Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc nhiều trục của bê tông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN BÁ THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC NHIỀU TRỤC CỦA BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2016 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS.PHAN QUANG MINH Phản biện 1: PGS.TS Trương Hồi Chính Phản biện 2: TS Đào Ngọc Thế Lực Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 08 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ Ầ Mục đích nghiên cứu Cường độ chịu nén đặc tính quan trọng bê tơng sử dụng tính tốn thiết kế nghiệm thu kết cấu bê tông bê tơng cốt thép .Khi bê tơng bị nén, ngồi biến dạng co ngắn theo phư ng t c động lực, bê tơng cịn bị nở ngang Thơng thường nở ngang q mức làm cho bê tơng bị nứt bị phá vỡ Nếu hạn chế mức độ nở ngang bê tơng làm tăng khả chịu lực Khả biến dạng vấn đề quan trọng kỹ thuật chống động đất chống lượng nổ Trong cơng trình nhà BTCT thiết kế chống đỡ c c t c động này, thành phần kết cấu cột, dầm, nút dầm-cột thiết kế theo chi tiết cốt đai giằng kín Khi thành phần kết cấu bê tơng chịu tải trọng nén lớn, tồn hay phần kết cấu bê tông bị gia tăng ảnh hưởng Poisson làm xuất vết nứt li ti, cốt đai giằng hình thành ứng suất kéo,và tạo nên ứng suất nén bù vùng bê tông bị ép ngang Cột phận quan trọng cơng trình Sự phá hoại cột ảnh hưởng đến phá hoại kết cấu khác nguyên nhân dẫn đến phá hoại tồn kết cấu cơng trình Nhiều nghiên cứu trước cho rằng, khả chịu nén bê tơng (chủ yếu cột) có tăng lên bê tông bị hạn chế nở hông gây cốt đai Việc nghiên cứu ảnh hưởng cần thiết nhằm xác định ảnh hưởng việc tăng cường cốt đai đến cường độ chịu nén bê tơng thơng qua thực nghiệm, góp phần bổ sung cho lý thuyết tính tốn cấu kiện chịu nén bê tơng cốt thép Đồng thời góp phần khẳng định thực tế lý thuyết làm việc nhiều trục bê tông ối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu làm việc nhiều trục bê tông khảo s t ảnh hưởng hàm lượng cốt đai đến khả chịu lực mẫu bê tông chịu nén trục mẫu bê tông B20, hình trụ đường kính 15cm, cao 30cm Thép đai xoắn D6, loại AI Phạm vi nghiên cứu Khảo s t ảnh hưởng hàm lượng cốt đai đến khả chịu lực mẫu bê tông chịu nén qua việc thay đổi khoảng c ch cốt đai Phƣơng pháp nghiên cứu X c định cường độ chịu nén bê tơng có tăng cường cốt đai thông qua thực nghiệm Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, luận văn gồm có chư ng sau: Chư ng 1: Vật liệu bê tông – cốt thép Chư ng 2: Bê tông bị hạn chế nở hông Chư ng 3: Nghiên cứu thực nghiệm CHƢƠNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG - CỐT THÉP 1.1 BÊ TÔNG 1.1.1 Thành