2.1 .Cơ sở lý thuyết về tớnh toỏn dầm chuyển
3.1. Cụng tỏc thớ nghiệm
3.1.1. Nhiệm vụ thớ nghiệm:
- Đỳc 04 dầm cao BTCT, kớch thước L x H x B = 2200 x 750 x 300 (mm), sử dụng bờ tụng cú cường độ B22,5 (tương đương M300), cốt thộp dọc chịu lực 3 thanh ỉ16 bố trớ phớa trờn và phớa dưới dầm, 2 thanh ỉ12 bố trớ giữa dầm, thộp đai ỉ8a100. Trong đú, 01 dầm sử dụng BTCT thụng thường; 03 dầm sử dụng BTCT gia cường bằng sợi thộp Auber Steel, loại dài 6 cm, dày 0,75 mm (L / D = 80), cú múc 02 đầu, với hàm lượng (theo khối lượng) sử dụng lần lượt là 1%, 2% và 3%. Mỗi dầm đỳc kốm bộ 03 mẫu để xỏc định cường độ chịu nộn và 03 mẫu để xỏc định cường độ chịu kộo của bờ tụng thụng thường và bờ tụng cú gia cường sợi thộp với tỷ lệ tương ứng.
- Uốn 04 dầm cao nờu trờn theo phương phỏp uốn 3 điểm để xỏc định cường độ chịu lực và độ vừng của dầm, khảo sỏt sự xuất hiện và phỏt triển vết nứt của dầm sử dụng BTCT thụng thường và BTCT cú gia cường bằng sợi thộp.
Sơ đồ bố trớ thớ nghiệm như sau:
45
3.1.2. Nguyờn vật liệu sử dụng:
- Xi măng: Nhón hiệu INSEE PCB - 40.
- Cốt liệu lớn: Đỏ dăm 1 cm x 2cm theo TCVN: 7576 - 2005. - Cốt liệu nhỏ: Cỏt vàng theo TCVN: 7576 - 2005.
- Nước: Nước sạch thủy cục theo tiờu chuẩn TCXDVN 302 - 2004. - Cốt thộp: Theo TCVN 1651 – 2 : 2008
+ Thộp dọc: Sử dụng thộp ỉ16 CB300 - V + Thộp đai: sử dụng thộp trũn trơn ỉ8a100.
- Sợi thộp: Sử dụng sợi thộp Auber Steel, kớch thước sợi L x D = 60 x 0,75 (mm), (L / D = 80), cú cỏc thụng số cơ bản theo Hỡnh 3.2.
Khối lượng sợi thộp sử dụng để gia cường trong dầm với tỷ lệ 1%, 2% và 3% lần lượt là 25kg, 50kg và 75kg.
Thụng số Kớch thước
Đường kớnh sợi (D) 0,75 mm (± 0,08 mm) Chiều dài sợi (L) 60 mm (+ 6 mm / - 6 mm) Chiều dài múc (l và l’) 1 - 4 mm
Chiều sõu múc (h và h’) 1,8 mm (+ 1 / - 0 mm) Gúc uốn (α và α’) 450 (ớt nhất 300) Tỷ lệ phương diện (L/D) 80
Độ lồi của sợi Tối đa 5% của l’
Gúc xoắn của sợi < 300
Số lượng sợi / kg 4800
Tổng chiều dài sợi / 10 kg 1.312 m
46
Một số hỡnh ảnh thực tế vật liệu sử dụng đỳc dầm:
Hỡnh 3.3. Vật liệu sử dụng đỳc dầm cao BTCT
3.1.3. Cấp phối:
Sử dụng bờ tụng cấp độ bền B 22,5 (tương đương M300) với cấp phối như sau (đơn vị tớnh trờn mỗi m3 bờ tụng):
Bảng 3.1. Cấp phối bờ tụng cấp độ bền B 22,5 (M300)
Loại vật liệu Khối lượng (kg) Thể tớch quy đổi (m3)
Đỏ 1 x 2 (cm) 1.379 0,862
Cỏt 632 0,436
Xi măng 394
Nước 195
47
3.1.4. Quy trỡnh đỳc dầm: - Chuẩn bị nguyờn vật liệu. - Chuẩn bị nguyờn vật liệu.
Cỏt, đỏ 1cm x 2 cm rửa sạch, phơi khụ. Thộp dọc được cắt, uốn, bo theo kớch thước dầm. Thộp đai đặt gia cụng uốn sẵn.
