CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT 74
3.5 Kiểm chứng các mô hình tính toán đã đề xuất với kết quả thí nghiệm
3.5.2 Mô hình tính toán xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu dầm BTCT được tăng cường khi đang duy trì tải trọng
3.5.2.1 Kết quả thí nghiệm của tác giả nước ngoài
Cho đến thời điểm này, chỉ có duy nhất một nghiên cứu thực nghiệm của tác giả Weiland [59] công bố về việc áp dụng TRC để tăng cường cho kết cấu đang chịu lực. Sự khó khăn trong việc triển khai dạng thí nghiệm này là do việc duy trì tải trọng trong quá trình tăng cường, cũng như quá trình bảo dưỡng, rồi tiếp tục gia tải đến khi phá hoại. Weiland thí nghiệm với các bản BTCT có kích thước tiết diện 600 × 100 mm, chiều dài nhịp chịu uốn là 1600 mm. Các bản sử dụng 4 thanh cốt thép đường kính 8 mm, với hàm lượng cốt thép là 0,34%. Tất cả kết cáu đều được thí nghiệm với mô hình uốn 4 điểm, với mục tiêu tránh sự xuất hiện của lực cắt tại khu vực chịu uốn thuần túy ở giữa nhịp. Trong nghiên cứu này, số lượng lớp lưới sợi (hàm lượng cốt lưới dệt) được thay đổi với 3 và 6 lớp lưới sợi thủy tinh kháng kiềm. Chi tiết về một số tính chất cơ học của các loại vật liệu trong nghiên cứu của Weiland được trình bày ở Bảng 3.10. Các kết cấu bản được tăng cường sẽ được so sánh với các kết cấu bản đối chứng, nhắm đánh giá hiệu quả của việc tăng cường.
Hình 3.23 Cấu tạo mẫu thí nghiệm và hệ thống thí nghiêm [59].
Weiland [59] đã thực hiện hai chuỗi thí nghiệm tăng cường sức kháng uốn cho kết cấu bản BTCT, bao gồm các bản chưa chịu lực (chưa được gia tải trước khi tăng cường) và các bản đã bị nứt (tải trọng được duy trì trong quá trình tăng cường và bảo dưỡng với TRC).
Trong chuỗi thí nghiệm thứ nhất, các mẫu thí nghiệm chỉ chịu trọng lượng bản thân, có
103
nghĩa là khu vực chịu uốn thuần túy chưa bị nứt. Trong chuỗi thí nghiệm thứ 2, các dầm bị hư hỏng một phần bởi tải trọng lặp và tải trọng được duy trì trong quá trình tăng cường.
Bảng 3.10 Một số tính chất cơ học của các loại vật liệu trong nghiên cứu của Weiland [59]
Tính chất cơ học
(đơn vị: MPa) Bê tông dầm Bê tông hạt
mịn Cốt thép Cốt lưới dệt
Cường độ chịu nén 28,2 76,3 - -
Cường độ chịu kéo 2,08 7,11 - -
Mô đun đàn hồi chịu nén 24525 28500 - -
Cường độ chịu kéo chảy - - 545 -
Cường độ chịu kéo cực hạn - - 617,2 329
Mô đun đàn hồi chịu kéo - - 194637 51185
Để tạo ra trạng thái đã nứt cho kết cấu bản BTCT tương tự như khi chịu tải trọng thường xuyên, Weiland đã thực hiện quy trình gia tải lặp như sau:
1. Gia tải tĩnh đến mức tải trọng bằng 80% lực lớn nhất (cực hạn) của bản.
2. Gia tải lặp đến 10000 chu trình, với mức tải trọng từ 40% đến 75% giá trị cực hạn.
Theo Weiland, việc gia tải lặp sẽ làm các vết nứt không bị khép lại khi hạ tải, đúng với thực tế làm việc của kết cấu.
