trong nước và thế giới
Trên thế giới, từ những năm 80 thế kỷ thứ 20 tới nay đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm bê tơng cốt sợi (BTCS) nĩi chung và BTCST nĩi riêng. Trong đĩ, dầm BTCST đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm hơn. Ứng xử cắt của dầm BTCST cường độ thơng thường được nghiên cứu sớm hơn. Sau đĩ, ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST được một số nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu. Đến nay, nhiều tác giả đã cơng bố các kết quả về ứng xử cắt của dầm BTCST cường độ thường. Ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST và bê tơng cường độ siêu cao (BTCĐSC) cũng đã cĩ một số cơng bố.
Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST trên thế giới và Việt nam bao gồm các nội dung như sau: nghiên cứu nguyên nhân, hình thức phá hoại do cắt; nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCST và nghiên cứu xây dựng mơ hình dự báo sức kháng cắt của dầm BTCST.
Phương pháp nghiên cứu về cắt của dầm BTCST trên thế giới hiện nay chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm [70], [91] [59], [90] hoặc nghiên cứu dựa theo các mơ hình tính tốn sức kháng cắt trong các tiêu chuẩn hiện hành [48],
[109]. Một số nghiên cứu hồn tồn dùng thực nghiệm để đưa ra được mơ hình tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST [59], [79].
*) Tổng quan nghiên cứu các mơ hình tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST trong các tiêu chuẩn hiện hành trên thế giới:
Trong các tiêu chuẩn hiện hành, khi tính tốn về cắt dầm BTCST đang coi đĩng gĩp của sợi như là một phần riêng biệt. Các mơ hình tính tốn về cắt dầm BTCST trong các tiêu chuẩn RILEM TC162 TDF [104], ACI 544-4R88 [32], EHE- 08 [57], Fib Model code- 2010 [46] đều coi sự đĩng gĩp của cốt sợi thép một cách độc lập… Các cơng thức tính sức kháng cắt của dầm BTCST trong hầu hết các tiêu chuẩn đều để tách riêng phần sức kháng cắt của cốt sợi thép. Trong đĩ, phần sức kháng cắt của cốt sợi thép phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như hàm lượng sợi, hình dạng, kích thước sợi, hệ số sợi và đặc biệt là các cường độ đặc trưng cho vật liệu BTCST. Ngồi ra các yếu tố khác ảnh hưởng đến tính tốn lực cắt gồm: Kích thước dầm, tỷ số nhịp cắt chia chiều cao, hình dạng mặt cắt…
Các mơ hình trong các tiêu chuẩn hiện nay dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm của các nhà khoa học đi trước. Để tính tốn được sức kháng cắt của dầm BTCST theo các mơ hình tính trong các tiêu chuẩn hiện nay cần rất nhiều các thơng số thí nghiệm đầu vào. Trong tiêu chuẩn RILEM TC62 TDF [104], để tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST cần các thơng số đầu vào là các cường độ chịu kéo uốn đặc trưng thơng qua thí nghiệm uốn mẫu dầm. Trong tiêu chuẩn ACI 544-4R 88 [32], để cĩ thể tính sức kháng cắt của dầm BTCST cần cĩ thơng số cường độ chịu kéo trực tiếp hoặc gián tiếp thơng qua thí nghiệm… Các thơng số thí nghiệm đơi khi khơng sẵn cĩ vì vậy gặp nhiều khĩ khăn cho việc dự báo sức kháng cắt dầm BTCST, nhất là khi khơng cĩ các số liệu thí nghiệm.
