Luận án tiến sĩ về dầm bê tông cốt thép và sự làm việc dài hạn dưới chuyển vị cưỡng bức

Luận án tiến sĩ nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức tại gối tựa, ứng dụng trong xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Hùng
• Người hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Trung Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA BÊ TÔNG VÀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
• 1.1. Sự làm việc dài hạn của bê tông và kết cấu bê tông cốt thép
• 1.2. Từ biến của bê tông
• 1.3. Cơ chế vi mô của từ biến
• 1.4. Thành phần của từ biến
• 1.5. Biểu thức từ biến. Ảnh hưởng của từ biến tới ứng xử dài hạn trên kết cấu công trình
• 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng tới biến dạng từ biến bê tông
• 1.7. Chùng ứng suất trên kết cấu BTCT
• 1.7.1. Ảnh hưởng của chùng ứng suất tới sự làm việc của kết cấu BTCT
• 1.7.2. Cơ chế của chùng ứng suất
• 1.7.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chùng ứng suất
• 1.7.4. Thí nghiệm về chùng ứng suất
• 1.8. Mối quan hệ giữa chùng ứng suất và từ biến của bê tông
• 1.9. Phân tích ứng xử dài hạn của kết cấu BTCT làm việc chịu uốn dựa trên cơ sở đặc trưng đàn hồi của bê tông
• 1.10. Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả EMM (Effective modulus method)
• 1.11. Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh theo tuổi AEMM (Age-adjusted effective modulus method) (MC 90-93: 2010)
• 1.12. Hàm chùng ứng suất xấp xỉ ARF (Approximate Relaxation Function) (MC 90-93)
• 1.13. Thực tế làm việc của kết cấu dầm BTCT liên quan đến chùng ứng suất trên kết cấu BTCT
• 1.14. Nhận xét chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC GỐI TỰA THEO THỜI GIAN
• 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán sự làm việc dài hạn của dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa
• 2.2. Mô hình tính toán dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa
• 2.3. Độ cứng của dầm khi làm việc dài hạn
• 2.4. Chiều dài vùng nứt và độ cứng trung bình của dầm
• 2.5. Phản lực gối tựa và chùng ứng suất trong kết cấu dầm BTCT
• 2.6. Xây dựng công thức xác định chùng ứng suất trên kết cấu dầm BTCT do ảnh hưởng của chuyển vị cưỡng bức gối tựa dựa trên mô hình AEMM có điều chỉnh
• 2.7. Xác định phản lực gối tựa dầm theo thời gian
• 2.8. Xây dựng mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già
• 2.9. Nhận xét Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC CỦA GỐI TỰA
• 3.1. Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm
• 3.2. Mô hình thí nghiệm
• 3.3. Bố trí dụng cụ thiết bị đo. Quy trình thí nghiệm
• 3.4. Vật liệu chế tạo và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học
• 3.5. Tải trọng thí nghiệm trên hệ dầm BTCT. Tính toán sự suy giảm phản lực gối tựa dầm theo số liệu thực nghiệm các đặc trưng cơ học của vật liệu sử dụng chế tạo dầm
• 3.6. Kết quả thí nghiệm
• 3.7. Chuyển vị của mẫu dầm thí nghiệm do biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt gây ra (nhóm tổ mẫu dầm hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%)
• 3.8. Sự thay đổi phản lực gối tựa dầm theo thời gian
• 3.9. Chuyển vị gối tựa dầm theo thời gian
• 3.10. Ảnh hưởng của sự thay đổi phản lực gối tựa đến biến dạng của bê tông chịu nén và biến dạng kéo của cốt thép vùng kéo
• 3.11. Nhận xét chương 3
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ1 = 1,163%)
• PHỤ LỤC 2: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%)
• PHỤ LỤC 3: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ3 = 2,279%)
• PHỤ LỤC 4: Kết quả đo chuyển vị do co ngót và sự biến thiên nhiệt độ (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%)
• PHỤ LỤC 5: Kết quả đo chùng ứng suất trong bản thân thanh thép Ø6
• PHỤ LỤC 6: Kết quả đo hệ số từ biến bê tông
• PHỤ LỤC 7: Kết quả thí nghiệm cơ lý bê tông và cốt thép sử dụng cho các mẫu dầm
• PHỤ LỤC 8: Chi tiết thiết lập tính lặp trên Matlab, tính hàm chùng ER(t,t0)
• PHỤ LỤC 9: Chi tiết thiết lập tính toán sự suy giảm phản lực gối tựa dầm bằng phần mềm Maple

