Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
121
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU XOẮN DẦM BTCT
BẰNG THỰC NGHIỆM
Nguyễn Vĩnh Sáng, Nguyễn Anh Dũng
Trường Đại học Thủy lợi, email: sangnv@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay, bê tông cốt thép (BTCT) là kết
cấu chịu lực được sử dụng phổ biến nhất trong
các công trình xây dựng. Cấu kiện BTCT chịu
xoắn là dạng kết cấu thường gặp trong hệ kết
cấu công trình (ví dụ: hệ dầm biên, dầm thang
bộ, dầm dạng cong). Mô men xoắn gây ra
dạng phá hoại nứt kết cấu theo dạng đường
xoắn ốc dọc theo mặt cắt ngang của cấu kiện
do ứng suất tiếp chạy xung quanh tiết diện tạo
nên dòng chảy cắt. Ứng suất xuất hiện trong
cấu kiện chịu xoắn khá giống với ứng suất của
cấu kiện chịu cắt đều tạo bởi thành phần ứng
suất tiếp. Do đó, cơ chế phá hủy do xoắn
thuộc dạng phá hoại giòn trong trường hợp
không hoặc bố trí cốt thép với hàm lượng ít
điều này khá giống với phá hoại cắt. Tuy
nhiên, hàm lượng cốt thép tối thiểu chịu xoắn
không được đề cập đến trong TCVN 5574 -
2018 [1]. Tiêu chuẩn này, chỉ xét đến khả
năng chịu mô men xoắn thông qua tổng khả
năng chịu lực của cốt đai và thép dọc.
Trong nghiên cứu này, một thực nghiệm
dầm BTCT chịu xoắn thuần túy được bố trí
cốt đai tối thiểu theo ACI 318-19 [2] được
thực hiện để đánh giá hình thái vết nứt, dạng
phá hoại và ứng xử mô men xoắn - góc xoắn.
Từ kết quả thí nghiệm này, kết luận, kiến
nghị và thảo luận được trình bày.
2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.1. Thiết kế mẫu thử
Dầm có cùng kích thước mặt cắt ngang với
bề rộng b = 250mm, chiều cao h = 300mm
chiều dày lớp bảo vệ cốt thép là 20mm. Tổng
chiều dài dầm là 2700mm, trong đó ở mỗi
đầu đầm bố trí dài 350mm có bố trí thép đai
dày hơn với khoảng cách 50mm để tránh phá
hoại vùng gia tải và đoạn có kích thước
2000mm ở giữa dầm là vùng để đánh giá ứng
xử chịu xoắn. Kích thước và chi tiết bố trí cốt
thép dầm BTCT được thể hiện trên Hình 1.
Cốt thép đai chịu xoắn được bố trí với hàm
lượng tối thiểu theo ACI 318 – 19 [2]. Dầm
được bố trí thép đai có đường kính 6mm và
khoảng cách 150mm, thép dọc 18mm với
tổng bốn thanh bố trí ở các góc của tiết diện
phù hợp với loại cốt thép CB240-T, CB300-
V tương tứng theo TCVN 5574-2018 [1].
Hình 1. Chi tiết mẫu thí nghiệm dầm BTCT
2.2. Vật liệu
Bê tông được thiết kế có cấp bền B30
(mác 400) cho tất cả các mẫu thử, xi măng
sử dụng loại PCB40. Cường độ chịu nén bê
tông được xác định thông qua giá trị chịu
nén trung bình của ba mẫu lập phương có
kích thước (150150150mm) theo TCVN
3118:2022 [3] và ba mẫu lăng trụ (150300
mm) theo ASTM C39 [4]. Tất cả mẫu thử
đều được thực hiện ở 28 ngày tuổi. Kết quả
thu được cường độ chịu nén mẫu lập phương
và mẫu lăng trụ tương ứng là 41,3 MPa,
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
122
32,27MPa. Để xác định cường độ cốt thép
đai và thép dọc, thực hiện thí nghiệm kéo và
lấy trung bình của ba mẫu thử theo tiêu chuẩn
TCVN 1651-1 [6], cường độ chảy của cốt
thép đai và cốt thép dọc có giá trị lần lượt là
364,3 MPa và 378,6 MPa.
