Luận văn thạc sĩ khảo sát sự tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng hạn chế nở hông do cốt đai gây ra trong cột bê tông cốt thép

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN THANH KHẢO SÁT SỰ GIA TĂNG CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG NHỜ HIỆU ỨNG HẠN CHẾ NỞ HÔNG DO CỐT ĐAI GÂY RA TRONG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VĂN THANH

KHẢO SÁT SỰ GIA TĂNG CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG

NHỜ HIỆU ỨNG HẠN CHẾ NỞ HÔNG DO CỐT ĐAI GÂY RA

TRONG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã ngành : 85 80 201

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Đà Nẵng, Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Văn Thanh

Đề tài: KHẢO SÁT SỰ GIA TĂNG CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG

NHỜ HIỆU ỨNG HẠN CHẾ NỞ HÔNG DO CỐT ĐAI GÂY RA TRONG CỘT

BÊ TÔNG CỐT THÉP

Học viên: Trần Văn Thanh - Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT DD&CN

Tóm tắt - Cường độ của bê tông đưa v o tính to n được x c định thông qua thí

nghiệm nén mẫu không có sự h n chế nở hông Trong thực tế, bê tông có thể bị h n

chế nở hông do cốt thép Nhiều nghiên cứu thực nghiệm trước đây đều cho thấy rằng,

khả năng chịu nén của bê tông c tăng lên hi bê tông bị h n chế nở hông gây ra bởi

cốt đai

Thông qua các kết quả nghiên cứu trước đây, luận văn dùng c c công thức phát

triển bởi Légéron và Paultre để khảo sát sự gia tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng

h n chế nở hông do cốt đai gây ra trong cột bê tông cốt thép Các ví dụ khảo sát gồm

cột tiết diện chữ nhật và tròn trong đ đặc tính của cốt đai được thay đổi Kết quả cho

thấy một số trường hợp cường độ chịu nén của bê tông bị h n chế nở hông có thể tăng

lên 10%

Từ khóa - cột bê tông cốt thép, hạn chế nở hông; cốt đai, cường độ nén, áp lực hiệu

dụng

Topic: INVESTIGATION OF THE INCREASE IN CONCRETE STRENGTH

DUE TO THE EFFECT OF LIMITING EXPANSION CAUSED BY THE

BELT IN REINFORCED CONCRETE COLUMN Summary - Compressive strength of concrete is determined by uniaxial testing

via prismatic sample without any lateral expansion In fact, concrete may be confined

by reinforcement, such as stirrup and hoop In litterature, many studies have suggested

that the compressive strength of concrete can increase if concrete is confined

Basing on these results, this study uses the formulas developed by Légéron and

Paultre to calculate the confined concrete strength in case of concrete column with

diffirent type of stirrup reinforcement By computing for rectangular and circular

section columns The results show that in some cases the compressive strength of

confined concrete can increase 10%

Keywords - reinforced concrete column, confinement, stirrup, compressive strength,

lateral effective pressure.

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CA ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và ph m vi nghiên cứu 1

4 Phương ph p nghiên cứu 1

5 Bố cục đề tài 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG 3

1.1 Các khái niệm cơ bản về bê tông - bê tông cốt thép 3

1.2 Cường độ của bê tông và các yếu tố ảnh hưởng 6

1.3 Kết luận 12

CHƯƠNG 2 SỰ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG TRONG CỘT KHI BỊ HẠN CHẾ

NỞ HÔNG 13

2.1 Bê tông bị h n chế nở hông 13

2.1.1 Cường độ nén của bê tông 13

2.1.2 Bê tông h n chế nở hông theo tiêu chuẩn EN1992-1-1-2004 14

2.1.3 Quan hệ ứng suất – biến d ng trong bê tông nở hông 15

2.1.4 Mô hình cột tiết diện tròn bọc tấm đai liên tục 16

2.1.5 Ứng dụng vào cột tiết diện chữ nhật đặt cốt đai 17

2.1.6 Cường độ cực đ i trong bê tông h n chế nở hông - biểu thức của Légeron và Paultre (2003)

2.2 C c mô hình x c định cường độ bê tông bị h n chế nở hông 21

2.2.1 Mô hình của Richart (1928) 21

2.2.2 Mô hình của Mander (1988) 22

2.2.3 Mô hình sửa đổi Scott (2001) 24

2.3 C c bước tính toán theo mô hình của Légeron và Paultre 26

2.4 Kết luận 27

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ GIA TĂNG CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG NHỜ HIỆU ỨNG HẠN CHẾ NỞ HÔNG DO CỐT ĐAI GÂY RA TRONG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP28 3.1 Tổng quan về các ví dụ áp dụng 28

3.2 Xét cột vuông 250x250 28

3.3 Xét cột vuông 1000x1000 30

3.3.1 Thông số đầu vào 30

3.3.2 Kết quả 31

3.3.3 Nhận xét 31

3.4 Xét cột chữ nhật (thay đổi tiết diện 500x500, 500x600 , 500x700, 500x800, 500x900, 500x1000, 500x1200) 31

3.4.1 Thông số đầu vào 31

3.4.2 Kết quả 32

3.4.3 Nhận xét 33

3.5 Một số bài toán khảo sát 33

3.5.1 Thay đổi cấp bền bê tông 33

3.5.2 Thay đối ích thước tiết diện 35

3.5.3 Thay đổi khoảng cách cốt đai 36

3.5.4 Thay đổi lo i tiết diện 37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

Kết luận 39

Kiến nghị 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ ( ẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC

PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Cường độ đặc trưng, biến d ng của bê tông theo EN 1992-1-1:2004 13

