1 MỞ ĐẦU Tên luận án: Nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn cột bê tông cốt thép chịu nén tâm Tính cấp thiết đề tài Cột bê tông cốt thép (BTCT) kết cấu nhà nhiều tầng cấu kiện chịu nén theo thời gian.Trong giai đoạn thiết kế, thi công giai đoạn sử dụng xuất số vấn đề liên quan đến làm việc dài hạn cột BTCT chịu nén sau: - Sự chênh lệch kết biến dạng dài hạn dự đoán giai đoạn thiết kế kết đo thực nghiệm giai đoạn thi công xẩy thực tế Sự chênh lệch chủ yếu co ngót từ biến gây - Hiện tượng biến dạng dài hạn gây co ngắn dọc trục không ( vênh co) kết cấu chịu lực đứng ( cột, vách, lõi) dẫn đến phân phối lại nội lực kết cấu kết cấu; ảnh hưởng đến nứt vỡ bề mặt kiến trúc ảnh hưởng đến hệ thống kỹ thuật tòa nhà cao tầng Hiện có nhiều phương pháp xác định biến dạng co ngắn dọc trục kết cấu chịu nén BTCT( cột, vách, lõi) Tuy nhiên phương pháp chưa phù hợp với điều kiện môi trường Việt Nam Từ phân tích đây, xác định biến dạng co ngắn dài hạn dọc trục cột bê tông cốt thép điều kiện khí hậu Việt nam điều cần thiết Luận án thực nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn dọc trục cột BTCT chịu nén tâm điều kiện khí hậu Hà Nội Trên sở số liệu thực nghiệm thu phân tích đưa kết tính chất lý, sử dụng cho tính biến dạng co ngắn dài hạn cột BTCT Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án: - Nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén tâm điều kiện khí hậu Hà Nội - Nghiên cứu thực nghiiệm tính chất lí Bê tông có liên quan đến biến dạng dài hạn cụ thể là: cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi hệ số từ biến, co ngót bê tông 2 - Nghiên cứu phương pháp xác định biến dạng dài hạn cấu kiện bê tông Từ áp dụng đề xuất phương pháp tính biến dạng dài hạn cho kết cấu cột bê tông cốt thép Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu cấu kiện cột BTCT chịu nén tâm chịu tải trọng dài hạn Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài liên quan tới: - Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu nén tâm, chịu tải trọng dài hạn, môi trường khí hậu Hà Nội Cột bê tông cốt thép có tiết diện tròn, với bố trí cốt thép doc theo chu vi, cốt thép đai xoắn - Nghiên cứu thực nghiệm với bê tông có cấp độ bến chịu nén nhỏ B60, cốt thép CII, sử dụng vật liệu địa phương khu vực Hà Nội - Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tính chất lý bê tông như: cường độ chịu nén; mô đun đàn hồi; từ biến co ngót bê tông - Nghiên cứu phương pháp xác định biến dạng dọc trục cột BTCT chịu tải dài hạn Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan biến dạng dài hạn cấu kiện BTCT chịu nén chịu tải trọng dài hạn - Nghiên cứu lý thuyết cường độ, mô đun đàn hồi, biến dạng co ngót, từ biến bê tông - Nghiên cứu mô hình dự báo biến dạng từ biến, co ngót bê tông - Nghiên cứu phương pháp phân tích biến dạng dài hạn cấu kiện bê tông Qua đó, nghiên cứu áp dụng phương pháp vào xác định biến dạng dài hạn cho cấu kiện BTCT - Nghiên cứu phương pháp xác định biến dạng co ngắn cho cấu kiện cột BTCT chịu tải trọng dài hạn Qua đó, nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cột BTCT phù hợp với tính chất vật liệu bê tông làm việc dài hạn điều kiện khí hậu Hà Nội - Xây dựng mô hình xác định hệ số từ biến bê tông 3 - Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu nén tâm, chịu tải trọng dài hạn điều kiện khí hậu Hà Nội Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chủ yếu nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với nghiên cứu lý thuyết Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Nghiên cứu đề tài đem lại ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, như: - Nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn Cột BTCT chịu nén tâm môi trường khí hậu Hà Nội Bộ số liệu thu tài liệu có ý nghĩa giúp cho nghiên cứu liên quan đến làm việc dài hạn cột BTCT môi trường khí hậu Hà Nội - Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất hệ số từ biến bê tông phù hợp với điều kiện khí hậu Hà Nội