép đai đóng vai trò quan trọng trong dầm như: định vị cốt dọc, tạo khung cốtthép, chống xoắn tốt… Nên loại dầm bê tông có sử dụng cả cốt sợi thép và cốt đaitruyền thống được quan tâm nghiên cứu Việc nghiên cứu sâu hơn cho dầm BTCSTcó sử dụng cốt đai chưa được đề cập nhiều trên thế giới Với bê tông cường độ cao,dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông rất tốt Ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cũngsẽ khác biệt với bê tông thường Đặc biệt dầm bê tông cường độ cao sử dụng cốt sợithép và cốt thép đai đồng thời đang là chủ đề cần nghiên cứu thêm

Như ta đã biết, ứng xử cắt của dầm bê tông cốt thép (BTCT) luôn là vấn đềphức tạp Sự phá hoại do cắt có nguồn gốc từ các vết nứt nghiêng do nguyên nhânkhông chỉ bởi lực cắt mà còn do sự kết hợp của lực cắt với mô men uốn, mô menxoắn và lực dọc trục [10] Sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kíchthước, đặc trưng hình học, tác động tải trọng và các đặc trưng cấu tạo của vật liệu kếtcấu Các vết nứt do cắt nằm nghiêng và sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào số lượnglớn các yếu tố, vì vậy thiết kế dầm bê tông cốt thép chịu cắt không giống như thiết kếdầm chịu uốn mà phải xem xét sự đáp ứng của kết cấu trong một chiều dài nhất địnhhơn là xem xét tại các mặt cắt riêng lẻ

Từ những rủi ro của sự phá hoại do cắt trong cấu kiện chịu uốn bằng BTCTđã xảy ra trong quá khứ, dẫn đến các nhà nghiên cứu quan tâm hơn đến vấn đề này Qua một số sự cố về phá hoại cắt của các kết cấu BTCT trên thế giới, đặt ra vấn đềcần xem xét, nghiên cứu thêm về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST Việc nghiêncứu về ứng xử cắt của dầm BT CST một cách toàn diện giúp các nhà khoa học đưara mô hình tính toán một cách chính xác hơn Đặc biệt, nghiên cứu ứng xử cắt củadầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai là đề tài phức tạp [48], [70], [91] có rất ítnghiên cứu Các chủ đề về ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cần được quan tâmnhiều hơn nữa

Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST rất ít được côngbố Trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT cho công trình cầu đường bộ vẫnchưa đề cập đến tính toán về cắt cho loại dầm BTCST và BTCĐC CST

Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu một mô hình tính toán về cắt phùhợp cho dầm BTCĐC CST là cấp thiết và mang tính thời sự Với các dầm có sử dụngcốt đai truyền thống kết hợp với cốt sợi thép, do mối quan hệ phức tạp về ứng suấtbiến dạng dẫn đến góc nghiêng của ứng suất nén chính và biến dạng trong cốt thépdọc chủ thay đổi Vì vậy, ứng xử cắt của dầm BTCST vẫn là vấn đề phức tạp cầnđược nghiên cứu nhiều hơn và kỹ hơn Do đó: “Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bêtông cường độ cao cốt sợi thép” có tính cấp thiết, nhất là sử dụng vật liệu trong điềukiện ở Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST nói riêng từđó lựa chọn được mô hình bán thực nghiệm phù hợp với tính toán về cắt cho dầmBTCĐC CST có sử dụng cốt đai

- Nghiên cứu thực nghiệm điều chỉnh công thức dự báo sức kháng cắt chodầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai

- Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST chịu tải trọng thiết kếtrong tiêu chuẩn Thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017

- Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng công thức đề ra, nghiên cứu cácdạng phá hoại do cắt trong dầm BTCĐC CST và nghiên cứu về biến dạng trong

cốt thép dọc, cốt thép đai và trong bê tông miền chịu nén của dầm giản đơn BTCĐC CST

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là ứng xử cắt của dầm giản đơn BTCĐC CST có sửdụng cốt đai Dầm giản đơn BTCĐC CST tiết diện chữ nhật được kiểm chứng theocông thức tính sức kháng cắt đề xuất Xem xét các hình thức phá hoại do cắt và cắtuốn của các dầm kích thước cụ thể theo thiết kế Đo biến dạng trong cốt dọc, cốt đai,bê tông miền nén của dầm BTCĐC CST bằng các sen sơ gắn trực tiếp vào các vị trícốt thép và bê tông theo thiết kế

 Phạm vi nghiên cứu:

Dầm giản đơn BTCĐC CST Cường độ chịu nén thiết kế là 70MPa Cốt thépsợi hàm lượng trong khoảng từ 0,5%-2% Sử dụng sợi thép Dramix, uốn móc 2 đầucó chiều dài thay đổi Cốt sợi thép Dramix là loại sợi thép phổ biến và đã có ứng dụngvào kết cấu bê tông cốt thép ở Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu Lý thuyết kết hợp thực nghiệm để đưa ra được Mô hình dự báosức kháng cắt của dầm BTCST và BTCĐC CST

Phần nghiên cứu lý thuyết có mục tiêu phân tích các mô hình bán thực nghiệmcó thể tính toán về cắt cho dầm BTCST Từ đó lựa chọn được mô hình phù hợp nhấtđể dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST

Phần nghiên cứu thực nghiệm gồm: Nghiên cứu thực nghiệm về tính chất chịukéo (ép chẻ) của vật liệu BTCĐC CST từ đó dùng phần mềm tính toán để đưa ra đượccông thức dự báo phần đóng góp của riêng cốt sợi cho khả năng chịu kéo của BTCĐCCST Xác định các tham số đầu vào để thí nghiệm xây dựng hàm mục tiêu

Kết hợp với mô hình bán thực nghiệm đã xem xét ở trên, xây dựng được côngthức tính toán sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai

Nghiên cứu thử nghiệm trên các dầm kích thước thiết kế để kiểm chứng côngthức tính toán sức kháng cắt đề ra So sánh với mô hình trong tiêu chuẩn hiện hànhtrên thế giới

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ caocốt sợi thép

Chương 4 Nghiên cứu ứng dụng tính toán về cắt cho dầm cầu đường bộ sửdụng bê tông cường độ cao cốt sợi thép

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST- Nghiên cứu thử nghiệm trên các dầm BTCĐC CST kiểm chứng công thứcdự báo sức kháng cắt đưa ra Dự báo được góc nghiên ứng suất kéo chủ và hình thứcphá hoại cắt dầm BTCĐC CST

- Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm cầu đường bộ

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP VÀ ỨNG XỬCẮT DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

