Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép" là nghiên cứu lý thuyết về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST nói riêng từ đó lựa chọn được mô hình bán thực nghiệm phù hợp với tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai; Nghiên cứu thực nghiệm điều chỉnh công thức dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THỊ LÝ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt Mã số: 9.58.02.06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2022
Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Duy Anh 2. TS. Đào Văn Dinh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi giờ ngày tháng năm 20..... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin-Thư viện, Đại học GTVT
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén lớn nhưng cường độ chịu kéo vẫn rất nhỏ. Ngoài việc tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo của bê tông cũng cần được cải thiện để tăng khả năng chịu lực cho các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép. Để tăng cường độ chịu kéo cho bê tông người ta thường sử dụng các loại cốt sợi phân tán như là một thành phần của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông. Cốt sợi thép (CST) là một trong những loại cốt sợi được sử dụng phổ biến nhất. Cốt sợi thép có vai trò làm tăng cường độ chịu kéo cho bê tông và bê tông cường độ cao. Từ đó tăng đóng góp của miền chịu kéo cho sức kháng cắt dầm BTCST. Để tăng cường khả năng chịu cắt cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) ngoài sử dụng cốt thép đai, cốt thép xiên truyền thống, các loại cốt làm từ vật liệu mới như: cốt đai bằng composite, cốt sợi các bon, tấm dán các bon… cũng đã được áp dụng. Các cốt thép thanh tăng cường sức kháng cắt cho dầm đáng kể, tuy nhiên sử dụng thép thanh gia cường khả năng chịu cắt cho dầm sẽ gặp phải một số vấn đề như: Chỉ tăng cường khả năng chịu lực theo hướng của cốt thép; khi sử đường kính lớn dính bám không tốt, khoảng cách các cốt thanh quá gần dẫn đến khó thi công lắp dựng, khó đổ bê tông, chi phí sản xuất tốn kém… vì vậy sử dụng sợi thép phân tán đưa vào pha nền của bê tông tăng khả năng chịu cắt cho dầm đang là xu thế mới. Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cốt sợi thép (BT CST) đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Ứng xử cắt của dầm BTCST luôn là vấn đề phức tạp. Sự phá hoại do cắt có nguồn gốc từ các vết nứt nghiêng do nguyên nhân không chỉ bởi lực cắt mà còn do sự kết hợp của lực cắt với mô men uốn, mô men xoắn và lực dọc trục. Sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, đặc trưng hình học, tác động tải trọng và các đặc trưng cấu tạo của vật liệu kết cấu. Việc nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm BT CST một cách toàn diện giúp các nhà khoa học đưa ra mô hình tính toán một cách chính xác hơn. Đặc biệt, nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐC CST) có sử dụng cốt đai là đề tài phức tạp chưa có nhiều nghiên cứu. Các chủ đề về ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cần được quan tâm nhiều hơn nữa. Xuất phát từ thực tế đó, luận án đã đề xuất và thực hiện đề tài với tên gọi: “Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép”.
2 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST nói riêng từ đó lựa chọn được mô hình bán thực nghiệm phù hợp với tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. - Nghiên cứu xây dựng công thức dự báo sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới sức kháng cắt dầm BT CĐCCST. - Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST chịu tải trọng thiết kế trong tiêu chuẩn Thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 - Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng công thức đề ra, nghiên cứu các dạng phá hoại do cắt trong dầm BTCĐC CST và nghiên cứu về biến dạng trong cốt thép dọc, cốt thép đai và trong bê tông miền chịu nén của dầm giản đơn BT CĐC CST. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Ứng xử cắt của dầm giản đơn BTCĐC CST . Cường độ chịu nén thiết kế là 70MPa. Cốt thép sợi hàm lượng trong khoảng từ 0,5%-2%. Sợi thép Dramix, uốn móc 2 đầu có có chiều dài thay đổi. Cốt sợi thép Dramix là loại sợi thép phổ biến và đã có ứng dụng vào kết cấu bê tông cốt thép ở Việt Nam 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong phòng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp thêm được một mô hình tính toán sức kháng cắt cho dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép giúp các nhà nghiên cứu và thiết kế có thể tham khảo cho công việc của mình. 6. Cấu trúc của đề tài Đề tài luận án gồm phần mở đầu, 4 chương chính, phần kết luận, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP VÀ ỨNG XỬ CẮT DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP Lịch sử phát triển của bê tông cốt sợi thép Trên thế giới, từ thời kỳ Ai Cập và Babylon, người ta đã sử dụng những loại sợi hoặc lông động vật để tăng cường cho gạch, tường trát bùn, thạch cao. Với vữa xi măng pooclăng, người ta sử dụng sợi amiăng. Những nghiên cứu đầu tiên về sợi thép phân tán là của Romualdi, Batson, Mandel. Nghiên cứu sau đó được thực hiện bởi Shah và Swamy và một vài những nghiên cứu khác ở Mỹ, Anh và Nga. Vào những năm 1960, BTCST đã bắt
3 đầu được sử dụng vào kết cấu mặt đường. Trong những năm 1989 - 1999, các tiêu chuẩn của ACI 544 về bê tông cốt sợi ra đời, gồm có 4 tập: tập 1R tổng quan, tập 2R các tính chất, tập 3R giới thiệu về công nghệ, tập 4R-99 hướng dẫn thiết kế bê tông được tăng cường cốt sợi thép (BTCST). Đến nay đã có tập 9R- dự báo dựa trên đo tính chất cơ học của bê tông cốt sợi cứng. Các tiêu chuẩn đã đưa nội dung tính toán các kết cấu BTCST như ACI, DIN, AASHTO, EHE, Fib từ năm 1988 đến nay. Ở Việt nam, nghiên cứu về chế tạo bê tông cốt sợi, sợi thép cũng như các nghiên cứu về thuộc tính của bê tông cốt sợi thép của các tác giả như của Trần Bá Việt, Nguyễn Thanh Bình và của Phạm Duy Anh đã được công bố trên các tạp chí có uy tín của các Ngành. Các nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi trên nền vật liệu địa phương của Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh và cho công trình Giao thông của Viện KH và CN GTVT cũng đã đóng góp cho sự phát triển loại vật liệu này ở Việt Nam. Các vấn đề về BTCST đã bước đầu được quan tâm và công bố năm 2003 với cuốn sách “Bê tông cốt sợi thép” do tác giả Nguyễn Viết Trung chủ biên. Các nghiên cứu về tính chất cơ học và ứng xử của kết cấu BTCST cũng đã được các tác giả nghiên cứu trong luận án tiến sỹ từ năm 2000 cho đến nay. Tính năng cơ học của BTCST Bê tông cốt sợi thép là vật liệu hỗn hợp dạng composite, được cải thiện ứng xử của vật liệu bê tông thông thường sau nứt. Các thuộc tính của bê tông sau nứt phụ thuộc rất lớn vào lực dính bám giữa cốt sợi và bê tông. Vai trò chủ đạo của cốt sợi thép là khâu vết nứt, hạn chế độ mở rộng vết nứt, làm cho BTCST có tính dẻo dai, hấp thu năng lượng lớn hơn bê tông thường. Cốt sợi thép làm tăng cường độ chịu kéo của bê tông. Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông càng lớn thì cường độ chịu kéo của BTCST càng lớn do cốt thép khó bị kéo tuột ra khỏi bê tông. Theo Lim và các cộng sự, cường độ chịu kéo của bê tông cốt sợi lớn gấp 2-3 lần cường độ chịu kéo của mẫu không có sợi thép khi hàm lượng sợi là 1% và 1,5%. Cường độ chịu nén của bê tông tăng không đáng kể khi sử dụng cốt sợi thép phân tán. Các kết quả nghiên cứu ở trường Đại học Giao thông Vận tải trên kết cấu dầm BTCST cho thấy cường độ chịu kéo khi uốn tăng lên từ 15-20 %. Lim và các cộng sự khẳng định rằng, với hàm lượng sợi thép từ 0%-2% cường độ chịu cắt của BTCST tăng đến 100% so với BT thường.
4 Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BT CST và BTCĐC CST trong nước và thế giới Trên thế giới, từ những năm 80 thế kỷ thứ 20 tới nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm bê tông cốt sợi (BTCS) nói chung và BTCST nói riêng. Trong đó, dầm BTCST đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm hơn. Phương pháp nghiên cứu về cắt của dầm BTCST trên thế giới hiện nay chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm hoặc nghiên cứu dựa theo các mô hình tính toán sức kháng cắt trong các tiêu chuẩn hiện hành. Một số nghiên cứu hoàn toàn dùng thực nghiệm để đưa ra được mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCST. *) Nghiên cứu các mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCST trong các tiêu chuẩn hiện hành trên thế giới: Các mô hình trong các tiêu chuẩn hiện nay dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm của các nhà khoa học đi trước. Để tính toán được sức kháng cắt của dầm BTCST theo các mô hình tính trong các tiêu chuẩn hiện nay cần rất nhiều các thông số thí nghiệm đầu vào. Trong tiêu chuẩn RILEM TC62 TDF để tính toán sức kháng cắt dầm BTCST, cần các thông số đầu vào là các cường độ chịu kéo uốn đặc trưng thông qua thí nghiệm uốn mẫu dầm. Trong tiêu chuẩn ACI 544-4R 88, để có thể tính sức kháng cắt của dầm BTCST cần có thông số cường độ chịu kéo trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua thí nghiệm… Các thông số thí nghiệm đôi khi không sẵn có vì vậy gặp nhiều khó khăn cho việc dự báo sức kháng cắt dầm BTCST, nhất là khi không có các số liệu thí nghiệm.  