- Gia cụng cốp-pha: Sử dụng cốp-pha phủ phim, dày 11 mm, đúng đinh thộp. Kớch thước cốp-pha phự hợp với kớch thước dầm: L x H x B = 2200 x 750 x 300 (mm).
Hỡnh 3.4. Gia cụng cốp-pha
- Gia cụng cốt thộp.
48
- Nhào trộn bờ tụng và đỳc mẫu. Sử dụng mỏy trộn bờ tụng trộn đều hỗn hợp cốt liệu theo cấp phối thành hỗn hợp bờ tụng và sợi thộp (đối với những dầm cú gia cường sợi thộp) và đổ bờ tụng dầm.
Hỡnh 3.6. Sử dụng mỏy trộn bờ tụng để đỳc dầm
Hỡnh 3.7. Nhào trộn bờ tụng gia cường sợi thộp và đỳc dầm
- Dưỡng hộ. Thực hiện dưỡng hộ bằng hỡnh thức tưới nước và giữ ẩm cho dầm. Thời gian dưỡng hộ dầm là 28 ngày.
49
Hỡnh 3.8. Dầm cao BTCT sau khi thỏo cốp-pha
3.1.5. Dụng cụ thớ nghiệm:
Sử dụng khung uốn dầm tại Phũng Thớ nghiệm cụng trỡnh - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chớ Minh để uốn 04 dầm cao theo phương phỏp uốn 3 điểm. Hệ thống khung uốn và loadcell gia tải bằng thủy lực cú mức tải trọng tối đa 500 kN. Vận chuyển, lắp đặt hệ thống gối đỡ và đưa dầm vào vị trớ thớ nghiệm bằng hệ thống cầu trục.
50
Hỡnh 3.10. Hệ thống loadcell gia tải bằng thủy lực
Gắn 02 thiết bị đo chuyển vị tại vị trớ giữa dầm, kết hợp với bộ đo Data Logger để nghiờn cứu độ vừng của dầm phụ thuộc vào lực tỏc động lờn dầm.
Hỡnh 3.11. Thiết bị đo chuyển vị và bộ Data Logger
51
Cỏc dầm cao được kẻ lưới 10 cm x 10 cm để khảo sỏt sự xuất hiện và phỏt triển vết nứt; sau đú được lần lượt cẩu lờn gối tựa bằng hệ thống cầu trục. Chiều dài toàn bộ dầm là 2,2m, tựa lờn mỗi bờn gối một đoạn 0,2m, khoảng cỏch lọt lũng giữa 2 gối tựa là 1,8m.
Lắp đặt 02 dụng cụ đo chuyển vị tại vị trớ giữa dầm, kết nối 3 kờnh vào Data Logger, gồm Kờnh 01: đo lực tỏc động, lấy số liệu từ hệ thống Loadcell; cỏc Kờnh 02 và Kờnh 03 lấy số liệu chuyển vị của dầm phụ thuộc vào lực tỏc động lờn dầm tại từng thời điểm.
Hỡnh 3.12. Lắp đặt dầm vào vị trớ thực hiện thớ nghiệm uốn 3 điểm
52
Hỡnh 3.14. Uốn mẫu xỏc định cường độ chịu kộo khi uốn của bờ tụng
Hỡnh 3.15. Đo độ sụt của bờ tụng bằng nún cụt Abrams 3.2. Kết quả thớ nghiệm 3.2. Kết quả thớ nghiệm
3.2.1. Kết quả nộn, uốn mẫu để xỏc định cường độ chịu nộn, chịu kộo khi uốn của bờ tụng: của bờ tụng:
53
Bảng 3.2. Cường độ chịu nộn của bờ tụng
Mẫu Lực nộn (kN) Cường độ chịu nộn (MPa) Trung bỡnh chịu nộn (MPa) BT 0% sợi thộp 1 577,380 25,661 25,161 2 544,028 24,179 3 576,985 25,644 BT 1% sợi thộp 1 601,974 26,754 26,656 2 595,904 26,485 3 601,423 26,730 BT 2% sợi thộp 1 603,854 26,838 26,9 2 597,784 26,568 3 614,097 27,293 BT 3% sợi thộp 1 614,111 27,294 27,318 2 609,212 27,076 3 620,628 27,583
Bảng 3.3. Cường độ chịu kộo khi uốn của bờ tụng
Mẫu Lực (kN) Cường độ chịu kộo
(MPa) Trung bỡnh (MPa) BT 0% sợi thộp 1 26,790 3,572 3,348 2 23,130 3,084 3 25,403 3,387 BT 1% sợi thộp 1 38,261 5,101 4,821 2 34,305 4,574 3 35,903 4,787 BT 2% sợi thộp 1 48,671 6,490 5,986 2 43,853 5,847 3 42,158 5,621 BT 3% sợi thộp 1 56,902 7,587 7,269 2 52,995 7,066 3 53,655 7,154
