23 2.2.4.2 Giai đoạn 1-2 (từ sau khi nứt đến khi đạt trạng thái giới hạn sử dụng P ser )
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ
4.4 Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến ứng xử chịu uốn của
dầm BTCT được tăng cường bằng TRC
Các phương pháp tính toán thiết kế hiện nay đối với kết cấu BTCT tăng cường bằng TRC hầu hết đều dựa vào tiêu chuẩn kết cấu BTCT thông thường. Tuy nhiên, hiện nay chưa có các chỉ dẫn liên quan đến hàm lượng cốt thép cũng như cường độ của bê tông trong dầm BTCT để đảm bảo hiệu quả của việc tăng cường. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của việc thay đổi số lượng lớp lưới sợi cũng cần được nghiên cứu để xác định số lượng lớp lưới sợi tối đa nên sử dụng. Trong phần nay, dựa trên các mô hình PTHH đã được kiểm chứng ở trên, việc nghiên cứu tham số được thực hiện để xem xét ảnh hưởng của 3 tham số có thể ảnh hưởng đến ứng xử tổng thể của dầm tăng cường, bao gồm: số lượng lớp lưới sợi các bon, hàm lượng cốt thép và cường độ bê tông dầm. Cần lưu ý rằng, các mô hình này sử
117
dụng các thông số tương tự về loại phần tử, mô hình vật liệu, mô hình dính bám, gia tải, điều kiện biên đã được trình bày ở trên.
4.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng cốt lưới dệt
Trong phần thí nghiệm, chỉ 2 lớp lưới sợi các bon được “trát” vào dầm. Trong phần nghiên cứu này, hàm lượng cốt lưới dệt tăng từ 0,014% đến 0,069%, tương ứng với số lớp lưới sợi tăng từ 1 đến 6 lớp. Biểu đồ quan hệ lực – độ võng giữa nhịp của các dầm tăng cường với số lượng lớp lưới sợi khác nhau được thể hiện ở Hình 4.10. Rõ ràng, việc tăng số lượng lớp lưới sợi sẽ làm tăng khả năng chịu lực tổng thể của dầm. Tất cả các dầm này có ứng xử giống nhau trong giai đoạn chịu lực đầu tiên, cho đến khi cốt thép bị chảy. Đúng như mong đợi, độ cứng của dầm cũng như khả năng chịu lực tăng lên cùng với việc tăng số lớp lưới sợi. Điều này giúp cho dầm đạt được giá trị lực cực hạn tại mức độ võng nhỏ hơn. Các lưới sợi bổ sung cũng thay đổi điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt lên mức tải trọng cao hơn. Tuy nhiên, các dầm được tăng cường với 3 lớp lưới sợi xảy ra phá hoại sớm hơn (ở mức độ võng nhỏ hơn).
Hình 4.10 Quan hệ lực – độ võng giữa nhịp của các dầm được tăng cường có hàm lượng lưới sợi khác nhau
Điểm đặc biệt có thể nhìn thầy trên Hình 4.10 liên quan đến dạng phá hoại của dầm tăng cường. Như đã trình bày ở phần trước, sức kháng tối đa của dầm tăng cường bằng 1 hoặc 2 lớp lưới sợi đạt đến khi một phần nhỏ bê tông vùng nén bắt đầu bị phá hoại do ép vỡ.
Điều này dẫn đến sự suy giảm từ từ của đường cong lực – chuyển vị cho đến khi lưới sợi
118
bị kéo đứt, khiến lực giảm đột ngột xuống mức tải trọng thấp hơn. Ứng xử này thay đổi khi nhiều lớp lưới sợi được tăng cường. Các dầm sử dụng 5 và 6 lớp lưới sợi có ít tính dẻo hơn. Sau khi các dầm này đạt được sức kháng cực hạn, bê tông ở vùng nén không còn chịu được lực tác dụng lớn, khiến bê tông ở thớ trên bị ép vỡ nhiều hơn. Điều này dẫn đến trục trung hòa có xu hướng dịch xuống phía dưới, làm giảm giá trị cánh tay đòn của cặp ngẫu lực, khiến lực tác dụng giảm từ từ. Đối với dầm sử dụng 3 lớp lưới sợi, lưới sợi bị kéo đứt dẫn đến kết cấu bị phá hoại, tuy nhiên lưới sợi trong các dầm có 5 và 6 lớp không đạt đến cường độ cực hạn của nó. Điều này chứng tỏ, lưới sợi không sử dụng hết đầy đủ toàn bộ khả năng chịu kéo của nó do bê tông vùng nén bị ép vỡ sớm.