Đây tiêu lý quan trọng bê tông, yếu tố đầu vào cho nhiều mô hình tính toán nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm điều kiện khí hậu Hà Nội - Đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cột BTCT chịu nén, chịu tải trọng dài hạn Phương pháp sử dụng mô đun đàn hồi theo thời gian, với hệ số từ biến xác định từ thực nghiệm điều kiện khí hậu Hà Nội biến dạng co ngót bê tông Những điểm luận án - Nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén tâm Từ nghiên cứu đưa số liệu biến dạng dài hạn cột BTCT làm việc dài hạn điều kiện khí hậu Hà Nội - Đề xuất hệ số từ biến bê tông xác định từ thực nghiệm điều kiện khí hậu Hà Nội - Đề xuất phương pháp tính biến dạng dài hạn cho kết cấu cột BTCT phù hợp với tính chất làm việc dài hạn vật liệu bê tông, điều kiện khí hậu Hà Nội Cấu trúc luận án Luận án gồm chương phần kết luận, kiến nghị, phần phụ lục Tổng số trang luận án 110 trang phần phụ lục Chương 1: Tổng quan nghiên cứu liên quan đến đề tài 4 Chương Biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén tâm Chương Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu nén tâm, chịu tải trọng dài hạn ***** Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Các nội dung lý thuyết liên quan đề tài 1.1.1 Co ngót từ biến bê tông - Các tính chất, yếu tố ảnh hưởng đến từ biến, co ngót bê tông - Phương pháp biểu diễn co ngót từ biến bê tông - Hệ số từ biến co ngót theo tiêu chuẩn: ACI 209-2008; GL2000; EN 1992:2004; B3; Tiêu chuẩn Nga 1.1.2 Các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn cấu kiện bê tông - Phương pháp sử dụng Mô đun đàn hồi hiệu (The Effective Modulus Method- EMM) - Phương pháp hệ số từ biến (The Rate of Creep Method-RCM) - Phương pháp Mô đun hiệu điều chỉnh, AEMM( The AgeAdjusted Effective Modulus Method – AEMM) 1.1.3 Các phương pháp xác định biến dạng co ngắn dài hạn cho cột BTCT - Phương pháp M.Fintel, H.Iyenger S.K Ghosh - Phương pháp Read M Samra 1.2 Tình hình nghiên cứu biến dạng dài hạn cột BTCT 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng giới 1.2.1.1 Các nghiên cứu Davis and Davis, Richart Staehle, Slater Lyse Các nghiên cứu thực nghiệm Davis and Davis; Richart Staehle; Slater Lyse đưa số nhận xét sau đây: - Đối với mẫu cốt thép tổng từ biến co ngót sau 18 tháng gần lần so với biến dạng tức thời xẩy sau chất tải - Đối với mẫu có cốt thép dọc tổng biến dạng từ biến co ngót sau 18 tháng gần lần so với biến dạng tức thời 5 - Quá trình thí nghiệm nhận thấy có phân phối lại ứng suất bê tông cốt thép cột BTCT chịu tải dài hạn, ứng suất cốt thép tăng dần ứng suất bê tông giảm dần - Hầu hết mẫu thí nghiệm cho thấy từ biến co ngót xẩy thời gian đầu chịu tải 1.2.1.2 Nghiên cứu Roslin Binti Omar (2009) Roslin Binti Omar nghiên cứu “ Dự báo biến dạng theo thời gian bê tông thường điều kiện khí hâu nhiệt đới” Một số kết nghiên cứu đạt được: - Đối với bê tông cường độ cao từ biến co ngót nhỏ so với bê tông cường độ thấp - Co ngót từ biến điều kiện môi trường xung quanh có độ ẩm thay đổi thấp môi trường có độ ẩm không đổi 50% - Co ngót từ biến đo từ thực nghiệm có giá trị nhỏ so với giá trị mô hình dự báo 1.2.1.3 Nghiên cứu HN Praveen Moragaspitiya (2011) Nghiên cứu đề cập đến vấn đề sau: - Đưa qui trình giám sát xây dựng có kết hợp với trình thi công để xác định co ngắn dọc trục có sử dụng quan trắc đo liên quan đến yếu tố có tính chất động (tiến độ, qui trình thi công, ) - Kết hợp ảnh hưởng tham số thời gian như: trình tự xây dựng, từ biến, co ngót, Modulus đàn hồi bê tông ban đầu vào qui trình giám sát xây dựng đề xuất 1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng Việt Nam Nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Bình, Nguyễn Trung Hiếu [15] thực nghiên cứu thực nghiệm (2013) biến dạng co ngót điều kiện khí hậu Việt Nam Nghiên cứu tiến hành Phòng thí nghiệm Kiểm định công trình, Trường Đại học Xây Dựng, đưa số kết luận có liên quan đến nội dung luận án sau: - Dự báo biến dạng co ngót theo điều kiện khí