Trong thí nghiệm này, thí nghiệm kéo trực tiếp các mẫu Thép sử dụng loại AII. Mẫu thanh thép thí nghiệm có chiều dài là 60cm. Thanh thép có đường kính là 16mm. Số mẫu thí nghiệm là 2 và các giá trị đặc trưng của cốt thép lấy trung bình từ 2 mẫu thí nghiệm. Ống nối ren là loại ống nối dài 65mm. Đường kính ngoài của ống nối ren là 25mm. Ren trong ống được gia công với hai loại bước ren là 1,5mm và 2,0mm. Hình 4.2 thể hiện thanh cốt thép được nối bằng ren lắp trên gá của máy kéo nén để chuẩn bị kéo thử nghiệm. Hình 4.3 thể hiện mối nối ống ren có bước ren 2mm bị phá hủy.
Đối với mẫu ống ren có bước ren bằng 2mm, cả hai mẫu thí nghiệm đều cho kết quả bị phá hủy do bị đứt tại vị trí tạo ren. Lực gây đứt trung bình của hai thanh cốt thép ở vị trí tạo ren của mẫu sử dụng ống ren có bước ren 2mm là 98.8 kN và biến dạng tại thời điểm tới hạn là 38.7mm. Giới hạn chảy dẻo trung bình của hai mẫu ống ren có bước ren 2mm là 72kN.
Trong khi đó, các mẫu thanh cốt thép được nối bằng ống ren có bước ren 1,5mm đều bị tuột tại bị trí nối ren. Lực gây ra tuột ren trung bình của hai mẫu là 98,34kN và biến dạng tương ứng tại thời điểm tới hạn là 43,6mm. Giới hạn chảy dẻo trung bình của hai mẫu ống ren có bước ren 1,5mm là 72,6kN.
Hình 4.2: Thí nghiệm kéo thanh nối ren Hình 4.3: Mẫu sao khi kéo loại ren 2mm
Hình 4.4: So sánh biểu đồ lực và chuyển vị của mối nối ren và mẫu đối chứng Có thể nói ứng sử của hai thanh thép được nối bởi ống ren có bước ren 1,5mm và 2mm là khá tương đồng như thể hiện ở Hình 4.4. Giá trị lực tới hạn và lực giới hạn dẻo xấp xỉ nhau và lần lượt trung bình là 98,57kN và 72,3kN.
Do đó, loại nào có thi công đơn giản hơn và chi phí thấp hơn có thể lựa chọn cho thi công, nếu việc nối ống ren là cần thiết. Có thể thấy khi sử dụng ống ren có bước ren 1,5mm và 2mm, lực tới hạn giảm 4,3%. Với việc giảm lực tới hạn này, có thể nói sử dụng ống ren chỉ cho lực tới hạn tương đương thanh cốt thép có đường kính nhỏ hơn một chút so vối thanh cốt thép đối chứng có đường kính là 16mm.
Biến dạng dẻo của mẫu sử dụng ống nối ren cũng được xem là nhỏ hơn một chút so với thanh đối chứng. Tuy nhiên, biến dạng tại thời điểm tới hạn của mẫu được nối bởi ống ren có bước ren 1,5mm và 2mm (trung bình khoảng 41,15mm) giảm đáng kể so với mẫu đối chứng (trung bình khoảng 103,94mm).
Chứng tỏ mẫu được nối dạng ống ren này bị phá hủy dòn hơn so với thanh cốt thép đối chứng. Điều này có thể một phần khi tạo ren đã làm cho tính chất của thép bị thay đổi khi nhiệt ma sát tạo ren gây ra.
Hình 4.4 và giá trị lực thực nghiệm cũng cho thấy giá trị lực ở giới hạn dẻo cũng nhỏ hơn không đáng kể so với thanh cốt thép đối chứng có lực giới hạn dẻo và lực tới hạn lớn nhất. Như vậy, khi thiết kế thanh cốt thép làm việc trong giới hạn đàn hồi, thì mối nối ren có bước ren 1,5mm và 2mm hoàn toàn có thể làm việc tương
0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 L ực ( K N) Chuyển vị (mm) Thanh Nguyên Loại ren 2mm Loại 1.5mm
đương. Tuy nhiên, khi có hoạt tải vượt tải, thì mẫu dầm sử dụng ống nối bằng ống ren này có thể gây ra phá hủy dòn trong kết cấu bê tông cốt thép thường, do lực tới hạn và biến dạng tại thời điểm tới hạn nhỏ hơn so với mẫu thanh cốt thép đối chứng.
