30
Hình 2.13 Thí nghiệm dầm bê tơng đối chứng
Hình 2.14 Thí nghiệm dầm bê tông gia cường UHPC gia cường UHPC
2.3.3. Quy trình thí nghiệm
Khi tiến hành gia tải, tải trọng thí nghiệm được phân chia thành nhiều cấp nhỏ nhằm các mục đích sau đây:
Có nhiều số liệu về quan hệ giữa tải trọng và thông số cần đo.
Một số cấp tải trọng như vị trí thời điểm xuất hiện khe nứt, tải trọng thời điểm cốt thép chảy dẻo…cần được đặc biệt chú ý theo dõi
Phát hiện được các sự cố trong q trình thí nghiệm, tránh được sự phá hoại đột ngột của mẫu thí nghiệm bởi các yếu tố khó dự báo trước được.
Sau có kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của dầm, tính tốn để tìm ra tải trọng phá hoại của dầm, từ đó tiến hành phân cấp tải trọng thí nghiệm. Sau khi cơng việc lắp dựng thí nghiệm hồn tất. Tiến hành gia tải thử với tải trọng P = 2 kN. Mục đích của gia tải thử nhằm loại trừ các sai số về lắp dựng kết cấu và kiểm tra sự làm việc ổn định của hệ. Khi thấy hệ và các dụng cụ đo ổn định. Tiến hành đưa các số liệu về giá trị ban đầu là 0. Trong quá trình gia tải dựa vào tính tốn thí nghiệm và biểu đồ biến dạng của bê tông vùng kéo và cốt thép vùng kéo để xác định thời điểm xuất hiện khe nứt. Tiến hành tăng tải trọng theo từng cấp tải, dừng lại để đo bề rộng khe nứt và vẽ sở đồ nứt tại từng cấp tải trọng 1 và tiếp tục tăng tải đến khi dầm bị phá hoại.
31
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Trong chương này, dựa trên các số liệu thí nghiệm thu được sẽ đi vào phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm dầm gia cường bê tông UHPC vùng kéo và dầm đối chứng
3.1 Kết quả thí nghiệm sự làm việc chịu uốn của dầm gia cường UHPC vùng kéo và dầm đối chứng kéo và dầm đối chứng
3.1.1. Quan hệ tải trọng độ võng
Từ các kết quả thí nghiệm với các giá trị đo lực từ thiết bị đo Loadcell, giá trị đo chuyển vị từ LVDT 1, tiến hành xử lý kết quả và vẽ biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng các dầm thí nghiệm. Hình 3.1 trình bày quan hệ tải trọng độ võng các dầm D0 và D1.1 và D1.2. Trong đó dầm D1.1 và dầm D1.2 là dầm gia cường vùng kéo bằng UHPC dầm D0 là dầm đối chứng.
Hình 3.1. Quan hệ tải trọng độ võng của dầm D0, D1.1 và D1.2
Từ kết quả quan hệ tải trọng độ võng (P – f) từ Hình 3.1 ta thấy các giai đoạn làm việc chính của dầm BTCT chịu uốn đối chứng D0 như sau: Giai đoạn làm việc ban đầu, tương ứng với đoạn OA. Điểm A có sự thay đổi độ dốc của biểu đồ P – f cho thấy đây là thời điểm xuất hiện thêm các vết nứt mới do mô men uốn gây ra trên dầm. Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn AB, trong đó B là điểm thay đổi độ dốc lần thứ 2 của
32
biểu đồ P - f, tương ứng với thời điểm cốt thép chịu kéo bị chảy dẻo. Tại điểm này, xác định được giá trị tải trọng gây chảy dẻo cốt thép, ký hiệuPy. Giai đoạn BC là giai đoạn sau khi cốt thép vùng chịu kéo bị chảy dẻo. Với dầm BTCT cốt thép, đây là giai đoạn thể hiện sự làm việc của bê tông vùng nén. Điểm C ứng với thời điểm bê tông vùng nén bị ép vỡ, cho phép xác định tải trọng cực hạn gây phá hoại dầm, Pul.
Đối với dầm 2 lớp được gia cường vùng kéo bằng UHPC có các giai đoạn làm việc chính khá tương đương so với dầm BTCT thơng thường. Tuy nhiên dầm BTCT 2 lớp được gia cường bởi UHPC vùng kéo hình thành thêm 1 đoạn có độ dốc thay đổi A-A’, độ dốc thay đổi này nguyên nhân do phát huy sự làm việc của cốt sợi của bê tông UHPC trong vùng kéo (điểm A) và thời điểm bắt đầu hình thành vết nứt tại điểm A’. Do đó dầm bê tơng 2 lớp được gia cường bằng bê tơng UHPC làm tăng mơ men hình thành vết nứt so với dầm BTCT thông thường.
