Để khảo sát ảnh hưởng của các tham số như hàm lượng sợi, chiều dài sợi đến sức kháng cắt dầm BTCĐC CST, số lượng dầm thí nghiệm và các thơng số của dầm BTCĐC CST được đề xuất như Bảng 3.2. Đối với loại sợi dài (tỷ số Lf/Df=80, thử nghiệm với các cặp dầm cĩ hàm lượng sợi tương ứng là: 0%; 0.63%; 1%. Đối với loại sợi ngắn (Lf/Df=63.63), kiểm chứng hai cặp dầm cĩ sử dụng hàm lượng sợi là 0.63% và 1%.
Dầm được ký hiệu như sau: (A)B-X-Y-Z-T. Trong đĩ:A- là dầm cao H=450 mm; B là dầm cĩ chiều cao H=400mm; ‘SN’ chỉ loại sợi ngắn, ‘SD’ chỉ loại sợi dài, ‘X’ là hàm lượng sợi, ‘Y’ là cường độ chịu kéo của cốt đai, ‘Z’ là đường kính cốt đai, ‘T’ là khoảng cách cốt đai.
Bảng 3.2 Các thơng số thiết kế của các dầm thử nghiệm
T b H Hàm Hàm K/c Đ/k Cường
KH dầm a/d lượng Loại sợi lượng f’c cốt cốt độ cốt
T (mm) (mm) cốt dọc sợi đai đai
đai (ρ) (Vf) (s) dw 1 B-0-300-6-300 150 400 2.23 0.03 Khơng sợi 0% 70 300 6 383.1 2 B -0.63-300-6-300-SD 150 400 2.23 0.03 3D 80/60 BG 0.63% 70 300 6 383.1 3 B -0.63-300-6-300-SN 150 400 2.23 0.03 3D 65/35 BG 0.63% 70 300 6 383.1 4 B -1-300-6-300- SN 150 400 2.23 0.03 3D 65/35 BG 1% 70 300 6 383.1
5 A-0-300-6-300 150 450 2.02 0.03 Khơng sợi 0% 70 300 6 383.1
6 A-0.63-300-6-300-SN 150 450 2.02 0.03 3D 65/35 BG 0.63% 70 300 6 383.1
Tính tốn sức kháng cắt dầm thử nghiệm theo mơ hình đề xuất và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
3.3.1. Dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST và khảo sát hưởng hàm lượng sợi
Sử dụng mơ hình đề xuất, tính tốn sức kháng cắt các dầm thử nghiệm BTCĐC CST. Tính tốn sức kháng cắt cho nhĩm dầm cao h=400mm. Khảo sát sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST cĩ kích thước như đề cập ở mục trên. Sử dụng loại sợi ngắn Dramix cĩ tỷ sơ Lf/Df=35/0.55=63.636, với hàm lượng sợi lần lượt là: 0%, 0.63%, 1%, 1.5%.
Kết quả cho thấy ứng suất cắt tới hạn và sức kháng cắt của dầm tăng rất nhanh như trong Bảng 3.3. Sức kháng cắt của dầm bê tơng cốt sợi tăng 84.59% chỉ với hàm lượng nhỏ cốt sợi thép (0.63%). Với hàm lượng sợi 1.5% sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST tăng lên thêm tới 190% (Hình 3.3).
Ngồi ra gĩc nghiêng của ứng suất nén chủ và gĩc nghiêng của ứng suất kéo chủ (θ) cĩ giá trị khác nhau khi hàm lượng sợi thay đổi. Gĩc nghiêng của vết nứt được xem như xấp xỉ bằng gĩc nghiêng của ứng suất kéo chủ. Theo khảo sát bằng mơ hình dề xuất, gĩc nghiêng cĩ giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với 450. Theo như kết quả tính tốn được ghi trong Bảng 3.3. Gĩc nghiêng đĩ chỉ từ 35-360 đối với sợi ngắn, từ 35-380 đối với sợi dài.
