ĐÁNH GIÁ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH QUA CÔNG TÁC THÍ NGHIỆM

Chia sẻ: NGÔ ANH DŨNG | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

199
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thực tế thiết kế và thi công bê tông cốt thép (BTCT) ở Việt Nam và nước ngoài cho thấy một số ít trường hợp phải tiến hành thử tải kết cấu (hoặc tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm) nhằm đánh giá và khẳng định khả năng chịu lực của chính kết cấu đó. Nhiều nghiên cứu (Bungey và Millard 1996; Menzies et. al. 1984; Vương Hách 2000 v.v.)

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: ĐÁNH GIÁ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH QUA CÔNG TÁC THÍ NGHIỆM

ĐÁNH GIÁ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH QUA CÔNG TÁC THÍ NGHIỆM 1. MỞ ĐẦU Thực tế thiết kế và thi công bê tông cốt thép (BTCT) ở Việt Nam và nước ngoài cho thấy một số ít trường hợp phải tiến hành thử tải kết cấu (hoặc tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm) nhằm đánh giá và khẳng định khả năng chịu lực của chính kết cấu đó. Nhiều nghiên cứu (Bungey và Millard 1996; Menzies et. al. 1984; Vương Hách 2000 v.v.) đều có nhận xét rằng thí nghiệm thử tải kết cấu không những kiểm tra và khẳng định các kết quả tính toán kết cấu mà còn giúp chủ công trình và các cơ quan hữu quan tự tin khi nghiệm thu và đưa công trình vào sử dụng. Có thể phân chia thí nghiệm thử tải kết cấu làm 3 loại sau: (i) Thí nghiệm thử tải thực hiện trên kết cấu thực tại hiện trường, phần lớn là những thí nghiệm không phá hoại; (ii) Thí nghiệm thực hiện trên kết cấu hay cấu kiện được cắt ra từ hệ kết cấu đã hay đang thi công, thường là các thí nghiệm phá hoại hay thí nghiệm tải trọng tới hạn; (iii) Thí nghiệm trên các mô hình thu nhỏ của kết cấu thực, được thực hiện trong phòng thí nghiệm (thí nghiệm phá hoại). Thí nghiệm loại này thường thực hiện trong giai đoạn thiết kế (đối với các công trình quan trọng) nhằm lựa chọn giải pháp kết cấu và khẳng định các kết quả tính toán. Khác với thí nghiệm nén tĩnh cọc, thí nghiệm thử tải kết cấu tại hiện trường được tiến hành tại công trình và chủ yếu là thí nghiệm không phá hoại. Thí nghiệm thử tải được chỉ định tiến hành ở các khu vực bị nghi ngờ về khả năng chịu lực hay ở các khu vực chịu tải lớn và quan trọng. Thí nghiệm thử tải kết cấu tại hiện trường có thể gồm thí nghiệm thử tải tĩnh và thí nghiệm thử tải động. Thí nghiệm thử tải tĩnh thường được thực hiện tại hiện trường để đánh giá tính năng kết cấu. Song, đối với một vài trường hợp: khi tải trọng tác dụng động vượt trội so với tải trọng tác dụng tĩnh, thí nghiệm thử tải động có thể phải tiến hành để đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu. Khi tiến hành thí nghiệm thử tải tĩnh kết cấu tại hiện trường, khả năng chịu lực của kết cấu được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn sau: (i) Tải trọng thực tế lớn nhất mà kết cấu có thể xem là chịu được khi thí nghiệm; (ii) Biến dạng (độ võng, gúc xoay v.v.) lớn nhất (iii) Bề rộng vết nứt lớn nhất. V-1
