Kết cấu, công nghệ xây dựng - Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm

Nội dung text: Kết cấu, công nghệ xây dựng - Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm

1. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ BIẾN DẠNG DÀI HẠN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM ThS. TRẦN NGỌC LONG Trường Đại học Vinh PGS.TS. LÝ TRẦN CƯỜNG Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Bài báo giới thiệu nghiên cứu thực Từ những lý do ở trên thấy được sự cần thiết nghiệm biến dạng dài hạn (từ biến, co ngót) của cột cần phải thực hiện thí nghiệm xác định biến dạng BTCT chịu nén đúng tâm. Các thí nghiệm được thực dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm phù hợp hiện tại phòng Thí nghiệm công trình, trường Đại học với điều kiện môi trường và vùng Hà Nội. Thí Xây dựng từ tháng 10/2014 đến 04/2016. Kết quả nghiệm đã thực hiện tại phòng thí nghiệm công trình nghiên cứu cho thấy: (i) Biến dạng dài hạn xảy ra chủ trường Đại học Xây dựng từ tháng 10/2014 đến yếu trong năm đầu tiên chịu tải; (ii) Hàm lượng cốt 04/2016. thép có ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng dài hạn 2. Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài của các mẫu; (iii) Biến dạng từ biến của bê tông lớn hạn của cột BTCT chịu nén hơn nhiều so với biến dạng co ngót; và (iv) Tổng Để tiến hành đo biến dạng dài hạn cột bê tông biến dạng từ biến và co ngót sau 487 ngày lớn hơn cốt thép bằng thực nghiệm, cần dựa vào các tiêu gần 3 lần so với biến dạng tức thời. Các kết quả thí chuẩn trên thế giới về thí nghiệm xác định biến nghiệm đảm bảo độ tin cậy và có thể dùng vào phân dạng dài hạn, như: ASTM C512 [4]; RILEM TC 107- tích cho các nghiên cứu liên quan. CSP [7]; AS 1012.16 [5]. Từ khóa: Thí nghiệm, biến dạng dài hạn, co Căn cứ vào các tiêu chuẩn trên đây, thí nghiệm ngót, từ biến, cột bê tông cốt thép. xác định biến dạng dài hạn cột bê tông cốt thép chịu 1. Đặt vấn đề nén đúng tâm, được thực hiện theo quy trình sau: Biến dạng dài hạn được tạo ra khi cấu kiện bê 2.1 Vật liệu chế tạo và kích thước mẫu thí nghiệm tông cốt thép làm việc dài hạn theo thời gian. Biến - Hình dáng và kích thước: Mẫu thí nghiệm có dạng dài hạn dọc trục trong các kết cấu chịu nén đã dạng hình lăng trụ, đường kính 150 mm và chiều gây ra nhiều tác động bất lợi cho công trình. Đặc dài 600 mm, với tỷ số giữa chiều dài và đường kính biệt đối với công trình cao tầng và siêu cao tầng bê là L/D 4 [7]. Kích thước đã chọn phù hợp với giá tông cốt thép, khi các kết cấu chịu lực theo phương trị tải trọng, khung gia tải và hệ lò xo. Với chiều cao đứng xuất hiện sự vênh do co ngắn của cấu kiện, mẫu 600mm đủ để đo biến dạng với khoảng cách thì tác động của nó rất dễ nhận thấy. Biến dạng dài đo đảm bảo không chịu ảnh hưởng lực nén cục bộ hạn gây ra sự phân phối lại nội lực theo thời gian từ hai đầu mẫu. giữa bê tông và cốt thép; hiện tượng vênh co ngắn - Vật liệu. Bê tông cấp độ bền chịu nén B30. gây ra sự phân phối lại nội giữa các kết cấu, ảnh Đây là cấp độ bền thường được sử dụng trong các hưởng đến bề mặt kiến trúc và các hệ thống kỹ công trình. Tuy nhiên có thể chọn cấp độ bền cao thuật của công trình. hơn để phù hợp với công trình cao tầng, siêu cao Các thí nghiệm và quan sát chỉ ra rằng trong kết tầng, nhưng điều đó sẽ khó khăn trong việc chế tạo cấu bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của độ cứng lò xo bù tải. tải trọng dài hạn thì biến dạng không đàn hồi do từ Để đảm bảo độ tin cậy, tính đa dạng và kiểm biến của bê tông có thể làm tăng biến dạng của kết nghiệm được sự ảnh hưởng của hàm lượng cốt