Hiện tại, các tiêu chuẩn chỉ đưa ra cơng thức tính tốn sức kháng cắt cho dầm BTCST nhưng khơng cho ta dự báo được ứng xử của dầm BTCST, đặc biệt là dự báo gĩc nghiêng ứng suất kéo chủ. Các tiêu chuẩn chưa đưa ra mơ hình dự báo sức kháng
cắt của riêng dầm BTCĐC CST. Trong hầu hết các mơ hình tiêu chuẩn hiện nay đều coi gĩc nghiêng ứng suất kéo chủ (θ) là 45o. Thực tế, gĩc nghiêng này thường nhỏ hơn 45o và thay đổi khi hàm lượng sợi thép thay đổi. Ngồi ra các yếu tố khác như: độ mở rộng vết nứt, ảnh hưởng của biến dạng trong cốt thép dọc và cốt đai, mối quan hệ giữa ứng suất biến dạng trong tiết diện nghiêng cần được xem xét khi nghiên cứu ứng xử cắt dầm BTCST. Hàm lượng cốt thép dọc và đai cĩ mối liên quan chặt chẽ tới sự làm việc cắt của dầm BTCST đặc biệt cĩ sự khác biệt ở dầm BTCĐC CST. Tuy nhiên trong các tiêu chuẩn hiện nay, khĩ cĩ thể xem xét được các yếu tố nĩi trên.
* Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST trên thế giới và ở Việt Nam.
Khi thực hiện nghiên cứu, để đánh giá được sự đĩng gĩp của riêng cốt sợi thép đối với sức kháng cắt, nhiều nhà khoa học thường sử dụng dầm BTCST khơng cốt đai. Khi đĩ, các nhà nghiên cứu cĩ thể dễ dàng hơn trong việc đánh giá được sự đĩng gĩp của sợi cho sức kháng cắt. Tuy nhiên đối với dầm BTCST cĩ sử dụng cốt đai và cốt sợi thép, mối quan hệ ứng suất biến dạng rất phức tạp. Khi cĩ mặt của cốt thép đai truyền thống trong dầm BTCST, sự hỗ trợ lẫn nhau của hai loại cốt thép này giúp cho sức kháng cắt tăng lên. Ứng xử cắt của dầm BTCST cĩ cốt đai cĩ sự khác biệt so với ứng xử cắt dầm BTCST khơng cốt đai. Sau đây đề cập đến các nghiên cứu thực nghiêm và bán thực nghiệm về ứng xử cắt của hai loại dầm BTCST cĩ và khơng cĩ cốt đai:
Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST khơng sử dụng cốt đai
Trên thế giới, nhiều nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm BTCST khơng sử dụng cốt đai đã được thực hiện. Sử dụng phương pháp thực nghiệm, bán thực nghiệm và các mơ hình tính tốn trong các tiêu chuẩn hiện hành các nhà khoa học đã nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST. Các nghiên cứu khảo sát về đĩng gĩp của cốt sợi thép đối với sức kháng cắt của dầm BTCST, về các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCST. Nghiên cứu ứng xử sau nứt và hình thức phá hoại cắt của dầm BTCST. Một số nghiên cứu đã xây dựng được mơ hình dự báo sức kháng cắt dầm BTCST cường độ thơng thường. Đối với dầm BTCĐC CST cũng đã cĩ một vài
nghiên cứu để đánh giá vai trị của cốt sợi thép khi chịu cắt. Một số nghiên cứu đã xây dựng được mơ hình dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST khơng cốt đai. Tuy nhiên để dự báo được sức kháng cắt dầm BTCST cần các thơng số thí nghiệm như lực dính bám, cường độ đặc trưng của vật liệu…