2.3. Thiết bị đo và quy trình thí nghiệm
Thiết lập thí nghiệm được thể hiện trong
Hình 2. Thí nghiệm xoắn thuần túy bao gồm
một đầu cố định và một đầu đặt lên hệ gối
trượt có cùng bán kính quay với dầm tính từ
trọng tâm hình học của mặt cắt ngang dầm.
Mô men xoắn gây ra cho dầm được tạo ra
thông qua cánh tay đòn thép dài 500mm tính
từ tâm của trục dầm BTCT bằng một kích
thủy lực có công suất 30 Tấn và hệ bơm dầu
nhằm tạo ra tải trọng tập trung. Giá trị của tải
trọng tập trung được xác định bằng dụng cụ
đo lực điện tử (Load - cell). Cánh tay đòn
được liên kết chặt với dầm BTCT thông qua
bốn bulong đường kính 40mm ngàm với gối
trượt (có tâm quay là trọng tâm của dầm). Gối
trượt được đặt lên một hệ gối đỡ bằng thép có
cùng bán kính quay để tạo mô men xoắn
thuần túy (dọc trục dầm không thay đổi vị trí)
và được đặt lên hệ sàn BTCT. Tác nhân uốn
thứ cấp do trọng lượng bản thân của dầm và
do các tác động khác, sự cong vênh của cánh
tay đòn được bỏ qua trong nghiên cứu này.
Hình 2. Thiết lập hệ thí nghiệm
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Dạng phá hoại và hình thái vết nứt
Để đảm bảo quan sát chính xác mẫu thử
được phủ sơn trắng. Hơn nữa, một hệ lưới có
kích thước 5050mm đã được vẽ tỉ mỉ trên ba
mặt (mặt trước, trên và sau) của dầm trong
vùng thử nghiệm xoắn bằng bút chì đen. Các
đường lưới được sử dụng để ước tính góc
nghiêng của vết nứt bê tông. Trong suốt quá
trình thử nghiệm, chúng tôi đã quan sát và ghi
lại một cách tỉ mỉ quá trình phát triển cũng như
sự lan truyền vết nứt ở mọi giai đoạn gia tải
cho đến khi mẫu xảy ra phá hoại. Hình thái vết
nứt ở thời điểm phá hoại của mẫu thử được ghi
lại bằng ảnh chụp và vẽ lại bằng phần mềm đồ
họa kỹ thuật, thể hiện trên Hình 3.
Hình 3. Hình thái vết nứt
Dầm được bố trí cốt thép đai tối thiểu chịu
xoắn này bị phá hoại do cốt thép đai bị đứt sau
khi nứt bê tông và bê tông bị nén vỡ ở vùng
thử nghiệm thể hiện trên Hình 4. Dạng phá
hoại này thể hiện qua tốc độ phát triển vết nứt
nhanh, số lượng vết nứt ít nhưng có bề rộng
lớn. Dạng vết nứt được đặc trưng bởi các vết
nứt nghiêng theo đường xoắn ốc liên tục xung
quanh chu vi tiết diện dầm (xem Hình 4).
Điều thú vị là vết nứt đầu tiên được quan sát
thấy xuất hiện đồng thời ở khu vực gần gối gia
tải và đầu cố định. Nhưng vết nứt liên tục phát
triển, mở rộng rất nhanh ở cách mép đầu cố
định khoảng 250mm theo đường xoắn ốc
xung quanh chu vi dầm. Hơn nữa không xuất
hiện thêm vết nứt nào khác ngoài hai vết nứt
trên cho đến khi dầm bị phá hoại (xem Hình
3). Độ nghiêng của vết nứt thu được xấp xỉ
45o so với dọc trục dầm, điều này phù hợp với
dầm chịu xoắn thuần túy thể hiện trên Hình 4.
