Các Vết Nứt Do Lực Cắt Gây Ra Trong Dầm Bt Cđc Và Btcđc Cst [101]

Khi nghiên cứu về ảnh hưởng hàm lượng sợi đế sức kháng cắt, Anil Kumar. R và R. Rudra Prasad [38] đã so sánh hai loại dầm bê tông có cường độ chịu nén 36,66MPa sử dụng cốt thép đai thông thường và loại dầm bê tông có sử dụng cốt sợi thép, không dùng cốt thép đai. Tác giả kết luận rằng hàm lượng sợi lên đến 1% thì ứng suất cắt trong dầm không cốt đai đạt tới 4MPa, tải trọng đạt gấp 1,5 lần. Khả năng chịu cắt của dầm tăng đáng kể khi sử dụng cốt sợi thép, góc nghiêng của vết nứt do cắt lớn hơn 450. Với hàm lượng sợi vượt quá 1% thì độ dẻo không tốt hơn. Dầm bê tông cốt sợi thép có độ võng lớn khi cường độ chịu kéo lớn và sự dính bám sợi với bê tông làm tăng khả năng phá hoại giòn. Sức kháng cắt của dầm BTCST cao hơn so với dầm dùng cốt đai thông thường. Sợi không những làm giảm bề rộng vết nứt mà giảm khoảng cách vết nứt. Có thể thay thế lượng cốt đai tối thiểu trong dầm bằng cốt sợi phân tán.

Gustavo J. Parra-Montesinos [101] đã nghiên cứu thực nghiệm về sự đóng góp của sợi thép cho sức kháng cắt dầm BTCST, công bố tại hội thảo Quốc tế về bê tông năm 2006. Theo tác giả, sợi thép có thể đóng vai trò như là cốt thép chịu cắt tối thiểu. Trong tiêu chuẩn ACI318-05 [35] lượng cốt thép chịu cắt tối thểu yêu cầu khi lực cắt trong dầm (Vu) không vượt quá 0.5φVc (Vu lực cắt tính toán do tải trọng gây ra, Vc là sức kháng cắt danh định của bê tông). Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng cốt sợi thép có uốn móc hai đầu và sợi thép hình lượn sóng. Chiều cao dầm thay đổi từ 180mm-570mm, tỷ lệ nhịp cắt a/d thay đổi trong phạm vi (1- 6), cường độ chịu nén thay đổi từ 17,8 MPa - 103,8 MPa; hàm lượng sợi từ 0,25%

- 2%. Các thử nghiệm đã chứng minh rằng khi tăng hàm lượng sợi thép thì ứng suất cắt tăng. Số liệu thực nghiệm trong nghiên cứu cũng cho thấy rằng công thức tính ứng suất cắt trung bình được đề xuất trong ACI 318F là phù hợp với ứng suất thí nghiệm dầm. Với hàm lượng sợi là 0,5% thì ứng suất cắt trung bình là: 0,17√f’c (MPa) và khi hàm lượng thép là 0,75% thì giá trị ứng suất là 0,35√f’c (MPa). Như vậy chỉ với hàm lượng sợi thép theo thể tích là 0,75% hoàn toàn có thể thay thế cho hàm lượng cốt đai tối thiểu chịu cắt. Đồng thời nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ứng xử cắt của dầm thay đổi khi sử dụng cốt sợi. Cốt sợi thép đã cải thiện rõ rệt bề rộng và

độ nghiêng của vết nứt. Bề rộng vết nứt nhỏ, nhiều vết nứt nhỏ thay vì vết nứt lớn (Hình 1.9).

Hình 1.9. Các vết nứt do lực cắt gây ra trong dầm BT CĐC và BTCĐC CST [101]

a) Không sợi thép; b) Có cốt sợi thép

Các tác giả Emma Slater, Moniruzzaman Moni, M. Shahria Alam [59] đã nghiên cứu thực nghiệm 222 dầm bê tông cốt sợi không dùng cốt đai. Kết quả được công bố trên tạp chí Quốc tế Vật liệu xây dựng và công trình năm 2012. Trong nghiên cứu, các tác giả sử dụng bê tông có cường độ cường độ trung bình và cường độ cao. Qua đó khẳng định rằng, cốt sợi thép đóng vai trò rất lớn trong ứng xử cắt của dầm. Trong nghiên cứu này, nhiều thông số ảnh hưởng tới sức kháng cắt được khảo sát như: cường độ chịu nén của bê tông; tỷ lệ cốt dọc chủ; tỷ số hình học; hàm lượng sợi. Các phạm vi được khảo sát rộng hơn và đánh giá chính xác hơn sự ảnh hưởng của các yếu tố đó tới sức kháng cắt. Đặc biệt là đã thí nghiệm với dầm bê tông cốt sợi thép cường độ cao với các thông số thay đổi. Trong đó đã nghiên cứu một cách đầy đủ cho 2 trường hợp tỷ số giữa chiều dài nhịp cắt và chiều cao hữu hiệu (a/d<3 và a/d≥3), bê tông dầm cấp thấp là 30-50MPa và bê tông cấp 50-110MPa, với 2 loại sợi khác nhau là sợi có móc hai đầu và sợi lượn sóng. Các tác giả đã xây dựng được công

