KIỂM TRA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM: Vấn đề khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng sử dụng sợi thép

Chia sẻ: Võ Lý Lý | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

253
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành Xây dựng Việt Nam, khi chất lượng công trình là mối quan tâm hàng đầu, việc kiểm tra, đánh giá chính xác chất lượng của cấu kiện, kết cấu công trình là hết sức quan trọng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: KIỂM TRA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM: Vấn đề khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng sử dụng sợi thép

KIỂM TRA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM: Vấn đề khả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng sử dụng sợi thép Nguyễn Minh Long Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Nhà C2, 268 Lý Thường Kiệt, Q. 10, TP. Hồ Chí Minh E-mail: minhlong_nguyen@yahoo.com; nam@hcmut.edu.vn TÓM TẮT Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành Xây d ựng Vi ệt Nam, khi ch ất l ượng công trình là mối quan tâm hàng đầu, việc kiểm tra, đánh giá chính xác chất l ượng c ủa c ấu ki ện, k ết c ấu công trình là hết sức quan trọng. Bài báo này trình bày thí nghi ệm kiểm chứng khả năng ch ống xuyên thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) dùng sợi thép – một dạng kết cấu mới - tại Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình - Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM . Tổng cộng 16 mẫu sàn kích thước khác nhau đã được tiến hành thử tải thực nghiệm, gồm 12 m ẫu sàn ph ẳng BTCT và 4 m ẫu sàn BTCT ứng lực trước sử dụng cáp không bám dính. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đ ến ứng xử và khả năng chống xuyên thủng của các mẫu sàn đã đ ược kh ảo sát và k ết qu ả cho th ấy s ử dụng sợi thép giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng xuyên thủng của vùng liên kết sàn-cột, tăng độ cứng sàn, và làm chậm sự hình thành và tốc độ phát triển của vết nứt và giảm bề rộng khe nứt cho sàn. 1. TỔNG QUAN Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình (BKSEL) thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng - Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM được thành lập từ năm 1997 với các chức năng chính phục vụ giảng dạy, nghiên cứu khoa học thực nghiệm và thực hiện các hợp đồng sản xuất và chuyển giao công nghệ (LAS-XD187). Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng c ủa ngành Xây d ựng Vi ệt Nam, khi ch ất lượng công trình là mối quan tâm hàng đầu, vi ệc kiểm tra, đánh giá chính xác ch ất l ượng c ủa c ấu kiện, kết cấu công trình là hết sức quan trọng. Bài báo này trình bày thí nghi ệm ki ểm ch ứng kh ả năng chống xuyên thủng của sàn phẳng bê tông c ốt thép (BTCT) dùng s ợi thép – m ột d ạng k ết c ấu mới - tại Phòng thí nghiệm BKSEL. Vấn đề quan trọng của sàn phẳng BTCT là tại vị trí liên kết gi ữa sàn - c ột rất d ễ b ị phá ho ại do hiện tượng xuyên thủng. Sàn bị xuyên thủng sẽ ngăn cản sự làm việc chung giữa sàn và cột và từ đó làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Thực tế cho thấy ki ểu phá ho ại này r ất nguy hi ểm vì b ản tính giòn và khi xảy ra thường không có dấu hiệu c ảnh báo và đ ột ng ột. Đ ể tăng kh ả năng ch ống