Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:202

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu xây dựng một mô hình thực nghiệm phù hợp và đảm bảo độ tin cậy nhằm nghiên cứu sự làm việc dài hạn của cấu kiện dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa; nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê tông, sử dụng trong việc tính toán sự làm việc dài hạn của kết cấu dầm BTCT; nghiên cứu xây dựng công thức dự báo chùng ứng suất theo thời gian cho kết cấu dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Nguyễn Mạnh Hùng NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC DÀI HẠN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC GỐI TỰA Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Nguyễn Mạnh Hùng NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC DÀI HẠN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC GỐI TỰA Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1. PGS TS. Nguyễn Trung Hiếu 2. GS TS. Ngô Thế Phong Hà Nội – Năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Hùng
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Trung Hiếu, GS TS. Ngô Thế Phong đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các Thầy, Cô Bộ môn Thí nghiệm và Kiểm định công trình, Phòng thí nghiệm LAS-XD125, Bộ môn Công trình bê tông cốt thép, Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa Đào tạo Sau đại học trường Đại học Xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ môn và Khoa. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên gia đình đã tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh: Nguyễn Mạnh Hùng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ x MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu ........................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 4 4. Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu ........................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ................................... 5 7. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 5 8. Nội dung và cấu trúc của luận án .................................................................. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA BÊ TÔNG VÀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ......................................................................... 7 1.1. Sự làm việc dài hạn của bê tông và kết cấu bê tông cốt thép .......................... 7 1.2. Từ biến của bê tông ......................................................................................... 8 1.2.1. Cơ chế vi mô của từ biến ..................................................................... 9 1.2.2. Thành phần của từ biến ..................................................................... 10 1.2.3. Biểu thức từ biến................................................................................ 12 1.2.4. Ảnh hưởng của từ biến tới ứng xử dài hạn trên kết cấu công trình .. 13 1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới biến dạng từ biến bê tông ........................ 15 1.3. Chùng ứng suất trên kết cấu BTCT ............................................................... 17 1.3.1 Ảnh hưởng của chùng ứng suất tới sự làm việc của kết cấu BTCT .. 18 1.3.2 Cơ chế của chùng ứng suất ............................................................... 19 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chùng ứng suất ....................................... 19
iv 1.3.4 Thí nghiệm về chùng ứng suất ........................................................... 29 1.4. Mối quan hệ giữa chùng ứng suất và từ biến của bê tông ............................. 34 1.5. Phân tích ứng xử dài hạn của kết cấu BTCT làm việc chịu uốn dựa trên cơ sở đặc trưng đàn hồi của bê tông .......................................................................... 35 1.5.1. Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả EMM (Effective modulus method) ........................................................................................................... 35 1.5.2. Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh theo tuổi AEMM (Age-adjusted effective modulus method) (MC 90-93: 2010) .......................... 36 1.5.3. Hàm chùng ứng suất xấp xỉ ARF (Approximate Relaxation Function) (MC 90-93) ....................................................................................................... 38 1.6. Thực tế làm việc của kết cấu dầm BTCT liên quan đến chùng ứng suất trên kết cấu BTCT ....................................................................................................... 