Bảng 3.1 Mô tả tiết diện 28

Bảng 3.2 Kết quả tỉ lệ f’cc/f’c ứng với mỗi trường hợp s (mm) thay đổi 31

Bảng 3.3 Kết quả tỉ lệ f’cc/f’c ứng với mỗi giá trị tiết diện (mm) thay đổi 32

Bảng 3.4 Kết quả theo từng cấp bền bê tông 34

Bảng 3.5 Trường hợp thay đổi ích thước cột 35

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 X c định cường độ chịu nén – mẫu thử 6

Hình 1.2 X c định cường độ chịu kéo 6

Hình 1.3 Ảnh hưởng của lượng nước nhào trộn đến độ lưu biến của hỗn hợp bê tông

Hình 1.4 Quan hệ giữa cường độ và tuổi của bê tông 11

Hình 1.5 Sự phá ho i mẫu thử khối vuông 12

Hình 2.1 Quan hệ ứng suất – biến d ng của bê tông bị bó 15

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến d ng của bê tông h n chế nở hông 15

Hình 2.3 Sự cân bằng ứng suất 17

Hình 2.4 Khái niệm cột tương đương 18

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa / và I’e 21

Hình 2.6 Mô hình ứng suất biến d ng của bê tông – Mander 23

Hình 2.7 Mô hình sửa đổi Scott 24

Hình 3.1 Các tiết diện cột khảo sát 28

Hình 3.2 Tiết diện cột 250x250 28

Hình 3.3 Tiết diện cột 1000x1000 30

Hình 3.4 Các thông số đầu vào cho cột 1000x1000 30

Hình 3.5 Đồ thị f’cc/f’c và hoảng c ch đai s(mm) 31

Hình 3.6 Đồ thị f’cc/f’c và ích thước tiết diện (mm) 33

Hình 3.7 Giá trị f’cc (Mpa) 34

Hình 3.8 Giá trị ’cc 34

Hình 3.9 Giá trị f’cc ( pa) 35

Hình 3.10 Giá trị ’cc 35

Hình 3.11 Giá trị f’cc ( pa) 36

Hình 3.12 Giá trị ’cc 37

Hình 3.13 Giá trị f’cc ( pa) 38

Hình 3.14 Giá trị ’cc 38

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cột bê tông cốt thép là một lo i kết cấu khá phổ biến trong c c công trình như công trình: dân dụng, công nghiệp cầu đường Sự phá ho i của cột có thể ảnh hưởng đến sự phá ho i của các kết cấu khác hoặc là nguyên nhân chính dẫn đến sự phá ho i toàn bộ kết cấu của công trình Cường độ của bê tông đưa vào tính to n được x c định thông qua thí nghiệm nén mẫu không có sự h n chế nở hông Trong thực tế, bê tông có thể bị h n chế nở hông do cốt thép Nhiều nghiên cứu trước đây đều cho rằng, khả năng chịu nén của bê tông (chủ yếu là trong cột) c tăng lên hi bê tông bị h n chế nở hông gây ra bởi cốt đai Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng này, góp phần bổ sung cho lý thuyết tính toán cấu kiện chịu nén bằng bê tông cốt thép

Do vậy, nhằm khảo sát vai trò của cốt đai ảnh hưởng như thế nào đến cường độ chịu nén của bê tông trong cột bê tông cốt thép, đề tài nghiên cứu: “ hảo sát sự tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng h n chế nở hông do cốt đai gây ra trong cột bê tông cốt thép” là c ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Dựa vào các kết quả có sẵn, khảo sát sự thay đổi cường độ bê tông trong cột khi thay đổi các thông số như ích thước cột, đường ính và bước đai, cấp bền bê tông

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Cường độ chịu nén của bê tông trong cấu kiện bê tông cốt thép khi bê tông bị h n chế nở hông gây ra bởi cốt đai

- Ph m vi nghiên cứu: Ảnh hưởng của cốt đai đến h n chế nở hông và cường độ nén của bê tông

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào các kết quả nghiên cứu có sẵn trên thế giới, từ

đ hảo sát sự ảnh hưởng của các thông số của cấu kiện bê tông trong cột

Chương 2: Sự làm việc của bê tông trong cột khi bị h n chế nở hông

Chương 3: hảo sát sự gia tăng cường độ bê tông nhờ hiệu ứng h n chế nở hông

do cốt đai gây ra trong cột bê tông cốt thép

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG

1.1 Các khái niệm cơ bản về bê tông - bê tông cốt thép

Bê tông là một lo i đ nhân t o, được hình thành bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính, theo một tỷ lệ nhất định (được gọi là cấp phối bê tông)

ê tông là một trong những lo i vật liệu rất quan trọng được sử dụng rộng r i trong mọi lĩnh vực xây dựng vì n c những ưu điểm sau: C cường độ chịu nén cao, bền trong môi trường Cốt liệu c thể sử dụng nguyên liệu địa phương Dễ cơ giới h a,

tự động h a qu trình sản xuất và thi công C thể t o được nhiều lo i bê tông c tính chất h c nhau, c c lo i bê tông phổ biến là: bê tông tươi, bê tông nhựa, bê tông Asphalt, bê tông Polime và c c lo i bê tông đặc biệt h c

