CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THẢO LUẬN
4.4 Kết quả thí nghiệm chịu uốn cấu kiện bê tông
4.4.21 Chuẩn bị cấu kiện dầm thí nghiệm
Bảng 4.6 Thông số của các cấu kiện dầm thí nghiệm
No.
Số lượng
(cấu kiện)
Cường độ Kích thước Cốt thép
Nén (Mpa)
Uốn (Mpa)
Dài (mm)
Rộng (mm)
Cao (mm)
Cốt đai Cốt dọc
NAC10 1
28,19 2,83 2200 150 200 D6a100 4D10
NAC12 1 2200 150 200 D6a100 4D12
LWAC10 1
26,15 1,91 2200 150 200 D6a100 4D10
LWAC12 1 2200 150 200 D6a100 4D12
FLWAC10 1
25,85 2,6 2200 150 200 D6a100 4D10
Từ kết quả các thí nghiệm kiểm tra tính chất của bê tông, trong các mẫu FLWAC chỉ có cấp phối FLWAC0.5 có cuờng độ nén đạt 25,85 MPa, đáp ứng cường độ nén yêu cầu cho các cấu kiện công trình thủy từ 25 MPa trở lên theo TCVN 9139:2012.
Chọn cấp phối FLWAC0.5 để đúc mẫu cấu kiện dầm thí nghiệm. Bên cạnh đó sẽ đúc thêm các mẫu NAC và LWAC thí nghiệm để đối chứng. Mỗi cấp phối sẽ được đúc 02 cấu kiện dầm: 01 cấu kiện với cốt thép dọc có đường kính d10 và 01 cấu kiện với cốt thép dọc d12.
Ngoài ra, đối với các cấu kiện dầm FLWAC10 và FLWAC12 sẽ được bố trí thêm 03 StainGauges để theo dừi ứng xử của cốt thộp trong quỏ trỡnh thớ nghiệm.
Quá trình chuẩn bị cấu kiện dầm thí nghiệm được thể hiện từ hình 4.17 187 đến hình 4.23 254 bên dưới.
Hình 4.18 Gia công cốt thép cho mẫu dầm thí nghiệm.
Hình 4.19 Mài và xử lý bề mặt trước khi lắp đặt StrainGauges ở các dầm FLWAC
Hình 4.20 Lắp đặt StrainGauges ở các dầm FLWAC
Hình 4.21 Lắp đặt băng chống thấm SB và quấn băng bảo vệ StrainGauges
Hình 4.22 Kiểm tra điện trở của StrainGauges trước và sau khi đổ bê tông
Hình 4.23 Chuẩn bị ván khuôn và lắp đặt thép vào ván khuôn
Hình 4.24 Đổ bê tông dầm và tháo ván khuôn sau 24h
Hình 4.25 Bảo dưỡng dầm và sơn kẻ ô trước khi làm thí nghiệm 4.4.32 Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm được bố trí như Hình 4.25, các cấu kiện dầm được bố trí gác lên hai gối, hai đầu tự do sao cho khoảng cách nhịp dầm là 2000mm. Phía trên là dầm phụ và hai con lăn đường kính 40-60mm có khoảng cách 667mm có tác dụng truyền lực từ kích 30T bên trên xuống cấu kiện dầm. Bên dưới các cấu kiện dầm được bố trớ cỏc đồng hồ đo chuyển vị như Hỡnh 3.19 để theo dừi và ghi nhận chuyển vị của cấu kiện dầm ở từng cấp tải. Ngoài ra, đối với các dầm FLWAC10 và FLWAC12 có bố trí đầu đọc dữ liệu DATALOGGER để đọc và ghi nhận số liệu từ các Straingauge đã lắp đặt bên trong dầm.