Bài viết này chủ yếu tập trung vào vấn đề thử tải tĩnh kết cấu tại hiện trường, bao gồm: quy trình thử tải (trong đó có xác định tải trọng thí nghiệm, cách gia tải kết cấu, phương pháp theo dõi độ võng, sự phát triển vết nứt) và đánh giá kết quả thí nghiệm. 2. THÍ NGHIỆM THỬ TẢI KẾT CẤU BTCT TẠI HIỆN TRƯỜNG Mục tiêu chính của công tác thí nghiệm thử tải kết cấu tại hiện trường là chứng minh tính năng chịu tải của kết cấu ở ngưỡng lân cận dưới hay trên tải trọng làm việc quy định bởi thiết kế. Tính năng chịu tải của kết cấu thường được đánh giá thông qua số đo độ võng, bề rộng và mật độ khe nứt dưới tác dụng của tải trọng chất lên kết cấu. Sự cần thiết của thí nghiệm thử tải xuất phát từ sự không tin cậy vào chất lượng thi công hoặc thiết kế, hay khi xuất hiện một số hư hỏng cục bộ trên kết cấu. Có thể nói đây là phương pháp kiểm tra và đánh giá khả năng chịu lực hữu hiệu, đặc biệt đối với các kết cấu nhạy cảm mà sự an toàn liên quan đến toàn xã hội và quảng đại quần chúng. Tuy nhiên, cần chú ý rằng do sự tốn kém về kinh phí, thời gian, sự an toàn của kết cấu và những người tham gia thí nghiệm, thí nghiệm thử tải kết cấu tại hiện trường thường là sự lựa chọn cuối cùng khi những tính toán và phân tích kết cấu không thoả mãn các yêu cầu đặt ra đối với kết cấu. 2.1. Quy trình thử tải 2.1.1. Các vấn đề chung Thí nghiệm thử tải không nên tiến hành trước khi bê tông đạt 28 ngày tuổi, trừ khi có những bằng chứng chứng tỏ rằng bê tông đó đạt cường độ thiết kế như tại 28 ngày tuổi. Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-02 quy định thí nghiệm chỉ tiến hành khi bê tông đạt 56 ngày tuổi trừ phi có sự thương lượng giữa chủ công trình, nhà thầu thiết kế và nhà thầu thi công. Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 363:2006 “Kết cấu BTCT – đánh giá độ bền của các kết cấu chịu uốn trên công trình bằng phương pháp thí nghiệm chất tải tĩnh” yêu cầu bê tông phải đạt ít nhất 56 ngày tuổi. Trong trường hợp được chủ đầu tư và các bên liên quan đồng ý việc thử tải có thể tiến hành sớm hơn nhưng tuổi của bê tông không dưới 28 ngày. Tiêu chuẩn Anh BS 8110 - Phần 2 và Tiêu chuẩn Trung Quốc cho phép tiến hành thí nghiệm thử tải hiện trường (gọi tắt là thử tải) khi bê tông đạt 28 ngày tuổi. Công tác chuẩn bị để thử tải phải được thực hiện để đảm bảo an toàn cho người và cho kết cấu kể cả trong trường hợp kết cấu bị sụp đổ trong quá trình khi thí nghiệm. Ngoài ra, các công tác chuẩn bị cũng phải đảm bảo rằng: (i) Khi chất tải thí nghiệm, tải trọng chất lên kết cấu đúng bằng tải trọng tính toán cho kết cấu thí nghiệm (ii) Kết cấu thử tải phải thực sự chịu tải trọng này khi thí nghiệm. V-2
Việc lựa chọn kết cấu hay cấu kiện để thử tải cần phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa các bên liên quan (bao gồm: Chủ công trình, tư vấn thiết kế (TVTK), nhà thầu thi công v.v.), căn cứ vào sơ đồ chịu tải, chất lượng thi công thực tế, tầm quan trọng của kết cấu đến an toàn và hoạt động của toàn bộ công trình, và các vấn đề về kinh tế, kỹ thuật khác. Do thí nghiệm thử tải kết cấu tại hiện trường chủ yếu là các thí nghiệm không phá hoại, nên thí nghiệm phải được thực hiện bởi nhà thầu có đủ năng lực theo quy định hiện hành. Cán bộ chủ trì công tác thí nghiệm phải là kỹ sư kết cấu có kinh nghiệm trong lĩnh vực này. Cần thiết phải tính toán, phân tích ứng xử của kết cấu trước khi tiến hành thí nghiệm. Việc phân tích này giúp dự báo sự làm việc của kết cấu và có thể lường trước những ứng xử khác thường của kết cấu trong quá trình thí nghiệm. Phần tĩnh tải tác dụng lên kết cấu phải được chất đủ tải lên kết cấu 48h