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 184 trang tài liệu này.

thức tính toán cường độ chịu cắt trung bình của dầm bằng phương pháp hồi quy tuyến tính và phi tuyến tính cho dầm BTCST và BTCĐC CST. Trong mô hình tính có đại lượng cần phải xác định thông qua thí nghiệm đó là lực dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông. Lực dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông là thông số phụ thuộc vào hình dạng sợi, chiều dài sợi cũng như cấp bê tông. Sẽ khó khăn khi không có số liệu thí nghiệm về thông số này.

Cùng xem xét về sự thay thế cốt đai tối thiểu của cốt sợi thép, các tác giả Doo- Yeol Yoo, Tianfeng Yuan, Jun-Mo Yang và Young-Soo Yoon [56] đã cho rằng, cốt sợi thép có thể thay thế lượng cốt đai tối thiểu trong dầm BTCĐC. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng loại sợi thép uốn móc hai đầu, chiều dài sợi 35 mm, đường kính sợi 0,55mm và hàm lượng sợi là 0,75% theo thể tích. Kết quả thử nghiệm cho thấy so với dầm sử dụng cốt đai với hàm lượng tối thiểu, dầm BTCĐC CST khả năng chịu lực cắt lớn hơn. Ứng xử dẻo tăng lên, độ võng của dầm giảm khi sử dụng sợi thép. Nhưng trong nghiên cứu cho rằng, mặc dù có một số lợi ích khi sử dụng cốt sợi thép để thay thế hàm lượng cốt đai tối thiểu nhưng khó để thay thế hoàn toàn cốt đai bằng cốt sợi thép. Có thể chỉ nên thay thế một phần cốt đai bằng cốt sợi thép.

Đối với dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐC CST) không cốt đai, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cốt sợi thép làm gia tăng sức kháng cắt của dầm rất lớn. Để dự báo được sức kháng cắt của dầm BTCĐC CSTcác tác giả Emma Slater, Moniruzzaman Moni và M. Shariar Alam [59] đã thử nghiệm với số lượng lớn dầm BTCĐC CST. Các tác giả cũng đã công bố công thức tính cường độ chịu cắt của dầm như đã nói ở trên.

Năm 2016, các tác giả Joaquim A.O. Barros and Lúcio A.P.Lourenço Simao

P.F. Santos [107] đã nghiên cứu về ứng xử cắt dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép. Trong nghiên cứu này các tác giả đã dùng bê tông cấp 50MPa và 70MPa với hai hàm lượng sợi là 60KG/m3 và 70KG/m3. Loại sợi dùng là sợi Dramix có chiều dài Lf=60mm và đường kính là 0.75, tỷ số hình dạng: Lf/Df =80. Sử dụng mô hình tính toán được đề xuất trong RILEM TC162 TDF [104]. Kết quả cho thấy khi cường độ chịu nén bê tông từ 60MPa đến 70MPa hàm lượng thép 50KG/m3 thì sức kháng cắt tăng lên từ 80% đến 92%. Với hàm lượng sợi 70KG/m3 thì phạm vi tăng là 102%

đến 118%. Như vậy, với dầm bê tông cường độ cao thì khi có cùng một lượng sợi sức kháng cắt tăng nhiều hơn so với dầm bê tông cường độ thường. Năm 2017, trong một công bố của các tác giả Doo-Yeol Yoo, Tianfeng Yuan, Jun-Mo Yang, Young- SooYoon [55] về ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST với các kích thước khác nhau đã khẳng định vai trò rất lớn của sợi thép đối với khả năng chịu cắt. So với dầm BTCĐC sử dụng cốt đai thông thường, dầm BTCĐC sử dụng cốt sợi thép có nhiều lợi thế như: Tính dẻo tăng, sức kháng cắt lớn hơn, hạn chế được sự lan truyền vết nứt.