1 1 Lịch sử phát triển bê tông cường độ cao cốt sợi thép

1 1 1 Lịch sử phát triển của bê tông cường độ cao

Trên thế giới, do yêu cầu phát triển của ngành xây dựng công trình, luôn đòihỏi vật liệu mới phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của công trình Bê tôngcường độ cao là một trong những vật liệu mới được nghiên cứu từ những năm 1960và được ứng dụng sau đó Lúc đầu bê tông cấp từ 34MPa trở lên đã được coi làcường độ cao [30], [90] Theo thời gian quan niệm về bê tông cường độ cao cũngđã dần thay đổi, mới đầu bê tông cấp 40 MPa (6000 psi) được xem là cường độ caovà đó cũng là thành tựu đáng quý Sau đó, theo báo cáo của tiểu ban 363R-92 [30]của Viện bê tông Hoa Kỳ lần thứ 2 đã thay đổi khái niệm, bê tông cường độ caophải có cấp từ (41-55) MPa Cho đến năm 1997 trong quá trình sửa đổi, Ủy ban bêtông 363 đã công nhận rằng định nghĩa bê tông cường độ cao tùy vào vị trí địa lý Ở những nơi ứng dụng bê tông thương phẩm chủ yếu có cường độ nén khoảng 34MPa thì bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén là 62 MPa trở lên Theo [15]bê tông cường độ cao là loại bê tông có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn hơn60MPa, với mẫu hình trụ D=15cm; H=30cm Mẫu được dưỡng hộ, thử nghiệm theocác tiêu chuẩn hiện hành

Bê tông cường độ cao (BT CĐC) và chất lượng cao (BT CLC) - High

Performance Concrete (HPC) - được nghiên cứu trên Thế giới vào thập kỷ 70 của thếkỷ 20 [15] Bê tông cường độ cao đã được áp dụng tại Mỹ để xây nhà cao tầng; xâydựng các công trình ngoài biển ở Na Uy; Các công trình cầu được xây dựng từ bêtông chất lượng cao ở Pháp, Nga, Nhật bản đã đạt được thành công nổi bật

Trong giai đoạn từ năm 1960-1998, Chicago đã đóng vai trò quan trọng trongnghiên cứu phát triển bê tông cường độ cao và sản phẩm bê tông cường độ cao [90] Tại đây, từ năm 1961 bê tông cấp 42 MPa được áp dụng cho dự án nhà chung cưOuter Drive East cao 40 tầng Năm 197, lần đầu tiên bê tông có cường độ chịu nén52 MPa đã được áp dụng để xây dựng nhà 52 tầng của một Trung tâm thương mại;

năm 1974 bê tông 62 MPa đã được áp dụng cho tháp nước Hai lăm năm sau, khi đãhoàn thiện về nghiên cứu, bê tông có cường độ 95 MPa đã được ứng dụng một cáchđều đặn cho nhiều dự án lớn ở Chicago Ở Bắc Mỹ, cuối những năm 1980, bê tôngcường độ rất cao đã được chế tạo thành công và tỷ lệ ứng dụng lớn là loại bê tông cócường độ là 130 MPa với mô đun dẻo của bê tông là 50 GPa

Tại Nhật bản, cầu bê tông cốt thép cường độ cao đã được xây dựng cho tuyếnđường sắt Nhật bản từ năm 1973 [90] Mục đích sử dụng bê tông tính năng cao đểgiảm trọng lượng tĩnh tải, giảm độ võng, rung động và giảm tiếng ồn Sau hai mươinăm đi vào sử dụng, những dạng cầu đó đã đáp ứng được tất cả yêu cầu mà tiêu chuẩnđề ra (CEB-FIB, 1994)

Ở Việt Nam bê tông cường độ cao đã bước đầu được nghiên cứu vào nhữngnăm 2000 [15] Bê tông cường độ cao và bê tông tính năng cao ngày càng được nhiềunhà Khoa học về bê tông nghiên cứu và ứng dụng Tại trương đại học Giao ThôngVận tải, GS TS Phạm Duy Hữu đã có nhiều đề tài, bài báo về bê tông cường độ caovà tính năng cao [11], [12], [15], [14], [13] Trường đại học Xây dựng cũng đã cónhững nghiên cứu sâu rộng vê bê tông tính năng cao và siêu cao khoảng từ năm 2000và những năm sau đó và đã có những công bố đáng chú ý [17], [23], [20] Trường đạihọc Thủy lợi cũng đã nghiên cứu nhiều vê bê tông tính năng cao và đặc biệt là bêtông đầm lăn Các công bố về bê tông này cũng đã công bố trên các tạp chí uy tín Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng cũng đã công bố nhiều công trình nghiên cứuvề bê tông tính năng cao [16] Năm 2011, Sở Giao thông Thành phố Đà nẵng đã cóbáo cáo tổng kết về tình hình nghiên cứu và ứng dụng về bê tông cường độ cao [21]trong đó cho thấy loại bê tông có tính năng cao đã bước đầu được ứng dụng trong cáccông trình ở Việt Nam Các viện nghiên cứu như: Viện Khoa học và công nghệ GTVT,Viện Khoa học Công nghệ xây dựng đã có những công trình nghiên cứu về bê tôngtính năng cao và đang dần tiếp cận với bê tông tính năng siêu cao (Ultra HighPerformance Concrete - UHPC) Năm 2014, tiêu chuẩn về thiết kế hỗn hợp bê tôngcường độ cao [3] được ban hành đánh dấu bước tiến mạnh mẽ cho việc áp dụng bêtông cường độ cao và tính năng cao vào xây dựng các công trình, đặc biệt là các côngtrình Cầu trong ngành Giao Thông Vận Tải

1 1 2 Lịch sử phát triển của bê tông cốt sợi thép (BTCST)

Trên thế giới, từ thời kỳ Ai Cập và Babylon, người ta đã sử dụng những loạisợi hoặc lông động vật để tăng cường cho gạch, tường trát bùn, thạch cao Với vữa ximăng pooc lăng, người ta sử dụng sợi amiăng Những nghiên cứu đầu tiên về sợi thépphân tán là của Romualdi, Batson, Mandel Nghiên cứu sau đó được thực hiện bởiShah, Swamy và một vài những nghiên cứu khác ở Mỹ, Anh, Nga Vào những năm1960, BTCST đã bắt đầu được sử dụng vào kết cấu mặt đường

Từ năm 1971 - 1977, Nawy và cộng sự đã nghiên cứu về sự làm việc lâu dàicủa những bó có nhiều thanh nhỏ, lưới thuỷ tinh và những thanh bị biến dạng như làthanh tăng cường chính trong kết cấu Từ đó cho đến nay, quá trình sử dụng sợi tăngcường vào bê tông được nghiên cứu rất nhiều nhằm mục đích cải thiện một số tínhnăng cơ học của bê tông Tuy nhiên, nó không thay thế cho những thanh thép tăngcường chính trong kết cấu bê tông cốt thép [22] Khoa học của bê tông cốt sợi đãđược phát triển từ đó cho tới nay

Trong những năm 1989 - 1999, các tiêu chuẩn của ACI 544 [28], [32], [33],[31], [37] về bê tông cốt sợi ra đời, gồm có 4 tập: tập 1R tổng quan, tập 2R các tínhchất, tập 3R giới thiệu về công nghệ, tập 4R-99 hướng dẫn thiết kế bê tông được tăngcường cốt sợi thép (BTCST) Đến nay đã có tập 9R- dự báo dựa trên đo tính chất cơhọc của bê tông cốt sợi cứng Tiêu chuẩn ASTM C1018-97 [40] hướng dẫn về thínghiệm xác định độ dai của BTCST

