Nghiên cứu thực nghiệm gia cường kháng chấn cho cột bê tông cốt thép sử dụng cốt sợi thép vô định hình

Bài báo này trình bày phương pháp gia cường cột bê tông cốt thép trong các công trình cũ không có các chi tiết kháng chất sử dụng bê tông cốt sợi thép vô định hình. Mẫu tiêu chuẩn được thiết kế để phá hoại theo dạng cắt-uốn khi chịu tác dụng của tải trọng lặp mô phỏng tác dụng của tải trọng động đất. Sau đó, tác giả đề xuất phương pháp gia cố cột sử dụng bê tông cốt sợi thép vô định hình và kiểm chứng bằng thực nghiệm.

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG KHÁNG CHẤN CHO CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT SỢI THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH ThS ĐINH NGỌC HIẾU, TS ĐẶNG CÔNG THUẬT Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp gia cường cột bê tơng cốt thép cơng trình cũ khơng có chi tiết kháng chất sử dụng bê tông cốt sợi thép vơ định hình Mẫu tiêu chuẩn thiết kế để phá hoại theo dạng cắt-uốn chịu tác dụng tải trọng lặp mô tác dụng tải trọng động đất Sau đó, tác giả đề xuất phương pháp gia cố cột sử dụng bê tông cốt sợi thép vơ định hình kiểm chứng thực nghiệm Kết thí nghiệm phương pháp gia cường làm tăng khả chịu tải trọng ngang, khả tiêu tán lượng, giảm hệ số cản so với mẫu tiêu chuẩn Abstract: This paper presents retrofitting method of RC columns in old buildings by using amorphous steel fiber-reinforced concrete Control specimen was designed to fail in shear-flexure when subjecting to cyclic load simulating earthquake Then, concrete jacketing retrofitting method by using amorphous steel fibers was proposed and experimentally verified The test results show that the retrofitting method enhanced the lateral loadcarrying capacity, energy dissipation capacity and reduced the damping ratio compared to the control specimen Keywords: Seismic amorphous steel fibers retrofit, RC columns, Giới thiệu Cột phận kết cấu đặc biệt quan trọng cơng trình xây dựng chịu tác dụng tải trọng ngang, đặc biệt tải trọng động đất Một số khảo sát sụp đổ tồn cơng trình chủ yếu đến từ phá hoại phần tử cột cơng trình [1,2,3] Tuy nhiên, nước phát triển nói chung Việt Nam nói riêng, cột cơng trình bê tơng cốt thép thiết kế theo tiêu chuẩn cũ thường chịu tải trọng gió tải trọng thân Trong cột này, cốt đai thường có khoảng cách lớn uốn với góc 90o, bê tơng có cường độ chịu nén thấp không thỏa mãn yêu cầu cấu tạo 32 khả chịu chuyển vị ngang chịu tải trọng động đất đề tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đại [4,5] Vì vậy, chịu tải trọng ngang lớn, đặc biệt tải trọng động đất, cột thường khơng có đủ khả chuyển vị ngang cần thiết dễ bị sụp đổ Một số nghiên cứu giới thực nhằm phát triển phương pháp gia cường cho cột để chống lại tải trọng ngang sử dụng thép gia cố vùng khớp dẻo tiềm [6], sử dụng FRPs để quấn quanh thân cột làm kiềm hãm biến dạng theo phương ngang [7], hay sử dụng bê tông cường độ cao [8] Hiện nay, cốt sợi thép vơ định hình (Amorphous steel fibers) loại cốt sợi phân tán chế tạo với công nghệ hoàn tác khác so với cốt sợi thép truyền thống Loại cốt sợi có cường độ chịu kéo khả chống ăn mòn cao cốt sợi thép, mềm, dễ uốn, khả phân tán cao bê tơng đặc biệt khơng có tượng ăn mòn kim loại nên ứng dụng để tăng khả kiểm soát vết nứt cấu kiện bê tơng cốt thép q trình co ngót hay trình chịu tải trọng [9, 10] Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương pháp sử dụng bê tơng cốt sợi thép vơ định hình cường độ cao để gia cố cho cột BTCT công trình củ Mẫu tiêu chuẩn với tỉ lệ 1/2 thiết kế để phá hoại theo dạng cắt-uốn chịu tác dụng tải trọng lặp mô tác dụng tải trọng động đất Sau đó, tác giả đề xuất phương pháp gia cố cột sử dụng bê tông cốt sợi thép vơ định Trên sở đó, tính hiệu mẫu gia cường so sánh với mẫu tiêu chuẩn dựa tiêu chí sau: khả chịu tải trọng chuyển vị ngang, hình thái phá hoại mẫu, khả tiêu tán lượng hệ số cản nhớt Mơ tả thí nghiệm 2.1 Vật liệu Mẫu thí nghiệm tiêu chuẩn thiết kế với bê tơng có cường độ thấp với cường độ thiết kế 15 MPa Cường độ chịu nén trung bình mẫu hình Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG trụ 100 mm x 200 mm thời điểm thí nghiệm (40 ngày) 15.7 MPa Cốt thép dọc chịu lực có cường độ chịu kéo danh định 300 MPa sử dụng Cốt sợi thép vơ định hình (ASFs) sử dụng nghiên cứu loại cốt sợi mới, có dạng thẳng, phát triển cơng ty POSCOHàn Quốc (http://www.posco.com/) (hình 1) Ưu điểm loại cốt sợi trình sản xuất tiết kiệm lượng khí thải CO2 (ít 20% so với cốt sợi thép truyền thống), mỏng, dễ uốn, trọng lượng riêng nhẹ, cường độ chịu kéo cao so với cốt sợi thép truyền thống đặc biệt khơng có tượng ăn mòn kim loại [9] Đặc tính loại cốt sợi tóm tắt bảng Bảng Đặc tính cốt sợi vơ định hình sử dụng thí nghiệm Thơng số Chiều dày sợi Đơn vị m Chiều dài sợi mm 30 Chiều rộng sợi mm 1.6 Cường độ chịu kéo MPa 1,700 Module đàn hồi MPa 140,000 Khối lượng riêng kg/m Giá trị 29 7,200 Chiều dày: 29 μm 16 mm (a) Cốt sợi thép vơ định hình (b) Hình dạng kích thước ASFs Hình Cốt sợi thép vơ định hình (ASFs) sử dụng thí nghiệm 2.2 Mẫu thí nghiệm 2.2.1 Mẫu tiêu chuẩn Hình mơ tả chi tiết kích thước hình học cấu tạo cốt thép mẫu tiêu chuẩn Trong nghiên cứu này, mẫu tiêu chuẩn thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318-14 [11] để phá hoại theo trạng thái nguy hiểm uốn-cắt (flexure-shear failure) chịu tải trọng động đất, tương ứng với điều kiện (ii) tiêu chuẩn ASCE 41-13 [12] Theo ASCE 41-13, điều kiện phá hoại theo cắt-uốn tương ứng với 0.6 ≤ Vp/Vn ≤ 1.0 kết cấu cột bê tông cốt thép, Vp lực cắt ứng với trạng thái phá hoại dẻo (khi cường độ cốt thép dọc chịu lực cột Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 đạt giới hạn chảy vị trí khớp dẻo hình thành), Vn sức kháng cắt cực hạn cột Tỉ số theo thiết kế 0.78 2.2.2 Mẫu gia cường Hình mơ tả phương pháp gia cường cho mẫu tiêu chuẩn sử dụng bê tơng cốt sợi thép vơ định hình cường độ cao Mẫu tiêu chuẩn đánh sờn bề mặt, sau cấy thép neo vào sử dụng keo HILTI 500 Lưới thép hàn Ø6 sau bao phủ quanh cột thông qua thép neo Bê tơng cường độ cao có cường độ thiết kế 50 MPa trộn cốt sợi ASFs có hàm lượng 0.75% bao phủ quanh thân cột với bề dày 50mm 33 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 1200 600 200 100 500 150 100 100 150 100 200 60 Ø10@150 30 L = 1660 Ø10 @150 4Ø22 249 A A 300 B 500 150 100 100 150 Mặt cắt A-A B 30 30 100 100 200 240 60 60 140 400 Ống nhựa 50 62 80 110 110 120 236 120 110 110 80 62 1200 Mặt cắt B-B Hình Kích thước cấu tạo cốt thép mẫu thí nghiệm 100 50 Thép neo Cột A A 50 150 150 50 Lưới thép hàn Ø6 20 Bê tơng cốt sợi thép vơ định hình Bê tơng cốt sợi thép vơ định hình fck = 50MPa A-A 20 Hình Phương pháp gia cường cho mẫu tiêu chuẩn 2.3 Quy trình thí nghiệm Cấu tạo hệ thống thí nghiệm trình bày hình Lực tập