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
3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC
3.3.1 Thiết lập thí nghiệm
Hình 3.13 Cấu tạo chi tiết các mẫu dầm thí nghiệm
Sáu dầm BTCT có kích thước 150 × 250 × 2200 mm được tiến hành thí nghiệm theo mụ hỡnh uốn 4 điểm. Cỏc dầm được bố trớ 2 thanh cốt thộp ỉ10 ở lớp trờn, 2 thanh ỉ12 ở lớp dưới, với cốt đai ỉ6 được đặt với khoảng cỏch 100 mm ở 2 đầu dầm và 150 mm ở giữa
92
dầm ((Hình 3.13). Hai dầm không tăng cường (BF0_1 và BF0_2) được sử dụng làm mẫu đối chứng để so sánh hiệu quả của việc tăng cường bằng TRC. Hai dầm được tăng cường bằng 1 lớp lưới sợi (BF1_1 và BF1_2) và 2 dầm còn lại được tăng cường bằng 2 lớp lưới sợi (BF2_1 và BF2_2), tương ứng với diện tích cốt sợi lần lượt là 5,28 mm2 và 10,56 mm2. Bê tông hạt mịn và lưới sợi dệt loại các bon là loại đã được trình bày ở Mục 3.2. Bê tông thường 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 mặt dưới của dầm có bề rộng 250 mm, chiều dài 1700 mm, chiều dày lần lượt là 8 mm và 12 mm tương ứng với dầm được tăng cường 1 và 2 lớp lưới sợi.
Hình 3.14 Thiết lập thí nghiệm
Bề mặt dưới của dầm 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 xấp xỉ 4 mm được trát lên mặt dưới của dầm. Tiếp theo, lớp lưới sợi dệt đầu tiên sẽ được đặt lên và miết nhẹ để chìm vào lưới sợi dệt. 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. Sau 28 ngày, các dầm được gia tải bởi kích thủy lực tại phòng thí nghiệm Vật liệu và Kết cấu xây dựng của trường Đại học Giao thông vận tải (Hình 3.14). Các dầm được tiến hành thí nghiệm uốn 4 điểm, bằng phương pháp khống chế chuyển vị với tốc độ 1 mm / phút cho đến khi phá hoại. Các LVDT được gắn vào bề mặt dưới của dầm để đo chuyển vị tại vị trí giữa dầm và vị trí dưới gối gia tải. Các thiết bị
93
đo biến dạng (strain gage) được gắn vào cốt thép dọc và bề mặt trên, dưới của dầm để đo biến dạng trong quá trình thí nghiệm.
3.3.2 Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm
Các tham số cơ bản mô tả ứng xử của dầm đối chứng và của các dầm được tăng cường được mô tả trên Bảng 3.9. Mối quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị giữa nhịp được biểu diễn trên Hình 3.15. Đồng thời, cấu trúc vết nứt và dạng phá hoại của các mẫu thí nghiệm được biểu diễn trên Hình 3.16.
Bảng 3.9 Một số ứng xử cơ bản của các dầm thí nghiệm
Dầm
Bê tông nứt Cốt thép chảy Dầm bị phá hoại
Dạng phá hoại Lực
gây nứt Pcr (kN)
Chuyển vị Dcr
(mm)
Lực gây chảy Py
(kN)
Chuyển vị Dy
(mm)
Lực lớn nhất Pu
(kN)
Chuyển vị Du
(mm)
BF0_1 13,33 0,22 59,28 4,95 71,84 40,45 Phá hoại do uốn, bê tông bị ép vỡ, cốt
thép bị chảy BF0_2 12,50 0,16 57,09 3,79 72,68 38,40
BF1_1 15,50 0,37 65,18 4,23 88,64 30,35
Phá hoại do uốn, lưới sợi bị kéo đứt BF1_2 16,67 0,33 66,55 4,10 90,28 27,10
BF2_1 18,33 0,31 67,83 3,35 104,69 27,40 BF2_2 19,50 0,38 70,25 4,15 101,12 24,35
Hình 3.15 Đường cong lực và chuyển vị giữa nhịp của các dầm thí nghiệm
Như biểu diễn trên Hình 3.15, hai dầm đối chứng BF0_1 và BF0_2 thể hiện ứng xử điển
Lực (kN)
94
hình của dầm bê tông cốt thép chịu uốn 4 điểm, và có kết quả khá tương đồng. Đường quan hệ giữa lực và độ võng tăng gần như tuyến tính trong giai đoạn đầu tiên, cho đến khi các vết nứt đầu tiên xuất hiện ở mức tải trọng 13,33 kN đối với dầm BF0_1 và 12,50 kN đối với dầm BF0_2. Sau đó, độ dốc của đường quan hệ lực – chuyển vị tương ứng với độ cứng của các dầm giảm dần. Cốt thép dọc của các dầm bắt đầu chảy ở mức tải trọng 59,28 kN (BF0_1) và 57,09 kN (BF0_2), xấp xỉ 80% mức tải trọng cực hạn. Sau đó, lực tác dụng tăng chậm cùng với sự tăng nhanh của chuyển vị trong giai đoạn tái bền của cốt thép chịu kéo. Dầm bị phá hoại do uốn không chế, với các vết nứt lớn ở khu vực chịu uốn thuần túy, đồng thời một phần bê tông vùng nén bị ép vỡ (Hình 3.16-a,b). Ở thời điểm này, các dầm không bị gãy nhưng tải trọng hầu như không tăng thêm. Giá trị trung bình của tải trọng lớn nhất và chuyển vị của 2 dầm lần lượt là 72,26 kN và 39,4 mm. Các vết nứt uốn cắt xuất hiện ở gần khu vực chịu uốn thuần túy, tuy nhiên, hầu như không quan sát được các vết nứt ở khu vực gần gối đỡ.