Nghiên cứu lý thuyết và hợp thực nghiệm ứng xử cắt của dầm BTCST không sử dụng cốt đai Các nghiên cứu ban đầu về cắt dầm BT CST tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như hình dạng sợi, hàm lượng sợi và tỷ số gữa khoảng cách đặt lực với chiều cao hữu hiệu dầm (gọi tắt là tỷ lệ nhịp cắt và chiều cao có hiệu). Một số nghiên cứu dựa trên các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, đề xuất ra các công thức tính ứng suất cắt trung bình trên tiết diên dầm (νu). Các nghiên cứu trước đây đều cho rằng cốt sợi thép đóng góp rất lớn cho khả năng chịu cắt của dầm BTCST. Các tác giả nghiên cứu về ảnh hưởng hàm lượng và các yếu tố khác đến sức kháng cắt như: Sharma, Narayanan và Darwish, Naaman và các công sự, Lim và Oh, K. S. Elliott, C. H. Peaston và K. A. Paine; Joaquim A.O. Barros and Lúcio
5 A.P.Lourenço Simao P.F. Santos; Yoon Keunt Kwak, Mack O. Eberhard, Woo-Suk Kim, và Jubum Kim; Hai H. Dinh; Gustavo J. Parra-Montesinos, M.ASCE và James K. Wight cho rằng ứng suất cắt trung bình trong dầm BTCST là 0,33√f’c (MPa) khi hàm lượng cốt thép là 0,75% - 1,5%. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mô hình tính sức kháng cắt của các tác giả như: Narayanan và Darwish; Yoon Keunt Kwak, Mack O. Eberhard, Woo-Suk Kim, và Jubum Kim đã sử dụng kết quả thử nghiệm từ 139 dầm BTCST sưu tập được để xây dựng công thức tính ứng suất cắt trung bình của dầm BTCST. Các tác giả Emma Slater, Moniruzzaman Moni, M. Shahria Alam đã nghiên cứu thực nghiệm 222 dầm bê tông cốt sợi không dùng cốt đai. Các tác giả đã xây dựng được công thức tính toán cường độ chịu cắt trung bình của dầm bằng phương pháp hồi quy tuyến tính và phi tuyến tính cho dầm BTCST và BTCĐC CST. Trong mô hình tính có đại lượng cần phải xác định thông qua thí nghiệm đó là lực dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông. Lực dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông là thông số phụ thuộc vào hình dạng sợi, chiều dài sợi cũng như cấp bê tông. Sẽ khó khăn khi không có số liệu thí nghiệm về thông số này.  Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ứng xử của dầm BTCST có sử dụng cốt đai Trên thế giới, đã có một số tác giả nghiên cứu ứng xử cắt dầm BTCST có sử dụng cốt đai. Các nghiên cứu thường sử dụng các mô hình tính toán có sẵn trong các tiêu chuẩn hiện hành. Esefanía Cuenca trong luận án của mình năm 2014, đã sử dụng mô hình tính toán sức kháng cắt trong tiêu chuẩn EHE-08 và chứng minh được rằng cốt sợi thép có thể thay thế toàn bộ hoặc thay thế một phần cốt đai trong dầm. Nghiên cứu hàm lượng cốt sợi, đánh giá mức độ đóng góp của cốt sợi trong dầm bê tông có cốt đai và ứng xử của dầm có sử dụng cốt đai là rất lớn. Tuy nhiên tác giả không nghiên cứu cho riêng bê tông cường độ cao và cũng không xây dựng mô hình tính toán cho dầm BTCST. Các tác giả đều có chung kết luận rằng trong dầm có cốt thép đai, cốt sợi thép tăng sức kháng cắt nhiều hơn dầm không có cốt đai khi có cùng hàm lượng cốt sợi. Daniel de Lima Araújo, Fernanda Gabrielle Tibúrcio Nunes, Romildo Dias Toledo Filho and Moacir Alexandre Souza de Andrade đã nghiên cứu so sánh hai loại dầm bê tông cốt sợi không sử dụng cốt đai và có sử dụng hàm lượng cốt đai thấp (0,21%). Hàm lượng sợi từ 1% đến 2%. Các tác giả sử dụng dầm đối chứng không có cốt sợi. Kết quả cho thấy, khi tăng lượng sợi trong dầm không có cốt đai, lực cắt tới hạn tăng ít hơn so với sử dụng dầm có dùng