Hình 4.11 Hệ số tăng cường có hiệu của từng lớp lưới sợi
Các giá trị tải trọng cực hạn và hệ số tăng cường tương ứng được trình bày ở Hình 4.10. Hệ số tăng cường được xác định bằng tỷ số giữa mức tăng của lực lớn nhất ở dầm được tăng cường so với dầm đối chứng chia cho khả năng chịu lực của dầm đối chứng. Như đã trình bày ở trên, giá trị lực lớn nhất của dầm tăng lên với từng lớp lưới sợi bổ sung. Tuy nhiên, mức độ đóng góp của mỗi lớp lưới trong hiệu quả tăng cường sức kháng lại giảm xuống khi số lượng lớp lưới tăng lên. Hình 4.11 thể hiện sự suy giảm về hiệu quả tăng cường của mỗi lưới sợi. Hệ số này được tính toán dựa trên mức tăng của giá trị lực lớn nhất đối với từng lớp lưới. Hệ số tăng cường này đạt giá trị lớn nhất với lớp lưới sợi đầu tiên (0,195). Khi bổ sung thêm 3 lớp lưới sợi tiếp theo, hệ số này thay đổi trong khoảng từ 0,145 đến 0,165. Lớp lưới thứ 5 và 6 chỉ làm tăng hiệu quả tăng cường ở mức nhỏ. Cũng cần phải lưu ý rằng, do kết cấu dầm này sử dụng bê tông có cường độ tương đối cao và hàm lượng cốt thép ở mức trung bình (6,8%), hiệu quả tăng cường khi bổ sung nhiều lớp lưới sợi chịu
kéo vẫn đáng kể. Tuy nhiên, do lưới sợi sử dụng trong nghiên cứu này có diện tích mặt cắt tương đối nhỏ (64 mm2/m), việc tăng cường đến trên 6 lớp lưới sợi là không thực tế và kém hiệu quả bởi việc thi công khó khăn hơn [12] và lớp TRC có chiều dày quá lớn khi sử dụng nhiều lớp lưới. Trường hợp kết cấu dầm cần được cải thiện khả năng chịu lực hơn nữa, nên lựa chọn lưới sợi có diện tích mặt cắt lớn hơn.
4.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép
Trong phần thực nghiệm, dầm đối chứng sử dụng 2 thanh thép dọc đường kính 12 mm để chịu kéo, tương ứng với hàm lượng cốt thép 0,68%. Để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép đến ứng xử tổng thể của dầm tăng cường, đường kính cốt thép chịu kéo thay đổi từ 12 mm thành 16 mm và 20 mm, tương ứng với hàm lượng ρ = 1,21% và 1,90%.
Cốt thép chịu kéo 2 12
A 226mm2
s
2 16, A 402mm2
s
2 20 A 628mm2
s
1.90%
Hình 4.12 Biểu đồ lực – độ võng của các dầm được tăng cường có hàm lượng cốt thép khác nhau
Biểu đồ quan hệ lực – độ võng giữa nhịp đối với các dầm tăng cường có hàm lượng cốt thép khác nhau được thể hiện ở Hình 4.12. Có thể dễ dàng thấy được, hàm lượng cốt thép dọc ảnh hưởng lớn đến sức kháng uốn và cơ chế phá hoại của dầm tăng cường. Các dầm với hàm lượng cốt thép nhỏ có độ cứng thấp hơn sau khi nứt, cũng như có khả năng chịu lực nhỏ hơn. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng cốt thép, tất cả các dầm tăng cường đều bị phá hoại do bê tông vùng nén bị ép vỡ. Do đó, sự đóng góp của TRC trong dầm tăng cường
giảm xuống khi hàm lượng cốt thép tăng. Hình 4.13 biểu diễn giá trị lực lớn nhất và hệ số tăng cường tương ứng. Với hàm lượng cốt thép ρ = 1,21% (d = 16 mm), mỗi lớp lưới sợi
120
chỉ làm tăng khoảng 8% sức kháng. Hệ số này giảm xuống 3% khi cốt thép đường kính 20
mm được sử dụng (ρ = 1,90%). Điều này có nghĩa là, lớp TRC hầu như không mang lại hiệu quả tăng cường sức kháng uốn.
