Nghiên cứu khả năng chịu lực và ứng xử nút của dầm BTCT có bổ sung sợi tổng hợp

TỔNG QUAN

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu, đề tài sẽ thực hiện các nội dung chính như sau: Phân tích thực nghiệm kết hợp mô phỏng PTHH qua chương trình ANSYS trên các mẫu dầm thí nghiệm nhằm tìm hiểu ứng xử của dầm; và sử dụng phương pháp giải tích để tính toán độ bền uốn cực hạn và độ võng nứt của các tiết diện dầm với các thông số tương tự như trong phân tích thực nghiệm Kết quả tính toán sẽ được kiểm chứng với kết quả thực nghiệm và mô phỏng PTHH để đánh giá tính chính xác của lý thuyết tính toán.

Trang 5 c, Trên cơ sở kết quả ở nội dung (b), tiến hành tính toán và so sánh độ bền uốn cực hạn của các tiết diện dầm BTCT có bổ sung sợi PET và PP với kết quả tính toán trên dầm BTCT không sợi tương ứng d, Trên cơ sở kết quả nghiên cứu ở nội dung (a) và (c), tiến hành khảo sát ảnh hưởng của từng hàm lượng sợi trong dầm BTCT

1.4 Sơ lƣợc về lịch sử phát triển : Đề tài nghiên cứu về bê tông cốt thép có bổ sung cốt sợi tổng hợp đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu qua nhiều thập niên :

Nghiên cứu của Chunxiang Qian và các cộng sự (2000) về các mẫu dầm BTCT có bổ sung sợi polypropylene (PP) và sợi thép với ba kích cỡ khác nhau và hàm lượng sợi từ 0-0,95% khối lượng bê tông cho thấy rằng sợi có tác động tích cực, mặc dù khả năng chịu lực của kết cấu không tăng cao, nhưng sự dẻo dai của kết cấu được cải thiện đáng kể.

Nghiên cứu của P.S Song và S Hwang (2005) về cường độ của bê tông cốt thép (BTCT) có bổ sung sợi nylon và sợi polypropylene (PP) với hàm lượng sợi khoảng 0.6kg/m3 BT cho thấy cường độ chịu nén, độ bền và mô đun nén vỡ được cải thiện lần lượt là 6.3%, 6.7% và 4.3% Đặc biệt, độ bền và khả năng chống nứt của bê tông này đã được nâng cao đáng kể so với bê tông thông thường.

Ochi T, Okubo và Fukui K (2007) đã nghiên cứu phát triển sợi PET tái chế và ứng dụng của nó như sợi gia cố trong bê tông cốt thép (BTCT) Họ mô tả quy trình sản xuất sợi PET từ chai nhựa tái chế, sử dụng các phương pháp trộn với hàm lượng tối đa là 3%.

Nghiên cứu của Benardino F và các cộng sự (2010) đã chỉ ra rằng việc ứng dụng cốt sợi trong bê tông có thể cải thiện đáng kể đặc tính nứt gãy của vật liệu Qua các thí nghiệm nén với mẫu vuông kích thước 150x150x150mm và mẫu dầm nhỏ 150x150x600mm, họ đã thử nghiệm với hàm lượng sợi thép hoặc sợi polypropylene từ 1% đến 2% Kết quả cho thấy việc bổ sung sợi đã mang lại những cải thiện tích cực trong khả năng chịu nén của bê tông.

BT làm cho cấu trúc ổn định hơn, độ bền khi chịu lực của kết cấu tăng đáng kể so với bêtông không có sợi bổ sung

Fernando Fraternali và các cộng sự (2011) đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về các thuộc tính cơ học của bêtông cốt sợi PET tái chế Họ đã thực hiện các thí nghiệm để đánh giá độ dẻo dai, cường độ chịu nén và sự xuất hiện vết nứt đầu tiên trong bêtông sử dụng sợi PET và PP Kết quả từ các mẫu thí nghiệm với hàm lượng sợi 1% cho thấy cường độ chịu nén của bêtông tăng nhẹ, đồng thời cải thiện đáng kể độ dẻo dai của cấu kiện.

1.5 Nhiệm vụ và nội dung đề tài :

Dựa trên những nghiên cứu tiền đề trên, các mục tiêu nghiên cứu được đề xuất trong luận văn này như sau:

Khảo sát thực nghiệm về khả năng chịu lực và ứng xử nứt của dầm BT và dầm BTCT có bổ sung sợi polyethylene terephthalate (PET) và polypropylene (PP)

Tính toán lý thuyết và sử dụng phần mềm ứng dụng phân tích và mô phỏng kết cấu để kiểm chứng kết quả thực tế

Các nội dung mà đề tài dự kiến thực hiện gồm có:

Tiến hành khảo sát thực nghiệm 7 mẫu dầm lớn (200x300x2000) gồm : 1 mẫu dầm BTCT đối chứng (không sợi), 3 mẫu dầm BTCT cốt sợi PP và

Nghiên cứu này tập trung vào ba mẫu dầm bê tông cốt thép (BTCT) sử dụng sợi PET với hàm lượng sợi lần lượt là 0,5%, 0,75%, 1% và 1,5% Mục tiêu là đo đạc và thiết lập các mối quan hệ quan trọng, bao gồm mối quan hệ giữa lực và chuyển vị (P-∆), lực và bề rộng vết nứt (P-w), lực và biến dạng của bê tông (P-ε), cũng như lực và biến dạng của sợi PET và PP.

So sánh đánh giá với kết quả thực nghiệm trước đó

Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm ANSYS V 12.0

Chương 3 : Cơ sở lý thuyết

Chương 4 : Phân tích thực nghiệm

Chương 5 : Mô phỏng Phần tử hữu hạn

Chương 6 : Đánh giá ,phân tích kết quả

Chương 8 : Tài liệu tham khảo

Nhiệm vụ và nội dung đề tài

Dựa trên những nghiên cứu tiền đề trên, các mục tiêu nghiên cứu được đề xuất trong luận văn này như sau:

Khảo sát thực nghiệm về khả năng chịu lực và ứng xử nứt của dầm BT và dầm BTCT có bổ sung sợi polyethylene terephthalate (PET) và polypropylene (PP)

Tính toán lý thuyết và sử dụng phần mềm ứng dụng phân tích và mô phỏng kết cấu để kiểm chứng kết quả thực tế

Các nội dung mà đề tài dự kiến thực hiện gồm có:

Tiến hành khảo sát thực nghiệm 7 mẫu dầm lớn (200x300x2000) gồm : 1 mẫu dầm BTCT đối chứng (không sợi), 3 mẫu dầm BTCT cốt sợi PP và

Bài viết giới thiệu ba mẫu dầm bê tông cốt thép (BTCT) với hàm lượng sợi PET lần lượt là 0,5%, 0,75%, 1% và 1,5% Nghiên cứu tập trung vào việc đo đạc và thiết lập các mối quan hệ quan trọng, bao gồm mối quan hệ giữa lực và chuyển vị (P-∆), lực và bề rộng vết nứt (P-w), lực và biến dạng của bê tông (P-ε), cũng như lực và biến dạng của sợi PET và PP.

So sánh đánh giá với kết quả thực nghiệm trước đó

Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm ANSYS V 12.0

Cấu trúc luận văn

Chương 3 : Cơ sở lý thuyết

Chương 4 : Phân tích thực nghiệm

Chương 5 : Mô phỏng Phần tử hữu hạn

Chương 6 : Đánh giá ,phân tích kết quả

Chương 8 : Tài liệu tham khảo

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết xác định độ bền uốn cực hạn của dầm

3.1.1 Giả thiết thiết kế: i, Giả thiết dầm chịu chỉ uốn, phá hoại cắt không được xem xét, vì thế sự mất ổn định cục bộ không thể xảy ra trong những phần tử thép

Phương pháp thiết kế dầm dựa trên các giả thiết như sau: Thứ nhất, phần tử thép được giả định chịu ứng suất toàn phần f y (ứng suất chảy dẻo) trong cả hai trạng thái kéo và nén, trong khi phần tử bê tông chịu ứng suất nén không vượt quá 0.85 f c ' (cường độ chịu nén) trên toàn bộ chiều cao vùng chịu nén Thứ hai, cường độ bê tông trong miền kéo được xem là không đáng kể và do đó bị bỏ qua Thứ ba, sự trượt giữa phần tử thép và bê tông được giả định là không đáng kể, tức là giả thiết tương tác toàn phần được áp dụng Cuối cùng, tiết diện phẳng của dầm vẫn giữ nguyên hình dạng sau khi bị biến dạng.

