Đang tải... (xem toàn văn)
Trong bài báo này, các tác giả đã nghiên cứu đánh giá tác động của vị trí và tỉ lệ nối thép bằng ống ren(coupler) đến ứng xử của dầm bê tông cốt thép. Các đánh giá được đưa ra bởi mô hình thí nghiệm với các dầm bê tông có cốt thép được nối bằng coupler trên cùng một mặt cắt. Kết quả so sánh của dầm có cốt thép được nối bằng coupler và dầm bê tông cốt thép không nối cốt thép cho thấy khả năng chịu lực và ứng xử của của dầm bê tông cốt thép khi nối thép bằng coupler có thay đổi tương đối nhỏ so với dầm bê tông không nối thép.
Đánh giá tác động vị trí tỉ lệ nối thép ống ren đến ứng xử dầm bê tông cốt thép Nguyễn Thanh Hưng1, Huỳnh Phương Doanh1 Khoa xây dựng, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Tóm tắt: Trong báo này, tác giả nghiên cứu đánh giá tác động vị trí tỉ lệ nối thép ống ren(coupler) đến ứng xử dầm bê tông cốt thép Các đánh giá đưa mơ hình thí nghiệm với dầm bê tơng có cốt thép nối coupler mặt cắt Kết so sánh dầm có cốt thép nối coupler dầm bê tông cốt thép không nối cốt thép cho thấy khả chịu lực ứng xử của dầm bê tông cốt thép nối thép coupler có thay đổi tương đối nhỏ so với dầm bê tơng khơng nối thép Từ khóa: Dầm bê tông cốt thép, mối nối cốt thép, ống ren Abstract: In this paper, the authors investigated the impact of the position and the splice ratio of reinforcing bars by coupler on the behavior of reinforced concrete beams The assessments are given by the experimental model with reinforced concrete beams have reinforcing bars spliced by coupler at the same section Comparison results of test beams and control beams show that the load-capacity and behavior of reinforced concrete beams when connecting steel with coupler has relatively small changes compared to concrete beams unconnected steel II CH ƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM A Thiết kế mơ hình thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm gồm dầm bê tông cốt thép chế tạo thí nghiệm Phịng thí nghiệm Cơng trình thuộc Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Tất mẫu có kích thước 200x300x3300mm, với thép dọc 4Ø16mm, thép đai Ø6a150mm Đối với dầm số D1, D2, D3 nối 100% cốt thép coupler, vị trí nối 1/2, 1/3, 1/4 dầm, dầm số D4, D5, D6 nối 75% cốt thép coupler, vị trí nối 1/2, 1/3, 1/4 dầm dầm số D7 không nối cốt thép Key words: Reinforced concrete beams, reinforced splice, coupler I GI Hình Mơ hình mẫu dầm bê tơng cốt thép ỚI THIỆU Hiện giới việc nối cốt thép kết cấu bê tông cốt thép cải tiến cách đáng kể, có nhiều phương pháp nối cốt thép đáp ứng với yêu cầu đặt ra, số nghiên cứu giới như: B MacKay, D Schmidt and T Rezansoff, (1998)[1] nghiên cứu ảnh hưởng mối nối chồng dầm chịu tải trọng Rasha T.S Mabrouk, Ahmed Mounir[2] nghiên cứu mối nối chồng dầm bê tông cốt thép Để hạn chế phá hoại dòn, số tiêu chuẩn giới hạn tỷ lệ phần trăm cốt thép nối NZS 3101-Phần (Tiêu chuẩn New