Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép được gia cường bởi cốt sợi kim loại vô định hình

Nghiên cứu này nhằm khảo sát bằng thực nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép không dự ứng lực khi được gia cường bởi cốt sợi kim loại vô định hình. Kết quả thí nghiệm được so sánh với các giải pháp khác cũng được sử dụng để gia cường tại liên kết cột - sàn như thép đai và bulong chịu cắt.

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu thực nghiệm khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tông cốt thép gia cường cốt sợi kim loại vơ định hình Đặng Cơng Thuật1*, Đinh Ngọc Hiếu1, Trương Gia Toại2 Khoa Xây dựng Dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc TP Hồ Chí Minh Ngày nhận 20/3/2017; ngày chuyển phản biện 7/4/2017; ngày nhận phản biện 28/5/2017; ngày chấp nhận đăng 31/5/2017 Tóm tắt: Nghiên cứu nhằm khảo sát thực nghiệm khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tông cốt thép không dự ứng lực gia cường cốt sợi kim loại vơ định hình Kết thí nghiệm so sánh với giải pháp khác sử dụng để gia cường liên kết cột - sàn thép đai bulong chịu cắt Kết thí nghiệm cho thấy việc sử dụng cốt sợi kim loại vô định hình bê tơng làm tăng khả chống chọc thủng ứng xử chuyển vị sàn so với giải pháp sử dụng thép đai chịu cắt bulong chịu cắt Từ khóa: Chọc thủng, cốt sợi kim loại vơ định hình, sàn phẳng bê tơng cốt thép, thí nghiệm sàn phẳng Chỉ số phân loại: 2.1 Experimental study on the punching shear capacity of flat slab reinforced with amorphous steel fibers Cong Thuat Dang1*, Ngoc Hieu Dinh1, Gia Toai Truong2 Faculty of Civil Engineering, University of Science and Technology - The University of Danang Faculty of Civil Engineering, University of Architecture Ho Chi Minh City Received 20 March 2017; accepted 31 May 2017 Abstract: This experimental study has been carried out to investigate the punching shear capacity of flat concrete slabs reinforced by amorphous steel fibers (ASFs) The experimental results were compared to those of the different reinforcing solutions applied at the columnslab connection region using stirrups and stud rails The test results have shown that the use of ASFs in concrete could improve significantly the punching shear capacity of the flat slab as well as the deflection of the slabs subjected under the testing load compared to the using of the stirrups or stud rails Keywords: Amorphous steel fibers, flat concrete slab, flat slab experiment, punching shear capacity Classification number: 2.1 * Giới thiệu Kết cấu sàn phẳng sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng bê tơng cốt thép nước giới Ưu điểm hệ sàn phẳng sàn kê trực tiếp lên đầu cột cho phép tăng tương đối chiều cao thông tầng, tạo độ phẳng không gian trần đẹp, thi công nhanh, sử dụng không gian linh hoạt Tuy nhiên, kết hợp momen uốn lực cắt lớn vị trí mối nối cột sàn gây phá hoại đột ngột vị trí Hơn nữa, phá hoại vị trí dẫn đến suy giảm đáng kể khả chống tải trọng đứng liên kết cột - sàn dẫn đến sụp đổ toàn hệ kết cấu (theo nghiên cứu Graf Mehrain [1]; Hatcher cộng [2]) Vì vậy, vị trí mối nối cột - sàn cần gia cường để đảm bảo khả chịu cắt khả chuyển vị (độ dẻo) Một số nghiên cứu thực