ê tông được sử dụng rộng r i trong xây dựng c c công trình iến trúc, m ng,

g ch hông nung hay g ch bloc , mặt l t của vỉa hè, cầu và cầu vượt, đường lộ, đường băng, c c cấu trúc trong b i đỗ xe, đập, hồ chứa/bể chứa nước, ống cống, chân cột cho

c c cổng, hàng rào, cột điện và thậm chí là thuyền

Việc sản xuất và sử dụng bê tông c nhiều t c động h c nhau đến môi trường và nhìn chung cũng hông hoàn toàn là tiêu cực như nhiều người nghĩ ặc dù sản xuất

bê tông đ ng g p đ ng ể vào việc sản sinh hí nhà ính, việc t i sử dụng bê tông l i rất phổ biến đối với c c công trình qu cũ và qu giới h n tuổi thọ Những ết cấu bê tông rất bền và c tuổi thọ rất cao Đồng thời, do hối lượng t c dụng nhiệt cao và độ thẩm rất ém, bê tông cũng là một vật liệu dùng cho nhà ở tiết iệm năng lượng

Trong bê tông, chất ết dính (xi măng + nước, nhựa đường, phụ gia ) làm vai trò liên ết c c cốt liệu thô c ích thước 5,0mm-40 mm hoặc lớn hơn (đ , sỏi, đôi hi sử dụng vật liệu tổng hợp trong bê tông nhẹ) và cốt liệu mịn c ích thước từ 1,0mm-5,0mm (thường là c t, đ m t, đ xay, ) và hi đ ng rắn, làm cho tất cả thành một hối cứng như đ Cường độ chịu éo của bê tông nhỏ hơn cường độ chịu nén rất nhiều (8-15 lần)

Ngoài c c thành phần chính như trên, người ta còn c thể thêm c c phụ gia để cải thiện một số tính chất của bê tông trong lúc thi công cũng như trong qu trình sử dụng Phụ gia c nhiều lo i h c nhau, c lo i để nâng cao độ dẽo hỗn hợp bê tông, c lo i

dùng để tăng nhanh hoặc éo dài thời gian đông ết của xi măng, c lo i để nâng cao cường độ của bê tông trong thời gian đầu, c lo i để tăng hả năng chống thấm v.v Nước để trộn bê tông gồm hai phần ột phần để h a hợp với xi măng, một phần nữa như là phụ gia làm cho hỗn hợp bê tông c được độ dẽo (nh o) cần thiết lúc trộn,

đổ huôn và đầm chắc Lượng nước tham gia phản ứng h a hợp chỉ chiếm hoản một phần năm trọng lượng xi măng và là cần thiết Lượng nước thêm vào để trộn bê tông,

về sau hi bê tông đ hô cứng sẽ trở thành nước thừa, một phần bốc hơi để l i những

lỗ rỗng li ti trong cấu trúc của bê tông, làm giảm độ đặc chắc và cường độ của n Nguyên lý t o nên bê tông là dùng c c cốt liệu lớn làm thành bộ xương, c c cốt liệu nhỏ lắp đầy hoảng trống và dùng chất ết dính để liên ết chúng t o thành một thể đặc chắc c hả năng chịu lực và chống l i c c biến d ng

ê tông c cấu trúc hông đồng nhất vì hình d ng, ích thước c c h t cốt liệu

h c nhau, sự phân bố của c c h t cốt liệu và chất ết dính hông thật đồng đều, trong

bê tông vẫn còn l i một ít nước thừa và những lỗ rỗng li ti (do nước thừa bốc hơi) Tùy theo thành phần và cấu trúc của bê tông mà người ta phân lo i chúng theo nhiều c ch khác nhau:

+ Theo cấu trúc c c c lo i: bê tông đặc chắt; bê tông c lỗ rỗng (dùng ít c t); bê tông tổ ong

+ Theo hối lượng riêng phân thành: bê tông nặng thông thường c hối lượng riêng =22002500 kG/cm3; bê tông nặng cốt liệu bé =18002200 kG/cm3

; bê tông nhẹ <1800; bê tông đặc biệt nặng >2500

+ Theo thành phần c : bê tông thông thường; bê tông cốt liệu bé; bê tông chèn đ học

+ Theo ph m vi sử dụng: bê tông làm ết cấu chịu lực; bê tông chịu n ng; bê tông c ch nhiệt; bê tông chống xâm thực v.v

- Bê tông cốt thép là một lo i vật liệu xây dựng phức hợp do bê tông và cốt thép cùng cộng t c chịu lực với nhau Về sức bền vật lý, bê tông chịu lực nén h tốt nhưng

hả năng chịu lực éo hông tốt lắm và là một lo i vật liệu giòn Trong hi đ cốt thép

là vật liệu chịu éo hoặc chịu nén đều rất tốt Vì vậy, trong xây dựng c c công trình,

c c vật liệu chịu lực éo tốt (ví dụ thép) được sắp xếp để đưa vào trong lòng hối bê tông, đ ng vai trò là bộ hung chịu lực nhằm cải thiện hả năng chịu éo của bê tông

Do vậy người ta đ đặt cốt thép vào trong bê tông để tăng cường hả năng chịu lực cho

ết cấu, từ đ sản sinh ra bê tông cốt thép Lo i bê tông c phần lõi thép này được gọi

là bê tông cốt thép

ê tông và cốt thép c thể cùng tham gia chịu lực là do c c yếu tố sau:

+ ê tông và cốt thép dính chặt với nhau nên c thể truyền lực từ bê tông sang cốt thép và ngược l i Lực dính c tầm quan trọng hàng đầu đối với vật liệu bê tông cốt thép

+ Giữa bê tông và cốt thép hông xảy ra phản ứng h a học Đồng thời bê tông còn làm chức năng bao bọc, bảo vệ cốt thép chống c c t c dụng ăn mòn của môi trường Đây cũng là lý do hi sử dụng c c lo i phụ gia h a dẻo và đông cứng nhanh cần phải bảo đảm qu trình đầm nén bê tông đ t đến độ lèn chặt cần thiết