3.1.2 Các thông số đặc trƣng của tiết diện dầm :

Hình 3.1 Các thông tính toán số đặc trưng của dầm

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Cốt thép chịu kéo có diện tích là A s

- Cốt thép chịu nén có diện tích là A s ’

- Khoảng cách từ mép trên tiết diện dầm đến trọng tâm thép chịu kéo d

- Diện tích vùng bê tông chịu nén là bxkd

3.1.2.1 Mômen quán tính không nứt (I g ) của tiết diện dầm:

Mômen quán tính không nứt (I g ) đối với trọng tâm của tiết diện dầm là:

Với : - b, h lần lượt là bề rộng và chiều cao tiết diện dầm

3.1.2.2 Mômen quán tính nứt (I cr ) của tiết diện dầm:

Khi bê tông nứt, trục trung hòa đàn hồi (ENA) không hoàn toàn trùng với trọng tâm của tiết diện dầm Tuy nhiên, để đơn giản hóa và giảm thiểu sai số, có thể giả định rằng ENA trùng với trọng tâm dầm Dưới giả định này, mômen quán tính nứt (I cr) của tiết diện dầm được tính toán theo công thức cụ thể.

Trong đó : r r B d dB rd kd 2 1 1 2 1 /

- E s : modul đàn hồi của cốt thép

- E c :modul đàn hồi của bê tông

3.1.3 Tính toán tải trọng cực hạn và độ võng nứt của dầm :

Nghiên cứu này sử dụng sơ đồ tính toán cho dầm đơn giản với tiết diện được mô tả trong Hình 3.2 Dầm chịu hai tải trọng tập trung P, được đặt cách đều giữa các gối tựa với khoảng cách bằng L1.

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán uốn dầm

 Tải trọng gây nứt (P cr cal , ) và tải trọng cực hạn tính toán (P u,cal ) theo sơ đồ này có thể tính bằng công thức đơn giản:

Độ võng nứt tại tiết diện giữa dầm (s cal) tương ứng với tải trọng làm việc bình thường, với các mức tải trọng P ≤ P u,cal /1.5, được ước tính dựa trên lý thuyết uốn đàn hồi.

Với I e là mô men quán tính tương đương của tiết diện dầm, được xác định bằng cách dựa trên công thức ACI 318M-08 [2] như sau: cr a cr g a cr e I

- M a là mô men tại giữa nhịp do các tải trọng P gây ra, ở sơ đồ này M a = L 1 P

- I g là mô men quán tính không nứt của tiết diện dầm,tính theo công thức (3-1)

- I cr là mô men quán tính nứt của tiết diện dầm, tính theo công thức (3-2)

- M cr là mô men kháng nứt của phần bê tông trong tiết diện dầm [2]:

Các bài toán phân tích

Các bài toán phân tích được xác định dựa trên công thức (3-5) đến (3-9), với hệ số độ tin cậy cường độ tính toán của vật liệu bê tông và cốt thép thanh là c = b = 1 Kết quả tính toán được thực hiện trên phần mềm Excel, đảm bảo tính chính xác cao Các trường hợp phân tích sẽ được trình bày qua các bài toán cụ thể dưới đây.

3.2.1 Bài toán 1: So sánh kết quả tính toán lý thuyết [2]và kết quả thực nghiệm

 Xác định cường độ mô men kháng uốn dẻo, tải trọng cực hạn, tải trọng gây nứt và độ võng của dầm với các thông số Hình 3.3

Hình 3.3 Tiết diện mẫu dầm đối chứng

- L = 2000 mm ; L1 = 750 mm ; L2 = 500 mm ; As = 4.62 cm 2 ; As ’

- f y = 390 Mpa ; f ' c theo từng mẫu trong bảng 4.2

 Kết quả tính toán cường độ mômen kháng uốn dẻo, tải trọng gây nứt, tải trọng cực hạn theo [3] được cho trong Bảng 3.1

Bảng 3.1 Bảng kết quả so sánh lý thuyết [2] và thực nghiệm

Tính toán lý thuyết Kết quả thực nghiệm Chênh lệch LT và TN

 Kết quả tính toán độ võng của các dầm được tính theo (3-7)được cho trong Hình 3.4 - 3.10

Hình 3.4 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm NF với Ec=Ecm

Trang 18 Hình 3.5 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.5%PP với Ec=Ecm

Hình 3.6 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.75%PP với Ec=Ecm

Trang 19 Hình 3.7 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 1.0%PP với Ec=Ecm

Hình 3.8 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.5%PET với Ec=Ecm

Trang 20 Hình 3.9 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 1.0%PET với E c =E cm

Hình 3.10 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 1.5%PET với Ec=Ecm

 Từ kết quả của bài toán 1 cho thấy, việc chọn giá trị mô đun đàn của bê tông E c

Việc sử dụng giá trị 100%E cm để tính toán độ võng lý thuyết của dầm bê tông có sợi bổ sung không phù hợp, vì sự chênh lệch giữa kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm trong mối quan hệ P-∆ lên tới 30-40% Vì vậy, trong luận văn này, tác giả đã lựa chọn một giá trị khác cho E c.

E c = 50%E cm để tính toán độ võng nứt của các mẫu dầm bê tông có cốt sợi PP và PET

3.2.2 Bài toán 2: Tính toán lý thuyết độ võng nứt của các dầm trong trường hợp có hiệu chỉnh mô đun đàn hồi bê tông E c P% E cm

Mô đun đàn hồi của bê tông được sử dụng để tính toán mô men quán tính tương đương I e cho các dầm, tương tự như cách xác định các thông số về tiết diện, đặc trưng vật liệu và quy trình gia tải trong bài toán 1.

Dầm : E c 0.5E cm kết quả được liệt kê theo bảng 3.2

Bảng 3.2 Bảng kết quả hiệu chỉnh modul đàn hồi của các dầm

Loại dầm Bê tông Hàm lượng E c (Gpa)

Kết quả tính toán độ võng lý thuyết và đường cong quan hệ (P - ∆) của các dầm có sợi PP và PET được cho trong Hình 3.11- 3.16

Việc hiệu chỉnh mô-đun đàn hồi E c P% E cm cho phép tính toán độ võng của dầm bê tông có sợi bổ sung đạt hiệu quả cao Hiệu chỉnh này làm cho kết cấu mềm hơn trong tính toán lý thuyết và phù hợp hơn với kết quả thực nghiệm, với mức độ chênh lệch tối đa lên đến 10%.

Trang 22 Hình 3.11 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.5%PP với Ec=0.5Ecm

Hình 3.12 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.75%PP với E c =0.5E cm

Trang 23 Hình 3.13 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 1.0%PP với Ec=0.5Ecm

Hình 3.14 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.5%PET với E c =0.5E cm

Trang 24 Hình 3.15 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 1.0%PET với E c =0.5E cm

Hình 3.16 Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 1.5%PET với E c =0.5E cm

PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM

Vật liệu thí nghiệm

Bê tông mác 300 được sản xuất từ xi măng Hocilm PCB 40, cát sông Đồng Nai với modul M dl = 2, và đá Đồng Nai có kích thước D max = 20mm Nước sử dụng là nước máy Cấp phối chi tiết của bê tông này được trình bày trong Bảng 4.1.