xuyên thủng tại vị trí liên kết sàn - cột, nhiều phương pháp đã được sử dụng: i) phương pháp truyền thống dùng cốt thép chịu cắt như thép đai nhưng phương pháp này l ại không dùng đ ược đ ối v ới sàn có chiều dày nhỏ hơn 150mm (ACI-318, 2002); ii) phương pháp mới dùng đinh neo, tuy nhiên phương pháp này lại tốn nhiều thời gian thi công (Feretzakis, 2005). Gần đây, kỹ thuật dùng sợi thép phân tán tăng cường vào vùng liên kết sàn - cột đã và đang đ ược nghiên c ứu và b ước đ ầu đã cho thấy được tính hiệu quả trong việc cải thiện khả năng chống xuyên thủng c ủa sàn ( McHarg et al, 2000; Naaman et al, 2007; Cheng and Montesinos, 2010a ). Ngoài ra, sợi thép còn chứng tỏ được hiệu quả trong việc cải thiện ứng xử của liên kết sàn-cột khi chịu tải ngang nh ư đ ộng đ ất do kh ả năng hấp thụ năng lượng của chúng (Montesinos and Wight, 2000; Megally and Ghali, 2000; Cheng and
Montesinos, 2010b). Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, số lượng các nghiên c ứu về v ấn đ ề này còn khá khiêm tốn và đây cũng chính là nguyên nhân chính làm cho t ốc đ ộ và ph ạm vi ứng d ụng phương pháp này vào trong thực tiễn còn nhiều hạn chế. So v ới các ph ương pháp đã có, k ỹ thu ật dùng sợi thép phân tán có những ưu điểm như: i) kích thước sợi nhỏ nên dễ dàng sử dụng cho cả các sàn có chiều dày nhỏ hơn 150 mm; 2 i) sợi phân tán đều trong bê tông làm gia tăng cường độ chịu kéo của bê tông và vì vậy góp phần hạn chế sự xuất hiện của vết nứt li ti trong kết c ấu sàn góp phần kiểm soát nứt; ngoài ra sự có mặt của sợi thép còn làm tăng độ d ẽo dai c ủa bê tông t ừ đó làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng của kết cấu sàn và tăng tính toàn khối cho liên k ết sàn-c ột; và 3 i) đơn giản và dễ sử dụng. Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm kiểm chứng khả năng ch ống xuyên th ủng c ủa k ết c ấu sàn phẳng BTCT có sử dụng sợi thép. Tổng c ộng 16 mẫu sàn đã đ ược ti ến hành th ử t ải th ực nghi ệm, trong đó, gồm 12 mẫu sàn phẳng BTCT và 4 mẫu sàn BTCT ứng lực tr ước sử d ụng cáp không bám dính. Các mẫu sàn có kích thước khác nhau. Nghiên cứu ti ến hành kh ảo sát ảnh h ưởng c ủa hàm lượng sợi thép đến ứng xử và khả năng chống xuyên thủng của các mẫu sàn vừa nêu. 2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu Thành phần của bê tông gồm có xi măng Holcim PC40, cát Đ ồng Nai, đá 1×2 cm, và ph ụ gia gi ảm nước kéo dài thời gian ninh kết bê tông Sika Plastiment 96. Thành ph ần c ấp ph ối chi ti ết đ ược trình bày trong Bảng 1. Bảng 1: Cấp phối bê tông cho mẫu sàn phẳng BTCT Khối lượng/1 m3 Vật liệu Sàn phẳng truyền thống Sàn phẳng ULT Xi măng Holcim PC40 453 (kg) 427 (kg) Cát, 0-4 mm 624 (kg) 654 (kg) Đá, 22 mm 1242 (kg) 1440 (kg) Nước 181 (l) 185 (l) Sika Plasticiment 96 5 (l) 4.5 (l)
Sợi thép được dùng trong thí nghiệm là sợi móc hai đ ầu, dính v ới nhau thành d ạng b ản RC-80/60- BN, có chiều dài 60mm và đường kính 0.75mm. Các thông số kỹ thuật của sợi thép đ ược trình bày Bảng 2. Bảng 2: Các thông số kỹ thuật của sợi thép Chiều dài Tiết Đường kính Cường độ chịu Mô-đun đàn Nhãn hiệu Hình dạng diện tiết diện hồi (mm) kéo (mm) (MPa) (GPa) RC-80/60-BN 60 tròn 0.75 1100 200 Độ sụt của bê tông thường dao động từ 100-120mm. Độ sụt của bê tông gia c ường sợi thép n ằm trong khoảng 130-140mm. Cường