54
3.2.2. Kết quả đo chuyển vị giữa dầm theo lực tỏc động:
Bảng 3.4. Kết quả đo chuyển vị tại vị trớ giữa dầm theo lực tỏc động
Lực (kN) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 430 DẦM 0% 0 0,68 1,28 1,96 2,7 3,34 4,1 4,76 5,36 5,84 DẦM 1% 0 0,49 1,11 1,56 2,13 2,84 3,54 4,15 5,06 5,6 DẦM 2% 0 0,35 0,92 1,31 1,82 2,45 3,11 3,76 4,65 5,31 DẦM 3% 0 0,27 0,66 1,1 1,59 2,18 2,69 3,3 4,05 4,68
3.2.3. Tải trọng gõy xuất hiện vết nứt trờn dầm cao:
Bảng 3.5. Tải trọng gõy xuất hiện cỏc vết nứt trờn dầm cao
Lực tỏc động (kN) Dầm BTCT thường Dầm 1% sợi Dầm 2% sợi Dầm 3% sợi
Vết nứt thứ nhất (kN) 195,2 231,6 234,3 292,4
Vết nứt thứ hai (kN) 252,4 255,8 284,7 320,8
Vết nứt thứ ba (kN) 300,5 324,7 337,6 355,3
Vết nứt thứ tư (kN) 310,2 360,2 380,1 389,4
55
Hỡnh 3.17. Vết nứt xuất hiện và phỏt triển trờn dầm BTCT 1% sợi thộp
Hỡnh 3.18.Vết nứt xuất hiện và phỏt triển trờn dầm BTCT 2% sợi thộp
56
3.3. Nhận xột, đỏnh giỏ kết quả thực nghiệm:
3.3.1. Về cường độ chịu nộn, chịu kộo của bờ tụng khi gia cường sợi thộp - Cường độ chịu nộn: - Cường độ chịu nộn:
Khi được gia cường sợi thộp, cường độ chịu nộn của bờ tụng cú tăng, nhưng khụng nhiều. Mẫu bờ tụng được bổ sung 1% sợi thộp (theo khối lượng) cú cường độ chịu nộn tăng hơn so với bờ tụng thụng thường khoảng hơn 4%. Tuy nhiờn, khi gia cường thờm sợi thộp, cường độ chịu nộn của bờ tụng chỉ tăng khoảng 2% trờn mỗi phần trăm khối lượng sợi thộp thờm vào.
- Cường độ chịu kộo:
Khi được gia cường sợi thộp, cường độ chịu kộo khi uốn của bờ tụng được cải thiện rừ nột. Do sợi thộp được thờm vào hỗn hợp bờ tụng được phõn bố ngẫu nhiờn trờn toàn bộ thể tớch bờ tụng giỳp phõn bố lại ứng suất trong hỗn hợp bờ tụng, đồng thời cú tỏc dụng truyền ứng suất “bắc cầu” qua cỏc vết nứt theo cơ chế tương tự như việc “khõu vết thương”, giỳp tăng cường độ chịu kộo ở vết nứt đầu tiờn và cường độ chịu kộo tới hạn của bờ tụng nhờ độ bền trước sự kộo giật của cỏc sợi thộp ra khỏi bờ tụng nền. Nhờ đú, bờ tụng được gia cường sợi thộp trở nờn “dẻo dai” hơn, khú bị phỏ hủy giũn hơn so với bờ tụng nặng thụng thường.
3.3.2. Về chuyển vị tại vị trớ giữa dầm khi thớ nghiệm uốn 3 điểm dầm cao Khi được gia cường sợi thộp, dầm BTCT gia cường cú chuyển vị giữa dầm giảm Khi được gia cường sợi thộp, dầm BTCT gia cường cú chuyển vị giữa dầm giảm xuống so với dầm BTCT thụng thường. Ở mức tải trọng 430 kN (khả năng tối đa thực tế của hệ thống loadcell gia tải tại Phũng thớ nghiệm), chuyển vị giữa dầm BTCT thụng thường là 5,84 mm, trong khi dầm 1% sợi thộp cú chuyển vị tại giữa dầm là 5,6 mm (giảm 4,1%), dầm 2% sợi thộp cú chuyển vị là 5,31mm (giảm 9,1%) và dầm 3% sợi thộp chỉ chuyển vị 4,68 mm (giảm 19,8%).
