các hình 3.3; 3.4; 3 .5; 3.6
4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong chương 4,nghiên cứu thực nghiệm và phân tích ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép và dầm cầu sử dụng bê tông cường độsiêu cao (đã được trình bày ở chương 2, chương 3 với nhóm mẫu C3).Từ thực nghiệm xác định công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn () của bê tông cường độ siêu cao từ 120 -140MPavà chiều cao dầm cầu.
Vấn đề đặt ra là liệu tất các các công thức hiện nay để tính toán khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép truyền thống, bê tông cường độ cao (HPC), có phù hợp với dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ siêu cao hay không ?.
Với nghiên cứu của ACI -318.02 thì bỏ qua không tính đến khả năng cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông, nên kết quả tính toán sai biệt lớn so với bê tông cường độ siêu cao có cường độ chịu kéo khi uốn khá cao.
Kết quả nghiên cứu của ACI-544 23thì mô tả cường độ chịu kéo khi uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông thông thường ởcấp ≤40MPa, không phải là bê tông cường độ siêu cao.
Kết quả nghiên cứu của Imam et altính cường độ chịu kéo khi uốn của các dầm bê tông cốt thép cường độ cao (HPC) với cường độ<100MPa.
Như vậy với dầm bê tông cốt thép cường độ siêu cao, cường độ chịu nén từ 120 -140 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn đặc trưng lên đến Rku20MPa, mô đun đàn hồi E=46 – 50GPa thì sử dụng công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn như thế nào là phù hợp?. Nghiên cứu này nhằm từ
thực nghiệm và áp dụng các lý thuyết tính toán để đánh giá và tìm ra sự phù hợp của công thức tính toán cường độ chịu kéo khi uốn t của bê tông cường độ siêu cao từ 120 -140MPa.
4.2. Cơ sở nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ siêu cao.
4.2.1. Phương pháp nghiên cứu
Nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã đưa ra các công thức về mặt lý thuyết để tính toán cường độ chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông
có gia cường cốt sợi thép. Các công thức này trình bày có hơi khác biệt với
nhau tùy theo quan điểm về cường độ kháng uốn do bê tông cốt thép có gia
cường cốt sợi thép hình thành. Hầu hết các công thức được đề xuất đều trình
bày các điểm tương tự nhau với cùng phương pháp thiết kế tính toán độ bền theo ACI cộng với khả năng chịu kéo được mang lại do hiệu quả liên kết giữa cốt sợi thép trong bê tông.
Nghiên cứu sinh chọnphương pháp nghiên cứu từ tiêu chuẩn ACI-544. Sử dụng phương pháp tính toán từ kết quả thực nghiệm để xác định khả năng
chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ siêu cao với cường
độ từ 120 -140MPa. Phương pháp tính toán này được phát triển trên cơ sở
công thức tính toán của tiêu chuẩn ACI-544 và Imam et al.
Biểu đồ ứng suất -biến dạng tính toán đã được xây dựng theo ACI -544 và Imamnhư hình 4.1.
Hình 4.1: Biểu đồứng suất và biến dạng của kết cấu dầm chịu uốn theo ACI -544
(a): Biểu đồ phân bố lực
(b): Biểu đồ ứng suất
4.2.2. Mục đích nghiên cứu
Thông qua thực nghiệm và tính toán để xác định công thức tính cường độ chịu kéo khi uốn t trong bê tông cốt sợi thép siêu cường độ.
Theo ACI-544, công thức tính Mô men uốn của dầm bê tông cốt sợi thép như sau, công thức 4.1
= . − + . + −
Với Tfc = t.b.(h-e) : Lực kéo trong bê tông cốt sợi thép
Trb=As . fy: Lực kéo trong cốt thép tăng cường. Như vậy công thức có thể viết lại thành:
= . . − + . . (ℎ − ). + − (4-1) Với t = K.( lf /df)f Fbe (4-2) ( diễn giải các hệ số của công thức 4.1 được trình bày ở phần sau)
t: Cường độ chịu kéo sau khi nứt của bê tông cốt sợi thép.