Hình 4. Dạng phá hoại mẫu thử
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
123
3.2. Ứng xử chịu xoắn
Ứng xử xoắn của dầm được thể hiện qua
đường cong quan hệ T-θ qua hai giai đoạn làm
việc trước và sau nứt thể hiện trên Hình 4. (1)
giai đoạn trước nứt: ứng xử đàn hồi tuyến tính
với độ cứng kháng xoắn đàn hồi cho đến khi
nứt bê tông, kết thúc giai đoạn này đặc trung
bởi mô men xoắn nứt Tcr (15,18 kN.m) và góc
xoắn nứt θcr (0,00223 rad/m) tương ứng. (2)
giai đoạn sau nứt: sau khi vết nứt xảy ra, mô
men xoắn đột ngột giảm xuống đồng thời góc
xoắn tăng lên do sự phân bố lại lực từ bê tông
sang cốt thép và sau đó mô mô men xoắn liên
tục giảm trong khi góc xoắn tăng nhanh. Kết
quả thực nghiệm mẫu đối chứng này cho thấy
sự phù hợp với lý thuyết ứng xử của dầm
BTCT bố trí cốt thép tối thiểu theo [2] khi
chịu xoắn và dạng phá hoại giòn xảy ra.
Hình 4. Ứng xử chịu xoắn T-θ
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã trình bày thực nghiệm về
dầm BTCT chịu xoắn thuần túy để đánh giá
ứng xử ở các giai đoạn làm việc, dạng phá
hoại và hình thái vết nứt. Mẫu thử được bố trí
cốt thép đai tối thiểu chịu xoắn theo ACI
318-19, khác với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
5574-2018 không nêu về cấu tạo hàm lượng
cốt thép tối thiểu khi chịu tác dụng của lực
xoắn gây ra trên cấu kiện BTCT. Dựa trên kết
quả thí nghiệm có thể đưa ra kết luận sau:
Dầm bố trí hàm lượng tối thiểu cốt đai
chịu xoắn cho thấy sự xuất hiện và hình
thành vết nứt rất ít, vết nứt phát triển nhanh
và có bề rộng lớn.
Dạng phá hoại giòn xảy ra được đặc
trưng bởi sự đứt cốt thép đai ngay sau khi nứt
bê tông và bê tông bị ép vỡ do lực nén ở giữa
khu vực đánh giá chịu xoắn.
Ứng xử đàn hồi tuyến tính ở giai đoạn
trước nứt bê tông, sau nứt sự chuyển pha làm
việc từ bê tông sang cốt thép cho thấy góc
xoắn trên một đơn vị dài liên tục tăng trong
khi mô men xoắn giảm nhanh. Thể hiện sự
mất khả năng chịu lực sau nứt do cốt thép bố
trí với hàm lượng tối thiểu.
Cần có yêu cầu cấu tạo tối thiểu cốt thép
chịu xoắn theo TCVN 5574-2018 để tránh sự
phá hoại giòn xảy ra dưới tác dụng của lực
xoắn trong cấu kiện BTCT.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TCVN-5574-2018, "Kết cấu bê tông và bê
tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế", Viện
Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây
dựng 2018.
[2] 318-19, ACI, "Building code requirements
for structural concrete and commentary ",
American Concrete Institute, Farmington
Hills, MI, 2019.
[3] 3118:2022, TCVN, "Bê tông - Phương pháp
xác định cường độ chịu nén," Viện Khoa
học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng,
2022.
[4] C39/C39M-16b, ASTM, "Standard test
method for compressive strength of
cylindrical concrete specimens," ASTM
International, West Conshohocken, PA, 2016.
[5] C469/C469M-14, ASTM, "Standard test
method for static modulus of elasticity and
Poisson’s ratio of concrete in compression,"
ASTM International, West Conshohocken,
PA, 2014.
[6] TCVN 1651-1, 2018, "Thép cốt bê tông -
Phần 1: Thép thanh tròn trơn," Ban kỹ thuật
Tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 17 Thép -
Bộ Khoa học và công nghệ, 2018.