(a) (b)
Hình 4.26 Bố trí thí nghiệm cấu kiện dầm (a) NAC10; (b) NAC12; (c) LWAC10; (d) LWAC12; (e) FLWAC10; (f) FLWAC12
Sau khi hoàn tất công tác lắp đặt thiết bị, bố trí thí nghiệm, tiến hành gia tải với tải trọng từ 0,82kN đến 1,23kN để kiểm tra sự ổn định và loại bỏ các sai số trong quá trình lắp đặt và ghi nhận giá trị. Trong quá trình thí nghiệm, tiến hành gia tải theo từng cấp tải đó tớnh toỏn và theo dừi ghi nhận số liệu chuyển vị ở từng cấp tải. Đồng thời, quỏ trỡnh hỡnh thành vết nứt cũng được theo dừi chặt chẽ nhằm xỏc định thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên như Hình 4.2627.
(a)
(c) (d)
(b)
(c) (d)
(e) (f)
Hình 4.27 Thí nghiệm uốn cấu kiện dầm giai đoạn xuất hiện vết nứt (a) NAC10; (b) NAC12; (c) LWAC10; (d) LWAC12; (e) FLWAC10; (f) FLWAC12
Giai đoạn thí nghiệm đến tải trọng lớn nhất của các cấu kiện dầm được thể hiện ở Hình 4.2728. Kết quả ghi nhận được tải trọng lớn nhất từ 32,56kN đến 34,62kN đối với các cấu kiện dầm sử dụng thép dọc 10 và từ 64,47kN đến 66,07kN đối với các cấu kiện dầm sử dụng thép dọc 12.
Hình 4.28 Thí nghiệm uốn cấu kiện dầm giai đoạn tải lớn nhất(a) NAC10; (b) NAC12; (c) LWAC10; (d) LWAC12; (e) FLWAC10; (f) FLWAC12
(b)
(d) (a)
(c)
(e) (f)
(e) (f)
Sau khi đạt đến tải trọng lớn nhất, các cấu kiện dầm chuyển từ giai đoạn đàn hồi sang giai đoạn biến dạng dẻo. Ở giai đoạn này tải trọng bắt đầu giảm và chuyển vị của cấu kiện bắt đầu tăng nhanh do bê tông đã không còn làm việc và thép chịu hầu hết ứng suất. Thí nghiệm được tiến hành đến khi chuyển vị của cấu kiện đạt tối thiểu từ 3% đến 4% chiều dài nhịp dầm tương đương 60mm đến 80mm. Hình 4.28 29 thể hiện hình ảnh các cấu kiện dầm sau khi thí nghiệm, giai đoạn này các.
Hình 4.29 Thí nghiệm uốn cấu kiện dầm giai đoạn kết thúc (a) NAC10; (b) NAC12;
(c) LWAC10; (d) LWAC12; (e) FLWAC10; (f) FLWAC12 4.4.4 3 Kết quả thí nghiệm và phân tích
Kết quả của các thử nghiệm uốn được trình bày chi tiết tại Bảng 4.29 đến Bảng 4.34Phụ lục E. Dưới tác dụng của tải trọng ngang ban đầu, các vết nứt uốn xuất hiện trong vùng chịu kéo của phần giữa, tại đó mômen bên trong đạt giá trị lớn nhất trong vùng có phân bố mômen cao nhất (về mặt lý thuyết).
Đối với tất cả các mẫu dầm thí nghiệm, xu hướng phá hoại gần như tương tự. Trong giai đoạn bắt đầu gia tải đến 0,5% độ vừng, một số ớt vết nứt thẳng gúc ở vùng chịu kéo giữa dầm hình thành đầu tiên. Tiếp tục gia tải nhằm đạt đến độ
(d) (c)
(b) (a)
(e) (f)
đầu từ vùng chịu kéo thẳng lên vùng chịu nén. Bên cạnh đó một số vế nứt nghiêng cũng được hình thành tại 02 vùng đầu dầm, điều này hoàn toàn phù hợp với sự phân bố ứng suất gây cắt lớn nhất tại 02 vùng này. Riêng đối với các mẫu cốt liệu nhẹ, khi đạt đến giá trị tải trọng tới hạn, có sự phá hoại bong tróc (crush) của bê tông vùng chịu nén (phía trên - giữa dầm). Từ kết quả thí nghiệm của các cấu kiện dầm sử dụng thép D10, tải trọng cao nhất mà cấu kiện dầm có thể chịu dao động từ 32,56kN đến 34,62kN và dao động từ 64,47kN đến 66,07kN.