phần, cấu trúc loại bê tông 1.1.2 Cƣờng độ bê tơng 1.1.3 Giá trị trung bình giá trị tiêu chuẩn cường độ 1.1.4 Cấp độ bền mác bê tông 1.2 CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN MỸ 1.2.1 Kích thƣớc mác thép 1.2.2 Tiêu chuẩn ASTM A615 1.2.3 Tiêu chuẩn ASTM A706 1.2.4 Quan hệ ứng suất-biến dạng CHƢƠNG BÊ TÔNG BỊ HẠN CHẾ NỞ HƠNG 2.1 THÍ NGHIỆM NÉN TRỤC BÊ TƠNG Cường độ tính dẻo (ductility) bê tông tải trọng nén phư ng vượt qu cường độ nén phư ng f’c = 3,66 ksi, hình vẽ Hình trình bày c c đường cong ứng suấtbiến dạng mẫu bê tơng hình trụ chịu áp lực nén ngang  khơng đổi (confining) lúc ứng suất dọc trục  tăng dần đến bị phá hoại Hình 2.1: Ứng suất – biến dạng mẫu bê tơng nén trục Hình vẽ dựa số liệu TN thực năm 1928 Đại học Illinois (University of Illinois at Urbana- Champaign, UIUC) Hình biểu diển c c đường quan hệ  mẫu BT hình trụ chịu áp lực ngang khơng đổi (bị ép ngang) lúc ứng suất dọc trục tăng đến mẫu bị phá hủy Các nhà nghiên cứu UIUC sử dụng số liệu TN để thiết lập mối quan hệ ứng suất dọc trục phá hủy (), cường độ nén bê tông (f’c), áp suất nén ngang (3): 1  fc'  4,13 (2.1) Chúng ta mở rộng khảo s t để nghiên cứu chế độ làm việc bê tông bị ép ngang quan hệ  mà lập dành riêng cho bê tông bị ép ngang 2.2 BÊ TƠNG BỊ ÉP NGANG 2.3 MƠ HÌNH ƢỜNG CONG ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA BÊ TÔNG CÓ ỨNG SUẤT KIỀM CHẾ NỞ NGANG CHỦ ỘNG 2.3.1 Mơ hình Richart (1928) Richart người nghiên cứu cường độ bê tơng có kiềm chế nở ngang áp lực thủy tĩnh fl (gọi ứng suất kiềm chế chủ động) Giá trị ứng suất lớn đạt bê tơng có kiềm chế nở ngang tính dựa vào lý thuyết Mohr-Coulomb cịn biến dạng tư ng ứng lấy từ kết thí nghiệm Từ đường bao đứt gãy Mohr đất ứng suất kiềm chế ngang σ3, ứng suất dọc trục σ1 biểu diễn sau:       2c.tan  45o     tan  45o   2  :    (2.3) c - hệ số cố kết đất  - góc ma sát đất Nếu thay phư ng trình (3.1) thành mối quan hệ ứng suất ba trục bê tơng có kiềm chế nở ngang σ3 ứng suất kiềm chế hiệu Khi   fl , σ1 cường độ lớn bê tông,   fcc'   nghĩa bê tông khơng có kiềm chế nở ngang cường độ bê tông biểu diễn:   f co'  2c.tan  45o   2  (2.4) Như phư ng trình (2.1) viết cho bê tơng có kiềm chế nở ngang sau:   f cc'  f co'  fl tan  45o    f co'  k1 fl 2  (2.5) Góc ma sát bê tơng lấy từ 36o đến 45o cho hầu hết cường độ bê tông Để đ n giản  biểu diễn hàm tuyến tính cường độ bê tơng: f c'  =36   45o 35 o o (2.6) Biến dạng tư ng ứng với f’cc εcc:   cc   co 1  k2  fl   f co'  (2.7) với εco biến dạng tư ng ứng với f’co Richart đề xuất k1 = 4,1 tư ng ứng với  = 37o, k2=5k1, giá trị trung bình cho bê tông chịu ứng suất kiềm chế nở ngang thấp Richart nghiên