4.3. Mối nối thanh cốt thép sử dụng ống nối bơm vữa cƣờng độ cao
Loại mối nối rót vữa tại Việt Nam hiện chưa có tiêu chuẩn quy định riêng cho loại mối nối này, nhưng trong tiêu chuẩn TCVN 8163:2009 có quy định về ống nối nên có thể sử dụng tiêu chuẩn này để đánh giá mối nối. Tiến hành có trực tiếp 03 mẫu có mối nối ống bơm vữa cường độ cao để đánh giá khả năng chịu lực của mối nối này.
Hình 4.5: So sánh biểu đồ lực và chuyển vị của ống nối bơm vữa và mẫu đối chứng
Hình 4.6: Mối quan hệ lực và chuyển vị của mẫu ống nối bơm vữa không thu được số liệu
Đường cong quan hệ lực và biến dạng của các mẫu thí nghiệm được thể hiện ở Hình 4.5. Trong quá trình thí nghiệm, do sơ xuất nên một mẫu của loại mối nối này không thu được kết quả. Tuy nhiên, ứng sử mối quan hệ đường cong lực và biến dạng được thu lại trên màn hình thiết bị kéo nén như thể hiện ở Hình 4.6.
Trong thí nghiệm, có một mẫu bị bị tuột ở lực khoảng 21,31kN. Giá trị này chi bằng khoảng 31,34 % giá trị lực giới hạn dẻo của thanh đối chứng. Mẫu này cũng được dự đoán trước. Bởi vì trong quá trình thí công ống nối, mẫu này được thi công vữa đầu tiên, nên chưa có nhiều kinh nghiệm làm cho vữa vào trong ống không nhiều. Do đó, mẫu này cũng dược chọn để thử nghiệm kéo.
Trong hai mẫu còn lại được đánh giá thi công khá tốt. Một mẫu bị kéo đứt khi lực đạt 97,89kN. Trong khi mẫu còn lại bị tuột vữa ở lực đạt 92,71kN. Thực chất giá trị lực tới hạn của mẫu đợt này cũng tương đồng với mối nối ống ren và thanh cốt thép đối chứng. Sự khác nhau là do quá trình luyện kim không có sự đồng nhất cao. Mẫu bị tuột cũng gần đạt đến giá trị lực tới hạn, tương đương 94,72% giá trị của mẫu bị đứt. Lực giới hạn dẻo ở hai mẫu bị đứt thanh thép và bị tuột được thể hiện ở Hình 4.7 và lần lượt có giá trị là 68,08kN và 68,92kN. Giá trị lực gới hạn dẻo của hai mẫu này khá tương đồng với giá trị lực giới hạn dẻo trung bình của thanh cốt thép đối chứng. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, nếu thí công tốt ống nối bơm vữa cường độ cao có thể đứt ở thanh cốt thép như trong thí nghiệm này. Trong thí nghiệm này, giá trị lực gây đứt hoặc tuột đều lớn hơn 125% giá trị lực giới hạn dẻo. Trong tiêu chuẩn AASHTO [20] và MDOT [21] yêu cầu lực tới hạn của mối nối phải đạt tối thiểu 125% lực giới hạn dẻo [2]. Do đó, có thể nói nối nối ống nói bơm vữa cường độ cao đạt yêu cầu về khả năng chịu lực.
4.4. Kết quả thí nghiệm mẫu khối vuông
Thí nghiệm được thực hiện tại phòng Thí nghiệm của trường Đại học SPKT TP.HCM. Thiết bị đo được thể hiện ở Hình 4.8.
Hình 4.8: Thiết bị kiểm tra cường độ bê tông
Hình 4.9: Lấy mẫu bê tông trong quá trình đổ bê tông dầm
Mẫu bê tông 15cm x 15cm x 15cm được lấy trong quá trình đổ bê tông các dầm, thể hiện ở Hình 4.9. Sau 28 ngày dưỡng hộ ở nhiệt độ phòng, tiến hành nén mẫu như Hình 4.10. Bê tông được thiết kế tương đương cấp B20. Kết quả thí nghiệm nén các mẫu bê tông được thể hiện ở trong Bảng 4.1. Cường độ chịu nén trung bình của bê tông đát khoảng 29,3MPa.
Bảng 4.1: Số liệu nén mẫu bê tông
Thứ tự mẫu Lực nén, P, (kN) Cường độ chịu nén, f’c (MPa)
Mẫu 1 767.874 34,13
Mẫu 2 605.225 26,90
Mẫu 3 607.026 26,98
a) Khung uốn dầm b) Đầu thu tín hiệu TDS 150
c) Thiết bị đo chuyển vị d) Strain gauge đo biến dạng
Hình 4.11: Thiết bị thí nghiệm dầm
Thí nghiệm uốn dầm được thực hiện tại phòng Thí nghiệm của trường Đại học SPKT TP.HCM. Hình ảnh quá trình thí nghiệm dầm được thể hiện ở Hình 4.11. Mối quan hệ lực và độ võng của các dầm thí nghiệm được thể hiện ở Hình 4.12. Kết quả cho thấy độ cứng của dầm sử dụng mối nối buộc và mối nối ống ren cho một thanh (KB1 và KR1) tương đối giống nhau và có độ cứng nhỏ hơn so với các dầm khác một chút. Điều này có thể là do sai số trong quá trình thử nghiệm dầm như vị trí các thanh chịu kéo có thể bị lệch. Nhưng về cơ bản các dầm thí nghiệm không có sự khác nhau nhiều ở giai đoạn đàn hồi.