Trong đó:
+ Theo ACI thì K=0,00772. Sử dụng cho bê tông cốt sợi thép thông thường cấp ≤40MPa
+ Theo Imam et al với bê tông cường độ cao HPC cấp bê tông<100MPa thì sử dụng K=0,0138.
Như vậy trong nghiên cứu của đề tài. Đối với bê tông cường độ siêu cao được nghiên cứu xuyên suốt từ chương 1 đến chương 3cường độ bê tông từ 120 -140MPa, thì nên xác định lại một trị số K cho phù hợp.
Nghiên cứu sinh thông qua phương pháp thực nghiệm để xác định công
thức tính cường độ chịu kéo khi uốn trong dầm bê tông cốt sợi thép cường độsiêu cao t. Hay nói cách khác là xác địnhlại hệ số K khi tính toán khả năng
chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cốt sợi thép cường độ siêu cao từ 120 – 140 MPa.
4.3. Chuẩn bị mẫu dầm thí nghiệm
4.3.1. Tính toán hỗn hợp cấp phối
Cấp phối bê tông cường độ siêu cao đã được trình bày trong chương
2.Trong phần thí nghiệm của chương này, cấp phối bê tông được sử dụng là cấp phối bê tông cường độ siêu cao nhómmẫu C3 đã sử dụng và mô tả trong chương 3,bảng 3.15
4.3.2. Sản xuất mẫu dầm để thí nghiệm.
Sản xuất 9 mẫu dầm có tiết diện hình chữ nhật theo tiêu chuẩn ACI 544
với kích thước như sau: chiều cao 250mm, bề rộng 125mm và chiều dài 2.400mm (như trong hình 3.2) bao gồm 3 tổ hợp mẫu:
Tổ hợp 1: gồm 3 dầm, sử dụng 2 thanh cốt thépthường12mm bố trí ở
vùng chịu kéo (tỉ lệ cốt thépthường sử dụng là 0,72%), ký hiệu lần lượt là 2D12 - 1; 2D12 - 2 và 2D12 - 3.
Tổ hợp 2: gồm 3 dầm, sử dụng 2 thanh cốt thépthường16mm bố trí ở
vùng chịu kéo (tỉ lệ cốt thép thường sử dụng là 1,286%), ký hiệu lần lượt là 2D16 - 1; 2D16 - 2 và 2D16 - 3.
Tổ hợp 3: gồm 3 dầm, sử dụng 2 thanh cốt thépthường20mm bố trí ở
vùng chịu kéo (tỉ lệ cốt thépthường sử dụng là 2,009%), ký hiệu lần lượt là 2D20 - 1; 2D20 - 2 và 2D20 - 3. Cấu tạo dầm và sơ đồ thí nghiệm như hình 4-2 và bảng 4.1
Bảng 4.1: Cấu tạo, diện tích và tỉ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo Tên dầm Tên dầm thí nghiệm Cấu tạo cốt thép chịu kéo (mm2) Diện tích cốt thép chịu kéo As(cm2) Tỉ lệ diện tích thanh cốt thép chịu kéo (%) Giới hạn chảy của cốt thép (MPa) Mô đun đàn
hồi của thanh
thép MPa 2D12-1 2 12 2,260 0,723 350 2.106 2D12-2 2 12 2,260 0,723 350 2.106 2D12-3 2 12 2,260 0,723 350 2.106 2D16-1 2 16 4,019 1,286 350 2.106 2D16-2 2 16 4,019 1,286 350 2.106 2D16-3 2 16 4,019 1,286 350 2.106 2D20-1 2 20 6,280 2,009 350 2.106 2D20-2 2 20 6,280 2,009 350 2.106 2D20-3 2 20 6,280 2,009 350 2.106
Các hình chế tạo các tổ hợp dầm thí nghiệm như ở hình 4.3
Dầmđược đúc trong các khuôn thép và được đầm chặt, các dầmđược tháo
khuôn trong 48 giờ và dưỡng hộ 28 ngày ở nhiệt độ phòng, như ở hình 4.4.