cứu thấy cường độ bê tông có ứng suất kiềm chế nở ngang chủ động (áp lực thủy tĩnh từ bên ngoài) xấp xỉ giống bê tông chịu ứng suất kiềm chế nở ngang bị động cốt đai xoắn đặt gần gây áp lực ngang tư ng đư ng 2.3.2 Mơ hình Leon-Pramono (1989) Baris Binici (2005) 2.4 MƠ HÌNH ƢỜNG CONG ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA BÊ TƠNG CĨ ỨNG SUẤT KIỀM CHẾ NỞ NGANG BỊ ỘNG 2.4.1 Mơ hình Sheikh Uzumeri (SU 1982) 2.4.2 Mơ hình Fafitis Shah (1985) Từ kết thí nghiệm mẫu bê tơng trụ trịn có kích thước nhỏ (76mm x 152mm), Fafitis Shah (1985) kiến nghị c c phư ng trình mơ tả đường cong ứng suất – biến dạng cho bê tơng có khơng có kiềm chế nở ngang Độ dốc nh nh lên đường cong không bị ảnh hưởng thông số kiềm chế nở ngang, giá trị ứng suất biến dạng điểm cao đường cong xác định sau:  3,048  f cc'  f c'  1,15   fr f c'    cc  1,027 107  f c'  0,0296 (2.22) fr  0,00195 (2.23) f c' Đ n vị ứng suất (2.22) (2.23) psi fr ứng suất kiềm chế nở ngang tác dụng lên lõi bê tông Giá trị fr ảnh hưởng tới ứng suất biến dạng điểm cao đường cong mà cịn định hình dạng nh nh xuống đường cong thơng qua phư ng trình sau:   k    1,15  c cc  f c  f cc' e  Với : (2.24) 10 Để tìm cường độ bê tơng có kiềm chế nở ngang, f’cc, ứng suất kiềm chế hiệu tính tốn dựa hiệu ứng vịm bê tông xảy lớp cốt đai mặt phẳng thẳng đứng nằm ngang cốt thép dọc Với tiết diện chịu ứng suất kiềm chế nở ngang theo hai phư ng nhau, f’cc tính sau:  7,94 fl ' fl '  (2.26) f cc'  f co'  1, 254  2, 254    f co' f co'   : f’co = cường độ chịu nén bê tơng khơng có kiềm chế nở ngang f’l = ứng suất kiềm chế hiệu tác dụng vào lõi bê tông= ke x fl fl = ứng suất ngang cốt đai gây ke = tỷ số diện tích bê tơng có kiềm chế nở ngang hiệu chia cho diện tích lõi bê tơng ' '  n w i'       1    1  s 1  s   2bc  2d c  i 1 6bc d c    ke   1  cc  (2.27) cc tỷ số diện tích cốt thép dọc cột / diện tích lõi Các thông số (2.26) x c định Hình 2.6 Biến dạng tư ng ứng điểm ứng suất lớn : 11   f cc'   1  '  f co   cc   co 1    (2.28) với : εco - biến dạng tư ng ứng với f’co, thường lấy εco = 0,002 2.4.4 Mô hình Cusson Paultre (1995) 2.4.5 Mơ hình Legeron Paultre (1999) 2.4.6 Mơ hình Salim Razvi Murat Saatcioglu (1999) 2.4.7 Mơ hình sửa đổi Scott (2001) Mendis dựa mơ hình áp dụng cho bê tơng cường độ thơng thường có kiềm chế nở ngang Scott để xây dựng đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng cho bê tơng có kiềm chế nở ngang với cường độ thông thường cường độ cao (Hình 2.12) Hình 2.2 Mơ hình sửa đổi Scott  Với bê tơng có kiềm chế nở ngang:     2  f  K f' c      cc  cc   f  K f ' c 1  Zm   cc   f res   cc (2.56)   cc (2.57) 12 không nhỏ h