Trong dầm BTCST các thành phần tham gia trong sức kháng cắt bao gồm: Bê tơng miền chịu nén (bê tơng vùng chưa nứt), cốt đai, cốt thép dự ứng lực và cốt sợi thép phân tán. Sự phá hoại do cắt xảy ra trên tiết diện nghiêng. Cơ chế truyền lực cắt trong dầm BTCST gồm: Sự truyền lực cắt thơng qua miền bê tơng chưa nứt (miền chịu nén), sự truyền lực cắt thơng qua hiện tượng cài vào nhau của cốt liệu, sự truyền lực cắt thơng qua hiệu ứng chốt của cốt thép dọc chủ, sự truyền ứng suất thơng qua cốt thép đai, xiên, cốt sợi thép và hiệu ứng do cốt dự ứng lực. Ngồi các thành phần tham gia chịu lực cắt như trong dầm BTCT thơng thường cịn cĩ thêm phần đĩng gĩp của cốt sợi thép phân tán. Sức kháng cắt của dầm BTCST phụ thuộc vào các yếu tố như sau: Cường độ chịu nén của bê tơng (fc’), hàm lượng cốt sợi (Vf), hàm lượng thép dọc (ρ) và tỷ lệ giữa nhịp cắt và chiều cao cĩ hiệu của dầm (a/d)…
Các nghiên cứu trước đây đều cho rằng cốt sợi thép đĩng gĩp rất lớn cho khả năng chịu cắt của dầm BTCST [48], [70], [59], [71], [69], [109], [117]. Đối với bê tơng cấp cao thì khả năng chịu cắt của dầm khi cĩ cốt sợi tăng nhiều hơn bê tơng thơng thường [55], [107]. Khả năng chịu cắt của dầm theo các nghiên cứu cĩ phạm
vi tăng rất khác nhau: tăng từ 13% đến 170% theo Narayanan and Darwish [95], tăng
(22-89)% theo như Swamy và cộng sự [41]. Tùy theo loại sợi, hàm lượng sợi, tỷ lệ hướng sợi và cường độ chịu nén của bê tơng mà lượng tăng sức kháng cắt khác nhau. Tùy thuộc vào loại bê tơng cấp cao hay thấp, bê tơng nặng hay nhẹ mà mức độ đĩng gĩp của sợi khác nhau.
Các nghiên cứu ban đầu về cắt dầm BT CST được thực hiện bởi các tác giả như: Sharma [41], Narayanan và Darwish [95], Naaman và các cơng sự [94], Lim và Oh [99] … Các tác giả tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như hình dạng sợi, hàm lượng sợi và tỷ số giữa khoảng cách đặt lực với chiều cao hữu hiệu dầm (gọi tắt là tỷ lệ nhịp cắt và chiều cao cĩ hiệu). Một số nghiên cứu dựa trên các phương
pháp lý thuyết và thực nghiệm, đề xuất ra các cơng thức tính ứng suất cắt trung bình trên tiết diện dầm (νu).
Năm 1987, Narayanan and Darwish [95] đã nghiên cứu thực nghiệm và khẳng định rằng khi tăng tỷ lệ hình dạng hay cị gọi tỷ lệ hình học (Lf/Df) của sợi dẫn đến cải thiện đáng kể sức kháng cắt của dầm, trong khi đĩ tăng hàm lượng cải thiện khơng nhiều khả năng chịu cắt của dầm BTCST. Tuy nhiên, một số tác giả cho rằng khả năng chịu cắt của dầm bê tơng tăng đáng kể chỉ với hàm lượng nhỏ cốt sợi thép [41], [99].
Năm 2001, các tác giả K. S. Elliott, C. H. Peaston and K. A. Paine [79] đã nghiên cứu sức kháng cắt của dầm bê tơng dự ứng lực cĩ cốt sợi thép và đã khẳng định đĩng gĩp của sợi thép cho sức kháng cắt là rất đáng kể. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hàm lượng sợi, tỷ lệ hình dạng sợi, cường độ chịu kéo sau nứt của BTCST cĩ ảnh hưởng rất lớn đến sức kháng cắt của dầm BTCST. Các tác giả đã đề xuất mơ hình tính tốn sức kháng cắt của dầm bê tơng dự ứng lực cốt sợi thép (BT DUL CST).
Yoon Keunt Kwak, Mack O. Eberhard, Woo-Suk Kim, và Jubum Kim [117] đã nghiên cứu thực nghiệm trên 12 dầm BTCST tiết diện chữ nhật, với các tỷ lệ giữa nhịp cắt (a) và chiều cao hữu hiệu của dầm (d) xem Hình 1.7. Tỷ số này thay đổi lần lượt là 2,3,4.