truớc khi thử tải để đảm bảo yêu cầu tối thiểu về hiệu ứng lâu dài của tải trọng dài hạn tác dụng lên kết cấu. 2.1.2. Công tác chuẩn bị (1) Trước khi tiến hành thí nghiệm thử tải, bắt buộc phải có hệ thống chống đỡ kết cấu phòng ngừa xảy ra phá hoại bất ngờ nhằm đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị thí nghiệm. Hệ chống đỡ bao gồm dàn giáo, sàn thao tác và các kết cấu tạm thời khác. Hệ chống đỡ này phải được đặt cách kết cấu một khoảng lớn hơn chuyển vị tính toán lớn nhất của kết cấu dự kiến xảy ra trong quá trình thí nghiệm nhưng không được nhỏ hơn 50mm. Hệ chống đỡ phải được tính toán an toàn, đủ độ bền và ổn định để có khả năng chống đỡ tải trọng bằng 2 lần tổng tải trọng của kết cấu hay bộ phận kết cấu thử tải và tải trọng chất tải khi thử tải gây ra để đề phòng trường hợp kết cấu bị sụp đổ (Bungey và Millard 1996). Tuy nhiên, TCXDVN 363:2006 quy định hệ số an toàn về tải trọng là 2,5 (cao hơn so với BS 8110) đối với hệ chống đỡ. Ngoài ra, cần thiết phải có biện pháp và phương tiện dỡ tải nhanh và các biện pháp đảm bảo an toàn khác cho kết cấu khi phát hiện các dấu hiệu cần dừng thí nghiệm. Vấn đề bố trí và phân bố tải trọng phải được xem xét sao cho khi chất tải phải đảm bảo đủ tải trọng tác dụng lên khu vực cần thử tải. Vì vậy, cần nghiên cứu kỹ bản vẽ thiết kế và sơ đồ tính toán kết cấu để bố trí chất tải và phân tải. Trong một số trường hợp để đảm bảo đủ tải trọng tác dụng lên dầm cần thử, cần thiết phải cưa sàn để thoả mãn giả thiết của mô hình tính toán, hay phải chất tải ở một vùng lớn hơn để đủ tải trọng chất lên dầm cần thử. V-3
Trong trường hợp có tải trọng tập trung lớn, cần thiết phải bố trí theo dõi độ võng của kết cấu cần thử và kết cấu lân cận, đặc biệt quan tâm đến sự chênh lệch chuyển vị giữa các kết cấu này. Ngoài ra, cũng cần phải kiểm tra khả năng chịu cắt của kết cấu sao cho luôn đảm bảo không bị phá hoại giòn do cắt trước khi xảy ra phá hoại do uốn. Phải kiểm tra hiện trạng kết cấu để không có một kết cấu không chịu lực nào tham gia đỡ kết cấu cần thử. (2) Quét vôi trắng các kết cấu/cấu kiện cần quan trắc. Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm. (3) Quan trắc và ghi nhận hiện trạng kết cấu trước khi thử tải, bao gồm đánh dấu vị trí vết nứt và đo bề rộng vết nứt, chụp ảnh toàn thể và khu vực kết cấu trước khi thử tải. (4) Lập quy trình an toàn lao động. (5) Chuẩn bị đầy đủ vải bạt, ni-lon hoặc các phương tiện khác để che phủ vật liệu làm tải khi mưa (nếu ở ngoài trời) nhằm làm giảm khả năng tăng tải tác dụng lên kết cấu do thấm nước. (6) Kiểm tra hệ thống chống đỡ, chiếu sáng và biện pháp dỡ tải nhanh. 2.1.3. Xác định tải trọng thí nghiệm Tải trọng thí nghiệm là một trong các Tiêu chí quan trọng để đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu. Vì vậy, xác định đúng tải trọng thí nghiệm rất cần thiết cho công tác đảm bảo an toàn cho con người và kết cấu khi thí nghiệm, cũng như việc đánh giá khả năng chịu lực thực tế của kết cấu. Đối với kết cấu thí nghiệm, có 2 loại tải trọng cần phân biệt rõ khi lập quy trình thử tải và khi thí nghiệm, bao gồm: a) tải trọng thực tế (qact) lớn nhất cho phép tác dụng lên kết cấu trong quá trình thí nghiệm; b) tải trọng thí nghiệm (qtest). Trong đó, qact bằng tổng của toàn bộ tĩnh tải và các loại tải trọng khác có sẵn tác dụng lên kết cấu trước khi