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng xử dài hạn của bê tông và kết cấu bê tông cốt thép

Chương này tập trung phân tích các đặc tính dài hạn của bê tông cốt thép, đặc biệt là hiện tượng từ biến và chùng ứng suất. Từ biến là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng, trong khi chùng ứng suất là sự suy giảm ứng suất khi biến dạng được duy trì. Các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến như tuổi bê tông, độ ẩm, và tỷ lệ nước/xi măng được thảo luận chi tiết. Nghiên cứu cũng chỉ ra mối quan hệ giữa từ biến và chùng ứng suất, đặc biệt trong các kết cấu chịu chuyển vị cưỡng bức.

1.1. Từ biến của bê tông

Từ biến là một trong những đặc tính quan trọng của bê tông, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và ứng xử dài hạn của kết cấu. Các thành phần của từ biến bao gồm biến dạng đàn hồi, biến dạng từ biến, và biến dạng co ngót. Các yếu tố như tuổi bê tông, độ ẩm, và tỷ lệ nước/xi măng có tác động đáng kể đến từ biến. Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả (EMM) và mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh theo tuổi (AEMM) được sử dụng để tính toán từ biến.

1.2. Chùng ứng suất trong kết cấu bê tông cốt thép

Chùng ứng suất là hiện tượng suy giảm ứng suất trong kết cấu khi biến dạng được duy trì. Hiện tượng này thường xảy ra trong các kết cấu chịu chuyển vị cưỡng bức, như dầm móng hoặc dầm liên kết cột-vách. Các yếu tố ảnh hưởng đến chùng ứng suất bao gồm tuổi bê tông, ứng suất ban đầu, và điều kiện môi trường. Các thí nghiệm về chùng ứng suất đã được thực hiện để xác định mối quan hệ giữa chùng ứng suất và từ biến.

II. Tính toán dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa

Chương này trình bày các phương pháp tính toán sự làm việc dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa. Mô hình tính toán được xây dựng dựa trên phương pháp AEMM và hàm chùng ứng suất xấp xỉ (ARF). Các yếu tố như độ cứng của dầm, chiều dài vùng nứt, và phản lực gối tựa được xem xét. Công thức xác định chùng ứng suất trên kết cấu dầm được đề xuất, dựa trên mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê tông.

2.1. Mô hình tính toán dầm BTCT

Mô hình tính toán dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức được xây dựng dựa trên phương pháp AEMM. Độ cứng của dầm được xác định dựa trên chiều dài vùng nứt và độ cứng trung bình. Phản lực gối tựa và chùng ứng suất trong kết cấu dầm được tính toán dựa trên các đặc trưng cơ học của vật liệu. Công thức xác định chùng ứng suất được đề xuất, dựa trên mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê tông.

2.2. Phân tích phản lực gối tựa

Phản lực gối tựa của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức được tính toán dựa trên các đặc trưng cơ học của vật liệu. Sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian được xác định thông qua các thí nghiệm thực nghiệm. Kết quả cho thấy sự suy giảm phản lực gối tựa phụ thuộc vào hàm lượng cốt thép và cường độ bê tông.

III. Xây dựng mô hình thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT

Chương này mô tả quá trình xây dựng mô hình thí nghiệm để nghiên cứu ứng xử dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa. Mô hình thí nghiệm bao gồm các dụng cụ đo lường, quy trình thí nghiệm, và vật liệu sử dụng. Các kết quả thí nghiệm bao gồm sự thay đổi phản lực gối tựa, chuyển vị gối tựa, và biến dạng của bê tông và cốt thép theo thời gian.

