Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá cường độ chịu nén vùng neo bê tông cốt sợi thép

Nội dung text: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá cường độ chịu nén vùng neo bê tông cốt sợi thép

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 45, 01-2014, tr.38-44 KHAI THÁC MỎ & XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM (trang 38-48) NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÙNG NEO BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TRẦN MẠNH HÙNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất TRẦN THU HÀ, Công ty Freyssinet Vietnam Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm sử dụng bê tông cốt sợi thép (BTCST) để gia cường vùng neo cho kết cấu bê tông dự ứng lực, nhằm khắc phục nhược điểm cường độ bê tông khi căng kéo không đảm bảo dẫn đến phá hủy đầu dầm. Kết quả thí nghiệm đã cho thấy một số ưu điểm của BTCST là có thể tăng cường độ 7 ngày tuổi của bê tông và độ dẻo dai của kết cấu, cho phép căng kéo cáp dự ứng lực sớm hơn so với sử dụng bê tông thường, làm tăng tiến độ thi công. Đồng thời, sử dụng BTCST có thể giảm số lượng cốt thép thường gia cường vùng neo mà vẫn đảm bảo điều kiện chịu lực. 1. Mở đầu ứng suất nén dọc phân bố đều tới đầu dầm được Kết cấu dầm bê tông dự ứng lực kéo sau gọi là vùng neo (Anchorage zone) (hình 1). (BTDƯL) đã từ lâu được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng nhờ vào ưu điểm Do có sự tập trung ứng suất tại vùng neo có khả năng chịu lực tốt hơn so với bê tông cốt nên đây là vùng thường xảy ra các hiện tượng thép thường. Tuy nhiên trong dầm BTDƯL kéo phá hủy nếu kết cấu không được thiết kế một sau, đầu neo sẽ truyền lực căng cáp lên bê tông cách phù hợp. Trên thực tế người ta phải sử qua một tấm đỡ (Bearing plate) có diện tích dụng các lưới cốt thép và các cốt đai xoắn để chịu tải nhỏ và gây nên một ứng suất nén cục bộ gia cường cho đầu neo cáp dự ứng lực căng sau. rất lớn cùng với sự phân bố lại ứng suất trong Tuy nhiên trong nhiều trường hợp do mật độ cốt bê tông ngay sau thiết bị neo. Kết quả thí thép dự ứng lực cao dẫn đến phải bố trí dày đặc nghiệm cho thấy các ứng suất nén dọc tập trung một lượng cốt thép gia cường, dẫn đến khả năng ngay sau tấm đỡ có xu hướng phân tán vào thiếu hụt bê tông trong vùng neo khi đổ bê tông trong dầm và đạt tới sự phân bố đều tại một vị gây phá hủy vùng neo trước khi lực căng cáp trí xác định, vùng giới hạn bởi vị trí mà tại đó đạt giá trị thiết kế. a) Quỹ đạo ứng suất b) Sự phân bố ứng suất nén Hình 1. Sự phân bố ứng suất dọc trục dầm (chỉnh sửa từ [1]) 38
2. Một trong các giải pháp để tăng cường khả hành. Bài báo này đưa ra các kết quả nghiên cứu năng chịu lực của bê tông là sử dụng cốt sợi thực nghiệm để so sánh khả năng chịu lực của thép phân tán để tăng khả năng chịu lực và giảm mô hình đầu dầm bê tông cốt sợi thép và mô ảnh hưởng của các vết nứt trong bê tông hình đối chứng, qua đó xem xét tính ứng dụng [2,3,4,5]. Khi sử dụng BTCST, các sợi thép thực tiễn của BTCST cho kết cấu BTDƯL. được đổ cùng bê tông và phân tán khắp trong 2. Mô hình thí nghiệm hỗn hợp bê tông. Chúng là cầu nối các vết nứt Mô hình thí nghiệm là hai mẫu đầu dầm và làm tăng tính dẻo dai của kết cấu [6], và làm BTDƯL có và không có thêm sợi thép (hình 2). tăng cường độ chịu kéo khi uốn [7]. Định lượng Kích thước mẫu thiết kế là 400x400x600mm. tăng lên này phụ thuộc nhiều yếu tố như loại Mẫu 1 là mẫu đối chứng được thiết kế bằng bê sợi, môđun đàn hồi, hệ số chiều dài, cường độ, tông mác 500#, cốt thép dọc cấu tạo 418, cốt bề mặt bám dính, thành phần và hướng của sợi. thép ngang cấu tạo vùng neo cục bộ là 2 lưới Tuy nhiên, để áp dụng một cách phổ biến giải pháp trên để gia cường cục bộ vùng neo đầu thép 6 @50 và cốt thép đai cấu tạo vùng neo dầm bê tông cốt thép dự ứng lực, cần có thêm tổng thể là 410 @100. Mẫu 2 là mẫu bê tông các nghiên cứu về lý thuyết và thực tiễn. Một số cốt sợi thép thiết kế cùng cấp phối mác 500#, tác giả đã nghiên cứu lý thuyết tính toán và thí thêm tỉ lệ sợi thép là 0.75% theo thể tích. Cốt nghiệm các mẫu dầm với kích thước thực tế để thép ngang cấu tạo vùng neo cục bộ là 1 lưới đánh giá hiệu quả sử dụng BTCST đối với kết thép 6 và cốt thép đai cấu tạo vùng neo tổng cấu bê tông cốt thép [8], nhưng những công trình thể là 210 @200. Mẫu 2 giảm 50% cốt thép như vậy chưa nhiều và cần được tiếp tục tiến thường so với mẫu 1. Hình 2. Chi tiết đầu dầm (a): bê tông thường (b): bê tông cốt sợi thép Đầu neo của mẫu thí nghiệm được thiết kế theo kích thước của đầu neo OVM 15-5 như trong bảng 1 và hình 3. Bảng 1. Thông số kích thước đầu neo OVM 15-5 [9] Loại neo Số tao Tấm đệm chịu Hốc neo Đường kính Chiều dầy ống cáp lực (mm) (mm) ống bọc cáp bọc cáp (mm) OVM15-5 5 (T15) 180x180x25 115x60x130 60 3 39
3. Hình 3. Đầu neo 15-5 Cốt sợi thép sử dụng sợi Dramix - ZP305 với các số liệu như trong bảng sau: Bảng 2. Các thông số hình học cơ bản của sợi Dramix - ZP305 [10] Loại Hãng sản Chiều dài Đường kính Tỉ lệ đặc Hình dạng sợi xuất sợi (mm) sợi (mm) trưng Thép Công ty 30 0.55 55 Sợi thép nguội, uốn móc hai đầu liên doanh và dính với nhau thành mảng Bekaert Hình 4. Sợi thép ZP305 3. Sơ đồ và tải trọng thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm: Do mục tiêu thí nghiệm là xem xét ảnh hưởng của lực nén lên vùng neo của dầm bê tông ứng lực trước căng sau nên sơ đồ thí nghiệm là cấu kiện chịu nén. Lực nén tác động lên cấu kiện thông qua bản đệm của đầu neo truyền vào trong bê tông. Hình 5 thể hiện sơ đồ thí nghiệm đầu dầm sử dụng bê tông thường (MH1) và đầu dầm sử dụng bê tông cốt sợi thép (MH2). Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm 40
4. Tải trọng thí nghiệm: Quá trình thí nghiệm trọng phá hoại cục bộ dự kiến P = gồm hai bước: nén mẫu bê tông xác định cường 18x18x500x0.75/1000 = 121.5 tấn. Chọn thang độ ở độ tuổi 7 ngày và sau đó nén mẫu thí lực thí nghiệm 250 tấn và cấp gia tải 5 tấn cho nghiệm đầu dầm đến phá hoại. mỗi mẫu thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm là Với mỗi mô hình (bê tông cốt thép thường máy nén 300 tấn Kombinat Fritz Heckert (Karl- và bê tông cốt sợi) có 1 tổ mẫu 3 viên, kích Marx-Stadt) của Đức. thước 10x10x10 cm. Thang lực thí nghiệm dùng cho mẫu không 4. Kết quả thí nghiệm sợi thép là 60 T, mỗi vạch 0.2 T và thang lực Kết quả thí nghiệm mẫu xác định cường thí nghiệm dùng cho mẫu có sợi thép là 65 T, độ bê tông 7 ngày tuổi mỗi vạch 0.5 T. Kết quả thí nghiệm