Zealand 2006)[3], hạn chế mối nối gần vùng có ứng suất kéo lớn kéo ACI 318M-11 (ACI 2011)[4] Ahmed El-Azab, Hatem M Mohamed (2014)[5] nghiên cứu ảnh hưởng mối nối chịu kéo đến ứng xử dầm bê tông cường độ cao Việc nghiên cứu thử nghiệm dầm với mối nối tiếp tục (Hardisty et al 2015) Tuy nhiên, dù có nhiều thử nghiệm trước thực dầm, cột có số đề xuất cho mối nối tính chất học chưa tỏ có hiệu nhằm đáp ứng với thực tế áp dụng vào điều kiện Việt Nam Trong nước nay, việc nghiên cứu ứng xử mối nối ống ren đầy đủ có tiêu chuẩn quốc gia để áp dụng (TCVN 8163:2009)[6] Nhưng, việc nghiên cứu ứng xử mối nối ống ren dầm bê tơng cốt thép cịn hạn chế, áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCVN 5574:2012[7] gặp nhiều khó khăn với việc nối cốt thép ống ren vị trí dầm cho nhà thầu thi công thép Do vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh số lượng cốt thép mặt cắt nối ống ren thay đổi thực nghiệm, nhằm góp phần đưa giải pháp dễ dàng cho nhà thầu thi cơng thép Hình Mơ hình thực tế mẫu dầm thực nghiệm B Vật liệu sử dụng Bê tông Trong đề tài này, cấp phối sử dụng thí nghiệm đề xuất theo Bảng I bê tông thường, cấp phối sử dụng cho bê tông Mác #250 với độ sụt 10 ± Bảng I Cấp phối sử dụng cho công tác thiết kế Đá 1x2 Cát vàng XM PCB40 Nước 1m3 0.816 0.477 378 182 Đơn vị m3 m3 kg Lít Hình Độ sụt hỗn hợp bê tông Cường độ chịu nén mẫu khối lập phương thí nghiệm trình bày Bảng II thí nghiệm nén mẫu để xác định cường độ chịu nén sử dụng mẫu lập phương 150x150x150mm Bảng II Kết nén mẫu Mẫu 15x15x15cm Giá trị TB STT P(kN) 627.4 525.23 559.91 628.22 577.27 620.35 589.73 mẫu thử dạng hai tải trọng tập trung Một hộp báo tải kỹ thuật số với độ xác kN sử dụng để đo tải trọng Ở vị trí nhịp phần ba nhịp dầm sử dụng dụng cụ đo chuyển vị(LVDT) có độ xác 0,01 mm Các vết nứt mặt mẫu vật đánh dấu để phân tích Biến dạng cốt thép đo thiết bị đo biến dạng(strain gauges) gắn gần vị trí nối cốt thép chịu kéo coupler mẫu dầm thử, gắn cốt thép chịu kéo trường hợp mẫu dầm đối chứng Hình sơ đồ truyền tải Hình bố trí lắp đặt dầm thí nghiệm chung Hình Mẫu khối lập phương thí nghiệm 15×15×15cm Từ kết nén mẫu trên, ta tính cường độ chịu nén trung bình sau 28 ngày fc=25.7 Mpa Mác bê tông xem #250, chuyển đổi từ Mác sang cấp độ bền gần theo công thức thực nghiệm B = 0.0778M , kết hợp với TCVN 5574-2012 ta tra bê tông khoảng B20 có Rb=11.5 Mpa Hình Sơ đồ truyền tải Thép coupler Sử dụng thép chịu lực theo TCVN 1651-2:2008 có thơng số kỹ thuật Bảng III Bảng III Thông số kỹ thuật thép chịu lực Mác thép CB400-V Giới hạn chảy (N/mm2) 400 Giới hạn đứt (N/mm2) 570 Độ giãn dài tương đối (%) 14 Sử dụng coupler theo tiêu chuẩn TCVN 8163 : 2009 có thơng số kỹ thuật Bảng IV, vật liệu coupler có cường độ lớn thép chịu lực Bảng IV Thơng số kỹ thuật coupler Hình Cốt thép nối coupler C Q trình thí nghiệm Các dầm tiến hành thí nghiệm uốn điểm, sử dụng hệ thống tải hai