độ chịu nén và chịu kéo của bê tông đ ược xác đ ịnh thông qua các mẫu thử lập phương kích thước 150×150×150 mm. Ứng với m ỗi mẫu sàn có cùng hàm l ượng s ợi thép lấy 3 mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén fc,cube và 3 mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo chẻ đôi fsp,cube. Kết quả xác định cường độ bê tông được ghi lại trong Bảng 3. Sàn phẳng BTCT sử dụng cốt thép dọc chịu lực có đ ường kính Ø10. Ti ến hành l ấy 3 m ẫu thí nghiệm để xác định cường độ chảy dẻo fy và cường độ chịu kéo cực hạn fu. Giá trị trung bình của 3 mẫu thử có giới hạn chảy fy = 492 MPa và giới hạn bền fu = 667 MPa. Sàn phẳng BTCT ULT sử dụng cáp không bám dính đ ường kính 12.7mm lo ại 7 s ợi. Di ện tích m ặt cắt ngang của bó cáp xấp xỉ 98.7mm 2. Cáp có giới hạn chảy 1690 MPa và giới hạn bền 1860 MPa. Cốt thép dọc cấu tạo trong sàn dùng đường kính Ø10, có gi ới h ạn ch ảy fy = 400 MPa và giới hạn bền fu = 600 MPa. 2.2 Mẫu thí nghiệm Tổng cộng có 16 mẫu sàn được thí nghiệm, chia làm hai nhóm. Nhóm thứ nhất (Hình 1) gồm 12 sàn BTCT không ứng lực trước. Nhóm sàn này được chia làm nhóm nh ỏ h ơn v ới kích th ước t ương ứng: 900×900×125; 1200×1200×125; và 1500×1500×125 mm. Chiều cao làm việc của sàn 105 mm. Cột tiết diện vuông 200×200 mm, cao 150mm. Cốt thép dọc trong sàn được thi ết k ế v ới hàm l ượng ρ = 0.66%. Hàm lượng sợi thép trong các sàn thay đổi như sau: 0; 30; 45; 60 kg/m 3. Nhóm thứ hai (Hình 2) gồm 4 sàn BTCT ứng lực trước. Sàn có kích thước 2200×2200×150 mm. Cốt thép d ọc c ấu t ạo trong sàn được thiết kế với hàm lượng ρ = 0.36%. Tương tự nhóm thứ nhất, hàm l ượng s ợi thép trong các sàn nhóm hai cũng thay đổi từ: 0; 30; 45; đến 60 kg/m3.
Hình 1: Mẫu sàn phẳng BTCT không ULT có sợi thép Hình 2: Mẫu sàn phẳng BTCT ULT có sợi thép 2.3 Qui trình thử tải Hình 3 thể hiện mô hình thí nghiệm xuyên thủng sàn. Chuyển vị c ủa sàn đ ược đo t ại gi ữa nh ịp và 150 200 1/4 nhịp bằng 3 chuyển vịSteelđiện tử (LVDTs). Bi ến dạng c ủa cáp và thép d ọc theo c ả 2 ph ương kế LVDT3 LVDT2 trong sàn được đo bằng 8bcảm biến LVDT1 ở (electrical strain gauges). Biến dạng nén c ủa bê tông eam điện tr vùng gần liên kết sàn-cột được đo bằng 4 cảm biến điện trở. Các ch ốt đ ồng (metal pins) đ ược g ắn trên bề mặt sàn để đo bề rộng vết nứt trung bình của sàn bằng cách sử d ụng th ước đo k ỹ thuật s ố Steel plate (digital deformeter) với độ chính xác lên đến 0.001 mm. Ngoài ra, giá tr ị tuy ệt đ ối c ủa b ề r ộng v ết 200×200×25 nứt lớn nhất được xác đAnchorage bolt- Ø32 hiển vi quang học (optical microscope). Kích th ủy l ực ịnh thông qua kính 800 Hydraulic testing 1000 kN được sử dụng để tạo tải cho sàn với cấp gia tải 20 kN. Tốc đ ộ gia tải xấp xỉ 10 kN/phút. machine Tại từng cấp tải, chuyển vị, biến dạng bê tông, cốt thép và cáp ứng l ực cũng nh ư b ề r ộng v ết n ứt Steel đều được ghi nhận lại. support Strong floor 1000 1000 1000 1000 100 100 2200 Hình 3: Lắp đặt thiết bị và sàn thử