Bảng 4.1 Bảng cấp phối bê tông (cho 1m 3 bê tông)

Cường độ chịu nén cực hạn của bê tông được xác định từ giá trị trung bình của các mẫu lập phương, với số liệu mẫu lập phương được chuyển đổi sang mẫu hình trụ theo hệ số 1.2 Đối với mỗi dầm, ba mẫu lập phương kích thước 150×150×150 mm sẽ được sử dụng để xác định cường độ chịu nén f c ' Dựa trên cường độ chịu nén f c ' đã chọn, mô đun đàn hồi E c và biến dạng cực hạn 0c của bê tông sẽ được tính toán theo công thức trong tiêu chuẩn ACI 318-08.

Hình 4.1 Đúc mẫu lập phương 150x150x150.

Xi măng Hocilm PCB 40 374 (kg)

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM

Hình 4.2 Thí nghiệm nén mẫu xác định cường độ chịu nén cực hạn của bê tông

Bảng 4.2 Bảng kết quả nén mẫu bê tong 150x150x150

STT Mẫu thí trung bình

Để xác định độ bền chịu kéo của bê tông, tiến hành thí nghiệm trên ba mẫu hình trụ có đường kính d0 mm và chiều cao h00 mm Trong quá trình thí nghiệm, mẫu trụ sẽ được nén dọc theo phương đường kính cho đến khi xuất hiện vết nứt tách Độ bền chịu kéo nứt tách của bê tông được tính toán theo một biểu thức cụ thể.

Hình 4.3 Đúc mẫu hình trụ 150x300

Hình 4.4 Thí nghiệm nén mẫu xác định cường độ chịu kéo của bê tông. ld f ct 2P

P – lực phá hoại mẫu, l - chiều dài của mẫu, và d – đường kính của mẫu Độ bền chịu kéo nứt tách của bê tông, ký hiệu là f c ', được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C496 Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy độ bền chịu kéo của bê tông khi uốn được tính bằng công thức: f r = 1.5 f ct.

Bảng 4.3 Bảng kết quả chẻ mẫu bê tong 150x300

SỐ LiỆU THÍ NGHIỆM CHẺ MẪU TRỤ 150x300mm 28 ngày

STT Mã hiệu P(KN) f ct (Mpa) f r (Mpa)

Cốt thép dọc và thép đai trong dầm được sử dụng là thép Miền Nam SD295, với cốt thép dọc là nhúm thộp A-III có đường kính 14mm và cốt thép đai có đường kính 10mm Giới hạn chảy và bền của cốt thép được xác định dựa trên giá trị trung bình của 3 mẫu kéo thực nghiệm có kích thước L`0mm, và kết quả cho mỗi loại được tổng hợp trong Bảng 4.4.

Bảng 4.4 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm kéo mẫu thép thanh

STT Kí hiệu Đường kính

Hình 4.5 Thí nghiệm kéo mẫu cốt thép

4.1.3 Sợi Polyethylene Terephthalate (PET) và Polypropylene (PP) :

Hình 4.6 Sợi PP và sợi PET

Sợi PET và PP có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, trong bài viết này, tác giả tập trung vào loại sợi mono với đường kính từ 0.7-1.2 mm và chiều dài từ 3-5 cm Loại sợi này được tái chế từ phế phẩm chai nhựa và dụng cụ nhựa trong sinh hoạt hàng ngày.

Hình 4.7 Quy trình sản xuất sợi PET và PP tái chế [3]. a : sợi thành phẩm ,b : máy kéo sợi ,c :máy dập , d :các thiết bị của máy dập

Các đặc tính vật lý, cơ học được của sợi được tham khảo các thong số thí nghiệm của các học giả trước :

Bảng 4.5 Bảng số liệu đặc trưng cơ lý của sợi PP và PET

Trọng lượng riêng Đường kính

Modul đàn hồi Độ bền chịu kéo Độ dãn dài (g/cm3) (mm) (mm) (MPa) (MPa) (%)

Mẫu dầm thí nghiệm

Các dầm BTCT kích thước 200x300x2000 mm với tỉ lệ sợi thể tích khác nhau:

 1 mẫu BTCT đối chứng (không có sợi)

 3 mẫu dầm BTCT có hàm lượng sợi PP bằng 0,5 % → 1%

 3 mẫu dầm BTCT có hàm lượng sợi PET bằng 0,5 % → 1.5%

Quá trình đúc mẫu thí nghiệm

Hình 4.8 Bố trí thép trong dầm

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm dầm

P : Tải trọng từ kích truyền vào dầm qua 2 gối khoảng cách 500

A,B,C,D :Vị trí Đồng hồ đo chuyển vị của dầm

4.3 Quy trình đúc mẫu thí nghiệm :

4.3.1 Công tác chuẩn bị trước khi đúc mẫu :

Hình 4.10 Lắp đặt cốt thép cho dầm.

Hình 4.11 Lắp Straingauge cho thép chủ

Hình 4.12 Lắp đặt cốt thép vào ván khuôn

Hình 4.13 Hoàn thiện lắp đặt chuẩn bị đổ bê tông.

Hình 4.14 Chuẩn bị ván khuôn đúc mẫu.

4.3.2 Công tác đổ bê tông :

Hình 4.15 Công tác trộn bê tông.

Hình 4.16 Công tác cân và trộn sợi.

Hình 4.17 Công tác lấy dộ sụt bê tông.

Trang 36 Hình 4.18 Công tác đổ bê tông mẫu.

Hình 4.19 Công tác đổ bê tông dầm

Dụng cụ đo đạc

 Máy trộn bê tông dung tích 50lit/mẻ trộn

 Máy thử kéo nén Universal Testing Machine UTM 2294SV – Instron

 Khung gia tải bằng thép với kích thủy lực P max = 1000 kN

The displacement measurement and data recording kit includes a dial gauge and a digital measuring head (LVDT), along with the AGILENT 34970A data acquisition/switch unit.

 Dụng cụ đo biến dạng (dùng 2 phương pháp: cảm biến điện trở-Strain gage và thước đo độ giãn dài-Deformeter Matest)

 Dụng cụ đo bề rộng vết nứt (dùng thước đo giãn dài-Deformeter Matest, kính lúp-Microscope)

 Camera quan sát và máy chụp hình kỹ thuật số

4.5 Bố trí các thiết bị đo đạc :

Hình 4.20 Mô hình gia tải và bố trí các dụng cụ đo đạc [3]

Trang 39 Hình 4.21 Bố trí các dụng cụ do đạc thực nghiệm.

Hình 4.22 Hiệu chỉnh các thiết bị chuẩn bị thí nghiệm

Các dầm được gia tải bằng kích thủy lực 1000 kN, được điều khiển và kiểm soát bằng loadcell, tạo tổng tải trọng gây uốn Q=2P như trong Hình 4.20 Tải trọng được gia tăng từng cấp khoảng 5-10 kN cho đến khi xảy ra phá hoại Sau mỗi cấp tải, tải trọng sẽ được giữ trong khoảng 3 phút để đo chuyển vị võng của dầm, biến dạng của thép hình và bê tông, cũng như hình thái vết nứt Tất cả các thông số này đều được đo đạc và cập nhật tự động thông qua thiết bị xử lý tín hiệu Data Acquisition/switch unit AGILENT 34970A.

Khi gia tải tăng dần từ 5-10 kN cho đến khi xảy ra phá hoại, kết quả cho thấy độ võng giữa dầm tăng nhanh khi tải trọng uốn vượt quá giá trị Q max Đồng thời, giá trị đo đạc của tải Q có xu hướng giảm dần Từ đó, tải trọng uốn cực hạn của thí nghiệm được xác định là Q u,exp = 0,5P max.