Hình 1.7 Chiều dài nhịp cắt(a) và chiều cao hữu hiệu(d)
Hàm lượng sợi tương ứng là 0; 0,5 và 0,75% với 2 cấp bê tơng 31MPa và 65MPa và đã cĩ kết luận rằng: Tỷ lệ tăng khả năng chịu cắt của dầm rất cao (từ 69 đến 80%) khi tỷ số a/d nhỏ nhất (a/d=2). Mơ hình phá hoại dầm là do cắt. Ngược lại khi tỷ số a/d lớn hơn thì cường độ chịu cắt thay đổi trong phạm vi nhỏ hơn (22% đến
38%). Khi sử dụng cốt sợi thép trong dầm bê tơng cường độ cao dẫn tới ứng xử nứt thay đổi: khoảng cách và bề rộng vết nứt giảm. Tăng khả năng biến dạng (tăng độ dẻo). Đồ thị quan hệ giữa độ võng và tải trọng như Hình 1.8. Đồng thời, các tác giả đã sử dụng kết quả thử nghiệm từ 139 dầm BTCST sưu tập, để đánh giá sự chính xác các mơ hình tính tốn sức kháng cắt dầm BTCST của các tác giả trước đĩ. Trong nghiên cứu khi khảo sát ứng suất cắt trung bình trên tiết diện nghiêng của dầm BTCST, đã khẳng định rằng cơng thức tính ứng suất cắt trung bình đề xuất bởi Narayanan và Darwish [95]là chính xác nhất. Nghiên cứu đã cho thấy rằng khi sử dụng cốt sợi thép, mơ hình phá hủy chuyển từ giịn sang dẻo.
Lực, KN
Độ võng, mm
Hình 1.8 Biểu đồ liên hệ giữa lực tác dụng và độ võng dầm BTCST [117]
Khi nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm về khả năng chịu cắt của dầm BT CST khơng sử dụng cốt thép đai cường độ thường, các tác giả Hai H. Dinh; Gustavo J. Parra-Montesinos, M.ASCE; và James K. Wight [71] đã chỉ ra rằng ứng suất cắt trung bình trong tiết diện nghiêng khi dầm phá hoại cao hơn so với dầm khơng cĩ sợi thép. Ứng suất cắt trung bình trong dầm BTCST là 0,33√f’c (MPa) khi hàm lượng cốt thép là 0,75% - 1,5%. Số lượng vết nứt trong phạm vi nghiên cứu này cho thấy cũng thay đổi khi cĩ sợi thép. Số lượng vết nứt nhiều hơn nhưng bê rộng vết nứt nhỏ hơn so với dầm khơng cĩ cốt sợi thép. Trong nghiên cứu cho thấy rằng bề rộng vết nứt khi phá hủy sẽ lớn hơn khi dùng loại sợi ngắn (30mm). Tuy nhiên thí nghiệm cho thấy bề rộng vết nứt bằng khoảng 0,5% của chiều dài sợi. Điều này phụ thuộc vo hình dạng mĩc ở hai đầu của sợi.
Khi nghiên cứu về ảnh hưởng hàm lượng sợi đế sức kháng cắt, Anil Kumar. R và R. Rudra Prasad [38] đã so sánh hai loại dầm bê tơng cĩ cường độ chịu nén 36,66MPa sử dụng cốt thép đai thơng thường và loại dầm bê tơng cĩ sử dụng cốt sợi thép, khơng dùng cốt thép đai. Tác giả kết luận rằng hàm lượng sợi lên đến 1% thì ứng suất cắt trong dầm khơng cốt đai đạt tới 4MPa, tải trọng đạt gấp 1,5 lần. Khả năng chịu cắt của dầm tăng đáng kể khi sử dụng cốt sợi thép, gĩc nghiêng của vết nứt do cắt lớn hơn 450. Với hàm lượng sợi vượt quá 1% thì độ dẻo khơng tốt hơn. Dầm bê tơng cốt sợi thép cĩ độ võng lớn khi cường độ chịu kéo lớn và sự dính bám sợi với bê tơng làm tăng khả năng phá hoại giịn. Sức kháng cắt của dầm BTCST cao hơn so với dầm dùng cốt đai thơng thường. Sợi khơng những làm giảm bề rộng vết nứt mà giảm khoảng cách vết nứt. Cĩ thể thay thế lượng cốt đai tối thiểu trong dầm bằng cốt sợi phân tán.
