Trên cơ sở đó, tính hiệu quả của mẫu được gia cường được so sánh với mẫu tiêu chuẩn dựa trên các tiêu chí sau: khả năng chịu tải trọng và chuyển vị ngang, hình thái phá ho[r]
(1)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 tơng cốt sợi thép vơ định hình Mẫu tiêu chuẩn thiết kế để phá hoại theo dạng cắt-uốn chịu tác dụng của 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 đã phương pháp gia cường làm tăng khả năng 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 load-carrying capacity, energy dissipation capacity and reduced the damping ratio compared to the control specimen
Keywords: Seismic retrofit, RC columns, amorphous steel fibers
1 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 tông 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 khơng thỏa mãn yêu cầu cấu tạo
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 cơng nghệ hồn 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 tông đặc biệt tượng ăn mịn kim loại nên ứng dụng để tăng khả kiểm soát vết nứt cấu kiện bê tơng cốt thép q trình co ngót hay q trình chịu tải trọng [9, 10]
Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương pháp sử dụng bê tông cốt sợi thép vô định hình cường độ cao để gia cố cho cột BTCT cơng 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 vô 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
2 Mơ tả thí nghiệm 2.1 Vật liệu
(2)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 POSCO- Hàn 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 mịn kim loại [9] Đặc tính loại cốt sợi tóm tắt bảng
Bảng 1. Đặc tính cốt sợi vơ định hình sử dụng thí nghiệm
Thông số Đơn vị Giá trị
Chiều dày sợi m 29
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/m3 7,200
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,
trong Vplà lực cắt ứng với trạng thái phá hoại
dẻo (khi cường độ cốt thép dọc chịu lực cột
đạt giới hạn chảy vị trí khớp dẻo hình thành), Vn
là 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 (a) Cốt sợi thép vơ định hình (b) Hình dạng kích thước ASFs
Chiều dày: 29 μm
16 mm
(3)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
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
Bê tơng cốt sợi thép vơ định hìnhfck= 50MPa
Cột 100 50 Lưới thép hàn Ø6 Thép neo 5 20 Bê tơng cốt
sợi thép vơ định hình
20
A-A
A A
Hình Phương pháp gia cường cho mẫu tiêu chuẩn
L = 6 Ø10@150 0 0 5 0 0 0 5 0 100 200 600 200 100 1200 30 30 B B A A 249 30 300 60 Ø10 @150 4Ø22
Mặt cắt A-A
1 6 4 0 0 0 0
62 80 110 110 120 236 120 110 110 80 62
1200
Ống nhựa50
Mặt cắt B-B
(4)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
đó 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 là
cường độ bê tông cột
3 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
hiện hình
Từ hình ta thấy rằng, giá trị tải trọng ngang lớn mẫu gia cường theo chiều
(+) 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
-6
-4
-2
0
2
4
6
0
2
4
6
8
10
12
Số vòng lặp
T
ỉ
lệ
ch
u
y
ển
v
ị
(
Δ
/
Δy
)
0.5Δy
1Δy
2Δy 3Δy
4Δy
5Δy …
Hình Lịch sử gia tải Hình Hệ thống thí nghiệm
Thiết bị gia tải theo phương ngang
Hệ khung dẫn Mẫu thí
nghiệm
Sàn cứng
Tường cứng Thiết bị gia tải theo
phương đứng
Bulong neo
(5)ngang tăng dần thời điểm dừng gia tải (tại độ lệch tầng đạt 3.87%) Điều cho thấy hiệu
quả cốt sợi vơ định hình việc tăng độ dẻo kết cấu chịu tải trọng ngang
3.2 Đặc điểm phá hoại mẫu
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
hiện tập trung chủ yếu vị trí hai đầu cột Khi tải trọng ngang đạt giá trị lớn nhất, bê tơng 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
Hình Đặc điểm hình thái phá hoại mẫu tiêu chuẩn
Sự phá hoại nặng nề bê
tông bị ép vỡ
Các vết nứt thẳng đứng xuất
Vết nứt ngang Vết nứt
xiên
Hình Đường cong trễ biểu diễn quan hệ lực-chuyển vị mẫu thí nghiệm
-300
-200
-100
0
100
200
300
-6
-4
-2
0
2
4
6
T
ải
t
rọng nga
ng
(
kN
)
Chuyển vị xoay (%)
Mẫu gia cường Mẫu tiêu chuẩn
θu1=3.87%
θu2=2.63%
θu2=-2.63%
θu1=-3.87%
Pmax1=207.9 kN
Pmax2=101.1 kN
Pmax2=-122.07 kN
(6)yếu tập trung hai đầu cột- vị trí hình thành khớp dẻo cột chịu tải trọng ngang
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 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 Điều thấy cốt sợi thép vơ định 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]
3.3 Khả phân tán lượng hệ số cản
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, khả tiêu tán lượng ứng với vòng lặp tải trọng xác định diện tích giới hạn đường cong trễ biểu diễn quan hệ tải trọng-chuyển vị ngang ứng với vòng lặp tải trọng (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
trong vòng lặp tải trọng Eslà lượng
do biến dạng đàn hồi vịng lặp, Es = FiΔi,
trong Fi tải trọng ngang Δi chuyển vị
ngang vịng lặp thứ i (hình 9(b))
Hình 8. Đặc điểm hình thái phá hoại mẫu gia cường
Các vết nứt
ngang
(7)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
4 Kết luận kiến nghị
Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm việc gia cường kháng chấn cho cột bê tông cốt thép công 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
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 Tải trọng ngang
Chuyển vị
Năng lượng phân tán (Ed)
Năng lượng đàn hồi (Es)
Năng lượng phân tán (Ed) Tải trọng
ngang
Chuyển vị
Hình 9. Định nghĩa lượng phân tán hệ số cản nhớt [14]
Hình 10 Khả phân tán lượng hệ số cản nhớt mẫu thí nghiệm
0.00 0.10 0.20 0.30
0 40 80 120 160 200
0
Hệ số cản nhớt
Năng lượng phân tán
Mẫu tiêu chuẩn Mẫu gia cường Chuyển vị xoay (%)
N
ăn
g
lư
ợ
n
g
p
h
ân
tá
n
(k
N
m
)
H
ệ
số
cả
n
n
h