KIỂM TRA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM: Vấn đề khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng sử dụng sợi thép potx

KIỂM TRA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM: Vấn đề khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng sử dụng sợi thép Nguyễn Minh Long Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Nhà C2, 268 Lý Thường Kiệt, Q. 10, TP. Hồ Chí Minh E-mail: minhlong_nguyen@yahoo.com; nam@hcmut.edu.vn TÓM TẮT Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành Xây dựng Việt Nam, khi chất lượng công trình là mối quan tâm hàng đầu, việc kiểm tra, đánh giá chính xác chất lượng của cấu kiện, kết cấu công trình là hết sức quan trọng. Bài báo này trình bày thí nghiệm kiểm chứng khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) dùng sợi thép – một dạng kết cấu mới - tại Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình - Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM. Tổng cộng 16 mẫu sàn kích thước khác nhau đã được tiến hành thử tải thực nghiệm, gồm 12 mẫu sàn phẳng BTCT và 4 mẫu sàn BTCT ứng lực trước sử dụng cáp không bám dính. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến ứng xử và khả năng chống xuyên thủng của các mẫu sàn đã được khảo sát và kết quả cho thấy sử dụng sợi thép giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng xuyên thủng của vùng liên kết sàn-cột, tăng độ cứng sàn, và làm chậm sự hình thành và tốc độ phát triển của vết nứt và giảm bề rộng khe nứt cho sàn. 1. TỔNG QUAN Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình (BKSEL) thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng - Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM được thành lập từ năm 1997 với các chức năng chính phục vụ giảng dạy, nghiên cứu khoa học thực nghiệm và thực hiện các hợp đồng sản xuất và chuyển giao công nghệ (LAS- XD187). Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành Xây dựng Việt Nam, khi chất lượng công trình là mối quan tâm hàng đầu, việc kiểm tra, đánh giá chính xác chất lượng của cấu kiện, kết cấu công trình là hết sức quan trọng. Bài báo này trình bày thí nghiệm kiểm chứng khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) dùng sợi thép – một dạng kết cấu mới - tại Phòng thí nghiệm BKSEL. Vấn đề quan trọng của sàn phẳng BTCT là tại vị trí liên kết giữa sàn - cột rất dễ bị phá hoại do hiện tượng xuyên thủng. Sàn bị xuyên thủng sẽ ngăn cản sự làm việc chung giữa sàn và cột và từ đó làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Thực tế cho thấy kiểu phá hoại này rất nguy hiểm vì bản tính giòn và khi xảy ra thường không có dấu hiệu cảnh báo và đột ngột. Để tăng khả năng chống xuyên thủng tại vị trí liên kết sàn - cột, nhiều phương pháp đã được sử dụng: i) phương pháp truyền thống dùng cốt thép chịu cắt như thép đai nhưng phương pháp này lại không dùng được đối với sàn có chiều dày nhỏ hơn 150mm (ACI-318, 2002); ii) phương pháp mới dùng đinh neo, tuy nhiên phương pháp này lại tốn nhiều thời gian thi công (Feretzakis, 2005). Gần đây, kỹ thuật dùng sợi thép phân tán tăng cường vào vùng liên kết sàn - cột đã và đang được nghiên cứu và bước đầu đã cho thấy được tính hiệu quả trong việc cải thiện khả năng chống xuyên thủng của sàn (McHarg et al, 2000; Naaman et al, 2007; Cheng and Montesinos, 2010a). Ngoài ra, sợi thép còn chứng tỏ được hiệu quả trong việc cải thiện ứng xử của liên kết sàn-cột khi chịu tải ngang như động đất do khả năng hấp thụ năng lượng của chúng (Montesinos and Wight, 2000; Megally and Ghali, 2000; Cheng and Montesinos, 2010b). Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, số lượng các nghiên cứu về vấn đề này còn khá khiêm tốn và đây cũng chính là nguyên nhân chính làm cho tốc độ và phạm vi ứng dụng phương pháp này vào trong thực tiễn còn nhiều hạn chế. So với các phương pháp đã có, kỹ thuật dùng sợi thép phân tán có những ưu điểm như: i) kích thước sợi nhỏ nên dễ dàng sử dụng cho cả các sàn có chiều dày nhỏ hơn 150 mm; 2i) sợi phân tán đều trong bê tông làm gia tăng cường độ chịu kéo của bê tông và vì vậy góp phần hạn chế sự xuất hiện của vết nứt li ti trong kết cấu sàn góp phần kiểm soát nứt; ngoài ra sự có mặt của sợi thép còn làm tăng độ dẽo dai của bê tông từ đó làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng của kết cấu sàn và tăng tính toàn khối cho liên kết sàn-cột; và 3i) đơn giản và dễ sử dụng. Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm kiểm chứng khả năng chống xuyên thủng của kết cấu sàn phẳng BTCT có sử dụng sợi thép. Tổng cộng 16 mẫu sàn đã được tiến hành thử tải thực nghiệm, trong đó, gồm 12 mẫu sàn phẳng BTCT và 4 mẫu sàn BTCT ứng lực trước sử dụng cáp không bám dính. Các mẫu sàn có kích thước khác nhau. Nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến ứng xử và khả năng chống xuyên thủng của các mẫu sàn vừa nêu. 2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu Thành phần của bê tông gồm có xi măng Holcim PC40, cát Đồng Nai, đá 1×2 cm, và phụ gia giảm nước kéo dài thời gian ninh kết bê tông Sika Plastiment 96. Thành phần cấp phối chi tiết được trình bày trong Bảng 1. Bảng 1: Cấp phối bê tông cho mẫu sàn phẳng BTCT Sợi thép được dùng trong thí nghiệm là sợi móc hai đầu, dính với nhau thành dạng bản RC-80/60-BN, có chiều dài 60mm và đường kính 0.75mm. Các thông số kỹ thuật của sợi thép được trình bày Bảng 2. Vật liệu Khối lượng/1 m 3 Sàn phẳng truyền thống Sàn phẳng ULT Xi măng Holcim PC40 453 (kg) 427 (kg) Cát, 0-4 mm 624 (kg) 654 (kg) Đá, 22 mm 1242 (kg) 1440 (kg) Nước 181 (l) 185 (l) Sika Plasticiment 96 5 (l) 4.5 (l) Bảng 2: Các thông số kỹ thuật của sợi thép Độ sụt của bê tông thường dao động từ 100-120mm. Độ sụt của bê tông gia cường sợi thép nằm trong khoảng 130-140mm. Cường độ chịu nén và chịu kéo của bê tông được xác định thông qua các mẫu thử lập phương kích thước 150×150×150 mm. Ứng với mỗi mẫu sàn có cùng hàm lượng sợi thép lấy 3 mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén f c,cube và 3 mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo chẻ đôi f sp,cube . Kết quả xác định cường độ bê tông được ghi lại trong Bảng 3. Sàn phẳng BTCT sử dụng cốt thép dọc chịu lực có đường kính Ø10. Tiến hành lấy 3 mẫu thí nghiệm để xác định cường độ chảy dẻo f y và cường độ chịu kéo cực hạn f u . Giá trị trung bình của 3 mẫu thử có giới hạn chảy f y = 492 MPa và giới hạn bền f u = 667 MPa. Sàn phẳng BTCT ULT sử