39 1.7. Nhận xét chương 1 ........................................................................................ 40 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC GỐI TỰA THEO THỜI GIAN ............................................................................. 42 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán sự làm việc dài hạn của dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa ...................................................................................... 43 2.1.1. Mô hình tính toán dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa ..... 43 2.1.2. Độ cứng của dầm khi làm việc dài hạn ............................................. 46 2.1.3. Chiều dài vùng nứt và độ cứng trung bình của dầm ......................... 49 2.1.4. Phản lực gối tựa và chùng ứng suất trong kết cấu dầm BTCT ......... 50 2.2. Xây dựng công thức xác định chùng ứng suất trên kết cấu dầm BTCT do ảnh hưởng của chuyển vị cưỡng bức gối tựa dựa trên mô hình AEMM có điều chỉnh .................................................................................................................. 51 2.2.1. Xác định phản lực gối tựa dầm theo thời gian .................................. 51 2.2.2. Xây dựng mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già ..................... 54 2.3. Ví dụ áp dụng ........................................................................................... 63 2.4. Nhận xét Chương 2 .................................................................................. 74
v CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC CỦA GỐI TỰA ......... 76 3.1. Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm ........................................................ 76 3.2. Mô hình thí nghiệm .................................................................................. 79 3.3. Bố trí dụng cụ thiết bị đo.......................................................................... 87 3.4. Quy trình thí nghiệm ................................................................................ 90 3.5. Vật liệu chế tạo và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học ................ 95 3.6. Tải trọng thí nghiệm trên hệ dầm BTCT................................................ 101 3.7. Tính toán sự suy giảm phản lực gối tựa dầm theo số liệu thực nghiệm các đặc trưng cơ học của vật liệu sử dụng chế tạo dầm ........................................... 101 3.8. Kết quả thí nghiệm ................................................................................. 102 3.8.1. Chuyển vị của mẫu dầm thí nghiệm do biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt gây ra (nhóm tổ mẫu dầm hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%) ..... 104 3.8.2. Sự thay đổi phản lực gối tựa dầm theo thời gian ............................ 105 3.8.3. Chuyển vị gối tựa dầm theo thời gian ............................................. 109 3.8.4. Ảnh hưởng của sự thay đổi phản lực gối tựa đến biến dạng của bê tông chịu nén và biến dạng kéo của cốt thép vùng kéo .................................. 110 3.9. Nhận xét chương 3 ................................................................................. 111 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................... 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 116 PHỤ LỤC…………………………………………………………………. …...PL1 Phụ lục 1: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ1 = 1,163%) ............................................................................. PL1 Phụ lục 2: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%) ............................................................................. PL2 Phụ lục 3: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ3 = 2,279%) ............................................................................. PL3
vi Phụ lục 4: Kết quả đo chuyển vị do co ngót và sự biến thiên nhiệt độ (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%).............................................................. PL4 Phụ lục 5: Kết quả đo chùng ứng suất trong bản thân thanh thép Ø6 ............... PL5 Phụ lục 6: Kết quả đo hệ số từ biến bê tông ...................................................... PL6 Phụ lục 7: Kết quả thí nghiệm cơ lý bê tông và cốt thép sử dụng cho các mẫu dầm .................................................................................................................... PL7 Phụ lục 8: Chi tiết thiết lập tính lặp trên Matlab, tính hàm chùng ER(t,t0) ........ PL8 Phụ lục 9: Chi tiết thiết lập tính toán sự suy giảm phản lực gối tựa dầm bằng phần mềm Maple ............................................................................................... PL9
