Báo cáo nghiên cứu khoa học: "MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Halinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

126
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đặt vấn đề Cường độ và tính biến dạng của bê tông phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố chính là thành phần và cấu trúc của bê tông, trạng thái ứng suất (làm việc) thời gian tác dụng của tải trọng, chu kỳ tác dụng và sự biến đổi dấu của nó; tốc độ gia tải, trình tự tác dụng của tải trọng, điều kiện sử dụng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG"

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG TS. LÊ MINH LONG Viện KHCN Xây dựng 1. Đặt vấn đề Cư ờng độ và tính bi ến dạng của bê tông ph ụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố chính là thành phần và cấu trúc của bê tông, tr ạng thái ứng suất (l àm việc) th ời gian tác dụng của tải trọng, chu kỳ tác dụng v à sự biến đổi dấu của nó; tốc độ gia tải, tr ình tự tác dụng của tải trọng, điều kiện sử dụng. Tuy nhi ên, yếu tố ảnh h ư ởng lớn nhất trong các yếu tố tr ên là trạng thái ứng suất biến dạng. Do tính chất phức tạp của vấn đề, nên khi tính toán kết cấu b ê tông và bê tông c ốt thép ngư ời ta sử dụng các đặc tr ưng cơ b ản về cư ờng độ và biến dạng của bê tông thu đư ợc từ điều kiện nén và kéo dọc trục tức thời. Việc kể đến các yếu tố khác (các dạng khác của trạng thái ứ ng suất biến dạng, thời gian tác d ụng của tải trọng, v.v…) đ ư ợc thực hiện bằng cách đưa vào các hệ số chuyển đổi dựa vào các nghiên c ứu thực nghiệm. Sau đây chỉ đề cập tới cư ờng độ chịu nén tức thời của bê tông. 2. Nội dung 2.1. Cường độ ti êu chuẩn của b ê tông trong phương pháp tr ạng thái giới hạn Như đ ã bi ết, các đặc tr ưng đ ộ bền (cư ờng độ) của bê tông, c ũng như c ủa phần lớn các vật liệu, không phải là các đại lư ợng không đổi. Ví dụ, c ư ờng độ của bê tông, đư ợc chế tạo từ c ùng m ột mẻ vữa, có thể thay đổi trong một phạm vi rộng tùy thu ộc vào một loạt yếu tố như công ngh ệ, kích thư ớc và hình dạng khuôn đúc, điều kiện v à th ời gian đóng rắn; trạng thái làm vi ệc, đặc điểm và th ời gian tác dụng (dài hạn hoặc ngắn hạn) của tải trọng. T heo thực nghiệm, độ biến đ ộng của c ư ờng độ bê tông mang tính chất ngẫu nhi ên và tuân theo qui lu ật thống kê xác suất. Vì vậy, để đánh giá cư ờng độ b ê tông dùng trong các phương pháp tính toán kết cấu bê tông c ốt thép, ng ư ời ta sử dụng phương pháp xác suất để tiếp cận. Độ biến động của cường độ bê tông được đặc trưng bằng đường cong phân bố cường độ, trong đó trục hoành là cường độ bê tông thu được từ thí nghiêm các mẫu thử, còn trục tung chỉ tần suất xuất hiện giá trị này hoặc giá trị kia của cường độ (hình 1a). a) b) 1 < 2 B min,1 > B min,2 Tần suất n Bmin,2 t.  B min,1 Cường độ chịu nén MPa c) d) Bmin, 0.05 = B m - t.  t.  t . Bmax, 0.95 = Bm + t.  Hình 1. Đồ thị kết quả thực nghiệm khi thí nhiệm cường độ bê tông (a), các đường cong phân bố chuẩn của cường độ bê tông (b, c) và quan hệ “p – t ” (d) Trên cơ s ở đư ờng cong thu đư ợc có thể đưa ra các đặc trưng thố ng kê như sau: - Cư ờng độ trung bình