nghiệm nước [3, 4] rằng, khả chống chọc thủng vị trí liên kết cột - sàn kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép phụ thuộc vào nhiều yếu tố chiều dày sàn, cường độ cốt thép chịu uốn, cường độ bê tơng, kích thước cột Từ đó, số nghiên cứu sau phát triển chi tiết thép để gia cường vị trí mũ cột để làm tăng khả chống chọc thủng vị trí này, thép chịu cắt dạng bulong (headstuds) [5], carbon (shear CFRP sheets) [6], cốt thép ngang chịu cắt [7], cốt sợi thép truyền thống (steel fibers) [8, 9] Ở Việt Nam, nghiên cứu lý thuyết mô số ứng xử chọc thủng kết cấu sàn phẳng thực hiện, số liệu thực nghiệm vấn đề Tác giả liên hệ: Email: dangcongthuat@dut.udn.vn 20(9) 9.2017 13 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ hạn chế [10-12] Hiện nay, cốt sợi kim loại vơ định hình (Amorphous steel fibers) loại cốt sợi phân tán chế tạo với công nghệ hoàn toàn 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 tông, đặc biệt không bị tượng ăn mòn kim loại Ở nước ngồi, số nghiên cứu sử loại cốt sợi để tăng khả kiểm sốt vết nứt cấu kiện bê tơng cốt thép q trình co ngót hay q trình chịu tải trọng [13, 14] Tuy nhiên, Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng loại cốt sợi vào kết cấu cơng trình xây dựng chưa khảo sát Trong nghiên cứu này, khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tông cốt sợi vô định hình khơng dự ứng lực nghiên cứu thực nghiệm so sánh với phương pháp truyền thống khác sử dụng cốt thép đai chịu cắt bulong chịu cắt Trên sở đó, tính hiệu mẫu sử dụng cốt sợi vô định hình so sánh với mẫu sử dụng phương pháp khác dựa hai tiêu: Cường độ khả chuyển vị liên kết cột - sàn a Hình dạng cốt sợi kim loại vơ định hình Hình Cốt sợi kim loại vơ định hình sử dụng thí nghiệm ASFs có trọng lượng riêng 7200 kg/m3, cường độ chịu kéo 1400 MPa modul đàn hồi 14x104 MPa Trong đó, cốt sợi thép truyền thống có dạng móc đầu, trọng lượng riêng 7850 kg/m3, cường độ chịu kéo 1100 MPa modul đàn hồi 20x104 MPa Hình so sánh kích thước hình học cốt sợi kim loại vơ định hình cốt sợi thép truyền thống a Cốt sợi kim loại vơ định hình Mơ tả thí nghiệm b Hình ảnh qt kính hiển vi điện tử b Cốt sợi thép truyền thống Hình So sánh kích thước hình học cốt sợi kim loại vơ định hình cốt sợi thép truyền thống Vật liệu Trong nghiên cứu này, bê tơng với cường độ nén mẫu tiêu chuẩn kích thước hình trụ tròn 100x200 mm 28 ngày tuổi 24 MPa, xác định theo tiêu chuẩn ASTM C39/ C39M [15] Cốt thép có gờ với loại đường kính Ø10, Ø13 Ø24 sử dụng làm cốt thép dọc chịu lực mẫu thí nghiệm Cường độ chịu kéo giới hạn chảy xác định theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M [16] 455, 430 465 MPa Bulong chịu cắt dùng mẫu thí nghiệm có đường kính Ø10, chiều dài 85 mm, cường độ chịu kéo giới hạn chảy 400 MPa Cốt sợi thép vơ định hình (ASFs) sử dụng nghiên cứu loại cốt sợi mới, có dạng thẳng, phát triển Công ty POSCO - Hàn Quốc (http://www posco.com/) (hình 1a) Ưu điểm loại cốt sợi trình sản xuất tiết kiệm lượng giảm 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 Hơn nữa, bề mặt phần tử sợi nhám, có khả làm tăng lực bám dính bê tơng cốt sợi (hình 1b) 20(9) 9.2017 Mẫu thí nghiệm Trong nghiên cứu này, có mẫu thí nghiệm, bao gồm mẫu tiêu chuẩn (TC), mẫu gia cường bulong chịu cắt đầu cột (BL), mẫu gia cường thép đai chịu cắt đầu cột (TĐ), mẫu sử dụng bê tông cốt sợi thép vô định hình (ASFs) Tất mẫu thí nghiệm có kích thước 1800x1800 mm, chiều dày sàn 120 mm Trong sàn, cốt thép dọc chịu lực Ø13 sử dụng Cột thiết kế làm việc giai đoạn đàn hồi, với kích thước tiết diện 200x200 mm cốt thép dọc chịu lực 4Ø24 Theo khuyến cáo từ nhà sản xuất, hàm lượng ASFs hợp lý hỗn hợp bê tông dùng kết cấu cơng trình từ 0,6-0,8% Vì vậy, thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu lựa chọn hàm lượng cốt sợi vơ định hình trộn trực tiếp vào hỗn hợp bê tơng với hàm lượng 0,8% Kích thước hình học cấu tạo cốt thép mẫu thí nghiệm trình bày hình Trong nghiên cứu này, bê tơng cốt sợi kim loại vơ định hình sử dụng cho toàn sàn 14 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ B 1800 200 800 1800 800 200 800 Thép cột 4Ø24 12Ø13@150 800 200 A A 100 Ø10 @50 12Ø13@150 200 Đơn vị: mm a Mẫu tiêu chuẩn sử dụng bê tông thông thường, mẫu sử dụng bê tông cốt sợi kim loại vô định hình 1800 200 800 Thép chịu lực Ø13 Thép cẩu lắp Ø13 800 Ø10@50 100 Thép cột 4Ø13 Thép chịu lực Ø13 100 A-A 120 Thép chịu lực Ø13 Thép cẩu lắp Ø13 100 30 30 120 Thép chịu lực Ø13 800 12Ø13@150 30 30 200 A 1800 1800 A 800 12Ø13@150 800 800 200 Ø10@45 A-A A Hình Kích thước cấu tạo cốt thép mẫu thí nghiệm 12Ø13@150 200 800 1800 800 c Mẫu gia cường thép đai chịu cắt đầu cột Thiết lập thí nghiệm A 12Ø13@150 100 50 120 30 30 Thép chịu lực Ø13 Thép cẩu lắp Ø13 Ø10@50 100 50 Column rebars: 4Ø24 Thép chịu lực Ø13 200 Bulong Ø10 b Mẫu gia cường bulong chịu cắt đầu cột 20(9) 9.2017 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 500 kN Cấu tạo hình ảnh hệ thống thí nghiệm trình bày hình 4, bao gồm phận truyền động, phận điều khiển lực, thiết bị đo chuyển vị (LVDT) đặt vị trí đầu cột Tải trọng đứng (P) tác dụng lên mẫu thí nghiệm với vận tốc 0,03 mm/s mẫu bị phá hoại Chuyển vị (w) mẫu lực tác dụng lên mẫu đo ghi nhận vị trí đầu cột suốt q trình thí nghiệm thông qua máy ghi liệu 15 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Bộ phận truyền động Khung gia tải Bộ phận điều khiển lực Mẫu thí nghiệm Thiết bị đo chuyển vị tương ứng 29 72% so với mẫu TC, đồng thời, đường cong lực - biến dạng sụt giảm cách từ từ sau đạt giá trị lực lớn Điều chứng tỏ cốt sợi kim loại vơ định hình sử dụng hỗn hợp bê tông làm tăng khả chống chọc thủng khả chuyển vị mẫu thí nghiệm Đồng thời, chúng có khả kiểm sốt vết nứt sau đạt đến trạng thái giới hạn chịu lực, giúp cho kết cấu không bị phá hoại cách đột ngột, tương tự cốt sợi thép truyền thống [17] 300 250 P (kN) Dầm đỡ 200 150 TC BL TĐ ASF 100 a Hình ảnh hệ thống thí nghiệm 50 0 10 20 w (mm) 30 40 Hình Quan hệ lực - chuyển vị Đặc điểm phá hoại mẫu b Cấu tạo hệ thống thí nghiệm Trong nghiên cứu này, mẫu thí nghiệm kê tự lên gối tựa đặt cạnh mẫu thí nghiệm Vì vậy, phần diện tích sàn xung quanh cột chịu tác dụng lực chọc thủng moment uốn lớn Trong tất mẫu thí nghiệm, vết nứt hình thành vùng chịu kéo tiết diện sàn gần vị trí cột, sau bề rộng diện tích vùng nứt tăng dần với tăng tải trọng (hình 6) Hình Hệ thống thí nghiệm Kết thí nghiệm phân tích Kết đường cong lực - chuyển vị Kết đường cong lực (P) - chuyển vị (w) mẫu thí nghiệm trình bày hình Ta thấy rằng, mẫu tiêu chuẩn (TC), sau đạt giá trị lực lớn (214,8 kN), đường cong lực - chuyển vị sụt giảm cách đột ngột Mẫu gia cường thép đai (TĐ) thể ứng xử tương tự mẫu TC, nhiên khả chịu lực (258,8 kN) cao so với mẫu TC 20,5% Mẫu gia cường bulong chịu cắt cho khả chịu lực cao khoảng 4,6%, nhiên khả chuyển vị cao 30,9%, sau đạt giá trị lực lớn nhất, đường cong lực - chuyển vị sụt giảm cách từ từ Đối với mẫu thí nghiệm sử dụng cốt sợi vơ định hình với hàm lượng 0,8% (ASFs), giá trị lực chuyển vị lớn tương ứng đạt 277,3 kN 29,49 mm, tức cao 20(9) 9.2017 Hình Đặc điểm hình thái phá hoại mẫu 16 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Hình cho thấy hình mẫu vết nứt quan sát mắt thường thời điểm sau mẫu thí nghiệm bị phá hoại Trong trường hợp mẫu tiêu chuẩn (TC), bulong chịu cắt (BL), thép đai chịu cắt (TĐ), số lượng lớn vết nứt hình thành xung quanh chu vi cột gây phá hoại vùng bê tông bề mặt bên mẫu thí nghiệm, kéo theo phá hoại hồn tồn mẫu sau Tuy nhiên, trường hợp mẫu thí nghiệm với hàm lượng 0,8% cốt sợi vơ định hình hỗn hợp bê tơng (mẫu ASFs), số lượng vết nứt diện tích bề rộng vết nứt hẹp quan sát sau mẫu bị phá hoại Diện tích vùng phá hoại đo thể hình Ta thấy rằng, diện tích vùng phá hoại trường hợp mẫu ASFs gần với mẫu TC mẫu lại Ngồi ra, số lượng vết nứt quan sát mẫu ASFs nhiều so với tất mẫu TC, BL TĐ Điều lý giải diện cốt sợi vô định hình hỗn hợp bê tơng tạo hiệu ứng cầu nối (bridging effect) vết nứt xuất bị phá hoại, làm giảm số lượng vết nứt lớn bề rộng khe nứt [17] Kết luận kiến nghị Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm để khảo sát tính hiệu cốt sợi kim loại vơ định hình trộn vào bê tơng đến khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tông cốt thép khơng dự ứng lực Một số kết luận rút từ kết thí nghiệm sau: - Các phương pháp kháng chọc thủng liên kết cột sàn sử dụng bulong chịu cắt, thép đai chịu cắt, sử dụng cốt sợi kim loại vơ định hình hỗn hợp bê tơng làm tăng khả kháng chọc thủng vị trí - Mẫu thí nghiệm sử dụng cốt sợi kim loại vơ định hình hỗn hợp bê tơng có khả chịu tải trọng chọc thủng đầu cột lớn 29% so với mẫu tiêu chuẩn, lớn so với mẫu sử dụng biện pháp gia cường khác - Diện tích vùng phá hoại trường hợp mẫu sử dụng cốt sợi kim loại vơ định mẫu lại Ngồi ra, số lượng vết nứt bề rộng khe nứt quan sát mẫu ASF nhiều so với mẫu tiêu chuẩn, bu lông chịu cắt, thép đai chịu cắt 20(9) 9.2017 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] W.P Graf, M Mehrain (1992), “Analysis and testing of a flat slab concrete building”, Proceedings of Earthquake Engineering, 10th World Conference, Rotterdam, Netherlands, pp.3387-3392 [2] D.S Hatcher, M.A Sozen, C.P Siess (1969), “Test of a reinforced concrete flat slab”, Journal of the Structural Division (ASCE), 95(ST6), pp.10511072 [3] P.E Regan (1981), Behavior of Reinforced Concrete Flat Slabs, Construction Industry Research and Information Association, London, UK, Report 89, February, pp.1-89 [4] S Lips, M.F Ruiz, A Muttoni (2012), “Experimental investigation on punching shear strength and deformation capacity of shear-reinforced slabs”, ACI Structural Journal, 109(6), pp.889-900 [5] C.B