4.7 Kết quả ứng xử của dầm :

Hình 4.23 Hình thái vết nứt uốn đầu tiên tại giữa dầm

Hình ảnh thí nghiệm cho thấy các dầm xuất hiện vết nứt tương tự nhau Đặc biệt, các dầm chứa 0.5% và 1.0% PET cùng 1.0% PP có vết nứt xuất hiện muộn hơn so với các mẫu dầm khác.

Hình 4.24 Hình thái vết nứt khi phá hoại dầm

Các dầm thí nghiệm đều gặp phải hình thái phá hoại do uốn, không có hiện tượng phá hoại cắt, và các vết nứt xuất hiện theo hướng thẳng góc Số lượng vết nứt tương đối đồng đều, tuy nhiên, bề rộng vết nứt khi phá hoại của các dầm có sợi PET và PP giảm từ 2-3 lần so với mẫu dầm đối chứng NF.

Hình 4.25 Hình thái vết nứt khi phá hoại dầm thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy các dầm có ứng xử phi tuyến với ba giai đoạn rõ rệt Các giai đoạn này được thể hiện trong hình 4.26-4.32, trong đó P là lực tác dụng, P cr là lực giới hạn, và dầm hoạt động theo cơ chế đàn hồi tuyến tính.

P P P : độ võng tăng nhanh, các vết nứt phát triển nhiều

P P y : độ võng tăng rất nhanh, lực tăng không nhiều

Hình 4.26 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm NF

Trang 44 Hình 4.27 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 0.5%PP

Hình 4.28 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 0.75%PP

Hình 4.30 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 0.5%PET

Trang 46 Hình 4.31 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 1.0%PET

Hình 4.32 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 1.5%PET.

Quy trình gia tải

Các dầm được gia tải bằng kích thủy lực 1000 kN, được điều khiển và kiểm soát bằng loadcell, với tổng tải trọng gây uốn Q=2P như minh họa ở Hình 4.20 Tải trọng được gia tăng từng bước khoảng 5-10 kN cho đến khi xảy ra phá hoại Sau mỗi cấp tải, tải trọng được giữ trong khoảng 3 phút để đo chuyển vị võng dầm, biến dạng thép và bê tông, cùng với hình thái vết nứt, tất cả đều được đo đạc và cập nhật tự động thông qua thiết bị xử lý tín hiệu Data Acquisition/switch unit AGILENT 34970A.

Khi gia tải tăng dần từ 5-10 kN cho đến khi xảy ra phá hoại, kết quả cho thấy rằng độ võng giữa dầm tăng nhanh chóng khi tải vượt quá giá trị Q max Đồng thời, giá trị tải Q đo được có xu hướng giảm dần Từ đó, ta xác định tải trọng uốn cực hạn của thí nghiệm là Q u,exp = 0,5P max.

Kết quả ứng xử của dầm

Hình 4.23 Hình thái vết nứt uốn đầu tiên tại giữa dầm

Hình ảnh từ thí nghiệm cho thấy các dầm xuất hiện vết nứt gần như đồng nhất Đặc biệt, các dầm có tỉ lệ 0.5% và 1.0% PET cùng với 1.0% PP cho thấy vết nứt xuất hiện muộn hơn so với các mẫu dầm khác.

Hình 4.24 Hình thái vết nứt khi phá hoại dầm

Các dầm thí nghiệm cho thấy hình thái phá hoại chủ yếu do uốn, không xuất hiện hiện tượng phá hoại cắt Tất cả các vết nứt đều là vết nứt thẳng góc và số lượng vết nứt tương đối đồng đều Tuy nhiên, bề rộng của các vết nứt ở các dầm có sợi PET và PP giảm từ 2-3 lần so với mẫu dầm đối chứng NF.

Hình 4.25 Hình thái vết nứt khi phá hoại dầm thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy các dầm có ứng xử phi tuyến với ba giai đoạn rõ rệt Hình 4.26-4.32 minh họa sự chuyển đổi từ trạng thái làm việc đàn hồi tuyến tính đến điểm giới hạn P cr.

P P P : độ võng tăng nhanh, các vết nứt phát triển nhiều

P P y : độ võng tăng rất nhanh, lực tăng không nhiều

Hình 4.26 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm NF

Hình 4.28 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 0.75%PP

Hình 4.30 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 0.5%PET

Trang 46 Hình 4.31 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 1.0%PET

Hình 4.32 Quan hệ (P-∆) của mẫu dầm 1.5%PET.

MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

Mô hình dầm bằng phần mềm ANSYS

Phần mềm ANSYS, phát triển bởi công ty ANSYS (Hoa Kỳ), là công cụ mạnh mẽ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng hành vi của các hệ vật lý dưới tác động của nhiều loại tải trọng như tĩnh, động và nhiệt Với thuật toán Newton – Raphson, ANSYS giải quyết hiệu quả các bài toán tuyến tính và phi tuyến trong các lĩnh vực như cơ học vật rắn, cơ học lưu chất, cơ sinh học, điện từ, truyền nhiệt và âm thanh Nhờ vào độ tin cậy cao, ANSYS hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và giảng dạy tại nhiều trường đại học trên toàn thế giới Chương trình của ANSYS hoạt động theo 5 bước chính.

1 Xây dựng mô hình hình học

2 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu: gán các thông số về loại phần tử, vật liệu cho phần tử, hằng số đặc trưng và chia lưới phần tử

3 Khai báo điều kiện ràng buộc và gán tải trọng cho kết cấu

5 Phân tích và xử lý kết quả: xuất kết quả ở dạng hình ảnh và dữ liệu số

Trong đề tài này, ANSYS được sử dụng để mô phỏng ứng xử về độ võng của dầm

Nghiên cứu này tập trung vào việc kiểm tra các dầm bê tông có bổ sung sợi PP và PET với các hàm lượng khác nhau Các thông số vật liệu, bao gồm cường độ bê tông, cốt thép và kích thước tiết diện, được giữ nguyên như trong khảo sát thực nghiệm Đặc tính cơ học của bê tông và cốt thép được thu thập từ các thí nghiệm nén và kéo mẫu, sau đó được sử dụng trong mô phỏng số Kết quả mô phỏng số, đặc biệt là mối quan hệ giữa lực và chuyển vị, sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá tính chính xác.

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

5.1.1 Mô hình phần tử hữu hạn dung trong ANSYS :

Để mô phỏng ứng xử phi tuyến của dầm trong ANSYS, phần tử SOLID65 được lựa chọn để đại diện cho vật liệu bê tông cốt thép Thông tin về loại vật liệu và phần tử mô hình trong ANSYS được trình bày trong Bảng 5.1.

Bảng 5.1.Loại phần tử cho mô hình ANSYS

Loại vật liệu Loại phần tử trong ANSYS

Bê tông cốt thép SOLID65

Hình 5.1.Mô hình phần tử SOLID65

Phần tử SOLID65, được mô tả trong Hình 5.1, được sử dụng để mô phỏng khối 3D với hoặc không có cốt thép, cho phép thể hiện đặc tính phi tuyến của vật liệu bê tông, bao gồm tính nứt do kéo và ép vỡ do nén Phần tử này phù hợp cho việc mô phỏng ứng xử của vật liệu bê tông, composite (sợi thủy tinh) và đất đá SOLID65 được định nghĩa bởi 8 nút, mỗi nút có 3 bậc tự do tương ứng với các thành phần dịch chuyển theo ba phương x, y, z Ngoài ra, phần tử này còn cho phép khai báo mô hình cốt thép thanh chịu kéo, nén phân tán bên trong nó.

5.1.2 Mô hình hóa vật liệu bê tông :

Phần tử SOLID65 được sử dụng để mô phỏng đặc tính của vật liệu bê tông, bao gồm cả vật liệu đẳng hướng tuyến tính và đa tuyến tính Đặc trưng vật liệu đa tuyến tính áp dụng theo trạng thái phá hoại tới hạn của von Mises, sử dụng mô hình Willam và Warnke.

