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
3.4 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu cắt của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC
3.4.1 Thiết lập thí nghiệm
Sáu dầm BTCT có kích thước 150 × 250 × 1000 mm được tiến hành thí nghiệm uốn 3 điểm (Hình 3.17). Chiều dài chịu cắt được lựa chọn bằng 300 mm, với mục đích làm cho dầm bị phá hoại do cắt khống chế (tỷ lệ chiều dài chịu cắt/chiều cao có hiệu xấp xỉ bằng 1,5). Hai dầm không được tăng cường (BS0_1 và BS0_2) được sử dụng làm mẫu đối chứng để so sánh hiệu quả của việc tăng cường bằng TRC. Bốn dầm còn lại được tăng cường bằng 1 lớp lưới sợi (BS1_1 và BS1_2) và 2 lớp lưới sợi (BS2_1 và BS2_2).
2∅10 3∅12
∅6a150
200 300 300 200
1000
3∅12
∅6a150 2∅10
150 250
200 300 300 200
1000
150 250
TRC TRC P P
a) Dầm đối chứng (BS0_1; BS0_2) b) Dầm tăng cường (BS1_1; BS1_2;
BS2_1; BS2_2)
1 lớp lưới sợi 2 lớp lưới sợi
Hình 3.17 Cấu tạo chi tiết các mẫu dầm thí nghiệm cắt
Bê tông hạt mịn và lưới sợi dệt loại các bon là loại đã được trình bày ở Mục 3.2. Bê tông
97
thường dùng cho kết cấu dầm có cường độ chịu nén là 39,5 MPa. Cốt thép dọc có cường độ chịu kéo chảy là 293 MPa và cốt thép đai có cường độ kéo chảy là 235 MPa. Các lớp TRC được trát vào 3 mặt của dầm, dọc theo chiều dài dầm để đảm bảo đủ chiều dài neo cho lưới sợi. Chiều dày của lớp TRC lần lượt là 8 mm và 12 mm đối với dầm được tăng cường 1 và 2 lớp lưới sợi. Bề mặt bê tông được xử lý bằng cách mài tạo rãnh để tăng khả năng dính bám cho lớp bê tông mịn. Đầu tiên, một lớp bê tông hạt mịn có chiều dày khoảng 4 mm được trát lên ba mặt của dầm bê tông. Lưới sợi dệt sẽ được đặt lên và miết nhẹ cho đến khi bê tông hạt mịn trồi ra khỏi các ô lưới. Lớp bê tông hạt mịn thứ 2 tiếp tục được trát vào để bao bọc hoàn toàn lưới sợi. Quy trình này được lặp lại đối với các lớp lưới sợi, đảm bảo lớp bê tông hạt mịn trước chưa đông cứng (Hình 3.18).
Hình 3.18 Thi công tăng cường và thiết lập thí nghiệm cắt
Các dầm được gia tải bởi máy kéo nén 300 tấn tại phòng thí nghiệm Vật liệu và Kết cấu xây dựng của trường Đại học Giao thông vận tải (Hình 3.18). Các dầm được tiến hành thí nghiệm uốn 3 điểm, bằng phương pháp khống chế chuyển vị với tốc độ 1 mm / phút cho đến khi phá hoại. Giá trị chuyển vị giữa nhịp được lấy theo chuyển vị gia tải. Các thiết bị đo biến dạng (strain gage) được gắn vào cốt thép dọc và và cốt thép đai dầm để đo biến dạng trong quá trình thí nghiệm.
3.4.2 Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm
Mối quan hệ giữa lực tác dụng và độ võng giữa nhịp được biểu diễn trên Hình 3.19, cấu trúc vết nứt cũng như dạng phá hoại của các mẫu thí nghiệm được biểu diễn trên Hình 3.20.
Có thể thấy trên Hình 3.19, hai dầm đối chứng BS0_1 và BS0_2 thể hiện ứng xử điển hình
98
của dầm BTCT bị phá hoại trên tiết diện nghiêng và có kết quả khá tương đồng nhau.
Đường quan hệ giữa lực và độ võng tăng gần như tuyến tính trong giai đoạn đầu tiên, cho đến khi các vết nứt nghiêng do cắt xuất hiện, xuất phát từ vị trí dưới gối gia tải. Các vết nứt xuất hiện làm giảm độ cứng của dầm, lúc này, lực cắt vẫn có thể truyền qua các vết nứt nhờ hiệu ứng cài khóa cốt liệu và lực chốt trong các thanh cốt thép dọc. Tuy nhiên, như được thể hiện ở Hình 3.20, vết nứt nghiêng ở một bên dầm có xu hướng mở rộng nhanh, phía còn lại mở rộng chậm hơn. Đồng thời, một số vết nứt thẳng góc do uốn và vết nứt do uốn – cắt đã có thể quan sát được rõ ràng. Lực tác dụng đạt đến giá trị cực hạn tương ứng vơi mức tải trọng 242,72 kN (BS0_1) và 247,98 (BS0_2). Sau khi đạt đến giá trị lớn nhất, lực tác dụng giảm đột ngột, sau đó duy trì ở mức tải trọng xấp xỉ 194 kN. Ở thời điểm này, bề rộng vết nứt nghiêng rất lớn, bê tông đã không còn tham gia chịu cắt, sức kháng cắt hoàn toàn do cốt thép chịu.