cấu lên vài lần so với biến dạng ban đầu [6]. thép dọc đến biến dạng, cần chọn mẫu có hai loại Biến dạng từ biến, co ngót bê tông phụ thuộc rất hàm lượng cốt thép khác nhau là 1,5% và 2%. lớn vào môi trường xung quanh và điều kiện vật liệu - Số lượng mẫu: Chọn số lượng mẫu đủ lớn địa phương. Do đó, nếu dùng một mô hình tiêu để có được số liệu thí nghiệm đảm bảo độ tin cậy. chuẩn hoặc một phương pháp nào đó để xác định Theo các thí nghiệm về đo cường độ và đo mô đun biến dạng dài hạn cho kết cấu BTCT tại địa điểm đàn hồi của bê tông thì 1 tổ hợp mẫu gồm có 3 bất kì thì độ chính xác sẽ không cao. mẫu. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 3
2. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Bê tông cốt thép là vật liệu không đồng chất, và - Hệ khung gia tải. Hệ này có chức năng cố để đảm bảo tính bao quát trên tiết diện đã bố trí 5 định mẫu, gia tải và duy trì tải trọng trong quá trình điểm đo cho một mẫu thử. Như vậy, mỗi mẫu thử thí nghiệm; được bố trí 3 điểm đo biến dạng bê tông và 2 điểm - Hệ lò xo hình trụ. Hệ lò xo được thiết kế để đo biến dạng cốt thép. Mỗi loại hàm lượng cốt thép tạo được giá trị tải trọng tác dụng lên mẫu và còn duy trì và bù tải trọng cho mẫu trong quá trình thí sử dụng chọn 3 mẫu đo, tương ứng 15 số liệu đo nghiệm. Trong quá trình thí nghiệm tải trọng sẽ bị biến dạng. Số lượng phép đo này là đủ lớn để đảm suy giảm do biến dạng của mẫu. Khi đó lò xo sẽ bù bảo độ tin cậy trong thí nghiệm đo biến dạng kết lại tải trọng để đảm bảo giá trị tải trọng tác dụng cấu bê tông cốt thép. không đổi lên mẫu; Để xác định biến dạng từ biến bê tông, cần đo - Bơm thủy lực. Bơm có chức năng gia tải biến dạng tự do của mẫu không tải. Với mỗi loại ban đầu và bù tải trọng trong quá trình thí nghiệm mẫu có hàm lượng cốt thép khác nhau dùng thêm 1 khi giá trị tải trọng bị suy giảm vượt quá mức đã qui mẫu không tải để đo biến dạng tự do (biến dạng do định. co ngót). Trên hình 1 thể hiện các thiết bị, dụng cụ cho thí 2.2 Sơ đồ thí nghiệm nghiệm cột chịu tải trọng đúng tâm không đổi theo Chọn cột BTCT chịu nén đúng tâm theo thời gian thời gian. với thí nghiệm không phá hoại mẫu. 2.4 Bố trí đồng hồ đo biến dạng Để đảm bảo lực tác dụng đúng tâm lên mẫu thì Bê tông là vật liệu không đồng chất nên để đảm phải thực hiện: bảo tính tổng quát biến dạng dài hạn của mẫu đã bố - Vật liệu chế tạo khung gia tải phải giống nhau; trí các điểm đo đều trên chu vi tiết diện với khoảng - Mẫu trước khi đưa vào thí nghiệm cần phải đo hợp lí, cụ thể là: được gia công làm phẳng hai đầu. Mặt phẳng hai - Trên chu vi tiết diện mẫu bố trí 3 điểm đo đầu mẫu phải vuông góc với trục mẫu, nếu lệch thì cách đều nhau 120o; không được quá lớn, theo tiêu chuẩn AS 1012.16 - Tại thời điểm bất kì biến dạng bê tông luôn và ASTM C512-87 độ lệch này là 2 độ [4,5]; bằng biến dạng cốt thép. Do vậy cần bố trí 2 điểm - Điểm đặt lực tác dụng lên mẫu vào đúng đo biến dạng cho cốt thép để so sánh; tâm tiết diện tròn. Hai đầu mẫu đặt thêm tấm đệm - Chọn khoảng đo 400 mm trên chiều dài mẫu bằng thép và một viên bi sắt (hình 1). 600 mm. Chọn điểm đo cách 2 đầu mẫu là 100 mm; - Tương tự như vậy, trên mỗi mẫu tự do đo biến dạng co ngót cũng bố trí 3 điểm đo cách đều theo chu vi. Với khoảng đo 400 mm, lắp đồng hồ có độ chính xác 1/100 đối với mẫu chịu tải, 1/1000 đối với mẫu không tải. 2.5 Giá trị tải trọng Đối với mẫu chịu tải trọng dài hạn, vật liệu bê tông làm việc trong giai đoạn đàn hồi thì ứng suất do tải trọng sinh ra vượt quá 40% giá trị cường độ trung bình bê tông. Điều này đã được quy định trong các tiêu chuẩn ASTM C512, RILEM TC 107- CSP và AS 1012.16. Với bê tông B30, để phù hợp với việc thiết kế và chế tạo lò xo, chọn giá trị tải trọng tác dụng lên mẫu tương ứng với ứng suất bê tông bằng 35% giá trị ứng suất trung bình bê tông lúc 7 ngày tuổi. 2.3 Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm Thí nghiệm xác định được cường độ trung bình Để tạo được tải trọng tác dụng lên mẫu đã sử của bê tông 7 ngày tuổi là: 484,3 kN(27,42 MPa). dụng các dụng cụ, thiết bị sau đây: Vậy, giá trị tải tác dụng lên mẫu là 170 KN( 17 tấn). 