Bảng 4.29 đến Bảng 4.31 thể hiện kKết quả thí nghiệm của cấu kiện dầm NAC10, LWAC10 và FLWAC10. Có thể nhận ra ở cả ba cấu kiện dầm, các vết nứt nhỏ hơn 0,01mm bắt đầu xuất hiện ở tải trọng 7,989kN. Tuy nhiên có sự khác biệt đối với các vết nứt lớn hơn 0,1mm. Đối với các cấu kiện NAC10 và LWAC10 các vết nứt từ 0,12mm đến 0,14mm xuất hiện tại cấp tải 14,13kN còn dầm FLWAC10 các vết nứt 0,1mm xuất hiện tại cấp tải 26,39kN. Bên cạnh đó, ở cấp tải thí nghiệm cao nhất, kích thước các vết nứt của cấu kiện FLWAC10 luôn nhỏ hơn các cấu kiện còn lại. Điều này nói lên các sợi nhưanhựa PA đã góp cải thiện khả năng kháng nứt của cấu kiện. Tuy nhiên, qua giai đoạn này, các vết nứt bắt đầu phát triển nhanh và vượt quá 2,5mm khi chuyển vị đạt 4% chiều dài nhịp dầm.
Bảng 4.32 đến Bảng 4.34 thể hiện kết quả thí nghiệm của cấu kiện dầm NAC12, LWAC12 và FLWAC12. Đối với các cấu kiện dầm NAC12, LWAC12 và FLWAC12 sử dụng thép 12 này, các vết nứt nhỏ hơn 0,01mm bắt đầu xuất hiện ở cấp tải trọng 11,32kN và các vết nứt 0,10mm đến 0,19mm đối với NAC12 và FLWAC12.
Tương tự như các cấu kiện sử dụng thép 10, các vết nứt lớn hơn 0,1mm của dầm FLWAC12 xuất hiện tại cấp tải 43,03kN. Tuy nhiên, ở cấp tải thí nghiệm cao nhất, kích thước các vết nứt của cấu kiện FLWAC12 không có quá nhiều khác biệt với các cấu kiện còn lại. Điều này nói lên các sợi nhưanhựa PA đã góp cải thiện khả năng kháng nứt của cấu kiện đến cấp tải cao nhất và không có khác biệt quá lớn sau giai đoạn này. Tuy nhiên, qua giai đoạn này, các vết nứt bắt đầu phát triển nhanh và vượt quá 2,5mm khi chuyển vị đạt 4% chiều dài nhịp dầm.
Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm của các cấu kiện dầm thí nghiệm
No.
Cường độ nén Rn (MPa)
Điểm nứt Điểm đỉnh
Tải nứt fcr(kN)
Chuyển vị (mm)
Tải đỉnh fcr(kN)
Chuyển vị (mm)
NAC10 28,19 16,18 5,65 34,61 43,85
LWAC10 26,15 15,90 5,70 32,68 39,75
FLWAC10 25,85 16,13 5,30 34,62 35,56
No.
Cường độ nén Rn (MPa)
Điểm nứt Điểm đỉnh
Tải nứt fcr(kN)
Chuyển vị (mm)
Tải đỉnh fcr(kN)
Chuyển vị (mm)
NAC12 28,19 25,75 6,86 66,07 39,92
LWAC12 26,15 22,84 6,51 64,47 38,45
FLWAC12 25,85 24,71 6,42 65,20 31,21
Mô men giới hạn của các cấu kiện dầm thực tế và TCVN 5574 được thể hiện tại Hình 4.293029. Mô men giới hạn theo TCVN 5574:2018 dựa trên cơ sở phương pháp phân tích mặt cắt (sự cân bằng giữa vùng chịu kéo và chịu nén), trong đó có sự giới hạn về độ biến dạng cho phép của bê tông và thép (tuy trường hợp). Chính vì thế sự dự tính về mô men giới hạn theo tiêu chuẩn thể hiện giá trị an toàn cho phép khi thiết kế.