hậu Việt Nam mô hình: ACI 209R, EC2, CEB 2010, TCVN 3117:1993 cho kết chênh lệch so với số liệu thực nghiệm đo lớn 6 - Kết nghiên cứu thực nghiệm biến dạng co ngót bê tông với điều kiện môi trường theo tiêu chuẩn Việt Nam đo vòng năm có giá trị dao động từ (278.8  521.3)x10-6 [19] 1.3.1.1 Kết phân tích công trình Keangnam Lotte Hai tổ hợp công trình Keangnam Lotte xây dựng địa bàn Hà Nội, trình thi công tiến hành đo thực nghiệm biến dạng co ngắn cột, vách lõi [54],[55] Cả hai công trình cho thấy kết tính co ngắn cột tính với số liệu đầu vào từ thực nghiệm trường nhỏ nhiều so với kết dự báo trước với số liệu đầu lấy theo mô hình PCA (Mỹ) Trong báo báo từ biến co ngót bê tông xác định thí nghiệm trường bé so với kết dự báo giai đoạn thiết kế mô hình PCA 1.3.1.2 Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 – Kết cấu bê tông bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế Trong tiêu chuẩn Việt Nam 5574:2012 – Kết cấu bê tông bê tông cốt thép chưa đề cập đến qui trình xác định biến dạng dài hạn dọc trục cho kết cấu bê tông cốt thép chịu nén 1.4 Nhận xét chương Qua nghiên cứu tổng quan nghiên cứu đề tài trên, ta nhận thấy số vấn đề sau cần quan tâm: - Ảnh hưởng biến dạng co ngắn dọc trục khác cấu kiện BTCT chịu lực theo phương đứng (cột, vách, lõi) nhà cao tầng BTCT gây bất lợi đáng kể cho công trình Biến dạng co ngắn biến dạng dài hạn dọc trục cấu kiện chịu nén xét đến qui trình, tiến độ thi công Như vậy, thiết kế nhà cao tầng cần dự báo biến dạng dọc trục kết cấu đứng, để qua có biện pháp nhằm giảm thiểu tượng “vênh co ngắn” Các vấn đề đến chưa dành nhiều quan tâm nghiên cứu nước, tiêu chuẩn hành Việt Nam chưa đề cập đến - Chưa có nghiên cứu thực nghiệm nước cấu kiện cột Bê tông cốt thép chịu nén dài hạn để đánh giá làm việc cột điều kiện khí hậu môi trường Việt Nam - Các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn áp dụng cho tiết diện bê tông, với qui trình tính toán phức tạp Bên cạnh mô hình vật liệu phù hợp điều kiện môi trường cụ thể Để đánh giá biến dạng dài hạn kết cấu bê tông cốt thép môi trường Việt Nam cần tiến hành nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Các nghiên cứu tiến hành Việt Nam, có Trường Đại học Xây dựng [14],[15] 1.5 Đề xuất hướng nghiên cứu Từ nhận xét trên, luận án đề xuất hướng nghiên cứu sau đây: - Nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn dọc trục cột BTCT chịu nén môi trường khí hậu Hà Nội - Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm hệ số từ biến bê tông Từ xây dựng mô hình thí nghiệm để xác định hệ số từ biến bê tông phù hợp điều kiện khí hậu Hà Nội - Nghiên cứu phương pháp phân tích biến dạng dài hạn kết cấu bê tông áp dụng để xác định biến dạng dài hạn cấu kiện cột kết cấu bê tông cốt thép chịu nén tâm - Đề xuất phương pháp xác định biến dạng co ngắn dài hạn cột BTCT chịu nén tâm Với đặc trưng vật liệu (hệ số từ biến, mô đun đàn hồi bê tông) xác định từ thực nghiệm điều kiện khí hậu Hà Nội ***** Chương BIẾN DẠNG DÀI HẠN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 2.1 Biến dạng co ngót cột bê tông cốt thép Xét cột bê tông cốt thép có cốt thép bố trí đối xứng (Hình 2-3) Hình 2-2: Biến dạng cột bê tông cốt thép co ngót a/ Biến dạng co ngót tự bê tông b/ Biến dạng co ngắn cột bê tông cốt thép Qua nghiên cứu đề xuất đưa công thức xét ảnh hưởng cốt thép đến biến dạng co ngót bê tông thông qua hệ số ks sau: ks  1  n 1  0.8t  2.2 Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm Hình 2-3 Cột BTCT chịu nén theo thời gian (2-1) Xây dựng công thức xác định hệ số từ biến bê tông Hình 2-3 Cột BTCT với tiết diện tròn, chịu lực P không đổi, cốt dọc chịu lực As cốt đai vòng với bước s Các yếu tố cốt dọc cốt đai xem xét toán tính biến dạng dài hạn cột BTCT 2.2.1 Ứng suất cốt đai cột chịu nén Hình 2-4 Sự ảnh hưởng cốt đai đến làm việc dài hạn cột BTCT Hình 2-4 thể ảnh hưởng cốt đai đến cường độ cột BTCT bê tông Khi cột BTCT chịu nén sinh ứng suất đẩy theo phương ngang biến dạng nở hông