Nghiên cứu tính toán bề rộng vết nứt trong kết cấu dầm bê tông cốt thép

34 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Nghiên cứu tính toán bề rộng vết nứt trong kết cấu dầm bê tông cốt thép Research on the crack width calculation in reinforced concrete beams Lê Phước Lành Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả thực nghiệm bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt thép chịu tác dụng của hai lực tập trung. Kết quả thí nghiệm được so sánh với các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay như tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 tại tải trọng giới hạn tính toán theo lý thuyết. Kết quả thí nghiệm bề rộng vết nứt cho thấy có sự khác biệt lớn với kết quả tính toán bề rộng vết nứt theo các tiêu chuẩn thiết kế nêu trên. Từ khóa: Vết nứt, Dầm bê tông cốt thép, Ứng suất, Biến dạng Abstract This paper presents the experimental results of crack width in reinforced concrete beams. Experimental model of reinforced concrete beams subjected to two focus forces. Experimental results are compared with design standards such as Vietnamese standard TCVN 5574:2012, European standard Eurocode 2:2004 and US standard ACI 318:2008 at limit load in the theoretical calculation. Experimental results show that crack width has a difference with calculation results according to the design standards. Keywords: Cracking, Reinforced concrete beams, Stress, Strain ThS. Lê Phước Lành Khoa XDDD&CN Trường Đại học Xây dựng Email: lanhlp@nuce.edu.vn 1. Đặt vấn đề Hiện nay, để dự báo tuổi thọ của công trình xây dựng, cần xây dựng được quy luật thay đổi của các tham số xác định tuổi thọ công trình. Các tham số xác định tuổi thọ công trình là các nguyên nhân chủ quan và khách quan gây ra sự suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Đối với kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), tuổi thọ của công trình được quyết định bởi nhiều yếu tố khác nhau, trong đó vết nứt trên kết cấu là yếu tố chính. Vết nứt do nhiều nguyên nhân gây ra (Do tải trọng, do biến dạng nhiệt, do biến dạng co ngót của bê tông bị ngăn cản...) ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu. Tính toán vết nứt trên kết cấu công trình BTCT nói chung và đối với kết cấu dầm BTCT nói riêng đã được trình bày trong một số tiêu chuẩn thiết kế hiện nay như tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [9], tiêu chuẩn Hoa kỳ ACI 318:2008 [1], tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [4]. Tuy nhiên, việc tính toán bề rộng vết nứt theo các tiêu chuẩn nêu trên không đồng nhất về các thông số ảnh hưởng đến sự phát triển và mở rộng bề rộng vết nứt. Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm bề rộng vết nứt của kết cấu dầm BTCT để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết theo các tiêu chuẩn trên là quan trọng. 2. Nghiên cứu thực nghiệm 2.1. Mẫu thí nghiệm và vật liệu chế tạo mẫu Mô hình thí nghiệm là dầm đơn giản chịu tác dụng của hai lực tập trung. Tiến hành chế tạo 02 mẫu dầm BTCT có cấu tạo chi tiết được trình bày trên Hình 1. Trên Bảng 1 trình bày đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông và vật liệu cốt thép. Bê tông có cấp độ bền B20 và cốt thép đạt mác thép CB 300-V. Với đặc trưng cơ học của vật liệu và kích thước hình học của dầm BTCT thí nghiệm trên, sơ bộ xác định khả năng chịu lực của dầm theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] được giá trị Mgh = 22,7x106 (N.mm). 2.2. Sơ đồ và tải trọng thí nghiệm 2.2.1. Sơ đồ thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm là dầm đơn giản (Kê mẫu thí nghiệm lên 01 gối tựa cố định và 01 gối tựa di động), chịu tác dụng của 02 lực tập trung là P (Ptổng = 2P). Vị trí lực tác dụng cũng như vị trí gối tựa của dầm được thể hiện trên Hình vẽ 2 - 3. 