dụng cáp không bám dính đường kính 12.7mm loại 7 sợi. Diện tích mặt cắt ngang của bó cáp xấp xỉ 98.7mm 2 . Cáp có giới hạn chảy 1690 MPa và giới hạn bền 1860 MPa. Cốt thép dọc cấu tạo trong sàn dùng đường kính Ø10, có giới hạn chảy f y = 400 MPa và giới hạn bền f u = 600 MPa. 2.2 Mẫu thí nghiệm Tổng cộng có 16 mẫu sàn được thí nghiệm, chia làm hai nhóm. Nhóm thứ nhất (Hình 1) gồm 12 sàn BTCT không ứng lực trước. Nhóm sàn này được chia làm nhóm nhỏ hơn với kích thước tương ứng: 900×900×125; 1200×1200×125; và 1500×1500×125 mm. Chiều cao làm việc của sàn 105 mm. Cột tiết diện vuông 200×200 mm, cao 150mm. Cốt thép dọc trong sàn được thiết kế với hàm lượng ρ = 0.66%. Hàm lượng sợi thép trong các sàn thay đổi như sau: 0; 30; 45; 60 kg/m 3 . Nhóm thứ hai (Hình 2) gồm 4 sàn BTCT ứng lực trước. Sàn có kích thước 2200×2200×150 mm. Cốt thép dọc cấu tạo trong sàn được thiết kế với hàm lượng ρ = 0.36%. Tương tự nhóm thứ nhất, hàm lượng sợi thép trong các sàn nhóm hai cũng thay đổi từ: 0; 30; 45; đến 60 kg/m 3 . Nhãn hiệu Hình dạng Chiều dài (mm) Tiết diện Đường kính tiết diện (mm) Cường độ chịu kéo (MPa) Mô-đun đàn hồi (GPa) RC-80/60-BN 60 tròn 0.75 1100 200 Hình 1: Mẫu sàn phẳng BTCT không ULT có sợi thép Hình 2: Mẫu sàn phẳng BTCT ULT có sợi thép 2.3 Qui trình thử tải Hình 3 thể hiện mô hình thí nghiệm xuyên thủng sàn. Chuyển vị của sàn được đo tại giữa nhịp và 1/4 nhịp bằng 3 chuyển vị kế điện tử (LVDTs). Biến dạng của cáp và thép dọc theo cả 2 phương trong sàn được đo bằng 8 cảm biến điện trở (electrical strain gauges). Biến dạng nén của bê tông vùng gần liên kết sàn-cột được đo bằng 4 cảm biến điện trở. Các chốt đồng (metal pins) được gắn trên bề mặt sàn để đo bề rộng vết nứt trung bình của sàn bằng cách sử dụng thước đo kỹ thuật số (digital deformeter) với độ chính xác lên đến 0.001 mm. Ngoài ra, giá trị tuyệt đối của bề rộng vết nứt lớn nhất được xác định thông qua kính hiển vi quang học (optical microscope). Kích thủy lực 1000 kN được sử dụng để tạo tải cho sàn với cấp gia tải 20 kN. Tốc độ gia tải xấp xỉ 10 kN/phút. Tại từng cấp tải, chuyển vị, biến dạng bê tông, cốt thép và cáp ứng lực cũng như bề rộng vết nứt đều được ghi nhận lại. Hình 3: Lắp đặt thiết bị và sàn thử 800 150 200 LVDT2 LVDT1 LVDT3 2200 100 1000 1000 Hydraulic testing machine Steel plate 200×200×25 Steel support 1000 1000 100 Anchorage bolt- Ø32 Steel beam Strong floor 3. KẾT QUẢ Các kết quả thu được từ thí nghiệm được tổng hợp trong Bảng 3. Trong đó, V cr là lực kháng nứt; V u là lực gây thủng; ε cu là biến dạng của bê tông khi sàn bị xuyên thủng; ε su là biến dạng của thép và cáp khi sàn bị xuyên thủng; w u là bề rộng khe nứt lớn nhất của sàn đo được khi bị phá hoại. Bảng 3: Kết quả thử tải Kí hiệu sàn Kích thứoc V f f c,cube f sp,cube V cr V u ε cu ε su w u δ u (kg/m 3 ) (MPa) (MPa) (kN) (kN) (‰) (‰) (mm) (mm) A0 1050×1050×125 0 27.1 1.95 20 284 1.8 7 2.17 4.39 4.12 A1 30 27.9 2.23 30 330 1.7 0 2.18 3.78 5.45 A2 45 29.2 2.42 40 345 1.59 1.8 6 4.65 6.82 A3 60 31.6 2.57 45 397 1.42 1.7 7 4.39 6.71 B0 1350 0 27.1 1.95 25 275 1.54 2.32 3.92 11.7 B1 30 27.9 2.23 35 328 1.6 5 2.12 3.85 23.2 B2 45 29.2 2.42 40 337 1.58 2.22 3.61 13.1 B3 60 31.6 2.57 45 347 1.4 