3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
4.1. Mục đích, địa điểm, thời gian thí nghiệm:
4.1.1. Mục đích thí nghiệm
Số l−ợng mẫu: 02 dầm
+ 01 dầm LHT-BT ƯST: Dầm D1 + 01 dầm LHT-BT: Dầm D2 Mục đích thí nghiệm:
+ Thực hành ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm các kết cấu dầm thép, dầm thép ƯST, dầm LHT-BT và dầm LHT-BT ƯST
+ Kiểm chứng kết quả lý thuyết tính toán dầm thép, dầm thép ƯST, dầm LHT-BT và dầm LHT-BT ƯST.
+ So sánh hiệu quả của dầm LHT-BT ƯST với dầm LHT-BT
+ Để gia tải đến chảy dẻo toàn bộ tiết diện giữa dầm ở mô hình thí nghiệm lớn là rất khó khăn, ở trạng thái giới hạn thực tế cho thấy biến dạng dầm lớn và không đảm bảo các điều kiện an toàn thí nghiệm, do đó NCS chỉ
có điều kiện đo đ−ợc chảy dẻo một phần tiết diện, qua đó kiểm tra khả năng chịu lực lý thuyết của dầm bằng cách so sánh [M]gh tính toán với mô men nội lực do tải trọng thí nghiệm phá hoại tại mặt cắt giữa dầm LHT-BT ƯST.
+ Theo dõi các hiện t−ợng phá hoại, phân tích nguyên nhân.
4.1.2. Đơn vị thí nghiệm, địa điểm, thời gian
Đơn vị thực hiện thí nghiệm: Phòng Thí nghiệm và Kiểm định công trình - Bộ môn thí nghiệm công trình - Tr−ờng Đại học Xây dựng, đây là phòng thí nghiệm hợp chuẩn đ−ợc Bộ Xây dựng cấp giấy phép hoạt động (LASXD-125)
Địa điểm: Phòng Thí nghiệm và Kiểm định công trình - Tr−ờng Đại học Xây dựng Hà Nội - C3 Bách Khoa - Hà Nội.
Thời gian thí nghiệm: 95 ngày, từ 20/02- 25/5/2010 nh− sau:
Thời gian
TT Nội dung công việc
Từ Đến
1 Thiết kế thí nghiệm 20/02/2010 07/3/2010
2 Gia công giai đoạn chịu tải thi công, thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý vật liệu thép hình, thép thanh, thanh căng, chốt hàn
07/3/2010 04/4/2010
3 Thí nghiệm giai đoạn chịu tải thi công 05/4/2010
4 Gia công giai đoạn chịu tải sử dụng 06/4/2010 08/4/2010
5 Đổ bê tông 09/4/2010
6 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của bê tông
06/5/2010
7 Thí nghiệm giai đoạn chịu tải sử dụng 07/5/2010
8 Xử lý số liệu, lập báo cáo thí nghiệm 08/5/2010 25/5/2010
4.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
thí nghiệm đ−ợc chọn là kết cấu dầm đơn giản với mô hình lớn nh− sau:
4.2.1. Thiết kế thí nghiệm
4.2.1.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm dầm LHT-BT ƯST (mẫu D1) và dầm LHT-BT (mẫu D2), đ−ợc thiết kế với kích th−ớc mô hình lớn nh− sau:
Chiều dài dầm: L= 7500mm
Sơ đồ tính toán: Dầm đơn giản, chịu tải trọng phân bố đều (Hình 4.1)
2 2 l=7500 q 1600 4300 1600 1 1 l=7500 q a) dầm LHT-BT ƯST - (D1) b) dầm LHT-BT - (D2) đối chứng
Hình 4.1. Sơ đồ lý thuyết tính toán hai dầm thí nghiệm Kích th−ớc bản bê tông: hc x beff = 80x1000mm
Kích th−ớc tiết diện thép hình
Chiều cao tiết diện: ha = 300mm
Bề rộng cánh trên, d−ới: btf = b bf = 150mm Chiều dày bản cánh trên, d−ới: ttf = t bf = 9 mm Chiều dày bản bụng: tw = 6,5 mm
Thanh căng đ−ờng kính φ 28mm, số l−ợng 02 thanh Chiều dài thanh căng Ld = 4300mm,
Vị trí bố trí neo cách gối dầm: a = 1600mm
I300x150 I300x150
a) Mặt cắt 1-1 b) Mặt cắt 2-2 Hình 4.2. Mặt cắt tiết diện hai dầm thí nghiệm
4.2.1.2. Bố trí tải trọng cho thí nghiệm
Tải trọng thí nghiệm đ−ợc bố trí là 04 tải tập trung, dựa theo TCXDVN 274:2002 tại các vị trí trên hình 4.3.