6 cốt đai. Meda, Minelli và Plizzari đã nghiên cứu thực nghiệm trên các dầm bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diên chữ I kích thước lớn (kích thước dầm thực), tiết diện chữ I có sử dụng cốt sợi hàm lượng 0,64% có sử dụng cốt đai, đã chỉ ra rằng cốt sợi làm tăng đáng kể sức kháng cắt của dầm. Ngoài xem xét sự đóng góp của cốt sợi thép, các tác giả còn cho rằng, cốt sợi thép có thay thế cho cốt đai tối thiểu. Từ xem xét những nghiên cứu ứng xử cắt trên thế giới cho thấy, nghiên cứu về dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép không nhiều. Rất ít nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt cho riêng dầm BT CĐC CST nhất là dầm sử dụng cốt đai. Từ những phân tích trên, luận án tập trung vào giải quyết những nội dung sau: Nghiên cứu các thuộc tính cơ của bê tông cốt sợi thép, nhất là ứng xử kéo của dầm BTCST vì nó sẽ phục vụ cho tính toán sức kháng cắt của dầm BTCST Nghiên cứu các mô hình thực nghiệm, mô hình lý thuyết và các mô hình trong tiêu chuẩn trên thế giới từ đó lựa chọn mô hình phù hợp cho dầm BTCĐC CST; Nghiên cứu thực nghiệm xác định công thức liên quan giữa ứng suất kéo sau nứt của BT CĐC CST với hàm lượng sợi và tham số khác, từ đó tìm ra phần đóng góp của cốt sợi thép cho ứng suất kéo sau khi BTCST bị nứt; Nghiên cứu đề xuất công thức dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST; Nghiên cứu trên các dầm kích thước thiết kế để kiểm chứng công thức trong luận án đề xuất; qua đó xem xét một số ứng xử của dầm BTCĐC CST như đánh giá quan hệ lực và độ võng giữa nhịp; các ứng xử trong bê tông miền nén, biến dạng trong cốt dọc chủ và các cốt đai bằng cách kết nối thiết bị đầu ra. Nghiên cứu đề xuất trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCST dưới tác dụng của tải trọng cầu đường bộ. Chương 2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM BTCĐC CST 2.1. Sự phá hủy và các thành phần lực cắt của dầm BTCST 2.1.1. Sự phá hủy dầm BT CST Đối với dầm BTCST không sử dụng cốt đai, cốt sợi đóng vai trò như là cốt thép đai trong dầm. Cốt sợi thép có thể phân phối lại ứng suất kéo trong dầm, làm chậm quá trình lan tuyền và mở rộng vết nứt nghiêng. Chống lại sự tách vỡ bê tông dọc thanh cốt thép dọc chủ. Cốt sợi kiểm
7 soát bề rộng vết nứt và thúc đẩy sự hình thành vi vết nứt. Với vai trò rõ ràng đó, độ cứng biếng dạng, khả năng chịu lực của dầm được tăng cường. Sự phân tích về cường độ chịu cắt trong dầm BTCST không cốt đai gặp nhiều khó khăn thách thức. Vấn đề quan trọng nhất liên quan đến sự tăng cường của cốt sợi là sự phân bố thích hợp của chúng để hình thành thuộc tính cơ học đồng nhất. Thêm vào đó, sự mở rộng vết nứt nghiêng trong dầm BTCST là do cốt sợi thép bị kéo tuột thay vì cốt đai chảy dẻo trong dầm bê tông côt thép thông thường. 2.1.2. Các thành phần tham gia chịu lực cắt. Các thành phần tham gia chịu cắt dầm BTCST gồm: Sự truyền lực cắt trong vùng bê tông chưa nứt của dầm (Vcc); Sự truyền lực cắt bề mặt do sự đan cài của cốt liệu và sự gồ ghề của bề mặt dọc theo vết nứt nghiêng (Va); Sự truyền lực cắt thông qua hiệu ứng chốt của cốt thép dọc (Dowel Action) (Vd); Sự truyền lực cắt thông qua các ứng suất kéo còn dư lại trong các vết nứt nghiêng (Vcr); Sự truyền lực cắt thông qua các cốt thép ngang (đai) chịu cắt (Vs); Thành phần theo phương đứng của lực ứng suất trước (Vp). Đối với dầm BT CST ngoài các thành phần trên, còn có sự tham gia truyền lực cắt của cốt sợi thép (Vf). 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCST Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCST như: tỷ số giữa khoảng cách từ điểm đặt lực đến gối và chiều cao hữu hiệu ( tỷ số a/d); Ảnh hưởng của kích thước dầm; Ảnh hưởng của cường độ chịu nén bê tông CST (fc’); Ảnh hưởng của hàm lượng cốt sợi thép; Ảnh hưởng của hàm lượng cốt dọc (ρ); Ảnh hưởng của hình dạng, kích thước sợi. trong đó hàm lượng sợi thép là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến sức kháng cắt của dầm BTCST. 2.2. Các mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BT CST 2.2.1. Các mô hình trong tiêu chuẩn hiện hành Trong đó một số tiêu chuẩn đã đề xuất tính toán sức kháng cắt của dầm theo mô hình thực nghiệm, một số khác dựa theo mô hình lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Các mô hình trong các tiêu chuẩn như: ACI 544-4R88, RILEM TC 162, fib MODEL CODE 2010, EHE-08, DIN-1045-1, MC2010… đã đề xuất công thức dự báo sức kháng cắt của dầm bê tông cốt sợi thép có hoặc không có cốt đai. 2.2.2. Mô hình thực nghiệm: Có rất nhiều tác giả trên thế giới đã nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng được mô hình dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCST, tuy nhiên
