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
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 cải thiện rừ nột hơn so với cường độ chịu nộn.
(2) Cỏc dầm cao BTCT được gia cường sợi thộp khi chịu uốn cú chuyển vị thấp hơn so với dầm cao BTCT thụng thường.
(3) Khi chịu tỏc động của tải trọng, ảnh hưởng của lực cắt trong dầm cao BTCT là đỏng kể, khụng thể bỏ qua. Lực cắt này gõy ra cỏc vết nứt xiờn, nối từ điểm đặt lực hướng về phớa cỏc gối tựa.
(4) Cỏc dầm cao sử dụng bờ tụng cốt thộp được gia cường sợi thộp chịu uốn tốt hơn so với dầm BTCT thụng thường. Ở cựng cấp tải trọng, cỏc vết nứt trờn dầm cao được gia cường sợi thộp xuất hiện và phỏt triển chậm hơn, chiều rộng vết nứt cũng nhỏ hơn so với vết nứt trờn dầm BTCT thụng thường.
62
CHƯƠNG 4
NGHIấN CỨU Mễ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA
DẦM CHUYỂN BTCT GIA CƯỜNG BẰNG SỢI THẫP
4.1. Tớnh toỏn thụng số đầu vào cho mụ phỏng
4.1.1. Đặc trưng cơ học của bờ tụng
Từ kết quả thớ nghiệm mẫu, cú được bảng thụng số đặc trưng của vật liệu như sau:
Bảng 4.1. Thụng số đặc trưng của bờ tụng cú và khụng cú gia cường sợi thộp
Loại bờ tụng Ec (GPa) ʋc ƒcm (MPa) ƒct (MPa) BT 0% sợi thộp 23,74 0,2 25,161 3,348 BT 1% sợi thộp 26,292 0,2 26,656 4,821 BT 2% sợi thộp 28,257 0,2 28,899 5,986 BT 3% sợi thộp 30,295 0,2 27,318 7,269 4.1.2. Thụng số mụ hỡnh vật liệu thộp.
Cỏc thụng số đặc trưng của cốt thộp được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 4.2. Thụng số đặc trưng của cốt thộp
Es (GPa) ʋs ƒy (MPa)
205 0,3 400
4.2. Phõn tớch mụ phỏng ABAQUS
4.2.1. Xõy dựng cấu kiện dầm chuyển
Trờn vựng cụng cụ chọn biểu tượng (Create Part). Trong của số này khai bỏo cỏc mục Name (đặt tờn cấu kiện), Modeling Space (chọn đối tượng mụ phỏng 3D), Type (chọn loại phần tử biến dạng là phần tử Deformable), Base Feature (sử dụng dạng cấu kiện Solid, loại Extrusion, xấp xỉ phần tử 200). Nhấn Continue.
63
Hỡnh 4.1: Cửa sổ Create Part của dầm
Khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng (Create lines:
Rectangle (4 lines). Vựng thụng bỏo hiển thị Pick a starting corner for the rectangle or enter X Y (chọn điểm đầu tiờn của hỡnh chữ nhật hoặc nhập tọa độ X, Y), nhấn Enter.
Màn hỡnh xuất hiện điểm đầu của hỡnh chữ nhật, hiển thị Pick the opposite corner for
the rectangle or enter X Y (chọn điểm thứ hai của hỡnh chữ nhật hoặc nhập tọa độ),
nhấn Enter để kết thỳc thao tỏc vẽ mặt cắt dọc dầm. Trong bước này, ưu tiờn khai bỏo bằng cỏch nhập tọa độ X,Y để dễ quản lý và thuận tiện thao tỏc cỏc bước tiếp theo.
Hỡnh 4.2: Mụ hỡnh hỡnh học hai chiều cấu kiện dầm
Chọn (Select the entity to dimension), kớch chọn (Sketch the section
64
Cửa sổ Edit Base Extrusion trong mục Depth nhập chiều cao của dầm, chọn
OK để đúng cửa sổ.