L/8 L/4
L=7500
L/4 L/4 L/8
P P P P
Hình 4.3. Sơ đồ bố trí tải trọng thí nghiệm
4.2.1.3. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1)
Các loại thiết bị đo, lấy số liệu thực nghiệm
+ Đo chuyển vị của dầm: 7 chuyển vị kế (I1ữI7) + Đo biến dạng của dầm: 12 tensor điện trở (T1 ữ T12) + Đo biến dạng của thanh căng: 4 tensor điện trở (T13 ữ T16) + Đo biến dạng của bản bê tông: 12 điểm đo
7 tensor điện trở (T17 ữ T23); 5 tenzomet đòn (C1ữ C5)
Các thiết bị đo, theo dõi trong quá trình thí nghiệm
+ Theo dõi độ tr−ợt của bê tông với dầm thép: IT1 và IT2. + Theo dõi độ xoay của dầm: IX1 và IX2.
Sơ đồ bố trí thiết bị đo thể hiện trên hình 4.4 và 4.5
I1 I7 I3 I4 I5 I2 I6 L/8 L/8 L/8 L/8 L/4 L=7500 1 IT1 IX2, IX2 IT2 1 2 2 L/8 L/8 3 3
C4 T19 C5 T20 C6 T21 IX2 IX1 T15 T6 T7 T2 T3 T16 T14T13 T4 T8 C1 T17 C3 T5 T1 T18 C2 20 230 250 125 125 125 105 20 1000 230 250 125 125 125 105 1000 60 60 16 2 60 60 16 2 a) Mặt cắt 1-1 b) Mặt cắt 2-2 T12 T10 T11 T9 T22 T23 250 250 500 1000 60 60 162 c) Mặt cắt 3-3
Hình 4.5. Chi tiết bố trí các thiết bị đo của dầm LHT-BT ƯST
4.2.1.4. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông (D2)
Nguyên tắc bố trí t−ơng đ−ơng về vị trí và chủng loại so với dầm LHT- BT ƯST (trừ vị trí thanh căng)
Sơ đồ bố trí thiết bị đo thể hiện trên hình 4.6 và 4.7
I1 I7 I3 I4 I5 I2 I6 L/8 L/8 L/8 L/8 L/4 L/4 L=7500 IT1 IX2, IX2 IT2 1 1 2 2 3 3
C4 T15 C5 T16 C6T17 IX2 IX1 T6 T7 T2 T3 T4 T8 T5 T1 C1 T13 C2 T14 C3 230 250 125 125 125 105 1000 20 230 250 125 125 125 105 20 1000 60 60 162 60 60 162 a) Mặt cắt 1-1 b) Mặt cắt 2-2 T12 T10 T11 T9 T18 T19 250 250 500 1000 60 60 16 2 c) Mặt cắt 3-3
Hình 4.7. Chi tiết bố trí các thiết bị đo dầm LHT-BT
4.2.2. Thiết kế bệ thí nghiệm, hệ gia tải, các liên kết
Bệ thí nghiệm, hệ khung gia tải, dầm phân lực, các chi tiết liên kết, các mối hàn chịu lực đã đ−ợc thiết kế và tính toán chi tiết nhằm đảm bảo không xảy ra sự cố phá hoại hay mất ổn định trong quá trình thí nghiệm.