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BTCT bê tông cốt thép CƯS chùng ứng suất TCVN tiêu chuẩn Việt Nam ACI tiêu chuẩn Hoa Kỳ EC2 tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 1 độ cong của cấu kiện r b, h chiều rộng, chiều cao tiết diện khoảng cách từ mép chịu kéo của tiết diện đến trọng tâm cốt a thép chịu kéo khoảng cách từ mép chịu nén của tiết diện đến trọng tâm cốt a' thép chịu nén As , As' diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo, nén Ac diện tích tiết diện ngang của bê tông Ared diện tích tiết diện quy đổi B cấp độ bền của bê tông Rb , fc cường độ nén tính toán của bê tông Ec mô đun đàn hồi bê tông Eeff mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh Es mô đun đàn hồi cốt thép C (t , t0 ) , J (t , t0 ) độ từ biến (hàm từ biến riêng)  (t , t0 ) , t hệ số từ biến bê tông u hệ số từ biến cuối cùng  (t , t0 ) hệ số già của bê tông R (t , t0 ) ; ER (t , t0 ) hàm chùng ứng suất t0 thời gian chất tải t thời gian tính toán
viii RH độ ẩm môi trường N/X tỷ lệ nước trên xi măng M crc mô men kháng nứt s hệ số quy đổi cốt thép về bê tông x chiều cao bê tông vùng nén I red mô men quán tính của tiết diện quy đổi D độ cứng của cấu kiện  (t , t0 ) chuyển vị gối tựa RB (t , t0 ) phản lực gối tựa  (t ) biến dạng toàn phần  in (t ) biến dạng ban đầu (đàn hồi)  cr (t ) biến dạng từ biến bê tông  sh (t ) biến dạng co ngót bê tông  th (t ) biến dạng nhiệt   ,c ;  RH ,c ;  s,c ;  ,c hệ số xét đến tuổi chất tải, độ ẩm môi trường, độ sụt, hàm 0 lượng đá trong hỗn hợp, lượng khí trong hỗn hợp, kích thước   a ,c ;  v / s ,c cấu kiện khi tính độ từ biến trong tiêu chuẩn ACI C (,28) giá trị giới hạn độ từ biến theo viện bê tông Nga  c (t , 0 ) hệ số kể đến sự phát triển từ biến theo thời gian trong EC2 D1-10, D2-10, Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt D3-10, D4-10 thép (2Ø10 – μ1 = 1,163 %) D1-12, D2-12, Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt D3-12, D4-12 thép (2Ø12 – μ2 = 1,675 %) D1-14, D2-14, Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt D3-14, D4-14 thép (2Ø14 – μ3 = 2,279 %)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: 1/2 thời gian chùng (r) và phần trăm cuối (Q) ....................................... 21 Bảng 2.1: Kết quả tính toán mô đun đàn hồi và hệ số từ biến bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode 2 (EC2), [49] ................................................................................. 60 Bảng 2.2: Kết quả tính toán hệ số từ biến, hệ số già theo thời gian ....................... 61 Bảng 2.3: Kết quả tính toán độ cứng dầm theo thời gian (cốt thép đơn) ................ 65 Bảng 2.4: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian ........... 66 Bảng 2.5: Kết quả tính toán ứng suất trong cốt thép chịu kéo ................................ 67 Bảng 2.6: Kết quả tính toán độ cứng dầm theo thời gian........................................ 70 Bảng 2.7: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian ........... 70 Bảng 2.8: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian (khi cường độ tính toán của bê tông thay đổi)................................................................. 71 Bảng 2.9: Thay đổi thông số ban đầu của phản lực gối tựa dầm............................ 72 Bảng 2.10: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa tương ứng với 3 giá trị phản lực gối tựa ban đầu thay đổi. ...................................................................... 73 Bảng 2.11: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa tương ứng với 3 hàm lượng cốt thép vùng kéo thay đổi. ............................................................................ 74 Bảng 3.1: Cấp phối vật liệu chế tạo ........................................................................ 95