Hình 4.4: Các dầm đã hoàn thiện trước khi thí nghiệm
Kết quả xác định cường độ chịu kéo khi uốn đặc trưng Rku(uốn 4 điểm) và cường độ nén , mô đun đàn hồi Eđhcủa vật liệu bê tông cường độ siêu cao nghiên cứu được sử dụng lại từ kết quả thí nghiệm nhóm mẫu C3 đã được
thực hiện trong chương 3của luận án. Tổng hợp kết quả theo bảng 4.2
Bảng 4.2: Cường độ chịu nén và Mô đun đàn hồi của bê tông cường độ
siêu cao nhóm mẫu C3 Mẫu thử Cường độ TB fc(Mpa) Độ lệch chuẩn Biến dạng (‰) Mô đun đàn hồi Eđh (GPa) C3 139,21 5,21 3,75 47,5
Cường độ chịu kéo khi uốn đặc trưng (uốn 4 điểm) của nhóm mẫu C3 đã được trình bày ởchương 3. Tổng hợp kết quả theo bảng 4.3.
Bảng 4.3: Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cường độ siêu cao
Mẫu thử Cường độ kéo uốn khi xuất hiện vết nứt đầu tiên (MPa) Cường độ chịu kéo khi uốn lớn nhất (MPa) Cường độ chịu kéo khi uốn nhỏ nhất (MPa) Rđt S Rđt (max) S Rđt (min) S C3 20,52 2,56 24,22 4,03 2,83 0,45
* Rđt: Cường độ kéo uốn đặc trưng (MPa) * S: độ lệch chuẩn tính toán
4.4. Phương pháp và tr
4.4.1. Thi
Quá trình thí nghi
trường Đại học Giao thông Vận tải. Thiết bị thí nghiệm l
do Mỹ sản xuất
Model 1050; Capacity 1000KN) 1000KN
toàn bộ hệ thống đ
lập biểu đồ quan hệ giữa lực v
4.4.2. Phương pháp t Như đ án uốn 4 điểm ph 4.4.3. Sơ đ Theo hình 4.5 P: tải trọng thí d: cánh tay đ
Cường độ kéo uốn
dụng của tải trọng thí nghiệm
=
hương pháp và trình tự thí nghiệm dầm
Thiết bị thí nghiệm
Quá trình thí nghiệm được thực
ờng Đại học Giao thông Vận tải. Thiết bị thí nghiệm l ỹ sản xuất nhãn hiệu “Incerface
Model 1050; Capacity 1000KN), là thi với tốc độ 0,25mm/phút có
ộ hệ thống được nối với máy tính có phần mềm trợ giúp để tự động xác ập biểu đồ quan hệ giữa lực và độ v
Phương pháp thí nghiệm
Như đã trình bày ở chương 3 m ốn 4 điểm phù hợp với Châu Âu
Sơ đồ tính của dầm thí nghi
heo hình 4.5 (theo tiêu chuẩn ACI
Hình 4.5: Sơ đồ tính toán c
= .
ải trọng thí nghiệm (số liệu đư d: cánh tay đòn của lực (d=770mm)
ờng độ kéo uốn lớn nhất của v ụng của tải trọng thí nghiệm
=
. .
, Mô men kháng uốn của mặt cắt h
ự thí nghiệm dầm
ợc thực hiện tại phòng thí nghi
ờng Đại học Giao thông Vận tải. Thiết bị thí nghiệm là máy nén th
ệu “Incerface- MFG In Scottsdale, Arizona, USA; , là thiết bị truyền động với công suất
mm/phút có bộ phận cảm biến vi sai để đo độ v ợc nối với máy tính có phần mềm trợ giúp để tự động xác
ộ võng.
ương 3 mục 3.1.1; Nghiên cứu sinh chọn ph
Châu Âu42 , 43đã thực hiện
m thí nghiệm23,43
ẩn ACI-544)
tính toán của dầm thí nghiệm
ược ghi lại từ thí nghiệm)
d=770mm)
ớn nhất của vùng kéo tại mặt cắt giữa nhịp
/ (MPa)
ốn của mặt cắt hình chữ nhật.
