Đồ Thị Quan Hệ Lực Cắt Và Biến Dạng Trong Cốt Đai Vị Trí T2 (Μɛ)

Biến dạng trong cốt thép đai vị trí T2 (με)

Lực cắt Vu (N)

Hình 3.20. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T2 (μƐ)

Kết luận chương 3

Sau khi xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt cho dầm BTCST, mô hình được kiểm chứng bằng cách thử nghiệm trên dầm có chiều dài 2,4m, cao h=45cm và 40cm.

- Khảo sát các đại lượng chính cho thấy hàm lượng sợi ảnh hưởng rất lớn đến sức kháng cắt. Với hàm lượng sợi chỉ 1% theo thể tích sức kháng cắt tăng 120%

- Cùng hàm lượng sợi, hình dạng sợi nếu sợi có kích thước lớn hơn, tính theo mô hình đề xuất cho thấy sức kháng cắt lớn hơn.

- Góc nghiêng của ứng suất kéo chính của các dầm BTCST thường nhỏ hơn 45o

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 184 trang tài liệu này.

- Kết quả đo lực cắt tới hạn của dầm thử nghiệm cho thấy mô hình luận án đã dự báo tương đối chính xác sức khác cắt dầm BTCĐC CST. Kết quả uốn các dầm BTCĐC CST cho kết quả tương đồng với kết quả tính toán theo mô hình. NCS có sử dụng công thức trong tiêu chuẩn ACI 544-4R 88 để so sánh, kết quả cũng rất khớp nhau.

- Các vết nứt khi phá hoại cũng cho thấy, các vết nứt có góc nghiêng đều nhỏ hơn 45o phù hợp với dự báo của công thức đề xuất.

- Dạng phá hoại các dầm BTCĐC CST theo cắt và cắt uốn. Các vết nứt nghiêng của dầm BTCĐC CST xuất hiện nhiều hơn, vết nứt nhỏ hơn và khoảng cách nhỏ hơn cho sợi thép làm tăng tính dẻo cho dầm BTCĐC CST khi chịu cắt.

Chương 4.

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VỀ CẮT CHO DẦM

CẦU ĐƯỜNG BỘ SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP

Đặt vấn đề

Bê tông cốt sợi thép là loại vật liệu mới đã và đang được ứng dụng rộng rãi. Trong tương lai, việc sử dụng loại vật liệu này cho kết cấu dầm cầu ở Việt Nam là rất khả quan. Do tải trong công trình giao thông như cầu, cống rất lớn, cốt đai trong các dầm cầu thường bố trí rất dày. Cách bố trí cốt thép dày thường gây khó khăn cho việc lắp dựng cốt thép và đổ bê tông. Cốt sợi thép có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần cốt thép đai trong dầm cầu để tham gia chịu cắt. Nhiều nghiên cứu cho rằng nên thay thế một phần cốt đai bằng cốt sợi thép để giãn cách cốt đai truyền thống. Các cốt đai truyền thống vẫn có vai trò quan trọng như định vị cốt dọc, tạo khung thép. Tăng cường độ cứng chống xoắn...

Trên thế giới, nhiều tiêu chuẩn đã đưa các phương pháp tính toán về cắt cho dầm BT CST như: RILEM TC162 TDF [104], ACI 544-4R-18 [36], Fib Model code

2010 [72], AASHTO LRFD 2017 [98]...Ở Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 đã sử dụng mô hình tính toán về cắt dựa theo lý thuyết trường nén sửa đổi đơn giản cho dầm BTCT nhưng chưa có phần tính toán cho dầm BTCST. Đề xuất một phương pháp thiết kế cắt cho dầm cầu BT CST cũng như BT CĐC CST là rất cần thiết khi mà công trình ngày càng đòi hỏi chất lượng và tuổi thọ cần sử dụng vật liệu tiên tiến như BT CĐC CST. Do đó, NCS đề xuất phương pháp thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST có thể đưa vào TCVN 11823-2017. Phương pháp giúp các kỹ sư sử dụng tính toán lượng cốt sợi thép, cốt thép đai chịu cắt cho dầm cầu đường bộ một cách đơn giản.

Giải pháp thiết kế cắt cho dầm cầu dường bộ bằng BTCST

Trên thế giới, hiện nay đang tồn tại nhiều quan điểm thiết kế về cắt cho dầm bê tông cốt sợi thép. Theo một số tiêu chuẩn hiện hành, hiện đang có một số phương pháp thiết kế cắt: Theo như tiêu chuẩn RILEM TC162 TDF [104] khi tính toán về cắt, sử dụng cường độ chịu kéo uốn dư (FRi). Đây là một tham số quan trọng đặc trưng cho ứng xử của bê tông cốt sợi thép sau nứt. Được xác định bằng thí nghiệm xác định

độ mở rông vết nứt và biến dạng (CMOD) hoặc thí nghiệm kiểm soát độ võng khi uốn mẫu dầm (δRi). Được tính toán theo phương trình 4.1.