KHUNG gia tải
dầm phân lực dầm thí nghiệm Gối 1 Gối 4 Gối 3 bệ đỡ Kích thủy lực gối 2 Thanh căng
KHUNG gia tải
dầm phân lực Kích thủy lực
bulông neo
Hình 4.9. Toàn cảnh thí nghiệm dầm LHT-BT ƯST
4.2.3. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm 4.2.3.1. Dầm thép 4.2.3.1. Dầm thép
Dầm thép hình sử dụng thép I300 hàn, các chỉ tiêu cơ lý đ−ợc xác định thông qua các thí nghiệm thể hiện trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các chỉ tiêu cơ lý của thép hình
TT Mẫu thí nghiệm Giới hạn chảy [σc] (kG/cm2) Giới hạn bền [σb] (kG/cm2) Mô đun đàn hồi Ea (kG/cm2) 1 Mẫu số 1 3.317 4.338 2,1169.106 2 Mẫu số 2 2.960 4.236 2,1108.106 3 Mẫu số 3 2.960 4.210 2,1105.106 Giá trị trung bình 3.079 4.261 2,11.106
(Chi tiết xem phụ lục 1 - Xác định chỉ tiêu cơ lý)
a) Xác định chỉ tiêu cơ lý b) Xác định mô đun đàn hồi Hình 4.10. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý vật liệu dầm
4.2.3.2. Bê tông
Bê tông đ−ợc thiết kế với cấp độ bền B25 (t−ơng đ−ơng mác 350), cấp phối bê tông đ−ợc thiết kế tại bảng 4.2.
Bảng 4.2. Thiết kế cấp phối bê tông mác 350
TT Tên vật liệu đơn vị Cho 1 m3 BT Cho 1 mẻ trộn
1 Xi măng Phúc Sơn PCB 40 kg 475 50 2 Cát vàng kg 686 72 3 Đá 1x2 Phủ Lý kg 1.088 115 4 N−ớc lít 198 21 Số l−ợng tổ mẫu thí nghiệm: 03 mẫu 150x150x150mm; 03 mẫu 100x100x400mm;
Kết quả thí nghiệm mẫu sau 28 ngày, thể hiện tại bảng 4.3 và bảng 4.4 Bảng 4.3. C−ờng độ chịu nén của bê tông
TT Tên mẫu Tải trọng nén
(T) C−ờng độ chịu nén R28 (kG/cm2) 1 Mẫu số 1 (150x150x150) 93,2 414 2 Mẫu số 2 (150x150x150) 100,7 447 3 Mẫu số 3 (150x150x150) 90,3 401 Giá trị trung bình 420,6
Bảng 4.4. Mô đun đàn hồi của bê tông
TT Tên mẫu Tải trọng nén
(T)
Mô đun đàn hồi E (kG/cm2)
1 Mẫu số 1 (100x100x400) 3-13 3,24.105
2 Mẫu số 2 (100x100x400) 3-13 3,24.105
3 Mẫu số 3 (100x100x400) 3-13 3,27.105
a) Xác định c−ờng độ chịu nén BT b) Xác định mô đun đàn hồi BT Hình 4.11. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý bê tông
4.2.3.3. Thanh căng
Thanh căng φ28, dùng thép CIII, các thí nghiệm vật liệu nh− xác định giới hạn chảy, giới hạn bền, mô đun đàn hồi đ−ợc tiến hành chi tiết.
Bảng 4.5. Các chỉ tiêu cơ lý của thanh căng
TT Mẫu thí nghiệm Giới hạn chảy [σc] (kG/cm2) Giới hạn bền [σb] (kG/cm2) Mô đun đàn hồi Ea (kG/cm2) 1 Mẫu số 1 4.283 5.930 2,21.106 2 Mẫu số 2 4.608 6.174 2,22.106 3 Mẫu số 3 4.476 6.093 2,21.106 Giá trị trung bình 4.456 6.066 2,21.106
(Chi tiết xem phụ lục 3 - Xác định chỉ tiêu cơ lý)
Tạo lực ứng suất tr−ớc bằng cách siết bu lông, sử dụng bu lông tiêu chuẩn, c−ờng độ cao M 10.9, kết quả thí nghiệm kéo đứt mẫu thấy ren không bị cháy, đứt tại thép cơ bản.
a) Xác định mô đun đàn hồi b) Kiểm tra chất l−ợng ren Hình 4.12. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý thanh căng
4.2.3.4. Liên kết neo
Liên kết neo sử dụng chốt φ18, dùng từ bu lông 4.6, sau khi đã cắt phần ren, c−ờng độ kéo đứt của bu lông (chốt) [fy] = 4.000 kG/cm2.