n K f 'c f res với: Zm  Z K  1 fl f 'c (2.58) 0,5  0, 29 f 'c h"    0,002 K s 145 f c'  1000 sh 0 (2.59)  cc   0,24 K  0,76   c  K * c (2.60) f res  Kfc'  0,28  0,0032 fc'   (2.61) Trong đó: fl : ứng suất kiềm chế nở ngang (MPa) ρs : tỷ số thể tích cốt đai chia cho thể tích lõi bê tông h'' : bề rộng lõi bê tông (mm) sh : khoảng cách cốt đai (mm) c   4, 26 f c' , Ec mô đun đàn hồi bê tông f c' Ec Với bê tông không kiềm chế nở ngang: 2     f  f        c   c   ' c   c (2.62) 13 f  fc' 1  Z m'    c   f r'es   c (2.63) không nhỏ h n f 'c f res với: Z m'  Z 0,5 0  0, 29 f c'   c 145 f c'  1000 (2.64) Z  0,018 fc'  0,55 ' Khi  0,29 fc   c  0, chứng tỏ góc nghiêng đường 145 f c'  1000 dốc vượt tải trọng giới hạn, phải sử dụng giá trị thật ' lớn thay cho Z m Mendis kiến nghị công thức x c định fl sau: fl  0,5ke s f yt (2.66) Với ke x c định theo (2.24) Mander, fyt giới hạn chảy cốt đai 14 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 VẬT LIỆ , KÍCH THƢỚC MẪU, SỐ LƢỢNG MẪU THÍ NGHIỆM 3.1.1 Vật liệu - Xi măng: Xi măng Kim Đỉnh, PCB40 - Cát: Cát vàng Túy Loan - Đ 1x2: Đ Phước Tường - Thép: D6, AI, Thép Miền Nam - Cấp phối bê tông: Mác B25, độ sụt 10  2cm 3.1.2 Mẫu thí nghiệm cƣờng độ bê tơng Bảng 3.1: Số lượng mẫu quy cách mẫu thí nghiệm Kí STT Tổ mẫu Kích thước Số lượng tổ tổ Đường Khoảng mẫu kính thép cách cốt đai (mm) đai (mm) hiệu N0 Tổ mẫu D150 x 300 tổ mẫu N1 Tổ mẫu D150 x 300 tổ mẫu 140 N2 Tổ mẫu D150 x 300 tổ mẫu 105 N3 Tổ mẫu D150 x 300 tổ mẫu 50 N4 Tổ mẫu D150 x 300 tổ mẫu 35 N5 Tổ mẫu D150 x 300 tổ mẫu 20 a Chế tạo lồng thép Lồng thép gồm cốt đai Ø6 dạng đai xoắn cốt thép dọc Ø8 để định vị cốt đai 15 a) Mẫu N1 b) Mẫu N2 c) Mẫu N3 d) Mẫu N4 d) Mẫu N5 Hình 3.1: Chế tạo lồng thép cho mẫu thử 16 b Đúc mẫu Dùng bê tơng trộn máy trộn dung tích 500 lít có tăng cường phụ gia tăng cường độ R7, cường độ mẫu thiết kế cho mẫu trụ tròn 150x300mm fc' = 29(MPa) Mẫu chế tạo dưỡng hộ điều kiện phịng thí nghiệm nén tuổi ngày Hình 3.2: Đúc mẫu Hình 3.3: Bảo dưỡng mẫu 17 Hình 3.4: Hồn thành mẫu 3.2 THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP O 3.3 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM 3.4 XÁC ỊNH CƢỜNG Ộ VẬT LIỆU 3.5 MÔ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Qua thí nghiệm nén mẫu ta thấy vai trò cốt đai ảnh hưởng đến cường độ bê tơng tính dẻo nó, kết tí nghiệm mẫu mơ tả sau: Mẫu khơng bố trí cốt đai (N0-M): Gia tải thí nghiệm quan sát thấy đạt tải trọng đỉnh mẫu không chịu thêm tải lực giảm nhanh biến dạng tăng chậm vỡ nhanh chóng phá hoại mẫu phá hoại dòn Ứng xuất lớn điểm phá hoại c  29MPa Hình 3.8 18 Hình 3.8: Dạng phá hoại mẫu biểu đồ ứng