(4.1)

Biểu đồ liên hệ giữa lực và độ mở rông vết nứt như Hình 4.1

Hình 4.1. Đồ thị quan hệ tải trọng và độ mở rộng vết nứt

Khi tính toán chống cắt, phần tính toán sự đóng góp của cốt sợi sử dụng cường đô chịu kéo uốn dư tương ứng với độ mở rộng vết nứt CMOD4=3.5mm.

Cùng quan điểm giống như trên, tiêu chuẩn fib Model Code for Concrete Structures 2010 đã coi bê tông cốt sợi thép là vật liệu compsite tạo ra bởi bê tông và cốt sợi phân tán. Ứng xử của vật liệu composite được áp dụng. Từ cường độ chịu kéo dư sau nứt, quy luật cấu thành thiết kế được đề xuất. Đối với bê tông thường và cường độ cao, việc phân loại được dựa theo cường độ chịu kéo dư sau nứt. Trong ứng xử kéo dọc trục, bê tông cốt sợi thép sẽ biểu hiện ứng xử mềm hoặc ứng xử cứng tùy thuộc vào hỗn hợp. Khi biến dạng chỉ nằm trong phạm vi một vết nứt (Hình 4.2) thì gọi là ứng xử mềm. Mặt khác nếu nhiều vết nứt nhỏ xảy ra trước khi đạt đến phá hoại thì được xem là ứng xử kéo cứng (Hình 4.2b).

Vết nứt hình thành

Vết nứt cục bộ

Vết nứt hình thành

Vết nứt cục bộ

Hình 4.2. Ứng xử mềm (a) và cứng (b) khi kéo dọc trục

Do thí nghiệm kéo dọc trục chưa được đề xuất cho tiêu chuẩn của hỗn hợp mới vì khó thí nghiệm và chưa được tìm hiểu. Do mẫu thí nghiệm nhỏ, số lượng sợi trong mẫu nhỏ, có thể có ảnh hưởng của hướng sợi do phương pháp đúc mẫu. Bằng mối tương quan quan trọng giữa các loại cường độ chịu kéo, hoàn toàn có thể sử dụng các thí nghiệm khác nhau. Thử nghiệm uốn có thể được thực hiện nhằm xác định mối quan hệ độ biến dạng và tải trọng. Kết quả thí nghiệm có thể sử dụng nhằm tìm ra quan hệ giữa ứng suất và bề rộng vết nứt bằng cách phân tích ngược. Giá trị danh định của các thuộc tính của vật liệu được xác định thông qua thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu dầm có cắt khấc như Hình 4.3. Các biến dạng thường được thể hiện dưới dạng độ dịch chuyển mở rộng vết nứt (CMOD), đó là độ mở của khấc ở mặt dưới của dầm.

Mặt cắt A-A

Chi tiết khấc

Hình 4.3 Mẫu dầm xác định cường độ chịu kéo uốn

Trong tiêu chuẩn AASHTO, mô hình trường nén cải tiến như đã phân tích ở trên được áp dụng. Trong tính toán chống cắt, sử dụng các hệ số tải trọng và sức kháng. Các ứng suất kéo trong bê tông đã nứt cấu thành sức kháng cắt rất đáng kể. Lý thuyết trường nén cải tiến (MCFT) xem xét ảnh hưởng của ứng suất kéo chính đến ứng xử chịu cắt của dầm BTCT sau khi vết nứt hình thành. Các phương trình cân

bằng cho lý thuyết trường nén cải tiến (MCFT) có thể nhận được một cách thức tương tự như lý thuyết trường nén (CFT) với phần ứng suất kéo chính trong bê tông được thêm vào. Với dầm BTCT ứng suất kéo chính trung bình sau khi nứt f1, đã được đề nghị bởi Collins và Mitchell (1991) là như sau:

f1 

fcr

(psi)

1  5001

0.33 fc '