4.3. Quy trình thí nghiệm, thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo 4.3.1. Hệ kích thủy lực gia tải 4.3.1. Hệ kích thủy lực gia tải
Hệ gia tải sử dụng kích thủy lực Power Team của hãng SPX Corporation - Mỹ với các thông số nh− sau:
Kích 20T, số đồng hồ lớn nhất 10.000 psi (1psi ≈ 2kG) Kích 50T, số đồng hồ lớn nhất 50.000 psi (1 psi ≈ 5kG)
4.3.2. Dụng cụ thí nghiệm 4.3.2.1. Biến dạng kế điện trở 4.3.2.1. Biến dạng kế điện trở
Biến dạng kế dùng cho thép sử dụng Tensor điện trở của hãng Kyowa (Nhật) với các thông số nh− sau:
Type: KFG-3-120-C1-11; Gage length: 3mm;
Gage resistance: 119,8 ± 0,2 Ω; Gage factor: 2,10 ± 1,0 %;
Biến dạng kế dùng cho bê tông sử dụng Tensor điện trở của hãng Tokyo Sokki Kenkyujo (Nhật) với các thông số nh− sau:
Gage resistance: 120,0 ± 0,3 Ω; Gage factor: 2,09 ± 1,0 %; Máy đo sử dụng loại Instrument Division P-3500 của Mỹ
4.3.2.2. Biến dạng kế cơ học
Sử dụng phối hợp cùng các tensor điện trở là các tenzomet đòn của Nhật, với độ chính xác Kx10-2, chiều dài cơ sở Lo = 400mm.
4.3.2.3. Chuyển vị kế
Chuyển vị kế sử dụng đồng hồ đo của Nhật.
4.3.3. Quy trình gia tải
4.3.3.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1)
Bảng 4.6. Quy trình thí nghiệm dầm LHT-BT ƯST
TT Cấp tải Nội dung
I. Giai đoạn chịu tải trọng thi công
1 Gia tải với 4P = 1,0 T Kiểm tra hoạt động của hệ gia tải, các đồng hồ đo. Khử các biến dạng nh− lún gối, sơn bề mặt.
2 Dỡ tải 4P = 0 Đ−a về trạng thái ban đầu
3 Căng tr−ớc với ΣX = 20,0 T Tạo lực căng tr−ớc
+ Cấp tải ΣX = 10 T; 20T
4 Gia tải với 4P = 7,9 T
Với các cấp tải với 4P = 2,2 T; 4,4T; 6,0T; 7,9T
5 Giảm tải với 4P = 4,53 T
Với các cấp tải với 4P = 6,0 T; 4,53T
Lấy số liệu, kiểm tra với lý thuyết tính toán dầm thép ƯST;
6 Dỡ tải về 4P = 0 T
Dỡ tải với 4P = 2,2 T; 0T
II. Giai đoạn chịu tải trọng sử dụng
7 Gia tải
Với các cấp tải: 4P = 10T; 20T; 25T; 30T; 33T; 35T; 40T; 42T
Thu thập số liệu, so sánh với lý thuyết tính toán dầm LHT-BT ƯST
8 Hạ tải 4P = 0 Theo dõi biến dạng d−, chuẩn bị cho
gia tải đến phá hoại 9 Gia tải đến phá hoại
Với các cấp tải: 4P = 42T; 45T; 47T
Theo dõi, ghi chép, chụp ảnh các hiện t−ợng phá hoại làm cơ sở phân tích nguyên nhân
4.3.3.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2)