Hình 4.12: Mối quan hệ lực và độ võng của các dầm thí nghiệm vị
Bảng 4.2: So sánh tải phá hoại của các dầm thực nghiệm
Tên dầm
Cuối giai đoạn đàn
hồi không vết nứt Cuối giai đoạn đàn hồi có vết nứt Tới hạn lƣợng Số vết nứt Tải (kN) Độ lệch Tải (kN) Độ lệch Tải (kN) Độ lệch
K0 40 4% 103,05 2,5% 111 8% 8 KB1 38 2% 103 3,0% 122 1% 7 KO1 32 3% 98 7,7% 114 5% 13 KO2 34 1% 115,9 9,2% 129 7% 12 KR1 32.5 2% 112 5,5% 125 4% 6 KR2 35 0% 104,5 1,6% 122 1% 9 Trung Bình 35,08 106,15 120,5
Nhìn chung các dầm trải qua ba giai đoạn. Gia đoạn đầu là giai đoạn tuyến tính không vết nứt, được tính từ khi bắt đầu gia tải đến khi lực gây ra vết nứt đầu tiên xuất hiện. Trong giai đoạn này đường cong mối quan hệ giữa lực và độ võng thể hiện như đường thẳng và chưa có vết nứt xuất hiện trên dầm.
Tiếp đến là giai đoạn tuyến tính có vết nứt, các vết nứt tiếp tục hình thành và phát triển lên vùng chịu nén của dầm. Giai đoạn này đường cong mối quan hệ giữa lực và độ võng vẫn thể hiện tuyến tính. Gia đoạn tuyến tính có vết nứt kéo dài đến khi vết nứt quyết định xuất hiện. Đó là vết nứt đột ngột mở rộng và phát triển về vùng chịu nén. Sau giai đoạn này, đường cong thể hiện mối qua hệ giữa lực và độ võng thay đổi đột ngột góc nghiêng so với giai đoạn đàn hổi có vết nứt. Biến dạng của dầm tăng nhanh trong khi đó, lực tăng không đáng kể. Giai đoạn này gọi là giai đoạn ứng xử phi tuyến của dầm.
Lực gây ra vết nứt uốn đầu tiên là khá giống nhau với giá trị trung bình khoảng 35kN trong tất cả các dầm. Nếu chỉ xét các dầm có mối nối, giá trị lực gây ra vết nứt uốn đầu tiên là 34,3kN. Dầm K0, dầm đối chứng không sử dụng mối nối, có giá trị lực gây ra vết nứt đầu tiên lớn nhất là 40kN và có độ lệch lớn nhất so với các dầm thí nghiệm là lớn hơn 4% giá trị trung bình. Như vậy có thể nói, do sử dụng mối nối dạng buộc, dạng ống tạo ren hay dạng ống bơm vữa để liên kết các thanh cốt thép có thể làm cho lực gây ra vết nứt đầu tiên nhỏ hơn một chút so với dầm đối chứng.
Lực tại cuối giai đoạn tuyến tính có vết nứt trong các dầm cũng khá tương đồng. Giá trị này trung bình của các dầm là 106,15kN. Trong khi đó, giá trị này lớn nhất ở dầm KO2 có độ lệch lớn nhất lên đến 9,2% và dầm KO1 có giá trị lực tại đầu giai đoạn phi tuyến nhỏ nhất với độ lệch là 7,7%. Do đó, có thể nói, giá trị này ở các dầm là xấp xỉ tương đương nhau. Lực tới hạn của các dầm cũng không có sự chênh lệch nhiều. Cụ thể lực tới hạn trung bình của các dầm là 120,5kN. Dầm K0 có lực tới hạn nhỏ nhất là 111kN với độ lệch so với giá trị trung bình khoảng 8%. Dầm KO2 cũng có lực tới hạn là 129kN có độ lệch là 7%. Các dầm khác có độ lệch nhỏ hơn hoặc bằng 5%.