1 5001

Trong luận án, đề xuất ứng suất kéo chính trung bình trong dầm BTCĐC CST như sau:

f1 

(1v

f ) f

Trong đó: f được xác định thông qua thực nghiêm, được đề xuất trong



f '

luận án  0.37 f

Trình tự thiết kế

Tương tự như trình tự thiết kế cốt đai trong dầm BTCT thường được đề xuất trong TCVN 11823-2017 [4]. Đối với dầm BTCĐC CST, trên tiết diện thẳng góc, cốt sợi thép tham gia chịu kéo cùng với cốt thép nên biến dạng trong cốt thép dọc(Ɛs) giảm. Vì vậy góc nghiêng ứng suất nén chủ nhỏ hơn. Điều này có lợi hơn đối với khả năng chịu cắt của dầm BTCST. Với phân tích lý thuyết đã trình bày trên NCS đề xuất các bước thiết kế cốt đai cho dầm BTCĐC CST có sự điều chỉnh trong quá trình tính toán các đại lượng liên quan như sau:

Bước 1: Xác định biểu đồ bao lực cắt Vu và biểu đồ bao mô men Mu do tổ hợp tải trọng cường độ I gây ra (thường xác định các giá trị ở 10điểm mỗi nhịp). Tính toán chiều cao chịu cắt hữu hiệu dv:

Chiều cao chịu cắt hữu hiệu được tính là khoảng cách giữa các hợp lực kéo và hợp lực nén do uốn. Giá trị này cần được lấy không nhỏ hơn 0,9de và 0,72h, với de là chiều cao hữu hiệu tính từ mép chịu nén lớn nhất tới trọng tâm cốt thép chịu kéo và h là chiều cao toàn bộ của mặt cắt cấu kiện.

Bước 2

 Lựa chọn hàm lượng sợi

 Tính toán ứng suất cắt

v v

b d

(4.2)

Trong đó: bv là bề rộng sườn dầm tương đương và Vu là nội lực cắt có nhân hệ số ở trạng thái giới hạn cường độ.

 Tính /f’c, nếu tỉ số này lớn hơn 0,25 thì cần sử dụng mặt cắt có sườn dầm lớn hơn.

Bước 3

Giả định góc nghiêng của ứng suất nén xiên, , và tính biến dạng trong cốt thép chịu kéo uốn:

Mu M f

Vu

v

As Es

M b(h e)( h e a )

f t 2 2 2

Trong đó Mu là mô men tính toán có nhân hệ số. Thông thường, Mu được tính từ trạng thái giới hạn cường độ xảy ra tại mặt cắt đó hơn là mô men tương ứng với Vu. Nu là lực dọc trục lấy dấu (+) cho lực kéo, lấy dấu (-) cho lực nén (N). Es là mô đun đần hồi của thép. As là diện tích cốt thép dọc chủ

Bước 4

Các mặt cắt được cung cấp một lượng cốt thép đai tối thiểu giá trị của hệ số biểu thị khả năng truyền lực kéo của bê tông đã bị nứt nghiêng lấy như sau:



4, 8

1 750

Các mặt cắt không được cung cấp một lượng cốt thép đai tối thiểu lấy như sau:

4, 8 51

1 75039 s

s xe

s

sxe x

16

Sxe lấy giá trị giữa dv hoặc cự ly cốt dọc kiểm soát vết nứt, ở đó diện tích mỗi lớp cốt thép không được nhỏ hơn 0,003bv.sx như thể hiện ở Hình 4.4

ag: là kích thước cốt liệu lớn nhất của hỗn hợp bê tông.

Góc nghiêng của úng suất nén chủ lây như sau: 29 3500

Bước 5

Tính toán sức kháng cắt cần thiết của các cốt thép ngang ở sườn dầm, Vs:

V Vu V V Vu 

f b d 0.37 Lf v f ' cot

(4.3)

s c f 

c v v f c

với Vc là sức kháng cắt danh định của bê tông. Vf là sức kháng cắt của cốt đai.

Bước 6

Tính toán khoảng cách cần thiết giữa các cốt thép ngang ở sườn dầm

s Av fy dv

cot

(4.4)

với Av là diện tích cốt thép ngang sườn dầm trong phạm vi khoảng cách s.

Kiểm tra đối với yêu cầu về lượng cốt thép ngang tối thiểu ở sườn dầm

f bvs

Av 0, 083 hay s 

Av fy

(4.5)

0, 083 f b

c v

Kiểm tra đối với yêu cầu về khoảng cách tối đa giữa các cốt thép ngang ở sườn dầm

Nếu

V 0,1 f b d ,

thì

s 0,8d ;600 mm

u c v v v

Nếu

V 0,1 f b d ,

thì

s 0, 4 d ;300 mm

Bước 7

u c v v v

Kiểm tra điều kiện đảm bảo cho cốt thép dọc không bị chảy dưới tác dụng tổ hợp của mô men, lực dọc trục và lực cắt.

A f Mu Vu 0, 5V cot

(4.6)

s y d s 

v 