3. Giữ kết cấu bản ở mức độ võng tương ứng với 60% giá trị tải trọng khai thác.
4. Sửa chữa vết nứt, gia cường bằng cách “trát” lớp TRC lên mặt dưới của bản.
5. Tiến hành gia tải tĩnh cho đến khi kết cấu bị phá hoại.
0 5 10 15 20 25 30
Ð? võng (mm) 0
10 20 30 40 50 60
L?c (kN)
PL0 PL3-1 PL3-2.pre
a) D?m du?c tang cu?ng 3 l?p lu?i s?i
0 5 10 15 20 25 30
Ð? võng (mm) 0
10 20 30 40 50 60 70 80
L?c (kN)
PL0 PL6-1 PL6-2.pre
b) D?m du?c tang cu?ng 6 l?p lu?i s?i H? t?i
H? t?i
Hình 3.24 Quan hệ giữa lực – độ võng của các bản được thí nghiệm [59]
104
Kết quả thí nghiệm của được biểu diễn trên Hình 3.24, thông qua đường cong quan hệ lực – độ võng giữa nhịp. Mẫu đối chứng được đặt tên PL0, còn mẫu dầm được tăng cường bằng 3 và 6 lớp lưới sợi khi chưa chịu lực được đặt tên lần lượt là PL3-1 và PL6-1. Tương tự, các mẫu PL3-2.pre và PL6-2.pre được gia tải lặp 10000 chu trình, sau đó giữ tải ở độ võng 6,5 mm tương ứng với 60% giá trị tải trọng khai thác. Tiếp theo, 2 mẫu thí nghiệm này được tăng cường TRC, bảo dưỡng, và gia tải cho đến khi mẫu bị phá hoại. Kết quả thí thí nghiệm của 2 dầm này được xây dựng từ đường bao của lực – độ võng khi chịu tải trọng lặp.
3.5.2.2 Kết quả kiểm chứng mô hình tính toán
Ở nội dung này, mô hình tính toán đã trình bày ở Mục 2.2.4 sẽ được áp dụng đối với cả 5 kết cấu bản trong thí nghiệm của Weiland [59] với mục tiêu kiểm chứng sự chính xác của mô hình này. Cụ thể:
- Mô hình PL0-TT được áp dụng đối với bản BTCT đối chứng, với việc khai báo các đặc trưng hình học của lớp TRC bằng không (= 0).
- Mô hình PL3-1-TT và PL3-1-TT được áp dụng đối với bản BTCT được tăng cường với 3 và 6 lớp lưới sợi thủy tinh, với việc lớp TRC được bổ sung ngay từ đầu, khi kết cấu tấm TRC chưa chịu lực.
0 5 10 15 20 25 30
Ð? võng (mm) 0
10 20 30 40 50 60
L?c (kN)
PL0 PL3-1 PL3-2.pre PL0-TT PL3-1-TT PL3-2.pre-TT
Hình 3.25 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán của bản được gia cường 3 lớp lưới - Mô hình PL6-2.pre-TT và PL6-2.pre-TT được áp dụng đối với bản BTCT được tăng cường với 3 và 6 lớp lưới sợi thủy tinh, với việc lớp TRC được bổ sung khi dầm TRC đang
105
chịu lực. Cụ thể, ở giai đoạn 1, kết cấu bản BTCT (mô hình PL0-TT) được gia tải đến mức 28 kN. Lúc này, các đặc trưng của tiết diện như biến dạng của bê tông vùng nén, vùng kéo, chiều cao của vết nứt (xác định thông qua biến dạng của bê tông vùng kéo) được “ghi” lại để xác định trạng thái của kết cấu bản khi chưa được tăng cường. Sau đó, tải trọng được giảm về mức 11,5 kN, tương ứng với 60% tải trọng khai thác ở TTGH sử dụng. Độ võng của kết cấu ở mức tải này sẽ được tính toán dựa vào mặt cắt đã nứt. Tiếp theo, kết cấu bản này được tăng cường bằng TRC với 3 và 6 lớp lưới sợi thủy tinh, và tiếp tục được gia tải cho đến khi phá hoại.