Ngoài ra dầm BTCT vùng kéo được gia cường bởi UHPC có độ cứng lớn hơn rõ rệt so với dầm bê tơng thơng thường. Điều này được giải thích do mơ đun đàn hồi của bê tông UHPC lớn làm tăng độ cứng tổng thể của dầm. Ngoài ra việc cốt sợi trong UHPC có vai trị quan trọng trong việc “khâu” lại các vết nứt của bê tông vùng kéo, làm tăng thêm độ cứng của dầm BTCT.
Các giá trị tải trọng độ võng đặc trưng được trình bày trong Bảng 3.1
Bảng 3.1. Các giá trị tải trọng và độ võng đặc trưng
Mẫu dầm thí nghiệm Tải trọng hình thành khe nứt (kN) Độ võng tại thời điểm hình thành khe nứt (mm) Tải trọng gây chảy cốt thépPy (kN) Độ võng khi cốt thép chảy (mm) Tải trọng gây phá hoại ul P (kN) Độ võng khi dầm bị phá hoại (mm) D-0 11.33 0,83 42,6 5,6 46,2 25,5 D-1.1 19.22 1,25 52,7 9,4 56,8 26,1 D-1.2 20.01 1,3 51,9 9,6 57,1 26,1
33
3.1.2. Quan hệ tải trọng biến dạng
Quan hệ tải trọng – biến dạng cốt thép vùng kéo và bê tơng vùng kéo
Hình 3.2. Quan hệ tải trọng biến dạng cốt thép vùng kéo và biến dạng bê tông vùng nén
Từ kết quả quan hệ tải trọng biến dạng cốt thép vùng kéo ta nhận thấy với cùng một cấp tải trọng, biến dạng tại cốt thép trong bê tông dầm hai lớp nhỏ hơn rõ ràng so với biến dạng của dầm đối chứng. Cụ thể tại cấp tải 20kN biến dạng cốt thép của dầm thông thường là (-993) tương ứng với ứng suất trong cốt thép là 198 MPa trong khi giá trị này đối với dầm bê tông gia cường bởi UHPC là (-750) tương ứng với ứng suất trong cốt thép là 150 Mpa, sự chênh lệch này là 25%. Do đó phần ứng suất kéo của vùng chịu kéo của dầm BTCT khơng phải chỉ hồn toàn do cốt thép vùng kéo chịu. Đây là một trong những điểm khác biệt so với dầm BTCT thơng thường. Do đó khi tính tốn khả năng chịu lực của dầm cần kể đến sự làm việc của bê tông vùng kéo.
Hơn nữa, đặc biệt trong giai đoạn đầu, (dầm chưa xuất hiện vết nứt) biến dạng cốt thép của dầm 2 lớp biến dạng rất ít so với dầm thơng thường. Đây cũng là một trong những lý do làm tăng tải trọng hình thành gây nứt đối với dầm 2 lớp được gia cường vùng kéo bằng bê tông UHPC.
Biến dạng bê tông vùng nén của dầm bê tông hai lớp được gia cường vùng kéo bằng bê tông UHPC không quá khác biệt so với dầm thông thường. Tuy nhiên giá
34
trị cực hạn của dầm gia cường khi dầm bị phá hoại đo được bởi tenzomet điện trở của dầm 2 lớp nhỏ hơn đáng kể so với dầm thơng thường. Điều này được giải thích bởi sự phát triển vết nứt nhanh của dầm bê tông 2 lớp.