Đối với các dầm được tăng cường băng 1 lớp lưới sợi các bon (BF1_1 và BF1_2, tương ứng với diện tích cốt sợi là 5,28 mm2), lực lớn nhất mà dầm có thể chịu được lần lượt là 88,64 kN và 90,28 kN, khả năng chịu lực của dầm tăng xấp xỉ 25% so với các dầm đối chứng. Trong giai đoạn đầu tiên, trước khi cốt thép bị chảy, ứng xử chịu uốn của dầm được tăng cường và dầm không được tăng cường là tương tự nhau. Mức tải trọng gây nứt của 2 dầm tăng cường này lớn hơn so với dầm đối chứng, tương ứng với 15,50 kN (BF1_1) và 16,67 kN (BF1_2). Sau khi bê tông bị nứt, độ cứng của dầm được tăng cường lớn hơn so với dầm đối chứng ở cùng giai đoạn, do sự tham gia chịu lực của lưới sợi các bon có mô đun đàn hồi chịu kéo lớn, đồng thời tiết diện bê tông chưa nứt của dầm được tăng cường cũng lớn hơn. Cốt thép dọc của các dầm tăng cường bắt đầu chảy ở mức tải trọng 65,18 kN (BF1_1) và 66,55 kN (BF1_2), xấp xỉ 73% mức tải trọng cực hạn. Sau khi cốt thép bị chảy, độ cứng và khả năng chịu lực của dầm được tăng cường lớn hơn đáng kể so với dầm đối chứng.
Tương tự, khả năng chịu lực của dầm được tăng cường bằng 2 lớp lưới sợi các bon (BF2_1 và BF2_2) tăng lên khoảng 44% so với dầm đối chứng, tương ứng với lực tác dụng lớn nhất lần lượt là 104,69 kN và 101,12 kN. Ứng xử chịu lực của dầm được tăng cường bằng 2 lớp lưới sợi này cũng tương tự như dầm được tăng cường bằng 1 lớp lưới sợi (BF1_1 và BF1_2). Dạng phá hoại do lưới sợi bị kéo đứt xảy ra đối với cả 4 dầm được tăng cường,
95
dẫn đến lực tác dụng giảm đột ngột, có giá trị xấp xỉ dầm không được tăng cường.
Hình 3.16 Cấu trúc vết nứt
Trong các thí nghiệm dầm được tăng cường, sự phân bố tải trọng giữa các bó sợi không đồng nhất, dẫn đến các sợi chịu lực khác nhau. Khi phá hoại, các bó sợi lần lượt bị kéo đứt, thể hiện ở sự sụt giảm đột ngột tải trọng tác dụng xảy ra liên tiếp. Chuyển vị của các dầm được tăng cường tại thời điểm bị phá hoại nhỏ hơn so với dầm không được tăng cường, do cấu trúc vết nứt của kết cấu dầm được tăng cường nhỏ và phân tán hơn. Đồng thời, bê tông vùng nén của các dầm được tăng cường cũng bị ép vỡ ở giai đoạn này.
Khi ứng suất kéo trong các bó sợi chịu lực vượt quá cường độ chịu kéo của lưới sợi dệt bên trong bê tông hạt mịn, sự phá hoại của lớp TRC tăng cường sẽ xảy ra. Trong trường hợp này, các bó sợi sẽ bị đứt tại có các vị trí có vết nứt lớn do biến dạng của sợi tăng đột ngột. Điều này sẽ dẫn đến sự phân phối lại ứng suất (tải trọng), và theo đó, làm tăng tốc độ đứt của các sợi khác cho đến khi lớp TRC tăng cường bị phá hoại hoàn toàn. Ngay sau khi
96
lưới sợi bị kéo đứt, lực kéo do lưới sợi chịu sẽ truyền (phân phối) cho bê tông xung quanh chịu. Do tác dụng đột ngột của thành phần lực kéo này, bê tông ở vị trí này có xuất hiện vết nứt ngang theo phương dọc của dầm, làm bong tách lớp bê tông bảo vệ. Quá trình bong tách này diễn ra tại mặt bề mặt tiếp xúc của cốt thép lớp dưới, xảy ra đồng thời đối với cả 4 dầm được tăng cường (Hình 3.16-c,d,e,f). Có thể nhận thấy, hoàn toàn không có sự phá hoại giữa lớp bê tông hạt mịn và bê tông nền. Điều này chứng tỏ, lực dính bám giữa 2 lớp vật liệu này đủ lớn để truyền toàn bộ lực kéo từ lưới sợi vào kết cấu dầm.