Khi cốt đai phát sinh lực kéo vòng T, lực tác dụng trở lại lên bê tông lực phân bố q Ứng suất cốt đai theo phương dọc thời điểm t: 𝑓đ 𝜎𝑐đ (𝑡) 𝑓đ 𝜎𝑐đ (𝑡) (2-2) 𝜎đ (𝑡) =  𝐸𝑐 =  𝑠 𝑅 𝐸𝑐 𝑠 𝑅 2.2.2 Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm Xét cột chịu lực Hình 2-4, thời điểm t ta có phương trình cân bằng: Phương trình cân lực: 𝑃 = 𝑁𝑐 (𝑡) + 𝑁𝑠 (𝑡) = (2-3) = 𝜎𝑐 (𝑡) 𝐴𝑐 + 𝜎𝑠 (𝑡) 𝐴𝑠 𝑓đ 𝜎𝑐đ (𝑡) +  𝐴𝑙õ𝑖 𝑠 𝑅 Trong công thức trên: fđ: diện tích tiết diện cốt đai s: bước cốt đai Phương trình cân biến dạng dọc: 10 𝜀𝑐 (𝑡) = 𝜀𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡) - 𝜀đ (𝑡) = 𝜀𝑐 (𝑡) =  𝜀(𝑡) Quan hệ ứng suất – biến dạng( coi sh =0): 𝜎𝑐 (𝜏0 ) ∆𝜎𝑐 (𝑡) (1 + 𝜑𝑡 ) − (1 + 0.8𝜑𝑡 ) 𝜀(𝑡) = 𝐸𝑐 (𝜏0 ) 𝐸𝑐 (𝑡) Và 𝜎𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡) 𝐸𝑠 𝜎đ (𝑡) = 𝜀(𝑡) 𝐸𝑠 đℎ (𝑡) =  𝑇𝐵 (𝑡) = 0.2 Từ xác định hệ số từ biến bê tông sau:  E  t    c     c (t ) t  t c  c    0,8. c (t ) (2-4) (2-5) (2-6) (2-7) (2-8) 2.3 Ứng dụng phương pháp AEMM Samra vào tính toán biến dạng dài hạn cấu kiện Bê tông cốt thép Hình 0-5: Cột BTCT chịu nén tâm, cốt thép đối xứng Sử dụng AEMM, Samra để phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng dài hạn cột BTCT mô hình Hình 2.2 Cho Cột bê tông cốt thép, chịu nén tâm theo thời gian, nén thời điểm o với lực P Ta có phương trình cân sau: 𝑃 = 𝑁𝑐 (𝑡) + 𝑁𝑠 (𝑡) = 𝜎𝑐 (𝑡) 𝐴𝑐 + 𝜎𝑠 (𝑡) 𝐴𝑠 𝜀𝑐 (𝑡) = 𝜀𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡)  c (t )   c ( )   c (t ) (2-9) (2-10) 11 - Theo phương pháp AEMM quan hệ ứng suất – biến dạng thời điểm t biểu diễn theo công thức 𝜎𝑜 (𝜏𝑜 ) ∆𝜎𝑐 (𝑡) 𝜀(𝑡) = + + 𝜀𝑠ℎ (𝑡) (2-11) 𝐸𝑒 (𝑡, 𝜏𝑜 ) 𝐸𝑒𝑓𝑓 (𝑡, 𝜏𝑜 ) Ứng suất thay bê tông c(t) xác định sau:  P  c (t )  (2-12)    c ( )(1  ne,0  )   sh (t ) E s    ne,0   Ac  - Phương trình xác định biến dạng dài hạn cột BTCT theo phương pháp Samra sau: 𝜎𝑐 (𝜏0 ) ∆𝜎𝑐 (𝑡) (1 + 𝜑𝑡 ) − (1 + 0.8𝜑𝑡 ) 𝜀(𝑡) = (2-13) 𝐸𝑐 𝐸𝑐 + 𝜀𝑠ℎ(𝑡) Ta đặt: 𝜎𝑐 (𝜏0 ) ∆𝜎𝑐 (𝑡) (1 + 𝜑𝑡 ) − (1 + 0.8𝜑𝑡 ) (2-14) 𝜀𝑐 (𝑡) = 𝐸𝑐 𝐸𝑐 Như phương trình (2-11) gồm thành phần: Thành phần biến dạng từ biến (bao gồm biến dạng tức thời) thành phần biến dạng co ngót (𝑡) = 𝜀𝑐 (𝑡) + 𝜀𝑠ℎ,𝑠 (𝑡) (2-15) Với biến dạng co ngót 𝜀𝑠ℎ,𝑠 (𝑡) xác định riêng Áp dụng nguyên lý cộng tác dụng, ta tách tính toán riêng phần biến dạng từ biến Biến đổi phương trình (2-14) ta ứng suất bê tông thời điểm t: + n(1 − 0.2𝜑𝑡 ) 𝜇 (2-16) 𝜎𝑐 (t) = 𝜎𝑐 (𝜏0 ) [ ] + 𝑛(1 + 0.8𝜑𝑡 ) 𝜇 Với 𝐸𝑠 𝑛= 𝐸𝑐 Và ứng suất cốt thép thời điểm t: 𝜎𝑐 (𝑡) 𝜎𝑠 (t) = 𝑛𝜎𝑐 (𝜏0 ) [(1 − 0.8)𝜑𝑡 + (1 𝜎𝑐 (𝜏0 ) (2-17) + 0.8𝜑𝑡 ] 12 Từ xác định biến dạng dài hạn: 𝜀(𝑡) = 𝜎𝑠 (𝑡)/𝐸𝑠 2.4 Đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén Để phản ánh tính chất vật liệu bê tông làm việc theo thời gian, đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cấu kiện chịu cột BTCT đưa vào mô đun đàn hồi thay đổi theo thời gian Xem xét cột BTCT chịu nén Hình 2-5 cột chịu lực nén P không đổi Phương trình quan hệ ứng suất – biến dạng sử dụng mô đun đàn hồi theo thời gian sau: 𝜎𝑐 (𝜏0 ) ∆𝜎𝑐 (𝑡) (1 + 𝜑𝑡 ) − (1 + 0.8𝜑𝑡 ) 𝜀(𝑡) = (2-18) 𝐸𝑐 (𝜏0 ) 𝐸𝑐 (𝑡) + 𝜀𝑠ℎ (𝑡) Tính tách riêng phần biến dạng tác dụng tải trọng, đó: 𝜎𝑐 (𝜏0 ) ∆𝜎𝑐 (𝑡) (1 + 𝜑𝑡 ) − (1 + 0.8𝜑𝑡 ) (2-19) 𝜀(𝑡) = 𝐸𝑐 (𝜏0 ) 𝐸𝑐 (𝑡) Với ∆𝜎𝑐 = 𝜎0 − 𝜎𝑐, (𝑡), thay vào phương trình (2-19) kết hợp với (2-9) biến đổi ta được: − n0  + 𝑛𝑡  (1 + 0.8𝜑𝑡 ) 𝜎𝑐 (t) = 𝜎𝑐 (𝜏0 ) [ ] (2-20) +  𝑛𝑡 (1 + 0.8𝜑𝑡 ) Với 𝜎𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡) 𝐸𝑠 𝜎𝑠 (t) = n0 𝜎𝑐 (𝜏0 ) (1 + 𝜑𝑡 ) − 𝑛𝑡 (𝜎𝑐 (𝜏0 ) (2-21) − 𝜎𝑐 (t))(1 + 0.8𝜑𝑡 ) Trong đó: 𝐸𝑠 𝑛𝑡 = 𝐸𝑐 (𝑡) Phương pháp đề xuất phản ánh đầy đủ tính thực chất vật liệu bê tông làm việc dài hạn 2.5 Nhận xét chương - Đưa công thức xác định biến dạng co ngót bê tông Công thức xây dựng sở lý thuyết cột bê tông cốt thép có cốt thép chịu nén tâm, bố trí đối xứng 13 - Xây dựng qui trình công thức xác định hệ số từ biến bê tông thực nghiệm Công thức phản ánh tính chất lý luyết hệ số từ biến bê tông, tính chất biến đổi theo thời gian Trên sở tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tìm