Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày kết quả thực nghiệm bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt thép chịu tác dụng của hai lực tập trung. Kết quả thí nghiệm được so sánh với các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay như tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 tại tải trọng giới hạn tính toán theo lý thuyết.
KHOA HC & CôNG NGHê Nghiờn cu tớnh toỏn b rộng vết nứt kết cấu dầm bê tông cốt thép Research on the crack width calculation in reinforced concrete beams Lê Phước Lành Tóm tắt Bài báo trình bày kết thực nghiệm bề rộng vết nứt dầm bê tông cốt thép chịu tác dụng hai lực tập trung Kết thí nghiệm so sánh với tiêu chuẩn thiết kế tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 tải trọng giới hạn tính tốn theo lý thuyết Kết thí nghiệm bề rộng vết nứt cho thấy có khác biệt lớn với kết tính tốn bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn thiết kế nêu Từ khóa: Vết nứt, Dầm bê tông cốt thép, Ứng suất, Biến dạng Abstract This paper presents the experimental results of crack width in reinforced concrete beams Experimental model of reinforced concrete beams subjected to two focus forces Experimental results are compared with design standards such as Vietnamese standard TCVN 5574:2012, European standard Eurocode 2:2004 and US standard ACI 318:2008 at limit load in the theoretical calculation Experimental results show that crack width has a difference with calculation results according to the design standards Keywords: Cracking, Reinforced concrete beams, Stress, Strain Đặt vấn đề Hiện nay, để dự báo tuổi thọ cơng trình xây dựng, cần xây dựng quy luật thay đổi tham số xác định tuổi thọ cơng trình Các tham số xác định tuổi thọ cơng trình ngun nhân chủ quan khách quan gây suy giảm khả chịu lực kết cấu Đối với kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), tuổi thọ cơng trình định nhiều yếu tố khác nhau, vết nứt kết cấu yếu tố Vết nứt nhiều nguyên nhân gây (Do tải trọng, biến dạng nhiệt, biến dạng co ngót bê tơng bị ngăn cản ) ảnh hưởng đến an toàn kết cấu Tính tốn vết nứt kết cấu cơng trình BTCT nói chung kết cấu dầm BTCT nói riêng trình bày số tiêu chuẩn thiết kế tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [9], tiêu chuẩn Hoa kỳ ACI 318:2008 [1], tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [4] Tuy nhiên, việc tính tốn bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn nêu không đồng thông số ảnh hưởng đến phát triển mở rộng bề rộng vết nứt Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm bề rộng vết nứt kết cấu dầm BTCT để kiểm chứng kết tính tốn lý thuyết theo tiêu chuẩn quan trọng Nghiên cứu thực nghiệm 2.1 Mẫu thí nghiệm vật liệu chế tạo mẫu Mơ hình thí nghiệm dầm đơn giản chịu tác dụng hai lực tập trung Tiến hành chế tạo 02 mẫu dầm BTCT có cấu tạo chi tiết trình bày Hình Trên Bảng trình bày đặc trưng học vật liệu bê tông vật liệu cốt thép Bê tơng có cấp độ bền B20 cốt thép đạt mác thép CB 300-V Với đặc trưng học vật liệu kích thước hình học dầm BTCT thí nghiệm trên, sơ xác định khả chịu lực dầm theo dẫn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] giá trị Mgh = 22,7x106 (N.mm) 2.2 Sơ đồ tải trọng thí nghiệm 2.2.1 Sơ đồ thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm dầm đơn giản (Kê mẫu thí nghiệm lên 01 gối tựa cố định 01 gối tựa di động), chịu tác dụng 02 lực tập trung P (Ptổng = 2P) Vị trí lực tác dụng vị trí gối tựa dầm thể Hình vẽ - 2.2.2 Tải trọng thí nghiệm Tải trọng giới hạn dầm xác định sau: = Pgh Mgh 22,7 × 106 = = 22,7 × 103 (N) z 103 Vậy tải trọng giới hạn tiêu chuẩn ThS Lê Phước Lành Khoa XDDD&CN Trường Đại học Xây dựng Email: lanhlp@nuce.edu.vn t /c P= Pgh 22,7 × 103 = = 18,9 × 103 (N ) 1,2 1,2 Thí nghiệm gia tải mẫu dầm BTCT đến trạng thái xuất dấu hiệu phá hủy Lựa chọn Ptn ≈ 2Pgh 2.3 Bố trí dụng cụ đo quy trình thí nghiệm Bảng 1: Đặc trưng học vật liệu thép bê tông Mẫu thép Φ14 Giới hạn chảy