Vấn đề về ứng xử cắt của dầm BTCST có chiều cao lớn (dầm cao) cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm [51], [82], [113]. Các mô hình sử dụng tính toán dầm cao BT CST thường dùng là các mô hình trong tiêu chuẩn, mô hình bán thực nghiệm như mô hình dàn ảo, mô hình vết nứt trượt hoặc mô hình trường nén cải tiến.

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao dầm BTCST đến sức kháng cắt, các tác giả Sapkal Vijay, Dalvi Mahesh, Barge Tushar, Dhumal Harshan, Admile Pushkraj, Dr.Nemade Pravin [51] đã xem xét ba loại dầm có chiều cao khác nhau, với cùng loại sợi hình dạng lượn sóng với hàm lượng sợi lần lượt là 0%; 0.26%; 0.52%; 1%. Kết quả cho thấy, khi dầm cao cốt sợi kiểm soát vết nứt và độ võng tốt hơn. Do đó lực cắt tới hạn cũng tăng nhiều hơn so với dầm mảnh. Thực nghiệm cho thấy chỉ với hàm lượng cốt sợi 1%, lực cắt tới hạn tăng tới 230.32%. Khi nghiên cứu về dầm BTCST có kích thước lớn hay kích thước thực, các tác giả cũng đã đưa ra được mô hình bán thực nghiệm và thử nghiệm để đánh giá sự làm việc và sức kháng cắt của chúng. Trong đó, đóng góp của cốt sợi thép là rất đáng kể.

Đối với dầm BTCST chiều cao lớn, Nino Spinella [109] đã sử dụng mô hình trượt vết nứt để dự đoán sức kháng cắt của dầm. Sau đó, tác giả đưa ra được công thức tính toán lực cắt tới hạn. Thử nghiệm với dầm có chiều cao tới 685mm, đã cho kết quả rất tương đồng giữa lý thuyết và thực nghiệm. Năm 2017, các tác giả M. Moradi, M. Reza Esfahani [85] đã công bố về việc ứng dụng của cốt sợi thép trong dầm cao có khoét lỗ. Bằng phương pháp mô hình giàn ảo, các tác giả đã dự đoán chính xác mô hình phá hủy và sức kháng cắt của loại dầm này. Theo kết quả nghiên cứu sợi thép làm tăng tải trọng gây nứt gấp hai lần. Nhờ khả năng chống nứt do tải trọng của dầm tăng, khả năng chịu tác động môi trường giảm đáng kể.

Năm 2017, theo các tác giả Guray Arslan, Riza Secer Orkun Keskin, Semih Ulusoy [66] đã nghiên cứu thử nghiệm về ứng xử cắt của dầm BT CST hàm lượng đến 3% theo thể tích. Mục đích của nghiên cứu này là xem xét ảnh hưởng của hàm lượng sợi, tỷ số giữa chiều dài nhịp cắt với chiều cao có hiệu (a/d) đến sức kháng cắt và mô hình vết nứt. Kết quả cho thấy khi hàm lượng sợi tăng thì sức kháng cắt tăng, tuy nhiên với hàm lượng sợi cao 3% chỉ có loại dầm có tỷ số nhịp cắt với chiều cao có hiệu bằng 3,5 đến 4,5 lực cắt tăng. Nhưng khi tỷ số a/d bằng 2,5 lực cắt lại nhỏ hơn so với dầm có hàm lượng sợi 2%. Khi hàm lượng sợi 3%, tỷ lệ a/d là 2,5 và 3,5 thì mô hình phá hoại của dầm không đổi. Tuy niên với tỷ lệ a/d là 4,5 thì chuyển từ mô hình phá hoại từ cắt sang uốn.

Trên thế giới, không chỉ nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST và BTCĐC CST mà còn nghiên cứu về dầm bê tông nhẹ có sử dụng cốt sợi thép [64]. Qua nghiên cứu này các tác giả cho thấy rằng cốt sợi làm tăng khả năng chịu cắt của dầm bê tông nhẹ lên đến 20%.

