Chương 3 Khảo sát thực nghiệm
3.5 Chương trình thí nghiệm
3.5.1 Nhóm mẫu
Trong đề tài này việc khảo sát sẽ được tiến hành trên 4 nhóm mẫu, trong đó có 1 nhóm cột BTCT đối chứng và 3 nhóm còn lại là cột liên hợp NSC-HPC.
Ký hiệu 4nhóm mẫu lần lượt là M1, M2, M3, M4, các thông số thí nghiệm cho từng nhóm mẫu được trình bày chi tiết trong bảng 3.6
Bảng 3.6: Nhóm mẫu thí nghiệm
Ký hiệu NSC HPC Số lượng lõi Cốt dọc Cốt đai Ghi chú
M1 B25 .... .... 6φ12 φ4a100 ....
M2 B25 HP C−HV 1 6φ12 φ4a100 Tập trung-rót sau
M3 B25 HP C−HV 3 6φ12 φ4a100 Phân tán -rót sau
M4 B25 HP C−HV 1 6φ12 φ4a100 Tập trung-đúc trước
3.5.2 Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm
3.5.2.1 Gia công cốt thép
Mỗi mẫu thí nghiệm gồm 6 cốt thép chịu lựcφ12 có chiều dài là1.17m. Sau khi tiến hành gia công cốt thép chịu lực, chế tạo 2 đai tròn φ4 đường kính 150mm, hàn chúng vào hai đầu của các cốt chịu lực để định vị. Sau khi định vị xong các cốt thép chịu lực, tiến hành tạo đai xoắn cho cột với bước đai là 100mm. Việc bố trí khoảng cách thưa các cốt đai xoắn nhằm mục đích bỏ qua sự ảnh hưởng của hiện tượng confinement của cốt đai.
3.5.2.2 Gia công ván khuôn và đổ bê tông
Vì mẫu thí nghiệm là dạng cột tròn cho nên lựa chọn ống PVC làm ván khuôn đổ bê tông. Ống PVC-Bình Minh φ200, chiều dày 5mm có chiều cao là 1.2m . Chúng được cắt rãnh ở dọc thân, sau đó dùng các "cổ dê" xiết chặt thành ống lại. Các "cổ dê" này vừa có tác dụng là van khóa mở đóng ống PVC trước và
sau khi đổ bê tông, ngoài ra nó có tác dụng chống phình thành ván khuôn do áp lực đẩy ngang của bê tông trong quá trình đổ và đông kết.
Đối với các mẫu M2 có lõi tập trung trong thân cột,thì dùng ống PVC φ60 có chiều cao 1.2m đặt vào trong lồng thép mẫu M2.
Đối với mẫu M3, có các lõi phân tán thì dùng ống PVC φ42 có chiều cao 1.2m bố trí phân bố trên bề mặt tiết diện.
Đối với mẫu M4, ngoài ván khuôn để đổ bê tông NSC như đã nói ở phần đầu, thì bên trong mẫu thí nghiệm còn có các lõi HPC được đúc sẵn. Do đó sử dụng ống PVC φ60, chiều cao là 1.2m làm ván khuôn cho lõi HPC đúc trước.
Công tác bê tông cường độ thường-NSC:
Bê tông NSC được chuẩn bị theo cấp phối đã trình bày ở bảng 3.2. Dụng cụ trộn bê tông là máy trộn loại 40 lít, trước khi tiến hành trộn mẻ bê tông cần tiến hành lau ẩm bề mặt cối trộn. Cốt liệu sau khi được cân theo đúng cấp phối sẽ được cho vào cối theo trình tự: xi măng, cát, đá và nước. Cho cối trộn xoay đều đến khi hỗn hợp đạt đến độ dẻo cần thiết thì dừng quá trình trộn bê tông.
Sau khi cối bê tông đầu tiên được trộn xong, tiến hành công tác đổ bê tông. Đổ từng lớp bê tông có chiều dày khoảng 10÷15cm để tránh hiện tượng phân tầng.
Đầm bê tông bằng tay cho đến khi xuất hiện xuất hiện nước vữa xi măng trên bề mặt hoặc tại các vị trí khớp nối ở cao độ tương ứng với bê tông đã đổ thì mới tiếp tục đổ lớp tiếp theo. Sau khi đổ bê tông xong thì tiến hành làm phẳng bề mặt mẫu thí nghiệm.
Sau khi công tác đổ bê tông hoàn tất (Hình3.7),tiến hành dưỡng hộ mẫu bằng cách lấy khăn hoặc vải ướt phủ lên bề mặt mẫu từ 2÷3 ngày. Công tác dưỡng hộ mẫu thí nghiệm bằng cách tưới ấm hàng ngày vẫn được tiến hành ngay cả sau khi tháo ván khuôn. Chú ý sau khi tiến hành đúc xong mẫu thí nghiệm, tiến hành lấy tổ mẫu nhỏ dùng để nén kiểm tra cường độ bê tông và các tổ mẫu này cũng được dưỡng hộ trong điều kiện giữ ẩm hoàn toàn.