điểm đặt dầm cho đảm bảo khu vực uốn túy dầm Thiết bị thí nghiệm bao gồm tải thủy lực tĩnh sử dụng để gia tải trọng tập trung với gia số 3,5 kN/s Tải trọng từ thiết bị thí nghiệm truyền qua thép cứng lên Hình Bố trí lắp đặt dầm thí nghiệm III KẾ T QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Sau trình gia tải để uốn dầm dầm bị phá hủy, từ kết thực nghiệm xây dựng nên biểu đồ thể mối quan hệ tải trọng độ võng dầm, tải trọng biến dạng cốt thép dầm, khả chịu tải xuất vết nứt bị hủy, kích thước (mm) Đường kính ngồi (mm) ± Chiều dài (mm) ± Bước ren (mm) Số vòng ren (r) ± 0.5 Ứng suất chảy (Mpa) Ứng suất bền (Mpa) Vật liệu (c#) 16 25 42 2.5 16.8 ≥500 ≥682.5 C45 phân tích vết nứt dầm sau bị phá hủy Từ so sánh, phân tích kết mẫu dầm thử mẫu dầm đối chứng thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng số lượng cốt thép mặt cắt nối ống ren thay đổi A Độ võng tải trọng Mối quan hệ tải trọng chuyển vị vị trí đo độ võng dầm nối cốt thép dầm đối chứng vẽ biểu đồ để so sánh Hình thể vị trí đo độ võng q trình gia tải Hình 10 Biểu đồ thể mối quan hệ tải trọng chuyển vị dầm vị trí đo độ võng vết nứt, giai đoạn đàn hồi có vết nứt gia đoạn phi tuyến Giai đoạn đàn hồi không vết nứt dầm kéo dài từ lúc đầu gia tải đến tải trọng đạt 40kN, giai đoạn độ võng sức chịu tải dầm bê tông nối coupler giảm khoảng 11.5% so với dầm đối chứng không nối cốt thép Giai đoạn đàn hồi có vết nứt dầm kéo dài từ lúc gia tải đạt tải trọng 40kN đến 80kN, giai đoạn độ võng sức chịu tải dầm bê tông nối coupler giảm khoảng 12.5% so với dầm đối chứng không nối cốt thép Giai đoạn phi tuyến kéo dài từ lúc gia tải đạt tải trọng 80kN đến dầm bị phá hủy, giai đoạn dầm nối coupler có khả chịu tải lớn dầm đối chứng giá trị khoảng 15% Sức chịu tải dầm bê tông nối 75% 100% tiết diện cốt thép coupler chênh lệch nhỏ vào khoảng 2% đến 6% Hình Vị trí đo độ võng trình gia tải Hình Biểu đồ mối quan hệ tải trọng chuyển vị vị trí Hình 10 Biểu đồ mối quan hệ tải trọng chuyển vị vị trí Bảng V Tải trọng gây nứt, tải trọng phá hủy dầm Độ võng vị trí dầm (mm) Tải trọng (kN) 7.5 D1 28.4 39.10 D2 25.11 35.8 D3 24.99 37.70 D4 24.62 37.73 D5 24.12 35.2 D6 29.81 36.99 D7 29.60 11.50 Chênh lệch trung bình so với dầm đối chứng (%) 10 15 80.0 77.0 85.0 80.0 80.1 100.00 79.70 104.00 42.0 55.0 47.0 52.0 51.5 49.0 49.5 58.0 84.0 88.00 11.60 12.6 4.80 13.70 Như nói rằng, cốt thép nối coupler với số lượng cốt thép nối từ 75% đến 100%, vị trí thay đổi 1/2 , 1/3, 1/4 dầm làm giảm khả chịu tải dầm giai đoạn đàn hồi khơng có vết nứt có vết nứt tương đối nhỏ, với độ giảm trung bình 11.5% 12.5% Theo TCVN 9381:2012[8] với giá trị độ giảm 11.5% khả chịu tải dầm giai đoạn đàn hồi khơng có vết nứt với độ võng 7.5mm nhỏ 20mm khơng nguy hiểm chấp nhận B Biến dạng tải trọng Mối quan hệ tải trọng biến dạng cốt thép vị trí dầm Quan hệ tải trọng biến dạng cốt thép dầm nối cốt thép dầm đối chứng vẽ biểu