Như vậy, cú thể nhận thấy, khi được gia cường sợi thộp, do khả năng chịu kộo khi uốn của bờ tụng được cải thiện, cấu kiện dầm cao trong thớ nghiệm “cứng cỏp” hơn, cú chuyển vị giảm đi đỏng kể và chịu lực ổn định hơn so với dầm BTCT thụng thường. Điều này cũng ảnh hưởng đến sự hỡnh thành và phỏt triển vết nứt trong dầm được nờu tại điểm 3.3.3.
57
Hỡnh 3.20. Biểu đồ thể hiện chuyển vị giữa dầm theo tải trọng tỏc động
* Tớnh toỏn chuyển vị theo TCVN 5574 : 2018 [48]
- Tớnh toỏn độ cong cho một tiết diện trong trường hợp cú xảy ra vết nứt. Độ cong của 1 tiết diện xỏc định theo cụng thức.
(1/r) = (1/r)1 – (1/r)2 + (1/r)3 (3.1)
Trong đú:
(1/r)1: độ cong do tỏc dụng ngắn hạn của tải trọng thường xuyờn và tải trọng
tạm thời.
(1/r)2: độ cong do tỏc dụng ngắn hạn của tải trọng thường xuyờn và tải trọng
dài hạn của tải tạm thời.
(1/r)3: độ cong do tỏc dụng dài hạn của tải trọng thường xuyờn và tải trọng
dài hạn của tải tạm thời.
Độ cong của một tiết diện dưới tỏc dụng của momen tương ứng xỏc định theo cụng thức:
(1/r)i = Mi / D (3.2)
Trong đú:
Mi: momen tương ứng.
D: độ cứng của tiết diện xỏc định theo cụng thức dưới đõy.
D = Eb1 . Ired (3.3) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 3 0 CH UYỂN VỊ ( M M ) LỰC (KN) DẦM 0 DẦM 1% DẦM 2% DẦM 3%
58
Trong đú; Eb1 : module biến dạng của bờ tụng chịu nộn, được xỏc định phụ
thuộc vào thời hạn tỏc dụng của tải trọng.
Eb1 = Eb,red = Rb /ɛb1,red (3.4)
ɛb1,red : biến dạng tương đối của bờ tụng lấy theo Bảng 9 và mục 6.1.4.3 [48] Ired được xỏc định tương tự như trong cụng thức tớnh toỏn bề rộng vết nứt; với
cỏc hệ số quy đổi cốt thộp về bờ tụng được xỏc định như sau:
α1 = Es/Eb,red (3.5)
α2 = Es,red / Eb,red (3.6)
với Es,red = Es /ψs. (3.7)
Hệ số ψs lấy bằng 1, do đú α1 và α2 sẽ khỏc nhau do hệ số ɛb1,red khỏc nhau cho trường hợp dài hạn.
- Tớnh toỏn độ vừng của dầm 2 đầu tự do
Đối với dầm console và dầm cú 2 đầu gối tựa độ vừng sẽ được xỏc định dựa trờn độ cong của tiết diện của momen lớn nhất.
f = s.L2(1/r)max (3.8)
Trong đú:
s : hệ số lấy bằng 5/48 với dầm tựa 2 đầu tự do; L: là nhịp của dầm.
(1/r)max: là độ cong toàn phần tại tiết diện cú momen uốn lớn nhất.
Tớnh toỏn với cỏc cụng thức như trờn với cỏc mức tải trọng 100 kN, 200 kN, 300 kN và 400 kN được kết quả chuyển vị giữa dầm như bảng sau:
Bảng 3.6. Kết quả tớnh toỏn chuyển vị giữa dầm theo TCVN 5474 : 2018 Lực (kN) 100 200 300 400 Lực (kN) 100 200 300 400
59
Hỡnh 3.21. So sỏnh chuyển vị giữa dầm theo TCVN 5574 : 2018 và thực nghiệm
3.3.3. Về sự hỡnh thành và phỏt triển vết nứt khi uốn dầm cao:
Khi tiến hành thớ nghiệm uốn 3 điểm đối với 04 dầm cao, ghi nhận được sự xuất hiện và phỏt triển cỏc vết nứt như sau:
- Vết nứt xuất hiện đầu tiờn trờn cả 04 dầm đều tại vị trớ giữa dầm, phỏt triển từ dưới lờn trờn. Dầm khụng cú sợi thộp xuất hiện vết nứt đầu tiờn sớm nhất, ở mức tải trọng khoảng 195 kN. Cỏc dầm cú gia cường sợi thộp (tỷ lệ khối lượng sợi thộp tăng dần) xuất hiện vết nứt đầu tiờn ở mức tải trọng lần lượt là 231 kN, 234 kN và 292 kN.
