Nghiên cứu ứng xử của dầm chịu lực cắt khi lực dính giữa bê tông và cốt dọc chịu kéo bị suy giảm cục bộ

Bài báo này sử dụng phương pháp 3D-RBSM (3D-Rigid Body Spring Model) để đánh giá ứng xử của dầm chịu lực cắt bao gồm khả năng chịu lực cắt, hình dạng vết nứt do cắt và cơ chế kháng lực cắt, gồm cơ chế dầm và cơ chế vòm khi lực dính giữa bê tông và cốt dọc chịu kéo bị suy giảm cục bộ.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 43 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM CHỊU LỰC CẮT KHI LỰC DÍNH GIỮA BÊ TƠNG VÀ CỐT DỌC CHỊU KÉO BỊ SUY GIẢM CỤC BỘ RESEARCH ON SHEAR BEHAVIOUR OF SHEAR BEAMS AS BOND BETWEEN CONCRETE AND REBAR IS LOCALLY DETERIORATED Nguyễn Công Luyến Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; ncluyen@ud.edu.vn Tóm tắt - Lực dính bê tơng cốt thép có ảnh hưởng khơng nhỏ đến khả chịu lực kết cấu Khi cốt thép bị ăn mòn, lực dính bị giảm từ làm ảnh hưởng đến khả chịu lực kết cấu Công cụ để nghiên cứu ảnh hưởng lực dính đến ứng xử kết cấu, đặc biệt ứng xử lực cắt thực cần thiết Bài báo sử dụng phương pháp 3D-RBSM (3D-Rigid Body Spring Model) để đánh giá ứng xử dầm chịu lực cắt bao gồm khả chịu lực cắt, hình dạng vết nứt cắt chế kháng lực cắt, gồm chế dầm chế vòm lực dính bê tơng cốt dọc chịu kéo bị suy giảm cục Kết nghiên cứu cho thấy, giảm lực dính làm thay đổi chế kháng lực cắt dầm: làm tăng chế vòm ứng suất cốt thép khơng thể truyền qua bê tông cách tốt Hiện tượng gây nên thay đổi khả chịu lực dạng phá hoại dầm Abstract - Bond between concrete and reinforcement bar has a significant influence on load capacity of structures As reinforcement bar is corroded, such a bond is deteriorated and consequently affects structures' load capacity In order to profoundly understand the effect of bond on structural behaviour, particularly shear behaviour, numerical investigation would definitely be useful based on powerful numerical tools In this study, shear behaviour with bond deterioration including shear strength, crack pattern and shear mechanism based on beam and arch actions is investigated by using 3-D Rigid-Body-Spring-Model (3-D RBSM) The results show that deterioration in bond strength may result in the transition in shear resistant mechanism – dramatically build-up arch action because tensile force in longitudinal bars could not transfer to concrete perfectly This phenomenon leads to the changes in load capacity and failure mode of shear beams Từ khóa - ứng xử lực cắt; suy giảm lực dính; chế kháng lực cắt; chế dầm; chế vòm Key words - shear behaviour; bond deterioration; shear resistant mechanism; beam action; arch action Đặt vấn đề Khi cốt thép bị ăn mòn ảnh hưởng mơi trường, đường kính cốt thép lực dính bê tơng cốt thép bị giảm gây thay đổi khả chịu lực kết cấu Khi lực dính tốt, ứng suất cốt thép truyền qua bê tông tốt, đảm bảo làm việc đồng thời bê tông cốt thép Ngược lại, lực dính giảm, truyền ứng suất giảm, phối hợp làm việc bê tông cốt thép giảm Xue cộng (2010) làm số thí nghiệm khả chịu lực cắt kết cấu dầm bị ăn mòn cốt thép dọc chịu kéo Xue tìm thấy rằng, ăn mòn cốt dọc chịu kéo, mà kết gây suy giảm lực dính bê tơng cốt dọc chịu kéo (sau gọi tắt lực dính), làm thay đổi chế kháng lực cắt dầm, cụ thể làm tăng khả chịu lực cắt Mặc dù vậy, Xue chưa nêu rõ cụ thể thay đổi chế kháng lực cắt dầm Hơn nữa, thí nghiệm ơng chưa nêu rõ ảnh