Bảng 3.3 Kết quả tính tốn sức kháng cắt dầm BT CĐC CST theo mơ hình đề xuất (Sợi ngắn)
Cường Cường
Chiêu Cường Hàm Cường K/c Tỷ số độ chịu
Chiều độ nén Đường Hàm Gĩc Sức
cao Rộng mẫu 28 độ thép lượng độ thép kính cốt lượng hình nứt cắt kháng cắt- dầm- b ngay dọc- cốt đai cốt đai đai- sợi dạng (θ) trung Vu
h (mm) f’ fy dọc-ρ f wy s (Lf/Df) bình- c (mm) (%) (độ) (KN) (mm) (MPa) (%) (MPa) (mm) νu (MPa) (KN) 400 150 77.8 512 0.03 383.1 6 300 0 63.63 33.821 2.455 115.61568 400 150 83.4 512 0.03 383.1 6 300 0.63 63.63 34.855 4.247 200.03828 400 150 85 512 0.03 383.1 6 300 1 63.63 35.488 5.248 247.19093 400 150 93 512 0.03 383.1 6 300 1.5 63.63 36.672 6.658 313.61458 350.00000 K N 300.00000 -V u, 250.00000 Vu (K N) ắtc ủa dầ m 200.00000 150.00000 c 50.00000 ck há n g 100.00000 Sứ 0.00000 Vu Hàm lượng sợi Vu Hàm lượng sợi 0 0.630 1.000 1.500 115.61568 200.03828 247.19093 313.61458
Hình 3.3. Đồ thị mối tương quan giữa Sức kháng cắt dầm BTCĐC CST cấp 70MPa và hàm lượng sợi ngắn (Lf/Df=63.63)
3.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài sợi
Tiếp theo tính tốn sức kháng cắt của dầm thử nghiệm cĩ chiều cao h=400 (loại B). Khi tính tốn theo mơ hình đề xuất cho thấy sức kháng cắt của dầm BTCĐC sử dụng sợi dài Lf/Df=60/0.75=80 lớn hơn so với dầm BTCĐC sử dụng sợi ngắn nếu cùng hàm lượng sợi. Biểu đồ so sánh sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST cho hai loại sợi như Hình 3.4. Khi cĩ cùng hàm lượng sợi lớn, kích thước sợi ảnh hưởng lớn hơn đối với sức kháng cắt. Đồ thị ở Hình 3.4 cho ta thấy, khi cĩ cùng hàm lượng thấp (0.63%) sử dụng sợi dài cho sức kháng cắt lớn hơn so với sử dụng sợi ngắn 11.24%. Trong khi đĩ cùng hàm lượng sợi là 1.5%, khi sử dụng sợi dài (80/60) sức kháng cắt lớn hơn 14.66% so với khi sử dụng sợi ngắn (60/35).
Sức kháng cắt của dầm -Vu, KN Vu 400.00000 350.00000 300.00000 Vu (K N) 250.00000 200.00000 150.00000 100.00000 50.00000 0.00000 0 0.630 1.000 1.500 Vu(SD) 115.61113 220.46455 278.00614 356.81206 Vu(SN) 115.61568 200.03828 247.19093 313.61458 Hàm lượng sợ i,%
Hình 3.4. Sức kháng cắt dầm BTCĐC CST cấp 70MPa khi sử dụng loại sợi ngắn (65/35) và sợi dài (80/60)
3.3.3. Ảnh hưởng của chiều cao dầm
Khảo sát dầm cĩ chiều cao H=450 mm, với hàm lượng sợi và loại sợi tương tự
dầm H=400 mm như trình bày trên. Kết quả tính tốn sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST cho thấy hàm lương tăng sức kháng cắt tăng rất lớn và sợi dài (Lf/Df=80/60) cho sức kháng cắt lớn hơn. Tuy nhiên khi chiều cao dầm tăng, ứng su ất cắt tới hạn trung bình của dầm BT CĐC CST sẽ giảm. Khi dùng mơ hình đề xuất, khảo sát dầm
chiều cao H=400mm và H=450mm cho thấy ứng suất cắt tới hạn dầm cĩ chiều cao H=450mm nhỏ hơn so với dầm H=400mm (Bảng 3.4).
