Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm

Tính cấp thiết của đề tài Cột bê tông cốt thép BTCT trong kết cấu nhà nhiều tầng là cấu kiện chịu nén theo thời gian.Trong giai đoạn thiết kế, thi công và giai đoạn sử dụng đã xuất hiện

MỞ ĐẦU Tên luận án: Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cột bê tông cốt thép (BTCT) trong kết cấu nhà nhiều tầng là cấu kiện chịu nén theo thời gian.Trong giai đoạn thiết kế, thi công và giai đoạn sử dụng đã xuất hiện một số vấn đề liên quan đến sự làm việc dài hạn của cột BTCT chịu nén như sau:

- Sự chênh lệch kết quả biến dạng dài hạn dự đoán trong giai đoạn thiết kế và kết quả đo bằng thực nghiệm trong giai đoạn thi công đã

và đang xẩy ra trong thực tế hiện nay Sự chênh lệch này chủ yếu

do co ngót và từ biến gây ra

- Hiện tượng biến dạng dài hạn đã gây ra sự co ngắn dọc trục không đều ( vênh co) giữa các kết cấu chịu lực đứng ( cột, vách, lõi) dẫn đến sự phân phối lại nội lực trong kết cấu và giữa các kết cấu; ảnh hưởng đến nứt vỡ bề mặt kiến trúc và ảnh hưởng đến các hệ thống

kỹ thuật trong tòa nhà cao tầng

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định biến dạng co ngắn dọc trục kết cấu chịu nén BTCT( cột, vách, lõi) Tuy nhiên các phương pháp này chưa phù hợp với điều kiện môi trường ở Việt Nam

Từ phân tích trên đây, xác định biến dạng co ngắn dài hạn dọc trục của cột bê tông cốt thép trong điều kiện khí hậu ở Việt nam là điều cần thiết Luận án này thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn dọc trục cột BTCT chịu nén đúng tâm trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội Trên cơ sở số liệu thực nghiệm thu được phân tích

và đưa ra các kết quả về tính chất cơ lý, sử dụng cho tính biến dạng

co ngắn dài hạn của cột BTCT

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án:

- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén đúng tâm trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội

- Nghiên cứu thực nghiiệm về tính chất cơ lí Bê tông có liên quan đến biến dạng dài hạn cụ thể là: cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi

và hệ số từ biến, co ngót bê tông

- Nghiên cứu các phương pháp xác định biến dạng dài hạn của cấu kiện bê tông Từ đó áp dụng và đề xuất phương pháp tính biến dạng dài hạn cho kết cấu cột bê tông cốt thép

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là cấu kiện cột BTCT chịu nén đúng tâm chịu

tải trọng dài hạn

4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài liên quan tới:

- Nghiên cứu thực nghiệm về cột BTCT chịu nén đúng tâm, chịu tải trọng dài hạn, trong môi trường khí hậu ở Hà Nội Cột bê tông cốt thép có tiết diện tròn, với bố trí cốt thép doc theo chu vi, cốt thép đai xoắn

- Nghiên cứu thực nghiệm với bê tông có cấp độ bến chịu nén nhỏ hơn B60, cốt thép CII, sử dụng vật liệu địa phương ở khu vực Hà Nội

- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về các tính chất cơ lý của bê tông như: cường độ chịu nén; mô đun đàn hồi; từ biến và co ngót

bê tông

- Nghiên cứu các phương pháp xác định biến dạng dọc trục của cột BTCT chịu tải dài hạn

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về biến dạng dài hạn của cấu kiện BTCT chịu nén chịu tải trọng dài hạn

- Nghiên cứu lý thuyết về cường độ, mô đun đàn hồi, biến dạng co ngót, từ biến bê tông

- Nghiên cứu các mô hình dự báo biến dạng từ biến, co ngót bê tông

- Nghiên cứu các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn của cấu kiện bê tông Qua đó, nghiên cứu áp dụng các phương pháp đó vào xác định biến dạng dài hạn cho cấu kiện BTCT