hưởng ăn mòn cục cốt chịu kéo chiều dài dầm, hay nói cách khác thay đổi lực dính cục lên chế kháng lực cắt dầm Vì vậy, báo này, cách sử dụng phương pháp 3D-RBSM, nghiên cứu suy giảm lực dính cục lên chế kháng lực cắt dầm Thông qua phân bố ứng suất 3D-RBSM, chế kháng lực cắt chia tách thành chế dầm (beam action) chế vòm (arch action), từ làm sáng tỏ thay đổi chế kháng lực cắt dầm bị suy giảm lực dính cục mô vật liệu liên tục tập hợp phần tử cứng (rigid particles) Các phần tử liên kết với liên kết nằm mặt biên phần tử, mô tả Hình Các phần tử tạo cách ngẫu nhiên, gọi Voronoi diagram Tại tâm phần tử có bậc tự Mơ hình phân tích phương pháp 3D-RBSM Mơ hình 3D-RBSM (three-dimensional Rigid Body Spring Model) phát triển Yamamoto cộng (2008) Mơ hình dựa phương pháp phần tử rời rạc, Vertex of boundary face Spring location Springs at integration point Voronoi diagram Nucleus Hình 3D-RBSM Một liên kết pháp tuyến hai liên kết tiếp tuyến đặt tâm điểm tam giác tạo trọng tâm đỉnh mặt biên hai phần tử (vertex of boundary face) Ứng xử phi tuyến bê tông đặt vào liên kết Ứng xử liên kết cung cấp thông hiểu tương tác phần tử, thay ứng xử bên phần tử học liên tục (Yamamoto cộng sự, 2008) Việc mô làm việc kết cấu bê tông cốt thép đến ứng xử sau nứt 3D-RBSM thực nghiệm kết cho thấy mô hình cho kết xác, đặc biệt hình dạng vết nứt, vị trí vết nứt (Yamamoto cộng sự, 2008) Để nghiên cứu cách rõ ràng ảnh hưởng suy giảm lực dính lên ứng xử chịu lực cắt dầm, trước hết dầm thiết kế với tỷ số nhịp cắt (shear span) a chiều cao hiệu (effective depth) d 3,14 Cốt đai đặt nhịp cắt để tránh phá hoại cắt xảy nhịp này, nhịp cắt lại khơng bố trí cốt đai Nguyễn Công Luyến 44 nhằm để phá hoại cắt xảy Đồng thời nhịp cắt này, lực dính bị giảm tồn chiều dài nhịp cắt Dầm ký hiệu dầm SS, mô tả Hình 2(a) Dầm thứ hai thiết kế giống dầm SS Tuy nhiên dầm này, 200 mm nhịp cắt bị giảm lực dính, Hình 2(b) Dầm ký hiệu dầm MSS200 Cả hai dầm dầm đơn giản có điểm đặt lực tập trung Mơ hình phân tích dầm RBSM thể Hình Kích cỡ trung bình phần tử 20 mm Cốt thép mô phần tử dầm Lực dính bê tơng cốt thép mô phần tử zero-link mối quan hệ cường độ lực dính trượt mơ Hình Trong phạm vi báo này, lực dính bị giảm cách thay đổi cường độ lực dính cực đại 𝜏𝑚𝑎𝑥 , mơ tả Hình có suy giảm lực dính cục (normal), thể đường nét đứt, cho kết thấp dầm khảo sát Dầm SS bị giảm lực dính cục 20% (SS 20%) có khả chịu lực cắt cao dầm không bị suy giảm lực dính lại thấp nhiều so với dầm bị giảm lực dính 40% 60% Hình dạng vết nứt Hình cho thấy rằng, lực dính bị giảm, vị trí vết nứt di chuyển dần vào gần điểm đặt lực tập trung Đối với dầm có suy giảm lực dính lớn, vết nứt nghiêng trở nên dốc ứng suất vòm trở nên mạnh Có thể dễ dàng nhận thấy dầm khơng suy giảm lực dính (normal) dầm SS 20% bị phá hoại kéocắt (shear-tensile) Trong đó, hai dầm lại SS 40% SS 60% bị phá hoại nén-cắt (shear-compression) Nguyên nhân khác khả chịu lực dạng phá hoại dầm trình bày cụ thể mục sau deteriorated bond 300 200 800 200 800 Load (kN) 2000 200 800 255 deteriorated 200 bond 20 800 2000 200 100 300 (a) Dầm SS Normal SS 20% SS 40% SS 60% 150 0 10 Displacement (mm) Hình Quan hệ lực (load) – chuyển vị (displacement) dầm SS (b) Dầm MSS200 Hình Kích thước dầm thí nghiệm Hình Mơ hình dầm 3D-RBSM (a) Normal (b) SS 20% (c) SS 40% (d) SS 60% 𝜏 𝜏𝑚𝑎𝑥 normal bond deteriorated bond 𝜏𝑚𝑎𝑥 /10 0.2 0.4 s(mm) Hình