8 2.27 4.20 14.0 C0 1650×1650×1 0 27.1 1.95 30 264 1.54 2.3 1 4.35 22.0 C1 30 27.9 2.23 45 307 1.6 7 2.39 4.51 23.6 C2 45 29.2 2.42 50 310 1.4 4 2.42 4.29 23.1 C3 60 31.6 2.57 55 326 1.3 5 2.56 4.25 26.5 S0 220 0 25.5 1.56 40 245 1.25 5.51 4.00 14.7 S4 30 26.1 1.78 45 265 1.3 7 6.5 3 4.00 15.9 S5 45 27.8 2.01 50 300 2.17 6.0 9 3.25 21.4 S6 60 27.5 1.96 60 310 1.42 6.3 1 3.5 22.2 3.1 Kiểu phá hoại Kết quả thí nghiệm cho thấy tất cả các sàn đều bị phá hoại do nén thủng. Các mẫu sàn không gia cường sợi thép bị phá hoại đột ngột, không có cảnh bảo trước, với sự vỡ vụn của bê tông ở mặt chịu kéo của sàn (Hình 4 và 5). Các sàn có gia cường sợi thép, ở mặt chịu kéo của sàn vết nứt hình thành đều và bề rộng vết nứt nhỏ. Nguyên nhân là do sợi thép phân tán đều trong bê tông nên làm gia tăng cường độ chịu kéo của bê tông và làm ứng suất kéo trong sàn phân bố đều. Ngoài ra, sự có mặt của sợi thép còn làm tăng độ dẻo dai của bê tông giúp cho kiểu phá hoại của các sàn có gia cường sợi thép bớt giòn hơn. 3.2 Quan hệ lực - chuyển vị (P-δ) Quan hệ lực - chuyển vị của các sàn được thể hiện trên Hình 6 và 7. Nhìn chung, ứng xử của tất cả các sàn được chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn ban đầu trước khi xuất hiện vết nứt, ứng xử của các sàn cùng một nhóm giống nhau. Quan hệ giữa lực - chuyển vị trong giai đoạn này gần như tuyến tính. Trong giai đoạn kế tiếp (sau khi vết nứt xuất hiện), môment quán tính của tiết diện sàn giảm, dẫn đến Hình 4: Kiểu phá hoại điển hình sàn BTCT không ULT– mặt chịu kéo: (a) không sợi; (b) có sợi (a) (b) Hình 5: Kiểu phá hoại điển hình của sàn BTCT ULT có sợi thép độ cứng của sàn cũng giảm theo. Nhưng độ cứng của các sàn trong cùng một nhóm giảm không giống nhau. Ở cùng một giá trị cấp tải, các sàn có hàm lượng sợi thép lớn hơn thì võng ít hơn. Như vậy, sợi thép đã làm tăng độ cứng của các sàn và độ cứng này tăng theo hàm lượng sợi thép. 3.3 Khả năng chống xuyên thủng của sàn Khả năng chống xuyên thủng của sàn phụ thuộc rất nhiều vào chu vi xuyên thủng tới hạn. Chu vi tới hạn này càng lớn thì khả năng chống xuyên thủng của sàn càng cao. Kết quả thực nghiệm cho thấy sàn không gia cường sợi thép có chu vi nén thủng tới hạn cách bề mặt cột một khoảng xấp xỉ bằng 2.2h với h là chiều dày của sàn. Trong khi đó, khoảng cách này đối với sàn có gia cường sợi thép có giá trị trung bình bằng 2.8h. Như vậy sợi thép đã góp phần đáng kể vào việc làm tăng chu vi nén thủng tới hạn của sàn và dẫn đến làm tăng khả năng chống xuyên thủng cho sàn. Ảnh hưởng của sợi thép đến sụ gia tăng khả năng chống xuyên thủng cho sàn được thể hiện rỏ nét qua Hình 8. Trong nhóm sàn BTCT không Hình 6: Quan hệ lực – chuyển vị sàn phẳng BTCT không ULT Lực V (KN) Chuyển vị giữa nhịp δ (mm) Hình 7: Quan hệ lực – chuyển vị sàn phẳng BTCT ULT Lực V (KN) Chuyển vị giữa nhịp δ (mm) ứng lực trước (Hình 8a), thêm từ 30 đến 60 kg/m3 sợi thép vào sàn, làm tăng khả năng chống xuyên thủng của sàn từ 19.2 đến 39.8%. Đối với các sàn ULT, với cùng hàm luợng sợi tương tự, sự gia tăng của khả năng chống xuyên thủng dao động từ 8.2 đến 26.5% 4. KẾT LUẬN Theo kết quả khảo sát thực nghiệm 16 mẫu sàn phẳng BTCT, các kết luận có thể được rút ra như sau:  Sử dụng sợi thép giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng xuyên thủng của vùng liên kết sàn-cột. Đối với các sàn được thí nghiệm trong nghiên cứu này, khả năng chống xuyên thủng của chúng khi sử dụng hàm lượng sợi thay đổi từ 30 đến 60 kg/m 3 tăng đến 39.8% (sàn không ứng lực trước) hoặc 26.5% (sàn ứng lực trước).  