thí nghiệm (phần tải trọng này gọi là q0) và tải trọng thí nghiệm qtest. Tải trọng thí nghiệm qtest là tải trọng phụ thêm do hoạt tải hay các loại tải trọng ngắn hạn khác tác dụng lên kết cấu trong quá trình sử dụng do yêu cầu của thiết kế hay yêu cầu sử dụng công trình. Trong trường hợp phải bù tĩnh tải, phần tĩnh tải chất thêm phải được chất đủ 48h trước khi thí nghiệm (xem 2.1.1), và phần bù này tính thêm vào giá trị của q0. Muốn xác định được qtest , cần thiết phải xác định qact và q0. Giá trị của q0 tính toán dựa theo thực tế kết cấu trước khi thí nghiệm (có kể thêm cả phần tĩnh tải phụ thêm nếu có). Giá trị của qact xác định căn cứ theo quy định của thiết kế, theo Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng cho kết cấu thử, được chủ công trình và các bên liên quan chấp nhận. Trong một số ít trường hợp, qact có thể lấy theo yêu cầu của chủ dầu tư (như trường hợp cần xem xét để tăng tải trọng sử dụng). Tuy nhiên phải có các số V-4
liệu và phân tích thận trọng về dự đoán khả năng chịu lực tới hạn của kết cấu trước khi tiến hành thử tải. Trong trường hợp nhà thiết kế không đưa ra các quy định nào về giá trị của qact , giá trị của qact có thể xác định theo một trong các phương án sau tuỳ thuộc vào Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng: (a) Lấy bằng tổng tải trọng Tiêu chuẩn tác dụng lên kết cấu (đối với các loại Tiêu chuẩn thiết kế, TCVN (điều kiện dưới), Trung Quốc, DIN 1045, BS 8110 (điều kiện dưới) v.v.). (b) Theo TCXDVN 363:2006, qact không nhỏ hơn 90% tải trọng tính toán (đó nhân với hệ số vượt tải), khi thiết kế theo TCVN 5574:1991 hoặc TCXDVN 356:2005 và TCVN 2737:1995. (c) Theo BS 8110: điều kiện dưới không nhỏ hơn tổng tải trọng Tiêu chuẩn tác dụng lên kết cấu; thông thường qact lấy bằng: Tĩnh tải (DL) + 1,25 * hoạt tải (LL) hoặc 1.125 * (DL + LL) Ghi chú: hệ số vượt tải của Tiêu chuẩn Anh là 1,4 và 1,6 đối với tĩnh tải và hoạt tải). (d) Theo ACI 318-02: qact = 0,85*(1,4*DL + 1,7*LL). Ghi chú: Trong trường hợp thiết kế đó xem xét trường hợp giảm hoạt tải trên diện tích lớn trong tính toán, khi tính toán xác định qact (tải trọng thực tế lớn nhất cho phép tác dụng lên kết cấu trong quá trình thí nghiệm) phải xét đến hiệu ứng giảm tải này để tránh cho kết cấu bị vượt tải khi thí nghiệm. Tải trọng thí nghiệm qtest bằng hiệu số giữa qact và q0. 2.1.4. Phương án và sơ đồ gia tải Phương án và sơ đồ gia tải phải là các phương án tải trọng bất lợi nhất tác dụng lên kết cấu. Khi lập quy trình thí nghiệm, có thể phải lập phương án và sơ đồ chất tải cho tất cả các phương án tải trọng bất lợi. Phải tính toán bố trí cách chất tải và dỡ tải sao cho có thể thực hiện được việc gia tải của các phương án tải trọng thuận tiện, tiết kiệm thời gian, chi phí và nhân lực. 2.1.5. Vật liệu làm tải trọng Khi gia tải lên kết cấu, có thể sử dụng các vật liệu làm tải trọng như: nước, cát, gạch, và các vật nặng bao gồm bao xi măng, bao cát có khối lượng quy ước (thông thường là 50kg), các khối sắt (quả gang) hay khối bê tông chuẩn v.v. V-5
