3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
4.2.3. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm
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, xuất hiện từ hai gối. Hình 4.15a
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.
Bong sơn ở nhiều khu vực của dầm thép. Hình 4.15b ΣP = 31,0T
Nứt cục bộ bê tông tại các điểm đặt tải; Phá vỡ mặt bê tông tại vị trí móc cẩu (cách gối khoảng 1,8m). Hình 4.15c
Khi phá vỡ bê tông, toàn bộ chốt hàn bị hỏng mối nối, trong khoảng 2,0m kể từ gối (phần mối hàn giữa chốt và thép hình) Hình 4.15d
c) Phá hoại trên mặt bê tông d) Phá hoại chốt đoạn đầu dầm Hình 4.14. Các hình ảnh phá hoại dầm LHT-BT
4.5.3. Nhận xét chung về quá trình thí nghiệm
Đề c−ơng thí nghiệm đ−ợc tác giả lập đầy đủ, các mẫu dầm thí nghiệm (D1&D2) đ−ợc tính toán chi tiết trong đề c−ơng. Các chi tiết khung gia tải, dầm phân lực, các gối, s−ờn, đ−ờng hàn, thanh căng đ−ợc thiết kế chi tiết, đ−ợc tính toán kiểm tra đầy đủ.
Quá trình gia công đ−ợc thực hiện theo đúng bản vẽ thiết kế;
Quá trình thí nghiệm đ−ợc thực hiện nghiêm túc, theo đúng quy trình và đề c−ơng, theo dõi và ghi chép đầy đủ, chụp ảnh chi tiết;
Nghiên cứu thực hiện trên mô hình lớn gần với kết cấu thực do đó giảm bớt nhiều sai số;
Các vật liệu thép hình; thép thanh, thanh căng, chốt hàn đều đ−ợc thí nghiệm mẫu để xác định giới hạn chảy, giới hạn bền, mô đun đàn hồi vật liệu.
Vật liệu bê tông đ−ợc thiết kế cấp phối, quá trình trộn bê tông đ−ợc cân, đo theo từng mẻ trộn. Các tổ mẫu bê tông đ−ợc thí nghiệm để xác định mác bê tông; mô đun đàn hồi vật liệu. Bảo d−ỡng bê tông hàng ngày bằng cách t−ới n−ớc.
Các thiết bị đo nh− máy đo P-3500; Tensor điện trở thép và bê tông; Tenzomet đòn; Chuyển vị kế; Hệ kích gia tải 20T và 50T đều đ−ợc kiểm tra,
chạy thử; Các tensor điện trở, tenzomet đòn, indicator trong quá trình thí nghiệm đều hoạt động bình th−ờng.
Trong quá trình thí nghiệm dầm D1&D2, có gắn 2 indicator đo chuyển vị xoay ở 2 mép bê tông tại tiết diện giữa dầm để theo dõi hiện t−ợng vênh của dầm. Kết quả theo dõi cho thấy dầm D1&D2 gần nh− không có hiện t−ợng vênh.
4.6. Kiểm chứng lý thuyết với thực nghiệm - giai đoạn chịu tải thi công 4.6.1. Dầm thép ƯST (D1) 4.6.1. Dầm thép ƯST (D1)
4.6.1.1. ứng suất trong dầm thép
Kết quả tính toán ứng suất trong thép hình cho thấy các trạng thái ứng suất (kéo, nén) giữa lý thuyết và thực nghiệm là phù hợp.
Biểu đồ phân bố ứng suất tại mặt cắt 2-2 (T5, T6, T7, T8) theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết dầm D1 thể hiện trên hình 4.15.
CẤP TẢI 4P = 2,2T -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 σ(Kg/cm2) h (cm) Số liệu đo Số liệu tớnh toỏn CẤP TẢI 4P = 7,9T -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 σ (Kg/cm2) h (cm)
Hình 4.15. Biều đồ phân bố ứng suất trong dầm thép ƯST tại mặt cắt 2-2
4.6.1.2. ứng suất trong thanh căng
Kết quả tính toán ứng suất trong thanh căng cho thấy các trạng thái ứng suất (kéo) giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết là phù hợp.