(1975) để định nghĩa phá hoại cho bê tông [27] EX là mô đun đàn hồi của bê tông kí hiệu là E c vàPRXY là hệ số Poisson

- Mô đun đàn hồi của bê tông được lấy theo công thức của ACI 318-08 [2]:

Cường độ chịu nén cực hạn một trục của bê tông, ký hiệu là f c ' , được xác định thông qua thí nghiệm nén mẫu bê tông hình lập phương kích thước 150x150x150 mm Kết quả này sau đó được quy đổi sang mẫu hình lăng trụ có đường kính d0 và chiều cao h00 theo quy định trong bảng 3.2.

- Hệ số Poisson được giả thiết: υ =0.2 cho hai loại mẫu

ANSYS có khả năng dự đoán sự phá hoại do nứt trong vùng kéo và vỡ trong vùng nén của bê tông Hai thông số cường độ quan trọng ảnh hưởng đến hành vi nứt của bê tông là cường độ chịu kéo một trục (f_t) và cường độ chịu nén cực hạn (f_c'), cần được xác định cho bề mặt phá hoại của bê tông.

 Phá hoại tới hạn của bê tông do bởi trạng thái ứng suất đa trục có thể được tính toán trong công thức của Willam và Warnke (1975) [30]:

F: là hàm của trạng thái ứng suất chính xp , yp , zp

S: là bề mặt phá hoại được biểu diển trong các số hạng của các ứng suất chính và 5 thông số 1 2

Cường độ chịu nén một trục của bê tông được ký hiệu là f c (UnCompSt), trong khi cường độ chịu kéo một trục tới hạn được ký hiệu là f t (UnTensSt) Cường độ chịu nén hai trục tới hạn được biểu thị bằng f cb (BiCompSt) Các ứng suất chính trong các phương chính được ký hiệu là zp, yp, xp Cuối cùng, trạng thái ứng suất thủy tĩnh xung quanh được ký hiệu là a h (HydroPs).

Trang 50 f 1(BiCompSt): Cường độ chịu nén cho trạng thái nén hai trục được chồng chất trên trạng thái ứng suất thủy tĩnh h a f 2(UnTensSt):Cường độ chịu nén cho trạng thái nén một trục được chồng chất trên trạng thái ứng suất thủy tĩnh h a

Nếu phương trình (5-2) được thỏa mãn, bê tông có thể bị nứt hoặc vỡ Bề mặt phá hoại của bê tông có thể được xác định chỉ dựa trên hai thông số và f c ', trong khi ba thông số khác được mặc định theo Willam và Warnke.

Các giá trị mặc định này của (5-3) chỉ hợp lệ khi trạng thái ứng suất nơi mà điều kiện: h 3f c ' (5-4) được thõa mản zp yp xp h 3

1 : Trạng thái ứng suất thủy tỉnh

Khi cường độ vỡ bị hạn chế bởi f c ' 1, vật liệu sẽ nứt khi ứng suất chính vượt quá f t Các thông số cho mô hình phá hoại bê tông được trình bày trong Bảng 5.2.

5.1.2.2 Mô hình đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng khi chịu nén:

Quan hệ ứng suất – biến dạng nén một trục cho mô hình bê tông được xác định thông qua phương trình tính toán độ cong ứng suất – biến dạng đa tuyến tính của Hognestad.

Biến dạng của bê tông chịu nén một trục được xác định bởi ứng suất nén một trục, trong đó 0là biến dạng cực hạn của bê tông.

 Đường cong đa tuyến tính được sử dụng trong mô phỏng để giúp sự hội tụ trong thuật toán tính toán phi tuyến

 Hình 5.2 thấy ở bên dưới diễn tả đường cong quan hệ giữa ứng suất-biến dạng bê tông chịu nén của các mẫu thí nghiệm được cho bởi phương trình (5-5):

Trang 51 Hình 5.2.Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông chịu nén

5.1.2.3 Mô hình đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng khi chịu kéo:

Cường độ chịu kéo cực hạn của bê tông R được xác định bằng thí nghiệm chẻ mẫu trụ 150x300 theo tiêu chuẩn ASTM theo bảng 3.3:

Cường độ chịu kéo một trục của bê tông để mô phỏng vết nứt trong ANSYS được xác định từ cường độ chịu kéo cực hạn R theo công thức

Các thông số để định nghĩa cho cho mô hình phá hoại vật liệu bê tông được tổng hợp trong Bảng 5.2

Bảng 5.2 Các thông số định nghĩa mô hình phá hoại bê tông trong Ansys

STT Loại phần tử Đặc trƣng vật liệu

Mẫu 0.75%PP Mẫu 1.0%PP Linear Isotropic Linear Isotropic

Mẫu 0.5%PET Mẫu 1%PET Mẫu 1.5%PET Linear Isotropic Linear Isotropic Linear Isotropic

EX (MPa) 24889 EX (MPa) 24628 EX (MPa) 24907

Multilinear Isotropic Mẫu 0.5%PET Mẫu 1%PET Mẫu 1.5%PET Strain Stress Strain Stress Strain Stress (mm/mm) MPa) (mm/mm) (MPa) (mm/mm) (MPa)

ShrCf-Op 0.2 ShrCf-Op 0.2 ShrCf-Op 0.2

ShrCf-Cl 1 ShrCf-Cl 1 ShrCf-Cl 1

5.1.3 Mô hình hóa cốt thép dọc, thép đai :

Trong kết cấu bê tông cốt thép, cốt thép dọc và thép đai được mô phỏng bằng Ansys với đặc tính vật liệu đẳng hướng tuyến tính, sử dụng mô đun đàn hồi giả thiết EX = 2x10^5 MPa và hệ số Poisson PRXY = 0.3 cho mọi loại thép Quan hệ ứng suất – biến dạng được mô hình hóa theo lý thuyết đàn - dẻo, với ứng suất chảy dẻo f y của từng loại vật liệu được xác định thông qua thí nghiệm kéo mẫu thép trong phòng thí nghiệm.

Hình 5.3.Mô hình đàn – dẻo lý tưởng cho thép

 Để mô hình hóa cốt thép dọc và thép đai trong bê tông, người ta có thể sử dụng ba dạng mô hình được thể hiện trên Hình 5.4

Hình 5.4.Các mô hình cốt thép trong bê tông do Tavarez đề xuất năm 2001 [28]

Mô phỏng ứng xử dầm cho các mô hình PTHH

5.2 Mô phỏng ứng xử của dầm cho các mô hình PTHH

5.2.1 Mô phỏng mô hình các dầm trong phân tích thực nghiệm

5.2.1.1 Thông số tiết diện và đặc trƣng vật liệu của dầm:

Để so sánh với kết quả thực nghiệm, tác giả đã xây dựng các mô hình dầm có thông số tiết diện và đặc trưng vật liệu tương tự như các dầm đối chứng, như được trình bày trong Hình 5.6.

Hình 5.5.Tiết diện các mẫu dầm trong phân tích thực nghiệm.

Trong trường hợp này mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông được chọn giống với kết quả thực nghiệm theo bảng 4.2 :

 Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông chịu nén sử dụng trong Ansys để mô phỏng hai dầm được thấy trong Hình 5.2 ở trên

5.2.1.2 Mô hình PTHH của các dầm:

Mô hình phần tử hữu hạn của hai dầm xây dựng trong Ansys được trình bày trong Hình 5.6, trong đó cốt thép dọc và thép đai được mô phỏng phân tán trong phần tử bê tông Các điều kiện biên tại gối tựa và quá trình gia tải được lựa chọn phù hợp, đảm bảo tính chính xác trong phân tích thực nghiệm.

Hình 5.6.Mô hình PTHH của dầm các dầm trong chương trình Ansys

Trong quá trình gia tải, lực tác dụng P được phân bố đều vào các nút của từng phần tử con tại vị trí đặt tải Giá trị lực được tăng dần từ 0 đến Pu của từng mẫu dầm theo thí nghiệm.