Hình 3.7: Công tác đổ bê tông NSC sau khi hoàn thành
Công tác bê tông cường độ cao- HPC:
Bê tông HPC cũng được chuẩn bị theo cấp phối đã trình bày ở bảng ??. Bởi vì bê tông HPC đông kết nhanh hơn bê tông thường cho nên khi trộn phải chia thành nhiều mẻ trộn nhỏ , mỗi mẻ 6l. Dụng cụ trộn được lựa chọn là cối trộn cưỡng bức 3pha 30lít như hình 3.8. Cốt liệu sau khi được cân đúng cấp phối sẽ được cho vào cối trộn theo thứ tự cấp phối hạt từ nhỏ đến lớn : xi măng quick cast, silica fume, bột thạch anh, cát thạch anh, cát thường, đá cấp phối hạt2÷5, đá cấp phối hạt 5÷9, nước và phụ gia dynamic.
Chú ý công tác đổ bê tông HPC phải được tiến hành nhanh chóng ngay khi được trộn xong, bởi vì HPC đông kết rất nhanh. Một điểm thuận lợi của bê tông HPC là độ linh động của nó rất cao nên nó nhanh chóng lèn vào các lỗ rỗng và khuyết tật trong cấu kiện cũng như vị trí lõi đã được chừa sẵn. Tuy nhiên cũng giống như NSC, để tránh hiện tượng phân tầng thì phải tiến hành đổ từng lớp bê tông
Hình 3.8: Cối trộn cưỡng bức 3 pha
10÷15cm. Sau khi công tác bê tông hoàn thành tiến hành làm mặt tại vị trí đổ bê tông.
Công việc dưỡng hộ cũng được tiến hành ngay sau khi công tác đổ bê tông hoàn tất, ta dùng những tấm vải ướt phủ trên bề mặt cũng từ 2÷3 ngày. Tiến hành lấy mẫu nhỏ để nén kiểm tra cường độ bê tông, và các mẫu này cũng được dưỡng hộ trong điều kiện giữ ẩm hoàn toàn.
Đối với các lõi HPC được đúc trước, sau khi đúc lõi xong cũng được tiến hành dưỡng hộ từ2÷3 ngày. Sau đó tháo lõi ra khỏi ván khuôn và đưa vào lồng thép và tiến hành đổ bê tông NSC xung quanh. Sau khi công tác đổ bê tông NSC hoàn thành, thực hiện công tác dưỡng hộ mẫu thí nghiệm như đã nói ở trên (Hình 3.9) .
3.5.2.3 Thiết bị đo biến dạng bê tông cường độ cao HPC
Giới thiệu
Ngoài thiết các thiết bị đo chuyển vị và biến dạng bê tông được lắp đặt trên bề mặt kết cấu như Strain gauges và LVDT. Thì vấn đề kỹ thuật đặt ra của thí nghiệm là tìm cách đo đạc được biến dạng của lõi HPC. Hiện nay để có thể đo được biến dạng trong lòng bê tông, người ta phải sử dụng các thiết bị chuyên
Vị trí bê tông HPC lÊp ®Çy khuyÕt tËt
Hình 3.9:Dưỡng hộ mẫu thí nghiệm sau khi được rót vữa HPC (trái) và trích đoạn
vị trí khuyết tật được xử lý bằng HPC (phải)
biệt. Tuy nhiên, trở ngại là chi phí cho các thiết bị này lại khá là cao và khó mua được tại Việt Nam. Do đó một vấn đề đặt ra là làm cách nào để tạo ra một thiết bị có thể đo đạc được chuyển vị và biến dạng trong lòng lõi HPC ?
Để giải quyết vấn đề được đặt ra ở trên , ý tưởng đưa ra là sử dụng 1 miếng nhôm có hình dạng và kích thước như hình 3.10. Miếng nhôm này có chiều dày 5mmvà được chia thành 3 đoạn. 2 đầu miếng nhôm có kích thước30mm×30mm, trên này có gắn thêm 1 tấm thép có kích thước tương ứng và có chiều dày là 1.5mm. Vùng giữa miếng nhôm là vùng sẽ gắn Strain gauges đo biến dạng, có kích thước 10mm×20mm .
Hình 3.10: Chi tiết thiết kế tấm nhôm đo biến dạng
Tại một đầu miếng nhôm, ta tạo ra 1 chuyển vị cưỡng bức ∆c (3.11), khi đó tại vùng giữa tấm nhôm sẽ có 1 chuyển vị tương ứng là ∆Al. Như vậy ứng với mỗi giá trị ∆c ta có thể tìm được 1 giá trị ∆Al tương ứng .