Bảng 3.4 So sánh ứng suất cắt trung bình trong dầm BTCĐC CST trong dầm cĩ H=400mm và H=450mm
Hàm lượng sơi Ứng suất cắt trung bình(MPa)
(%) H=400mm H=450mm H=400mm H=450mm SN (65/35) SD (80/60) 0 2.455 2.342 2.455 2.342 0.630 4.247 4.024 4.681 4.433 1.000 5.248 4.941 5.902 5.550 1.500 6.658 6.092 7.575 6.910 Tính tốn tải trọng thí nghiệm
Tính tốn tải trọng thử nghiệm nhằm mục đích dự báo được tải trọng phá hủy dầm do cắt. Từ đĩ, xem xét năng lực kích của thiết bị uốn dầm. Từ đĩ quyết định chọn thiết bị cĩ năng lực phù hợp để phá hủy dầm thử nghiệm. Với sơ đồ dầm uốn 4 điểm như Hình 3.2, để dầm phá hoại do cắt, lực tác dụng lên dầm phải lớn hơn giá trị Ps được tính tốn theo sức kháng cắt Vu như sau:
P
s =1.25*Vu Hay Ps=2*1.25*Vu
2
Giá trị của Vu lấy theo Bảng 3.4 cĩ xét đến hiệu ứng vịm do a/d<2.5. Do lấy a/d =2 nên sức kháng cắt nhân hệ số 1,25 theo như phương trình (2-84)(2-83)
Để dầm khơng bị phá hoại do uốn. Lực tác dụng được tính tốn theo sức kháng uốn ký hiệu là Pm Đối vơi dầm BTCĐC cĩ cốt đai khơng sử dụng cốt sợi thép, việc tính tốn sức kháng uốn theo lý thuyết truyền thống. Sức kháng uốn tính tốn được tính tốn như sau:
Tính sức kháng uốn của dầm BTCT khơng sợi:
a = As f y =1520.04 * 512 =87.20 (mm) 0.85 f ' *b 0.85* 70 *150 c M n = As f y ( d − a / 2) = 1520, 4 *512 * (336, 5 − 87.12 / 2) = 227983625 N .mm = 227.984 KN .m
Đối với các dầm BTCĐC CST tính sức kháng uốn như cơng thức đề xuất trong ACI 544-4R88 [32]: M n =A sf d- a h + e - a y 2 +σtb (h-e ) 2 2 2 A f y + σ b ( h −e) a = s t 0.85 f ' *b c
Lực tác dụng tương ứng với sức kháng uốn được tính bằng:
P = 2*M / 0.75
mn
Kết quả tính tốn lực tác dụng lên dầm theo các điều kiện phá hoại do cắt mà khơng phá hoại do uốn cho các dầm thử nghiệm thiết kế như được thống kê trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Bảng tải trọng tính tốn theo lực cắt và mơ men tới hạn
Hàm K/c Đ/k
b H lượng Vu Ps Mn Pm
KH dầm Loại sợi f’c cốt đai cốt Pm
(mm) (mm) sợi Vf >Ps (s) đai (KN) (KN) (KN.m) (%) B-0-300-6-300 150 400 0 77.8 300 6 115.616 234.5 233.96 623.0 OK B-0.63-300-6-300-SN 150 400 3D 65/35 BG 0.63 83.4 300 6 200.038 401.28 258.35 690.26 OK B- 1-300-6-300 -SN 150 400 3D 65/35 BG 1 85 300 6 247.191 493.3 271.38 723.41 OK B-0.63-300-6-300-SD 150 400 3D 80/60 BG 0.63 84.4 300 6 221.088 442.17 264.0 704.0 OK A-0-300-6-300 150 450 3D 65/35 BG 0 77.8 300 124.03 242.37 277.65 715.87 OK A-0.63-300-6-300-SN 150 450 3D 65/35 BG 0.63 83.4 300 6 215.6 496.28 289.45 746.33 OK Tiến hành thử nghiệm 3.5.1. Chế tạo dầm Ván khuơn:
Chế tạo ván khuơn dầm bằng gỗ đạt yêu cầu về cường độ. Ván khuơn phải đáp ứng được các yêu cầu để đúc dầm với kích thước chính xác nhất và kín khít. Cấu tạo ván khuơn được chế tạo như Hình 3.5 Ván khuơn đúc dầm BTCĐC CST.
Hình 3.5 Ván khuơn đúc dầm BTCĐC CST
Đúc dầm và bảo dưỡng
Dầm được đúc và bảo dưỡng ở điều kiện tiêu chuẩn cho đến khi bê tơng đạt đủ 100% cường độ. Các dầm sau khi tháo ván khuơn, bảo dưỡng sau 28 ngày. Dùng sơn trắng để sơn và dùng bút chì kẻ ơ sao cho khi dầm nứt dễ quan sát các vết nứt (hình 3.6).