4 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
3. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Để duy trì giá trị tải trọng tác dụng lên mẫu tăng nhanh và giảm dần khi thời gian tăng lên. Thời không đổi theo thời gian đã sử dụng hệ thống lò xo gian từ 2 đến 3 tháng đầu giá trị từ biến đạt 50% giá hình trụ để bù tải trọng quá trình thí nghiệm. Biến trị cuối cùng, và sau 2 đến 3 năm đạt 90% giá trị dạng của lò xo không giống biến dạng của mẫu thí cuối cùng của từ biến. Sau vài năm chất tải, tốc độ nghiệm, do vậy trong quá trình thí nghiệm lực tác gia tăng từ biến rất nhỏ [6]. dụng lên mẫu sẽ suy giảm dần. Để xác định được Cũng căn cứ vào tính chất đó của biến dạng dài lượng lực suy giảm, phải gắn vào hệ lò xo một đồng hạn của bê tông, trong các tiêu chuẩn ASTM C512, hồ đo biến dạng với độ chính xác 1/1000 (hình 1). RILEM TC 107-CSP, AS 1012.16 đã đề ra thời gian Khi đồng hồ đo biến dạng lò xo vượt quá giá trị quy tối thiểu để đo biến dạng dài hạn là 6 tháng và định, sẽ xác định được lượng lực cần bù cho mẫu. không hạn chế thời gian tối đa. Theo quy định của các tiêu chuẩn hiện nay như AS 1012.16 [5] quy định giá trị tải trọng chất lên mẫu tại Như vậy, theo các số liệu trên và để tăng độ tin thời điểm bất kì không lệch quá 2% giá trị tải ban cậy cho số liệu đo được, đã chọn thời gian đo biến đầu; với ASTM C512 thì giá trị đó là 1%. dạng tối thiểu là 16 tháng. Độ cứng lò xo phụ thuộc vào vật liệu và phương - Tuổi bê tông lúc chất tải: 7 ngày; pháp chế tạo. Do vậy, trong điều kiện hiện tại ở Việt - Thời gian bảo dưỡng: 7 ngày. Nam chỉ có thể chế tạo được lò xo có độ cứng ở 2.7 Quy trình thực hiện * mức độ vừa phải. Lò xo chế tạo (* Lò xo nén hình Quy trình thực hiện thí nghiệm xác định biến trụ được chế tạo tài nhà máy xe lửa Gia Lâm, Hà dạng dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm như Nội.) thực hiện trong thí nghiệm này chịu được lực sau: nén là 11 tấn. Để phù hợp với tải trọng mẫu 17 tấn, - Chế tạo và bảo dưỡng mẫu. Thực hiện đúc phải dùng tới 2 lò xo đặt song song (hình 2). mẫu, chế tạo, bảo dưỡng mẫu và xác định cường độ chịu nén bê tông theo các tiêu chuẩn: TCVN:3105:1993[2], và TCVN 3118 : 1993 [3]. - Giai đoạn gia tải thử cho mẫu. Trước khi tiến hành gia tải cho mẫu chúng tôi đã gia tải thử với giá trị bằng 10% giá trị thiết kế để kiểm tra sự làm việc của hệ thống gia tải và các đồng hồ đo biến dạng. - Gia tải cho mẫu. Sau khi gia tải thử, đã kiểm tra sự ổn định của dụng cụ, thiết bị đo biến dạng, tiến hành gia tải đến giá trị tải trọng thiết kế. - Đọc số liệu biến dạng. Dựa vào quy trình trong các tiêu chuẩn ASTM C512, RILEM TC 107- CSP và AS 1012.16 [4,5,7] và căn cứ vào đặc điểm biến dạng dài hạn phát triển theo thời gian (tăng Hình 2. Bố trí thí nghiệm nhanh trong giai đoạn đầu và giảm dần về sau), lựa chọn quy trình đọc, ghi số liệu như sau: 2.6 Thời gian thí nghiệm o Đọc giá trị biến dạng khi gia tải đạt giá trị tải Biến dạng dài hạn theo thời gian là biến dạng từ trọng thiết kế; biến và co ngót của bê tông. Co ngót bê tông xảy ra o Đọc giá trị biến dạng sau 2h và sau 6h gia chủ yếu trong giai đoạn đóng rắn đầu tiên của bê tải; tông. Trong điều kiện bình thường vài năm bê tông o Đọc giá trị biến dạng mỗi ngày một lần, đọc sẽ hết co và biến dạng tỉ đối do co ngót có thể đạt trong vòng 7 ngày đầu khi gia tải; đến 3.10-4 đến 5.10-4[1]. Từ biến phát triển theo thời o Đọc giá trị biến dạng mỗi tuần một lần, đọc gian với tỉ lệ chậm dần. Khi bắt đầu chất tải, từ biến trong vòng 4 tuần đầu khi gia tải; Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 5
4. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG o Đọc giá trị biến dạng mỗi tháng một lần, đọc Sau khi đo biến dạng trong thời gian 487 ngày, kết cho đến khi dừng thí nghiệm. quả biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén đúng tâm 2.8 Kết quả thí nghiệm được thể qua biểu đồ trên hình 3 và hình 4 dưới đây. - Biến dạng co ngót: 160.0 6 - 140.0 Co ngót x10 sh  120.0 1,5% 100.0 Co ngót 80.0 2% 60.0 Log. (Co ngót 40.0 1,5%) 20.0 Log. (Co ngót 2%) 0.0 0 100 200 300 400 500 600 t, ngày Hình 3. Biến dạng co ngót mẫu theo thời gian - Biến dạng dài hạn: 900.0 6 - 800.0 x10  700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 B/d B/d 200.0 1,5% 2% Log. (B/d Log. (B/d 100.0 1,5%) 2%) 0.0 t, ngày 0 100 200 300 400 500 600 Hình 4. Biến dạng dọc trục mẫu theo thời gian Biến dạng từ biến, co ngót bê tông chịu ảnh hưởng vào yếu tố độ ẩm của môi trường xung quanh. Do vậy, khi bố trí thí nghiệm đã bố trí thêm dụng cụ để đo độ ẩm và kết quả độ ẩm đo được như hình 5 dưới đây. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Độ ẩm (%) 9/18/14 12/27/14 4/6/15 7/15/15 10/23/15 1/31/16 5/10/16 Hình 5. Biểu đồ độ ẩm đo được theo thí nghiệm đo biến dạng dài hạn Từ kết quả trên cho thấy trong năm đầu tiên Hai đồ thị biến dạng dài hạn ở trên cho thấy với chịu tải trọng biến dạng dài hạn tăng mạnh, càng về mẫu hàm lượng cốt thép dọc 1,5% nhỏ hơn mẫu sau tốc độ càng giảm dần. hàm lượng 2% thì kết quả biến dạng dài hạn lại có 6 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016
5. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG giá trị lớn hơn. Như vậy hàm lượng cốt thép dọc đã TÀI LIỆU THAM KHẢO ảnh hưởng đến biến dạng dài hạn của kết cấu Bê [1] Phan Quang Minh, chủ biên (2013). Kết cấu Bê tông tông cốt thép. cốt thép. Phần cấu kiện cơ bản. Nhà Xuất bản KHKT. Tổng giá trị biến dạng co ngót và từ biến sau [2] TCVN 3105 : 1993. Hỗn hợp bê tông và bê tông nặng thời gian 487 ngày là 774,4x10-6 mm/mm với mẫu - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử. 1,5%, bằng 686 x10-6 mm/mm với mẫu 2%. Các giá trị này xấp xỉ bằng 3 lần giá trị biến dạng tức thời. [3] TCVN 3118 : 1993 (1993). Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén. 3. Kết luận - Biến dạng dài hạn xẩy ra chủ yếu trong năm [4] ASTM C512-87. Standard Test Method for Creep of đầu tiên chịu tải; Concrete in Compression. - Hàm lượng cốt thép có ảnh hưởng đáng kể đến [5] AS 1012.16. Determination of creep of concrete biến dạng dài hạn của các mẫu; cylinder incompression. - Biến dạng từ biến của bê tông có giá trị lớn hơn [6] Raymond Ian Gilbert and Gianluca Ranzi (2011).Time- so với biến dạng co ngót; Dependent Behaviour of Concrete Structures. - Tổng biến dạng từ biến và co ngót sau 487 ngày gần bằng 3 lần so với biến dạng tức thời. [7] RILM TC 107- CSP. Measurement of time-dependent strains of concrete. Các kết quả thí nghiệm này đã được tiến hành công phu, đảm bảo độ tin cậy và có thể dùng vào Ngày nhận bài:29/8/2016. phân tích các nghiên cứu có liên quan. Ngày nhận bài sửa lần cuối:10/10/2016. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2016 7