Mà ta có:
c = ∆c/lc Al = ∆Al/lo
lo lc
o
Hình 3.11: Mô hình tấm nhôm trong thực nghiệm
Như vậy ta có thể thiết lập được biểu đồ mối quan hệ giữa biến dạng nhôm và biến dạng của bê tông cường độ cao.
Mô hình
Để khảo sát đúng sự làm việc của tấm nhôm trong môi trường bê tông,thực hiện mô phỏng 3D miếng nhôm trong lõi HPC bằng phần mềm Ansys Workbend R14.5. Do hạn chế về bộ xử lý của máy tính, nên ở đây chỉ mô phỏng 1/2 miếng nhôm trong 1/2 lõi bê tông cường độ cao. Hình 3.12 thể hiện mô hình 3D của 1 miếng nhôm đo biến dạng với2 đầu được gắn2miếng thép. Sau đó miếng nhôm này được gắn vào trong lõi bê tông HPC như trong hình 3.13.
Chiều cao của lõi HPC bằng kích thước của miếng nhôm là 80mm. Lõi bê tông HPC bọc xung quanh miếng nhôm và tiếp xúc làm việc đồng thời với miếng nhôm .
Hình 3.12: Mô hình 3D miếng nhôm trong mô phỏng
Lâi HPC
Miếng nhôm
TÊm thÐp
Hình 3.13: Mô hình 3D một nửa lõi HPC có miếng nhôm trong mô phỏng
Thông số vật liệu đầu vào cho việc mô phỏng tấm nhôm đo biến dạng được mô tả chi tiết trong bảng 3.7:
Sau khi dạng hình học của mẫu được mô tả ở dạng 3D, tiến hành chia lưới phần tử với kích thước mỗi phần tử là 2.5mm như trong hình 3.14.
Bước tiếp theo, gán điều kiện biên ngàm chặt cho một đầu lõi HPC. Trong khi đó, đầu còn lại đặt một chuyển vị cưỡng bức gây ra nén là ∆c (0.01÷0.24mm).
Khi đó, tại vị trí vùng giữa miếng nhôm ta thu được chuyển vị tương ứng của
Bảng 3.7: Thông số vật liệu đầu vào cho mô phỏng 3D thiết bị đo biến dạng HPC
Vật liệu Môđun đàn hồiEs(MPa) Hệ số poison υ
Bê tông HPC 4.3×103 0.2
Nhôm 7.1×103 0.33
Thép 200×103 0.3
Hình 3.14: Chia lưới phần tử mẫu
miếng nhôm là ∆Al. Hình 3.15 cho ta thấy được chuyển vị ở từng vị trí miếng nhôm theo các dải màu sắc khác nhau khi ta thực hiện một chuyển vị cưỡng bức là ∆c= 0.1mm .
Hình 3.15: Kết quả chuyển vị của đo được của tấm nhôm
Từ kết quả thu được khi lần lượt thay đổi giá trị ∆c từ 1÷10mm, ta xác định được biểu đồ quan hệ giữa biến dạng bê tông và biến dạng nhôm (3.16).
0.0 1.0 2.0 3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
HPC’s9strain(‰)
Alumium’s9strain(‰)
Alum-Sim
y=0.4911x+0.0034
Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ giữa biến dạng bê tông và biến dạng nhôm
Mối quan hệ giữa biến dạng HPC và biến dạng của thanh nhôm cũng được xác định bởi công thức 3.1 như sau:
y= 0.4911x+ 0.0034 (3.1)
Với:
• y giá trị biến dạng của HPC cần xác định (%₀);
• x giá trị biến dạng của miếng nhôm thu được từ thí nghiệm (%₀).
3.5.2.4 Thiết bị nén dọc trục
Để phục vụ công tác thí nghiệm các mẫu cấu kiện cột, tiến hành chế tạo khung dàn ép theo mô hình thiết kế được thể hiện chi tiết theo hình 3.17. Khung giàn ép được thiết kế chịu tải 300T cấu tạo gồm:2 bên hông khung bố trí 2thép tấm có kích thước 120mm×25mm×2400mm và ở giữa hai thép tấm này còn có một thép hình chữ I (I200×100×5.5×8)nhằm tăng khả năng chịu uốn của khung giàn.
Tất cả chúng được hàn vào hai thép tấm hình vuông kích thước 500×500×100. Bên cạnh đó trên đầu khung giàn ép, tại vị trí thép tấm còn hàn thêm các khung ke tam giác ở các góc để tăng cường khả năng chịu lực của khung.