Tan, S.C Lee, S Teng (2002), “Shear studs in slab-column connections with rectangular column”, Proceedings of the 27th Conference on Our World in Concrete and Structures, Singapore, pp.569-574 [6] M.R Esfahani (2008), “Effect of cyclic loading on punching shear strength of slabs strengthened with carbon fiber polymer sheets”, International Journal of Civil Engineering, 6(3), pp.208-215 [7] M.M.G Inácio, A.P Ramos, D.M.V Faria (2012), “Strengthening of flat slabs with transverse reinforcement by introduction of steel bolts using different anchorage approaches”, Engineering Structures, 44, pp.63-77 [8] S Altoubat, A Yazdanbakhsh, K.A Rieder (2009), “Shear behavior of macro-synthetic fiber-reinforced concrete beams without stirrups”, ACI Material Journal, 106(4), pp.381-389 [9] M.A Tantary, A Upadhyay, J Prasad (2012), “Influence of steel fibers on the shear strength of concrete”, Journal of Engineering, Computer and Applied Sciences, 1(1), pp.88-92 [10] Lê Khắc Hùng, Trương Hoài Chính (2011), “Sàn phẳng bê tông ứng lực trước căng sau thiết kế theo phương pháp khung tương đương và phương pháp phần tử hữu hạn”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 4(45), tr.65-74 [11] Trương Hồi Chính, Võ Trang Thắng (2013), “Q trình sử dụng kết cấu bê tơng ứng lực trước Việt Nam học kinh nghiệm”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 5(66), tr.7-14 [12] Trương Hồi Chính (2016), “Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng - kích thước mũ cột đến làm việc khả chịu lực sàn phẳng bê tông ứng lực trước”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 1(98), tr.15-20 [13] H Kim, G Kim, J Nam, J Kim, S Han, S Lee (2015), “Static mechanical properties and impact resistance of amorphous metallic fiberreinforced concrete”, Composite Structures, 134, pp.831-844 [14] N.H Dinh, K.K Choi, H.S Kim (2016), “Mechanical Properties and Modeling of Amorphous Metallic Fiber-Reinforced Concrete in Compression”, International Journal of Concrete Structures and Materials, 10(2), pp.221-236 [15] ASTM (2012b) C39/C39M-12a, Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens, American Society for Testing and Materials (ASTM), WestConshohocken, PA, USA [16] ASTM (2012b) E8/E8M-12a, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, American Society for Testing and Materials (ASTM), WestConshohocken, PA, USA [17] P.B Sakthivel, A Jagannathan, R Padmanaban (2012), “Thin cementitious slabs reinforced with stainless steel fibers”, Journal of Mechanical and Civil Engineering, 4(2), pp.39-45 17 ... nghị Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm để khảo sát tính hiệu cốt sợi kim loại vơ định hình trộn vào bê tông đến khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tông cốt thép không dự ứng lực Một... Nam, nghiên cứu ứng dụng loại cốt sợi vào kết cấu cơng trình xây dựng chưa khảo sát Trong nghiên cứu này, khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tơng cốt sợi vơ định hình khơng dự ứng lực nghiên cứu thực. .. cốt sợi thép truyền thống a Cốt sợi kim loại vơ định hình Mơ tả thí nghiệm b Hình ảnh qt kính hiển vi điện tử b Cốt sợi thép truyền thống Hình So sánh kích thước hình học cốt sợi kim loại vơ định