đồ để so sánh Từ biểu đồ Hình 11 ta thấy, tải trọng 80kN, cốt thép dầm làm việc miền đàn hồi, biến dạng tăng tuyến tính tương ứng với cấp tải trọng đạt giá trị khoảng 2250με cấp tải 80kN Khi tải trọng vượt 80kN, lúc cốt thép làm việc miền dẻo biến dạng cốt thép tăng lên nhanh chóng theo cấp độ tải Trong miền đàn hồi, biến dạng theo tải trọng dầm nối thép dầm đối chứng có chênh lệch tương đối nhỏ, giá trị chênh lệch khoảng 12% 20 98.00 98.70 97.10 98.80 Kết Bảng V Hình 10 cho thấy, dầm làm việc theo ba gia đoạn: Giai đoạn đàn hồi khơng Hình 11 Biểu đồ mối quan hệ tải trọng biến dạng cốt thép vị trí dầm Hình 14 thể tải trọng gây nứt tải trọng phá hủy dầm thử dầm đối chứng, giai đoạn dầm làm việc đàn hồi tải trọng gây nứt dầm thử dầm đối chứng có chênh lệch tương đối nhỏ giá trị vào khoảng 4%, gần việc sử dụng coupler để nối cốt thép không làm ảnh hưởng đến khả chịu tải dầm bê tông cốt thép Giai đoạn phi tuyến tải trọng phá hủy dầm đối chứng lớn dầm thử, thấy nguyên nhân cốt thép vị trí gần coupler bị giảm yếu làm giảm khả chịu tải dầm Hình 12 Hình ảnh coupler dầm thử D1 D4 sau dầm bị phá hủy Sau dầm bị phá hủy, cốt thép không bị tuột khỏi coupler coupler khơng có tượng xê dịch Vì vậy, cốt thép coupler liên kết dích chặt gần tuyệt đối xem mối nối thép đồng Mối quan hệ tải trọng chuyển vị cốt thép nối coupler cốt thép khơng có mối nối Từ thí nghiệm kiểm tra độ bền kéo cốt thép Ø16 nối coupler cốt thép Ø16 khơng có mối nối cho kết Hình 14 Hình 13 Biểu đồ mối quan hệ tải trọng chuyển vị cốt thép Ø16 nối coupler cốt thép Ø16 khơng có mối nối Đường biểu đồ mẫu kéo gồm bốn giai đoạn: Tuyến tính, chảy, tái bền mềm hóa Đường biểu đồ mối quan hệ tải trọng chuyển vị cốt thép Ø16 nối coupler cốt thép Ø16 khơng có mối nối gần tương đồng có chênh lệch nhỏ giai đoạn tuyến tính,chảy tái bền, giai đoạn mếm hóa khả chịu kéo thép không nối coupler lớn thép nối coupler lênh lệch khơng nhiều Từ kết luận sử dụng coupler mối nối cốt thép cốt thép làm việc đồng C Dạng vết nứt dầm sau bị phá hủy Tải trọng gây nứt tải trọng phá hủy Hình 14 Tải trọng gây nứt tải trọng phá hủy mẫu dầm Vết nứt dầm sau uốn Hình 15 thể dạng vết nứt dầm thử dầm đối chứng.Vết nứt dầm thử có hình dạng quy luật có thay đổi tương đối nhỏ so với dầm đối chứng Cụ thể dầm D1, D4 vết nứt xuất dầm gần vùng nối coupler, sau vết nứt tiếp tục mở rộng theo phương thẳng đứng đồng thời khu vực từ 1/2 dầm đến 1/3 dầm bắt đầu xuất vết nứt xiên, vế nứt mở rộng theo phương nghiên hướng vào dầm với góc nghiên tương đối nhỏ, khu vực từ 1/3 dầm trở xuất vết nứt với số lượng Dầm D2, D3, D5, D6 hình dạng quy luật xuất tương tự dầm D1 D4 nhiên số lượng bề rộng vết nứt vị trí 1/3 1/4 dầm xuất nhiều rộng hơn, vết nứt có độ nghiên hướng vào dầm lớn dầm D1, D4 Dầm D7 có số lượng vết nứt tập trung nhiều dầm, hình dạng quy luật tương tự dầm D1, nhiên số lượng vết nứt xiên xuất nhiều có độ nghiên lớn