5.2.1.3 Kết quả mô phỏng ứng xử độ võng của các mẫudầm:

Hình 5.7.Mô hình PTHH độ võng của dầm các dầm trong chương trình Ansys.

Hình 5.8.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm NF với Ec=Ecm

Trang 61 Hình 5.9.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 0.5%PET với Ec=E cm

Hình 5.10.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 1.0%PET với Ec=E cm

Trang 62 Hình 5.11.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 0.5%PP với Ec=Ecm

Hình 5.12.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 0.75%PP với Ec=Ecm

Hình 5.13.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 1.0%PP với Ec=Ecm

Theo hình 5.8 đến 5.13, trong trạng thái làm việc bình thường với tải trọng P < P ser = P u /1,5, độ võng từ mô phỏng Ansys và tính toán lý thuyết nhỏ hơn khoảng 20-30% so với kết quả thực nghiệm đối với các dầm có bổ sung sợi PP và PET Riêng đối với dầm NF không có sợi, kết quả mô phỏng khá tốt và gần đúng với thực nghiệm Do đó, tác giả đề xuất điều chỉnh mô đun đàn hồi của các dầm có cốt sợi PP và PET là E c.

=0.5E cm để kiểm chứng lại với kết quả thực nghiệm

5.2.2 Mô phỏng mô hình dầm có hiệu chỉnh mô đun đàn hồi E c = 0.5E cm

Việc chọn giá trị mô đun đàn bê tông E c = E cm để mô phỏng ứng xử độ võng của dầm không đảm bảo độ tin cậy, như đã đề cập ở mục 5.2.1 Do đó, tác giả đã trình bày một trường hợp khác trong luận văn, đó là chọn E c = 0.5E cm để mô phỏng ứng xử độ võng của các dầm có sợi.

Mô đun đàn hồi của bê tông được xác định dựa trên các thông số về tiết diện, đặc trưng vật liệu và quy trình gia tải, như đã trình bày trong mục 5.2.1 Các dầm được tính toán theo bảng 9.4 trong phần phụ lục Kết quả mô phỏng được thể hiện qua hình 5.14 đến 5.18.

Hình 5.14.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 0.5%PET với Ec=0.5E cm

Hình 5.15.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 1.0%PET với Ec=0.5Ecm

Trang 65 Hình 5.16.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 0.5%PP với Ec=0.5E cm

Hình 5.17.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 0.75%PP với E c =0.5E cm

Hình 5.18.Quan hệ (P-∆) Ansys so với thí nghiệm của dầm 1.0%PPvới Ec=0.5E cm

Kết quả từ Hình 5.14 đến 5.18 cho thấy rằng khi chọn E c = 0.5 E cm, mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng (P) và độ võng giữa dầm (∆) trong mô phỏng ANSYS khá hợp lý và gần giống với kết quả thí nghiệm Ở trạng thái làm việc bình thường với P < P ser = P u /1,5, độ võng mô phỏng từ ANSYS chỉ sai khác không quá 10% so với kết quả thực nghiệm cho các dầm có bổ sung sợi PP và PET Do đó, việc sử dụng E c = 0.5 E cm được coi là đáng tin cậy và an toàn trong mô phỏng biến dạng võng của dầm có sợi trong trạng thái làm việc bình thường.

ĐÁNH GIÁ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

Dự đoán công thức thực nghiệm

Bài viết đánh giá kết quả thực nghiệm trên 21 mẫu lăng trụ nhằm xác định cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi, cũng như thực hiện thí nghiệm chẻ để xác định cường độ nứt tách và cường độ chịu kéo của bê tông Các mẫu được thử nghiệm có hàm lượng sợi PP từ 0.5% - 1.0% và PET từ 0.5% - 1.5% Dựa vào số liệu trung bình, bài viết cũng đưa ra công thức tính toán gần đúng cho từng hàm lượng sợi, chiều dài và đường kính sợi thông qua hệ số FRI (Fiber Reinforcing Index).

CHƯƠNG 6 ĐÁNH GIÁ - PHÂN TÍCH KẾT QUẢ

6.2.1.Dự đoán công thức tính toán cường độ chịu nén và modul đàn hồi :

Bảng 6.1 :Bảng tính toán hệ số mô hình cường độ chịu nén mẫu lập phương

Volume Aspect ratio FRI f cuf (Mpa)

Model/Expt fraction V f % (l/d) V f xl/d Expt Model

0.50% 40.000 0.200 33.650 33.086 0.983 1.00% 40.000 0.400 32.950 33.572 1.019 1.50% 40.000 0.600 33.700 34.058 1.011 a) b) Hình 6.3 Quan hệ cường độ nén mẫu lập phương a)PP, b)PET và hệ số FRI f cuf =f cu - 4.95(FRI) fcuf=2.43(FRI)+fcu

Bảng 6.2 :Bảng tính toán hệ số mô hình cường độ chịu nén mẫu trụ

Volume Aspect ratio FRI f cyf (Mpa)

0.50% 40.000 0.200 28.000 27.524 0.983 1.00% 40.000 0.400 27.500 27.848 1.013 1.50% 40.000 0.600 28.100 28.172 1.003 a) b) Hình 6.4 Quan hệ cường độ nén mẫu trụ a)PP, b)PET và hệ số FRI

Bảng 6.3 :Bảng tính toán hệ số mô hình modul đàn hồi

Volume Aspect ratio FRI E f (Gpa)

0.50% 40.000 0.200 24.890 24.762 0.995 1.00% 40.000 0.400 24.630 25.034 1.016 1.50% 40.000 0.600 24.910 25.306 1.016 a) b) Hình 6.5 Quan hệ modul đàn hồi a)PP, b)PET và hệ số FRI

PET: Ef=1.36(FRI)+E PP: E f =E - 1.36(FRI)

6.2.2.Dự đoán công thức tính toán cường độ kéo nứt tách :

Bảng 6.4 :Bảng tính toán hệ số mô hình cường độ kéo nứt tách mẫu trụ

Volume Aspect ratio FRI E f (Gpa)

0.50% 40.000 0.200 2.310 2.332 1.010 1.00% 40.000 0.400 2.530 2.404 0.950 1.50% 40.000 0.600 2.350 2.476 1.054 a) b) Hình 6.6 Quan hệ cường độ chịu kéo nứt tách a)PP, b)PET và hệ số FRI

PET: f spf =0.36(FRI)+f sp PP: f spf =f sp - 0.1(FRI)

Bản chất ứng xử của dầm

6.3.1 Ứng xử về độ võng của dầm

Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu dầm NF và dầm BTCT có bổ sung cốt sợi PP, PET cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa tải trọng gây uốn và độ võng giữa nhịp của dầm, với ba vùng rõ rệt được xác định (Hình 4.26).

Khi tải trọng P P cr đạt đến mức gây nứt dầm, dầm hoạt động theo cơ chế đàn hồi tuyến tính do chưa có vết nứt hình thành Tại giá trị P cr, các vết nứt uốn đầu tiên sẽ xuất hiện ở giữa dầm Giai đoạn này thường kết thúc nhanh chóng khi bắt đầu gia tải, và giá trị P cr được xác định thông qua các thí nghiệm trên mẫu dầm.

Khi tải trọng gây chảy dẻo dầm (P cr P P y) đạt đến giá trị nhất định, độ võng của dầm tăng nhanh do sự hình thành và phát triển của các vết nứt uốn từ giữa dầm đến hai đầu dầm, tương ứng với tải trọng làm việc bình thường của kết cấu Giá trị P y được xác định trong thí nghiệm cho các mẫu dầm là 47.5 kN cho dầm NF, cùng với các mẫu dầm khác được trình bày trong bảng.