trung theo phương thẳng đứng tác dụng vị trí đầu cột mẫu thí nghiệm thơng qua thiết bị gia tải kích thủy lực 1000 kN gắn theo phương thẳng đứng vào 34 khung thép cứng Tải trọng lặp mô tác dụng tải trọng động đất tác dụng lên phần cột thơng qua kích thủy lực 1000 kN đặt theo phương nằm ngang gắn vào tường cứng Thiết bị đo chuyển vị (LVDTs) gắn đầu cột để đo chuyển vị theo phương ngang Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tải trọng lặp nghiên cứu thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 374.2R-13 [13] với phương pháp điều khiển theo chuyển vị (displacement-controlled method) Hình trình bày lịch sử gia tải Các chuyển vị vòng lặp lặp lại lần với mức cường độ ( i/  y ) 0.5, 1, 2, 3, 4,… mẫu bị phá hoại Trong  i chuyển vị mẫu vòng lặp thứ i;  y chuyển vị vị trí cốt thép bắt đầu đạt giới hạn chảy, tính tốn dựa độ cứng hiệu cột [14] Tải trọng đứng nghiên cứu tác dụng với giá trị không đổi 0.3Agf’c với Ag tiết diện chịu tải cột, f’c cường độ bê tông cột Tường cứng Thiết bị gia tải theo phương đứng Thiết bị gia tải theo phương ngang Mẫu thí nghiệm Bulong neo Hệ khung dẫn Sàn cứng (a) Cấu tạo hệ thống thí nghiệm (b) Hình ảnh hệ thống thí nghiệm Tỉ lệ chuyển vị (Δ/ Δy) Hình Hệ thống thí nghiệm -2 1Δy 0.5Δy 3Δy 2Δy 4Δy -4 -6 5Δy … 10 12 Số vòng lặp Hình Lịch sử gia tải Kết thí nghiệm phân tích 3.1 Quan hệ lực-chuyển vị Hình trình bày đường cong trễ biểu thị mối quan hệ tải trọng ngang độ lệch tầng (story drift) mẫu tiêu chuẩn mẫu gia cường Trong nghiên cứu này, độ lệch tầng (θ) lấy Δ/H, Δ chuyển vị ngang mẫu, H chiều cao cột Các giá trị tải trọng ngang lớn (Pmax) chuyển vị góc xoay lớn thời điểm mẫu bị phá hoại (θu) ghi nhận thể hình Từ hình ta thấy rằng, giá trị tải trọng ngang lớn mẫu gia cường theo chiều Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 (+) chiều (-) tải trọng -207.9 214.9 kN Các giá trị lớn 2.05 lần 1.76 lần so với mẫu tiêu chuẩn tương ứng theo chiều (+) chiều (-) tải trọng Tương tự, độ lệch tầng theo chiều (+) chiều (-)tải trọng mẫu gia cường tăng đáng kể so với mẫu tiêu chuẩn (3.87% so với 2.63%) Bên cạnh đó, suy giảm cường độ mẫu tiêu chuẩn đáng kể sau đạt tải trọng ngang lớn nhất, vết nứt xuất nhiều mở rộng dần sau vòng lặp chất- dỡ tải Trong mẫu gia cường, khả chịu tải trọng ngang có xu hướng ứng tăng với cấp chuyển vị 35 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ngang tăng dần thời điểm dừng gia tải (tại độ lệch tầng đạt 3.87%) Điều cho thấy hiệu 300 Tải trọng ngang (kN) 200 100 cốt sợi vơ định hình việc tăng độ dẻo kết cấu chịu tải trọng ngang (+) (-) θu1 =3.87% Pmax1=207.9 kN Pmax2=101.1 kN θu2 =2.63% -100 θu2 =-2.63% Pmax2=-122.07 kN -200 Pmax1=-214.9 kN -300 Mẫu gia cường Mẫu tiêu chuẩn θu1 =-3.87% -6 -4 -2 Chuyển vị xoay (%) Hình Đường cong trễ biểu diễn quan hệ lực-chuyển vị mẫu thí nghiệm 3.2 Đặc điểm phá hoại mẫu Sự phá hoại nặng nề bê tông bị ép vỡ Các vết nứt thẳng đứng xuất Vết nứt xiên Vết nứt ngang Hình Đặc điểm hình thái phá hoại mẫu tiêu chuẩn Hình cho thấy hình mẫu vết nứt mẫu tiêu chuẩn quan sát mắt thường thời điểm kết thúc thí nghiệm Ban đầu, vết nứt ngang phá hoại uốn xuất hiện, sau vết nứt xiên phá hoại cắt xuất 36 tập trung chủ yếu vị trí hai đầu cột Khi tải trọng ngang đạt giá trị lớn nhất, bê tông vị trí hai đầu cột bắt đầu bị phá vỡ Sau đó, từ vùng phá hoại này, vết nứt thẳng đứng bắt đầu xuất với bề rộng vết