Các tổng kết về quá trình phát triển của bê tông cốt sợi thép cũng đã được chỉrõ trong như sau: Năm 1994, HSu LS và HSu CCT đã phân tích trạng thái ứng suấtbiến dạng của BTCST Năm 1996, Nawy công bố nghiên cứu về tăng cường bê tôngbằng cốt sợi Năm 1978, Wyliam và Sharama công bố về khả năng chịu cắt của bêtông cốt sợi Năm 1992, Naaman đã thông báo về bê tông cốt sợi chất lượng cao Richard, năm 1992 công bố về bê tông có độ bền cao sử dụng cốt sợi thép Năm 1995-2000, F De Larrard và J M Torrenti đã có những công bố về bê tông chất lượng caovà BTCST của Bernhard R Maidl Steel Fibere RC Năm 1995, nước Đức, giới thiệukiến thức căn bản về bê tông cốt sợi và các phương pháp phân tích trên quan hệ tảitrọng và độ võng

Vấn đề độ dai của bê tông được gia cường cốt sợi đã được quan tâm nghiêncứu từ năm 2000 như của Yu Cheng Kan - Taiwan và Piti Sukontasukkul - Bangkok,các tác giả so sánh thuộc tính này giữa tiêu chuẩn ASTM C1018 và tiêu chuẩn NhậtBản JSCE SF-4 Năm 1997, D O Al-Ghamdy Đại học Michigan (Mỹ) đã công bốnhững nghiên cứu về quan hệ giữa độ dai với thành phần vật liệu có hàm lượng cốtsợi vf từ 0 75 đến 1 5% Năm 1994 tác giả Jean Francois ở Trường Đại học NovaScotia - Canada nghiên cứu và mô tả tính dai của vật liệu BTCST trên mẫu100x100x350mm với cường độ bê tông từ 40 MPa đến 85 Mpa (mẫu

150x150x150mm) xác định trị số về mô đun đàn hồi và mô đun cắt ở vùng độ võngtừ 0-0 4mm tính toán năng lượng đàn hồi và năng lượng tổng thể Năm 2007, JobThomas ở Ấn Độ có trình bày nghiên cứu về tính chất cơ học của BTCST có cườngđộ trên mẫu hình lập phương từ 35-65 MPa với hàm lượng cốt sợi thép từ 0 5-1 5%và xem xét tính chất của bê tông cốt sợi tương quan với hệ số Lf/Df ứng dụng phươngpháp quy hoạch thực nghiệm để lập ra các công thức đơn giản để dự báo mô đunđàn hồi và các tính chất khác

Các nghiên cứu về động lực học của BTCST được các tác giả K Fullard vàP Barr (Anh) công bố M Zineddin và T Krauthamer (Viện Hàn lâm Khoa họcHoa Kỳ) công bố vào năm 2006 Đại học Munchen Đức đã công bố về các nghiêncứu thí nghiệm va chạm vào tấm bê tông với tốc độ rất cao Trường Cầu ĐườngParis đã trình bày đầy đủ các cơ sở để nghiên cứu BTCST trong cuốn sách LesBestons de fibres metalliques tác giả Rossi - Casanova - 1998 Năm 1999 tại Berlintác giả Yong zhi Lin Trường Karlsruhe công bố cuốn sách về bê tông được giacường cốt sợi trong đó có trình bày phân tích kết cấu của bê tông cốt sợi trên cơsở cơ học phá hủy

Năm 2002, cơ sở để thí nghiệm và thiết kế bê tông gia cường bằng cốt sợi dựatheo phương pháp phân tích theo mặt cắt và theo cơ học phá hủy trong tiêu chuẩnRILEM TC 162TDF [104] Các tiêu chuẩn đã được sử dụng để tính toán các kết cấuBTCST như ACI, DIN, AASHTO, EHE, Fib [1], [32], [54], [57] ra đời từ năm 1988đến nay

Tác giả Konig, Holschemacher, Dehn, 11/2002, Leipzig (Đức) đã xuất bảncuốn sách Faserbeton Sách hướng dẫn về cách thí nghiệm và phân tích các tínhchất, phân tích về cơ học phá hủy và phương pháp thiết kế theo mặt cắt, đặc biệtcó giới thiệu kết quả nghiên cứu ứng dụng tà vẹt bê tông cốt sợi Các nghiên cứuvề phương pháp tính toán kết cấu BTCST cũng đã được nghiên cứu hoàn thiện gầnđây [75]

Các công trình nghiên cứu về vật liệu bê tông siêu cường độ (150-800 MPa)cũng đã được công bố trên thế giới bởi các tác giả Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, HànQuốc, Pháp, Đức tại Hội nghị về Bê tông chất lượng cao thế giới năm 2005, 2008 vànhững năm sau đó [62], [44], [50], [73], [74], [78], [84] Nhiều nghiên cứu về ứng xửcủa cấu kiện như dầm BT CĐSC, cột bằng vật liệu BT CĐSC đã được đăng trong cáctài liệu hội thảo quốc tế về UHPC [67], [73], [94], [84], [68], [65], [86]

Tại Việt Nam, luận án tiến sỹ về bê tông cốt sợi polyme của tác giả NguyễnNgọc Long đã hoàn thành năm 2000 Tác giả Nguyễn Văn Chánh, 2001 về bê tôngnhẹ cốt sợi hữu cơ [9] Các vấn đề về BTCST đã bước đầu được quan tâm và côngbố năm 2003 với cuốn sách “Bê tông cốt sợi thép” do tác giả Nguyễn Viết Trungchủ biên [22] Nguyễn Tiến Bình, 2005, với bê tông cốt sợi polypropylene GS TSPhạm Duy Hữu [12] đã nghiên cứu về bê tông chất lượng cao trong đó có BTCSTvà công nghệ thi công Bê tông chất lượng cao và bê tông cốt sợi từ năm 2011 Năm2012, GS Phạm Duy Hữu và các cộng sự [13] cũng đã có công trình nghiên cứu vềvật liệu mới trong đó có công bố về bê tông cốt sợi nói chung và sợi thép nói riêng Năm 2010, TS Phạm Duy Anh về tính chất cơ học và ứng xử của bê tông cường độcao cốt sợi thép trong dầm Nhiều công trình nghiên cứu khoa học của các trườngđại học, các Viện khoa học về bê tông cốt sợi phân tán đã được công bố từ khoảngnăm 2006 tới nay Nghiên cứu về chế tạo bê tông cốt sợi, sợi thép cũng như cácnghiên cứu về thuộc tính của bê tông cốt sợi thép của các tác giả như của Trần BáViệt, Nguyễn Thanh Bình [26], [25], [8] và của Phạm Duy Anh [6] đã được côngbố trên các tạp chí có uy tín của các Ngành Các nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợitrên nền vật liệu địa phương [9] của Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh và chocông trình Giao thông của Viện KH và CN GTVT [24] cũng đã đóng góp cho sự

phát triển loại vật liệu này ở Việt Nam Các nghiên cứu về sự làm việc mỏi của bêtông cốt sợi phân tán đã được tác giả Bùi Thiên Lam [16] trường Đại học Bách KhoaĐà Nẵng công bố Các nghiên cứu vê những loại sợi khác như sợi các bon, sợi Bazan, sợi sơ dừa, sợi thủy tinh được chỉ ra trong [18], [19] [16]