suất - biến dạng mẫu N0 Mẫu bố trí cốt đai với mật độ thưa (N1 khoảng c ch đai 140mm tức bước đai chiều cao mẫu) Trạng thái phá hoại mẫu hình 3.9 thí nghiệm cho thấy khả chịu tải mẫu không tăng, ứng suất lớn mẫu đạt c  29,3MPa điều khoảng cách cốt đai qu thưa biến dạng nở ngang bê tông không bị cản trở nhiều Tuy nhiên mẫu sau đạt tải trọng đỉnh lõi bê tông chịu thêm tải biến dạng lớn h n so với mẫu khơng bố trí cốt đai, biến dạng nhìn thấy rõ rệt khơng bị phá hoại đột ngột mẫu N0 chứng tỏ cốt đai ngăn phá hoại đột ngột bê tông Hình 3.9: Dạng phá hoại mẫu biểu đồ ứng suất - biến dạng mẫu N1 19 Mẫu bố trí cốt đai dày N2 (3 bước cốt đai) : Quan s t đồ thị thí nghiệm mẫu ta thấy khả chịu tải mẫu tăng nhiều so với mẫu N0, N1, ứng suất lớn mẫu c  34,7MPa , biến dạng sau phá hoại mẫu lớn, chống nở ngang tự cốt đai bê tông khai thác, phá hoại đột ngột, bê tơng khơng bị vỡ khỏi mẫu mẫu N0, bê tông lõi bị vỡ không bị tách khỏi mẫu Tại vị trí cốt đai bê tơng khơng bị nở hông tự vùng bê tông cốt đai bị phá hoại tạo thành mặt lõm hình 3.10 Hình 3.10: Dạng phá hoại mẫu biểu đồ ứng suất – biến dạng mẫu N2 Đối với mẫu N3,N4 với lượng cốt đai bố trí dày h n: thí nghiệm với hai mẫu thấy khả chịu tải mẫu tăng nhiều, ứng suất mẫu đạt giá trị lớn lần lược c  40,9MPa c  45,2MPa tăng gấp 1,4 1,56 lần so với mẫu không bố trí cốt đai Biến dạng sau phá hoại lớn chứng tỏ độ dẻo mẫu lớn, phá hoại xảy lớp bê tông bảo vệ cịn bê tơng lõi bị vỡ khơng bị tách khỏi mẫu hình 3.11 20 a) Phá hoại mẫu N3 b) Phá hoại mẫu N4 c) Ứng suất-biến dạng N3 d) Ứng suất-biến dạng N4 Hình 3.11: Dạng phá hoại mẫu biểu đồ ứng suất – biến dạng mẫu N3,N4 Đối với mẫu bố trí cốt đai dày (N5) bước đai 2cm: Quan sát thí nghiệm ta thấy làm việc rõ rệt thí nghiệm nén trục Với mật độ cốt đai dày bê tông lõi bị kiềm chế cường độ mẫu tăng nhiều so với mẫu N0 Ứng suất lớn mẫu c  47,9MPa tăng gấp 1,65 lần so với mẫu N0 biến dạng cực hạn gấp 7,4 lần so với mẫu N0 Ở mẫu xảy tượng đứt cốt đai chứng tỏ cốt đai đạt đến trạng thái giới hạn chịu kéo, lõi bê tông bọc lõi bị vỡ không t ch khỏi mẫu Thí 21 nghiệm cho thấy với mật độ cốt đai lớn dẫn đến tách bê tông bảo vệ sớm khỏi mẫu lớp cốt đai dày hạn chế liên kết bê tông lớp bảo vệ bê tơng lõi Hình 3.12: Dạng phá hoại mẫu biểu đồ ứng suất – biến dạng mẫu N5 Như qua thí nghiệm nhóm mẫu từ khơng có cốt đai đến phân bố mật độ cốt đai tăng dần thấy tăng khả chịu tải mẫu biến dạng dẻo mẫu tăng 22 3.6 SO SÁNH THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ LÝ THUYẾT CỦA CÁC MƠ HÌNH Bảng 3.3: Kết thí nghiệm THÍ NGHIỆM NÉN MẪU BÊ TƠNG TRỤ (150×300) STT Mẫu thử Kích thước Tải trọng ph hoại Ứng