σc [MPa] 351 34 Giới hạn bền σb [MPa] 497 TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Bin dạng dài Mác thép tương đối ε [%] 21,2 CB 300-V Cường độ chịu nén bê tông R28 [MPa] 27,9 A-A Hình Cấu tạo dầm BTCT thí nghiệm Hình Sơ đồ thí nghiệm dầm Hình Hình ảnh sơ đồ thí nghiệm dầm Tiến hành bố trí dụng cụ đo lực (Load cell), thiết bị σ đo nứt chuyên dụng KG-1 KG-2 (Hình 5) Tất các= dụng acrc δϕlη s 20 3,5 − 100 µ d Es cụ kết nối với máy TDS 530 ghi nhận số liệu, cho (1) phép ghi nhận giây lấy lần số liệu (Hình 4) Sau đó, tiến Trong đó: σs ứng suất cốt thép, xác định từ hành gia tải lên dầm với tốc độ dịch chuyển xy lanh 1,2 sơ đồ ứng suất tiết diện có vết nứt (Hình 8) mm/ phút đến xuất dấu hiệu phá hủy ngừng thí nghiệm ξ2 ( ) As M z= 1 − ho σs = bho ; As z ; (ϕf + ξ ) x α = ξ = As' + (δ + λ ) ho 2ν ϕf = β+ bho ; 10 µα µ= Phân tích đánh giá kết 3.1 Bề rộng vết nứt mẫu dầm thí nghiệm Bề rộng vết nứt lớn vị trí N1 (Hình 6) 02 mẫu dầm BTCT thí nghiệm đo cấp tải trọng thể Hình 3.2 Tính tốn bề rộng vết nứt dầm BTCT theo tiêu chuẩn 3.2.1 Tính tốn bề rộng vết nứt dầm theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 Bề rộng vết nứt dầm BTCT tính tốn theo dẫn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] xác định theo công thức (1) λ = ϕf δ= ; M bh Rb,ser o (2) (3) (4) Trong đó: β = 1,8 bê tơng nặng; δ = cấu kiện chịu uốn; φl = 1,0 ν = 0,45 tải trọng tác dụng ngắn hạn; η = cốt thép có gờ; d đường kính cốt thép; A’s diện tích cốt thép chịu nén; Rb,ser ứng suất bê tông vùng nén tính theo TTGH thứ 2; Es Bảng 2: So sánh bề rộng vết nứt Dầm BTCT D1 D2 Tiêu chuẩn tính tốn TCVN 5574:2012 Eurocode 2:2004 ACI 318:2008 TCVN 5574:2012 Eurocode 2:2004 ACI 318:2008 Bề rộng vết nứt dầm BTCT Độ sai lệch kết thực nghiệm tải trọng tiêu chuẩn P = Ptc [mm] tính tốn lý thuyết [%] Kết tính tốn lý thuyết Kết thực nghiệm 0,190 11,6 0,208 0,215 3,3 0,194 9,8 0,190 12,8 0,208 0,218 4,6 0,194 11,0 S¬ 27 - 2017 35 KHOA HC & CôNG NGHê mụ đun đàn hồi cốt thép Bê tơng có cấp độ bền B20 theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] có Rb,ser = 15 MPa; Es = 21 x 104 MPa 3.2.2 Tính tốn bề rộng vết nứt dầm theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 Bề rộng vết nứt dầm BTCT tính tốn theo dẫn tiêu chuẩn Chuẩn Âu Eurocode 2:2004 [3] xác định theo cơng thức Hình Bố trí dụng cụ đo = w k sr ,max ( ε sm − ε cm ) (5) Trong đó: = (ε sm − ε cm ) αe = σ s − kt fct ,eff ρ p,eff (1 + α e ρp,eff ) ≥ 0,6 Es σs Es (6) A Es ρ p,eff = s Ae,eff Ecm ; ; fct,eff = fct,m ; h − x h , − As (7) Ae,eff = b × 2,5 ( h − d ) , Hình Đo bề rộng vết nứt kt = 0,6; x chiều cao vùng nén, xác định nhờ quy đổi diện tích cốt thép diện tích bê tơng tương đương (Hình 9) xác định công thức −α e As + (α e As ) + 2bα e As d x= b σs = (8) M x As d − 3 (9) Khoảng cách lớn vết nứt: sr ,max = k3 c + Hình Bản đồ vết nứt hai dầm k1k k 4φ ρ p,eff (10) Với: k3 = 3,4; k4 = 0,425; k1 = 0,8; k2 = 0,5; ϕ = 14; fck cường độ chịu nén đặc trưng mẫu trụ; fcm giá trị trung bình cường độ chịu nén mẫu trụ; fct,m giá trị trung bình cường độ chịu kéo bê tơng; fct,k cường độ chịu kéo đặc trưng bê tơng Bê tơng có cấp độ bền B20 theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] tương đương cấp độ bền C16/20 có đặc trưng sau: fck = 16 MPa; fcm = 24 MPa; fct,m = 1,9 MPa; fct,k = 1,3 MPa; Ecm = 29 x 103 MPa Thép CB 300 - V tương đương nhóm thép S220 theo tiêu chuẩn EN 10080 [4] có fyk = 220 MPa; Es = 20 x 104 MPa 3.2.3 Tính bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 Bề rộng vết nứt dầm tính theo tiêu chuẩn Hoa kỳ ACI 318:2008 [1] tính tốn theo cơng thức Gergely – Lux (Cơng thức (11)) Hình 7: Quan hệ tải trọng bề rộng vết nứt dầm 36 TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG w = 1,3.10 −6 fs dc A Trong đó: (11) w bề rộng tính tốn vết nứt, cm; fs ứng suất cốt thép, kg/cm2 dc chiều dày lớp bê tông bảo vệ, đo từ mặt dầm chịu kéo đến trọng tâm cốt thép nằm sát với mặt đó, cm; A