hệ số từ biến bê tông điều kiện môi trường khí hậu Việt Nam - Nghiên cứu áp dụng phương pháp AEMM Samra để xác định biến dạng dài hạn cho cấu kiện cột bê tông cốt thép chịu nén Các phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng có phạm vị ứng dụng khác Cả hai phương pháp tồn nhược điểm vào tính toán xem mô đun đàn hồi số - Phương pháp đề xuất xác định biến dạng dài hạn cho cột BTCT chịu nén tâm, sử dụng mô đun đàn hồi theo thời gian biến dạng co ngót Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CHỊU TẢI TRỌNG DÀI HẠN 3.1 Lựa mô hình cột bê tông cốt thép thí nghiệm Mô hình thí nghiệm mẫu cột BTCT hình trụ, đường kính cột D = 150mm, chiều cao cột H = 600mm Gồm hai nhóm mẫu thí nghiệm sau: - Nhóm mẫu 1: 04 mẫu cột BTCT với hàm lượng 1,5%, ký hiệu 𝑀𝐼 - Nhóm mẫu 2: 04 mẫu cột BTCT với hàm lượng 2,0%, ký hiệu 𝑀𝐼𝐼 - 04 mẫu, gồm 03 Cột BTCT có tải 01 mẫu cột BTCT không tải Chi tiết xem Hình 3-1 a- Mẫu hàm lượng cốt thép dọc 1,5 b- Mẫu hàm lượng cốt thép dọc 2,0 14 % % Hình 3-1 Chi tiết cấu tạo mẫu cột BTCT thí nghiệm 3.2 Vật liệu chế tạo mẫu cột BTCT thí nghiệm xác định đặc trưng học 3.2.1 Vật liệu bê tông Cấp phối vật liệu chế tạo bê tông sử dụng để chế tạo mẫu cột BTCT Hình 3-1 sau Bảng 3-2 Cấp phối vật liệu chế tạo bê tông (kg/m3) Xi măng Cát vàng Đá dăm 1x2 Nước PCB 40 489 (kg) 464 (kg) 1263 (kg) 193 (lít) 3.2.2 Vật liệu thép Cốt thép sử dụng để chế tạo mẫu bê tông gồm hai loại: cốt thép dọc 8 gai cốt thép đai 4 Thí nghiệm kéo xác định cường độ thép thực theo quy định tiêu chuẩn TCVN 197: 2002 “ Vật liệu kim loại- Thử kéo nhiệt độ thường” Kết thu cho thấy cốt thép dọc 8 thuộc nhóm thép CII cốt thép đai 4 thuộc nhóm thép CI 3.2.3 Thí nghiệm xác định đặc trưng học bê tông 3.2.3.1 Thí nghiệm xác định cường độ nén Bảng 3-3.Kết thí nghiệm cường độ chịu nén bê tông Tuổi bê tông 14 21 28 60 90 (ngày) Cường độ chịu 27.4 30.6 31.6 32.5 38.0 38.3 nén (MPa) Cường độ chịu nén (MPa) 50 40 30 20 10 0 30 60 Tuổi bê tông (ngày) 90 120 Hình 3-2 Biểu đồ phát triển cường độ bê tông theo thời gian 3.2.3.2 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi bê tông Bảng 3-4 Kết mô đun đàn hồi thí nghiệm Tuổi bê tông 14 21 28 60 90 120 15 (ngày) Mô đun đàn hồi (MPa) 35800 36500 36980 37550 37695 37780 38200 Mô đun đàn hồi (MPa) 50000 40000 30000 20000 10000 0 30 60 90 Tuổi bê tông (ngày) 120 150 Hình 3-4 Biểu đồ phát triển mô đun đàn hồi bê tông theo thời gian 3.3 Thiết kế thí nghiệm mẫu cột BTCT chịu tác dụng tải trọng dài hạn 3.3.1 Giá trị tải trọng thí nghiệm Giá trị tải trọng thí nghiệm: Ptn = 170 KN 3.3.2 Thiết bị tạo tải trọng tác dụng dài hạn lên cột Sơ đồ hệ khung gia tải cấu tạo Hình 3-5 sau 1- Bệ đế thép; – lò xo; 3-giá thép; 3a – giá thép mẫu; 4- 16 khung giữ tải 5- Mẫu cột BTCT; – kích; – khung ban đầu; 8- Load – Cell; – Indicator Hình 3-5 Sơ đồ hệ gia tải Hình 3-6 Hình ảnh hệ gia tải  Hình 3-7 Sơ đồ thí nghiệm nén mẫu cột BTCT chịu nén Lựa chọn lò xo tạo tải trọng nén lên mẫu: Lò xo nén hình trụ thiết kế Hình 3-8 sau: 140 120 Lực nén tác dụng (kN) y = 97.586x + 0.3399 R² = 0.9919 100 80 60 40 20 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 Độ co lò xo (mm) Hình 3-8 Chi tiết cấu tạo lò Hình 3-9 Quan hệ lực nén biến xo dạng lò xo  Kiểm soát tải trọng nén lò xo tác dụng lên mẫu thí nghiệm 17 Sử dụng đồng hồ gắn vào lò xo để kiểm soát lực tác dụng lên mẫu thông qua biến dạng lò xo Sơ đồ bố trí xem Hình 3-10 sau Hình 3-10 Bố trí đồng hồ đo biến dạng lò xo 3.3.3  Bố trí dụng cụ đo biến dạng Lựa chọn dụng cụ đo Dụng cụ đo bố trí Hình 313 Hình 3-13 Sơ đồ bố trí dụng cụ đo biến dạng 3.4 Trình tự thí nghiệm mẫu cột BTCTchịu tác dụng tải trọng dài hạn Trình tự thí nghiệm thực bao gồm 03 bước[20], thể Bảng 3-5 đây: 18 Bảng 3-5 Trình tự thực bước thí nghiệm mô hình cột BTCT chịu tải trọng dài hạn Trình tự Nội dung Nội dung theo dõi thực công việc ghi kết thí nghiệm - Hệ khung chịu lực - Hệ lò so gia tải dài hạn I.1 Lắp dựng thí - Mô hình cột BTCT dụng cụ đo nghiệm - Hệ kích thủy lực load-cell - Dụng cụ đo Bước I Bước II - Gia tải thử với tải trọng 10 – 15 (%) giá trị tải thiết kế, Ptn - Kiểm tra hoạt động hệ thống thiết bị gia tải TN +Kiểm tra tình trạng làm việc I.2 Kiểm tra tổng thể dụng cụ đo hệ thống thí nghiệm + Khử biến dạng thiết bị chưa siết chặt, hay các khe hở sạn, cát gây - Hạ tải - Kiểm tra trạng thái hoạt động phương tiện khác phục vụ TN (Bao gồm việc kiểm soát không gian bố trí TN, điều kiện nhiệt ẩm môi trường phòng TN) - Vận hành kích thủy lực ghi nhận thị load – cell - Xác định giá trị lực gia tải theo thiết kế Ptn Thực gia tải - Chốt chặt định vị đai ốc theo dõi biến dạng - Kiểm tra trị số lực trạng thái mô hình cột truyền tải ổn định không đổi từ BTCT hệ lò so tác dụng lên mô hình cột khảo sát - xác định thời điểm t0 - Giả phóng thiết bị gia tải ban đầu 19 - Ghi nhận thị Indicator đo biến dạng ứng với thời điểm t0 - Sau 2h 6h Ghi nhận số liệu đo - Sau ngày ngày Bước III biến dạng theo lịch - Sau tuần tuần đầu trình TN (kể từ thời - Sau tháng kết điểm t0) thúc thí nghiệm (200 ngày???) 3.5Thí nghiệm mẫu cột BTCT không chịu tải trọng Thí nghiệm mẫu cột BTCT không chịu tác dụng tải trọng thực thời gian, địa điểm với mẫu cột BTCT có tải trọng tác dụng Hình 3-15 thể mẫu thí nghiệm cột BTCT không chịu tác dụng tải trọng Hình 3-15 Bố trí dụng cụ đo mẫu tự 3.6 Đánh giá số liệu kết thí nghiệm Qua theo dõi kết đo biến dạng mô hình cột BTCT cho thấy: - Số liệu thí nghiệm thu nhận thời điểm đo biến dạng mô hình cột BTCT chịu tải trọng nén với thi Indicator đồng đều, không phát có biến động chênh lệch đáng lưu ý Đối với mẫu cột không chịu tải trọng cho kết tương tự - Khi tuổi bê tong tăng lên độ chênh số vạch đo thị Indicator nhỏ, khoảng biến động nhỏ 10% so với tổng 20 biến dạng xảy khoảng thời gian theo dõi (về cuối, khoảng thời gian tháng) - Độ chênh lệch số đọc Indicator ghi nhận lần đo trước lần đo sau phạm vi khoảng thời theo dõi phù hợp với qui luật phát triển biến dạng dài hạn (tăng nhanh độ tuổi bê tông ban đầu chịu tải giảm dần thời gian tăng lên) - Quá trình theo dõi biến dạng mẫu cột BTCT chịu tải cho thấy, với biến dạng nhận từ tháng thứ (120 ngày) đến tháng thứ (210 ngày) nhỏ rõ rệt so với tháng trước Điều giải thích, ảnh hưởng tuổi bê tông, thi thời gian đó, độ ẩm môi trường phòng thí nghiệm có tăng cao - Theo dõi biến dạng mẫu cột BTCT không chịu tải trọng tác dụng, cho thấy hai tháng có biến dạng nhỏ xảy vào tháng có độ ẩm cao vừa nêu (tháng tứ thứ 5) Kết biến dạng biểu diễn Hình 3-19 Hình 3-20 900.0 Biến dạng dọc trục, xE-3 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 Mẫu 1,5% 200.0 100.0 Mẫu 2% 0.0 100 200 300 400 Thời gian, t(ngày) 500 600 700 Hình 3-19: Biến dạng dài hạn dọc trục mẫu MI MII Biến dạng co ngót, xE-3 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 Mẫu 1,5% 40.0 Mẫu 2% 20.0 0.0 100 200 300 400 Thời gian, t (ngày) 500 600 700 21 Hình 3-20 Biến dạng co ngắn theo thời gian mẫu MI0 MII0 3.7 Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm Kết hệ số từ biến bê tông trình bày Bảng 3-10 Bảng 3-10 Hệ số từ biến bê tông tính toán từ thực nghiệm Hệ số từ biến,(t) t (ngày) (t) t (ngày) (t) 14 21 28 35 60 90 120 150 180 210 240 0.00 0.74 0.80 0.90 0.97 1.16 1.27 1.42 1.49 1.38 1.64 1.75 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 1.79 5.00 1.86 1.90 1.90 1.92 1.88 1.90 1.92 1.85 1.90 2.02 2.12 4.00 3.00 2.00 1.00 B3 GL2000 ACI209 EN1992 TC Nga HSTB _TN 0.00 200 400 600 Thời gian ,t (ngày) 800 Hình 3-21 Hệ số từ biến bê tông theo thực nghiệm theo tiêu chuẩn khác 3.8 Tính toán biến dạng dài hạn cho mẫu cột BTCT từ thực nghiệm Biểu đồ biến dạng dài hạn theo phương pháp sau: 800.0 Biến dạng dọc trục x E-6 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 PPđề xuất AEM (1,5%) 100.0 Samra (1,5%) 0.0 100 200 300 400 Thời gian, t (ngày) 500 600 700 22 Hình 3-22 Đồ thị biến dạng dài hạn mẫu MI theo thời gian 700.0 Biến dạng dọc trục x E-6 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 