Các vật nặng dùng để chất tải phải có hình dạng và kích thước hình học tương đối giống nhau. Trọng lượng của mỗi vật nặng không khác biệt với trọng lượng quy ước là 5%. Không nên sử dụng các vật liệu dễ hút ẩm làm vật chất tải. Phải đảm bảo tổng tải trọng tác dụng lên kết cấu lớn hơn hoặc bằng qact song phần tải trọng thí nghiệm qtest không vượt quá 5% giá trị dự kiến. 2.1.6. Thiết bị đo và công tác đo, đọc số liệu Các thiết bị đo phải dược bố trí, lắp đặt thuận tiện cho việc đọc và theo dõi số liệu trong quá trình thí nghiệm. Nếu có điều kiện, nên sử dụng thêm các thiết bị có khả năng theo dõi từ xa như các đầu đo chuyển vị LVDT, máy toàn đạc điện tử v.v. Các thiết bị đo phải được kiểm định thường xuyên. Đối với các thiết bị đo chuyển vị nên lựa chọn thiết bị đảm bảo sai số nhỏ hơn ±2% tổng giá trị độ võng cần đo. Trước khi thí nghiệm, cần kiểm tra chứng chỉ kiểm định hợp lệ của các thiết bị đo và phải đo thử ở ngoài trước khi lắp đặt vào vị trí đo trong quá trình thí nghiệm. Tại các khu vực quan trọng, nên bố trí nhiều các thiết bị đo độ võng và biến dạng. Các giá trị của các đầu đo phải được đọc và ghi nhận chậm nhất 1h trước khi chất tải. Nên, đọc và ghi các số liệu ban đầu của các đầu đo cùng lỳc với khảo sát và ghi nhận hiện trạng của kết cấu trước khi chất tải. Khi đọc và ghi các số liệu của các đầu đo, ngoài nhà thầu thí nghiệm cần có các bên như đại diện chủ đầu tư, bên thứ ba (như TVTK, tư vấn giám sát, nhà thầu thi công v.v.) kiểm tra và giám sát. 2.1.7. Trình tự chất và dỡ tải Trình tự chất tải dỡ tải phải được nghiên cứu phối hợp theo các phương án và sơ đồ tải trọng thí nghiệm sao cho tiết kiệm được nhân lực và thời gian. Có thể xem xét trường hợp khi dỡ tải của phương án tải trọng này lại là chất tải của phương án tải trọng khác (đối với dầm liên tục) để tiết kiệm thời gian gia tải. Tải trọng thí nghiệm thông thường được chất theo từng cấp xấp xỉ bằng nhau (nhưng không ít hơn 4 cấp). Nên chia nhỏ cấp tải nếu có thể, đặc biệt ở giai đoạn cuối, gần sát với tải trọng thí nghiệm. Khi gia tải tránh gây hiệu ứng động cho kết cấu. V-6
Sau mỗi cấp chất tải, giữ tải 60 phút hoặc đến khi số đọc của các đồng hồ đo ổn định. Đọc số đo chuyển vị, biến dạng tại các vị trí cần theo dõi, quan trắc sự hình thành, phát triển và đo bề rộng khe nứt. Sau mỗi cấp chất tải phải tiến hành kiểm tra kỹ lưỡng kết cấu thử để phát hiện các biểu hiện bất thường như độ võng phát triển nhanh, nhiều vết nứt mới hình thành, bề rộng khe nứt vượt quá giới hạn cho phép, vết nứt xiên ở vùng chịu cắt, hiện tượng bong tách bê tông, bê tông có khả năng phá hoại ở vùng chịu nén v.v. Trong các trường hợp này, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng khi quyết định chất tải thêm. Cáp tải trọng khi chất tải thêm nên nhỏ hơn so với cấp tải trọng dự kiến. Sau khi chất tải tới tải trọng thí nghiệm qtest, giữ tải 24h. Đo chuyển vị và biến dạng của kết cấu, quan trắc sự phát triển và đo bề rộng vết nứt ngay sau khi đã giữ tải được 24h. Trong thời gian 24h giữ tải, cần theo dõi kết cấu định kỳ đề phòng các trường hợp phá huỷ có thể xảy ra, ghi số liệu định kỳ trong khoảng thời gian cách nhau 2h. Ngay sau khi đạt 24h giữ tải, dỡ 50% tải trọng thí nghiệm. Giữ tải khoảng 1h, đọc và ghi các số đo về đọ võng, biến dạng và bề rộng khe nứt theo trình tự như khi chất tải. Dỡ tiếp 100% tải trọng thí nghiệm. Tiến hành ghi các số liệu thí nghiệm ngay sau khi dỡ 100% tải trọng. Hai tư giờ sau khi toàn bộ tải trọng thí nghiệm đã được dỡ bỏ, đọc và ghi toàn bộ các số liệu thí nghiệm để xác định độ võng dư. 2.2. Đánh giá kết quả thí nghiệm Kết cấu được coi là đạt yêu cầu thử tải nếu