Ở Việt nam, vấn đề nâng cao chất lượng và tính năng của bê tông đang đượcquan tâm Nhiều công trình nghiên cứu khoa học và ứng dụng của BT CĐSC đã đượcthực hiện [20], [80], [103] BT CĐSC có sự tham gia của cốt sợi thép giúp cải thiệnđáng kể tính năng của nó Vật liệu này thường đã được dùng trong ngành xây dựnggiao thông như: cầu đường bộ, cầu dành cho người đi bộ, cầu có khẩu độ lớn, máivòm, kết cấu vỏ hầm Gần đây, TS Trần Bá Việt và các công sự đã nghiên cứu tínhtoán sử dụng BT CĐSC vào thết kế cầu nhịp giản đơn, tải trọng HL93 [111] và đãnghiên chế tạo được cầu BT CĐSC cho phương tiện 2 bánh, nhịp giản đơn 18m tạiHậu Giang [5]

1 2 Tính năng cơ học của bê tông cốt sợi thép

1 2 1 Lực dính bám giữa sợi thép và chất nền BT, dính bám của cốt thép và BTCST

Bê tông cốt sợi thép là vật liệu hỗn hợp dạng composite, được cải thiện ứngxử của vật liệu bê tông thông thường sau nứt Các thuộc tính của bê tông sau nứt phụthuộc rất lớn vào lực dính bám giữa cốt sợi và bê tông Vai trò chủ đạo của cốt sợithép là khâu vết nứt, hạn chế độ mở rộng vết nứt, làm cho BTCST có tính dẻo dai,hấp thu năng lượng lớn hơn bê tông thường Cốt sợi thép làm tăng cường độ chịu kéocủa bê tông Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông càng lớn thì cường độ chịu kéocủa BTCST càng lớn do cốt thép khó bị kéo tuột ra khỏi bê tông Lực dính bám giữasợi thép và bê tông phụ thuộc rất lớn vào hình dạng và loại cốt sợi thép Theo [22] và[70] sợi thép có bề mặt tiếp xúc lớn sẽ có lực dính bám với bê tông cao hơn Sợi cótiết diện hình vuông sẽ dính bám tốt hơn tiết diện tròn khi có cùng chiều dài sợi Sợicó đường kính nhỏ, độ co của sợi lớn có khả năng dính bám tốt hơn Cường độ dínhbám của cốt sợi được cải thiện đáng kể khi sợi được chế tạo sao cho hình dạng khôngthẳng mà có dạng uốn cong đầu sợi, dạng lượn sóng, xoắn, mở rộng ở đầu Sợi thépDramix có uốn móc 2 đầu tăng lực dính bám tốt hơn các loại sợi thép khác do ma sátgiữa sợi và bê tông tốt hơn (Hình 1 1)

Hình 1 1 Ứng xử của cốt sợi thép Dramix trong bê tông

Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông còn phụ thuộc vào đặc điểm của bêtông xi măng Cường độ bê tông càng lớn lực dính bám càng lớn [6], [22], [37], [48],[49], [93], như vậy với bê tông cường độ cao thì lực dính bám với sợi thép sẽ lớn hơnso với bê tông thường Thí nhiệm xác định lực dính bám (pull out test) đã đượcNaaman và Nawy (1991) thực hiện và đã có kết luận rằng: Cường độ pha nền (vữa ximăng) lớn thì lực dính bám lớn Thí nghiệm chỉ ra rằng cốt sợi có uốn móc ở đầu thìlực dính bám tăng gấp 4 lần so với cốt sợi thẳng trơn khi cùng đường kính và chiềudài, cùng loại bê tông nền

Lực dính bám giữa cốt thép và bê tông cốt sợi thép rất lớn Sợi thép giúp làmtăng dính bám giữa cốt thép thanh và bê tông do tăng khả năng chống kéo tuột và khảnăng chống phân tách của bê tông

Khi thí nghiệm xem xét yếu tố dính bám giữa bê tông cốt sợi và cốt thép thanh,theo [105] chỉ ra có hai loại phá hủy: do kéo tuột và do bê tông bị tách vỡ Theonghiên cứu này, khi tăng hàm lượng cốt sợi cả lực dính bám và cường độ chịu táchvỡ đều tăng đáng kể Theo nghiên cứu này thì khi chiều dài dính bám bằng 10 lầnđường kính thanh thì cốt thép sẽ không tuột mà bị kéo chảy Trong khi con số đó vớibê tông cốt thép thường là (20-30) lần đường kính thanh

Hình 1 2 Thí nghiệm kéo cốt thép trượt khỏi bê tông[105]

Trong thí nghiệm kéo làm tách bê tông như Hình 1 2 Các tác giả đã khẳng địnhrằng hàm lượng cốt sợi làm tăng đáng kể cường độ chịu kéo tách bê tông Với hàmlượng sợi là 1% cường độ tăng tải trọng khi phá hủy tăng 100%, với hàm lượng sợi là2% thì lực kéo lớn nhất tăng 157% Đồng thời cũng kết luận với hàm lượng sợi 2%,chiều dài neo gấp 3,25 lần đường kính thanh thì cốt thép sẽ bị chảy dẻo trước khi bêtông bị phân tách Như vậy khi có mặt của cốt sợi thép, bê tông sẽ khó bị tách vỡ hơnvà khả năng kéo tuột khó xảy ra hơn Khi đó cốt thép chỉ có thể bị chảy dẻo

1 2 2 Cường độ chịu kéo trực tiếp của BTCST

Cường độ chịu kéo trực tiếp là một thuộc tính quan trọng ảnh hưởng đến sựlàm việc cắt của dầm BTCST Thí nghiệm kéo trực tiếp để xác định cường độ chịukéo của BTCST được lấy theo ACI 544 2R 99 [27] và RILEM TC 162 TDF [104]

Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo trực tiếp của BTCST là quá trình khóthực hiện Vấn đề là kích thước mẫu không đủ lớn để các sợi có thể sắp xếp, phân bốgiống với dầm có kích thước thật [70] Các thí nghiệm không có sự thống nhất, khóđánh giá chính xác được sự làm việc thực của BTCST Khi thí nghiệm kéo trực tiếpmẫu được kẹp giữ chặt vị trí cuối mẫu nên mẫu dễ bị vỡ hoặc bị trượt do kẹp khôngđủ chặt Nói chung, rất khó thực hiện thí nghiệm này Chính vì vậy các thí nghiệmkéo trực tiếp hiếm khi được thực hiện Trước đây, một số nghiên cứu đã dùng thínghiệm này để đánh giá độ rộng vết nứt giới hạn, biến dạng tương đối của mẫuBTCST và biến dạng mềm thông thường của vật liệu