Sử dụng sợi thép với hàm lượng thay đổi từ 30 đến 60 kg/m 3 , làm gia tăng mạnh khả năng kháng nứt của các sàn thí nghiệm từ 40 đến 125%. Sợi thép làm chậm sự hình thành và tốc độ phát triển của vết nứt và làm giảm bề rộng khe nứt cho sàn.  Sợi thép làm tăng độ cứng, giảm chuyển vị cho sàn, làm tăng tính toán khối cho vùng liên kết sàn- cột và có thể giúp làm mềm hóa kiểu phá hoại xuyên thủng ở đây. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ACI Committee 318 (2002). Building code requirements for reinforced concrete and commentary. American Concrete Institute, Detroit, MI, 430p. Cheng MY and Parra-Montesinos GJ (2010a). Evaluation steel fibers reinforcement for punching shear resistance in slab-column connections-part1: Monotonically increased load. ACI Structural Journal. 107(1), pp. 101–109. Hình 8: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến khả năng chống chọc thủng của sàn: (a) sàn không ULT; (b) sàn ULT Hàm lượng sợi V f (kg/m 3 ) Độ gia tăng (%) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 20 40 60 80 Group A-0.9x0.9m Group B-1.2x1.2m Group C-1.5x1.5m Hàm lượng sợi V f (kg/m 3 ) (a) (b) Cheng MY and Parra-Montesinos GJ (2010b). Evaluation steel fibers reinforcement for punching shear resistance in slab-column connections-part2: Lateral displacement reversals. ACI Structural Journal. 107(1), pp. 110–118. Feretzakis A (2005). Flat slabs and punching shear: reinforcement systems. Msc. Thesis, University of Dundee, UK. McHarg PJ, Cook WD, Mitchell D, and Young-Soo Y (2000). Benefits of concentrated slab reinforcement and steel fibers on performance of slab–column connections. ACI Structural Journal. 97(2), pp. 225–234. Megally S and Ghali A (2000). Punching shear design of earthquake resistant slab-column connections. ACI Structural Journal. 97(5), pp. 720–730. Naaman AE, Likhitruangsilp V, and Parra-Montesinos GJ (2007). Punching shear response of high performance-fiber-reinforced-cementitious composite slabs. ACI Structural Journal. 104(2), pp. 170–1779. Parra-Montesinos GJ, and Wight JK (2000). Seismic Reponses of Exterior RC Column to Steel Beam Connections. Journal of Structural Engineering, 126(10), 1112-1121. . KIỂM TRA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM: Vấn đề khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng sử dụng sợi thép Nguyễn Minh Long Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình (BKSEL),. Bài báo này trình bày thí nghiệm kiểm chứng khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) dùng sợi thép – một dạng kết cấu mới - tại Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình - Trường. chống xuyên thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) dùng sợi thép – một dạng kết cấu mới - tại Phòng thí nghiệm BKSEL. Vấn đề quan trọng của sàn phẳng BTCT là tại vị trí liên kết giữa sàn