- Nghiên cứu các phương pháp xác định biến dạng co ngắn cho cấu kiện cột BTCT chịu tải trọng dài hạn Qua đó, nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn của cột BTCT phù hợp với tính chất vật liệu bê tông khi làm việc dài hạn trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội

- Xây dựng mô hình xác định hệ số từ biến bê tông

- Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu nén đúng tâm, chịu tải trọng dài hạn trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm và kết hợp với nghiên cứu lý thuyết

7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu đề tài này đã đem lại ý nghĩa khoa học cũng như ý nghĩa

- Đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cột BTCT chịu nén, chịu tải trọng dài hạn Phương pháp này đã sử dụng mô đun đàn hồi theo thời gian, cùng với hệ số từ biến được xác định từ thực nghiệm trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội và biến dạng co ngót của bê tông

8 Những điểm mới của luận án

- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm Từ nghiên cứu này đã đưa ra được bộ số liệu về biến dạng dài hạn của cột BTCT làm việc dài hạn trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội

- Đề xuất hệ số từ biến bê tông được xác định từ thực nghiệm trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội

- Đề xuất phương pháp tính biến dạng dài hạn cho kết cấu cột BTCT phù hợp với tính chất làm việc dài hạn của vật liệu bê tông, trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội

Chương 2 Biến dạng dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu nén đúng tâm, chịu tải trọng dài hạn

*****

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Các nội dung lý thuyết liên quan đề tài

1.1.1 Co ngót và từ biến bê tông

- Các tính chất, các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến, co ngót bê tông

- Phương pháp biểu diễn co ngót và từ biến bê tông

- Hệ số từ biến và co ngót theo tiêu chuẩn: ACI 209-2008; GL2000;

EN 1992:2004; B3; Tiêu chuẩn Nga

1.1.2 Các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn của cấu kiện bê tông

- Phương pháp sử dụng Mô đun đàn hồi hiệu quả (The Effective Modulus Method- EMM)

- Phương pháp hệ số từ biến (The Rate of Creep Method-RCM)

- Phương pháp Mô đun hiệu quả điều chỉnh, AEMM( The Adjusted Effective Modulus Method – AEMM)

Age-1.1.3 Các phương pháp xác định biến dạng co ngắn dài hạn cho cột BTCT

- Phương pháp M.Fintel, H.Iyenger và S.K Ghosh

- Phương pháp Read M Samra

1.2 Tình hình nghiên cứu về biến dạng dài hạn của cột BTCT 1.2.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở trên thế giới

1.2.1.1 Các nghiên cứu của Davis and Davis, Richart và Staehle, Slater và Lyse

Các nghiên cứu thực nghiệm của Davis and Davis; Richart và

Staehle; Slater và Lyse đã đưa ra được một số nhận xét sau đây:

- Đối với những mẫu không có cốt thép thì tổng từ biến và co ngót sau 18 tháng gần bằng 6 lần so với biến dạng tức thời xẩy ra ngay sau khi chất tải

- Đối với mẫu có cốt thép dọc tổng biến dạng từ biến và co ngót sau

18 tháng gần bằng 4 lần so với biến dạng tức thời

- Quá trình thí nghiệm đã nhận thấy có sự phân phối lại ứng suất giữa bê tông và cốt thép khi cột BTCT chịu tải dài hạn, ứng suất cốt thép tăng dần và ứng suất trong bê tông giảm dần

- Hầu hết các mẫu thí nghiệm cho thấy từ biến và co ngót đều xẩy ra trong thời gian đầu chịu tải

1.2.1.2 Nghiên cứu của Roslin Binti Omar (2009)

Roslin Binti Omar đã nghiên cứu về “ Dự báo biến dạng theo thời gian của bê tông thường trong điều kiện khí hâu nhiệt đới” Một số kết quả nghiên cứu đã đạt được:

- Đối với bê tông cường độ cao thì từ biến và co ngót sẽ nhỏ hơn so với bê tông cường độ thấp

- Co ngót và từ biến trong điều kiện môi trường xung quanh có độ

ẩm thay đổi sẽ thấp hơn trong môi trường có độ ẩm không đổi bằng 50%

- Co ngót và từ biến đo được từ thực nghiệm có giá trị nhỏ hơn so với giá trị của các mô hình đã dự báo