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Các thành phần biến dạng của bê tông ........................................................ 1 Hình 2: Kết cấu dầm BTCT làm việc dài hạn do chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa liên kết .................................................................................................................. 3 Hình 1.1: Các thành phần độ võng của dầm BTCT………………………………..7 Hình 1.2: Đặc điểm của từ biến [23] ........................................................................ 9 Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc lực dính xi măng [61]...................................................... 10 Hình 1.4: Biến dạng phụ thuộc thời gian trong bê tông [28] ................................. 11 Hình 1.5: Các thành phần từ biến có thể phục hồi và không thể phục hồi [66] ..... 11 Hình 1.6: Biến động của ứng suất theo thời gian do từ biến trên cấu kiện cột chịu tải trọng nén dọc trục [66] ....................................................................................... 14 Hình 1.7: Biến động của mô men uốn theo thời gian do từ biến trên dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa [66] ............................................................................ 14 Hình 1.8: Chùng ứng suất theo thời gian khi biến dạng không đổi [23] ................ 17 Hình 1.9: Tác dụng của chùng ứng suất khi kéo làm kéo dài sự phát triển của vết nứt trong trường hợp co ngót hạn chế [85] ............................................................. 18 Hình 1.10: Ảnh hưởng của tuổi chất tải lên sự chùng ứng suất trong bê tông chịu biến dạng ban đầu bằng nhau [28] .......................................................................... 20 Hình 1.11: Chùng ứng suất ở độ tuổi 2, 7 và 28 ngày [44] .................................... 21 Hình 1.12: Chùng ứng suất và ứng suất dư trong bê tông [28] .............................. 22 Hình 1.13: Kết quả chùng ứng suất sau 72 giờ của vữa sửa chữa, với các mẫu N/X bằng 0,60 và 0,45 [82] ............................................................................................. 23 Hình 1.14: Ảnh hưởng của SF đến chùng ứng suất trên hỗn hợp N/X= 0,4 [28] ... 24 Hình 1.15: Ảnh hưởng của ứng suất ban đầu đến quá trình chùng ứng suất [104] .................................................................................................................................. 25 Hình 1.16: Giảm ứng suất do chùng ứng suất [74] ................................................ 26 Hình 1.17: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chùng ứng suất [28] ................................ 27 Hình 1.18: Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến chùng ứng suất [84] .............. 29
xi Hình 1.19: Thí nghiệm chùng ứng suất trên mẫu bê tông chịu biến dạng kéo [82]30 Hình 1.20: Kết quả thí nghiệm chùng ứng suất sau 3 ngày với tỷ lệ ứng suất thử 80% [89] ................................................................................................................... 30 Hình 1.21: Thí nghiệm chùng ứng suất trên mẫu bê tông chịu biến dạng nén [70] .................................................................................................................................. 31 Hình 1.22: Kết quả thí nghiệm chùng ứng suất trong 168 giờ, với tỷ lệ ứng suất thử 60% [70] ................................................................................................................... 31 Hình 1.23: Thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT dưới tác dụng đồng thời của tải trọng nhiệt và chuyển vị cưỡng bức gối tựa [76] ............................................... 32 Hình 1.24: Sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian của 04 mẫu dầm BTCT thí nghiệm [76] .............................................................................................................. 32 Hình 1.25: Mô hình thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT hai nhịp chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa và tải trọng sử dụng [78] .................................... 33 Hình 1.26: Sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian [78] ................................ 33 Hình 1.27: Chùng ứng suất trong dầm móng BTCT ............................................... 40 Hình 1.28: Chùng ứng suất trong dầm liên kết cột – vách nhà cao tầng ................ 40 Hình 2.1: Chuyển vị cưỡng bức của gối tựa dầm móng BTCT do sự chênh lún giữa các đài móng……………………………………………………………………………….43 Hình 2.2: Chuyển vị cưỡng bức tại gối tựa dầm BTCT (dầm liên kết cột – vách nhà cao tầng) khi có độ chênh co giữa các cấu kiện cột, vách BTCT ............................ 44 Hình 2.3: Sơ đồ tương đương tính toán dầm ........................................................... 44 Hình 2.4: Sơ đồ tính toán dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa .......................... 45 Hình 2.5: Sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm khi chưa nứt [1]........... 46 Hình 2.6: Sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm khi nứt [1].................... 48 Hình 2.7: Sơ đồ phân vùng nứt và không nứt trên dầm .......................................... 49 Hình 2.8: Suy giảm phản lực gối tựa và mô men uốn của dầm theo thời gian ..... 50 Hình 2.9: Sơ đồ tính toán độ cong của dầm theo thời gian..................................... 52 Hình 2.10: Tính toán ER(t,t0) bằng phần mềm Matlab ........................................... 57