3. KẾT QUẢ Các kết quả thu được từ thí nghiệm được tổng hợp trong Bảng 3. Trong đó, Vcr là lực kháng nứt; Vu là lực gây thủng; εcu là biến dạng của bê tông khi sàn bị xuyên thủng; εsu là biến dạng của thép và cáp khi sàn bị xuyên thủng; wu là bề rộng khe nứt lớn nhất của sàn đo được khi bị phá hoại. Bảng 3: Kết quả thử tải Kích thứoc Kí hiệu sàn Vf fc,cube fsp,cube Vcr Vu εcu εsu wu δu (mm (kg/m3) (MPa) (MPa) (kN) (kN) (‰) (‰) (mm) ) 1251650×1650× 1350×1350×1 1050×1050×1 1.8 27.1 1.95 2.17 4.39 4.12 0 20 284 A0 1.7 27.9 2.23 2.18 3.78 5.45 30 30 330 A1 7 1.8 29.2 2.42 1.59 4.65 6.82 45 40 345 A2 0 1.7 31.6 2.57 1.42 4.39 6.71 60 45 397 A3 6 25 27.1 1.95 1.54 2.32 3.92 11.7 0 25 275 B0 7 27.9 2.23 1.65 2.12 3.85 23.2 30 35 328 B1 29.2 2.42 1.58 2.22 3.61 13.1 45 40 337 B2 1.4 31.6 2.57 2.27 4.20 14.0 60 45 347 B3 25 27.1 1.95 1.54 2.31 4.35 22.0 0 30 264 C0 8 1.6 27.9 2.23 2.39 4.51 23.6 30 45 307 C1 1.4 2.42 29.2 2.42 4.29 23.1 45 50 310 C2 7 31.6 2.57 1.35 2.56 4.25 26.5 60 55 326 C3 4 0 25.5 1.56 1.25 5.51 4.00 14.7 40 245 S0 S4 30 26.1 1.78 45 265 1.37 6.53 4.00 15.9
45 27.8 2.01 2.17 6.09 3.25 21.4 50 300 S5 60 27.5 1.96 1.42 6.31 3.5 22.2 60 310 S6 3.1 Kiểu phá hoại Kết quả thí nghiệm cho thấy tất cả các sàn đều bị phá hoại do nén th ủng. Các m ẫu sàn không gia cường sợi thép bị phá hoại đột ngột, không có c ảnh bảo trước, v ới sự v ỡ v ụn c ủa bê tông ở m ặt chịu kéo của sàn (Hình 4 và 5). Các sàn có gia cường sợi thép, ở mặt chịu kéo của sàn vết n ứt hình thành đều và bề rộng vết nứt nhỏ. Nguyên nhân là do sợi thép phân tán đ ều trong bê tông nên làm gia tăng cường độ chịu kéo của bê tông và làm ứng suất kéo trong sàn phân b ố đ ều. Ngoài ra, s ự có mặt của sợi thép còn làm tăng độ dẻo dai của bê tông giúp cho ki ểu phá ho ại c ủa các sàn có gia cường sợi thép bớt giòn hơn. (b ) (a) Hình 4: Kiểu phá hoại điển hình sàn BTCT không ULT– mặt chịu kéo: (a) không sợi; (b) có sợi Hình 5: Kiểu phá hoại điển hình của sàn BTCT ULT có sợi thép
3.2 Quan hệ lực - chuyển vị (P-δ) Quan hệ lực - chuyển vị của các sàn được thể hiện trên Hình 6 và 7. Nhìn chung, ứng xử của tất cả các sàn được chia làm hai giai đoạn. Giai đo ạn ban đầu tr ước khi xu ất hi ện v ết n ứt, ứng x ử c ủa các sàn cùng một nhóm giống nhau. Quan hệ giữa lực - chuyển vị trong giai đo ạn này gần như tuyến tính. Trong giai đoạn kế tiếp (sau khi vết nứt xuất hiện), môment quán tính của ti ết diện sàn gi ảm, dẫn đến độ cứng của sàn cũng giảm theo. Nhưng độ cứng c ủa các sàn trong cùng m ột nhóm gi ảm không giống nhau. Ở cùng một giá trị cấp tải, các sàn có hàm lượng sợi thép lớn hơn thì võng ít hơn. Như vậy, sợi thép đã làm tăng độ cứng của các sàn và độ cứng này tăng theo hàm lượng sợi thép. Lực V (KN) 450 300 Lực V (KN) A0-0 kg/m3 A1-30 kg/m3 150 A2-45 kg/m3 A3-60 kg/m3 B0-0 kg/m3 B1-30 kg/m3 350 B2-45 kg/m3 B3-60 kg/m3 C0-0 kg/m3 C1-30 kg/m3 300 C2-45 kg/m3 C3-60 kg/m3 0 2500 5 10 15 20 25 30 Chuyển vị giữa nhịp δ (mm) 200 Hình 6: Quan hệ lực – chuyển vị sàn phẳng BTCT không ULT 150 S0A-0 kg/m3 S4-30 kg/m3 100 S5-45 kg/m3 50 S6-60 kg/m3 0 0 5 10 15 20 25 Chuyển vị giữa nhịp δ (mm) Hình 7: Quan hệ lực – chuyển vị sàn phẳng BTCT ULT