+ ê tông và cốt thép c hệ số gi n nở nhiệt gần giống nhau (hệ số gi n nở nhiệt của bê tông từ 0,000010 đến 0,000015 và hệ số gi n nở nhiệt của thép là 0,000012)

Do đ hi c sự thay đổi nhiệt độ dưới 100°C thì trong cấu iện bê tông cốt thép hông xuất hiện nội ứng suất đ ng ể, hông làm ph ho i lực dính giữa bê tông và cốt thép

Theo phương ph p thi công, c thể phân lo i bê tông cốt thép chia ra làm ba lo i: + ê tông cốt thép toàn hối (hay còn gọi là bê tông cốt thép đổ t i chỗ): Người

ta ghép v n huôn, đặt cốt thép và đổ bê tông ngay t i vị trí thiết ế của ết cấu

+ ê tông cốt thép lắp ghép: Người ta phân chia ết cấu thành những ết cấu riêng biệt để c thể chế t o chúng ở nhà m y hoặc sân b i, vận chuyển chúng đến công trường sau đ dùng cần cẩu lắp ghép rồi nối chúng l i với nhau thành ết cấu t i vị trí thiết ế

+ ê tông cốt thép nửa lắp ghép: Người ta lắp ghép c c cấu iện chưa được chế

t o hoàn chỉnh sau đ đặt thêm cốt thép, ghép thêm v n huôn rồi đổ t i chỗ bê tông phần còn l i ( ể cả mối nối)

Nếu phân theo tr ng th i ứng suất hi chế t o c hai lo i sau:

+ ê tông cốt thép thường: hi chế t o, cốt thép ở tr ng th i hông c ứng suất, ngoài nội ứng suất do co ng t và gi n nở nhiệt của bê tông Cốt thép chỉ chịu ứng suất

hi cấu iện chịu lực ngoài ( ể cả trọng lượng bản thân)

+ ê tông cốt thép ứng suất trước: Căng trước cốt thép đến ứng suất cho phép,

hi buông cốt thép, n sẽ co l i, t o ứng suất nén trước trong tiết diện bê tông, nhằm mục đích hử ứng suất éo trong tiết diện bê tông hi n chịu ngo i lực, làm h n chế vết nứt và độ võng

1.2 Cường độ của bê tông và các yếu tố ảnh hưởng

- Cường độ là chỉ tiêu quan trọng thể hiện hả năng chịu lực của vật liệu Cường

độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của n Để x c định cường độ của bê tông người ta dùng thí nghiệm mẫu Thông thường là chế t o ra c c mẫu thử và thí nghiệm ph ho i c c mẫu đ ột c ch h c là thí nghiệm hông ph ho i, x c định cường độ một c ch gi n tiếp bằng c ch dùng s ng siêu âm, súng bật nẩy

Trong ết cấu xây dựng, bê tông chịu nhiều t c động h c nhau: chịu nén, uốn,

éo, trượt, trong đ chịu nén là ưu thế lớn nhất của bê tông Do đ , người ta thường dùng cường độ chịu nén là chỉ tiêu đặc trưng để đ nh gi chất lượng bê tông N i đến cường độ của bê tông là n i đến cường độ tính to n (cường độ chịu nén và cường độ chịu éo), cường độ đặc trưng và cường độ trung bình Cường độ chịu nén và cường

độ chịu éo của bê tông được x c định theo phương ph p thí nghiệm

Hình 1.1 Xác định cường độ chịu nén – mẫu thử

Hình 1.2 Xác định cường độ chịu kéo Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo

Gọi R, R(t) là lần lượt là cường độ chịu nén và cường độ chịu éo của bê tông, ta

c mối quan hệ: R t ( ) t R; hoặc ( )R t 0,6 0,06R

Gi trị của Øt được lấy phụ thuộc vào lo i của bê tông và đơn vị của R, đối với

bê tông nặng, đơn vị của R là Pa thì Øt = 0.28 - 0.30

Gi trị trung bình của cường độ: hi thí nghiệm n mẫu thử của cùng một lo i bêtông thu được c c gi trị cường đô mẫu thử làR1, R2, R3, Rn C c gi trị đ c thể giống hoặc h c nhau Gi trị trung bình cường độ c c mẫu thử x c định theo:

Gi trị đặc trưng của cường độ (gọi tắt là cường độ đặc trưng) được x c định theo

x c suất bảo đảm 95 , x c định theo:

R : gi trị cường độ tiêu chuẩn về éo;

kc : hệ số được lấy bằng kc 0,7 0,8 tùy tuộc vào Rch;

Cường độ bêtông tính to n về éo ý hiệu R bt được x c định theo:

.

bi btn bt

bt

R R

Trong đ :

,

bc bt : hệ số tin cậy của bêtông tương ứng hi nén và hi éo

bi : hệ số làm việc của bêtông (i 1,2, ,10), ể đến tính chất của tải trọng, giai đo n làm việc của ết cấu, ích thước của tiết diện v.v

Cường độ của bê tông tăng theo tuổi thọ thời gian tính từ lúc chế t o bê tông đến

hi cho n chịu lực Thời gian đầu cường độ tăng nhanh, sau chậm dần Với bê tông dùng xi măng pooclăng, chế t o và bảo dưỡng trong điều iện bình thường, cường độ tăng nhanh trong 28 ngày đầu