òng thí nghiệm vật liệu
à máy nén thủy lực
MFG In Scottsdale, Arizona, USA;
ị truyền động với công suất ộ phận cảm biến vi sai để đo độ võng,
ợc nối với máy tính có phần mềm trợ giúp để tự động xác
ứu sinh chọn phương
m
(4-3)
ại mặt cắt giữa nhịp dưới tác
b=125mm, bề rộng tiết diện
h=250mm, chiều cao tiết diện
4.4.4. Quá trình thí nghiệm:
Mẫu được đặt trên bộ phận thí nghiệm uốn của máy (thực hiện uốn 4 điểm). Các thiết bị đo được cố định trên mẫu, các thiết bị thu thập độ võng và tải trọng được nối vào máy tính để thu thập kết quả từ thí nghiệm.
Tốc độ gia tải được thực hiện trong suốt quá trình thí nghiệm là 0,25mm/ph. Đây cũng là tốc độ phù hợp để đo độ võng của dầm tương tự như
các thí nghiệm dầm trên thế giới43, 46.Các hình ảnh trong quá trình thí nghiệm dầm, như ở hình 4.6 và 4.7
Hình 4.6: Các hình ảnh trong quá trình thí nghiệm dầm
4.5. Thu thập kết quả thí nghiệm
Các số liệu trong khi thí nghiệm được thực hiện với tần số 5Hz để nhận được một đường cong hoàn chỉnh về ứng xử của ít nhất 1200 điểm. Các số
liệu cần thu thập là:
Độ võng
Lực tương đương với các trạng thái độ võng (biểu đồ độ võng và lực)
Thí nghiệm đến độ võng đạt 25mm thì dừng xem như mẫu đã bị
phá hoại.
4.5.1. Số liệu kết quả thí nghiệm của các tổ hợp dầm
Số liệu kết quả thu thập được trong thí nghiệm là tải trọng (kN) và độ
võng (mm) của các dầm được trình bày ở bảng 4.4; biểu đồ tải trọng – độ
Tai (KN)
Hình 4.8: Bi 4.5.2. Tổ
điểm đặc
Tổng hợp kết quả tải trọng tại các thời điểm: xuất hiện vết nứt đầu ti
tải trọng lớn nhất v trong bảng 4.5 Bả 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0 2 4 6 8 10 12 Tong hop trong P (KN) Hình 4.8: Biểu đồ tải trọng và đ ổng hợp tải trọng – độ võng c c biệt
ổng hợp kết quả tải trọng tại các thời điểm: xuất hiện vết nứt đầu ti ải trọng lớn nhất và tải trọng thời điểm ngừng thí nghiệm đ
ảng 4.5 ảng 4.5: Bảng tổng hợp số 14 16 18 20 22 24 26 Tong hop do vong (mm) ng và độ võng của các dầm thí nghi võng của các dầm thí nghi
ổng hợp kết quả tải trọng tại các thời điểm: xuất hiện vết nứt đầu ti ải trọng thời điểm ngừng thí nghiệm đ
liệu thí nghiệm tải trọng D20-1 D20-2 D20-3 D16-1 D16-2 D16-3 D12-1 D12-2 D12-3 do vong (mm) m thí nghiệm m thí nghiệm tại 3 thời
ổng hợp kết quả tải trọng tại các thời điểm: xuất hiện vết nứt đầu tiên;
ải trọng thời điểm ngừng thí nghiệm được trình bày
4.5.3. Giá tr các tổ hợ Giá giữa dầm điểm tải trọng có thức 4.3 và 4 Bảng 4.6 4.6. Nhận xét kết quả thí nghiệm - V
thanh cốt thép chịu kéo l
trung bình
trọng lớn nhất trung b =8,626mm; khi k P=66,34
- V
thanh cốt thép chịu kéo l
Giá trị Mô men uốn thí nghi
ợp dầm thí nghiệm theo công th
Giá trị mô men uốn (Mtn) và c ữa dầm của các dầm thí nghiệm (Rku
ểm tải trọng có giá trị lớn nhất và th c 4.3 và 4.4 được trình bày trong bả
ng 4.6: Tổng hợp Mô men và cư