- Khi tiếp tục gia tải, xuất hiện vết nứt thứ 2 và vết nứt thứ 3. Cỏc vết nứt này xuất hiện ở hai bờn, cỏch khoảng 30cm so với vị trớ giữa dầm và phỏt triển theo đường chộo, nối từ điểm đặt lực đến vị trớ khoảng 30cm tớnh từ giữa dầm. Vết nứt thứ 2, thứ 3 cũng xuất hiện sớm nhất tại dầm BTCT thụng thường, ở mức tải trọng 252kN và 300 kN. Cỏc dầm gia cường sợi thộp xuất hiện vết nứt thứ 2, thứ 3 chậm hơn so với dầm BTCT thụng thường, lần lượt ở cỏc mức tải trọng: dầm 1% sợi thộp là (256; 324) kN; dầm 2% sợi thộp là (284; 337) kN và dầm 3% sợi thộp là (320 ; 355) kN.
- Khi tiếp tục gia tải, xuất hiện vết nứt thứ 4. Vết nứt này xuất hiện và phỏt triển theo đường xộo, nối từ điểm đặt lực đến vị trớ khoảng 50cm tớnh từ giữa dầm; sớm nhất tại dầm BTCT thụng thường ở mức tải trọng khoảng 310kN và xuất hiện muộn hơn trong cỏc dầm gia cường sợi thộp (theo tỷ lệ sợi tăng dần), lần lượt ở cỏc mức tải trọng
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 2 4 6 Tả i t rọng (kN ) Chuyển vị (mm) TCVN 5574-2018 TN dầm 0% TN dầm 1% TN dầm 2% TN dầm 3%
60
360kN, 380kN và 390kN.
- Việc xuất hiện cỏc vết nứt xiờn nối từ điểm đặt lực hướng về phớa gối tựa thể hiện ảnh hưởng của lực cắt trờn dầm cao khi chịu uốn 3 điểm. Bờn cạnh ảnh hưởng của mụ-men uốn gõy ra vết nứt giữa dầm thỡ khi tải trọng tăng, chớnh lực cắt trong dầm đó gõy ra cỏc vết nứt xiờn nờu trờn.
Hỡnh 3.22. Mức tải trọng xuất hiện vết nứt trong dầm cao
- Về tốc độ phỏt triển vết nứt và chiều rộng vết nứt khi uốn dầm cao:
Dầm BTCT thụng thường xuất hiện vết nứt sớm, ở mức tải trọng thấp hơn so với cỏc dầm được gia cường thờm sợi thộp. Cạnh đú, vết nứt trờn dầm BTCT thụng thường cũng phỏt triển nhanh hơn và cú chiều rộng lớn hơn. Ở mức tải trọng 430kN, chiều rộng vết nứt tại giữa dầm BTCT thụng thường đạt khoảng 0,3mm, trong khi ở cỏc dầm được gia cường sợi thộp, cỏc vết nứt đều cú chiều rộng khỏ nhỏ, chỉ khoảng 0,1 mm. Tốc độ phỏt triển vết nứt trờn cỏc dầm được gia cường cũng chậm hơn so với dầm BTCT thụng thường.
Túm lại, qua nghiờn cứu thực nghiệm uốn 3 điểm đối với 04 dầm cao (01 dầm BTCT thụng thường và 03 dầm sử dụng bờ tụng được gia cường thờm sợi thộp với tỷ lệ theo khối lượng lần lượt là 1%, 2% và 3%), cú thể rỳt ra một số kết luận như sau:
195.2 252.4 300.5 310.2 231.6 255.8 324.7 360.2 234.3 284.7 337.6 380.1 292.4 320.8 355.3 389.4 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 5 L Ự C (kN)
THỨ TỰ XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRONG DẦM
DẦM 0 DẦM 1% DẦM 2% DẦM 3%
61
(1) Việc gia cường sợi thộp làm tăng đồng thời cả cường độ chịu nộn và cường độ chịu kộo khi uốn của bờ tụng và cấu kiện BTCT. Tuy nhiờn, cường độ chịu kộo được