Ngày nay, do có nhiều loại bê tông tính năng rất cao đã và đang được áp dụng, vì vậy các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu sử dụng bê tông tính năng siêu cao (UHPC) được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong đó, nghiên cứu về ứng xử cắt dầm BTCĐSC không nằm ngoại lệ. Đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu vấn đề này [58], [63], [65], [68], [88], [96]. Khi nghiên cứu các dầm UHPC dự ứng lực Josef Hegger, Guido Bertram [77] đã chứng minh rằng sức kháng cắt tăng lên khi tăng hàm lượng thép. Khi hàm lượng sợi thép tăng còn dẫn đến tính dẻo càng tăng. Các dạng vết nứt phá hoại dạng đường chỉ, góc nghiêng không lớn như trong dầm bê tông thường, góc nghiêng lớn nhất khoảng 280 nhỏ nhất 210, như Hình 1.10. Cũng trong nghiên cứu này đã chỉ ra tỷ số giữa nhịp cắt chia cho chiều cao có hiệu của dầm (a/d) bằng 0.38 thì sức kháng dầm là lớn nhất do ảnh hưởng của hiệu ứng vòm của lực dọc.

Hình 1.10. Các dạng vết nứt trong dàm UHPC [77]

 Nghiên cứu ứng xử của dầm BTCST có sử dụng cốt đai

Cốt đai không chỉ đóng vai trò tham gia chịu cắt mà còn có tác dụng tạo khung thép, tạo hình, tham gia định vị cốt dọc chủ, đóng vai trò như là cốt thép bề mặt. Vì vậy, việc hoàn toàn không sử dụng cốt đai trong dầm BTCT rất hiếm xảy ra. Khi có cốt thép đai truyền thống, ứng xử cắt của dầm BTCST sẽ có sự khác biệt với dầm BTCST không có cốt đai. Có thể coi sự đóng góp của cốt sợi và cốt đai một cách độc lập như trong một số tiêu chuẩn thiết kế hiện hành trên thế giới [54], [57], [104]. Thực tế, khi có cả cốt sợi và cốt đai thì mối quan hệ giữa chúng rất phức tạp. Dính bám giữa cốt đai với bê tông có cốt sợi thép làm thay đổi mô hình phá hủy dầm dẫn đến ứng xử cắt thay đổi so với bê tông thường. Đặc biệt, dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép có sử dụng cốt đai ứng xử cắt có sự khác biệt với dầm BTCST không cốt đai. Khi sử dụng BTCĐC CST khả năng chịu lực miền nén tăng, khả năng dính bám giữa BTCĐC CST và cốt đai tăng dẫn đến sức kháng cắt tăng rất đáng kể.

Theo nghiên cứu của Esefanía Cuenca [48] trong luận án của mình năm 2014, đã sử dụng mô hình tính toán sức kháng cắt trong tiêu chuẩn EHE-08 [57] và chứng minh được rằng cốt sợi thép có thể thay thế toàn bộ hoặc thay thế một phần cốt đai trong dầm. Trong luận án, tác giả có đề cập đến sự ảnh hưởng của sợi thép trong dầm bê tông cường độ cao từ 60MPa đến 70MPa. Kết quả cho thấy, đóng góp của sợi thép cho sức kháng cắt là rất lớn. So sánh với dầm chỉ sử dụng cốt thép đai lực cắt tăng tới 18,5% khi hàm lượng sợi 60kg/m3. Cùng loại dầm đó, nếu không có cốt đai chỉ sử dụng cốt sợi với hàm lượng 60kg/m3 thì khả năng chịu cắt nhỏ hơn một chút so với dầm sử dụng cốt đai không sợi. Nghiên cứu hàm lượng cốt sợi, đánh giá mức độ đóng góp của cốt sợi trong dầm bê tông có cốt đai và ứng xử của dầm có sử dụng cốt đai và cốt sợi ở các khía cạnh như góc nứt, bề rộng vết nứt và biến dạng trong cốt đai và dọc chủ ở trạng thái giới hạn. Tuy nhiên tác giả sử dụng mô hình tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EHE, các chỉ tiêu cơ học của BTCST được thí nghiệm trước khi đưa vào tính toán.

Năm 2005, các tác giả Meda, Minelli và Plizzari [89] đã nghiên cứu thực nghiệm trên các dầm bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ I kích thước lớn (kích thước dầm thực), tiết diện chữ I có sử dụng cốt sợi hàm lượng 0,64% như Hình 1.11.

Dầm 5-6

Mặt cắt A1, A2, A3 Mặt cắt B1, B2

Hình 1.11. Mô hình thí nghiệm dầm BTCT DUL sử dụng cốt sợi thép [89]

Các vùng chịu tải được thiết kế sao cho xảy ra phá hoại tại đó gồm: Vùng có thép dự ứng lực và vùng không có cốt dự ứng lực. Tất cả các nghiên cứu đều được so sánh với dầm không cốt sợi thép. Qua nghiên cứu các tác giả đã chỉ ra rằng cốt sợi làm tăng đáng kể sức kháng cắt của dầm. Cốt sợi có thể thay thế lượng thép đai tối thiểu quy định trong các tiêu chuẩn. Khi dùng cùng với cốt đai khả năng chịu lực cắt tăng nhiều, mặt khác sợi thép còn làm giảm bề rộng vết nứt, làm cải thiện độ bền cho dầm.