suất d(mm) h(mm) A(mm2) P(kN) σ(Mpa) N0 150 300 17671.5 512.5 29.0 N1 150 300 17671.5 517.6 29.3 N2 150 300 17671.5 612.9 34.7 N3 150 300 17671.5 723.3 40.9 N4 150 300 17671.5 798.0 45.2 N5 150 300 17671.5 846.0 47.9 Hình 3.13: Biểu đồ ứng suất – biến dạng mẫu N0, N1, N2, N3, N4, N5 23 Bảng 3.4 So sánh kết thí nghiệm với mơ hình đề xuất Mẫu thử f'c (Mpa) Asp (mm2) fr (Mpa) N0 29.0 28.3 0.0 N1 N2 N3 N4 N5 29.0 28.3 29.0 28.3 29.0 28.3 29.0 28.3 29.0 28.3 1.0 1.5 2.7 4.5 6.7 Richart (1928) Fafitis Shah (1985) Mander (1988) Scott (2001) Thí nghiệm εcc 0.0020 0.0020 0.0020 0.0020 0.0028 f’cc 29.00 29.00 29.01 29.00 29.00 εcc 0.0024 0.0029 0.0039 0.0021 0.0024 f’cc 30.30 30.20 34.56 31.58 29.30 εcc 0.0027 0.0035 0.0049 0.0022 0.0032 f’cc 31.02 30.86 37.36 33.01 34.70 εcc 0.0033 0.0047 0.0068 0.0025 0.0043 f’cc 32.63 32.36 43.01 36.22 40.90 εcc 0.0041 0.0065 0.0093 0.0029 0.0043 f’cc 35.05 34.59 50.29 41.03 45.20 εcc 0.0051 0.0088 0.0120 0.0036 0.0041 f’cc 38.07 37.39 57.95 47.04 47.90 Nhận xét: So sánh với mơ hình lý thuyết cho thấy mơ hình Scott dự báo khả làm việc bê tơng có xét đến biến dạng bị kiềm chế cốt đai kh gần với kết thực nghiệm 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm luận văn rút kết luận sau: - Cường độ bê tông tăng lên giảm khoảng cách cốt đai cốt đai ngăn cản biến dạng ngang bê tông Theo kết thực nghiệm, với mẫu N3 (cốt đai 6a50), mẫu N4 (cốt đai 6a50) ,ứng suất mẫu đạt giá trị tăng gấp 1,4 1,56 lần tư ng ứng so với mẫu khơng bố trí cốt đai - Biến dạng cực hạn mẫu có bố trí cốt đai tăng lên đ ng kể giảm khoảng cách cốt đai - So sánh với mơ hình lý thuyết cho thấy mơ hình Scott dự báo khả làm việc bê tơng có xét đến biến dạng bị kiềm chế cốt đai kh gần với kết thực nghiệm KIẾN NGHỊ Việc xét đến hạn chế làm việc bê tông bị kiềm chế nở hơng có ý nghĩa số cấu kiện cọc khoan nhồi cấu kiện chịu nén có tiết diện hạn chế, việc nghiên cứu ảnh hưởng cốt đai đến làm việc bê tông đưa vào quy chuẩn thiết kế cần thiết ... Vật liệu bê tông – cốt thép Chư ng 2: Bê tông bị hạn chế nở hông Chư ng 3: Nghiên cứu thực nghiệm 4 CHƢƠNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG - CỐT THÉP 1.1 BÊ TÔNG 1.1.1 Thành phần, cấu trúc loại bê tông 1.1.2... khảo s t để nghiên cứu chế độ làm việc bê tông bị ép ngang quan hệ  mà lập dành riêng cho bê tông bị ép ngang 2.2 BÊ TÔNG BỊ ÉP NGANG 2.3 MƠ HÌNH ƢỜNG CONG ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG CỦA BÊ TƠNG CĨ... cốt đai chia cho thể tích lõi bê tông h'''' : bề rộng lõi bê tông (mm) sh : khoảng cách cốt đai (mm) c   4, 26 f c'' , Ec mô đun đàn hồi bê tông f c'' Ec Với bê tông không kiềm chế nở ngang: 2