n1B 1  n 2 B 2  ...  n n B n (1) Bm  n1  n 2  ...  n n - Đ ộ phân tán giá trị ngẫu nhiên so v ới giá trị kỳ vọng: 2 2 2 n 1 B 1  B m   n 2  B 2  B m   ...  n n B n  B m  (2) D B i   n 1 (n = n1 + n2+…+nn) - Đ ộ lệch quân phương hay c òn gọi là đ ộ lệch chuẩn đư ợc xác định bằng giá trị dương c ủa căn bậc hai của độ phân tán):   D Bi  (3) Độ phân tán và độ lệch chuẩn đặc tr ưng cho sự sai lệch của giá trị ngẫu nhi ên so v ới giá trị trung bình c ủa nó. Đư ờng cong phân bố của c ư ờng độ của bê tông có tính chất đối xứng bởi lẽ các nguy ên nhân gây nên sự sai lệch của c ư ờng độ đó so với giá trị trung bình về phía này hay chi ều kia là g ần tương đương. Đ ư ờng cong đó (hình 1b) đư ợc gọi là đư ờng cong phân bố chuẩn. Cần nhận xét rằng, các đư ờng cong phân bố của c ư ờng độ của b ê tông tiến gần tới trục hoành nhưng không cắt qua nó. Vì vậy, về nguyên tắc, không tồn tại một đại l ư ợng giới hạn xác định (nhỏ nhất và l ớn nhất) của c ư ờng độ b ê tông. Về lý thuyết, ngư ời ta sử dụng hàm s ố phân bố đại lư ợng ngẫu nhiên c ủa Gauss, c òn gọi là đư ờng phân bố chuẩn Gauss có phương trình như sau: 2  B  B   1 (4) i m n B   exp   22  2     Từ đ ư ờng phân bố chuẩn (hình 1c), có thể thấy rằng, c ư ờng độ trung bình B m ứ ng với đỉnh của đư ờng cong này - điểm ứng với tần suất lớn nhất. Các giá trị c òn lại lệch với giá trị cư ờng độ trung bình về phía này hay phía kia. Trong đó, độ lệch càng nhiều thì càng ít gặp khi thí nghiệm. Tóm lại, để sử dụng trong tính toán, cần chỉ định một c ư ờng độ của bê tông thông qua đ ộ lệch so với c ư ờng độ trung bình mà t ần suất xuất hiện của nó đư ợc cho tr ư ớc (hình 1c): (5) B  Bmin,0.05  Bm  t   Trong đó t là s ố đặc tr ưng cho diện tích đư ợc giới hạn bởi trục hoành và đư ờng cong phân bố. Đại lư ợng cư ờng độ có thể đ ư ợc biểu diễn bằng biểu thức:  B  t (6) B m 1 t   Bm Bm  Bm  Tỉ số    gọi l à hệ số biến động của cường độ bê tông. Bm Như v ậy, rất dễ nhận thấy rằng, các đư ờng cong phân bố m à có cùng cư ờng độ trung bình B m có th ể có hình dạng khác nhau (hình 1b) do có hệ số biến động khác nhau. Đư ờng cong với đỉnh thoải hơn có hệ số biến động cao hơn, dẫn đến sự phân tán kết quả cao h ơn. Ngư ợc lại, các đư ờng cong với đỉnh nhọn hơn có hệ số biến động nhỏ hơn và các k ết quả gần v ới cư ờng độ trung bình h ơn. Vì vậy, ứng với tần suất xuất hiện nhỏ nhất n ào đó cư ờng độ tiêu chuẩn của b ê tông trong trư ờng hợp đư ờng cong phân bố thoải cần phải lấy với giá trị thấp h ơn so v ới trư ờng hợp tr ư ờng hợp đư ờng cong nhọn h ơn (hình 1b). T heo [ 4], các đư ờng cong phân bố thu đư ợc từ thực nghiệm mang tính chất kinh nghiệm v à không th ể cho xác suất chính xác về sự xuất hiện giá trị n ày hay giá tr ị kia của c ư ờng độ bê tông. Để xác định các giá trị này, ngư ời ta sử dụng qui luật phân bố chuẩn của nh à k hoa học