Vì thế đây cũng là một chỉ tiêu đ nh gi chất lượng bê tông hi thi công công trình và nghiệm thu đưa vào sử dụng

Với bê tông cần x c định cường độ chịu nén và cường độ chịu éo Trong giới

h n luận văn chỉ tìm hiểu về cường độ chịu nén

- C c yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông: Cường độ bê tông hông những phụ thuộc vào chất lượng và cấp phối vật liệu sử dụng mà còn phụ thuộc vào

qu trình thi công bê tông và c c yếu tố h c Trong thiết ế công trình, người ta thường dự iến cường độ cần thiết của bê tông để tính to n, do đ hi thi công cần chọn thành phần, cấp phối vật liệu và công nghệ chế t o để bê tông đảm bảo đ t cường

độ yêu cầu C c yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông c thể bao gồm:

+ Chất lượng và số lượng xi măng: hi sử dụng xi măng để chế t o bê tông, việc lựa chọn m c bê tông rất quan trọng vì n vừa phải đảm bảo cho bê tông đ t cường độ thiết ế, vừa phải đảm bảo yếu tố inh tế Nếu dùng xi măng m c cao chế t o bê tông

m c thấp sẽ dẫn đến lượng xi măng dùng cho 1m3

bê tông hông đủ để liên ết c c h t cốt liệu với nhau, dễ xảy ra hiện tượng phân tầng Ngược l i, dùng xi măng m c thấp

để chế t o bê tông m c cao sẽ làm tăng lượng xi măng phải dùng, hông đảm bảo yếu

tố inh tế ên c nh đ , với cường độ bê tông dự iến, nếu tăng số lượng xi măng cũng sẽ làm tăng cường độ bê tông nhưng hiệu quả hông cao và thường gây tăng biến

d ng do co ng t Thông thường trong 1m3

bê tông cần dùng từ 250-500 g xi măng, hi dùng xi măng nhiều thì cường độ bê tông cao hơn, nhưng để chế t o bê tông cường độ cao ( 25, 30,…) ngoài việc tăng lượng xi măng còn cần phải dùng xi măng m c cao (PC40, 50,…) hoặc phụ gia nâng cao cường độ của bê tông mới đem l i hiệu quả inh

tế và sử dụng Chẳng h n như: để chế t o bê tông c cấp độ bền 7,5; 10; 12,5; 15 c thể sử dụng xi măng PC30, còn hi chế t o bê tông c cấp độ bền 20; 25; 30 cần dùng xi măng PC40, nếu sử dụng xi măng PC30 thì phải dùng với số lượng nhiều, hông đ t hiệu quả về inh tế, đồng thời làm tăng tính từ biến trong bê tông ảnh hưởng xấu đến chất lượng bê tông

+ Độ cứng, độ s ch và sự phối hợp thành phần cốt liệu (cấp phối): Thành phần bụi và t p chất sẽ t o ra trên bề mặt h t cốt liệu lớp màng cản trở liên kết chúng với xi măng ết quả là cường độ của bê tông giảm đ ng ể (c hi đến 30÷40%) Việc lựa chọn được cấp phối hợp lý sẽ làm tăng cường độ bê tông đồng thời tiết kiệm được lượng xi măng sử dụng Hàm lượng cát trong hỗn hợp cốt liệu (mức ngậm cát) ảnh hưởng lớn đến tính chất của hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tông c hàm lượng cát tối

ưu đảm bảo cho bê tông đ t yêu cầu tính công t c, độ đặc chắc và cường độ với lượng dùng xi măng và nước bé nhất

+ Tỉ lệ giữa nước và xi măng: Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn đến cường độ và tính chất biến d ng của bê tông Tỉ lệ này cao sẽ làm giảm cường độ bê tông và tăng tính co

ng t, từ biến, nhưng nếu tỉ lệ này thấp (vừa đủ) thì h thi công, đặc biệt là hi bơm bê tông Lượng nước nhào trộn c ảnh hưởng đến đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bê tông

Nếu lượng nước ban đầu trong hỗn hợp bê tông bé, nước chỉ đủ bao bọc mặt ngoài h t xi măng và t o nên màng hấp thụ nước, màng nước này liên ết bền chắc với

h t xi măng, c tính đàn hồi, tính chịu éo, cường độ chống cắt và độ nhớt

Nếu lượng nước tăng lên, màng hấp thụ dày thêm và do sức căng bề mặt của nước, nước sẽ dịch chuyển trong c c đường mao quản làm cho hỗn hợp bê tông c tính dẻo

Hình 1.3 Ảnh hưởng của lượng nước nhào trộn đến độ lưu biến

của hỗn hợp bê tông [5]

Hỗn hợp cứng ngay sau hi nhào trộn;

2-Hỗn hợp cứng 1 giờ sau hi nhào trộn;

1’-Hỗn hợp lưu động ngay sau hi nhào trộn;

2’-Hỗn hợp lưu động 1 giờ sau hi nhào trộn;

hi tăng tỷ lệ N/X , lượng nước thừa trong hỗn hợp bê tông vượt qu lượng nước cần thiết để tiến hành qu trình thủy h a và đảm bảo độ lưu động cần thiết cho hỗn hợp bê tông sẽ làm tăng độ rỗng, giảm sự đặc chắc của bê tông và làm cho biến

d ng do co ng t tăng lên

Ngoài việc sử dụng vật liệu tốt, s ch qu trình nhào trộn vữa bê tông, thời gian nhào trộn, vận chuyển, tổ chức thi công bê tông (đổ huôn, đầm nén, điều iện môi trường bảo dưỡng) c ảnh hưởng lớn đến chất lượng và cường độ bê tông, đặc biệt là điều iện thi công toàn hối t i công trình như:

+ Chất lượng thi công: Thi công ỹ lưỡng, đầm chặt đúng quy c ch, sẽ đ t được cường độ bê tông như mong muốn

+ C ch thức bảo dưỡng: Trong điều iện thi công toàn hối t i công trình, điều iện bảo dưỡng h đ t được như trong phòng thí nghiệm, nhưng cần bảo dưỡng thật

tốt trong điều iện c thể đ t được chất lượng bê tông cao và giảm co ng t, đặc biệt là cho sàn

Chất lượng bê tông qua ết quả thí nghiệm đôi hi cũng hông phản ảnh đúng chất lượng bê tông thực tế, ở đây yếu tố con người c tầm ảnh hưởng lớn, mà cụ thể là người làm thí nghiệm, n gồm c c yếu tố:

+ Lấy mẫu và bảo dưỡng mẫu: Lấy mẫu cần tuân thủ đúng quy trình được quy định trong TCVN 3105:1993; TCVN 3118:1993 (trừ phân tích ết quả) và c c hướng dẫn liên quan được nêu trong TCXDVN 239:2006 ảo dưỡng mẫu c thể bảo dưỡng theo điều iện tiêu chuẩn hoặc trong điều iện thực tế mà cấu iện chịu ảnh hưởng t i công trình

+ Quy trình thí nghiệm: Cần tuân thủ theo TCVN 3105:1993; TCVN 3118:1993, chú ý c c yếu tố sau đây làm ảnh hưởng đến ết quả thí nghiệm: độ phẳng mặt của mẫu thử; hông bôi trơn mặt tiếp xúc của bàn nén mẫu; tốc độ gia tải 64 daN/cm2trong một giây

ên c nh đ , c c lo i phụ gia sử dụng hi thi công, thời gian t c dụng của tải trọng cũng c ảnh hưởng đến cường độ bê tông Cường độ bê tông tăng dần theo thời gian, lúc đầu tăng nhanh sau đ tăng chậm dần Theo thời gian, cường độ chịu éo tăng nhanh hơn cường độ chịu nén Theo thực nghiệm người ta x c định cường độ bê tông tăng theo thời gian theo công thức:

- Công thức của Séc (1926): Rt=R1+(R10-R1).lgt

- Công thức của Nga (1935) (S ramtaep): 28 log 28

0,7 loglog 28

t

t

(với t=7-300 ngày)

Hình 1.4 Quan hệ giữa cường độ và tuổi của bê tông [6]

- Công thức của Viện nghiên cứu bê tông Mỹ ACI: Rt=R28 t

Trong đ : a, b hệ số phụ thuộc lo i xi măng Thông thường a=4; b=0,85 Với xi măng đông ết nhanh a=2,3; b=0,92

hi bị nén, ngoài biến d ng co ngắn theo phương t c dụng của lực, bê tông còn

bị nở ngang Thông thường chính sự nở ngang qu mức làm cho bê tông bị nứt và bị

ph vỡ Nếu h n chế được mức độ nở ngang của bê tông c thể làm tăng hả năng chịu nén của n Trong thí nghiệm nếu hông bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và bàn

m y nén thì t i đ sẽ xuất hiện lực ma s t c t c dụng cản trở sự nở ngang, ết quả mẫu bị ph ho i theo hình th p đối đỉnh như trên hình 2.2b Nếu bôi trơn mặt tiếp xúc

để bê tông tự do nở ngang thì hi biến d ng ngang qu mức trong mẫu sẽ xuất hiện c c vết nứt dọc và sự ph ho i xảy ra như trên hình 2.2c Cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn cường độ của mẫu hối vuông c ma s t

Hình 1.5 Sự phá hoại mẫu thử khối vuông

1 – mẫu; 2 – bàn máy nén; 3 – ma sát; 4 – bê tông bị ép vụn; 5 – hình tháp phá ho i; 6 – vết nứt

CHƯƠNG 2 SỰ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG TRONG CỘT KHI BỊ HẠN

CHẾ NỞ HÔNG

2.1 Bê tông bị hạn chế nở hông

2.1.1. Cường độ nén của bê tông

Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1992-1-1:2004 cường độ chịu nén của bê tông được biểu thị bằng cấp độ bền của bê tông Cấp độ bền được dựa trên cường độ đặc trưng fck của mẫu trụ hoặc khối vuông fck, cube ở 28 ngày tuổi với giá trị lớn nhất là C90/105

Bảng 2.1 Cường độ đặc trưng, biến dạng của bê tông theo EN

1992-1-1:2004

ột số yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông gồm:

- Chất lượng và lượng xi măng: Thông thường để chế t o 1m3 bê tông cần dùng 250-500 g xi măng Với cường độ bê tông đ dự iến, hi dùng xi măng chất lượng cao hơn thì số lượng sẽ ít hơn Trong một giới h n nào đ , hi tăng lượng xi măng

cũng sẽ tăng cường độ bê tông nhưng n i chung hiệu quả hông cao và thường làm tăng biến d ng co ng t gây hậu quả xấu hi cần c bê tông cường độ cao nên dùng bê tông m c cao với cường độ hợp lý

- Độ cứng, độ s ch và tỉ lệ thành phần cốt liệu: C c yếu tố này đ ng vai trò quan trọng trong việc chế t o bê tông hi chọn được cấp phối hợp lý hông những tăng được cường độ bê tông mà còn dùng xi măng một c ch tiết iệm