8 các mô hình thực nghiệm thường rất đơn giản và bỏ qua một số yếu tố thứ yếu. Một trong những mô hình vừa đơn giản dự báo được sức kháng cắt của dầm BTCST cường độ thường và không có cốt đai do Sharma đề xuất như như (2-12). Tuy nhiên, cần đánh giá đầy đủ hơn các yếu tố ảnh hưởng tới sức kháng cắt. Nếu hoàn toàn dùng thực nghiệm xây dựng được mô hình như vậy rất tốn kém do số lượng mẫu thử nghiệm vô cùng lớn. 2.2.3. Mô hình bán thực nghiệm. Các mô hình bán thực nghiệm như: Mô hình trường nén cải tiến (MCFT), mô hình giàn mềm có góc nghiêng cố định (FA-STM) và mô hình giàn mềm có góc nghiêng thay đổi (RA-STM), mô hình vết nứt trượt (Crack Sliding Model-CMS)…đã được các nhà nghiên cứu áp dụng để tính toán về cắt cho các dầm bê tông cốt sợi thép và bê tông cường độ cao cốt sợi thép. Mô hình trường ứng suất nhiễu loạn (DSFM) được giới thiệu bởi Vecchio cũng đã được tác giả trong áp dụng tính toán về cắt để so sánh với thực nghiệm. Các phương pháp khác như phương pháp số, phương pháp mô phỏng cũng đã được áp dụng cho tính toán dầm BTCST. Ngày nay, một số tác giả đã đề xuất phương pháp Nơ - ron nhân tạo (ANN-8; ANN-10) để tính dự đoán sức kháng cắt trên tiết diện nghiêng… Một trong các mô hình bán thực nghiệm có lý thuyết chặt chẽ và phù hợp với ứng xử của vật liệu BTCST là mô hình Trường nén sửa đổi đơn giản. Mô hình này đã được NCS phân tích lựa chọn để tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST. 2.3. Xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCĐC CST 2.3.1 Cơ sở lý thuyết Mô hình Trường trường nén sửa đổi (MCFT) hoặc sửa đổi đơn giản (SMCFT) là mô hình bán thực nghiệm phù hợp đã được lựa chọn để dự báo sức kháng cắt cho dầm BT CST. Đặc biệt sử dụng mô hình MCFT để tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST phù hợp hơn do tính chặt chẽ của nó. Các phương trình trong mô hình MCFT đã xem xét các mối quan hệ giữa ứng suất biến dạng, sự tương thích biến dạng và các điều kiện cân bằng về lực. Sự đóng góp của sợi thép đối với sức kháng cắt trong mô hình MCFT có thể xem xét một cách độc lập. Căn cứ vào sự cân bằng về lực trong mô hình MCFT tại tiết diện nghiêng xem xét trong dầm BTCST, ứng suất cắt trung bình được thiết lập như phương trình (2-70) và (2-69) cho hai trường hợp như sau: v   fc '   f cot    z f szcr cot  , khi a/d≥2.5; (2-68)
9 v  2.5d / a[ f c '   f cot    z f szcr cot  ] , khi a/d
10 Hàm Loại sợi, Số lượng mẫu xác Số mẫu xác định Tổng số mẫu Loại Tiêu lượng chiều dài sợi, định cường độ ép chẻ cường độ nén hình trụ 15*30 hỗn hợp chuẩn sợi (%) mm (D*H=15*30cm) (D*H=10*20) cm và 10*20cm Dramix CP2-S1-F'C70 1 15 3 3D 65/35 BG Dramix CP2-S2-F'C70 1 15 3 3D 80/60 BG Dramix CP3-S1-F'C70 1.5 15 3 3D 65/35 BG Dramix CP3-S2-F'C70 1.5 15 3 3D 80/60 BG Tổng số mẫu 105 21 Hình 2.28. Mối quan hệ giữa năng lực thống kê phụ thuộc theo cỡ mẫu và độ sai khác so với giá trị trung bình Các kết quả thí nghiệm được phân tích thống kê, hàm mật độ xác suất các mẫu thí nghiệm ứng với các trường hợp không có sợi, sợi ngắn và sợi dài với các hàm lượng sợi khác nhau được thể hiện ở Hình 2.29, Hình 2.30 và Hình 2.31. Vari abl e 0.8 Variable Variable 1.2 Không sợi 0% 1.2 N-0 .6 3 % N-0 .6 3 % D-0 .6 3 % N-1% 0.7 N-1% D-1% N-1.5 % 1.0 N-1.5 % D-1.5 % D-0 .6 3 % 1.0 0.6 D-1% Mean StDev N Mean StDev N D-1.5 % 5.679 0.8135 15 5.679 0.8135 15 0.8 6.929 0.3259 15 0.5 8.484 0.6956 15 0.8 Mean StDev N 8.201 0.5231 12 9.401 0.5639 12 6.929 0.3259 15 M ật độ M ật độ M ật độ 10.15 0.6115 12 11.39 1.184 12 8.201 0.5231 12 0.6 0.4 10.15 0.6115 12 0.6 8.484 0.6956 15 9.401 0.5639 12 0.3 11.39 1.184 12 0.4 0.4 0.2 0.2 0.2 0.1 0.0 4 5 6 7 8 9 10 11 0.0 0.0 4 6 8 10 12 14 6 8 10 12 14 Cường độ é p chẻ (M Pa) Cường độ é p chẻ (M Pa) Cường độ é p chẻ (M Pa) Hình 2.29. Hàm phân phối Hình 2.30. Hàm phân phối Hình 2.31. Hàm phân phối chuẩn cường độ ép chẻ của chuẩn cường độ ép chẻ của chuẩn cường độ ép chẻ của mẫu không sợi và sợi ngắn mẫu không sợi và sợi dài mẫu sợi ngắn và sợi dài Kết quả hồi quy tìm ra được hệ số A và B cho hai trường hợp cốt sợi thép là sợi ngắn(L f/D f =63.63) và sợi dài( L f/D f =80) thể hiện trên Hình 2.32 và Hình 2.33. Các phương trình có hệ số tương quan R2 lớn lần lượt là R2 = 86.3% (loại sợi ngắn), R2 = 86.0% (loại sợi dài) và các giá trị này đều lớn hơn 80%. Điều này cho thấy các mô hình hồi quy phù hợp và hoàn toàn có ý nghĩa về mặt thống kê.