Sợi thẳngSợi uốn mócSợi mở rộng hai đầu

Biến dạng kéo dọc trục, mm

Hình 1 3 Biểu đồ úng xuất- biến dạng của thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu BTCST [32]

Sử dụng mẫu thử tiêu chuẩn, với chiều dài tính toán là 200mm, chiều rộng tínhtoán tại đoạn đo là 70mm, Lim và các cộng sự [83] đã thí nghiệm đánh giá tính chấtcủa bê tông cốt sợi thép với hai loại sợi là sợi thẳng và sợi uốn móc ở hai đầu, bê tôngcó cốt liệu kích thước lớn nhất là 10mm, không rõ chiều dày mẫu Kết quả cho thấy,cùng loại sợi móc câu, khi hàm lượng sợi tăng lần lượt 0,5%, 1%, 1 5% thì lực kéokhi phá hủy lần lượt là: 6KN, 12 KN, 18 KN Tương tự thí nghiệm giữ nguyên hàmlượng sợi 1%, tăng chiều dài sợi từ 300mm lên 500 mm thì lực kép phá hủy lần lượtlà 12 và 17 KN

Noghabai [97] đã thí nghiệm mẫu chịu kéo hình trụ có cắt khấc kích thước:đường kính 70mm, cao 85mm như Hình 1 4 Sợi thép được sử dụng là loại sợi uốnmóc 2 đầu, bê tông có cường độ cao, vết nứt được đo trên đoạn chiều dài 30 mm giữamẫu Cường độ chịu kéo sau nứt và cường độ khi bắt đầu nứt tăng

Biến dạng dọc mmm

Hình 1 4 Mẫu thử và đồ thị mối quan hệ giữa ứng suất- độ biến dạng sau nứt [32]

+ Cường độ chịu kéo sau nứt của BTCST với sự sắp xếp sợi theo hai hoặc bahướng: Sau khi pha nền bị nứt, lực dính bám mất đi, sợi thép có xu hướng kéo tuột rakhỏi chất nền Naaman and Reinhardt [34] đã đề xuất cường độ chịu kéo sau nứt cóthể tính toán dựa theo lực dính bám trung bình, chiều dài dính bám và số sợi cắt ngangqua đơn vị diện tích như phương trình(1-1)

 pc (1L f D f2 )

V f f

2 3 2 3 f

Trong đó:1 ,2 là hệ số ảnh hưởng chiều dài và hướng sợi tương ứng ởtrang thái sau nứt;3 là hệ số kết hợp của số sợi cắt ngang qua đơn vị diện tích, vídụ như theo Naaman, 1972 và Aveston cùng các cộng sự, 1974, nếu chiều dài neocủa sợi thép là Lf/4 thì1 là 0,25;2 số lượng sợi đi qua một đơn vị diện tích tương

ứng là 2V f

 D f 2

cho trường hợp phân bố ba phương; λ3 bằng 2, hệ số hướng sợi sau

khi nứt bằng 1,2 theo Naaman and Reinhardt; τ là lực dính bám giữa sợi thép và bêtông; Lf là chiều dài sợi thép; Df là đường kính cua cốt sợi thép; V f là hàm lượngsợi thép

Cường độ tới hạn sau nứt của BTCST được xác định như(1-2)  pc 0, 6V f L f

1 2 3 Cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén của BTCST được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C39 Tácđộng của cốt sợi thép đối với độ bền nén của bê tông dường như không đáng kể Tuynhiên, độ dẻo được tăng cường một cách đáng kể do sự tăng thể tích và tỉ lệ của cốtsợi đã được sử dụng Fanella và Naaman mô tả một xu hướng tương tự với cả tỉ lệ thể

TI = 1,421 RI + 1,035Trong đó:

Hệ số Lf/Df thể hiện tương quan giữa chiều dài sợi và đường kính sợi Với sợi

thép tỷ lệ này có thể là 45/35, 65/60, 65/35, 80/60 với Lf/Df =45, 65, 80 Khi thể tích

của cốt sợi thép là cố định, nếu thay đổi loại thép (Lf/Df thay đổi) thì độ dai của mẫu

thử cũng tăng theo tỷ lệ Lf/Df

1 2 4 Cường độ chịu uốn

Các mẫu được thí nghiệm uốn 4 điểm (gối tròn) với hình lăng trụ không cókhấc Chiều dài giữa các gối bằng 3 lần chiều cao của lăng trụ Nguyên tắc này thíchứng với các đề xuất của tiêu chuẩn RILEM-162-TDF (Pháp) phù hợp với tiêu chuẩnNBN B15238 (Anh), JSCE-SF4 (Nhật Bản) Theo hướng dẫn của ASTM C1018khẳng định mô hình làm việc của dầm sau khi nứt có ứng xử đàn hồi dẻo Nhữngnhận xét này là cơ sở cho việc khẳng định sự làm việc của BTCST sau nứt là ứng suấtgiảm dần

Độ võng (mm)

Hình 1 5 Ứng xử uốn của bê tông cốt sợi thép [40]

Cốt sợi tăng cường tác động đến độ lớn của cường độ chịu uốn của bê tông Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn tải trọng gây nứt trong đồ thị độ võng tải trọng và giaiđoạn kiểm soát thứ 2 là giai đoạn tải trọng cực hạn Cả tải trọng gây nứt đầu tiên vàtải trọng cực hạn đều bị ảnh hưởng do hàm lượng sợi (Vf)và tỉ lệ kích thước (Lf/Df) Nếu hàm lượng sợi ít hơn 0,5% thể tích khối vữa và tỉ lệ kích thước ít hơn 50 thì cốtsợi ảnh hưởng nhỏ đến cường độ chịu uốn mặc dù chúng vẫn có thể có ảnh hưởngđến độ dẻo của bê tông

Các kết quả nghiên cứu ở trường Đại học Giao thông Vận tải trên kết cấu dầmBTCST cho thấy cường độ chịu kéo uốn tăng lên từ 15-20 % [15]

1 2 5 Độ bền cắt

Do sợi phân bố ngẫu nhiên trong khối vữa tăng cường ứng suất chủ của dầmbê tông Khi sử dụng 1,66% sợi thép thẳng thay cho cốt thép đai, khả năng chịu cắttăng lên 45% [22] Khi sử dụng cốt sợi thép với 2 đầu được làm biến dạng với hàmlượng theo thể tích là 1,1%, khả năng chịu cắt tăng lên 45-67% Sử dụng cốt sợi 2đầu uốn cong làm tăng khả năng chịu cắt gần như 100% [15]

Theo Estefanía Cuenca [48] cốt sợi thép làm tăng cường độ chịu cắt của bêtông Khi sử dụng cốt sợi thép, khả năng chịu tải trọng của dầm tương ứng với vếtnứt đầu tiên Ảnh hưởng của sợi thép đến cường độ chịu cắt phụ thuộc vào các yếutố như: thuộc tính của pha nền, thuộc tính của sợi, lực dính bám giữa sợi và chất nền,hàm lượng sợi…