xii Hình 2.11: Biểu đồ quan hệ hệ số từ biến bê tông - thời gian................................. 61 Hình 2.12: Biểu đồ quan hệ hệ số già bê tông - thời gian....................................... 62 Hình 2.13: Biểu đồ sự thay đổi của hệ số từ biến, hệ số già của bê tông theo thời gian (trường hợp fc = 30 MPa) ................................................................................ 62 Hình 2.14: Biểu đồ quan hệ hệ số từ biến, hệ số già bê tông - thời gian ................ 63 Hình 2.15: Mặt cắt tiết diện tính toán dầm đặt cốt thép đơn .................................. 64 Hình 2.16: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 66 Hình 2.17: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ σs(t)/σs(t0) - thời gian .......................................... 67 Hình 2.18: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) và σs(t)/σs(t0) - thời gian .................. 67 Hình 2.19: Mặt cắt tiết diện tính toán dầm đặt cốt thép kép ................................... 68 Hình 2.20: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 70 Hình 2.21: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 72 Hình 2.22: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 73 Hình 2.23: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 74 Hình 3.1: Sơ đồ tính dầm BTCT hai đầu ngàm chịu chuyển vị gối tựa…………….77 Hình 3.2: Sơ đồ tính tương đương ........................................................................... 77 Hình 3.3: Cơ sở thiết lập mô hình đo chùng ứng suất trong dầm BTCT ................ 78 Hình 3.4: Mô hình sau khi tạo chuyển vị cưỡng bức............................................... 78 Hình 3.5: Mô hình thí nghiệm chùng ứng suất trong dầm BTCT ............................ 80 Hình 3.6: Cấu tạo hệ khung trượt tạo chuyển vị cưỡng bức ................................... 81 Hình 3.7: Sơ đồ hệ nêm thép khóa cứng chuyển vị cưỡng bức ............................... 82 Hình 3.8: Cấu tạo hệ khung treo dầm ..................................................................... 84 Hình 3.9: Chi tiết dầm sau khi treo ......................................................................... 85 Hình 3.10: Sơ đồ cấu tạo hệ thanh chặn chống xoay ngang giữa hệ dầm treo ...... 86 Hình 3.11: Sơ đồ thí nghiệm đo biến dạng do co ngót, biến thiên nhiệt độ ............ 87 Hình 3.12: Sơ đồ bố trí thiết bị đo trên dầm ........................................................... 89 Hình 3.13: Sơ đồ bố trí thiết bị đo mẫu dầm khử biến dạng co ngót ...................... 90 Hình 3.14: Hình ảnh gia công hệ khung treo dầm .................................................. 90
xiii Hình 3.15: Hình ảnh gia công hệ khung gia tải hệ dầm đo chùng ứng suất ........... 91 Hình 3.16: Hình ảnh đúc các mẫu dầm và mẫu thử cơ lý ....................................... 91 Hình 3.17: Lắp dựng hệ dầm đo biến dạng co ngót, biến thiên nhiệt độ ................ 92 Hình 3.18: Lắp dựng hệ dầm thí nghiệm ................................................................. 93 Hình 3.19: Lắp dựng các dụng cụ thiết bị đo trên hệ dầm ...................................... 93 Hình 3.20: Quá trình gia tải thí nghiệm, thu thập số liệu định kỳ .......................... 94 Hình 3.21: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hổi bê tông ......................................... 96 Hình 3.22: Mô hình thí nghiệm đo hệ số từ biến bê tông ........................................ 98 Hình 3.23: Thông số lò xo giữ tải và biểu đồ thực nghiệm quan hệ giữa lực nén và độ co của lò xo .......................................................................................................... 98 Hình 3.24: Kết quả đo hệ số từ biến bê tông ........................................................... 99 Hình 3.25: Sơ đồ hệ khung và thiết bị đo chùng ứng suất của thanh thép .............. 99 Hình 3.26: Cấu tạo thanh thép liên kết Ø6............................................................ 100 Hình 3.27: Biểu đồ quan hệ ứng suất trong thanh thép liên kết Ø6 - thời gian .... 100 Hình 3.28: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa RB(t)/RB(t0) – thời gian (tính toán theo lý thuyết)......................................................................................... 102 Hình 3.29: Biểu đồ quan hệ nhiệt độ môi trường và độ ẩm - thời gian ................ 