3.1.3. Sự hình thành và mở rộng vết nứt
Trong q trình thí nghiệm tiến hành vẽ sự hình thành vết nứt tại các cấp tải trọng đối với các dầm thí nghiệm. Bảng trình bày hình ảnh sự phân bố vết nứt dầm thí nghiệm D1.1 và dầm D1.2 tại các cấp tải trọng khác nhau
Bảng 3.2. Sự hình thành và phân bố vết nứt các dầm D1.1 và dầm D1.2 Dầm Hình ảnh sự phân bố vết nứt Dầm Hình ảnh sự phân bố vết nứt D1.1 Pn=1 9 kN d1.1 p=26kN d1.1 p=36kN d1.1 p=46kN d1.1 p=56kN D1.1 Pn=1 9 kN d1.2 p=24kN
35 d1.2 p=34kN d1.2 p=44kN d1.2 p=54kN
Từ kết quả của sự hình thành khe nứt của các dầm D1.1 và D1.2 được gia cường vùng kéo bằng bê tông UHPC nhận thấy:
- Vết nứt đầu tiên của dầm là vết nứt thẳng góc trong vùng mơ men uốn thuần túy xuất hiện từ phần bê tông UHPC và lan thẳng góc lên vùng bê tơng thơng thường và khơng xảy ra hiện tược tách lớp giữa 2 lớp bê tông (vết nứt lan ngang) tại thời điểm này
- Khi tiếp tục tăng tải trọng, vết nứt được mở rộng từ phần UHPC và làm tăng chiều cao vết nứt lên dầm có bê tơng thơng thường
- Xuất hiện vết nứt tách đầu tiên tại giữa khoảng cách gối tựa và điểm đặt lực của dầm. Tại vị trí này có mơ men lớn và lực cắt lớn. Ngun nhân bởi vì lực cắt có xu hướng kéo tách hai phần dầm vng góc với trục dầm, mơ men có xu hướng làm quay hai 2 phần dầm xung quanh. Kết hợp cả 2 cặp nội lực này là nguyên nhân gây nứt tách giữa 2 lớp bê tông. Tuy nhiên giá trị bề rộng khe nứt phần nứt tách này đo được bằng máy soi nứt là 0.18mm và sau đó tăng khơng đáng kể, do lúc này cốt đai trong dầm ngồi chịu lực cắt cịn có vai trị neo 2 lớp bê tông này lại để làm việc đồng thời. Do đó việc đục bỏ bê tông vùng kéo và đổ lớp UHPC gia cường lồng cốt đai và cốt chủ là vấn đề xử lý quan trọng để 2 lớp bê tông này không bị tách lớp
36
- Khi tăng tiếp tải trọng, các vết nứt được tiếp tục mở rộng và tăng chiều cao. Tại thời điểm chuẩn bị phá hoại mới quan sát thấy sự tách lớp giữa 2 phần bê tơng UHPC và bê tơng thường tại vùng có mơ men khơng đổi
3.1.4. Cơ chế phá hoại
Cơ chế phá hoại của các mẫu dầm BTCT D0, D1.1 và D1.2 là phá hoại dẻo, do cốt thép vùng kéo bị chảy dẻo và bê tơng vùng nén bị ép vỡ. Hình 3.2 thể hiện phần bê tơng vùng nén bị ép vỡ của dầm D1.1
Hình 3.3. Bê tơng vùng nén bị ép vỡ
3.2 Mơ hình đơn giản tính tốn khả năng chịu lực của dầm gia cường có kể đến sự làm việc của bê tông UHPC trong vùng kéo
3.2.1. Giả thiết tính tốn
Khả năng kháng uốn của tiết diện được gia cường phụ thuộc vào cơ chế phá hoại. Từ các nghiên cứu thực nghiệm trên, dầm gia cường bị phá hoại dẻo, bê tông vùng nén bị ép vỡ và cốt thép bị chảy dẻo. Từ đó nhóm nghiên cứu đề xuất giả thiết và sơ đồ tính tốn như sau:
Dùng giả thiết tiết diện phẳng, nghĩa là sau khi biến dạng, tiết diện vẫn coi là phẳng
Biểu đồ ứng suất trong vùng chịu nén của bê tông lấy dạng chữ nhật, bê tông chịu nén đạt tới cường độ chịu nén tính tốn
37
Biểu đồ ứng suất trong vùng chịu kéo của bê tơng UHPC lấy dạng hình tam giác với ứng suất khơng vượt q cường độ chịu kéo tính tốn của bê tơng UHPC Rbt
Ứng suất trong cốt thép chịu kéo As đạt tới cường độ chịu kéo tính tốn Rs
Từ các giả thiết trên. Sơ đồ biến dạng và ứng suất của tiết diện bê tông tại tiết diện chuẩn bị hình thành khe nứt được trình bày trên hình 3
Hình 3.4. Sơ đồ ứng suất biến dạng có kể đến sự làm việc của bê tơng UHPC
Chiều cao vùng bê tông chịu nén được xác định dựa trên điều kiện cân bằng lực theo phương của trục dầm:
b s s bt
R bxR A 0.5R bd (3-1)
Mô men giới hạn được xác định dựa trên phương trình tổng mơ men đi qua trọng tâm vùng bê tông chịu nén:
gh s s 0 bt
M R A (h 0,5x) 0.5R bd(h 0,5d) (3-2) Trong đó