2.2.2. Tải trọng thí nghiệm Tải trọng giới hạn của dầm được xác định như sau: 6 3 3 22,7 10 22,7 10 (N) 10 gh gh M P z × = = = × Vậy tải trọng giới hạn tiêu chuẩn là 3 / 322,7 10 18,9 10 ( ) 1,2 1,2 ght c PP N×= = = × Thí nghiệm gia tải các mẫu dầm BTCT đến trạng thái xuất hiện các dấu hiệu phá hủy. Lựa chọn Ptn ≈ 2Pgh 2.3. Bố trí dụng cụ đo và quy trình thí nghiệm Bảng 1: Đặc trưng cơ học của vật liệu thép và bê tông Mẫu thép Φ14 Cường độ chịu nén của bê tông R28 [MPa] Giới hạn chảy σc [MPa] Giới hạn bền σb [MPa] Biến dạng dài tương đối ε [%] Mác thép 351 497 21,2 CB 300-V 27,9 35 S¬ 27 - 2017 Tiến hành bố trí các dụng cụ đo lực (Load cell), thiết bị đo nứt chuyên dụng KG-1 và KG-2 (Hình 5). Tất cả các dụng cụ trên được kết nối với máy TDS 530 ghi nhận số liệu, cho phép ghi nhận 1 giây lấy 1 lần số liệu (Hình 4). Sau đó, tiến hành gia tải lên dầm với tốc độ dịch chuyển của xy lanh là 1,2 mm/ phút đến khi xuất hiện các dấu hiệu phá hủy thì ngừng thí nghiệm. 3. Phân tích và đánh giá kết quả 3.1. Bề rộng vết nứt của các mẫu dầm thí nghiệm Bề rộng vết nứt lớn nhất tại vị trí N1 (Hình 6) trên 02 mẫu dầm BTCT thí nghiệm đo được ở các cấp tải trọng được thể hiện trên Hình 7. 3.2. Tính toán bề rộng vết nứt của dầm BTCT theo các tiêu chuẩn 3.2.1. Tính toán bề rộng vết nứt của dầm theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 Bề rộng vết nứt của dầm BTCT tính toán theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] được xác định theo công thức (1). ( ) 320 3,5 100scrc l s a d E σ δϕ η µ= − (1) Trong đó: σs là ứng suất trong thanh cốt thép, xác định từ sơ đồ ứng suất tại tiết diện có vết nứt (Hình 8). s o A bh µ = ; s s M A z σ = ; ( ) 2 1 2 of z h ξ ϕ ξ   = −  +   (2) ' 2s f o A bh α νϕ = ; ( ) 1 1 5 10 o x h ξ δ λ β µα = = + + + (3) fλ ϕ= ; 2 , ero b s M bh R δ = (4) Trong đó: β = 1,8 đối với bê tông nặng; δ = 1 đối với cấu kiện chịu uốn; φl = 1,0 và ν = 0,45 đối với tải trọng tác dụng ngắn hạn; η = 1 đối với cốt thép có gờ; d là đường kính của cốt thép; A’s là diện tích của cốt thép chịu nén; Rb,ser là ứng suất trong bê tông vùng nén khi tính theo TTGH thứ 2; Es là Bảng 2: So sánh bề rộng vết nứt Dầm BTCT Tiêu chuẩn tính toán Bề rộng vết nứt của dầm BTCT tại tải trọng tiêu chuẩn P = Ptc [mm] Độ sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết [%] Kết quả tính toán lý thuyết Kết quả thực nghiệm D1 TCVN 5574:2012 0,190 0,215 11,6 Eurocode 2:2004 0,208 3,3 ACI 318:2008 0,194 9,8 D2 TCVN 5574:2012 0,190 0,218 12,8 Eurocode 2:2004 0,208 4,6 ACI 318:2008 0,194 11,0 A-A Hình 1. Cấu tạo dầm BTCT thí nghiệm Hình 2. Sơ đồ thí nghiệm dầm Hình 3. Hình ảnh sơ đồ thí nghiệm dầm 36 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª mô đun đàn hồi của cốt thép. Bê tông có cấp độ bền B20 theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] có Rb,ser = 15 MPa; Es = 21 x 104 MPa. 3.2.2. Tính toán bề rộng vết nứt của dầm theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 Bề rộng vết nứt của dầm BTCT tính toán theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn Chuẩn Âu Eurocode 2:2004 [3] được xác định theo công thức 5. ( ),maxwk r sm cms ε ε= − (5) Trong đó: ( ) ( ),eff p,eff ,eff 1 0,6 ct s t e p s sm cm s s f k E E σ α ρ ρ σ ε ε − + − = ≥ (6) s e cm E E α = ; ,eff ,eff s p e A A ρ = ; fct,eff = fct,m ; ( ),eff min 2,5 , ,3 2e s h x h A b h d A  − = × − −     (7) kt = 0,6; x là chiều cao vùng nén, được xác định nhờ quy đổi diện tích cốt thép bằng diện tích bê tông tương đương (Hình 9) và xác định bằng công thức 8. ( )2 2e s e s e sA A b A d x b α α α − + + = (8) 3 s s M xA d σ =  −    (9) Khoảng cách lớn nhất giữa các vết nứt: 1 2 4 ,max 3 ,eff r p k k k s k c φ ρ = + (10) Với: k3 = 3,4; k4 = 0,425; k1 = 0,8; k2 = 0,5; ϕ = 14; fck là cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu trụ; fcm là giá trị trung bình cường độ chịu nén của mẫu trụ; fct,m là giá trị trung bình cường độ chịu kéo bê tông; fct,k là cường độ chịu kéo đặc trưng của bê tông. Bê tông có cấp độ bền B20 theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] tương đương cấp độ bền C16/20 có các đặc trưng sau: fck = 16 MPa; fcm = 24 MPa; fct,m = 1,9 MPa; fct,k = 1,3 MPa; Ecm = 29 x 103 MPa. Thép CB 300 - V tương đương nhóm thép S220 theo tiêu chuẩn EN 10080 [4] có fyk = 220 MPa; Es = 20 x 104 MPa. 3.2.3. Tính bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 Bề rộng vết nứt của dầm tính theo tiêu chuẩn Hoa kỳ ACI 318:2008 [1] được tính toán theo công thức Gergely – Lux (Công thức (11)). 