103 Hình 3.30: Biểu đồ quan hệ biến dạng trong thanh thép Ø6 - Thời gian ............. 103 Hình 3.31: Biểu đồ quan hệ chuyển vị đầu dầm do co ngót – Thời gian .............. 104 Hình 3.32: Biểu đồ quan hệ phản lực gối tựa - Thời gian .................................... 106 Hình 3.33: Các giai đoạn chùng ứng suất của dầm .............................................. 106 Hình 3.34: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa - thời gian (theo lý thuyết và thực nghiệm - µ1 = 1,163%) ................................................................... 107 Hình 3.35: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa - thời gian (theo lý thuyết và thực nghiệm - µ2 = 1,675%) ................................................................... 108 Hình 3.36: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa - thời gian (theo lý thuyết và thực nghiệm - µ3 = 2,279%) ................................................................... 108
xiv Hình 3.37: Biểu đồ quan hệ chuyển vị gối tựa và thời gian của các mẫu thí nghiệm (trung bình 4 mẫu dầm/ nhóm dầm) ....................................................................... 109 Hình 3.38: Biểu đồ quan hệ biến dạng kéo trong cốt thép - thời gian .................. 110 Hình 3.39: Biểu đồ quan hệ biến dạng nén trong bê tông vùng nén - thời gian ... 111
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu Sự làm việc dài hạn của kết cấu công trình BTCT có liên quan trực tiếp đến các tác động dài hạn và các đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông sử dụng để chế tạo kết cấu. Hệ quả của sự làm việc dài hạn của kết cấu BTCT là chủ đề nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm. Do đặc thù là loại vật liệu đàn dẻo (visco plastic) nên biến dạng của bê tông diễn ra phức tạp, khi chịu tác dụng hoặc không có tác dụng của tải trọng và diễn ra trong một thời gian dài. Về mặt cơ bản, biến dạng của bê tông  c (t ) gồm hai thành phần là biến dạng tức thời và biến dạng dài hạn và có thể biểu diễn bằng phương trình sau, Gilbert và Ranzi, 2010 [66]:  C (t )   in (t )   cr (t )   sh (t )   th (t ) (1) Trong công thức trên: -  in (t ) là biến dạng tức thời của bê tông khi chịu tác dụng của tải trọng; -  cr (t ) là biến dạng từ biến của bê tông; -  sh (t ) là biến dạng co ngót của bê tông; -  th (t ) là biến dạng nhiệt. Hình 1 trình bày minh họa các thành phần biến dạng của bê tông. Tæng biÕn d¹ng cr (t) -BiÕn d¹ng tõ biÕn e (t) -BiÕn d¹ng tøc thêi sh (t) -BiÕn d¹ng co ngãt  d 0 Thêi gian (t) Hình 1: Các thành phần biến dạng của bê tông
2 Trong các thành phần biến dạng dài hạn của bê tông nêu trên, biến dạng từ biến của bê tông có ảnh hưởng chính đến ứng xử dài hạn của kết cấu. Đây là thành phần biến dạng xuất hiện khi kết cấu chịu tác dụng lâu dài của tải trọng, ví dụ dưới tác dụng của trọng lượng bản thân của kết cấu, chuyển vị của gối tựa liên kết… Biến dạng từ biến của bê tông chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau trong đó độ lớn của ứng suất tỷ đối (xác định bằng tỷ số giữa ứng suất xuất hiện trong kết cấu và cường độ chịu nén của bê tông), tuổi của bê tông khi đặt tải, thời gian tác dụng của tải trọng là những yếu tố cơ bản. Sự làm việc dài hạn của kết cấu công trình BTCT còn liên quan trực tiếp đến sự “chùng ứng suất” (Stress Relaxation). Chùng ứng suất là hiện tượng suy giảm ứng suất trong kết cấu BTCT khi biến dạng của kết cấu được duy trì theo thời gian mà trường hợp đặc biệt là biến dạng không đổi. Như vậy, có thể thấy, từ biến và chùng ứng suất là hai mặt của một tính chất xảy ra đồng thời khi kết cấu BTCT làm việc dài hạn. Trong thực tế làm việc của kết cấu BTCT chịu uốn trên công trình, trường hợp điển hình của sự chùng ứng suất là khi kết cấu chịu tác dụng của chuyển vị cưỡng bức của gối tựa liên kết và chuyển vị này được duy trì trong một thời gian dài. Có thể kể đến những ví dụ như dầm móng liên kết các đài cọc chịu chuyển vị cưỡng bức do sự chênh lệch lún giữa các đài cọc, dầm BTCT liên kết với cột, vách chịu chuyển vị cưỡng bức do hiện tượng chênh lệch co ngắn của cột, vách… như minh họa trên Hình 2. Đây là những vấn đề thực tế xây dựng gặp phải và bài toán dài hạn được xem xét chủ yếu thông qua đặc trưng từ biến của bê tông mà chưa xét đến ảnh hưởng của chùng ứng suất, đặc trưng không thể tách rời với từ biến. Trong trường hợp này, chùng ứng suất có thể đóng vai trò làm giảm ứng suất trong kết cấu BTCT (ứng suất kéo trong cốt thép, bê tông…) qua đó hạn chế sự mở rộng của vết nứt trên bê tông, Gilbert và Ranzi, 2010 [66].