Khi lực P P y tăng, độ võng của hai dầm tăng nhanh chóng, dẫn đến việc thép bắt đầu chịu đựng biên độ dẻo lớn Ở giai đoạn này, sự mở rộng bề rộng của các vết nứt uốn trở nên rõ rệt, và mẫu được coi là bị phá hoại khi đạt giá trị P u ,exp 60 kN (đối với dầm NF) Các mẫu dầm còn lại được thể hiện trong bảng.

Hình 6.7 Quan hệ (P - của các mẫu dầm thí nghiệm

Bảng 6.5 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm dầm 200x300x2000 [3]

(kN) cr (mm) Py (kN) y

Bảng 6.6 Bảng so sánh độ chỉ số dẻo và độ dẻo dai của các mẫu dầm[3]

Specimens y (mm) u (mm) Ductulity Index

Trang 76 Hình 6.8 Biểu đồ tỉ lệ so sánh lực phá hoại giữa các dầm thí nghiệm.

Hình 6.9 Biểu đồ tỉ lệ so sánh độ dẻo dai giữa các dầm thí nghiệm.

Biểu đồ so sánh cường độ chịu uốn cực hạn của các mẫu dầm cho thấy rằng, các mẫu dầm có bổ sung sợi PP tăng cường độ chịu uốn từ 5-10%, trong khi các mẫu dầm bổ sung sợi PET có sự cải thiện đáng kể, với cường độ chịu uốn tăng từ 37-50% so với mẫu dầm NF không sợi đối chứng.

Kết quả so sánh chỉ số độ dẻo dai của các dầm được thể hiện trên hình 6.8 tính theo công thức u y

Với : u là độ võng của dầm khi đạt đến cực hạn y là độ võng của dầm ở giai đoạn chảy dẻo

Chỉ số độ dẻo dai của dầm với 1.0% sợi PP và 0.5% sợi PET đạt cao nhất lần lượt là 8-8.29 Các mẫu dầm có bổ sung sợi PP và PET cho thấy tính ưu việt trong việc tăng cường độ dẻo dai cho kết cấu, với mức tăng từ 1.55 đến 2.47 lần so với bê tông không có sợi Đặc biệt, mẫu dầm 0.5% sợi PET cho thấy hàm lượng trộn hợp lý, là lựa chọn tốt nhất cho bê tông.

6.3.2 Kiểu phá hoại của dầm

Kết quả thí nghiệm cho thấy, các dầm đều chịu phá hoại uốn điển hình với vết nứt chủ yếu thẳng góc và phân bố đều trên toàn bộ chiều dài dầm, như mô tả trong Hình 4.25, chương 4 Trong quá trình gia tải uốn, các vết nứt thẳng góc do ứng suất kéo xuất hiện đầu tiên ở vùng giữa dầm và sau đó lan truyền về phía hai đầu dầm.

6.3.3 Ứng xử mở rộng vết nứt của dầm

Việc theo dõi số lượng và sự mở rộng của vết nứt trên dầm trong quá trình thực nghiệm cho thấy rằng dầm không có sợi và các mẫu dầm BTCT cốt sợi có số vết nứt tương đối đồng đều Đặc biệt, các dầm được bổ sung sợi PET với tỉ lệ 0.5% và 1.5% đã cho thấy bề rộng vết nứt giảm rõ rệt, từ 2 đến 3 lần so với mẫu dầm không có sợi.

Bảng 6.7 Bảng kết quả thí nghiệm vết nứt các dầm 200x300x2000.

Specimens n crack P i (kN) w i (mm) P j (kN) w j

Hình 6.10 Quan hệ lực – bề rộng vết nứt của mẫu các mẫu dầm thí nghiệm

Biểu đồ so sánh độ mở rộng vết nứt (Hình 6.9) cho thấy rằng các dầm có bổ sung hàm lượng sợi PP và PET khi xuất hiện nứt, các sợi này hoạt động như cầu nối giữa hai phần bê tông, từ đó nâng cao khả năng chịu lực và cải thiện độ dẻo dai đáng kể (theo Bảng 6.6) Khi dầm bị phá hoại, bề rộng vết nứt của các dầm có bổ sung sợi lớn hơn nhiều so với mẫu dầm không có sợi.

6.4 So sánh kết cấu bê tông cốt sợi PET Và PP :

6.4.1 So sánh cường độ chịu nén và kéo của bê tông cốt sợi PET và PP:

Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của cốt sợi đến cường độ bê tông, khi sử dụng hàm lượng cốt sợi nhỏ hơn 1.5%, các mẫu bê tông có sợi PP cho thấy cường độ nén giảm từ 6-15% khi hàm lượng sợi tăng Ngược lại, các mẫu bê tông bổ sung sợi PET lại cho thấy sự tăng cường độ chịu kéo và nén tỷ lệ thuận với hàm lượng sợi, với mức tăng từ 1-3.5% Điều này cho thấy rằng sợi PET cải thiện cường độ vật liệu bê tông hiệu quả hơn so với sợi PP.

6.4.2 So sánh độ bền uốn của kết cấu bê tông cốt sợi PET và PP:

Kết quả nghiên cứu cho thấy dầm BTCT cốt sợi PET có độ bền uốn vượt trội so với dầm cốt sợi PP, với dầm chứa 0.5% sợi PET tăng độ bền uốn lên hơn 32% và dầm chứa 1.0% sợi PET tăng hơn 28% Mặc dù độ bền uốn khác nhau, nhưng ứng xử uốn, hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của hai loại dầm này lại tương đồng.

Hình 6.11 So sánh quan hệ (P - của dầm bê tông 0.5%PP và 0.5%PET

32% Độ võng giữa nhịp (mm)

L ực tác dụ ng ( KN)

Hình 6.12 So sánh quan hệ (P - của dầm bê tông 1.0%PP và 1.0%PET.

6.5 Phân tích tính chính xác của phương pháp giải tích :

6.5.1 Kết quả so sánh độ bền uốn cực hạn của các dầm giữa lý thuyết và thực nghiệm:

Kết quả từ Bảng 3.1 cho thấy rằng tải trọng gây nứt bê tông (P cr) được tính toán lý thuyết thấp hơn 26-28% so với thực nghiệm ở các dầm 1.0%PP, 0.5%PET và 1.0%PET, trong khi lý thuyết cao hơn thực nghiệm từ 2.4-14% ở các dầm còn lại Tải chịu uốn cực hạn (P u) thấp nhất là 3.24% ở dầm 1.0%PP và cao nhất là 32.79% ở dầm 1.0%PET Điều này cho thấy hàm lượng sợi PET có ảnh hưởng tích cực, làm tăng cường độ chịu uốn của cả ba mẫu dầm thí nghiệm so với dầm không có sợi.

6.5.2 Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa lý thuyết và thực nghiệm:

Hình 6.13 đến Hình 6.18 trình bày đường cong so sánh quan hệ (P-∆) giữa tải trọng và độ võng của các dầm, sử dụng phương pháp lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng PTHH bằng ANSYS mà không hiệu chỉnh mô đun đàn hồi bê tông E c Kết quả cho thấy, trong trạng thái làm việc bình thường với tải trọng P < P ser = P u /1,5, độ võng tính toán lý thuyết thấp hơn thực nghiệm đến 20%, trong khi mô phỏng ANSYS cho kết quả kém hơn thực nghiệm 30% đối với dầm có sợi PP và PET Đối với dầm bê tông không sợi, kết quả phân tích lý thuyết, mô phỏng ANSYS và thực nghiệm gần như tương đồng Từ góc độ thiết kế, độ võng tính toán lý thuyết khi sử dụng giá trị E c = E cm cho các dầm bê tông có sợi được coi là không đáng tin cậy và thiếu an toàn.