thoả mãn các điều kiện sau đây (điều (1) đến (5)): (1) Kết cấu không bị phá hoại hay mất ổn định cục bộ hoặc tổng thể. (2) Tải trọng thực tế lớn nhất tác dụng lên kết cấu trong quá trình thí nghiệm phải đạt giá trị qact. (2) Bề rộng khe nứt không vượt quá giá trị cho phép theo quy định của tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5574:1991 hoặc TCXDVN 356:2005). (3) Độ võng toàn phần của kết cấu ở giữa nhịp (bao gồm cả độ võng do tĩnh tải trước đó đó có, được xác định theo tính toán) phải nhỏ hơn giá trị độ võng cho V-7
phép của kết cấu/cấu kiện trong thời gian ngắn (quy định bởi tiêu chuẩn thiết kế áp dụng hoặc do nhà thiết kế quy định). (4) Chuyển vị/độ võng lớn nhất của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thí nghiệm qtest phải: (i) nhỏ hơn l2/(20000 h) trong đó l là nhịp dầm, h là chiều cao dầm; (ii) khi điều kiện (i) không thoả mãn, chuyển vị phục hồi của kết cấu phải đạt ít nhất 75% giá trị chuyển vị tương ứng lớn nhất của kết cấu ghi nhận trong quá trình thí nghiệm. 2.3. Báo cáo kết quả thử tải Nội dung và cấu trúc của báo cáo như sau: Trang bìa báo cáo. Mô tả công trình. Mô tả đối tượng thử tải và thiết bị thí nghiệm. Quy trình và kết quả thử tải. Nhận xét về kết quả thử tải. Kết luận và kiến nghị. Các tài liệu tham khảo. Các hình vẽ, bảng biểu. Các kết quả tính toán. Các số liệu phụ trợ khác. Các văn bản liên quan đến việc thí nghiệm thử tải. 3. THÍ NGHIỆM TẢI TRỌNG TỚI HẠN Thí nghiệm tải trọng tới hạn được chia làm 2 trường hợp: (1) thí nghiệm kiểm nghiệm chất lượng cấu kiện bê tông đúc sẵn (2) thí nghiệm tính năng kết cấu từ cấu kiện tách ra khỏi công trình hoặc thí nghiệm trên mô hình thu nhỏ của kết cấu. Thí nghiệm tải trọng tới hạn thường được thực hiện trong phũng thí nghiệm. Hai trường hợp thí nghiệm (1) và (2) chỉ khác nhau ở phương pháp lấy và chế tạo mẫu thí nghiệm, quá trình thí nghiệm kết cấu, đánh giá kết quả thí nghiệm là hoàn toàn như nhau. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng trường hợp (2) chỉ nên thực hiện khi không thể tiến hành thí nghiệm thử tải hiện trường. Đối với các công trình đặc biệt quan trọng cần thiết phải thí nghiệm mô hình để kiểm tra phương pháp và kết quả tính toán, hay trong một số trường hợp đặc biệt phải tiến hành thí nghiệm tới hạn để tìm hiểu cơ chế sảy ra sự cố. 3.1. Phương pháp chống đỡ và bố trí đồng hồ đo Phương pháp chống đỡ và bố trí đồng hồ đo tương tự như cách tiến hành các thí nghiệm kết cấu khác trong phũng thí nghiệm. Kỹ sư chủ trì công tác thí V-8
nghiệm chịu trách nhiệm lập đề cương, cách bố trí sơ đồ thí nghiệm và tổ chức thực hiện thí nghiệm. 3.2. Phương thức gia tải Có thể gia tải bằng các vật nặng (các thái gang, các khối gạch Tiêu chuẩn, các bao cat hay bao xi măng có cùng một trọng lượng và kích thước v.v.) hay bằng kích. Phương pháp gia tải bằng kích hay được sử dụng khi thực hiện thí nghiệm tải trọng tới hạn. 3.3. Tải trọng thí nghiệm, cấp gia tải và thời gian duy trì tải trọng Tải trọng thí nghiệm qtest tác dụng lên kết cấu (bao gồm cả trải trọng bản thân của kết cấu thí nghiệm) lấy lớn hơn hoặc bằng tổng tải trọng tính toán tác dụng lên kết cấu. Có thể tiến hành thí nghiệm cho đến khi kết cấu bị phá hoại. Gia tải thí nghiệm theo từng cấp. Cấp gia tải nên lấy bằng 10%*qtest. Nên giảm cấp gia tải hay gia tải theo độ võng khi kết cấu ở ngưỡng trạng thái phá hoại. Sau khi hoàn thành mỗi cấp gia tải, giữ tải từ 5 đến 15 phút, đọc các số đo độ võng, biến dạng, khe nứt v.v. Khi gần ở giai đoạn phá hoại, chỉ theo dõi độ võng, biến dạng, không khảo sát nứt. Ngoài ra, cần có biện pháp đảm bảo an toàn cho những người tham gia thí nghiệm và các thiết bị thí nghiệm khi sảy ra phá hoại kết cấu. 3.5. Tiêu chí đánh giá Kết cấu được coi là bị phá hoại (đạt tới trạng thái tới hạn) nếu một trong những biểu hiện sau đây sảy ra: (1) Bề rộng khe nứt ở chỗ cốt thép chủ lên tới 1,5mm (Tiêu chuẩn Trung Quốc). (2) Bê tông vùng nén bị phá hoại. (3) Độ võng lên tới 1/50 nhịp (Tiêu chuẩn Trung Quốc), 1/40 nhịp (Tiêu chuẩn Anh). (4) Kéo đứt cốt thép chủ (đối với thép cường độ cao không có vùng chảy dẻo). (5) Vết nứt xiên ở vùng bụng lên tới 1,5mm (chịu cắt). Tải trọng thí nghiệm lớn nhất đạt được trong quá trình thí nghiệm phản ánh khả năng chịu lực thực tế của kết cấu ở trạng thái tới hạn. Các nghiên cứu ở Anh cho thấy nếu tải trọng thí nghiệm vượt 5% tải trọng thiết kế (tải trọng đặc trưng nhân với hệ số vượt tải) thí kết cấu thoả mãn yêu cầu đối với trạng thái giới hạn cực hạn (Bungey và Millard 1996). V-9
4. MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ 4.1. Thí nghiệm thử tải hiện trường hệ dầm BTCT (Hà Nội 2002) Năm 2002, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD) thực hiện thí nghiệm thử tải hiện trường đối với hệ dầm BTCT của một công trình lớn tại Hà Nội. Mục đích của việc thí nghiệm thử tải hiện trường là đánh giá và khẳng định khả năng chịu lực của hệ dầm này sau khi được thi công lại do loại bỏ một đoạn dầm có bê tông bị rỗ và kém chất lượng. Thầu TVTK là cơ quan yêu cầu thí nghiệm thử tải. Tải trọng thí nghiệm lớn nhất tác dụng lên dầm, độ võng lớn nhất cho phép và giới hạn bề rộng khe nứt quy định bởi TVTK. Viện KHCNXD đó lập quy trình thí nghiệm thử tải. Quy trình này đó được TVTK, tư vấn giám sát và Chủ đầu tư chấp nhận. Viện cũng đó tiến hành thử tải. Có 3 phương án gia tải bất lợi đối với kết cấu: (i) Phương án chất tải 2 nhịp biên (ii) phương án chất tải tất cả các nhịp (iii) phương án chất tải chỉ cho nhịp giữa. Tải trọng được làm bằng các bao cat có trọng lượng xấp xỉ 50kg. Kết quả thử tải cho thấy kết cấu dầm BTCT đảm bảo các yêu cầu về tải trọng, độ võng và bề rộng khe nứt. Tải trọng thí nghiệm lớn nhất chất lên sàn là 600kg/m2 theo đúng quy định của thiết kế. Độ võng lớn nhất tương ứng với cấp tải trọng này (sau 24h giữ tải, phương án gia tải số 2) là 5,55mm thoả mãn yêu cầu của TVTK là 38,67mm và của ACI 318-02 là 7,48mm. Bề rộng khe nứt lớn nhất là 0,30mm nhỏ hơn quy định của thiết kế là 0,35mm. Hình 1 thể hiện hệ chống đỡ kết cấu để đảm bảo an toàn cho kết cấu khi thử tải. Hệ chống đỡ này cách đáy dầm 50mm. Hình 2 là hình ảnh chất tải lên kết cấu ở cấp tải trọng 100% (600kg/m2). Hình 1: Bố trí hệ chống đỡ kết cấu khi thử tải V-10