Gustavo J. Parra-Montesinos [101] đã nghiên cứu thực nghiệm về sự đĩng gĩp của sợi thép cho sức kháng cắt dầm BTCST, cơng bố tại hội thảo Quốc tế về bê tơng năm 2006. Theo tác giả, sợi thép cĩ thể đĩng vai trị như là cốt thép chịu cắt tối thiểu. Trong tiêu chuẩn ACI318-05 [35] lượng cốt thép chịu cắt tối thểu yêu cầu khi lực cắt trong dầm (Vu) khơng vượt quá 0.5φVc (Vu lực cắt tính tốn do tải trọng gây ra, Vc là sức kháng cắt danh định của bê tơng). Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng cốt sợi thép cĩ uốn mĩc hai đầu và sợi thép hình lượn sĩng. Chiều cao dầm thay đổi từ 180mm-570mm, tỷ lệ nhịp cắt a/d thay đổi trong phạm vi (1-6), cường độ chịu nén thay đổi từ 17,8 MPa - 103,8 MPa; hàm lượng sợi từ 0,25% - 2%. Các thử nghiệm đã chứng minh rằng khi tăng hàm lượng sợi thép thì ứng suất cắt tăng. Số liệu thực nghiệm trong nghiên cứu cũng cho thấy rằng cơng thức tính ứng suất cắt trung bình được đề xuất trong ACI 318F là phù hợp với ứng suất thí nghiệm dầm. Với hàm lượng sợi là 0,5% thì ứng suất cắt trung bình là: 0,17√f’c
(MPa) và khi hàm lượng thép là 0,75% thì giá trị ứng suất là 0,35√f’c (MPa). Như vậy chỉ với hàm lượng sợi thép theo thể tích là 0,75% hồn tồn cĩ thể thay thế cho hàm lượng cốt đai tối thiểu chịu cắt. Đồng thời nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ứng xử cắt của dầm thay đổi khi sử dụng cốt sợi. Cốt sợi thép đã cải thiện rõ rệt bề rộng và
độ nghiêng của vết nứt. Bề rộng vết nứt nhỏ, nhiều vết nứt nhỏ thay vì vết nứt lớn (Hình 1.9).
Hình 1.9. Các vết nứt do lực cắt gây ra trong dầm BT CĐC và BTCĐC CST [101] a) Khơng sợi thép; b) Cĩ cốt sợi thép
Các tác giả Emma Slater, Moniruzzaman Moni, M. Shahria Alam [59] đã nghiên cứu thực nghiệm 222 dầm bê tơng cốt sợi khơng dùng cốt đai. Kết quả được cơng bố trên tạp chí Quốc tế Vật liệu xây dựng và cơng trình năm 2012. Trong nghiên cứu, các tác giả sử dụng bê tơng cĩ cường độ cường độ trung bình và cường độ cao. Qua đĩ khẳng định rằng, cốt sợi thép đĩng vai trị rất lớn trong ứng xử cắt của dầm. Trong nghiên cứu này, nhiều thơng số ảnh hưởng tới sức kháng cắt được khảo sát như: cường độ chịu nén của bê tơng; tỷ lệ cốt dọc chủ; tỷ số hình học; hàm lượng sợi. Các phạm vi được khảo sát rộng hơn và đánh giá chính xác hơn sự ảnh hưởng của các yếu tố đĩ tới sức kháng cắt. Đặc biệt là đã thí nghiệm với dầm bê tơng cốt sợi thép cường độ cao với các thơng số thay đổi. Trong đĩ đã nghiên cứu một cách đầy đủ cho 2 trường hợp tỷ số giữa chiều dài nhịp cắt và chiều cao hữu hiệu (a/d<3 và a/d≥3), bê tơng dầm cấp thấp là 30-50MPa và bê tơng cấp 50-110MPa, với 2 loại sợi khác nhau là sợi cĩ mĩc hai đầu và sợi lượn sĩng. Các tác giả đã xây dựng được cơng
thức tính tốn cường độ chịu cắt trung bình của dầm bằng phương pháp hồi quy