Chương 1 TONG QUAN VE VAN DE NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan một số nghiên cứu về nứt trong kết cầu dầm hộp BTCT và kết cầu BTCT 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trong quá trình phát triển nền văn minh của nhân loại, con người không chỉ yêu cầu các công trình phải đủ bền mà còn phải có tính tiện nghi cao, đáp ứng những đòi hỏi về việc sử dụng ở mức độ cao. Như vậy, kết cấu cần không bị phá hỏng, không bị mat ồn định, đồng thời không bi nứt hoặc chuyển vị quá mức cho phép. thậm chí không được nứt. Bê tông là loại vật liệu giòn, cường độ chịu kéo chỉ băng 1/20 — 1/10 cường độ chịu nén.
Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường đặt cốt thép để tăng khả năng chịu lực của kết câu chịu uốn, chịu kéo. Loại vật liệu này được gọi là bê tông cốt thép, kết hợp được nhiều ưu điểm của thép và bê tông. Việc tính kết cau BTCT theo trạng thái giới hạn đã được áp dụng từ năm 1955 (Balkos B. Ngày nay, hầu hết các quốc gia đều có tiêu chuẩn thiết kế kết cau bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn dù cách thức hay tên gọi khác nhau.
Trạng thái giới hạn - Điều kiện mà vượt qua nó thì cầu hoặc cau kiện của cầu ngừng thoả mãn các quy định đã được dựa vào để thiết kế. Theo các chuyên gia Xô viết: “ Thiết kế theo trạng thái giới hạn II được tiễn hành nham ngăn cản kết cầu không bị mở rộng vết nứt dài hạn, néu nó không được phép do điều kiện sử dụng, cũng như ngăn cản những chuyển vị quá mức (độ võng, độ xoay, độ vénh và dao động) ” (Baikov, Sigalov - 1981). Theo các chuyên gia Mỹ : “Giải quyết vẫn đề khả năng phục vụ của công trình là giải quyết van dé mỹ hoc cũng như tiện nghi của con người. Kha năng sử dụng công trình quan hệ trực tiếp đến độ võng của kết cấu.
Một kết cau có thé an toàn tuyệt đối về phương diện độ bên, nhưng không thỏa mãn về phương diện phục vu ở mức độ cao. Có thể nêu ra hai ví dụ ở hai thái cực: Các vết nứt, những độ võng gây dao động trong một nhà kho có thể chấp nhận được, miễn rằng độ bền của kết cầu vẫn đảm bảo. Nhưng không phải bất cứ vết nứt nào, dao động nào có thể được chấp nhận trong một viện bao tang” (Nicolo, Pani, E. HV: Trương Chí Hùng MSSV: 10380352 —5_ Một nghiên cứu được thực hiện ở Trung tâm nghiên cứu hạt nhân của Pháp CEA (Centre French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) cua tac giả Ngô Đức Linh đã tìm hiểu kha năng “Sử dung mô hình vết nứt ảo mô phỏng vết nứt trong kết cau bê tông”: Mô hình vết nứt ảo của Hillerborg là một mô hình nứt phi tuyến NFM (Nonlinear Fracture Mechanics).
Việc đưa vào khái niệm vùng phat triển nứt FPZ (Fracture Process Zone) là tiếp cận khác biệt với các tiếp cận phi tuyến của lý thuyết cơ học rạn nut nói chung. Các đặc tinh phi tuyến theo các tiếp cận này có bản chất nội tại của vật liệu. Tính phi tuyến hình học không được xem xét trong các tính toán nứt. vùng FPZ được xem như một vùng phá hủy ngay phía trước đường nứt môi (có thể được tạo trước với các mẫu thí nghiệm).
Bê tông trong vùng này bị mềm hóa do xuất hiện các đường nứt vi mô. Các ứng suất dính kết có thể đo được trong vùng này bằng thực nghiệm. Sự tôn tại của ứng suất dính kết và vùng FPZ là nguyên nhân vì sao các lý thuyết tuyến tính về nứt bê tông không cho kết quả tính toán chính xác. Mô hình vết nứt ảo FCM của Hillerborg (Fictious Crack Model) giả thiết tồn tại một đường nứt ảo ở dau vùng phát triển nứt mà ở đó trường ứng suất vẫn đàn hoi tuyến tính trước vết nứt này.
Sự khép lại của đường nứt ảo được khống chế bởi ứng suất khép nứt ø(w) có giá trị băng 0 ở đầu đường nứt thực và đạt giá trị lớn nhất ở đầu đường nứt ảo. Ứng suất này là một hàm của độ mở rộng của đường nứt w: o = ø(w) có giá trị giảm mạnh đến | giá trị ngưỡng năm trong khoảng o ~ (0,15 f,' - 0,33 f'), sau ngưỡng này, ứng suất giảm dan đến 0. Như vậy không có sự kỳ dị của trường ứng suất ở đầu đường nứt. Chiều dày của FPZ có thé bỏ qua.
Chiêu dài đặc trưng của FPZ có thé tính toán được và năm trong khoảng giữa đầu đường nút thực và đầu đường nứt ảo (hình 1. HV: Trương Chí Hùng MSSV: 10380352 Định đường nứt thie (chiều dài vũng FPA} Hình 1. Biéu diễn vùng phát triển nứt FPZ của mô hình nứt không liên tục 600 ;: 500 | = 400 | Bad Qa m 300 | c ca 2 = 200 | ——— Mô phỏng FE Mẫu1 100 | 1 Mẫu2 | Mẫu 3 0 € 0 002 004 006 008 01 012 014 0.Quan hệ lực - độ võng xác định bang thực nghiệm va mô phỏng băng phương pháp PTHH HV: Trương Chí Hùng MSSV: 10380352 600 © Mẫu † ly | | — ñ Mau2 = ang $f A \TM~ Mau3 = bí TS | ——Mo phòng Ò 300 ‡ oO: = 200 Ê | :Œ ap Ee 100 t q I | q 0 0.1 Độ mở rộng vết nứt (mm) Hình 1. Quan hệ lực - độ mở rộng vết nứt xác định bang thực nghiệm và mô phỏng băng phương pháp PTHH.