Dầm
Lực lớn nhất Pu
(kN)
Độ võng Du
(mm)
Dạng phá hoại BS0_1 242,72 1,91 Phá hoại trên tiết
diện nghiêng BS0_2 247,98 2,02 Phá hoại trên tiết
diện nghiêng BS1_1 300,37 2,19 Lưới sợi bị kéo
đứt BS1_2 304,95 2,50 Lưới sợi bị kéo
đứt BS2_1 362,97 3,11 Lưới sợi bị kéo
đứt BS2_2 352,35 2,06 Lưới sợi bị kéo
đứt
Hình 3.19 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các dầm thí nghiệm
So với dầm đối chứng, khả năng chịu lực của các dầm được tăng cường 1 lớp lưới và 2 lớp lưới tăng lên lần lượt là 24,5% và 41,6%. Sự tăng khả năng chịu cắt có thể được giải thích là do sự tham gia chịu lực của lưới sợi các bon. Đồng thời, độ cứng của dầm tăng cường cũng lớn hơn so với dầm đối chứng ở cùng giai đoạn chịu lực, do có sự tham gia chịu lực của lưới sợi các bon có mô đun đàn hồi chịu kéo lớn, cũng như tiết diện bê tông của dầm được tăng cường cũng lớn hơn. Mức tải trọng gây nứt của các dầm tăng cường này tăng 17% và 23% so với dầm đối chứng. Về tổng thể, ứng xử chịu lực của dầm được tăng cường và dầm không tăng cường là tương tự nhau. Sau khi đạt giá trị cực hạn, lực tác dụng lên 4 dầm được tăng cường đều giảm đột ngột do sự nứt lớn của bê tông và sự kéo
99
đứt của một số bó sợi. Tại thời điểm này, do vết nứt mở rộng nhanh, các bó sợi theo cả phương ngang và dọc chạy qua vị trí có bề rộng vết nứt sẽ bị kéo đứt khi biến dạng của sợi tăng vượt quá biến dạng cực hạn.
Hình 3.20 Cấu trúc vết nứt các dầm thí nghiệm cắt
Sau khi bị nứt lớn, khả năng chiu lực của dầm giảm đột ngột và sau đó duy trì ở mức ổn định. Khả năng chịu lực còn lại này của các dầm được tăng cường lớn hơn so với giá trị tương ứng của dầm đối chứng ở cùng chuyển vị. Điều này có thể được giải thích như sau.
Trong các lớp TRC, khi chịu lực lớn, các bó sợi có chiều dài dính bám lớn (lớn hơn chiều dài neo) có thể bị đứt còn các bó có chiều dài dính bám nhỏ hơn sẽ bị tuột. Do đó, tại các vị trí có vết nứt lớn, một số bó sợi bị kéo đứt và mất hẳn khả năng chịu lực trong khi một số khác, mặc dù bị tuột nhưng, nhờ có lực dính bám với bê tông xung quanh vẫn duy trì được ở mức độ nhất định khả năng chịu lực. Để quan sát kỹ hơn, lớp vỏ bê tông mịn tại vị trí nhiều vết nứt được đục bỏ (Hình 3.20). Có thể quan sát được một số bó sợi chỉ bị kéo
100
tuột do chiều dài neo trong bê tông không đủ. Vì vậy, sau khi dầm bị nứt lớn, ngoài sức kháng cắt của cốt thép thì các bó sợi chưa bị kéo đứt vẫn tiếp tục làm việc, dẫn đến mức tải trọng sau khi nứt lớn của các dầm tăng cường lớn hơn các dầm đối chứng. Các vết nứt này mở rộng nhanh, có xu hướng chạy theo phương dọc dưới đáy dầm, làm bong tách lớp bê tông bảo vệ tại bề mặt tiếp xúc của cốt thép lớp dưới.
Góc nghiêng của các vết nứt cắt trên các dầm tăng cường thường có góc nghiêng với trục dầm lớn hơn so với dầm đối chứng. Điều này là phù hợp với lý thuyết kết cấu bê tông có cốt, dưới tác dụng của mức tải trọng lớn hơn, góc nghiêng của ứng suất kéo chính với trục dầm có xu hướng nhỏ hơn [3]. Các vết nứt này mở rộng nhanh, có xu hướng chạy theo phương dọc dưới đáy dầm, làm bong tách lớp bê tông bảo vệ tại bề mặt tiếp xúc của cốt thép lớp dưới, gây phá hoại cho dầm bê tông (Hình 3.20).