Gauss. Từ qui luật n ày ngư ời ta định ra giá trị ti êu chuẩn của cư ờng độ b ê tông B thỏa m ãn xác su ất cho tr ư ớc p nào đó, xác s uất này quy ết định thông số t mà ứ ng với nó c ư ờng độ của bê tông không th ấp h ơn giá tr ị tiêu chuẩn. Để xác định cư ờng độ t iêu chu ẩn của bê tông, TCXDVN 356 : 2005 sử dụng xác suất không nhỏ hơn 95%: nghĩa là không ít hơn 95 giá tr ị trong số 100 giá trị c ư ờng độ sẽ lớn h ơn giá tr ị cư ờng độ tiêu chu ẩn. Theo [3] thì xác suất này là r ất cao v à cho kết cấu một dự trữ an toàn về cư ờng độ (độ bền). Khi đó, ứng với xác suất 95% này thì thông s ố t = 1,64 (hình 1d) và quan hệ giữa cư ờng độ trung bình B m và cư ờng độ tiêu chu ẩn B có thể đư ợc viết như sau: B  Bm 1  1,64  (7) Để tìm đư ợc hệ số  đ áng tin c ậy thì s ố lư ợng mẫu thử n phải đủ lớn. Trong tr ư ờng hợp thiếu số liệu có thể lấy giá trị của  theo các nghiên c ứu thống kê có sẵn. TCXDVN 356 : 2005 qui định với b ê tông đư ợc chế tạo trong điều kiện công nghệ ổn định có kiểm tra về th ành phần lấy  = 0,135 cho trư ờng hợp chịu nén và  = 0,165 cho trư ờng hợp chịu kéo. Với công nghệ tốt h ơn m ức vừa nêu thì 
có th ể giảm xuống đến 0,12 hoặc 0,10; c òn ngư ợc lại, nếu điều kiện công nghệ là kém ổn định thì  tăng lên đến 0,15 hoặc hơn n ữa. Khi kiểm soát giá trị cư ờng độ của cấp bê tông nào đó, vi ệc lựa chọn kích thư ớc mẫu thử chuẩn để đánh giá c ũng l à m ột vấn đề có nhiều quan niệm khác nhau. Các qu ốc gia khác nhau có quan điểm khác nhau (xem bảng 1). Bảng 1. Hình dạng và kích thước hình học của các mẫu t hử dùng để đánh giá cường độ bê tông T iêu chu ẩn L oại mẫu; đặc trưng cần kiểm Kích thư ớc, mm Đặc trưng, tiêu chu ẩn tra L ập phương; Cư ờng độ trung Chuẩn:150x150x150 Cấp độ bền SNIP 2.03.01-84*; T CXDVN 356 : bình, cư ờng độ tối thiểu 2005 T ham khảo: 100x100x100 200x200x200 E C2; ENV 206 (ISO T rụ; c ường độ trung bình, Chuẩn:150x300 Cư ờng độ tiêu chuẩn cư ờng độ tối thiểu (cường độ đặc trung, 1920, 4020); T ham khảo: 100x200 cường độ y êu cầu) DIN 1045-1; 1999- 2; BS 8110; ACI L ập phương: cư ờng độ trung T ham khảo 150x150x150 Cấp độ bền 318-95 bình, cư ờng độ tối thiểu Cần nhận thấy rằng, vấn đề lựa chọn hình dạng và kích thước mẫu thử là vấn đề có nhiều quan điểm khác nhau không chỉ trong việc qui định trong các tiêu chuẩn về cường độ bê tông, mà còn trong việc thiết lập phương pháp và trình tự thống nhất về biểu đồ biến dạng của bê tông. Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng mẫu trụ và lăng trụ. T hông thư ờng, mẫu lăng trụ đư ợc chế tạo theo ph ương nằm ngang, trong khi đó mẫu trụ đư ợc chế tạo theo phương th ẳng đứng. Sự khác biệt về hình dạng v à kích thư ớc của mẫu thử, cũng nh ư phương đổ bê tông trong nhi ều trư ờng hợp có ảnh hư ởng lớn tới không chỉ hệ số tương quan giữa cư ờng độ m ẫu lập ph ương và mẫu lăng trụ hoặc mẫu trụ (có thể gọi là hệ số lăng t rụ hoặc trụ) m à còn t ới cả bi ểu đồ biến dạng của bê tông. T hực nghiệm chứng minh rằng, đối với