Hình 3.6 Sơn và kẻ ơ cho dầm thử nghiệm
3.5.2. Tiến hành uốn dầm
Các dầm sau khi đúc đạt 100% cường độ sẽ tiến hành uốn. Các dầm được đánh số và ký hiệu để nhận biết. Dầm được kê kích và sử dụng thiết bị kích 100T ở phịng Trung tâm thí nghiệm Đại học GTVT để uốn dầm (Hình 3.7)
Hình 3.7 Thí nghiệm uốn dầm
Sử dụng thiết bị kích cĩ năng lực 100T để gia tải. Để đo tải trọng tác dụng lên dầm sử dụng load cell đặt trên đỉnh dầm như Hình 3.8. Đầu cảm biến đo độ võng được gắn ở giữa nhịp, mặt trước dầm và kết nối với thiết bị do. Các sen xơ đo biến dạng trong bê tơng, cốt dọc và đai như Hình 3.2 được kết nối với thiết bị đo. Dầm được gia tải theo từng cấp. Tốc độ gia tải theo mối liên hệ tải trọng (P) và biến dạng.
Load cell
LVDT
Tải trọng được truyền xuống dầm thơng qua gối kê trên đỉnh dầm, khoảng cách giữa hai gối phụ là 60cm. Sử dụng hai gối thép kê dầm cao 70cm, đảm bảo sơ đồ làm việc của dầm thử nghiệm.
Kết quả và phân tích kết quả
Kết quả thí nghiệm được xem xét gồm: Sức kháng cắt của dầm thử nghiệm, nghiên cứu về hình dạng vết nứt, các mối quan hệ giữa biến dạng và tải trọng cũng như sức kháng cắt tới hạn (Vu). Gĩc nghiêng của vết nứt cũng là đối tượng xem xét trong thí nghiệm này.
3.6.1. Sức kháng cắt của dầm thử nghiệm
Theo kế hoạch thử nghiệm 6 dầm cĩ các thơng số đề cập trên, các thơng số được khảo sát gồm: Tải trọng phá hoại cắt (từ đĩ cĩ được lực cắt tới hạn), độ võng giữa nhịp, biến dạng trong bê tơng miền nén, biến dạng trong cốt dọc chủ trong phạm vi phá hoại cắt, biến dạng trong cốt đai trong phạm vi phá hoại tiết diện nghiêng.
Bảng 3. là số liệu tải trọng đo được khi dầm bị phá hoại và sức kháng cắt thực nghiệm, so sánh với sức kháng cắt tính theo mơ hình đề xuất ở chương 2. Kết quả cho thấy sức kháng cắt dầm thực nghiệm cao hơn so với tính tốn. Tuy nhiên sự sai số khơng quá lớn. Kết quả cho thấy cĩ sự tương đồng giữa lý thuyết và thực nghiệm. Mơ hình phá hoại dầm cũng nằm trong dự kiến. Các vết nứt nghiêng thường bắt đầu nứt từ giữa hoặc từ miền chịu kéo phát triển lên miền nén và sau đĩ dầm gãy. Sử dụng tiêu chuẩn ACI 544R88 để so sánh đối chứng thêm. Kết quả so sánh như bảng 3.6.
Bảng 3.6. So sánh kết quả thử nghiệm và mơ hình lý thuyết Tải trọng Sức kháng cắt Sức kháng cắt tính
Kí hiệu dầm tới hạn- theo thực Vu Tính theo Vutest/ Vu/Vu Dạng mặt Loadcell nghiệmVutest theo mơ hình đề ACI544R88 Vu (ACI) cắt phá hủy
xuất-Vu (KN) (KN) (KN) B-0-300-6-300 210.32 105.16 115.61568 157.216 0.91 0.75 Phá hủy do cắt-trượt B-0.63-300-6-300- SN 496.65 221.32 200.03828 191.594 1.1 1.04 Phá hủy do cắt-trượt B-1-300-6-300-SN 585.74 261.02 247.19093 223.517 1.06 1.1 Phá hủy do cắt-trượt B -0.63-300-6-300-SD 639.398 284.94 220.46455 230.884 1.29 0.95 Phá hủy do cắt-trượt A-0-300-6-300 436.968 194.73 124.03 179.893 1.5 0.7 Phá hủy do cắt-trượt A -0.63-300-6-300-SN 639.5 284.98 215.6 256.051 1.3 0.84 Phá hủy do cắt-trượt
Qua kết quả thử nghiệm dầm cho thấy, lực cắt của dầm thử nghiệm tăng rất lơn khi hàm lượng sợi tăng. Với hàm lượng sợi 0.63% sợi ngắn, sức kháng cắt tăng thêm 110% so với dầm khơng sử dụng cốt sợi thép. Khi hàm hàm lượng sợi thép là 1% sức kháng cắt tăng thêm 148.2%. Như vậy sức kháng tăng rất lớn, cao hơn so với lý thuyết.