Hình 4.13 cho thấy dầm đối chứng có giai đoạn phi tuyến của dầm đối chứng khá nhỏ so với các dầm khác. Điều này hoàn toàn trái ngược so với thí nghiệm kéo nén của đoạn thanh cốt thép có giai đoạn chảy lớn hơn so với các thanh thép nối ống tạo ren hoặc ống bơm vữa. Tiếp đến là dầm KB1, có giai đoạn phi tuyến lớn hơn so với các dầm đối chứng nhưng lại nhỏ hơn các dầm sử dụng ống nối tạo ren và ống nối bơm vữa. Giai đoạn phi tuyến của các dầm sử dụng ống nối tạo ren và ống nối bơm vữa là tương đối bằng nhau. Kết quả cho thấy, vị trí mối nối buộc, mối nối sử dụng ống tạo ren hoặc ống bơm vữa đều không bị phá hủy, mà thay vào đó dầm bị phá hủy bởi bê tông vùng chịu nén. Hay nói cách khác dầm bị phá hủy dẻo.
4.6. Kết quả thí nghiệm với mô hình vết nứt
Trong các cấu kiện dầm bê tông cốt thép, nứt là hiện tượng thường gặp khi ứng suất kéo do hoạt tải lớn hơn so với cường độ chịu kéo vật liệu bê tông. Trong khi đó, cường độ chịu kéo của bê tông lại rất thấp. Khi bê tông chưa bị nứt, kết cấu bê tông cốt thép thường được coi là làm việc trong giới hạn đàn hồi. Nhưng do bê tông có cường độ chịu kéo thấp. Nên nếu chỉ làm việc trong giai đoạn đàn hồi thì sẽ lãng phí vật liệu.
Do đó, bê tông cốt thép thường cho phép bị nứt dưới tác dụng của tải trọng hoạt tải. Thông thường, bề rộng vết nứt cho phép là 0,1mm, khi bề rộng vết nứt lớn hơn thì có thể chiều cao vết nứt đủ lớn làm cho các yếu tố gây ăn mòn cốt thép có thể dễ dàng xâm nhập hoặc tiếp cận với cốt thép.
a) Dầm KR1 b) Dầm KO1
Hình 4.14: Vết nứt đầu tiên
Trong thí nghiệm này, vết nứt uốn đầu tiên như Hình 4.14 của các dầm đều xuất hiện ở khu vực giữa dầm, giữa hai điểm đặt lực. Trong khi vết nứt đầu tiên ở dầm K0, KB1, KR1 và KR2 xuất hiện gần như ở giữa dầm. Thì vết nứt đầu tiên của dầm KO1 và KO2 xuất hiện ở gần đầu của ống nối.
a) Dầm K0 b) Dầm KB1
e) Dầm KR1 f) Dầm KR2
Hình 4.15: Tải tới hạn của các dầm thực nghiệm
Sau khi vết nứt uốn đầu tiên xuất hiện, các vết nứt khác cũng xuất hiện và phát triển chủ yếu trong vùng chịu uốn giữa hai điểm đặt lực như Hình 4.15. Lúc đầu các vết nứt đều phát triển thẳng đứng. Tuy nhiên, khi đến giai đoạn tới hạn, các vết nứt có xu thế nghiêng về phía có vùng chịu nén bị phá hủy ở giai đoạn tới hạn. Kết quả cho thấy, vùng chịu nén bị phá hủy ở giai đoạn tới hạn đều không thống nhất. Nhưng vùng phá hủy chịu nén đều nằm trong khu vực giữa hai điểm đặt lực. Dầm K0, KB1 và KR1, vùng chịu nén của bê tông bị phá hủy ở giai đoạn tới hạn lệch về bên phải điểm giữa dầm.
Vùng chịu nén của bê tông bị phá hủy ở giai đoạn tới hạn của dầm KO1, KO2 và KR2 lệch về bên trái và gần điểm đặt lực hơn. Việc lệch không đều nhau này có thể do quá trình thi công chỗ bị phá hủy yếu hơn một chút so với chỗ khác nên phá hủy xảy ra sớm hơn. Nhưng các vùng bị phá hủy của các dầm vẫn nằm trong vùng giữa hai điểm đặt lực, vùng có mô men lớn nhất. Khi đến cuối giai đoạn đàn hồi có vết nứt, một vết nứt đột ngột mở rộng và tiến về vùng chịu nén bị phá hủy. Sau khi vùng chịu nén bị phá hủy thì dầm bị phá hủy hoàn toàn và giảm tải trọng. Khi đó, dầm được xác định đã bị phá hủy.
Có thể nhận thấy, số lượng và khoảng cách vết nứt xuất hiện trong vùng hai điểm đặt lực có sự khác nhau. Các dầm K0, KB1, KR1 và KR2 đều có số lượng vết nứt tương đối giống nhau, khoảng cách vết nứt tại thớ dưới chịu kéo cũng tương đối giống và đều nhau. Như vậy có thể nói, mối nối sử dụng ống tạo ren hoặc mối nối buộc không ảnh hưởng đến khoảng cách các vết nứt. Tuy nhiên, đối với dầm KO1
và KO2 có sự khác biệt với các dầm còn lại. Cụ thể, ở ngoài khu vực ống nối,