1.2.1.3 Nghiên cứu của HN Praveen Moragaspitiya (2011)

Nghiên cứu này đã đề cập đến những vấn đề sau:

- Đưa ra một qui trình giám sát xây dựng có sự kết hợp với quá trình thi công để xác định co ngắn dọc trục có sử dụng các quan trắc đo liên quan đến các yếu tố có tính chất động (tiến độ, qui trình thi công, )

- Kết hợp ảnh hưởng của những tham số thời gian như: trình tự xây dựng, từ biến, co ngót, Modulus đàn hồi bê tông ban đầu vào qui trình giám sát xây dựng đã đề xuất ở trên

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam

Nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Bình, Nguyễn Trung Hiếu [15] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm (2013) về biến dạng co ngót trong điều kiện khí hậu Việt Nam Nghiên cứu tiến hành tại Phòng thí nghiệm

và Kiểm định công trình, Trường Đại học Xây Dựng, đã đưa ra một

số kết luận có liên quan đến nội dung luận án như sau:

- Dự báo biến dạng co ngót theo điều kiện khí hậu Việt Nam bằng các mô hình: ACI 209R, EC2, CEB 2010, TCVN 3117:1993 cho kết quả chênh lệch so với số liệu thực nghiệm đo được là khá lớn

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng co ngót bê tông với điều kiện môi trường theo tiêu chuẩn Việt Nam đo được trong vòng

2 năm có giá trị dao động từ (278.8  521.3)x10-6 [19]

1.3.1.1 Kết quả phân tích công trình Keangnam và Lotte

Hai tổ hợp công trình Keangnam và Lotte được xây dựng trên địa bàn Hà Nội, trong quá trình thi công đã tiến hành đo thực nghiệm biến dạng co ngắn của cột, vách và lõi [54],[55] Cả hai công trình này đều cho thấy kết quả tính co ngắn của cột tính với số liệu đầu vào từ thực nghiệm hiện trường nhỏ hơn nhiều so với kết quả dự báo trước đó với số liệu đầu lấy theo mô hình PCA (Mỹ) Trong báo báo này đã chỉ ra rằng từ biến và co ngót bê tông xác định bằng thí nghiệm ở hiện trường bé hơn so với kết quả dự báo ở trong giai đoạn thiết kế bằng mô hình PCA

1.3.1.2 Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 – Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế

Trong tiêu chuẩn Việt Nam 5574:2012 – Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép chưa đề cập đến qui trình xác định biến dạng dài hạn dọc trục cho kết cấu bê tông cốt thép chịu nén

- Chưa có các nghiên cứu thực nghiệm nào trong nước về cấu kiện cột Bê tông cốt thép chịu nén dài hạn để đánh giá sự làm việc của cột trong điều kiện khí hậu môi trường ở Việt Nam

- Các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn hiện nay chỉ áp dụng cho tiết diện bê tông, với qui trình tính toán khá phức tạp Bên cạnh

đó các mô hình về vật liệu chỉ phù hợp trong một điều kiện môi trường cụ thể

Để đánh giá biến dạng dài hạn của kết cấu bê tông cốt thép trong môi trường Việt Nam cần tiến hành các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Các nghiên cứu này đã và đang được tiến hành ở Việt Nam,

trong đó có Trường Đại học Xây dựng [14],[15]

1.5 Đề xuất hướng nghiên cứu

Từ những nhận xét ở trên, luận án đề xuất các hướng nghiên cứu sau đây:

- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn dọc trục của cột BTCT chịu nén trong môi trường khí hậu Hà Nội

- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hệ số từ biến bê tông Từ

đó xây dựng mô hình thí nghiệm để xác định hệ số từ biến bê tông phù hợp điều kiện khí hậu Hà Nội

- Nghiên cứu các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn của kết cấu bê tông và áp dụng để xác định biến dạng dài hạn của cấu kiện cột kết cấu bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm

- Đề xuất phương pháp xác định biến dạng co ngắn dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm Với đặc trưng về vật liệu (hệ số từ biến,

mô đun đàn hồi bê tông) được xác định từ thực nghiệm trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội

*****

Chương 2 BIẾN DẠNG DÀI HẠN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 2.1 Biến dạng co ngót của cột bê tông cốt thép

Xét cột bê tông cốt thép có cốt thép bố trí đối xứng (Hình 2-3)

Hình 2-2: Biến dạng của cột bê tông cốt thép do co ngót

a/ Biến dạng co ngót tự do của bê tông b/ Biến dạng co ngắn cột bê tông cốt thép

Qua nghiên cứu đề xuất đã đưa ra công thức xét ảnh hưởng của cốt thép đến biến dạng co ngót của bê tông thông qua hệ số ks sau:

2.2 Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm

Hình 2-3 Cột BTCT chịu nén theo thời gian

Xây dựng công thức xác định hệ số từ biến bê tông như Hình 2-3 Cột BTCT với tiết diện tròn, chịu lực P không đổi, cốt dọc chịu lực

As và cốt đai vòng với bước s

Các yếu tố của cốt dọc và cốt đai được xem xét trong bài toán tính biến dạng dài hạn của cột BTCT

2.2.1 Ứng suất cốt đai khi cột chịu nén

Hình 2-4 Sự ảnh hưởng của cốt đai đến sự làm việc dài

hạn của cột BTCT Hình 2-4 ở trên thể hiện sự ảnh hưởng của cốt đai đến cường độ của cột BTCT bê tông Khi cột BTCT chịu nén sẽ sinh ra ứng suất đẩy theo phương ngang và biến dạng nở hông Khi đó trong cốt đai phát sinh lực kéo vòng T, lực này tác dụng trở lại lên bê tông một lực phân bố đều q

Ứng suất cốt đai theo phương dọc tại thời điểm t:

𝜎đ(𝑡) = 2..𝑓đ.𝜎𝑐đ(𝑡)

𝑠 𝑅 𝐸𝑐 𝐸𝑐 = 2..𝑓đ.𝜎𝑐đ(𝑡)

𝑠 𝑅

(2-2)

2.2.2 Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm

Xét cột chịu lực như Hình 2-4, tại thời điểm t ta có các phương trình cân bằng:

- Phương trình cân bằng lực:

𝑃 = 𝑁𝑐(𝑡) + 𝑁𝑠(𝑡) =

= 𝜎𝑐(𝑡) 𝐴𝑐+ 𝜎𝑠(𝑡) 𝐴𝑠+ 2..𝑓đ.𝜎𝑐đ(𝑡)

𝑠 𝑅 𝐴𝑙õ𝑖

(2-3)

Trong các công thức trên:

f đ: diện tích tiết diện thanh cốt đai

s: bước cốt đai

- Phương trình cân bằng biến dạng dọc:

2.3 Ứng dụng phương pháp AEMM và Samra vào tính toán biến dạng dài hạn cấu kiện Bê tông cốt thép

Hình 0-5: Cột BTCT chịu nén đúng tâm, cốt thép đối xứng

Sử dụng AEMM, Samra để phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng dài hạn của cột BTCT như mô hình Hình 2.2 Cho Cột bê tông cốt thép, chịu nén tâm theo thời gian, nén tại thời điểm o với lực P

Ta có các phương trình cân bằng sau:

𝑃 = 𝑁𝑐(𝑡) + 𝑁𝑠(𝑡) = 𝜎𝑐(𝑡) 𝐴𝑐+ 𝜎𝑠(𝑡) 𝐴𝑠 (2-9)

𝜀𝑐(𝑡) = 𝜀𝑠(𝑡) = 𝜀(𝑡)

)()()

- Theo phương pháp AEMM quan hệ ứng suất – biến dạng tại thời điểm t được biểu diễn theo công thức

𝜀(𝑡) = 𝜎𝑜(𝜏𝑜)

𝐸𝑒(𝑡, 𝜏𝑜)+

∆𝜎𝑐(𝑡)

𝐸𝑒𝑓𝑓(𝑡, 𝜏𝑜)+ 𝜀𝑠ℎ(𝑡) (2-11) Ứng suất thay bê tông c(t) được xác định như sau:

A

P n

co ngót

(𝑡) = 𝜀𝑐(𝑡) + 𝜀𝑠ℎ,𝑠(𝑡) (2-15) Với biến dạng co ngót 𝜀𝑠ℎ,𝑠(𝑡) có thể được xác định riêng

Áp dụng nguyên lý cộng tác dụng, ta tách tính toán riêng phần biến dạng từ biến

Biến đổi phương trình (2-14) ta được ứng suất trong bê tông tại thời điểm t:

𝜎𝑐(t) = 𝜎𝑐(𝜏0) [1 + n(1 − 0.2𝜑𝑡) 𝜇

1 + 𝑛(1 + 0.8𝜑𝑡) 𝜇] (2-16) Với

(2-17)

Xem xét cột BTCT chịu nén như Hình 2-5 cột chịu lực nén P không đổi

Phương trình quan hệ ứng suất – biến dạng sử dụng mô đun đàn hồi theo thời gian như sau:

𝜀(𝑡) =𝜎𝑐(𝜏0)

𝐸𝑐(𝜏0)(1 + 𝜑𝑡) −

∆𝜎𝑐(𝑡)

𝐸𝑐(𝑡) (1 + 0.8𝜑𝑡)+ 𝜀𝑠ℎ(𝑡)

(2-18) Tính tách riêng phần biến dạng do tác dụng của tải trọng, do đó:

𝜀(𝑡) =𝜎𝑐(𝜏0)

𝐸𝑐(𝜏0)(1 + 𝜑𝑡) −

∆𝜎𝑐(𝑡)

𝐸𝑐(𝑡) (1 + 0.8𝜑𝑡) (2-19) Với ∆𝜎𝑐 = 𝜎0− 𝜎𝑐,(𝑡), thay vào phương trình (2-19) và kết hợp với (2-9) biến đổi ta được:

𝜎𝑐(t) = 𝜎𝑐(𝜏0) [1 − n0.+ 𝑛𝑡. (1 + 0.8𝜑𝑡)

1 + 𝑛𝑡(1 + 0.8𝜑𝑡) ] (2-20) Với

𝜎𝑠(𝑡) = 𝜀(𝑡) 𝐸𝑠

𝜎𝑠(t) = n0 𝜎𝑐(𝜏0) (1 + 𝜑𝑡) − 𝑛𝑡 (𝜎𝑐(𝜏0)

− 𝜎𝑐(t))(1 + 0.8𝜑𝑡) (2-21) Trong đó:

𝑛𝑡 = 𝐸𝑠

𝐸𝑐(𝑡)Phương pháp đề xuất đã phản ánh đầy đủ hơn về tính thực chất của vật liệu bê tông khi làm việc dài hạn

- Xây dựng qui trình và công thức xác định hệ số từ biến của bê tông bằng thực nghiệm Công thức phản ánh được các tính chất lý luyết của hệ số từ biến bê tông, như tính chất biến đổi theo thời gian Trên cơ sở đó tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tìm ra hệ số từ biến bê tông trong điều kiện môi trường khí hậu ở Việt Nam

- Nghiên cứu áp dụng phương pháp AEMM và Samra để xác định biến dạng dài hạn cho cấu kiện cột bê tông cốt thép chịu nén Các phương pháp này có những ưu điểm và nhược điểm riêng và có những phạm vị ứng dụng khác nhau Cả hai phương pháp còn tồn tại nhược điểm vào tính toán vì đã xem mô đun đàn hồi là hằng

Mô hình thí nghiệm là các mẫu cột BTCT hình trụ, đường kính cột D

= 150mm, chiều cao cột H = 600mm Gồm hai nhóm mẫu thí nghiệm như sau:

- Nhóm mẫu 1: 04 mẫu cột BTCT với hàm lượng 1,5%, ký hiệu 𝑀𝐼

- Nhóm mẫu 2: 04 mẫu cột BTCT với hàm lượng 2,0%, ký hiệu 𝑀𝐼𝐼

- 04 mẫu, gồm 03 Cột BTCT có tải và 01 mẫu cột BTCT không tải Chi tiết xem Hình 3-1