nứt mở rộng dần trạng thái cực hạn Nhìn chung, phá hoại mẫu chủ Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG yếu tập trung hai đầu cột- vị trí hình thành khớp dẻo cột chịu tải trọng ngang Bê tông không vị ép vỡ Các vết nứt ngang Hình Đặc điểm hình thái phá hoại mẫu gia cường Hình cho thấy hình mẫu vết nứt mẫu gia cường quan sát mắt thường thời điểm kết thúc thí nghiệm Số lượng bề rộng vết nứt vị trí hai đầu cột giảm cách Khả phân tán lượng hệ số cản hai thông số quan trọng đánh giá khả làm việc giai đoạn đàn hồi kết cấu chịu tác dụng tải trọng động đất Trong nghiên cứu này, đáng kể so với mẫu tiêu chuẩn Đặc biệt, thời điểm ngừng gia tải, ứng với độ lệch tầng đạt 3.87%, khả tiêu tán lượng ứng với vòng lặp tải trọng xác định diện tích giới hạn khơng có tượng ép vỡ bê tơng vị trí khớp dẻo Điều thấy cốt sợi thép vô định đường cong trễ biểu diễn quan hệ tải trọngchuyển vị ngang ứng với vòng lặp tải trọng hình có khả kiểm sốt vết nứt xuất tốt nên hạn chế bề rộng vết nứt Đồng thời, chịu tải trọng ngang chúng chuyển lượng lớn ứng suất kéo cấu kiện thông qua vết nứt này, nên khả chịu lực mẫu gia cường tăng lên cách đáng kể [13] (hình 9(a))) Bên cạnh đó, hệ số cản tính tốn theo tiêu chuẩn ACI 374.2R-13 [13]: ξ=Ed/4πEs Trong Ed lượng phân tán vòng lặp tải trọng Es lượng biến dạng đàn hồi vòng lặp, Es = FiΔi, Fi tải trọng ngang Δi chuyển vị ngang vòng lặp thứ i (hình 9(b)) 3.3 Khả phân tán lượng hệ số cản Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 37 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tải trọng ngang Tải trọng Năng lượng ngang phân tán (Ed) Chuyển vị Chuyển vị Năng lượng đàn hồi (Es) Năng lượng phân tán (Ed) Hình Định nghĩa lượng phân tán hệ số cản nhớt [14] 0.30 160 Hệ số cản nhớt 0.20 120 80 Năng lượng phân tán 0.10 Hệ số cản nhớt Năng lượng phân tán (kNm) 200 40 Mẫu tiêu chuẩn Mẫu gia cường 0 Chuyển vị xoay (%) 0.00 Hình 10 Khả phân tán lượng hệ số cản nhớt mẫu thí nghiệm Hình 10 trình bày mối tương quan lượng phân tán- hệ số cản chuyển vị góc xoay hai mẫu thí nghiệm Nhìn chung, khả phân tán lượng hai mẫu thí nghiệm giai đoạn đầu gia tải, ứng với độ lệch tầng khoảng 0~2% Tuy nhiên sau đó, khả phân tán mẫu gia cường tiếp tục tăng đạt giá trị 56.32 kNm chuyển vị góc xoay 3.87% Bên cạnh đó, độ lệch tầng tăng, hệ số cản hai mẫu thí nghiệm tăng Hệ số cản mẫu gia cường đạt giá trị thấp so với mẫu tiêu chuẩn ứng với cấp tăng chuyển vị ngang Kết luận kiến nghị Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm việc gia cường kháng chấn cho cột bê tơng cốt thép cơng trình cũ sử dụng cốt sợi thép vơ định hình Các kết luận rút từ kết thí nghiệm sau: - Mẫu gia cường làm tăng khả chịu tải trọng ngang khả chuyển vị ngang giai đoạn đàn hồi so với mẫu tiêu chuẩn 38 Đồng thời, khơng có suy giảm cường độ mẫu gia cường giai đoạn làm việc dẻo; - Ở trạng thái cực hạn, phá hoại mẫu tiêu chuẩn tập trung chủ yếu hai đầu cột (vị trí hình thành khớp dẻo), vết nứt xuất nhiều bề rộng vết nứt mở rộng kèm theo bê tông bị ép vỡ cách nặng nề Trong đó, mẫu gia cường, số lượng bề rộng vết nứt vị trí hai đầu cột giảm cách đáng kể so với mẫu tiêu chuẩn Đặc biệt, thời điểm ngừng gia tải, ứng với độ lệch tầng đạt 3.87%, khơng có tượng ép vỡ bê tơng vị trí khớp dẻo; - Khả phân tán lượng mẫu gia cường cao so với mẫu tiêu chuẩn giai đoạn làm việc dẻo kết cấu Đồng thời, hệ số cản mẫu gia cường nhỏ so với