Narayanan và Darwish [95] cho rằng lực cắt tới hạn tăng khi tỷ số hình dạngsợi tăng, đồng thời cũng khẳng định rằng hàm lượng sợi tăng thì cường độ chịu cắtđược cải thiện không nhiều Các tác giả khác như Lim và Oh [99] đã chỉ ra rằngcường độ chịu cắt tăng đáng kể với chỉ hàm lượng sợi thép rất nhỏ Thậm chí sợi cònlàm thay đổi mô hình phá hủy do cắt Nhiều tác giả khác như đã phân tích ở phầntrước đã khẳng định rằng cường độ chịu cắt tăng khi hàm lượng sợi tăng Lim và cáccộng sự còn khẳng định rằng với hàm lượng sợi thép từ 0%-2% cường độ chịu cắtcủa BTCST tăng đến 100% so với BT thường

1 2 6 Co ngót và từ biến

Không có tiến triển nào trong việc làm co ngót và từ biến bê tông xảy ra khicho thêm sợi nhưng có lẽ có một sự giảm nhẹ do nhu cầu về vữa trong hỗn hợp khisợi được sử dụng Gãy nứt do co ngót khô trong các nhân tố giới hạn có thể được tăngnhẹ bởi vì các vết gãy nứt bị hạn chế phát sinh do ảnh hưởng bắc cầu của cốt sợi phânbố ngẫu nhiên

1 2 7 Ảnh hưởng của cốt sợi thép đến tính chất cơ học BTCST

Các thuộc tính cơ học của bê tông cốt sợi chịu ảnh hưởng của một số thông sốchủ yếu như: Loại sợi; chiều dài sợi; hình dạng sợi; hàm lượng sợi tính theo thể tích(Vf); khoảng cách giữa các cốt sợi (s); độ bền của khối vữa hoặc bê tông; kích cỡ,hình dạng của mẫu

 Chiều dài sợi tiêu chuẩn: Thông số chiều dài

Nếu Lf là chiều dài tiêu chuẩn của một sợi bị đứt và không bị kéo tuột khivết nứt chia cắt sợi ở điểm giữa của nó thì nó có thể được tính gần đúng bằng côngthức sau:

L f D f

Trong đó: D f - đường kính sợi;

νb - cường độ dính bám bề mặt của cốt sợi thép và bê tông;

σf - cường độ chịu kéo của sợi

 Ảnh hưởng chiều dài cốt sợi thép đến ứng xử của BTCST

Yếu tố chiều dài sợi là thông số liên quan đến biến dạng (Ɛ) và độ mở rộng vếtnứt (w) Chiều dài cốt sợi là biểu thị khoảng cách vết nứt được đưa vào công thức tính

toán Chiều dài sợi phụ thuộc vào các yếu tố như loại sợi, hàm lượng sợi, cường độ củachất nền, hình dạng mặt cắt dầm, sự tham gia của cốt thép dọc, loại tải trọng vì vậy khócó thể đạt được sự thống nhất khi tính toán chiều dài đó [48]

Lf = 2hLf =h

 Khoảng cách sợi tiêu chuẩn

Khoảng cách giữa các cốt sợi (s) ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển vết nứtcủa đá ximăng Khoảng cách càng gần thì tải trọng nứt ban đầu của đá ximăng càngcao Điều này là do cốt sợi giảm hệ số nhạy cảm ứng suất và hệ số này ảnh hưởngđến sự xuất hiện vết nứt Giải pháp được thực hiện bởi Romualdi và Batson để tăng

cường độ chịu kéo của phần vữa bằng cách tăng hệ số nhạy cảm ứng suất thông quaviệc giảm khoảng cách giữa các cốt sợi giống như là việc kìm hãm vết nứt

 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi theo thể tích

Hàm lượng sợi thường nhỏ hơn 2% Hàm lượng sợi cao là trên 2% ít được sửdụng Hướng của sợi tăng cường sẽ liên quan đến tải trọng quyết định tính hiệu quảmà sợi được định hướng một cách ngẫu nhiên có thể chống lại sức căng theo hướng

của nó Nếu chọn ngẫu nhiên, hệ số hiệu quả là 0,41l, tuy nhiên có thể dao động giữa0,33l và 0,65l gần với bề mặt của vật mẫu khi trát bằng tay hoặc san bằng có thể làm

thay đổi hướng của thớ sợi

 Ảnh hưởng của loại sợi với bê tông: Khả năng truyền tải trọng của cốt sợiphụ thuộc vào mô đun đàn hồi của sợi Nếu mô đun đàn hồi của sợi lớn hơn mô đunđàn hồi của hồ lúc nứt nẻ, khi đó sợi có tác dụng hạn chế biến dạng tương ứng vớimột độ mở rộng vết nứt nhỏ Ngược lại nếu mô đun đàn hồi của sợi nhỏ hơn mô đunđàn hồi của phần hồ thì việc hạn chế các vết nứt không chấp nhận được Như vậy, khilựa chọn các loại sợi thì tùy theo mục đích sử dụng việc xem xét mô đun đàn hồi củasợi là rất quan trọng

 Ảnh hưởng của sợi thép lên vết nứt cắt (bề rộng và khoảng cách vết nứt):Sợi thép ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng hiệu ứng chốt, kìm hãm, kiểm soátsự lan truyền và mở rộng vết nứt Do bề rộng bết nứt giảm sự đan cài của cốt liệu tốthơn và làm gia tăng độ bền của kết cấu

Sự tăng hàm lượng cốt sợi làm cho vết nứt nhiều nhưng nhỏ hơn, các vết nứtnhỏ thay vì vết nứt lớn và tập trung Các vi vết nứt giúp ứng suất trong vùng chịu cắtphân phối lại, giúp cảnh báo được nguy hiểm trước khi phá hoại [48] Sợi thép bắtđầu tác dụng sau khi vết nứt hình thành, kháng lại lực kéo cho đến khi sợi bị kéo tuộthoặc chảy dẻo tại vết nứt

 Cốt sợi thép có khả năng làm tăng thuộc tính chịu kéo của bê tông như làmtăng khả năng kháng nứt, tăng khả năng chống kéo tuột của cốt thép thanh chịu kéo Do đó tăng cường độ chịu kéo của bê tông CST [48], [70] Cốt sợi thép đóng vai tròtruyền ứng suất kéo trên suốt chiều dài vết nứt nghiêng Cốt sợi thép cải thiện đángkể sức kháng kéo trên cả phạm vi sườn dầm cũng như ở miền chịu kéo của tiết diệndầm [48]