Hỡnh 4.3.Cửa sổ Edit Base Extrusion
Hỡnh 4.4. Mụ hỡnh ba chiều của dầm.
4.2.2. Xõy dựng gối tựa và gối gia tải
Thực hiện tương tự với cấu kiện dầm chuyển đó được thực hiện ở trờn. 4.2.3. Xõy dựng cốt đai
Trờn vựng cụng cụ chọn biểu tượng (Create Part). Tại cửa sổ Create Part đặt tờn (Name), Modeling Space (sử dụng đối tượng mụ phỏng 3D), Type (loại phần tử Deformable), Base Feature (sử dụng dạng Wire, loại Planar).
65
Sau khi khởi động giao diện vẽ đồ họa hai chiều. Cỏc bước thực hiện tương tự đối với cấu kiện dầm.
Hỡnh 4.5. Mụ hỡnh hỡnh học hai chiều của cốt đai.
4.2.4. Xõy dựng cốt thộp dọc
Thực hiện tương tự như đối với cốt thộp đai. 4.2.5. Định nghĩa vật liệu
- Vật liệu bờ tụng
Trờn vựng cụng cụ sử dụng (Create Material). Trong cửa sổ Edit Material, đặt tờn cấu kiện (Name). Chọn Genera - Density, nhập giỏ trị Mass Density (khối lượng riờng bờ tụng). Chọn Mechanical - Elasticity - Elastic, trong cửa sổ Data nhập cỏc giỏ trị Young’s Modulus (hệ số Poisson của bờ tụng). Chọn Mechanical - Concrete Damaged Plasticity, trong mục Plasticity nhập thụng số mụ hỡnh phỏ hoại dẻo như Bảng 2.1. Trong mục Compressive Behavior nhập giỏ trị đường cong hệ ứng suất – biến dạng của miền bờ tụng chịu nộn như Hỡnh 2.14, tương tự trong mục Tensile Behavior nhập giỏ trị đường cong hệ ứng suất - biến dạng của miền bờ tụng chịu kộo như Hỡnh 2.16. Chọn OK, hoàn thành thiết lập thụng số cho bờ tụng.
66
Hỡnh 4.6. Xỏc định thụng số vật liệu bờ tụng.
- Vật liệu cốt thộp chịu lực
Trờn vựng cụng cụ sử dụng (Create Material). Trong cửa sổ Edit Material, đặt tờn cấu kiện (Name). Chọn General – Density, nhập giỏ trị Mass Density (khối lượng riờng thộp). Chọn Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data nhập giỏ trị Young’s Modulus (hệ số Poisson của thộp). Chọn Mechanical - Plasticity - Plastic, trong mục Plasticity nhập thụng số mụ hỡnh dẻo của thộp được trỡnh bày ở phần cơ sở lý thuyết, trong mục này nhập cỏc thụng số đường cong ứng suất - biến dạng của cốt thộp như Hỡnh 2.17. Nhấn OK, hoàn thành của sổ Edit Material của vật liệu thộp.
- Vật liệu của gối tựa và gối gia tải.
Thiết lập tương tự như cốt thộp chịu lực. 4.2.6. Định nghĩa thuộc tớnh mặt cắt ngang
- Bờ tụng
Sử dụng cụng cụ Create Section, xuất hiện cửa sổ Create Section. Đặt tờn tiết diện (Name), Category (đối tượng mụ phỏng, sử dụng đối tượng Solid), Type (tớnh chất mặt cắt, sử dụng Homogeneous), nhấn Continue. Xuất hiện cửa sổ Edit Section,
67
chọn thờm Material (vật liệu cho mặt cắt), cỏc lựa chọn khỏc sử dụng mặc định. Nhấn OK, hoàn thành định nghĩa cỏc thuộc tớnh mặt cắt. Định nghĩa tương tự cho gối tựa và gối gia tải.
Hỡnh 4.7. Cửa sổ định nghĩa thuộc tớnh mặt cắt cho bờ tụng
- Cốt thộp
Chọn biểu tượng (Create Section) trờn vựng thanh cụng cụ, đặt tờn mặt cắt