mẫu tiêu chuẩn ứng với cấp tăng chuyển vị ngang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Despeyroux J (1960) “The Agadir earthquake of February 29th 1960 – behavior of modern building during the earthquake” Civil Engineer, Escole Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Nationale des Ponts Chaussées of Paris, Divisonal strengthened in the plastic hinge region by HPFRC Delegate of the Bureau Securitas for North Africa, mortar” Compos Struct, 94:2246–53 1(5):521–41 [9] Kim H., Kim G., Nam J., Kim J., Han S., Lee S (2015), [2] Ward P.L., Gibbs J., Harlow D., Arturo A.Q (1974) "Static mechanical properties and impact resistance of “Aftershocks of the Managua, Nicaragua, earthquake amorphous and the tectonic significance of the Tiscapa fault” Bull Composite Structures, 134, pp 831-44 metallic fiber-reinforced concrete" Seismol Soc Am, 64(4):1017–29 [10] Dinh N H., Choi K K., Kim H S (2016), "Mechanical [3] Nienhuys S (2010) “Reinforced concrete construction Properties and Modeling of Amorphous Metallic failures exposed by earthquake: examples of design Fiber-Reinforced mistakes International Journal of Concrete Structures and in reinforced concrete constructions” Reinforced Concr Constr Fail, 1–17 Concrete in Compression" Materials, 10(2), pp 221-36 [4] Kang T H K., Ha S S., Choi D U (2010) “Bar pullout tests and seismic tests of smallheaded bars in beam column joints” ACI Struct J, 107(1):32–42 [11] ACI 318-14 (2014) “Building code requirements for structure concrete” American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, UAS [5] Foraboschi P (2012) “Shear strength computation of reinforced concrete beams strengthened with composite materials” Compos: Mech Comput Appl, [12] ASCE/SEI 41–13 (2013) “Seismic evaluation and retrofit of existing buildings” American Society of Civil Engineering 3(3):227–52 [6] Aboutaha R.S., Jirsa J.O (1996) “Steel jackets for [13] ACI 374.2R-13 (2013) “Guide for Testing Reinforced seismic strengthening of concrete columns” 11th Concrete Structural Elements Under Slowly Applied World Conference on Earthquake Engineering, Paper Simulated Seismic Loads” ACI Committee 374 No 518 Acapulco, Mexico; June [14] Park R (1994) “Simulated seismic load tests on [7] Yamamoto T (1992) “FRP strengthening of RC columns for seismic retrofitting” 10th World Conference on Earthquake Engineering Balkerna, reinforced concrete elements and structures” 10th World Conference on Earthquake Engineering, Balkerna, Rotterdam, Netherlands Rotterdam, Netherland, p 5205–10 [8] Cho C G., Kim Y Y., Feo L., Hui D (2012) “Cyclic responses of reinforced concrete composites columns Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2017 Ngày nhận bài: 06/3/2017 Ngày nhận sửa lần cuối: 10/3/2017 39 ... Mặt cắt B-B Hình Kích thước cấu tạo cốt thép mẫu thí nghiệm 100 50 Thép neo Cột A A 50 150 150 50 Lưới thép hàn Ø6 20 Bê tông cốt sợi thép vơ định hình Bê tơng cốt sợi thép vơ định hình fck =... (a) Cốt sợi thép vơ định hình (b) Hình dạng kích thước ASFs Hình Cốt sợi thép vơ định hình (ASFs) sử dụng thí nghiệm 2.2 Mẫu thí nghiệm 2.2.1 Mẫu tiêu chuẩn Hình mơ tả chi tiết kích thước hình. .. thành), Vn sức kháng cắt cực hạn cột Tỉ số theo thiết kế 0.78 2.2.2 Mẫu gia cường Hình mơ tả phương pháp gia cường cho mẫu tiêu chuẩn sử dụng bê tông cốt sợi thép vơ định hình cường độ cao Mẫu