Ảnh hưởng của cốt sợi thép lên độ cứng khi kéo Độ cứng khi kéo được phảnánh ở chỗ khả năng chịu ứng suất kéo của bê tông cốt sợi thép ngay tại vết nứt Chínhđộ cứng chịu kéo của BTCST làm tăng khả năng chịu lực kéo của dầm BTCST trướckhi cốt thép thanh chảy dẻo [48], [70], [91] Độ cứng kéo của bê tông CST phụ thuộcở cả hai phạm vi đó là giữa khoảng cách các vết nứt và ngay tại vết nứt Độ cứng kéocải thiện việc kiểm soát vết nứt và cho phép sử dụng được bê tông cốt thép cường độcao mà vẫn việc kiểm soát được bề rộng vết nứt Kết quả của độ cứng kéo cho phépta xác định được cường độ chịu kéo trung bình của bê tông cốt sợi thép khi nứt, tượngtrưng cho ứng xử trong khoảng giữa của các vết nứt của dầm bê tông CST

1 3 Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BT CST và BTCĐC CSTtrong nước và thế giới

Trên thế giới, từ những năm 80 thế kỷ thứ 20 tới nay đã có nhiều công trìnhnghiên cứu về ứng xử cắt của dầm bê tông cốt sợi (BTCS) nói chung và BTCST nóiriêng Trong đó, dầm BTCST đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm hơn Ứng xử cắt của dầm BTCST cường độ thông thường được nghiên cứu sớm hơn Sauđó, ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST được một số nhà khoa học trên thế giới nghiêncứu Đến nay, nhiều tác giả đã công bố các kết quả về ứng xử cắt của dầm BTCSTcường độ thường Ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST và bê tông cường độ siêu cao(BTCĐSC) cũng đã có một số công bố

Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST trên thế giới và Việt nam bao gồmcác nội dung như sau: nghiên cứu nguyên nhân, hình thức phá hoại do cắt; nghiêncứu các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCST và nghiên cứu xây dựngmô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BTCST

Phương pháp nghiên cứu về cắt của dầm BTCST trên thế giới hiện nay chủyếu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm [70], [91] [59], [90] hoặc nghiêncứu dựa theo các mô hình tính toán sức kháng cắt trong các tiêu chuẩn hiện hành [48],[109] Một số nghiên cứu hoàn toàn dùng thực nghiệm để đưa ra được mô hình tínhtoán sức kháng cắt dầm BTCST [59], [79]

*) Tổng quan nghiên cứu các mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCSTtrong các tiêu chuẩn hiện hành trên thế giới:

Trong các tiêu chuẩn hiện hành, khi tính toán về cắt dầm BTCST đang coiđóng góp của sợi như là một phần riêng biệt Các mô hình tính toán về cắt dầmBTCST trong các tiêu chuẩn RILEM TC162 TDF [104], ACI 544-4R88 [32], EHE-08 [57], Fib Model code- 2010 [46] đều coi sự đóng góp của cốt sợi thép một cáchđộc lập… Các công thức tính sức kháng cắt của dầm BTCST trong hầu hết các tiêuchuẩn đều để tách riêng phần sức kháng cắt của cốt sợi thép Trong đó, phần sứckháng cắt của cốt sợi thép phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như hàm lượng sợi, hìnhdạng, kích thước sợi, hệ số sợi và đặc biệt là các cường độ đặc trưng cho vật liệuBTCST Ngoài ra các yếu tố khác ảnh hưởng đến tính toán lực cắt gồm: Kích thướcdầm, tỷ số nhịp cắt chia chiều cao, hình dạng mặt cắt…

Các mô hình trong các tiêu chuẩn hiện nay dựa trên các nghiên cứu thựcnghiệm hoặc bán thực nghiệm của các nhà khoa học đi trước Để tính toán đượcsức kháng cắt của dầm BTCST theo các mô hình tính trong các tiêu chuẩn hiệnnay cần rất nhiều các thông số thí nghiệm đầu vào Trong tiêu chuẩn RILEM TC62TDF [104], để tính toán sức kháng cắt dầm BTCST cần các thông số đầu vào làcác cường độ chịu kéo uốn đặc trưng thông qua thí nghiệm uốn mẫu dầm Trongtiêu chuẩn ACI 544-4R 88 [32], để có thể tính sức kháng cắt của dầm BTCST cầncó thông số cường độ chịu kéo trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua thí nghiệm…Các thông số thí nghiệm đôi khi không sẵn có vì vậy gặp nhiều khó khăn cho việcdự báo sức kháng cắt dầm BTCST, nhất là khi không có các số liệu thí nghiệm

Hiện tại, các tiêu chuẩn chỉ đưa ra công thức tính toán sức kháng cắt cho dầmBTCST nhưng không cho ta dự báo được ứng xử của dầm BTCST, đặc biệt là dự báogóc nghiêng ứng suất kéo chủ Các tiêu chuẩn chưa đưa ra mô hình dự báo sức kháng

cắt của riêng dầm BTCĐC CST Trong hầu hết các mô hình tiêu chuẩn hiện nay đềucoi góc nghiêng ứng suất kéo chủ (θ) là 45o Thực tế, góc nghiêng này thường nhỏhơn 45o và thay đổi khi hàm lượng sợi thép thay đổi Ngoài ra các yếu tố khác như:độ mở rộng vết nứt, ảnh hưởng của biến dạng trong cốt thép dọc và cốt đai, mối quanhệ giữa ứng suất biến dạng trong tiết diện nghiêng cần được xem xét khi nghiên cứuứng xử cắt dầm BTCST Hàm lượng cốt thép dọc và đai có mối liên quan chặt chẽtới sự làm việc cắt của dầm BTCST đặc biệt có sự khác biệt ở dầm BTCĐC CST Tuy nhiên trong các tiêu chuẩn hiện nay, khó có thể xem xét được các yếu tố nói trên

* Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST trên thế giới và ởViệt Nam

Khi thực hiện nghiên cứu, để đánh giá được sự đóng góp của riêng cốt sợi thépđối với sức kháng cắt, nhiều nhà khoa học thường sử dụng dầm BTCST không cốtđai Khi đó, các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng hơn trong việc đánh giá được sự đónggóp của sợi cho sức kháng cắt Tuy nhiên đối với dầm BTCST có sử dụng cốt đai vàcốt sợi thép, mối quan hệ ứng suất biến dạng rất phức tạp Khi có mặt của cốt thépđai truyền thống trong dầm BTCST, sự hỗ trợ lẫn nhau của hai loại cốt thép này giúpcho sức kháng cắt tăng lên Ứng xử cắt của dầm BTCST có cốt đai có sự khác biệt sovới ứng xử cắt dầm BTCST không cốt đai Sau đây đề cập đến các nghiên cứu thựcnghiêm và bán thực nghiệm về ứng xử cắt của hai loại dầm BTCST có và không cócốt đai:

 Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST không sử dụng cốt đai

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm BTCST không sử dụngcốt đai đã được thực hiện Sử dụng phương pháp thực nghiệm, bán thực nghiệm vàcác mô hình tính toán trong các tiêu chuẩn hiện hành các nhà khoa học đã nghiên cứuvề ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST Các nghiên cứu khảo sát về đóng góp của cốtsợi thép đối với sức kháng cắt của dầm BTCST, về các yếu tố ảnh hưởng đến sứckháng cắt của dầm BTCST Nghiên cứu ứng xử sau nứt và hình thức phá hoại cắt củadầm BTCST Một số nghiên cứu đã xây dựng được mô hình dự báo sức kháng cắtdầm BTCST cường độ thông thường Đối với dầm BTCĐC CST cũng đã có một vài

nghiên cứu để đánh giá vai trò của cốt sợi thép khi chịu cắt Một số nghiên cứu đãxây dựng được mô hình dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST không cốt đai Tuynhiên để dự báo được sức kháng cắt dầm BTCST cần các thông số thí nghiệm nhưlực dính bám, cường độ đặc trưng của vật liệu…

Trong dầm BTCST các thành phần tham gia trong sức kháng cắt bao gồm:Bê tông miền chịu nén (bê tông vùng chưa nứt), cốt đai, cốt thép dự ứng lực và cốtsợi thép phân tán Sự phá hoại do cắt xảy ra trên tiết diện nghiêng Cơ chế truyềnlực cắt trong dầm BTCST gồm: Sự truyền lực cắt thông qua miền bê tông chưa nứt(miền chịu nén), sự truyền lực cắt thông qua hiện tượng cài vào nhau của cốt liệu,sự truyền lực cắt thông qua hiệu ứng chốt của cốt thép dọc chủ, sự truyền ứng suấtthông qua cốt thép đai, xiên, cốt sợi thép và hiệu ứng do cốt dự ứng lực Ngoài cácthành phần tham gia chịu lực cắt như trong dầm BTCT thông thường còn có thêmphần đóng góp của cốt sợi thép phân tán Sức kháng cắt của dầm BTCST phụ thuộcvào các yếu tố như sau: Cường độ chịu nén của bê tông (fc’), hàm lượng cốt sợi (Vf),hàm lượng thép dọc (ρ) và tỷ lệ giữa nhịp cắt và chiều cao có hiệu của dầm (a/d)…

Các nghiên cứu trước đây đều cho rằng cốt sợi thép đóng góp rất lớn cho khảnăng chịu cắt của dầm BTCST [48], [70], [59], [71], [69], [109], [117] Đối với bêtông cấp cao thì khả năng chịu cắt của dầm khi có cốt sợi tăng nhiều hơn bê tôngthông thường [55], [107] Khả năng chịu cắt của dầm theo các nghiên cứu có phạmvi tăng rất khác nhau: tăng từ 13% đến 170% theo Narayanan and Darwish [95], tăng(22-89)% theo như Swamy và cộng sự [41] Tùy theo loại sợi, hàm lượng sợi, tỷ lệhướng sợi và cường độ chịu nén của bê tông mà lượng tăng sức kháng cắt khác nhau Tùy thuộc vào loại bê tông cấp cao hay thấp, bê tông nặng hay nhẹ mà mức độ đónggóp của sợi khác nhau

Các nghiên cứu ban đầu về cắt dầm BT CST được thực hiện bởi các tác giảnhư: Sharma [41], Narayanan và Darwish [95], Naaman và các công sự [94], Lim vàOh [99]… Các tác giả tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như hình dạngsợi, hàm lượng sợi và tỷ số giữa khoảng cách đặt lực với chiều cao hữu hiệu dầm (gọitắt là tỷ lệ nhịp cắt và chiều cao có hiệu) Một số nghiên cứu dựa trên các phương

pháp lý thuyết và thực nghiệm, đề xuất ra các công thức tính ứng suất cắt trung bìnhtrên tiết diện dầm (νu)

Năm 1987, Narayanan and Darwish [95] đã nghiên cứu thực nghiệm vàkhẳng định rằng khi tăng tỷ lệ hình dạng hay cò gọi tỷ lệ hình học (Lf/Df) của sợidẫn đến cải thiện đáng kể sức kháng cắt của dầm, trong khi đó tăng hàm lượng cảithiện không nhiều khả năng chịu cắt của dầm BTCST Tuy nhiên, một số tác giảcho rằng khả năng chịu cắt của dầm bê tông tăng đáng kể chỉ với hàm lượng nhỏcốt sợi thép [41], [99]

Năm 2001, các tác giả K S Elliott, C H Peaston and K A Paine [79] đã nghiêncứu sức kháng cắt của dầm bê tông dự ứng lực có cốt sợi thép và đã khẳng định đónggóp của sợi thép cho sức kháng cắt là rất đáng kể Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hàmlượng sợi, tỷ lệ hình dạng sợi, cường độ chịu kéo sau nứt của BTCST có ảnh hưởng rấtlớn đến sức kháng cắt của dầm BTCST Các tác giả đã đề xuất mô hình tính toán sứckháng cắt của dầm bê tông dự ứng lực cốt sợi thép (BT DUL CST)

Yoon Keunt Kwak, Mack O Eberhard, Woo-Suk Kim, và Jubum Kim [117]đã nghiên cứu thực nghiệm trên 12 dầm BTCST tiết diện chữ nhật, với các tỷ lệ giữanhịp cắt (a) và chiều cao hữu hiệu của dầm (d) xem Hình 1 7 Tỷ số này thay đổi lầnlượt là 2,3,4

Hình 1 7 Chiều dài nhịp cắt(a) và chiều cao hữu hiệu(d)

Hàm lượng sợi tương ứng là 0; 0,5 và 0,75% với 2 cấp bê tông 31MPa và65MPa và đã có kết luận rằng: Tỷ lệ tăng khả năng chịu cắt của dầm rất cao (từ 69đến 80%) khi tỷ số a/d nhỏ nhất (a/d=2) Mô hình phá hoại dầm là do cắt Ngược lạikhi tỷ số a/d lớn hơn thì cường độ chịu cắt thay đổi trong phạm vi nhỏ hơn (22% đến

Độ võng, mm

Hình 1 8 Biểu đồ liên hệ giữa lực tác dụng và độ võng dầm BTCST [117]

Khi nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm về khả năng chịu cắt của dầmBT CST không sử dụng cốt thép đai cường độ thường, các tác giả Hai H Dinh;Gustavo J Parra-Montesinos, M ASCE; và James K Wight [71] đã chỉ ra rằng ứngsuất cắt trung bình trong tiết diện nghiêng khi dầm phá hoại cao hơn so với dầm khôngcó sợi thép Ứng suất cắt trung bình trong dầm BTCST là 0,33√f’c (MPa) khi hàmlượng cốt thép là 0,75% - 1,5% Số lượng vết nứt trong phạm vi nghiên cứu này chothấy cũng thay đổi khi có sợi thép Số lượng vết nứt nhiều hơn nhưng bê rộng vết nứtnhỏ hơn so với dầm không có cốt sợi thép Trong nghiên cứu cho thấy rằng bề rộngvết nứt khi phá hủy sẽ lớn hơn khi dùng loại sợi ngắn (30mm) Tuy nhiên thí nghiệmcho thấy bề rộng vết nứt bằng khoảng 0,5% của chiều dài sợi Điều này phụ thuộc vohình dạng móc ở hai đầu của sợi