Ngô Đức Linh đã nhận xét: - Với thiết bị thí nghiệm hiện có chỉ cho phép khảo sát các quan hệ trên ở trước thời điểm tải trọng tác động đạt giá trị tới hạn. Kết quả thu được trong giai đoạn này cho thay mô phỏng sự phát triển vết nứt dạng I trong kết cau bê tông bằng phương pháp PTHH sử dụng mô hình vết nứt ảo là hoàn toàn phù hợp. - Kết quả Mô phỏng sự làm việc của mẫu thí nghiệm băng phương pháp PTHH cho phép xác định các quan hệ tải trọng tac động - độ võng, tải trọng tac động - độ mở rộng vết nứt sau khi lực tác dụng lên mẫu đạt giá trị cực đại. Các kết quả này phản ánh được quá trình phát triển vết nứt dạng I dưới tác dụng của tải trọng mà bằng các thí nghiệm thực tế không làm được.
- Dựa trên mô hình mô phỏng đã được thiết lập sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông đền sự phát triên của vét nut. Các tac gia Cengiz Dundar, Ilker Fatih Kara (2007) có các nhận định trong quá trình thiết kế kết cầu BTCT, chuyên vị ngang (lateral drift) là môt tiêu chí thiết kế quan trọng phải được thỏa mãn để chống lại hiệu ứng “P-Delta thư cấp” lớn và các yêu câu về sử dung. Dé xác định chính xác về độ võng, các vết nứt của kết cau bê tông cot thép cân phải được xác định cùng với độ cứng chông uôn va chong cat. Kêt quả nghiên cứu chỉ ra răng việc xem xét ảnh hương của vet nứt đên độ cứng của kêt cầu băng cách giả định răng moment quán tính của toàn dâm giảm HV: Trương Chí Hùng MSSV: 10380352 _Q 50% va moment quán tính cua ca cột giảm di 80% không phải luôn luôn cho dự đoán an toàn về chuyển vị ngang (does not always guarantee a conservative prediction of the lateral drift).
Sự giảm độ cứng chống uốn của dầm và cột còn phụ thuộc vào độ lớn, vi trí của tải trọng tac dụng lên ket câu. Các tác giả Young Cheol Choi và Byung Hwan Oh (2009) đã có nhận định răng: Dữ liệu thử nghiệm vẻ ứng xử của vết nứt kết cầu bê tông dự ứng lực, đặc biệt đối với cầu dầm hộp rất hạn chế. Các tác giả Young Cheol Choi và Byung Hwan Oh đã chế tạo và thử nghiệm mot phân đoạn dầm hộp hoàn chỉnh để nghiên cứu dac tính của vết nứt và độ mở rộng vết nứt của sàn bê tông dự ứng lực ngang trong câu dầm hộp.Vết nứt theo chiều dọc điển hình ở bản nắp dầm hộp không có DUL theo phương ngang. Dự ứng lực ngang cho BMC trong câu dâm hộp chủ yêu là đê tăng chiêu dài của phần hâng và đề giảm sô lượng của vách.
Nguyên nhân của sự xuât hiện các vêt nứt dọc chủ yếu là do sự gia tăng ứng suất kéo do tải trọng tác dụng lên BMC. Trong “Design Example Precast Balanced Cantilever Bridge Design Using AASHTO LRFD Bridge Design Specifications” tac gia Teddy S. Theryo (2009) đã tiền hành phân tích một cách hệ thông các bước thiết kế cầu dầm hộp theo phương dọc và ngang. HV: Trương Chí Hùng MSSV: 10380352 Kết cấu thật 5 TH 1o, i Sơ dé tính, phụ thuộc vào pp.
thi công O A O O Hình 1. 5 Phân tích dầm hộp theo phương doc. UNIT LENGTH a GF a À- x“ A^ x Hình 1. Phân tích dầm hộp theo phương ngang (Transverse Design) 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Theo các chuyên gia Việt Nam : “ Ngày nay, kết cau BTCT lắp ghép với các tiết diện thanh mảnh được sử dụng rộng rãi, vật liệu cường độ cao được sử dụng ngày càng nhiều.
Điều đó làm cho cấu kiện bê tông cốt thép dễ có độ võng lớn và nguy cơ mở rộng khe nứt cũng lớn. Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai phải được chú ý đúng mức ” [1]. Trong bài báo “Phân tích và chan đoán dam đàn hồi có nhiều vết nứt” của các tác giả Lê Xuân Hàng, Nguyễn Thị Hiền Lương (2009), đã trình bày và có nhận xét về: Cách xác định vị trí và chiều sâu các vết nứt trong dầm công xôn băng thuật toán di truyền trên cơ sở dấu hiệu chân đoán vết nứt là tần số dao động riêng của dầm. Ma trận độ cứng của phần tử dầm có vết nứt được xây dựng dựa trên giả thuyết độ mềm cục bộ tăng lên do sự xuất hiện của vết nứt.
Vị trí và chiều sâu vết nứt được xác định băng cách cực tiêu hóa hàm mục tiêu biêu diễn sự chênh lệch HV: Trương Chí Hùng MSSV: 10380352 —10- giữa tan số riêng tinh toán và do được. Kết qua nhận được cho thay phương pháp này cho giá trị chan đoán có độ chính xác va toc độ hội tụ cao.