Bảng 4.7. Quy trình thí nghiệm dầm LHT-BT
TT Cấp tải Nội dung
I. Giai đoạn chịu tải trọng thi công
1 Gia tải với 4P = 1,0 T Kiểm tra hoạt động của hệ gia tải, các đồng hồ đo. Khử các biến dạng nh− lún gối, sơn bề mặt..
2 Dỡ tải 4P = 0 Đ−a về trạng thái ban đầu
3 Gia tải với 4P = 4,4 T
Với các ấp tải với 4P = 2,2T; 4,4T
Lấy số liệu, kiểm tra với lý thuyết tính toán dầm thép
4 Dỡ tải về 4P = 0 T
Dỡ tải với 4P = 2,2 T; 0T
Đổ bê tông, khi bê tông đạt 28 ngày, tháo ván khuôn, bắt đầu gia tải sử dụng
II. Giai đoạn chịu tải trọng sử dụng
Với các cấp tải: 4P = 10T; 12T; 14T; 16T; 18T; 20T; 22T; 25T; 27T
Thu thập số liệu, so sánh với lý thuyết tính toán dầm LHT-BT
6 Hạ tải 4P = 0 Theo dõi biến dạng d−, chuẩn bị cho
gia tải đến phá hoại 7 Gia tải đến phá hoại
+ Cấp tải với 4P = 27,0 T; 30T; 31T
Theo dõi, ghi chép, chụp ảnh các hiện t−ợng phá hoại
4.4. Các thông số đ−ợc nghiên cứu
Bảng 4.8. Các thông số nghiên cứu, quan sát
TT Thông số Dầm LHT- BT
ƯST
Dầm LHT- BT
I Giai đoạn chịu tải thi công
1 Đo chuyển vị của dầm X X
2 Đo biến dạng, từ đó tính ra ứng suất trong dầm thép
X X
3 Đo biến dạng, từ đó tính ra ứng suất trong thanh căng
X
II Giai đoạn chịu tải sử dụng
1 Đo chuyển vị của dầm X X
2 Đo biến dạng, từ đó tính ra ứng suất trong dầm thép
X X
3 Đo biến dạng, từ đó tính ra ứng suất trong dầm bê tông
X X
4 Đo biến dạng, từ đó tính ra ứng suất trong thanh căng
X
(tại hai đầu tiết diện dầm)
6 Theo dõi độ xoay của dầm trong quá trình thí nghiệm
X X
7 Theo dõi sự xuất hiện vết nứt, ghi lại tải trọng t−ơng ứng
X X
8 Theo dõi khi kết cấu đạt tới độ võng giới hạn, ghi lại tải trọng t−ơng ứng
X X
9 Theo dõi khi kết cấu phá hoại, ghi lại tải trọng t−ơng ứng
X X
10 Ghi chép, chụp ảnh, phân tích các hiện t−ợng phá hoại
X X
4.5. Kết quả tổng quát thí nghiệm 4.5.1. Kết quả tổng quát 4.5.1. Kết quả tổng quát
Bảng 4.9. Kết quả tổng quát thí nghiệm
TT Nội dung Dầm LH T-BT
ƯST (D1)
Dầm LHT-BT (D2) 1. Tải trọng khi đạt giới hạn độ võng
cho phép [L/250] = 30mm
P = 30,0 T P = 20,0 T
2. Tải trọng khi bắt đầu xuất hiện vết nứt P = 42,0 T P = 30,0 T
3. Tải trọng phá hoại P = 47,0 T P = 31,0 T
4.5.2. Ghi chép hiện t−ợng
4.5.2.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1)
Bảng 4.10. Hiện t−ợng phá hoại dầm LHT-BT ƯST
Cấp tải Hiện t−ợng
ΣP = 30,0T Độ võng đo đ−ợc tại giữa dầm đạt khoảng 30 mm (t−ơng đ−ơng L/250)
Tách lớp giữa bê tông và thép tại đầu dầm ΣP = 42,0T
Nứt dọc theo chiều dài dầm, tại vị trí giữa bản bê tông dầm, xuất hiện từ hai gối. (Hình 4.14a)
ΣP = 45,0T Nứt ngang bản bê tông ngoài phạm vi thanh căng, các vết nứt xuất hiện mặt d−ới bản bê tông.
Bong sơn ở nhiều khu vực của dầm thép (Hình 4.14c) ΣP = 46,0T
Nứt tách toàn bộ mặt d−ới bản bê tông với cánh trên dầm thép hình; Các vết nứt ngang bê tông xuất hiện trên toàn bộ bản bê tông, từ mặt d−ới bê tông phát triển lên phía trên.(Hình 4.14b) ΣP = 47,0T Nứt cục bộ bê tông tại các điểm đặt tải; Phá vỡ bê tông tại mặt
trên, ngoài phạm vi thanh căng, sát gối neo.
a) Nứt giữa bản bê tông dọc theo dầm b) Nứt tách giữa bê tông và thép
c) Bong sơn tại nhiều khu vực của dầm thép Hình 4.13. Các hình ảnh phá hoại dầm LHT-BT ƯST
4.5.2.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2)
Bảng 4.11. Hiện t−ợng phá hoại dầm LHT-BT
Cấp tải Hiện t−ợng
ΣP = 20,0T Độ võng đo đ−ợc tại giữa dầm đạt khoảng 30 mm (t−ơng đ−ơng L/250)
ΣP = 30,0T Nứt dọc theo chiều dài dầm, tại vị trí giữa bản bê tông dầm,