- Tỉ lệ nước - xi măng: Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn đến cường độ và tính chất biến d ng của bê tông hi tỉ lệ này tăng lên thì cường độ và độ đặc chắc của bê tông đều bị giảm và biến d ng do co ng t tăng

- Chất lượng của việc nhào, trộn vữa bê tông, độ đầm chắc của bê tông hi đổ huôn và điều iện bảo dưỡng C c yếu tố này ảnh hưởng lớn đến cường độ bê tông Xét bê tông chịu nén một phương (bê tông hông h n chế nở ngang), dưới t c dụng của lực nén, bê tông c huynh hướng nở ngang theo phương vuông g c với phương t c động lực Thông thường chính sự nở ngang qu mức làm cho bê tông bị nứt và bị ph vỡ Nếu biến d ng ngang này bị cản trở, độ bền cũng như tính biến d ng của bê tông được gia tăng một c ch rất đ ng ể

2.1.2. Bê tông hạn chế nở hông theo tiêu chuẩn EN1992-1-1-2004

ục 3.1.9 Tiêu chuẩn Eurocode 2 EN1992-1-1-2004 cho phép sử dụng quan hệ ứng suất biến d ng ở (Hình 2.1) trong thiết ế cấu iện bê tông bị b Sự gia tăng cường độ và biến d ng đặc trưng của bê tông bị b được x c định theo c c công thức sau:

Hình 2.1 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó

Trong đ 2 (= 3) là hiệu quả của ứng suất nén ngang ở tr ng th i cực h n do b

bê tông, c2, cu2 và fck tương ứng là c c biến d ng nén và cường độ đặc trưng của bê tông hông bị b

2.1.3. Quan hệ ứng suất – biến dạng trong bê tông nở hông

ối quan hệ ứng suất – biến d ng của bê tông chịu nén trường hợp h n chế nở hông đ được c c t c giả như Popovics (1973) và ander (1988) đề xuất như Hình 2.2

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông hạn chế nở

hông

Đường cong quan hệ trong Hình 2.2 xuất phát từ những biểu thức sau:

' '

Trong đ : - cường độ chịu nén của bê tông hông h n chế nở hông; - cường

độ chịu nén của bê tông trường hợp bị h n chế nở hông

c cc

c

E k

Ở đây: - biến d ng tương đối cực h n của bê tông hông h n chế nở

hông; - biến d ng tương đối cực h n của bê tông h n chế nở hông

f

Trong đ :

Ec - module biến d ng tiếp tuyến;

ESec - odule biến d ng ph p tuyến;

- cường độ chịu nén của mẫu thử hình trụ (15x30cm) ở ngày thứ 28

iểu thức trên chỉ đúng với trường hợp hi ≤ Trong trường hợp ≤

thì Fafitis và Shah (1985) đ đề xuất mối quan hệ đ theo biểu thức sau:

2 1

Trong đ : k 1 và k 2 là hai hằng số điều chỉnh độ dốc và độ cong của biểu đồ

quan hệ ứng suất – biến d ng Dựa vào tài liệu của Cusson và Paultre (1994), c c hệ

số đ được x c định như biểu thức sau:

2 1

ln 0,5 ( c ' )cc k

Trong đ : I e50 - chỉ số ảnh hưởng p lực h n chế nở hông t i vị trí biến d ng

2.1.4. Mô hình cột tiết diện tròn bọc tấm đai liên tục

Xét trường hợp một cột tiết diện tròn với đường ính là c, được bao bọc bởi một tấm đai liên tục với chiều dày là e (e rất bé so với c) Áp lực chống nở hông f l được

x c định qua việc xét tr ng th i cân bằng lực và biến d ng tương thích Tr ng th i cân bằng giữa p lực trong tấm liên tục và p lực chống nở hông t c dụng lên phần lõi

bê tông

Hình 2.3 Sự cân bằng ứng suất [2]

Trong đ : - ứng suất căng trong cốt thép và cũng là p lực chống nở hông

Từ điều iện biến d ng tương thích và giả thiết rằng biến d ng của phần bê tông phía ngoài bằng biến d ng của tấm đai liên tục (fh c gi trị dương) được x c định bằng biểu thức:

2.1.5. Ứng dụng vào cột tiết diện chữ nhật đặt cốt đai

Để đơn giản, chúng ta c thể thay thế tương đương cột bê tông cốt thép tiết

diện chữ nhật, đặt cốt đai với hoảng c ch đai là s, bằng một cột c tiết diện tròn được bao bọc bởi một tấm thép liên tục c chiều dày hông đổi e (hình 3) Cột tương

đương c đường ính bằng ích thước phần lõi bê tông của cột chữ nhật, đo từ tim đến tim của cốt đai ngoài cùng Tấm thép đai bọc lõi bê tông thay thế sự làm việc của cốt đai, được tính to n sao cho tương đương với sự làm việc của cốt đai trong tiết diện cột chữ nhật

Hình 2.4 Khái niệm cột tương đương [1]

Chiều dày của tấm vỏ bọc quanh cột tròn tương đương được x c định bằng biểu thức:

Trong đ : A shy - tổng diện tích mặt cắt ngang của tấm vỏ bọc theo phương trục

y trong hoảng c ch giữa c c đai s Áp lực ngang t c động lên lõi bê tông theo

phương y sẽ là:

K e - hệ số ể đến hình d ng đai Với cốt đai ngang, K e x c định theo biểu thức

sau

Trong đ : - tỷ lệ diện tích cốt thép dọc trên diện tích bê tông h n chế nở hông;

s - hoảng c ch giữa c c lớp đai theo chiều cao cột; c - đường ính lõi bê tông

Phải nhấn m nh rằng là một hàm số của biến d ng dọc trục trong cột e cc Bây giờ chúng ta định nghĩa tỷ số tiết diện hữu dụng của p lực chống nở hông theo