Như nói rằng, cốt thép nối coupler với số lượng cốt thép nối từ 75% đến 100%, vị trí thay đổi 1/2 , 1/3, 1/4 dầm khơng có thay đổi quy luật làm việc dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh với dầm đối chứng (a) ưu điểm bật việc sử dụng coupler mối nối dầm bê tông cốt thép mặt kết cấu Qua kết thí nghiệm, tác giả rút kết luận kiến nghị sau: + Dầm bê tông cốt thép có số lượng cốt thép mặt cắt nối ống ren(coupler) thay đổi làm ảnh hưởng đến khả chịu lực dầm, nhiên việc ảnh hưởng tương đối thấp vào khoảng 11.5% giai đoạn đàn hồi không vết nứt,12.5% giai đoạn đàn hồi có vết nứt, giai đoạn sau đàn hồi 15% giá trị chấp nhận + Dầm bê tơng cốt thép thay đối vị trí nối cốt thép số lượng cốt thép nối ống ren (coupler) mặt cắt có chênh lệch khả chịu lực tương đối thấp, số giao động từ đến 6% Để đánh giá đầy đủ dạng kết cấu ngồi cơng trường cần nghiên cứu mở rộng xây dựng mơ hình thực nghiệm đa dạng loại mơ hình dầm, đa dạng loại tải trọng tĩnh động, đa dạng loại vật liệu sử dụng (b) (c) (d) Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Phịng thí nghiệm Cơng trình trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tạo điều kiện thực thí nghiệm báo, TS Nguyễn Đình Hùng trường Đại học Quốc tế hỗ trợ thực thí nghiệm TS Nguyễn Sỹ Hùng trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM xem thảo đóng góp ý kiến để hồn thiện báo (e) TÀI LIỆU THAM KHẢO (f) (g) Hình 15 Vết nứt dầm D1(a), D2(b), D3(c), D4(d), D5(e), D6 (f), D7(g) IV KẾ T LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết q trình nghiên cứu, thí nghiệm đánh giá tác động vị trí tỉ lệ nối thép ống ren đến ứng xử dầm bê tông cốt thép, thấy [1] B MacKay, D Schmidt and T Rezansoff (1998) Mechanical Connections of Reinforcing Bars, reported by ACI Committee 439 B [2] Rasha T.S Mabrouk, Ahmed Mounir (2017) Behavior of RC beams with tension lap splicesconfined with transverse reinforcement using different types of concrete under pure bending [3] Standards New Zealand (2006), NZS 3101:2006: “Concrete Structures Standard - Part 1: The Design of Concrete Structures sets out minimum requirements for the design of reinforced and pre-stressed concrete structures” [4] American Concrete Institute (2011), ACI 318M-11: “Building Code Requirements for Structural Concrete And Commentary” [5] Ahmed El-Azab, Hatem M Mohamed (2014) Effect of tension lap splice on the behaviorof high strength concrete(HSC) beams [6] Bộ Xây dựng, (2009), TCVN 8163:2009 : “Tiêu chuẩn thép cốt bê tông – mối nối ống ren”, Hà nội [7] Bộ Xây dựng, (2012), TCVN 5574:2012: “Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép”, Hà nội [8] Bộ Xây dựng, (2012), TCVN 9381:2012: “Tiêu chuẩn hướng dẫn đáng giá mức độ nguy hiểm kết cấu nhà”, Hà nội [9] V G Chiari, A L Moreno Junior (2018) Experimental evaluation of coupler behavior for mechanical rebar splices in reinforced concrete structures