Hình 6.13 Quan hệ (P- của mẫu dầm NF thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=Ecm

Hình 6.14 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=E cm

Hình 6.15 Quan hệ (P- của mẫu dầm 1.0%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=Ecm

Hình 6.16 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PP thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=Ecm

Hình 6.18 Quan hệ (P- của mẫu dầm 1.0%PP thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với E c =E cm

Hình 6.19 đến Hình 6.23 so sánh đường cong quan hệ (P-∆) giữa tải trọng và độ võng của hai dầm PET và dầm PP, sử dụng phương pháp lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng PTHH qua chương trình ANSYS Trong trường hợp điều chỉnh mô đun đàn hồi bê tông E c = 0.5E cm, các thông số cường độ vật liệu và tiết diện được giữ nguyên như trong phân tích thực nghiệm Kết quả cho thấy sự tương đồng giữa các phương pháp phân tích.

Mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng (P) và độ võng giữa dầm (∆) cho thấy rằng với E c = 0.5 E cm, kết quả tính toán lý thuyết khá hợp lý và gần gũi với kết quả thí nghiệm Khi cấu trúc hoạt động bình thường với P < P ser = P u / 1,5, độ võng tính toán lý thuyết chỉ sai khác không quá 10% so với kết quả thực nghiệm cho các dầm PET và PP Công thức lý thuyết (3-7) sử dụng mô đun đàn hồi bê tông E c = 0.5 E cm được coi là đáng tin cậy và đảm bảo an toàn trong thiết kế tính toán biến dạng võng ở trạng thái làm việc bình thường.

Hình 6.19 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với E c =0.5E cm

Hình 6.20 Quan hệ (P- của mẫu dầm 1.0%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=0.5Ecm

Hình 6.21 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PP thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=0.5Ecm

Hình 6.22 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.75%PP thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=0.5E cm

6.5.3 Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa lý thuyết và Kim[3]:

Phân tích tính chính xác của phương pháp giải tích

6.5.1 Kết quả so sánh độ bền uốn cực hạn của các dầm giữa lý thuyết và thực nghiệm:

Kết quả từ Bảng 3.1 cho thấy, đối với tải trọng gây nứt bê tông P cr, tính toán lý thuyết thấp hơn 26-28% so với các dầm 1.0%PP, 0.5%PET và 1.0%PET, trong khi lý thuyết cao hơn thực nghiệm từ 2.4-14% đối với các dầm còn lại Tải chịu uốn cực hạn (P u) thấp nhất là 3.24% ở dầm 1.0%PP và cao nhất là 32.79% ở dầm 1.0%PET Điều này cho thấy hàm lượng sợi PET có ảnh hưởng tích cực, làm tăng cường độ chịu uốn của cả 3 mẫu dầm thí nghiệm so với dầm không có sợi.

6.5.2 Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa lý thuyết và thực nghiệm:

Hình 6.13 đến Hình 6.18 minh họa đường cong so sánh quan hệ (P-∆) giữa tải trọng và độ võng của các dầm, sử dụng phương pháp lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng PTHH bằng ANSYS mà không hiệu chỉnh mô đun đàn hồi bê tông E c Kết quả cho thấy, trong trạng thái làm việc bình thường với P < P ser = P u /1,5, độ võng tính toán lý thuyết thấp hơn kết quả thực nghiệm đến 20%, trong khi mô phỏng ANSYS kém hơn thực nghiệm 30% đối với dầm có bổ sung sợi PP và PET Đối với dầm bê tông không sợi, các kết quả phân tích lý thuyết, mô phỏng ANSYS và thực nghiệm gần như tương đồng Từ góc độ thiết kế, việc sử dụng giá trị tính toán E c = E cm cho các dầm bê tông có bổ sung sợi là không đáng tin cậy và tiềm ẩn rủi ro an toàn.

Hình 6.13 Quan hệ (P- của mẫu dầm NF thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=Ecm

Hình 6.14 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=E cm

Hình 6.15 Quan hệ (P- của mẫu dầm 1.0%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=Ecm

Hình 6.18 Quan hệ (P- của mẫu dầm 1.0%PP thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với E c =E cm

Hình 6.19 đến Hình 6.23 trình bày đường cong so sánh quan hệ (P-∆) giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp của hai dầm PET và dầm PP, dựa trên ba phương pháp: lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng PTHH bằng chương trình ANSYS Trong nghiên cứu này, mô đun đàn hồi bê tông được hiệu chỉnh với giá trị E c = 0.5E cm, trong khi các thông số cường độ vật liệu và tiết diện được giữ nguyên như trong phân tích thực nghiệm Kết quả cho thấy sự tương đồng giữa các phương pháp trong việc đánh giá hiệu suất của dầm.

Mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng (P) và độ võng giữa dầm (∆) cho thấy rằng E c = 0.5 E cm là một phương pháp tính toán lý thuyết hợp lý và tương đồng với kết quả thí nghiệm Trong trạng thái làm việc bình thường khi P < P ser = P u /1,5, độ võng tính toán lý thuyết không sai khác quá 10% so với kết quả thực nghiệm đối với các dầm PET và PP Công thức lý thuyết (3-7) với mô đun đàn hồi bê tông E c = 0.5 E cm được coi là đáng tin cậy và an toàn cho việc tính toán thiết kế biến dạng võng trong trạng thái làm việc bình thường.

Hình 6.19 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với E c =0.5E cm

Hình 6.20 Quan hệ (P- của mẫu dầm 1.0%PET thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=0.5Ecm

Hình 6.22 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.75%PP thí nghiệm so với tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS,với Ec=0.5E cm

6.5.3 Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa lý thuyết và Kim[3]:

Khi so sánh tính toán lý thuyết độ võng với kết quả thí nghiệm của Kim et al[3], việc hiệu chỉnh modul đàn hồi cho thấy sự gần gũi hơn giữa hai kết quả Đặc biệt, khi E c 0%E cm, chênh lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm lên tới 46% với dầm 0.5%PP Tuy nhiên, khi tính toán với E c 50%E cm, chênh lệch lớn nhất giảm xuống còn 30% và nhỏ nhất là 11% Điều này cho thấy rằng việc sử dụng Ec = 50%E cm là hợp lý hơn trong việc mô tả mối quan hệ giữa lực và chuyển vị của các dầm có bổ sung sợi.

Hình 6.24 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PP Kim[3] so với tính toán lý thuyết

Hình 6.27 Quan hệ (P- của mẫu dầm 0.5%PET Kim[3] so với tính toán lý thuyết

Hình 6.28 Quan hệ (P- của mẫu dầm 1.0%PET Kim[3] so với tính toán lý thuyết

6.5.4 Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa thí nghiệm và Kim[3]:

Trong nghiên cứu của Kim và các cộng sự, các dầm có kích thước 200x300x2000 được nén với sự bổ sung của các cốt sợi PP và RPET với tỷ lệ 0.5%, 0.75% và 1%, sử dụng sợi cắt ngắn 50mm Kết quả thí nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa lực và độ võng, được trình bày qua các hình 6.29 đến 6.34.

Các đường quan hệ của Kim và thí nghiệm thực nghiệm về ứng xử quan hệ chuyển vị và độ võng có nhiều điểm tương đồng, với cả hai đều thể hiện 3 giai đoạn ứng xử phi tuyến rõ ràng Tuy nhiên, sự khác biệt giữa thí nghiệm và nghiên cứu của Kim nằm ở cấp phối bê tông, khi thí nghiệm sử dụng M300 còn Kim sử dụng M250, cùng với vật liệu sợi bổ sung khác nhau, dẫn đến đường quan hệ P-∆ của Kim thấp hơn so với thí nghiệm.

Hình 6.29 Quan hệ (P-∆) của dầm NF thí nghiệm so với Kim[3].

Hình 6.30 Quan hệ (P-∆) của dầm 0.5%PP thí nghiệm so với Kim[3].

Hình 6.33 Quan hệ (P-∆) của dầm 0.5%PET thí nghiệm so với Kim[3].

Hình 6.34 Quan hệ (P-∆) của dầm 1.0%PET thí nghiệm so với Kim[3]

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	5,52 MB