11 Hình 2.32. Kết quả xử lý số liệu của mẫu Hình 2.33. Kết quả xử lý số liệu của sử dụng loại sợi ngắn (lf/df=63.63) mẫu sử dụng sợi dài (Lf/Df=80) Khi đưa các tham số còn lại như cường độ bê tông, tỷ số kích thước sợi vào phương trình hồi quy, cường độ chịu kéo sau nứt của BTCST CĐC cho cả hai trường hợp theo luận án đề xuất như ở phương trình (2-81). L (2-81)  f  0.37 f  f f 'c Df 2.3.3. Mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCĐC CST đề xuất Từ kết quả thực nghiệm xác định cường độ chịu kéo dư (sau nứt) của BTCĐC CST như phương trình (2-81), thay phương trình này vào (2-68) và (2-69), luận án đưa ra được công thức dự báo sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST như (2-85). Để xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng dầm và hiệu ứng vòm nếu tỷ lệ a/d < 2.5 thì công thức được nhân thêm với 2,5d/a như ở phương trình (2-86). Lf (2-85) Vn  ( f c '  0.37 f f c ' cot    z f szcr cot  )bv dv Df khi a/d ≥ 2. 5 Lf (2-86) Vn  2.5d / a(  fc '  0.37 f fc ' cot    z f szcr cot  )bv dv , Df khi a/d < 2.5; 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 - Lựa chọn mô hình bán thực nghiệm để dự báo sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST là rất quan trọng. Mô hình bán thực nghiệm cần phải dự báo một cách tương đối chính xác sức kháng cắt của dầm BTCST và BTCĐC CST. Do vậy NCS lựa chọn mô hình Trường nén sửa đổi đơn giản vì tính phù hợp của phương pháp này.
12 - Trong mô hình hình trường nén sửa đổi đơn giản, đại lượng tham gia trong công thức tính sức kháng cắt của dầm BTCST là ứng suất kéo chính (f1). Đóng góp cho ứng suất kéo chính bao gồm 2 thành phần: Thành phần do bê tông và thành phần đóng góp của cốt sợi thép. - Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo sau nứt của BTCST là hàm lượng sợi, hình dạng sợi, chiều dài sợi và cấp bê tông. Trong đó, hàm lượng sợi là yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn nhất đến sức kháng kéo của BTCST. Vì vậy, xây dựng được hàm của cường độ chịu kéo phụ thuộc vào hàm lượng sợi và các tham số khác để đánh giá được sự đóng góp của cốt sợi thép cho sức kháng cắt được NCS thực hiện. Do kéo trực tiếp mẫu BTCST gặp khó khăn nên thí nghiệm ép chẻ mẫu trụ theo tiêu chuẩn được thực hiện. - NCS sử dụng 2 loại sợi như đã trình bày trên, với hàm lượng sợi thay đổi, thiết kế thành phần cho hỗn hợp bê tông cường độ cao cấp 70MPa. Điều chỉnh thành phần cho 7 hỗn hợp cấp phối BTCĐC CST và tiến hành đúc 105 mẫu để ép chẻ và 21 mẫu để kiểm tra cường độ chịu nén của từng cấp phối tính toán. - Căn cứ kết quả thực nghiệm ép chẻ với 105 mẫu trụ BTCĐC CST, NCS đã xây dựng được công thức tính toán cường độ chịu kéo của bê tông cốt sợi thép sau nứt như công thức (2-81). - Kết hợp mô hợp với mô tính toán sức kháng cắt dầm BTCST được lựa chọn ở mục 2.2.3, NCS đã xây dựng được công thức tính toán sức kháng cắt của dầm BTCĐC ST cho 2 trường hợp a/d≥2.5 và a/d
13 3.2. Thiết kế dầm thí nghiệm Kích thước dầm Cấu tạo dầm phải được thiết kế sao cho chỉ phá hoại do cắt mà không phá hoại do uốn (Hình 3.2). Kích thước dầm được lựa chọn sao cho thiết bị có thể uốn gãy dầm. Thí nghiệm uốn dầm được thực hiện tại Hình 3.2 Bố trí cốt thép và các vị Trung tâm thí nghiệm công trí đo biến dạng và độ võng khi uốn trình của Trường ĐH GTVT. dầm BTCĐC CST 3.3. Tính toán sức kháng cắt dầm thử nghiệm theo mô hình đề xuất và khảo sát các yêu tố ảnh hưởng 3.3.1. Dự báo sức kháng cắt dầm BTCST và khảo sát hưởng hàm lượng sợi Sử dụng mô hình đề xuất, tính toán sức kháng cắt các dầm thử nghiệm BTCĐC CST. Tính toán sức kháng cắt cho nhóm dầm cao h=400mm. Khảo sát sức kháng cắt của dầm BT CĐC CST có kích thước như đề cập ở mục trên. Sử dụng loại sợi ngắn Dramix có tỷ sô Lf/Df=35/0.55=63.63, với hàm lượng sợi lần lượt là: 0%, 0.63%, 1%, 1.5%. Kết quả cho sức kháng cắt của dầm tăng rất lớn khi hàm lượng sợi tăng (Bảng 3.3). Bảng 3.3 Kết quả tính toán sức kháng cắt dầm BT CĐC CST theo mô hình đề xuất (Sợi ngắn) Cường Cường Hàm Cường Chiêu Chiều Đường K/c cốt Hàm Tỷ số Cường độ Sức độ nén độ thép lượng độ thép Góc nứt cao Rộng kính cốt đai- lượng hình chịu cắt kháng cắt- mẫu 28 dọc- cốt dọc- đai (θ) dầm- b đai s sợi dạng trung bình- Vu ngay f’c fy ρ f wy (độ) h (mm) (mm) (mm) (mm) (%) (Lf/Df) νu (KN) (KN) (MPa) (MPa) (%) (MPa) 400 150 77.8 512 0.03 383.1 6 300 0 63.63 33.821 2.455 115.61568 400 150 83.4 512 0.03 383.1 6 300 0.63 63.63 34.855 4.247 200.03828 400 150 85 512 0.03 383.1 6 300 1 63.63 35.488 5.248 247.19093 400 150 93 512 0.03 383.1 6 300 1.5 63.63 36.672 6.658 313.61458 3.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài sợi Chiều dài sợi có ảnh hưởng đến sức kháng cắt dầm BTCĐC CST, theo khảo sat chiều dài sợi lớn, sức kháng cắt dầm BTCĐC CST tăng như đồ Hình 3.4. Sức kháng cắt dầm BTCĐC CST cấp 70MPa thị hình 3.4 khi sử dụng loại sợi ngắn (65/35) và sợi dài (80/60)
14 3.4. Tính toán tải trọng thử nghiệm Tính toán tải trọng thử nghiệm nhằm mục đích dự báo được tải trọng phá hủy dầm do cắt. Từ đó, xem xét năng lực kích của thiết bị uốn dầm. Từ đó quyết định chọn thiết bị có năng lực phù hợp để phá hủy dầm thử nghiệm. Kết quả tính toán như bảng 3.5. Bảng 3.5. Bảng tải trọng tính toán theo lực cắt và mô men tới hạn Hàm K/c Đ/k b H lượng cốt Vu Ps Mn Pm KH dầm Loại sợi f’c cốt Pm (mm) (mm) sợi Vf đai >Ps đai (KN) (KN) (KN.m) (%) (s) B-0-300-6-300 150 400 0 77.8 300 6 115.616 234.5 233.96 623.0 OK B -0.63-300-6-300-SN 150 400 3D 65/35 BG 0.63 83.4 300 6 200.038 401.28 258.35 690.26 OK B- 1-300-6-300 -SN 150 400 3D 65/35 BG 1 85 300 6 247.191 493.3 271.38 723.41 OK B-0.63-300-6-300-SD 150 400 3D 80/60 BG 0.63 84.4 300 6 221.088 442.17 264.0 704.0 OK A-0-300-6-300 150 450 3D 65/35 BG 0 77.8 300 124.03 242.37 277.65 715.87 OK A -0.63-300-6-300-SN 150 450 3D 65/35 BG 0.63 83.4 300 6 215.6 496.28 289.45 746.33 OK 3.5. Tiến hành thử nghiệm 3.5.1. Chế tạo dầm Hình 3.5 Cấu tạo ván khuôn đúc dầm BTCĐC CST 3.5.2. Tiến hành uốn dầm Thiết bị uốn dầm phải có năng lực kích lớn hơn tải trong lớn nhất gây phá hoại do cắt như bảng 3.6. Thiết bị tại trường ĐH GTVT đáp ứng được yêu cầu trên. Hình 3.7 Thí nghiệm uốn dầm
15 Sử dụng thiết bị kích có năng lực 100T để gia tải. Để đo tải trọng tác dụng lên dầm sử dụng load cell đặt trên đỉnh dầm như Hình 3.8. Đầu cảm biến đo độ võng được gắn ở giữa nhịp, mặt trước dầm và kết nối với thiết bị do. Các sen xơ đo biến dạng trong bê tông, cốt dọc và đai như Hình 3.2 được kết nối với thiết bị đo. Dầm được gia tải theo từng cấp. Tốc độ gia tải theo mối liên hệ tải trọng (P) và biến dạng. 3.6. Kết quả và phân tích kết quả 3.6.1. Sức kháng cắt của dầm thử nghiệm Hình 3.8 Sơ đồ bố trí thiết bị đo tải trọng và độ võng khi uốn dầm Bảng 3.7 là số liệu tải trọng đo được khi dầm bị phá hoại và sức kháng cắt thực nghiệm, so sánh với sức kháng cắt tính theo mô hình đề xuất ở chương 2. Kết quả cho thấy sức kháng cắt dầm thực nghiệm cao hơn so với tính toán. Tuy nhiên sự sai số không quá lớn. Kết quả cho thấy có sự tương đồng giữa lý thuyết và thực nghiệm. Mô hình phá hoại dầm cũng nằm trong dự kiến. Các vết nứt nghiêng thường bắt đầu nứt từ giữa hoặc từ miền chịu kéo phát triển lên miền nén và sau đó dầm gãy. Sử dụng tiêu chuẩn ACI 544R88 để so sánh đối chứng thêm. Kết quả so sánh như bảng 3.6. Bảng 3.6. So sánh kết quả thử nghiệm và mô hình lý thuyết Tải Sức kháng Sức kháng trọng tới cắt tính theo Vu Tính cắt theo thực Vutest/ Vu/Vu Dạng mặt cắt Kí hiệu dầm hạn- mô hình đề theo nghiệmVutest Vu (ACI) phá hủy Loadcell xuất-Vu ACI544R88 (KN) (KN) (KN) Phá hủy do B-0-300-6-300 210.32 105.16 115.61568 157.216 0.91 0.75 cắt-trượt Phá hủy do B-0.63-300-6-300- SN 496.65 221.32 200.03828 191.594 1.1 1.04 cắt-trượt Phá hủy do B-1-300-6-300-SN 585.74 261.02 247.19093 223.517 1.06 1.1 cắt-trượt Phá hủy do B -0.63-300-6-300-SD 639.398 284.94 220.46455 230.884 1.29 0.95 cắt-trượt Phá hủy do A-0-300-6-300 436.968 194.73 124.03 179.893 1.5 0.7 cắt-trượt Phá hủy do A -0.63-300-6-300-SN 639.5 284.98 215.6 256.051 1.3 0.84 cắt-trượt