Ứng suất h n chế nở hông hiệu quả f ley biến đổi từ hông, hi mà ứng suất trong

thép đai bằng hông đến gi trị lớn nhất là giới h n chảy của thép đai, tức là: f h = f hy Năm 1995, Cusson và Paultre đ đo được mức độ của p lực ngang bằng chỉ số p lực

ngang hiệu quả hông thứ nguyên: I e = f ley /f’ c

Phương trình tương thích biến d ng là:

Đối với đai xắn, c c biểu thức trên vẫn phù hợp hi coi rằng s là bước của đai

xoắn Đối với cột chữ nhật và cột tròn với p lực ngang đối xứng, trong tính to n thực hành lấy chỉ số thể tích của cốt thép ngang là:

Trong đ , A sh - là tổng diện tích đai ngang theo phương trục x và trục y Từ đ ,

chỉ số thể tích hiệu quả của cốt ngang sẽ là:

Và p lực chống nở hông hiệu dụng sẽ là:

2.1.6. Cường độ cực đại trong bê tông hạn chế nở hông - biểu thức của Légeron và Paultre (2003)

ây giờ chúng ta sẽ đi x c định gi trị cường độ lớn nhất trong bê tông h n chế

nở hông và quan hệ ứng suất – biến d ng ( , f’cc) Ứng suất trong cốt đai t i điểm đ

là f’h, tương ứng với biến d ng là

Trong đ : E’ cc và tương ứng là mô đun biến d ng ph p tuyến và hệ số

Poisson ph p tuyến của bê tông x c định t i điểm cực đ i của biểu đồ quan hệ ứng suất – biến d ng của bê tông h n chế nở hông

Cường độ và biến d ng của bê tông phụ thuộc vào hàm lượng và ứng suất của cốt đai (Shei h và Uzumeri (1982)) ột số t c giả đ thừa nhận rằng ứng suất trong đai

đ t đến cường độ chảy dẻo hi ứng suất trong bê tông đ t cực đ i Tuy nhiên, Cusson

và Paultre (1994) cũng như Li (1994) đều cho rằng ứng suất trong cốt đai c thể hông

đ t đến cường độ chảy dẻo hi ứng suất bê tông đ t cực đ i, đặc biệt là với cốt đai cường độ cao sử dụng với bê tông cường độ thường ết quả thí nghiệm đ được thực hiện bởi Shei h và Uzumeri năm 1980 cho thấy sự chảy dẻo hông thường xuyên

đ t được với bê tông thông thường (c cường độ trung bình) Cusson và Paultre (1995) c giới thiệu một quy trình tương hỗ để x c định mức độ ứng suất trong cốt đai t i điểm cực đ i của bê tông h n chế nở hông Tuy nhiên, trong bài này hông

đề cập đến c ch đ

Gọi I’ e là chỉ số p lực chống nở hông hiệu dụng t i điểm cực đ i, được x c định

theo biểu thức:

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa / và I’e

Hình 2.5 thể hiện mối quan hệ giữa / và I’ e , được x c định qua c c ết

quả nghiên cứu thực nghiệm Từ ết quả nghiên cứu của Cusson và Paultre (1995),

c c mối quan hệ mới được đề xuất cho phép p dụng với nhiều lo i bê tông h c nhau như sau:

2.2 Các mô hình xác định cường độ bê tông bị hạn chế nở hông

2.2.1. Mô hình của Richart (1928)

Richart là người đầu tiên nghiên cứu cường độ của bê tông khi có kiềm chế

nở ngang bởi áp lực thủy tĩnh f l (gọi là ứng suất kiềm chế chủ động) Giá trị ứng suất lớn nhất có thể đ t được của bê tông có kiềm chế nở ngang được tính dựa vào lý thuyết Mohr-Coulomb còn biến d ng tư ng ứng thì lấy từ các kết quả thí nghiệm Từ đường bao đứt gãy Mohr của đất dưới ứng suất kiềm chế ngang σ3, ứng suất dọc trục σ1 được biểu diễn như sau:

Khi 3 0nghĩa là bê tông hông c iềm chế nở ngang thì cường độ của bê tông được biểu diễn:

'

2 tan 45

2

o co

Góc ma sát trong của bê tông được lấy từ 36o đến 45o cho hầu hết c c cường độ

bê tông Để đơn giản được biểu diễn là một hàm tuyến tính của cường độ bê tông:

với co là biến d ng tư ng ứng với '

co

f Richart đề xuất k1 4,1tư ng ứng với 0

37 , k2 5k1, đây là gi trị trung bình cho bê tông chịu ứng suất kiềm chế nở ngang thấp

Richart cũng nghiên cứu thấy rằng cường độ bê tông khi có ứng suất kiềm chế nở ngang chủ động (áp lực thủy tĩnh từ bên ngoài) cũng xấp xỉ giống như bê tông chịu ứng suất kiềm chế nở ngang bị động do cốt đai xoắn đặt gần nhau gây ra một áp lực ngang tương đương

2.2.2. Mô hình của Mander (1988)

Mander và các cộng sự (1988) đ đề xuất một mô hình thống nhất cho bê tông có kiềm chế nở ngang áp dụng cho cả cốt đai xoắn d ng tròn và cốt đai rời hình chữ nhật Hình 2.6 ô hình này đ xét tới ảnh hưởng của sự phân bố cốt thép dọc và cốt đai