AEM (2%) 100.0 PP đề xuất Samra (2%) 0.0 100 200 300 400 Thời gian, t (ngày) 500 600 700 Hình 3- 23 Đồ thị biến dạng dài hạn mẫu MII theo thời gian 3.6 Nhận xét chương - Nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn cột bê tông cốt thép chịu nén tâm đưa tệp số liệu biến dạng mẫu cột BTCT điều kiện khí hậu Hà Nội Tệp số liệu phản ánh với qui luật lý thuyết biến dạng dài hạn phù hợp với nghiên cứu khác tương tự - Nghiên cứu thực nghiệm với mẫu cột BTCT không chịu tải điều kiện khí hậu giống với điều kiện khí hậu mẫu cột chịu tải Thu tệp số liệu biến dạng co ngót có giá trị cho nghiên cứu sau - Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi bê tông theo thời gian với cường độ chịu nén B30 Tuy số liệu đo hạn chế loại bê tông (B30) có ý nghĩa giúp cho nghiên cứu khác có liên quan đến bê tông - Từ nghiên cứu thực nghiệm tính hệ số từ biến bê tông phù hợp với môi trường khí hậu Hà Nội Điều giúp cho việc dự báo biến dạng co ngắn dọc trục cột nhà nhiều tầng - Đã kiểm chứng phương pháp đề xuất xác định biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén tâm có kể đến ảnh hưởng cốt đai lò xo Phương pháp sử dụng tính toán co ngắn cột BTCT nhà nhiều tầng ***** 23 KẾT LUẬN Kết luận: Đề tài luận án “: Nghiên cứu thực nghiệm biến dạng dài hạn cột bê tông cốt thép chịu nén tâm” đạt kết sau đây:  Đã thí nghiệm mẫu thử hình trụ tròn BTCT với hàm lượng cốt thép 1,5% 2%, chịu tải trọng tâm để đo biến dạng dài hạn (thời gian đo 20 tháng) Tệp số liệu đo (trình bày phụ lục Luận án) có giá trị cho nghiên cứu  Đã chế tạo đo biến dạng co ngót mẫu thử BTCT với hàm lượng cốt thép điều kiện phòng thí nghiệm giống mẫu dùng để đo biến dạng dài hạn Tệp số liệu đo biến dạng co ngót khai thác cho nghiên cứu sau  Đã chế tạo mẫu thử bê tông có cấp cường độ với bê tông mẫu bê tông cốt thép đo giá trị mô đun đàn hồi bê tông phát triển theo thời gian Dù số liệu hạn chế cho loại bê tông dùng thí nghiệm mẫu trụ BTCT (B30) có ý nghĩa việc cung cấp số liệu cho người nghiên cứu BTCT  Đã đề xuất công thức tính biến dạng co ngót bê tông có số liệu thực nghiệm biến dạng co ngót bê tông cốt thép cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén tâm  Từ số liệu đo biến dạng dài hạn mẫu thử, tính hệ số từ biến theo thời gian (t) Hệ số có ý nghĩa thực tiễn áp dụng việc thiết kế kết cấu BTCT nói chung thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng BTCT nói riêng  Đã đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cột BTCT chịu nén tâm có xét đến ảnh hưởng cốt đai lò xo có xét đến thay đổi mô đun đàn hồi theo thời gian Phương pháp phản ánh đầy đủ đặc tính làm việc dài hạn vật liệu bê tông Phương pháp đề xuất sử dụng tính toán co ngắn cột bê tông cốt thép nhà nhiều tầng  Cần lưu ý nghiên cứu thực nghiệm tiến hành Hà nội từ tháng 10 năm 2014 đến tháng năm 2016 ứng với nhiệt 24 độ thay đổi khoảng từ 19oC đến 32oC độ ẩm thay đổi khoảng từ 45% đến 80% ***** KIẾN NGHỊ  Nghiên cứu qui mô biến dạng từ biến co ngót bê tông điều kiện khí hậu vùng miền khác Việt Nam để có số liệu chuẩn cho việc thiết kế kết cấu BTCT nói chung Những nghiên cứu phải đề cập đến vấn đề có liên quan đến từ biến co ngót bê tông ***** [...]... hưởng của cốt đai lò xo Phương pháp này có thể sử dụng trong tính toán co ngắn cột BTCT nhà nhiều tầng ***** 23 KẾT LUẬN Kết luận: Đề tài luận án “: Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm đã đạt được những kết quả sau đây:  Đã thí nghiệm 6 mẫu thử hình trụ tròn bằng BTCT với hàm lượng cốt thép 1,5% và 2%, chịu tải trọng đúng tâm để đo biến dạng dài hạn. .. thời gian và biến dạng co ngót Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CHỊU TẢI TRỌNG DÀI HẠN 3.1 Lựa mô hình cột bê tông cốt thép thí nghiệm Mô hình thí nghiệm là các mẫu cột BTCT hình trụ, đường kính cột D = 150mm, chiều cao cột H = 600mm Gồm hai nhóm mẫu thí nghiệm như sau: - Nhóm mẫu 1: 04 mẫu cột BTCT với hàm lượng 1,5%, ký hiệu 𝑀𝐼 - Nhóm mẫu 2: 04 mẫu cột BTCT với... thuyết về cột bê tông