Quan hệ cường độ lực dính – trượt Ứng xử lực cắt dầm bị suy giảm lực dính cục Bằng cách giảm cường độ lực dính tương ứng với mức 20%, 40% 60%, mối quan hệ lực – chuyển vị, dạng phá hoại phân bố ứng suất dầm chịu lực cắt SS MSS200 nghiên cứu thảo luận 3.1 Dầm SS Hình Hình 6(b)-(d) tương ứng mơ tả kết đường quan hệ lực – chuyển vị, hình dạng vết nứt phân bố ứng suất thời điểm chịu lực cực đại dầm SS Hình cho thấy khả chịu lực dầm khơng Hình Hình dạng vết nứt phân bố ứng suất nhịp cắt bị suy giảm lực dính cục dầm SS 3.2 Dầm MSS200 Kết dầm MSS200 bao gồm quan hệ lực – chuyển vị, hình dạng vết nứt phân bố ứng suất dầm mơ tả Hình Hình 8(b)-(d) Cũng giống dầm SS, khả chịu cắt dầm MSS200 tăng lực dính cục nhịp cắt giảm Tuy nhiên, mức độ tăng so với dầm SS Hình dạng vết nứt di chuyển dần phía đặt lực tập trung lực dính cục giảm Tuy nhiên, lực dính bị giảm khoảng 200 mm nhịp cắt, lực dính vị trí khác tốt, vết nứt nghiêng xuất vị trí gần vị trí giảm lực dính Ứng suất vòm tạo dầm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển giống dầm SS, ứng suất tập trung vị trí đặt lực tập trung gối tựa dường yếu so với dầm SS Dạng phá hoại dầm giống với dầm SS, hai dầm: dầm không bị giảm lực dính (normal) dầm MSS 20% bị phá hoại kéo cắt, hai dầm lại bị phá hoại nén cắt dT  dT dCs  j dCc Vb =  s +  jCc + c  jTc  + dx  dx dx  dx Va = Cc  djCc dj + Tc  Tc dx dx (3) (4) Normal MSS200 20% MSS200 40% MSS200 60% 300 Hình Cân ứng suất tiết diện 200 100 0 (a) Equilibrium 10 Displacement (mm) Hình Quan hệ lực (load) – chuyển vị (displacement) dầm MSS200 (a) Normal (c) MSS200 40% (b) MSS200 20% (d) MSS200 60% Hình Hình dạng vết nứt phân bố ứng suất nhịp cắt bị suy giảm lực dính cục dầm MSS200 Đánh giá thay đổi chế kháng lực cắt phương pháp tách Cơ chế kháng lực cắt bao gồm chế dầm (beam action) chế vòm (arch action) Hình mơ tả cân ứng suất tiết diện dầm chịu lực cắt Mơ-men uốn M tiết diện tính lực kéo cốt thép chịu Ts, lực nén cốt thép chịu Cs, lực nén bê tông chịu Cc, lực kéo bê tông chịu Tc, diễn giải biểu thức (1): j M = (Ts + C s )  + Cc  jCc + Tc  jTc (1) Trong đó, j khoảng cách cốt thép chịu nén kéo, jCc khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng tâm lớp bê tơng chịu nén, jTc khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng tâm lớp bê tông chịu kéo Cơ chế dầm Vb (biểu thức (3)) chế vòm Va (biểu thức (4)) tạo lập từ lực cắt V (biểu thức (2)) tiến hành vi phân biểu thức (1): dM V= = Vb + Va dx (2) (b) Beam action (c) Arch action Hình 10 Cơ chế kháng lực cắt gồm chế dầm (beam action) chế vòm (arch action) Hình 10 mơ tả chế kháng lực cắt dầm, cách xét trạng thái ứng suất phân tố dx (Hình 10(a)) Trạng thái cân lực phân tách thành Hình 10(b) 10(c) Hình 10(b) tương ứng với chế dầm (beam action), diễn giải biểu thức (3), tính tốn dựa thay đổi ứng suất cốt thép bê tông phân tố Ngược lại, chế vòm (Hình 10(c)), mơ tả biểu thức (4), thực chất thay đổi trọng tâm ứng suất chịu nén kéo bê tông (Iwamoto cộng sự, 2015) Sử dụng kết phân bố ứng suất phần tử lấy từ mơ hình 3D-RBSM, cách xét trạng thái cân (equilibrium) phân tố dx có bề rộng 100 mm, chế dầm Vb chế vòm Va phân tách cho tất phân tố nằm nhịp cắt khảo sát Kết bàn luận Hình 11 12 mơ tả đường cong chế dầm chế vòm dầm SS dầm MSS200 Trong hai trường hợp dầm SS dầm MSS200, chế dầm nhiều thay đổi so sánh trường hợp khơng giảm lực dính cục trường