Để đánh giá được sự đóng góp về cắt của cốt sợi thép trong dầm có cốt đai, năm 2014, các tác giả Daniel de Lima Araújo, Fernanda Gabrielle Tibúrcio Nunes, Romildo Dias Toledo Filho and Moacir Alexandre Souza de Andrade [52] đã nghiên cứu so sánh hai loại dầm bê tông cốt sợi không sử dụng cốt đai và có sử dụng hàm lượng cốt đai thấp (0,21%). Hàm lượng sợi từ 1% đến 2%. Các tác giả sử dụng dầm đối chứng không có cốt sợi. Kết quả cho thấy, khi tăng lượng sợi trong dầm không có cốt đai, lực cắt tới hạn tăng ít hơn so với sử dụng dầm có dùng cốt đai. Cụ thể: khi không dùng cốt đai dạng thanh, hàm lượng sợi tăng từ 0% đến 2% thì lực tăng từ 172KN lên thành 290 KN (tăng 118KN); nếu sử dụng cốt đai với hàm lượng nhỏ 0,21%, hàm lương sợi tăng từ 0% lên 2% thì lực cắt tới hạn tăng từ 228,5 KN lên tới 360KN (tăng 131KN). Điều đó cho thấy khi có cốt đai, sự đóng góp của sợi với sức

kháng cắt nhiều hơn. So sánh cùng hàm lượng sợi thấy rằng, ở hàm lượng sợi 1%, khi không sử dụng cốt đai thì lực cắt tới hạn là 260 KN. Cũng hàm lượng sợi thép như vậy sử dụng thêm cốt đai với hàm lượng 0,21% thì lực cắt tới hạn là 275,5KN (tăng 15,5KN). Trong khi nếu hàm lượng sợi là 2%, lực cắt của dầm là 290,5 KN. Nhưng cùng hàm lượng sợi 2%, nếu dùng thêm cốt đai với hàm lượng 0,21% thì lực cắt tới hạn là 360KN (tăng 69,5KN). Như vậy với hàm lượng sợi thép cao đến 2% thì cốt đai đóng góp cho sức chịu cắt nhiều hơn hàm khi hàm lượng sợi 1%.

Năm 2017, các tác giả Withit Pansuka, Thuc N. Nguyen, Yasushiko Sato, J.A. Den Uijl, J.C. Walraven [114] đã nghiên cứu thực nghiệm trên các dầm bê tông tính năng cao cốt sợi thép và có sử dụng cốt đai. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã khẳng định rằng, khi hàm lương sợi thép tăng lần lượt từ 0%, 0.8%, 1.6% có kết hợp cốt đai sức kháng cắt tăng thêm lần lượt là 275% và 485%. Hơn nữa, cốt sợi làm giảm ứng suất trong cốt đai. Mô hình ứng xử cắt của dầm cũng thay đổi. Qua nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp cốt đai và cốt sợi trong dầm BT CĐC mang lại nhiều lợi ích. Ngoài việc tăng khả năng chịu tải, ứng xử dẻo dầm tăng. Khả năng kháng nứt của dầm BTCST cũng tốt hơn.

Khi nghiên cứu thực nghiệm về các dầm bằng bê tông cường độ siêu cao, trong một công bố trong [58] các tác giả đã so sánh bốn loại dầm BT CĐSC: một dầm không sử dụng cốt đai và cả cốt sợi, một dầm khác có chứa sợi hàm lượng 1%, một chứa cốt thép đai đường kính 5mm có khoảng cách 10mm và một dầm kết hợp cả hai loại cốt thép trên. Tất cả các dầm có cùng hình dạng kích thước. Dầm gồm 2 đoạn: Đoạn có tiết diện chữ nhật và đoạn có thiết diện chữ I để kiểm soát sự phá hủy do cắt. Đảm bảo tất cả các phá hủy đều xảy ra trên đoạn tiết diện chữ I. Kết quả cho thấy rằng, với dầm không cốt thép khả năng chịu cắt thấp nhất, dầm bị phá hoại giòn, sườn dầm bị phá hoại ở vị trí vết nứt do co ngót, dầm bị ép vỡ ở miền chịu nén như Hình 1.12.

Hình 1.12. Dạng phá hoại của dầm BT CĐSC không bố trí cốt đai và cốt sợi [58]