Các cấu kiện FLWAC có khả năng cải thiện khả năng chịu uốn của cấu kiện nhưng lại không đáng kể, chỉ từ 1,14% đến 5,94%. Xu hướng về chênh lệch giá trị mô men này tương ứng với xu hướng chờnh lệch về cường độ bờ tụng, điều này cũng chỉ rừ ảnh hưởng của cường độ bê tông (trong vùng chịu kéo và vùng chịu nén) trong quá trình chịu lực. So sánh giữa giá trị trong trong hình 4.29-a và 4.29-b, đồng thời các vết nứt thẳng góc xuất hiện và mở rộng thể hiện xu hướng phá hoại uốn (hình 4.28 và 4.38) khẳng định khả năng chịu uốn của các cấu kiện dầm cũng phụ thuộc vào đường kính cốt thép trong cấu kiện.
Hình 4.30 Mô men giới hạn của cấu kiện (a) 10; (b) 12
(a) (b)
Hình 4.31 Biểu độ tải trọng tác dụng và chuyển vị của dầm thí nghiệm (a) 5574:2018;
NAC10; LWAC10; FLWAC10; (b) 5574:2018; NAC12; LWAC12; FLWAC12
Hình 4.32 Biểu độ chuyển vịbiến dạng của StrainGauge của trong dầm FLWAC10
(a) (b)
Hình 4.33 Biểu độ chuyển vịbiến dạng của StrainGauge của trong dầm FLWAC12 Hỡnh 4.30 310 thể hiện mối quan hệ giữa tải trọng tỏc động và độ vừng của dầm.
Kết quả cho thấy sự dự báo theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 nghiên về hệ số an toàn cao. Kết quả này là do khi tính toán sử dụng cường độ bê tông 11,.5Mpa và cường độ thép 350Mpa thấp hơn so với giá trị thực tế của các mẫu dầm thí nghiệm. Tuy nhiên qua đó khẳng định về tính an toàn cao của TCVN 5574:2018 trong việc dự báo khả năng làm việc của cấu kiện dầm BTCT. Mặt khác, kết quả thí nghiệm trong nghiên cứu này cho thấy độ vừng tớnh toỏn phự hợp trong giai đoạn đàn hồi. Sự biến dạng ở giai đoạn dẻo cùng sự xuất hiện của các vết nứt làm suy giảm khả năng làm việc của bê tông. Đồng thời, sự mở rộng vết nứt (theo kết quả ghi nhận mở rộng vết nứt ở phụ lục E) cho thấy thép cũng bắt đầu biến dạng. Sự làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi của các vật liệu thép và bê tông là nguyên nhân chủ yếu làm phức tạp sự dự báo về độ vừng của dầm. Tiờu chuẩn ACI38-19 cũng đó khuyến cỏo, trong giai đoạn dầm bị nứt giá trị mô men quán tính cũng cần được giảm khi tính toán độ cứng chịu uốn và chịu cắt.
Kết quả cho thấy khả năng chống nứt của các mẫu dầm thí nghiệm dao động từ 15,90 kN đến 25,75 kN. Kết quả thực nghiệm cho thấy cường độ chịu kéo của bê tông tương đối thấp so với cường độ nứt của mẫu dầm. Điều này khẳng định các thanh thép dọc D10 và D12 trong vùng chịu kéo chủ yếu chịu phần lớn ứng suất kéo dưới tác dụng của ngoại lực, dẫn đến khả năng chống nứt do kéo trong vùng chịu kéo được cải thiện. Ngược lại, ảnh hưởng của cỏc thanh dọc trở nờn rừ rệt hơn khi so sỏnh kết quả từ các mẫu dầm sử dụng các thanh thép có đường kính khác nhau, D10 (16,18 MPa,
chịu kộo uốn thấp hơn so với NAC, kết quả cho thấy rừ của dầm LWAC10 và LWAC12 thấp hơn so với mẫu dầm bê tông thường từ 1,2% đến 11%. Tuy nhiên, các cấu kiện dầm FLWAC10 và FLWAC12 lại có khả năng chống nứt tường tương đương với các cấu kiện dầm NAC khả năng chống nứt được cải thiện từ 1,26% đến 8,33% so với các dầm LWAC. Bên cạnh đó, độ chuyển vị tối đa được ghi lại tại điểm nứt nằm trong khoảng từ 5,30 mm đến 6,86 mm và 31,21 mm đến 43,85 mm tại điểm đỉnh. Đối với các cấp tải trọng tương đương, các cấu kiện dầm FLWAC luôn có chuyển vị nhỏ hơn so với các cấu kiện còn lại. Điều này nói lên sợi nhựa PA có tham gia góp phần cải thiện khả năng chịu uốn của cấu kiện.