cốt thép có cốt thép chịu nén đúng tâm, bố trí đối xứng 13 - Xây dựng qui trình và công thức xác định hệ số từ biến của bê tông bằng thực nghiệm Công thức phản ánh được các tính chất lý luyết của hệ số từ biến bê tông, như tính chất biến đổi theo thời gian Trên cơ sở đó tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tìm ra hệ số từ biến bê tông trong điều kiện môi trường khí hậu ở Việt Nam - Nghiên. .. theo thời gian 700.0 Biến dạng dọc trục x E-6 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 AEM (2%) 100.0 PP đề xuất Samra (2%) 0.0 0 100 200 300 400 Thời gian, t (ngày) 500 600 700 Hình 3- 23 Đồ thị biến dạng dài hạn của mẫu MII theo thời gian 3.6 Nhận xét chương 3 - Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm đã đưa ra được tệp số liệu về biến dạng mẫu cột BTCT trong điều... ánh đúng với qui luật lý thuyết về biến dạng dài hạn và phù hợp với các nghiên cứu khác tương tự - Nghiên cứu thực nghiệm với mẫu cột BTCT không chịu tải trong điều kiện khí hậu giống với điều kiện khí hậu của mẫu cột chịu tải ở trên Thu được tệp số liệu biến dạng co ngót có giá trị cho các nghiên cứu sau này - Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi bê tông theo thời gian với cường độ chịu nén. .. được chỉ hạn chế 1 loại bê tông (B30) nhưng nó có ý nghĩa giúp cho các nghiên cứu khác có liên quan đến bê tông - Từ nghiên cứu thực nghiệm đã tính được hệ số từ biến bê tông phù hợp với môi trường khí hậu ở Hà Nội Điều này có thể giúp cho việc dự báo biến dạng co ngắn dọc trục các cột nhà nhiều tầng - Đã kiểm chứng được phương pháp đề xuất xác định biến dạng dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm có... cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm  Từ số liệu đo được về biến dạng dài hạn của các mẫu thử, tính được hệ số từ biến theo thời gian (t) Hệ số này có ý nghĩa thực tiễn áp dụng trong việc thiết kế kết cấu BTCT nói chung và thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng bằng BTCT nói riêng  Đã đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cột BTCT chịu nén đúng tâm có xét đến ảnh hưởng của cốt đai lò... tông cốt thép ở trên và đo được giá trị mô đun đàn hồi của bê tông phát triển theo thời gian Dù số liệu chỉ hạn chế cho một loại bê tông dùng trong thí nghiệm mẫu trụ BTCT (B30) nhưng đây cũng có ý nghĩa đối với việc cung cấp số liệu cho những người nghiên cứu về BTCT  Đã đề xuất công thức tính biến dạng co ngót của bê tông khi có số liệu thực nghiệm về biến dạng co ngót của bê tông và cốt thép trong... lục của Luận án) có giá trị cho những nghiên cứu tiếp theo  Đã chế tạo và đo biến dạng co ngót của 2 mẫu thử bằng BTCT với hàm lượng cốt thép như trên trong cùng điều kiện của phòng thí nghiệm giống như 6 mẫu dùng để đo biến dạng dài hạn Tệp số liệu đo biến dạng co ngót này có thể khai thác cho những nghiên cứu sau này  Đã chế tạo mẫu thử bê tông có cùng cấp cường độ với bê tông của 8 mẫu bê tông cốt. .. 3-21 Hệ số từ biến của bê tông theo thực nghiệm và theo các tiêu chuẩn khác 3.8 Tính toán biến dạng dài hạn cho mẫu cột BTCT từ thực nghiệm Biểu đồ biến dạng dài hạn theo 3 phương pháp như sau: 800.0 Biến dạng dọc trục x E-6 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 PPđề xuất AEM (1,5%) 100.0 Samra (1,5%) 0.0 0 100 200 300 400 Thời gian, t (ngày) 500 600 700 22 Hình 3-22 Đồ thị biến dạng dài hạn của mẫu MI ... Chương BIẾN DẠNG DÀI HẠN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 2.1 Biến dạng co ngót cột bê tông cốt thép Xét cột bê tông cốt thép có cốt thép bố trí đối xứng (Hình 2-3) Hình 2-2: Biến dạng cột. .. định biến dạng dài hạn cho cột BTCT chịu nén tâm, sử dụng mô đun đàn hồi theo thời gian biến dạng co ngót Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CHỊU TẢI TRỌNG DÀI HẠN... tính biến dạng co ngót bê tông có số liệu thực nghiệm biến dạng co ngót bê tông cốt thép cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén tâm  Từ số liệu đo biến dạng dài hạn mẫu thử, tính hệ số từ biến theo