ận xét kết quả thí nghiệm: Với nhóm 1 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép ốt thép chịu kéo là 0,723% , t trung bình đạt P=37,741 kN ứng với độ v ọng lớn nhất trung bình đạt Pmax= 80,2 =8,626mm; khi kết thúc thí nghệm kN. Với nhóm 2 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép ốt thép chịu kéo là 1,286% , t
n thí nghiệm (Mtn) và cường độ kéo khi u theo công thức 4.3 và 4.4
và cường độ kéo khi uốnthớ dưới c
ku) tại thời điểm xuất hiện vết nứt và thời điểm kết thúc thí nghiệm
ảng 4.6
p Mô men và cường độ giới hạn kéo uốn
:
ới nhóm 1 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép 12mm) v
à 0,723% , tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu ti ứng với độ võng trung bình đạt
= 80,262 kN ứng với độ võng
ết thúc thí nghệm =25mm, tải trọng trung b
ới nhóm 2 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép 16mm) v
à 1,286% , tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu ti
kéo khi uốn của
ới cùng, khu vực ất hiện vết nứtđầu tiên;thời ết thúc thí nghiệm theo các công
n tại 3 thời điểm
12mm) với tỷ lệ bố trí ải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên
=0,814mm; Tải
õng đạt trung bình
ải trọng trung bình đạt
16mm) với tỷ lệ bố trí ải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên
trung bình đạt P=37,889 kN ứng với độ võng đạt =0,843mm; Tải trọng lớn
nhất trung bình đạt Pmax= 110,423 kN ứng với độ võng đạt trung bình
=8,7431mm; khi kết thúc thí nghiệm =25mm, tải trọng trung bình đạt
P=99,95 kN.
- Với nhóm 3 (tổ hợp dầm gồm 2 thanh thép 220mm) với tỷ lệ bố trí
thanh cốt thép chịu kéo là 2,009%, tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên trung bình đạt P=51,9991 kN ứng với độ võng đạt trung bình =1,0704mm; Tải trọng lớn nhất trung bình đạt Pmax= 193,1886 kN ứng với độ võng đạt
trung bình =8,7128mm; Khi kết thúc thí nghiệm =25mm, tải trọng trung
bình đạt P=183,12 kN.
- Các vết nứt xuất hiện tập trung khu vực giữa hai điểm đặt lực và phát triển lên đến 0,9 chiều cao của dầm. Như vậy chứng tỏ dầm bị phá hoại do tải
trọng gây uốn.
- Đến khi ngừng thí nghiệm (độ võng đạt 25mm) coi là dầm đã bị phá hoại. - Theo biểu đồtải trọng - độ võng thực nghiệm, trước khi nứt: mối quan
hệ giữa tải trọng và độ võng của các dầm bê tông cường độ siêu cao cũng tương tự như các dầm bê tông cốt thép truyền thống. Tuy nhiên, sau khi nứt
với các dầm bê tông truyền thống là một quá trình giảm nhanh chóng độ cứng
của dầm và các vết nứt nhanh chóng phát triển sâu vào vùng nén của bê tông dẫn đến phá hoại dầm đột ngột, nhanh chóng. Còn dầm bê tông cường độ siêu cao thì độ võng tiếp tục phát triển nhưng chậm hơn và tải trọng vẫn còn tăng và sau đó gần như là đường nằm ngang không suy giảm đột ngột, điều này thể
hiện năng lượng được cốt sợi thép hấp thụ, kìm hãm độ mở rộng và phát triển
vết nứt làm dầm vẫn còn khả năng chịu lực không đứt gãy đột ngột.
Nhìn chung tất cả các dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ siêu