Đồ thị quan hệ giữa ứng suất- tải trọng trong thanh căng (T13, T14, T15, T16) theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết thể hiện trên hình 4.17.
ĐỒ THỊỨNG SUẤT TRONG THANH CĂNG 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 σ (kG/cm2) P (T) Số liệu thớ nghiệm Số liệu lý thuyết
Hình 4.16. Đồ thị ứng suất trong thanh căng theo các cấp tải
4.6.1.3. Độ võng tại vị trí giữa dầm D1
Bảng 4.12. Độ võng tại giữa dầm D1 trong giai đoạn chịu tải thi công Cấp tải Thông số 0T 2,2T 4,4T 6,0T 7,9 T 0T Độ võng tính toán (LT) (mm) -14,32 -8,62 -2,92 1,22 6,15 -14,32 Độ võng thực nghiệm - TN (mm) -13,86 -8,24 -2,55 1,13 6,10 -13,11
Sai lệch giữa LT với
TN (%) 3,39% 4,72% 14,87% 8,65% 0,83% 9,26% -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 0 0,9375 1,875 2,8125 3,75 4,6875 5,625 6,5625 7,5 (m) (mm) Căng X = 10T Căng X = 20T P = 0,55 T P = 1,10 T P = 1,50 T P = 1,975 T Dỡ tải P=0
4.6.2. Dầm thép (D2)
4.6.2.1. ứng suất trong dầm thép
Kết quả tính toán ứng suất trong thép hình cho thấy các trạng thái ứng suất (kéo, nén) giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết là phù hợp.
Biểu đồ phân bố ứng suất tại mặt cắt giữa dầm thể hiện trên hình 4.18.
CẤP TẢI P = 2.2T -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -600 -400 -200 0 200 400 600 (Kg/cm2) cm Số liệu đo Số liệu tớnh theo lý thuyết CẤP TẢI P = 4.4T -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 (Kg/cm2) cm
Hình 4.18. Phân bố ứng suất tại mặt cắt giữa dầm
4.6.2.2. Độ võng tại vị trí giữa dầm thép (D2)
Bảng 4.13. So sánh giữa độ võng tính toán và thực nghiệm Cấp tải
Độ võng 2,2T 4,4T
Độ võng tính toán (LT) (mm) 9,4 17,7
Độ võng thực nghiệm - TN (mm) 8,3 16,8
Sai lệch giữa TT với TN (%) 14 % 6,0 %
4.7. Kiểm chứng lý thuyết với thực nghiệm - giai đoạn chịu tải sử dụng 4.7.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 4.7.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1)
4.7.1.1. ứng suất trong bản bê tông
Kết quả tính toán ứng suất trong bản bê tông cho thấy các trạng thái ứng suất (nén) giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết là phù hợp.
Biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất trong bản bê tông (T19) theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết dầm D1 thể hiện trên hình 4.19. Đây là vị trí tại
mặt cắt 2-2, nằm trong phạm vi thanh căng, sử dụng lý thuyết tính toán dầm LHT-BT ƯST. (Chi tiết xem Phụ lục 4 – phần 1 Tính toán thí nghiệm dầm D1) Tensor - T19 - trong bản bờ tụng 0 5 10 15 20 25 30 35 -250 -200 -150 -100 -50 0 σ (Kg/cm2) 4P (T) Số liệu thớ nghiệm Số liệu tớnh toỏn
Hình 4.19. Đồ thị tải trọng - ứng suất trong bản BT (mặt cắt 2-2 - dầm D1) Biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất trong bản bê tông (T22) theo thực nghiệm và tính toán lý thuyết dầm D1 thể hiện trên hình 4.20. Đây là vị trí tại mặt cắt 3-3, nằm ngoài phạm vi thanh căng, sử dụng lý thuyết tính toán dầm LHT-BT.