các mẫu thử có c ùng diện tích tiết diện ngang, c ư ờng độ tức thời giới hạn giảm xuống khi chiều cao mẫu thử tăng (hình 2). Trong khi đ ó, khi tỉ số l / d (ho ặc h / b ) không đổi, các mẫu thử có kích th ư ớc nhỏ có cư ờng độ cao hơn và tính biến dạng cao h ơn. Đ ối với mẫu lăng trụ, ảnh hư ởng của lực ma sát giữa mặt tiếp xúc của bệ nén (của máy nén) v à c ủa mẫu th ử giảm khi tỉ số h/b tăng và khi h/b = 4 thì giá tr ị cư ờng độ của mẫu thử trở n ên ổn định. Cường độ mẫu trụ (lăng trụ)/ cường độ mẫu lập phương Hình 2. Ảnh hưởng của tỉ số h/b, (l/d) đến cường độ chịu nén một trục của bê tông Các nghiên c ứu trong những năm gần đây của các nh à k hoa học trên cơ s ở thực nghiệm [3] đã chứng m inh rằng mẫu thử hình tr ụ tròn đư ờng kính 150 mm và chi ều cao 300 mm có c ư ờng độ gần tương đương v ới cư ờng độ bê tông trong vùng nén c ủa kết cấu và đ ủ để đánh giá khách quan c ư ờng độ bê tông chịu nén một trục. Vì vậy, ti êu chuẩn của một số nư ớc như Mỹ, châu Âu sử dụng mẫu trụ tr òn này trong tính toán kết cấu bê tông và bê tông c ốt thép. Trong khi đó, các nhà khoa h ọc Nga lại cho rằng, cư ờng độ bê tông trong vùng nén c ủa kết cấu tương đối giống với c ư ờng độ mẫu l ăng tr ụ kích thư ớc 150x150x600 mm v à đã dùng cư ờng độ của m ẫu này trong tính toán kết cấu bê tông c ốt thép trong tiêu chu ẩn SNIP 2.03.01- 84* (đây là tiêu chu ẩn gốc để biên dịch TCXDVN 356 : 2005 của Việt Nam). V ì vậy, về nguyên tắc, tiêu chuẩn TCXDVN 356 : 2005 sử dụng cư ờng độ mẫu lăng trụ chuẩn 150x150x600 mm với xác suất đảm bảo 95% l àm cư ờng độ ti êu chuẩn và đư ợc ký hiệu l à Rbn . Tuy nhiên, ở Việt Nam trong giai đoạn hiện nay, việc ki ểm soát chất lư ợng vẫn đư ợc tiến hành dựa trên mẫu lập p hương chu ẩn 150x150x150 mm. Vì vậy,
tiêu chuẩn TCXDVN 356 : 2005 đưa ra công thức kinh nghiệm (trích từ tiêu chuẩn gốc của Nga CT CíB 1406- 78) xác định t ương quan gi ữa cư ờng độ mẫu lăng trụ và cư ờng độ mẫu lập phương: + Đ ối với bê tông nặng, b ê tông hạt n hỏ, bê tông nhẹ v à bê tông r ỗng: Rbn B  0,77  0,001B  (8) nhưng không nhỏ hơn 0,72. + Đ ối với bê tông t ổ ong: Rbn B  0,95  0,005B  (9) Các giá tr ị Rbn tính theo công thức (8) và (9) đã đư ợc làm tròn và cho trong bảng 12 của tiêu chuẩn TCXDVN 356 : 2005. 2.2. Cường độ tính toán của b ê tông trong phương pháp tr ạng thái giới hạn Như trên đã phân tích, độ biến động của c ư ờng độ b ê tông đư ợc xét đến bằng phương pháp xác s uất. H ơn nữa, trong quá tr ình sản xuất kết cấu (vận chuyển, đổ bê tông, đầm bê tông, đóng r ắn của vữa bê tông v.v…), nhi ều yếu tố có thể ảnh h ư ởng tới cư ờng độ thực tế của bê tông so v ới cư ờng độ tiêu chuẩn. Ngoài ra, cư ờng độ bê tông còn không đư ợc đồng nhất trong c ùng m ột tiết diện, c ũng nh ư theo chi ều dài kết cấu. Việc kể đến ảnh hư ởng này bằng ph ương pháp th ống kê đến nay cũng chưa thể đư ợc vì không đ ủ số liệu về cư ờng độ b ê tông trong kết cấu. Vì vậy, sự sai lệch về c ư ờng độ bê tông trong kết cấu đư ợc kể đến