được tính Để đánh giá sơ bộ cường độ của bê tông quy đổi ra mẫu lập phương 15x15x15 cm theo thường (không có cốt sợi thép phân tán) so với TCVN 3118 – 1993. bê tông cốt sợi thép, mỗi loại đúc 1 tổ mẫu 3 Bê tông thiết kế mác 500#, dự kiến tuổi 7 viên, kích thước 10x10x10 cm và nén mẫu để ngày đạt ít nhất 75% cường độ. Tấm đệm chịu xác định cường độ 7 ngày tuổi (hình 5). Kết quả lực đầu neo có kích thước 180x180x25 mm. Tải được thể hiện trong bảng 3. Hình 6. Mẫu bê tông 7 ngày tuổi trước và sau khi phá hoại Bảng 3. Kết quả thí nghiệm mẫu xác định cường độ bê tông 7 ngày tuổi Lực phá Cường độ trung Hệ số Cường độ Số hiệu Loại mẫu hoại bình 7 ngày chuyển đổi (kg/cm2) (tấn) (kg/cm2) 1 Bê tông cốt sợi 51,2 0,91 465,92 2 Bê tông cốt sợi 60,5 0,91 550,55 490,49 3 Bê tông cốt sợi 50,0 0,91 455,00 4 Bê tông thường 35,0 0,91 318,5 5 Bê tông thường 37,1 0,91 337,61 329,12 6 Bê tông thường 36,4 0,91 331,24 41
5. Kết quả thí nghiệm mô hình đầu neo (MH1, MH2) Hai mẫu mô hình đầu neo được thí nghiệm nén để so sánh khả năng chịu lực của mẫu đối chứng sử dụng bê tông thường (MH1) và mẫu đầu dầm sử dụng bê tông cốt sợi thép (MH2). Kết quả nén mẫu được thể hiện trên hình 7,8,9 và bảng 4: Hình 7. Vết nứt xuất hiện và phát triển (mẫu đối chứng) Hình 8. Vết nứt xuất hiện và phát triển (mẫu bê tông cốt sợi thép) (a) (b) Hình 9. Sự phân bố các vết nứt của 2 mẫu sau khi bị phá hoại hoàn toàn (a): mẫu đối chứng, (b): bê tông cốt sợi thép. 42
6. Bảng 4. Kết quả thí nghiệm mẫu MH1 và MH2 Tải trọng tác dụng Tải trọng tác dụng lên mẫu bê tông lên mẫu bê tông cốt Mô tả biến dạng thường (tấn) sợi thép (tấn) 0-120 0-185 Chưa xuất hiện vết nứt Bắt đầu xuất hiện vết nứt đầu 125 190 tiên ở mặt số 1 Vết nứt xuất hiện ở các mặt 1,2, 130-150 195-200 3, 4 và phát triển dài ra Vết nứt mở rộng và mẫu bắt đầu 155 210 phá hoại 162 211 Phá hoại góc 165 215 Phá hoại hoàn toàn 5. Đánh giá kết quả thí nghiệm kế vùng neo của kết cấu bê tông ứng lực trước - Kết quả thí nghiệm cho thấy với tỉ lệ sợi căng sau là: thép 0.75%, cường độ chịu nén của mẫu bê tông - Tăng cường độ 7 ngày tuổi của bê tông, ở tuổi 7 ngày đạt 98.10 % mác còn bê tông cho phép căng kéo cáp dự ứng lực sớm hơn so thường đạt 65.82%, chêch lệch 32.28%, như với sử dụng bê tông thường, làm tăng tiến độ thi vậy bê tông cốt sợi nhanh đạt mác thiết kế hơn công. bê tông thường cùng cấp phối. Điều này đặc - Tăng độ dẻo dai của kết cấu, giảm số vết biệt có lợi trong thi công kết cấu ứng lực trước nứt và chiều rộng vết nứt so với bê tông không căng sau vì có thể rút ngắn thời gian kéo cáp. sử dụng sợi thép khi chịu cùng tải trọng. - Lực phá hoại mẫu thí nghiệm vùng neo - Cho phép giảm bớt một phần cốt thép đầu dầm ở tuổi 7 ngày của bê tông cốt sợi thép thường gia cường vùng neo mà vẫn đảm bảo lớn hơn đáng kể so với bê tông thường (215 tấn điều kiện chịu lực. so với 165 tấn, tăng 30%) (hình 10) trong khi Như vậy việc áp dụng BTCST cho vùng cốt thép gia cường của mô hình có sợi thép neo kết cấu BTDƯL là hoàn toàn có cơ sở khoa giảm 50% so với mô hình không có sợi thép. học và thực tiễn. Để có được những kết luận sâu Điều đó chứng tỏ rằng với 1 tỉ lệ sợi thép thích sắc hơn về vấn đề này, cần có những nghiên hợp, có thể giảm cốt thép