6 3w 1,3.10 s cf d A −= (11) Trong đó: Hình 4. Bố trí dụng cụ đo Hình 5. Đo bề rộng vết nứt Hình 6. Bản đồ vết nứt của hai dầm Hình 7: Quan hệ giữa tải trọng và bề rộng vết nứt của dầm 37 S¬ 27 - 2017 w là bề rộng tính toán vết nứt, cm; fs là ứng suất trong cốt thép, kg/cm2. dc là chiều dày lớp bê tông bảo vệ, đo từ mặt dầm chịu kéo đến trọng tâm cốt thép nằm sát với mặt đó, cm; A là diện tích phần bê tông bao quanh 1 thanh thép, cm2. Để xác định ứng suất tại vị trí vết nứt, giả thiết các vết nứt mở rộng đến trục trung hòa và tiết diện vẫn phẳng. Tiết diện có vết nứt quy đổi được thể hiện trên Hình 10. s s Mf A jd = ; 1 3 k j = − (12) sA bd ρ = ; ( )2 2k n n nρ ρ ρ= + − (13) s c E n E = ; 2 2 cd bA = (14) Bê tông có cấp độ bền B20 quy đổi ra theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 [1] như sau: f’c = 150kg/cm2; Ec = 15000 ' cf kg/cm2. Cốt thép CB 300-V tương đương với cốt thép có mác thép Grade 40 theo tiêu chuẩn ASTM A615 [2] có giới hạn chảy fy = 280 kg/cm2; Es = 2x106 kg/cm2. Trên Bảng 2, trình bày kết quả tính toán bề rộng vết nứt bằng thực nghiệm và lý thuyết theo các tiêu chuẩn trên tại tải trọng tiêu chuẩn P = Ptc = 18,9kN. 4. Kết luận và kiến nghị Bài viết đã giới thiệu cách tính toán bề rộng vết nứt của cấu kiện dầm BTCT chịu tác dụng của hai lực tập trung theo 03 tiêu chuẩn thiết kế hiện nay là tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6], tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3], tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 [1]. Kết quả tính toán lý thuyết được kiểm chứng thông qua kết quả thực nghiệm và thu được các kết quả như sau: Công thức tính toán bề rộng vết nứt theo các tiêu chuẩn nêu trên có sự khác nhau: + Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] bề rộng vết nứt phụ thuộc nhiều vào đường kính cốt thép và ứng suất trong cốt thép tại vị trí vết nứt. Đặc biệt, có kể đến cốt thép nằm trong vùng nén của bê tông. + Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3] bề rộng vết nứt phụ thuộc nhiều vào sự chênh lệch biến dạng giữa cốt thép và bê tông, đường kính và chiều dày lớp bê tông bảo vệ. + Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318:2008 [1] bề rộng vết nứt phụ thuộc nhiều vào ứng suất trong cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Như vậy, công thức tính toán bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] chưa đề cập đến ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ, mặc dù giới hạn bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Việt Nam chủ yếu tập trung vào ăn mòn cốt thép. Bởi vì, chiều dày lớp bê tông bảo vệ là một tham số ảnh hưởng đến sự ăn mòn cốt thép trong bê tông. Các kết quả tính toán theo lý thuyết đều nhỏ hơn so với kết quả thực nghiệm. Do vậy, các công thức tính toán lý thuyết chưa đề cập đầy đủ các tham số do ảnh hưởng của Hình 8. Sơ đồ ứng suất tại tiết diện có vết nứt Hình 9. Tiết diện có vết nứt quy đổi Hình 10. Tiết diện có vết nứt quy đổi các yếu tố hình học, cấu tạo và tải trọng đến bề rộng vết nứt. Tính toán bề rộng vết nứt theo ba tiêu chuẩn nêu trên, thì tính theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2:2004 [3] có kết quả sát với thực nghiệm nhất với sự sai số nhỏ hơn 5%. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 [6] cho kết quả sai số lớn nhất với sự sai số nhỏ hơn 15% khi cùng lấy các đặc trưng cơ học của vật liệu theo lý thuyết đưa vào thiết kế thực tế./. Tài liệu tham khảo 1. ACI 318, Building code requiremants for structural concrete, 2008. 2. ASTM, Standard specification for deformedand plain carbon – Steel bars for concrete Reinforcement. 3. Eurocode 2, Design of concrete Structure – Part 1: General Rules and Rules for Buildings; The European Standard EN 1992 – 1- 1, 2004. 4. EN 10080, Steel for the reinforcement of concrete-Weldable reinforcing steel-General, 2005. 5. TCVN 3118, Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén, 1993. 6. TCVN 5574, Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, 2012. 7. TCVN 1651, Thép cốt bê tông, 2008.