3 Mãng BTCT Mãng BTCT DÇm mãng BTCT  C¦S a- Dầm móng chịu chuyển vị cưỡng bức do chênh lệch lún của các đài móng V¸ch BTCT Cét BTCT DÇm BTCT  C¦S b- Dầm BTCT liên kết với cột và vách BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa (do chênh lệch co ngắn của cột và vách BTCT) Hình 2: Kết cấu dầm BTCT làm việc dài hạn do chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa liên kết Qua sơ đồ trên Hình 2, có thể nhận thấy khi nghiên cứu sự làm việc dài hạn của kết cấu dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa thì việc nghiên cứu đồng thời ảnh hưởng của từ biến và chùng ứng suất là cần thiết. Chuyển vị gối tựa hay biến dạng cưỡng bức ban đầu, được duy trì trong thời gian dài chính là cơ chế gây ra chùng ứng suất trên kết cấu BTCT. Trong trường hợp này, việc xác định mức độ của chùng ứng suất trong cốt thép và bê tông có thể góp phần trong việc kiểm soát sự hình thành và phát triển của vết nứt trên bê tông. Đề tài nghiên cứu của luận án “Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa” tập trung vào hai đặc trưng cơ học là từ biến và chùng ứng suất trên kết cấu BTCT nhằm làm rõ ảnh hưởng của hai đặc trưng này tới ứng xử dài hạn của kết cấu dầm BTCT. Việc lựa
4 chọn chuyển vị cưỡng bức của gối tựa làm cơ chế gây ra biến dạng từ biến và chùng ứng suất bên cạnh việc dựa trên cơ sở khoa học của hiện tượng chùng ứng suất như đã trình bày ở trên còn nhằm góp phần làm sáng tỏ một bài toán thực tế được đặt ra trong thiết kế kết cấu công trình BTCT hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng một mô hình thực nghiệm phù hợp và đảm bảo độ tin cậy nhằm nghiên cứu sự làm việc dài hạn của cấu kiện dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa. - Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê tông, sử dụng trong việc tính toán sự làm việc dài hạn của kết cấu dầm BTCT. - Nghiên cứu xây dựng công thức dự báo chùng ứng suất theo thời gian cho kết cấu dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu dầm BTCT chế tạo bằng bê tông nặng thông thường, chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa.  Phạm vi nghiên cứu: Dầm BTCT được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574: 2018 [1]. Sự làm việc dài hạn của dầm chỉ do chuyển vị cưỡng bức của gối tựa liên kết gây ra. Ảnh hưởng của trọng lượng bản thân, của biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt của bê tông được loại bỏ. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong điều kiện tự nhiên của khu vực Hà Nội. 4. Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu Đề tài luận án được thực hiện dựa trên các sơ sở khoa học sau: - Lý thuyết về từ biến và chùng ứng suất của vật liệu bê tông; - Cơ sở về ứng xử dài hạn của kết cấu BTCT làm việc chịu uốn. Bên cạnh đó, đề tài luận án có nghiên cứu và kế thừa các nghiên cứu có liên quan trong lĩnh vực được thực hiện bởi một số tác giả ở ngoài nước. Đồng thời, áp dụng các chỉ dẫn tính toán kết cấu BTCT chịu uốn trong một số tiêu chuẩn hiện hành như TCVN 5574: 2018 [1], ACI 318: 2014 [20], EC2: 2004 [49]…