gia cường trong vùng cứu tiếp theo cả về lý thuyết và thực nghiệm. neo của dầm bê tông ứng lực trước căng sau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Naaman A.E., 2004. Prestressed concrete analysis and design – Fundamentals, 2nd. Techno Press. [2]. Nguyễn Tiến Bình, Nguyễn Tiến Đích, Trần Bá Việt, 2004. Ứng dụng bê tông cốt sợi phân tán. Tạp chí xây dựng – Số 11/2004. [3]. Trần Bá Việt, 2005. Bê tông tính năng cao cốt sợi hỗn hợp. Tạp chí xây dựng – Số 5/2005. Hình 10. Biểu đồ lực tác dụng / biến dạng của [4]. Nguyễn Mạnh Phát, Lê Thanh Hà, 2007. mẫu MH1 và MH2 Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt sợi thép phân 6. Kết luận tán trong vai trò cải thiện tính chất của bê tông. Kết quả thí nghiệm được nhóm tác giả tiến Tạp chí Người xây dựng số tháng 9/2007. hành đã cho thấy một số ưu điểm khi ứng dụng [5]. Nguyễn Viết Trung, Phạm Duy Anh, 2009. vật liệu bê tông cốt sợi thép phân tán trong thiết Xác định công thức và tính chất cơ học bê tông 43
7. cường độ cao cốt sợi thép. Tạp chí GTVT – Số [8]. Yazdani, N., Spainhour, L., Haroon, S., 7/2009. 2002. Application of Fiber Reinforced Concrete [6]. Nguyễn Mạnh Phát, 2007. Sự tương tác in the end zones of Precast Prestressed Bridge giữa vật liệu nền và cốt sợi trong chế tạo bê Girders. FDOT Report #1902-145-11, tông xi măng cốt sợi phân tán. Tạp chí xây dựng December 2002. – Số 10/2007. [9]. VSL, 2013. VSL Multistrand systems: [7]. Nguyễn Viết Trung, Phạm Duy Anh, 2009. Strand and Tendon Properties. Website: Thí nghiệm và phân tích độ dai và cường độ chịu uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi [10]. Bekaert, 2013. Dramix Data Sheet ZP 305. thép. Tạp chí Cầu đường Việt Nam. Website: SUMMARY Experimental study on compressive strength of fiber reinforced concrete anchorage zone Tran Manh Hung, Hanoi University of Mining and Geology Tran Thu Ha, Freyssinet Vietnam This paper presents experimental results using steel fiber reinforced concrete (SFRC) in anchorage zone of prestressed concrete structures, in order to overcome compressive failure of end beam due to low concrete compressive strength. Experimental results have shown advantages that SFRC can improve 7 days compressive strength and durability of concrete samples, allowing prestressing earlier than normal conventional concrete. Also, using SFRC can reduce an amount of steel reinforcement in anchorage zone while maintaining strength of the structure. MỘT SỐ TƯƠNG QUAN GIỮA CHỈ TIÊU CƠ HỌC (tiếp theo trang 37) SUMMARY Some correlation between dynamic and static properties of soil in Hanoi area Le Trong Thang, Nguyen Van Phong, Ha Noi University of Mining and Geology Soil dynamic properties are important informations for the design of buildings, but determining such targets directly in our country are facing difficulties due to limited equipment and price. This paper introduces some correlation between the dynamic deformation modulus Ed, the extreme dynamic stress gh obtained from cyclic triaxial test with standard penetration value N30, cohesive coefficient c and compression coefficient a, simultaneously make comments and recommendations for the design and soil dynamics studies in the future. 44