Khi sử dụng cốt thép có đường kính 16 mm, sức kháng của dầm tăng cường chỉ tăng nhẹ sau khi cốt thép dọc bị chảy. Sau khi đạt được giá trị lực cực hạn, bê tông vùng nén bị phá hoại liên tục. Sức kháng của các dầm này tăng lên nhưng lưới sợi không bị kéo đứt, có nghĩa là khả năng chịu lực của lưới sợi không được sử dụng hết. Đối với dầm sử dụng cốt thép dọc đường kính 20 mm, hiện tượng này xảy ra rõ ràng hơn. Sau khi cốt thép bị kéo chảy, lực tác dụng tăng nhẹ trong một gian đoạn rất ngắn. Sau khi đạt sức kháng cực hạn, lực giảm mạnh do sự phá hoại đột ngột của bê tông vùng nén. Khi bổ sung lớp TRC, độ cứng của dầm chỉ tăng nhẹ và đạt được giá trị lực cực hạn lớn hơn một chút so với dầm không tăng cường, tuy nhiên dạng phá hoại không thay đổi. Dạng phá hoại này cho thấy, hàm lượng cốt thép ảnh hưởng lớn đến tính dẻo và hiệu quả tăng cường của TRC, do sự giới hạn của cường độ chịu nén của bê tông. Khi hàm lượng cốt thép lớn trong khi khả năng chịu nén của bê tông bị giới hạn, hiệu quả tăng cường bằng TRC là rất thấp. Do đó, trong thực tế thiết kế tăng cường cho kết cấu dầm BTCT, cần đánh giá vào trạng thái về vật liệu, cấu tạo cốt thép của kết cấu, để xác hiệu quả tăng cường khi sử dụng TRC. Việc sử dụng mô hình mô phỏng số hoặc mô hình tính đã đề xuất ở Chương 2 sẽ đưa ra được các đáng giá đáng tin cậy.
4.4.3 Ảnh hưởng của cường độ chịu nén của bê tông dầm được tăng cường
Cường độ của bê tông là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến sức kháng và độ cứng của dầm BTCT. Như đã trình bày ở các phần trên, cường độ chịu nén của bê tông có thể gây ra giới hạn cho hiệu quả tăng cường bằng TRC. Trong phần thí nghiệm, cường độ chịu nén của bê tông là 39,5 MPa (đặt tên là C39). Trong phần này, bê tông có cường độ 28 MPa (đặt tên là C28) được lựa chọn để đánh giá ảnh hưởng của thông số này đến ứng xử của dầm tăng cường.
Hình 4.13 so sánh một số đặc trưng cơ học của 2 loại bê tông.
Mối quan hệ lực – độ võng giữ nhịp của các dầm với cường độ bê tông khác nhau được biểu diễn ở Hình 4.13. Đúng như mong đợi, lực cực hạn của dầm tăng khi cường độ chịu nén của bê tông tăng. Tuy nhiên, dầm có cường độ bê tông nhỏ hơn thể hiện ứng xử khác biệt do khả năng chịu nén của bê tông thấp. Dạng phá hoại của các dầm được tăng cường
121
sẽ xảy ra do sự ép vỡ của bê tông vùng nén trước khi lưới sợi đạt đến biến dạng kéo đứt.