Hình 2: Chất tải 100% tải trọng thí nghiệm lên kết cấu 4.2. Thí nghiệm thử tải hiện trường hệ dầm BTCT ứng lực trước (Hà Nội, 2005) Viện KHCNXD cũng tiến hành thử tải kiểm tra khả năng chịu lực của hệ dầm BTCT ứng lực trước nhịp 15m, chịu hoạt tải sàn 500 kg/m2. Mục đích của thí nghiệm nhằm khẳng định khả năng chịu lực và độ võng của dầm so với các quy định của thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế. Thí nghiệm được thực hiện theo yêu cầu của Chủ đầu tư và TVTK. Kết cấu dầm được gia tải bằng nước với 6 cấp tải trọng (0,125, 0,250, 0,375, 0,415, 0,455 và 0,5m cột nước). Kết quả thí nghiệm cho thấy kết cấu dầm BTCT ứng lực trước đảm bảo yêu cầu về độ võng và nứt (bề rộng khe nứt nhỏ hơn 0,10mm). Sau khi thí nghiệm, đó dỡ giáo chống đỡ và đưa công trình vào sử dụng, hiện nay hệ kết cấu này làm việc bình thường. Một số hình ảnh thí nghiệm thử tải dầm BTCT ứng lực trước cho trong các Hình 3, 4 và 5. V-11
Hình 3: Chống đỡ kết cấu khi thử tải Hình 4: Bố trí đồng hồ đo độ võng của dầm V-12
Hình 5: Bơm nước gia tải dầm 4.3. Thí nghiệm thử tải hiện trường hệ dầm BTCT nhà công nghiệp (Bắc Ninh, 2005) Năm 2005, Viện KHCNXD chỉ đạo công tác thí nghiệm thử tải đối với hệ dầm-khung BTCT nhịp 9m, nhà công nghiệp 2 tầng, khu công nghiệp Tiên Sơn, Bắc Ninh. Thí nghiệm được thực hiện theo yêu cầu của Chủ đầu tư nhằm khẳng định sự an toàn của kết cấu để có thể thi công tiếp và đưa công trình vào sử dụng. Kết quả thí nghiệm cho thấy kết cấu dầm thoả mãn yêu cầu thiết kế, bao gồm cả tải trọng thí nghiệm, độ võng và khe nứt. Kết cấu được chất tải bằng các bao xi-măng. Hình 6 là các hình ảnh vết nứt dầm BTCT trước khi tiến hành thí nghiệm thử tải. Hình 6: Vết nứt dầm BTCT V-13
5. KẾT LUẬN Bài viết này đã trình bày khi nào và trong trường hợp nào phải áp dụng phương pháp thí nghiệm thử tải kết cấu tại hiện trường. Các yêu cầu khi lựa chọn kết cấu để thí nghiệm, quy trình thử tải, cách xác định tải trọng thí nghiệm theo các Tiêu chuẩn khác nhau, vật liệu làm tải, phương pháp và trình tự chất tải và bố trí các đầu đo độ võng và biến dạng, các Tiêu chí đánh giá đó được trình bày trong bài viết. Phương pháp thí nghiệm tải trọng tới hạn để đánh giá khả năng chịu lực cực hạn của kết cấu cũng được giới thiệu trong bài viết này. Một số ví dụ cụ thể về thí nghiệm tải trọng hiện trường cũng được trình bày để thấy rõ sự cần thiết của phương pháp này khi có các tranh cãi giữa thiết kế, thi công và giám sát về chất lượng công trình. V-14
TÀI LIỆU THAM KHẢO ACI 318 (2002) Building code requirements for structural concrete (ACI 318M- 02) and commentary (ACI 318RM-02) – Metric version. ACI 318 committee, electronic version. Bungey, J. H. and Millard, S.G. (1996) Testing of concrete in structures. Chapman & Hall, printed in Great Britain. 296 pp. BS 8110:1987 Structural use of concrete – Part 2. British Standards Institution, London. Menzies, J. R., Sandberg, A. C. E. and Somerville, G. (1984) Instrumentation of structures. Structural Engineer, 62ê, No. 3, March, 83-86. TCVN 5574:1991 Kết cấu bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế. Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội. TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế. Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội. TCXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế. Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội. TCXDVN 363:2005 Kết cấu bê tông cốt thép, đánh giá độ bền các bộ phận kết cấu chịu uốn trên công trình bằng phương pháp chất tải tĩnh. Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội. Vương Hách chủ biên (2000) Sổ tay xử lý sự cố công trình Xây dựng, tập I, II và III. Bản tiếng Việt, người dịch: Nguyễn Đăng Sơn, Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội. V-15