16 3.6.2. Phân tích mô hình phá hủy Tất cả các dầm đều xuất hiện vết nứt nghiêng và phá hoại do cắt uốn. Đối với dầm BTCĐC không có cốt sợi thép chỉ xuất hiện vết nứt nghiêng chính, khi phá hoại tại vết nứt đó, bề rộng vết nứt lớn hơn. Đối với những dầm BT CĐC CST ngoài vết nứt chính, xuất hiện nhiều vết nứt nghiêng có bề rộng nhỏ hơn xuất hiện gần vết nứt chính. Góc nghiêng của vết nứt nhỏ hơn so với vết nứt dầm không có cốt sợi thép. Hình 3.9 Mô hình vết nứt khi uốn Hình 3.10 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300 dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN Hình 3.11. Mô hình vết nứt khi uốn Hình 3.12. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-1-300-6-300-SN dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SD Hình 3.13 Mô hình vết nứt khi uốn Hình 3.14. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm A-0-300-6-300 dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN 3.6.3. Phân tích về mối quan hệ tải trọng và độ võng giữa nhịp Hình 3.15. Đồ thị quan hệ giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp dầm H400mm
17 3.6.4. Phân tích về mối quan hệ tải trọng và biến dạng bê tông chịu nén Hình 3.16. Đồ thị về tải trong và biến dạng trong bê tông miền nén dầm H400mm Nhận xét, các đồ thị tương đối tuyến tính, bê tông làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng càng cao thì tính dẻo khi chịu nén của BTCST càng lớn lớn và biến dạng dẻo trong bê tông miền nén khi phá hoại lớn hơn. 3.6.5. Kết quả đo biến dạng trong cốt dọc Đồ thị ở Hình 3.17 và Hình 3.18 cho thấy, dầm B0-300-6-300 do không sử dụng cốt sợi thép, cốt dọc chủ nhanh chóng chảy dẻo khi tải trọng còn rất nhỏ. Các dầm còn lại khi sử dụng cốt sợi thép thì hàm lượng cốt sợi thép tăng, cốt dọc chủ bị chảy dẻo chậm hơn, khi tải trọng lớn hơn rất nhiều lần. Khả năng chịu tải trong trong cốt thép dọc tăng lên khi phối hợp với cốt sợi do cốt sợi thép có tham gia chịu kéo và hạn chế bề rộng vết nứt. Hình 3.17. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng Hình 3.18. Đồ thị lực cắt và biến dạng trong trong cốt dọc chủ vị trí D1(dầm H400mm) cốt dọc chủ vị trí D2 (dầm H400mm)
18 3.6.6. Kết quả đo biến dạng trong cốt dọc Biến dạng vị trí T1 như Hình 3.19 và vị trí T2 như Hình 3.20. Đồ thị đo biến dạng cốt đai cũng cho thấy cốt đai chảy dẻo chậm hơn trong các dầm có cốt sợi thép. Cốt đai dầm không sơi (B0-300-6-300) chảy dẻo khi tải trọng rất nhỏ. Ngược lại cốt đai trong dầm có hàm lượng cốt sợi lớn như dầm B0.63-300-6-300-SD và B1-300-6-300-SN chỉ chảy dẻo khi lực đạt giá trị lớn hơn nhiều lần so với dầm không có cốt sợi thép. Hình 3.19. Đồ thị quan hệ lực Hình 3.20. Đồ thị quan hệ lực cắt và cắt và biến dạng trong cốt đai vị biến dạng trong cốt đai vị trí T2 (μƐ) trí T1 (με) 3.7. Kết luận chương 3 Sau khi xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt cho dầm BTCST, mô hình được kiểm chứng bằng cách thử nghiệm trên dầm có chiều dài 2,4m, cao h=45cm và 40cm. - Khảo sát các đại lượng chính cho thấy hàm lượng sợi ảnh hưởng rất lớn đến sức kháng cắt. Với hàm lượng sơi chỉ 1% theo thể tích sức kháng cắt tăng 120% - Cùng hàm lượng sợi, hình dạng sợi nếu sợi có kích thước lớn hơn, tính theo mô hình đề xuất cho thấy sức kháng cắt lớn hơn. - Góc nghiêng của ứng suất kéo chính của các dầm BTCST thường nhỏ hơn 45o - Kết quả đo lực cắt tới hạn của dầm thử nghiệm cho thấy mô hình luận án đã dự báo tương đối chính xác sức khác cắt dầm BTCĐC CST. Kết quả uốn các dầm BTCĐC CST cho kết quả tương đồng với kết quả tính toán theo mô hình. NCS cs sử dụng công thức trong tiêu chuẩn ACI 544-4R 88