bằng cách đ ưa vào trong tính toán hệ số an to àn (h ệ số độ tin cậy) về vật liệu m > 1. T óm lại, để đảm bảo cho kết cấu có một độ tin cậy y êu c ầu, trong tính toán cần phải sử dụng một đại lư ợng c ư ờng độ tính toán, mà trong phần lớn các trư ờng hợp, không lớn hơn cư ờng độ thực tế có th ể của b ê tông trong kết cấu. Để kể đến khả năng cư ờng độ bê tông thực tế giảm so với cư ờng độ tiêu chuẩn, cũng như cư ờng độ bê tông trong kết cấu có thể khác so với c ư ờng độ các mẫu thử ngư ời ta đưa vào h ệ số độ tin cậy của bê tông. Giá trị cư ờng độ tính toán lấy bằng c ư ờng độ tiêu chuẩn chia cho hệ số độ tin cậy n ày, trong TCXDVN 356 ; 2005 đó là bc khi nén. Ngoài ra, trong tiêu chu ẩn TCXDVN 356 : 2005 còn kể đến các hệ số điều kiện làm vi ệc  bi . 3. Kết luận Cư ờng độ bê tông phụ thuộc v ào rất nhiều yếu tố. Để xác định c ư ờng độ bê tông, ngư ời ta dùng phương pháp xác su ất để tiếp cận. Cấp độ bền của b ê tông trong tiêu chuẩn một số nư ớc như Anh, Nga, Vi ệt Nam đư ợc xác định tr ên m ẫu lập phương chu ẩn kích thư ớc 1 50x150x150 mm v ới xác suất đảm bảo 95%, và đư ợc sử dụng để ki ểm soát chất lư ợng bê tông. Trong khi đó, tiêu chu ẩn một số nư ớc khác như Mỹ, châu Âu sử dụng m ẫu trụ tr òn kích thư ớc 150x300mm và sử dụng trực tiếp c ư ờng độ mẫu này làm cư ờng độ tiêu chuẩn. Trong tính toán kết cấu bê tông và bê tông c ốt thép, ti êu chu ẩn Việt Nam hiện hành TCXDVN 356 : 2 005 sử dụng c ư ờng độ mẫu lăng trụ kích thư ớc 150x150x600 mm l àm cư ờng độ ti êu chuẩn. Để kể đến khả năng c ư ờng độ bê tông thực tế giảm so với cư ờng độ tiêu ch uẩn, cũng như cư ờng độ bê tông trong kết cấu có thể khác so với c ư ờng độ các mẫu thử, ng ư ời ta đưa vào hệ số độ tin cậy của bê tông, hệ số n ày l ớn hơn 1. Ngoài ra, c òn phải kể đến các hệ số điều kiện làm việc. TÀI LIỆU THAM K HẢO TCXDVN 356 : 2005 Kết cấ u bê tông và bê tông c ốt thép. Tiêu chuẩ n thiết kế, NXB Xây dựng, 2005. 1. СниП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. Москва, 1992. 2. ТУР В.В РАК Н.А Прочность и деформации бетона в расчетах конструкции. Брест, БГТУ, 2003. 3. ЗАЛЕСОВ А.С., КОДЫШ Э.Н., ЛЕМЫШ Л.Л., НИКИТИН И.К. Расчет железобетонных 4. конструкций по прочности, трещиностойкости и деформациям. Москва. Стройиздать, 1988. 5. CT-CЭB 1406-78. Конструкции бетонные и железобетонные. Основные положения по проектированию. 6. Железобетонные конструкции. Основы теории, расчета и конструирования. Издательство БГТУ 2003. 7. EN 1992 1-1 : 2004 Eurocode 2 Design of concrete structures Part 1: General rules and rules for Building. 8. BS 8110 Part 1 Structural Use of Concrete. Code for practice and Design and Construction. B ritish Standard Institution, London 1992. 9. ACI 318 – 95 Building code requirements for Reinforced concrete. ACI 318 – 95R and Commentary. American Concrete Institute, Famington Hills, Mich, 1995. 10. DIN 1045-1 Tragenwerke aus beton, Stahlbeton und Spahnbeton Teil 1: Bemessing und Konstruktion, Berlin, 1998.