hợp giảm lực dính 20%, 40%, 60% Trong đó, chế vòm tăng đáng kể lực dính bị suy giảm cục hai trường hợp dầm, chế vòm dầm SS bị giảm 20%, 40%, 60% lớn so với chế vòm dầm MSS200 bị giảm lực dính với mức tương ứng 300 Load (kN) Load (kN) 45 Beam-Nornal Beam-SS 20% Beam-SS 40% Beam-SS 60% Arch-Normal Arch-SS 20% Arch-SS 40% Arch-SS 60% 200 100 0 10 Displacement (mm) Hình 11 Cơ chế dầm vòm dầm SS Nguyễn Công Luyến 46 Load (kN) 300 Beam-Normal Beam-MSS200 20% Beam-MSS200 40% Beam-MSS200 60% Arch-Normal Arch-MSS200 20% Arch-MSS200 40% Arch-MSS200 60% 200 100 0 10 Displacement (mm) Hình 12 Cơ chế dầm vòm dầm MSS200 Sự phân bố ứng suất Hình minh chứng giải thích chế vòm trường hợp dầm bị suy giảm lực dính lớn Hiện tượng giải thích lực dính bị suy giảm, ứng suất cốt thép chịu kéo khó truyền qua bê tơng, thay truyền qua gối tựa làm tăng dòng ứng suất vòm xuất phát từ điểm đặt lực gối tựa Cơ chế vòm dầm SS 40% 60% lớn nhiều so với dầm không giảm lực dính dầm SS 20% Đây lý dầm SS 40% SS 60% bị phá hoại nén cắt, hai dầm lại bị phá hoại kéo cắt Sự thay đổi dạng phá hoại từ kéo cắt sang nén cắt làm tăng khả chịu lực dầm SS 40% SS 60% Cơ chế vòm dầm SS lớn nhiều so với dầm MSS200 với mức giảm lực dính tương ứng, dẫn tới khả chịu lực cắt dầm lớn Đặc điểm giải thích rằng, vùng giảm lực dính cục dầm MSS200 nằm xa gối tựa nên ứng suất truyền qua gối tựa không nhiều dầm SS Kết luận Lực dính bê tơng cốt thép dọc chịu kéo đóng vai trò quan trọng ứng xử dầm chịu lực cắt Bằng cách làm giảm cường độ lực dính theo nhiều mức độ khác thay đổi vị trí giảm lực dính, thay đổi khả chịu lực cắt, hình dáng vết nứt chế kháng lực cắt xem xét cách cụ thể Từ kết phân bố ứng suất lấy từ mơ hình 3D-RBSM chia tách chế kháng lực cắt thành chế dầm chế vòm, kết luận rằng, suy giảm lực dính cục gây nên thay đổi chế kháng lực cắt dầm, cụ thể làm tăng chế vòm ứng suất cốt thép chịu kéo khó truyền qua bê tơng cách tốt nhất, thay vậy, truyền qua gối tựa làm tăng chế vòm Hiện tượng gây nên thay đổi khả chịu lực dạng phá hoại dầm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yamamoto, Y., Nakamura, H., Kuroda, I and Furuya, N., “Analysis of Compression Failure of Concrete by Three-dimension Rigid Body Spring Model”, Journal of JSCE, JSCE, 64(4), 2008, pp 612-630 (in Japanese) [2] Iwamoto, T., Nakamura, H., Yamamoto, Y and Miura, T., “Study on Evaluation Method of Shear Resistant Mechanism of RC beam”, Proceedings of the Japan Concrete Institute, Vol 37(2), 2015, pp 553-558 (in Japanese) [3] Xue, X., and Seki, H., “Influence of Longitdinal Bar Corrosion on Shear Behaviour of RC Beams”, Journal of Advanced Concrete Technology, Vol 8, No 2, 2010, pp 145-156 (BBT nhận bài: 04/5/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/5/2018) ... sát Dầm SS bị giảm lực dính cục 20% (SS 20%) có khả chịu lực cắt cao dầm không bị suy giảm lực dính lại thấp nhiều so với dầm bị giảm lực dính 40% 60% Hình dạng vết nứt Hình cho thấy rằng, lực dính. .. lực dính – trượt Ứng xử lực cắt dầm bị suy giảm lực dính cục Bằng cách giảm cường độ lực dính tương ứng với mức 20%, 40% 60%, mối quan hệ lực – chuyển vị, dạng phá hoại phân bố ứng suất dầm chịu. .. action) Hình mơ tả cân ứng suất tiết diện dầm chịu lực cắt Mô-men uốn M tiết diện tính lực kéo cốt thép chịu Ts, lực nén cốt thép chịu Cs, lực nén bê tông chịu Cc, lực kéo bê tông chịu Tc, diễn giải