Bảng 3.11 So sánh kết quả tính toán với kết quả thí nghiệm của Weiland [59]
Đặc điểm mẫu/mô hình
Kết quả tính toán Kết quả thí nghiệm So sánh
(%) Tên mẫu Lực lớn
nhất (kN) Tên mẫu Lực lớn nhất (kN)
Bản đối chứng PL0-TT 36,17 PL3-0 34,76 4,1
Tăng cường 3 lớp
Chưa chịu lực PL3-1-TT 54,78 PL3-1 53,24 2,9 Đang chịu lực PL3-2.pre-TT 56,94 PL3-2pre 55,04 3,4 Tăng cường
6 lớp
Chưa chịu lực PL6-1-TT 72,13 PL6-1 71,56 0,8 Đang chịu lực PL6-2.pre-TT 75,36 PL6-2pre 73,80 2,1
0 5 10 15 20 25 30
Ð? võng (mm) 0
10 20 30 40 50 60 70 80
L?c (kN)
PL0PL6-1 PL6-2.pre PL0-TT PL6-1-TT PL6-2.pre-TT
Hình 3.26 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán của bản được gia cường 6 lớp lưới Hình 3.25 và Hình 3.26 so sánh kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán theo quan hệ lực – độ võng giữa nhịp. Đồng thời, giá trị lực lớn nhất từ kết quả tính toán và thí nghiệm cũng được tóm tắt ở Bảng 3.11. Có thể thấy, các kết quả tính toán và thí nghiệm có nhiều điểm tương đồng cả về khả năng chịu lực cũng như mối quan hệ giữa lực – độ võng. Cụ thể, sự sai lệch về khả năng chịu lực giữa mô hình tính và thí nghiệm dao động từ 0,8% ÷4,1%.
106
Sự sai khác tương đối nhỏ này chứng tỏ mô hình tính toán phản ánh khá chính xác khả năng chịu lực của kết cấu. Đối với kết cấu bản đối chứng, sự phá hoại xảy ra (mô hình tính kết thúc) khi biến dạng bê tông vùng nén đạt đến biến dạng nén cực hạn 0,003. Đối với các mẫu thí nghiệm được tăng cường, dạng phá hoại xảy ra khi lưới sợi bị kéo đứt khi đạt biến dạng kéo cực hạn của lưới sợi.
Đối với kết cấu được gia cường, mức tải trọng gây nứt của mô hình tính có sự sai khác khá lớn hơn so với kết quả thí nghiệm. Với mô hình kết cấu gia cường khi đang chịu lực (bản PL3-2.pre-TT và PL6-2.pre-TT), có sự sai lệch về độ cứng trong giai đoạn từ khi dầm bị nứt đến khi cốt thép bị chảy. Điều này có thể được giải thích là do trong quá trình thí nghiệm, việc sửa chữa và tăng cường bằng TRC có thêm công tác xử lý vết nứt chưa được xét đến trong mô hình. Công tác này làm vết nứt có xu hướng khép lại, làm tăng độ cứng cho kết cấu. Đồng thời, trong mô hình tính toán, độ võng của dầm được xác định từ biểu đồ mô men uốn - độ cong của tất cả các mặt cắt trên chiều dài dầm, và các mặt cắt có mô men lớn đều được xem là đã bị nứt. Tuy nhiên trong thực tế, cấu trúc vết nứt phát triển từ từ và có khoảng cách đáng kể giữa các vết nứt. Đồng thời, trong các khu vực chưa nứt, các mặt cắt này có mô men quán tính xấp xỉ bằng của mặt cắt nguyên. Điều này dẫn đến độ cứng sau khi nứt của các dầm thí nghiệm lớn hơn so với các kết quả tính toán lý thuyết.