Khi tải trọng tiếp tục tăng và chuyển vị được khống chế tại vị trí LVDT3 (giữa dầm), các vết nứt uốn tiếp tục hình thành và mở rộng ở những vùng có ứng suất kéo cao nhất, kéo dài từ LVDT1 đến LVDT3. Khi đạt giá trị tải trọng cực đại, dao động từ 32,68 kN đến 66,07 kN, các vết nứt uốn này ngày càng mở rộng.
Đối với các mẫu dầm sử dụng thanh dọc D10, các vết nứt ở vùng kéo mở rộng và mở rộng về phía vùng nén, với cường độ cực đại của các mẫu dầm này lần lượt là 34,61 kN, 32,68 kN và 34,62 kN đối với dầm NAC10, LWAC10 và FLWAC10.
Hơn nữa, dầm NAC10 thể hiện độ dẻo cao hơn so với dầm LWAC10 và FLWAC10, bằng chứng là độ dịch chuyển 43,85 mm của nó so với độ dịch chuyển 39,75 mm và 35,56 mm của hai dầm còn lại. Sự khác biệt này có thể là do cường độ kéo và nén của NAC cao hơn so với LWAC và FLWAC. Hành vi phá hủy do uốn cong thể hiện rừ ở vựng giữa của dầm (từ LVDT1 đến LVDT3). Cỏc vết nứt uốn tiếp tục lan rộng và mở rộng về phía vùng chịu nén, trong khi các vết nứt do hư hỏng do cắt vẫn còn tương đối hạn chế. Ngay cả khi trục trung hòa dịch chuyển (thay đổi vùng kéo và vùng nén) do hoạt động của cấu trúc dần dần chuyển sang giai đoạn “dẻo”. Hình 4.32 31 và hình 4.33 32 thể hiện giá trị chuyển vịbiến dạng của các StrainGauge được bố trí trong các dầm FLWAC10 và FLWAC12. Qua đó có thể thấy được, StrainGauge chuyển vị lớn nhất khi tải trọng thí nghiệm đạt mức cao nhất và StrainGauge tại vị trí giữa dầm luôn có giá trị lớn nhất.
Đối với các mẫu bê tông thông thường NAC10 và NAC12, kết quả hình 4.30 đã cho thấy xu hướng phá hoại hoàn toàn được khống chế theo thiết kế ban đầu là phá hoại do uốn (Flexural failure). Tuy nhiên đối với các mẫu LWAC10, FLWAC10, LWAC12, FLWAC12, bê tông ở vùng nén (phía trên) tại các mặt cắt giữa nhịp dầm bị phá hoại và bong tróc, điều này làm giảm đi khả năng làm việc của bê tông trong quá trình chịu lực (Hình 4.3130). Mặt khác, các vết nứt do ứng suất cắt gõy ra chưa thể hiện rừ rệt vỡ sự tỏc động phỏ hoại. Từ đú cho thấy sự phá hoại (crush) của bê tông vùng nén là nguyên nhân dẫn đến sự giảm đột ngột về khả năng chịu lực của kết cấu dầm. Các giá trị cường độ và chuyển vị cuối cùng khi đạt đến trạng thái cực đại của các mẫu này gần như tương đương nhau,
Việc hạn chế các vết nứt của cấu kiện trong giai đoạn đàn hồi của các cấu kiện FLWAC giúp các cấu kiện có khả năng bảo vệ cốt thép tốt hơn. Đặc biệt đối với các công trình thủy, nơi có nhiều yếu tố xâm thực dễ dẫn đến xuống cấp của các cấu kiện giảm cường độ chịu lực của các cấu kiện bê tông cốt thép.
Hình 4.34 Một số hình ảnh vùng phá hủy ở giữa cấu kiện dầm thí nghiệm