Tiếp theo, bê tông vùng nén bị dần dần bị ép vỡ và lực tác dụng giảm từ từ cho đến khi lưới sợi bị kéo đứt ở mức chuyển vị lớn. Có thể nhìn thấy ở Hình 4.13, lưới sợi ở dầm sử dụng bê tông loại C28 chỉ bị kéo đứt ở mức chuyển vị rất lớn (xấp xỉ 45 mm). Ngược lại, dầm sử dụng bê tông cường độ cao hơn sẽ làm chậm, hoặc thậm chí ngăn chặn sự phá hoại do bê tông bị ép vỡ, qua đó phát huy hết khả năng chịu kéo của lưới sợi.Hình 4.13 còn so sánh hệ số tăng cường của các dầm. Có thể thấy, hệ số tăng cường của các dầm sử dụng bê tông C28 đạt giá trị xấp xỉ với các dầm thí nghiệm. Tuy nhiên, kết quả mô phỏng cho thấy cường độ chịu kéo của lưới sợi không được sử dụng đầy đủ, thông qua việc quan sát ứng suất trên lưới sợi. Đối với dầm được tăng cường 1 lớp lưới, sức kháng đạt đến mức 93% giá trị cực hạn khi ứng suất trong lưới sợi chỉ khoảng 2100 MPa. Điều này chứng tỏ, nếu bê tông dầm có cường độ chịu nén nhỏ, nên sử dụng lưới sợi có cường độ chịu kéo nhỏ. Kể cả đối với dầm sử dụng 2 lớp lưới sợi, chỉ 82% khả năng chịu kéo của lưới sợi là cần thiết để dầm đạt được đầy đủ hiệu quả tăng cường. Do đó, nếu cường độ bê tông dầm nhỏ, việc sử dụng vật liệu lưới sợi có cường độ quá cao là không cần thiết.
Tính chất bê tông f c (MPa)
f cr (MPa) E c (MPa)
Hình 4.13 Biểu đồ lực – độ võng của các dầm được tăng cường với cường độ bê tông khác nhau Để tránh việc lãng phí khả năng chịu kéo của bó sợi, tùy thuộc vào loại vật liệu và kết cấu được thiết kế tăng cường, cần xây dựng mô hình mô phỏng số để dự báo hoặc sử dụng mô hình tính toán đã đề xuất ở Chương 2 để phân tích tất cả các giai đoạn làm việc của kết cấu được tăng cường. Từ đó, cần đánh giá hiệu quả tăng cường bao gồm: sức kháng được tăng lên, dạng phá hoại của kết cấu, ứng suất trong bê tông hoặc lưới sợi ở các giai đoạn
làm việc, và lựa chọn loại lưới sợi phù hợp.
Việc khảo sát tham số tiếp tục được thực hiện với dầm BTCT sử dụng bê tông có cường độ thấp (C28), với trường hợp hàm lượng cốt lưới dệt được tăng từ 0,014% đến 0,084%, tương ứng với số lớp lưới sợi tăng từ 1 đến 6 lớp. Biểu đồ quan hệ lực – độ võng giữa nhịp của các này được thể hiện ở Hình 4.14. Việc tăng số lượng lớp lưới sợi sẽ làm tăng khả năng chịu uốn của dầm từ 15,2% đến 68%. Tuy nhiên, trừ việc sử dụng 1 lớp lưới sợi, các dầm còn lại đều bị phá hoại do bê tông vùng nén bị ép vỡ khi ứng suất trong lưới sợi chưa đạt đến cường độ chịu kéo đứt. Điều này dẫn đến, việc bổ sung nhiều lớp lưới sợi không mang lại nhiều hiệu quả tăng cường khả năng chịu lực. Cụ thể, khi sử dụng 5 và 6 lớp lưới sợi, khả năng chịu lực của các dầm này lần lượt là 103,64 và 103,58 kN, chỉ chênh lệch 0,25%. Mức tăng nhỏ này cho thấy việc tăng thêm nhiều lớp lưới sợi hơn nữa sẽ không mang lại nhiều hiệu quả, do sự giới hạn về khả năng chịu nén của bê tông dầm. Đối với kết cấu và vật liệu sử dụng trong khảo sát này, hiệu quả tăng cường bằng TRC chỉ nên giới hạn ở việc sử dụng tối đa 5 lớp lưới sợi các bon Sigratex Grid 350.
(kN)L?c
Số lớp lưới 0 1 2 3 4 5 26,4 0,061 103,34
1,676
6 31,68 0,084 103,58 1,680
Hình 4.14 Quan hệ lực – độ võng của các dầm sử dụng bê tông C28 có hàm lượng cốt lưới dệt thay đổi