diện tích phần bê tông bao quanh thép, cm2 Để xác định ứng suất vị trí vết nứt, giả thiết vết nứt mở rộng đến trục trung hòa tiết diện phẳng Tiết diện có vết nứt quy đổi thể Hình 10 M k j = 1− As jd ; A ρ = s k= ( ρ n )2 + ρ n − ρ n bd ; fs = n= Es 2d b A= c Ec ; (12) Hình Sơ đồ ứng suất tiết diện có vết nứt (13) (14) Bê tơng có cấp độ bền B20 quy đổi theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 [1] sau: f’c = 150kg/cm2; Ec = 15000 fc' kg/cm2 Cốt thép CB 300-V tương đương với cốt thép có mác thép Grade 40 theo tiêu chuẩn ASTM A615 [2] có giới hạn chảy fy = 280 kg/cm2; Es = 2x106 kg/cm2 Hình Tiết diện có vết nứt quy đổi Trên Bảng 2, trình bày kết tính tốn bề rộng vết nứt thực nghiệm lý thuyết theo tiêu chuẩn tải trọng tiêu chuẩn P = Ptc = 18,9kN Kết luận kiến nghị Bài viết giới thiệu cách tính tốn bề rộng vết nứt cấu kiện dầm BTCT chịu tác dụng hai lực tập trung theo 03 tiêu chuẩn thiết kế tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6], tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3], tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 [1] Kết tính tốn lý thuyết kiểm chứng thông qua kết thực nghiệm thu kết sau: Công thức tính tốn bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn nêu có khác nhau: + Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] bề rộng vết nứt phụ thuộc nhiều vào đường kính cốt thép ứng suất cốt thép vị trí vết nứt Đặc biệt, có kể đến cốt thép nằm vùng nén bê tông + Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3] bề rộng vết nứt phụ thuộc nhiều vào chênh lệch biến dạng cốt thép bê tơng, đường kính chiều dày lớp bê tông bảo vệ + Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 [1] bề rộng vết nứt phụ thuộc nhiều vào ứng suất cốt thép chiều dày lớp bê tông bảo vệ Như vậy, công thức tính tốn bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] chưa đề cập đến ảnh hưởng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, giới hạn bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Việt Nam chủ yếu tập trung vào ăn mòn cốt thép Bởi vì, chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tham số ảnh hưởng đến ăn mòn cốt thép bê tơng Các kết tính tốn theo lý thuyết nhỏ so với kết thực nghiệm Do vậy, cơng thức tính tốn lý thuyết chưa đề cập đầy đủ tham số ảnh hưởng Hình 10 Tiết diện có vết nứt quy đổi yếu tố hình học, cấu tạo tải trọng đến bề rộng vết nứt Tính tốn bề rộng vết nứt theo ba tiêu chuẩn nêu trên, tính theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3] có kết sát với thực nghiệm với sai số nhỏ 5% Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] cho kết sai số lớn với sai số nhỏ 15% lấy đặc trưng học vật liệu theo lý thuyết đưa vào thiết kế thực tế./ Tài liệu tham khảo ACI 318, Building code requiremants for structural concrete, 2008 ASTM, Standard specification for deformedand plain carbon – Steel bars for concrete Reinforcement Eurocode 2, Design of concrete Structure – Part 1: General Rules and Rules for Buildings; The European Standard EN 1992 – 1- 1, 2004 EN 10080, Steel for the reinforcement of concrete-Weldable reinforcing steel-General, 2005 TCVN 3118, Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, 1993 TCVN 5574, Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, 2012 TCVN 1651, Thép cốt bê tông, 2008 S¬ 27 - 2017 37 ... tích đánh giá kết 3.1 Bề rộng vết nứt mẫu dầm thí nghiệm Bề rộng vết nứt lớn vị trí N1 (Hình 6) 02 mẫu dầm BTCT thí nghiệm đo cấp tải trọng thể Hình 3.2 Tính tốn bề rộng vết nứt dầm BTCT theo... rộng vết nứt phụ thuộc nhiều vào đường kính cốt thép ứng suất cốt thép vị trí vết nứt Đặc biệt, có kể đến cốt thép nằm vùng nén bê tông + Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3] bề rộng vết nứt. .. diện có vết nứt quy đổi yếu tố hình học, cấu tạo tải trọng đến bề rộng vết nứt Tính tốn bề rộng vết nứt theo ba tiêu chuẩn nêu trên, tính theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3] có kết sát