- Rblà cường độ chịu nén tính tốn của bê tơng - Rs là cường độ chịu kéo tính tốn của cốt thép - Rbt là cường độ chịu kéo của bê tông UHPC - b là chiều rộng của tiết diện
- h là chiều cao của tiết diện
- h0 là chiều cao làm việc của tiết diện
- As là diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo
38
3.2.2. So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và kết quả thực nghiệm
Nhịp tính tốn l=2000 As=307 mm2 Rb=13.5 Mpa Rbt – UHPC = 10 Mpa b = 150 mm h = 200 mm d = 50 mm
Chiều cao vùng bê tông chịu nén được xác định dựa trên điều kiện cân bằng lực theo phương của trục dầm:
s s bt b R A 0.5R bd x 66, 2mm R b
Mô men giới hạn được xác định dựa trên phương trình tổng mơ men đi qua tổng hợp lực với vùng nén gh s s 0 bt M R A (h 0,5x) 0.5R bd(h 0,5d)28,3kN Tải trọng lớn nhất tác dụng lên dầm gh 1 Mgh P 56, 7 kN 2L
Hình 3.3 trình bày kết quả tính tốn Pgh và kết quả nghiên cứu thực nghiệm
Hình 3.3. Tải trọng giới hạn các dầm thí nghiệm và kết quả tính tốn
Từ kết quả thí nghiệm Hình 3.3 nhận thấy giá trị tải trọng giới hạn của dầm D1.1 và D1.2 theo tính tốn phù hợp so với kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Điều này cho
39
thấy mơ hình đơn giản đề xuất tính tốn dầm được gia cường bằng lớp UHPC là phù hợp. Đồng thời, kết quả này cũng cho thấy việc kể đến sự làm việc của vùng bê tông chịu kéo của UHPC là cần thiết khi tính tốn dự báo khả năng chịu lực của dầm 2 lớp.
3.3 NHẬN XÉT CHƯƠNG 3
Ba nội dung chính được thực hiện trong Chương 3 gồm:
- Chế tạo 03 mẫu dầm BT gồm: 02 mẫu dầm BTCT 2 lớp được gia cường vùng kéo bằng bê tông UHPC và 01 mẫu dầm BTCT đối chứng
- Ứng xử của kết cấu BTCT 2 lớp được làm rõ thơng qua thí nghiệm uốn 4 điểm . Cơ chế phá hoại của dầm BTCT 2 lớp là do cốt thép bị chảy dẻo và bê tông vùng chịu nén bị ép vỡ.
- Mơ hình đơn giản để tính tốn khả năng chịu lực của dầm được gia cường dựa trên cơ sở của tiêu chuẩn TCVN 5574: 2018 là phù hợp. Khi tính tốn khả năng chịu lực cần kể đến sự làm việc của bê tơng UHPC vùng kéo, các giá trị tính tốn khi giả thiết mơ hình ứng suất dạng tam giác đối với bê tông UHPC cho kết quả khá gần so với kết quả nghiên cứu thực nghiệm
40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Nội dung đề tài đi vào nghiên cứu giải pháp sử dụng bê tông UHPC để gia cường cho kết cấu dầm BTCT chịu uốn. Thơng qua kết quả thí nghiệm 03 dầm BTCT trong đó có 2 dầm là dầm 2 lớp với lớp UHPC tại vùng kéo, chiều dày gia cường là 5cm và dầm đối chứng, có thể rút ra các kết luận chính sau đây:
1- Dầm BTCT sử dụng bê tông UHPC gia cường vùng kéo làm tăng khả năng chịu lực so với dầm thông thường. Trong nghiên cứu này, tải trọng phá hoại của dầm được gia cường tăng 22% so với dầm thông thường.
2- Ứng xử uốn của dầm bê tông 2 lớp tương tự như dầm bê tông thơng thường. Các giai đoạn làm việc chính như trước khi hình thành khe nứt, sau khi hình thành khe nứt, cốt thép bị chảy dẻo và dầm bị phá hoại. Tuy nhiên đối với dầm BTCT được gia cường vùng kéo bằng UHPC có tải trọng hình thành khe nứt lớn hơn đáng kể so với dầm thơng thường. Sự chênh lệch tải trọng hình thành khe nứt trong nghiên cứu này là 78%, và xuất hiện sự thay đổi độ dốc tại thời điểm trước khi hình thành khe nứt do sự làm việc của cốt sợi trong bê tông vùng kéo UHPC.
3- Vết nứt của dầm được gia cường bằng UHPC phần lớn là các vết nứt thẳng góc, trong vùng mơ men không đổi vết nứt là vết nứt liên tục giữa 2 lớp bê tông UHPC và bê tông thường. Vết nứt tách xuất hiện giữa 2 lớp bê tơng tại vùng có mơ men và lực cắt lớn, bề rộng vết nứt tách đo được là 0.18mm và không mở rộng nhanh khi tăng tải trọng.
4- Đã đề xuất mơ hình đơn giản để tính tốn khả năng chịu lực của dầm được gia