500 ThÐp I
200x100x5.5x8 A
ThÐp tÊm 120x25
100100100100
ThÐp tÊm 500x500x100
120120
A B
B
2400
150
Khung nén Mặt cắt A-A Mặt cắt B-B
ThÐp I 200x100x5x8
ThÐp tÊm 500x500x100 ThÐp tÊm 500x500x100
ThÐp tÊm 120x25 ThÐp tÊm
500x500x100
ThÐp tÊm 500x500x100
Hình 3.17: Mô hình thiết kế khung dàn ép
Trước khi tiến hành gia công khung giàn ép, ta tiến hành kiểm tra thông số vật liệu thép dùng để chế tạo thông quá thí nghiệm kéo thép ở 3 mẫu thử ký hiệu lần lượt M1,M2,M3. Kích thước 3 mẫu thử này là 31.5×25.6×500mm, bảng 3.8 trình bày chi tiết kết quả thí nghiệm của 3 mẫu thử:
Bảng 3.8: Đặc trưng vật liệu thép dàn ép
Nhóm mẫu Lực chảy(kN) Giới hạn chảy fy(MPa) Lực bền (kN) Giới hạn bền fu(MPa)
M1 358.81 444.9 442.67 548.9
M2 357.35 441.4 445.79 556.6
M3 354.22 437.4 428.64 529.3
3.5.2.5 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm
Để xác định các biến dạng dọc trục và chuyển vị dọc trục ta bố trí các Strain gauges và cảm biến chuyển vị (linear variable displacement transducer- LVDT ) theo phương dọc trục của mẫu thí nghiệm. Ngoài ra để xác định các biến dạng ngang do hiện tượng nở hông của mẫu thí nghiệm, ta bố trí thếm các Strain gauges theo phương ngang chu vi mẫu thí nghiệm. Hình 3.18 và 3.20 mô tả cách lắp đặt các thiết bị đo phục vụ cho thí nghiệm.
Strain2gauge2®o2biÕn 2dạng2lõi2HPC Vùng2bê2tông2thuờng NSC2area
Vùng2bê2tông2 cuờng2độ2cao-HPC2area
290640270
LVDT2
LVDT1
Hình 3.18: Thiết bị đo biến dạng dọc trục
Strain9gauge
đo9biến9dạng9nở9hông9 Vùng9bê9tông9thuờng NSC9area
Vùng9bê9tông9 cuờng9độ9cao-HPC9area
290640270
LVDT2
LVDT1
Hình 3.19: Thiết bị đo biến dạng ngang
Lực tác dụng lên mẫu thí nghiệm được ghi nhận từ cảm biến áp suất được gắn trên xi lanh. Sau khi gắn xong các thiết bị đo, mẫu thí nghiệm được đưa lên khung dàn ép và tất các các dây nối từ Strain gauge và LVDT được nối vào hệ thống thu nhập dữ liệu SCXI Nationtinal Instruments. Hệ thống này được khiển bởi phần mềm tự động và thu nhập toàn bộ các dữ liệu trong suốt quá trình gia tải.
Hình 3.20: Thiết bị đo biến dạng ngang
3.5.2.6 Sơ đồ gia tải và quy trình thí nghiệm
Quá trình gia tải được tiến hành theo hướng dẫn của DIN −1048 [24] và thực hiện theo sơ đồ được biểu thị trong hình 3.21. Theo đó quá trình gia tải được chia thành 2 giai đoạn chính: giai đoạn 1 tiến hành tăng tải lên tới khoảng 15%
Pmax, sau đó lặp lại 3. Thời gian nghỉ giữa các vòng lặp là 20s để cho áp lực dầu trong xi lanh ổn định trở lại. Tốc độ của bơm dầu thực hiện trong giai đoạn này là 0.002m/s, nghĩa là cứ mỗi giây hành trình của xi lanh cao thêm 2mm. Mục đích của giai đoạn này là nhằm triệt tiêu lực ma sát do các hạt bụi bẩn và cát bám dính trong xi lanh cũng như là biến dạng dư của thí nghiệm.
Giai đoạn tiếp theo, tải sẽ được tăng dần đến khi mẫu bị phá hoại. Tốc độ gia tải của xi lanh trong quá trình này là0.0075m/s .Quá trình này luôn được đo và thu nhận lại trong suốt quá trình thí nghiệm. ( Pmax : là tải trọng lớn nhất dự kiến mẫu sẽ bị phá hoại, đươc xác định dựa trên kinh nghiệm hoặc tính toán sơ bộ).
Trong quá trình xử lý kết quả, biến dạng và tải ở giai đoạn 1 sẽ được loại bỏ.
Đường cong giữa lực-biến dạng sẽ được lấy từ kết quả thu nhận được ở giai đoạn 2.
Hình 3.21: Sơ đồ gia tải
[24]