3.3 Khả năng chống xuyên thủng của sàn Khả năng chống xuyên thủng của sàn phụ thuộc rất nhiều vào chu vi xuyên th ủng t ới h ạn. Chu vi tới hạn này càng lớn thì khả năng chống xuyên thủng c ủa sàn càng cao. K ết qu ả th ực nghi ệm cho thấy sàn không gia cường sợi thép có chu vi nén thủng tới hạn cách bề mặt cột một khoảng xấp xỉ bằng 2.2h với h là chiều dày của sàn. Trong khi đó, khoảng cách này đối với sàn có gia c ường s ợi thép có giá trị trung bình bằng 2.8 h. Như vậy sợi thép đã góp phần đáng kể vào vi ệc làm tăng chu vi nén thủng tới hạn của sàn và dẫn đến làm tăng khả năng ch ống xuyên th ủng cho sàn. Ảnh h ưởng của sợi thép đến sụ gia tăng khả năng chống xuyên thủng cho sàn đ ược th ể hi ện r ỏ nét qua Hình 8. Trong nhóm sàn BTCT không ứng lực trước ( Hình 8a), thêm từ 30 đến 60 kg/m3 sợi thép vào sàn, làm tăng khả năng chống xuyên thủng của sàn từ 19.2 đến 39.8%. Đ ối v ới các sàn ULT, v ới cùng hàm luợng sợi tương tự, sự gia tăng của khả năng chống xuyên thủng dao động từ 8.2 đến 26.5% Độ gia tăng (%) 45 45 (b ) (a) 40 40 35 35 30 30 25 25 20 20 15 15 4. KẾT LUẬN 10 10 Theo kết quả khảo sát thực nghiệmA-0.9x0.9m phẳng BTCT, các kết luận có th ể đ ược rút ra nh ư Group 16 mẫu sàn Group B-1.2x1.2m 5 sau: 5 Group S Group C-1.5x1.5m 0 0 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 3 Hàm lượng sợi Vf (kg/m ) 3 Hàm lượng sợi Vf (kg/m ) Hình 8: Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến khả năng chống chọc thủng của sàn: (a) sàn không ULT; (b) sàn ULT
Sử dụng sợi thép giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng xuyên th ủng c ủa vùng liên k ết sàn-c ột.  Đối với các sàn được thí nghiệm trong nghiên cứu này, khả năng chống xuyên th ủng c ủa chúng khi sử dụng hàm lượng sợi thay đổi từ 30 đến 60 kg/m 3 tăng đến 39.8% (sàn không ứng lực trước) hoặc 26.5% (sàn ứng lực trước). Sử dụng sợi thép với hàm lượng thay đổi từ 30 đến 60 kg/m 3, làm gia tăng mạnh khả năng kháng  nứt của các sàn thí nghiệm từ 40 đến 125%. Sợi thép làm chậm sự hình thành và t ốc đ ộ phát triển của vết nứt và làm giảm bề rộng khe nứt cho sàn. Sợi thép làm tăng độ cứng, giảm chuyển vị cho sàn, làm tăng tính toán kh ối cho vùng liên k ết  sàn-cột và có thể giúp làm mềm hóa kiểu phá hoại xuyên thủng ở đây. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ACI Committee 318 (2002). Building code requirements for reinforced concrete and commentary. American Concrete Institute, Detroit, MI, 430p. Cheng MY and Parra-Montesinos GJ (2010a). Evaluation steel fibers reinforcement for punching shear resistance in slab-column connections-part1: Monotonically increased load. ACI Structural Journal. 107(1), pp. 101–109. Cheng MY and Parra-Montesinos GJ (2010b). Evaluation steel fibers reinforcement for punching shear resistance in slab-column connections-part2: Lateral displacement reversals. ACI Structural Journal. 107(1), pp. 110–118. Feretzakis A (2005). Flat slabs and punching shear: reinforcement systems. Msc. Thesis, University of Dundee, UK. McHarg PJ, Cook WD, Mitchell D, and Young-Soo Y (2000). Benefits of concentrated slab reinforcement and steel fibers on performance of slab–column connections. ACI Structural Journal. 97(2), pp. 225–234. Megally S and Ghali A (2000). Punching shear design of earthquake resistant slab-column connections. ACI Structural Journal. 97(5), pp. 720–730. Naaman AE, Likhitruangsilp V, and Parra-Montesinos GJ (2007). Punching shear response of high performance-fiber-reinforced-cementitious composite slabs. ACI Structural Journal. 104(2), pp. 170–1779. Parra-Montesinos GJ, and Wight JK (2000). Seismic Reponses of Exterior RC Column to Steel Beam Connections. Journal of Structural Engineering, 126(10), 1112-1121.