3.6.2. Phân tích hình thức phá hủy dầm thử nghiệm
Mơ hình phá hủy dầm B-0-300-6-300
Với dầm bê tơng cường độ cao, khơng sợi thép, kết quả về lực cắt như trong Bảng 3.. Mơ hình dầm phá hoại do cắt uốn. Vết nứt chính cĩ độ mở rộng lớn. Gĩc nghiêng vết nứt nhỏ hơn 45o, theo lý thuyết là 34o. Dạng vết nứt phá hủy như Hình 3.9 Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300 các vết nứt nhỏ khơng nhiều và khơng rõ ràng. Cĩ hiện tượng cốt dọc chủ bị trượt do mất dính bám trong khi phá hoại. Dầm sẽ phá hủy tại mặt cắt nghiêng bắt đầu từ miền chịu kéo.
NCS Trần Thị Lý B-0-300-6-300 H=400
Hình 3.9 Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300
Mơ hình phá hủy dầm B-0.63-300-6-300-SN
Với dầm cao h=400mm, sử dụng loại sợi ngắn 3D 65/35 BG với hàm lượng 0.63% theo thể tích. Vết nứt dầm cĩ dạng như Hình 3.10. Dạng vết nứt cơ bản xuất hiện từ giữa chiều cao dầm và lan sang miền chịu kéo và phát triển đến điểm đặt tải. Vết nứt chính cĩ bề rơng nhỏ hơn do sự tham gia của cốt sợi thép. Nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện và phân bố trong khoảng từ điểm đạt tải đến gối. Điều này cho thấy sợi thép giúp lan truyền vết nứt nhỏ thay vì xuất hiện vết nứt lớn. Khơng thấy hiện tượng nứt tách do cốt dọc chủ bị trượt, điều này cho thấy dính bám giữa cốt dọc và BTCST rất tốt. Gĩc nghiêng của vết nứt nhỏ hơn 45o.
NCS Trần Thị Lý B-0,63-300-6-300 SN-H=400
Hình 3.10 Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN
Mơ hình phá hủy dầm B-1-300-6-300-SN
Khi hàm lượng sợi tăng, dầm làm việc dẻo hơn, nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện thay vì vết nứt lớn. Vết nứt chính xuất hiện từ giữa dầm và lan sang gối trên và gối dưới như Hình 3.11
NCS Trần Thị Lý B-1-300-6-300 SN-H=400
Hình 3.11. Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-1-300-6-300-SN
Mơ hình phá hủy dầm B - 0.63-300-6-300-SD
Kết quả uốn dâm cĩ hàm lương sợi 0.63% sử dụng sợi dài cho thấy, vết nứt chính xuất hiện từ giữa dầm và lan sang gối trên và gối dưới, nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện và lan rộng trước khi dầm bị phá hoại. Nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện ở miền kéo. Dạng phá hoại là do cắt uốn. Mơ hình phá hủy và hình ảnh vết nứt như Hình 3.12
NCS Trần Thị Lý
B-0,63-300-6-300, SD-H=400
Hình 3.12. Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SD
Mơ hình phá hủy dầm A-0-300-6-300
Với chiều cao dầm H=450 mm, dầm khơng cĩ cốt sợi thép, mơ hình phá hủy tương đối giống dầm B-0-300-6-300. Chỉ cĩ một vết nứt chính xuất hiện và dầm bị phá hoại trên vết nứt đĩ. Vết nứt xuất hiện ở miền chịu kéo. Dính bám giữa cốt dọc