3.1. Thiết kế mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm được thiết kế để nghiên cứu ứng xử dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa. Các dụng cụ đo lường được bố trí để đo chuyển vị, phản lực gối tựa, và biến dạng của bê tông và cốt thép. Quy trình thí nghiệm được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

3.2. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự thay đổi phản lực gối tựa, chuyển vị gối tựa, và biến dạng của bê tông và cốt thép theo thời gian. Sự suy giảm phản lực gối tựa được xác định thông qua các thí nghiệm thực nghiệm, phù hợp với các tính toán lý thuyết. Các kết quả này góp phần làm sáng tỏ ảnh hưởng của chuyển vị cưỡng bức đến ứng xử dài hạn của kết cấu dầm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. 40 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC GỐI TỰA THEO THỜI GIAN. Cơ sở lý thuyết tính toán sự làm việc dài hạn của dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa. Mô hình tính toán dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa.

Độ cứng của dầm khi làm việc dài hạn. Chiều dài vùng nứt và độ cứng trung bình của dầm. Phản lực gối tựa và chùng ứng suất trong kết cấu dầm BTCT. Xây dựng công thức xác định chùng ứng suất trên kết cấu dầm BTCT do ảnh hưởng của chuyển vị cưỡng bức gối tựa dựa trên mô hình AEMM có điều chỉnh.

Xác định phản lực gối tựa dầm theo thời gian. Xây dựng mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già. Nhận xét Chương 2. 74 v CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC CỦA GỐI TỰA.

Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm. Mô hình thí nghiệm. Bố trí dụng cụ thiết bị đo. Quy trình thí nghiệm.

Vật liệu chế tạo và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học. Tải trọng thí nghiệm trên hệ dầm BTCT. Tính toán sự suy giảm phản lực gối tựa dầm theo số liệu thực nghiệm các đặc trưng cơ học của vật liệu sử dụng chế tạo dầm. Kết quả thí nghiệm.

Chuyển vị của mẫu dầm thí nghiệm do biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt gây ra (nhóm tổ mẫu dầm hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%). Sự thay đổi phản lực gối tựa dầm theo thời gian. Chuyển vị gối tựa dầm theo thời gian. Ảnh hưởng của sự thay đổi phản lực gối tựa đến biến dạng của bê tông chịu nén và biến dạng kéo của cốt thép vùng kéo.

Nhận xét chương 3. 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .PL1 Phụ lục 1: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ1 = 1,163%). PL1 Phụ lục 2: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%).

PL2 Phụ lục 3: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ3 = 2,279%). PL3 vi Phụ lục 4: Kết quả đo chuyển vị do co ngót và sự biến thiên nhiệt độ (nhóm tổ mẫu hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%). PL4 Phụ lục 5: Kết quả đo chùng ứng suất trong bản thân thanh thép Ø6. PL5 Phụ lục 6: Kết quả đo hệ số từ biến bê tông.

PL6 Phụ lục 7: Kết quả thí nghiệm cơ lý bê tông và cốt thép sử dụng cho các mẫu dầm. PL7 Phụ lục 8: Chi tiết thiết lập tính lặp trên Matlab, tính hàm chùng ER(t,t0). PL8 Phụ lục 9: Chi tiết thiết lập tính toán sự suy giảm phản lực gối tựa dầm bằng phần mềm Maple. PL9 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BTCT bê tông cốt thép CƯS chùng ứng suất TCVN tiêu chuẩn Việt Nam ACI tiêu chuẩn Hoa Kỳ EC2 tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 1 độ cong của cấu kiện r b, h chiều rộng, chiều cao tiết diện khoảng cách từ mép chịu kéo của tiết diện đến trọng tâm cốt a thép chịu kéo khoảng cách từ mép chịu nén của tiết diện đến trọng tâm cốt a' thép chịu nén As , As' diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo, nén Ac diện tích tiết diện ngang của bê tông Ared diện tích tiết diện quy đổi B cấp độ bền của bê tông Rb , fc cường độ nén tính toán của bê tông Ec mô đun đàn hồi bê tông Eeff mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh Es mô đun đàn hồi cốt thép C (t , t0 ) , J (t , t0 ) độ từ biến (hàm từ biến riêng)  (t , t0 ) , t hệ số từ biến bê tông u hệ số từ biến cuối cùng  (t , t0 ) hệ số già của bê tông R (t , t0 ) ; ER (t , t0 ) hàm chùng ứng suất t0 thời gian chất tải t thời gian tính toán viii RH độ ẩm môi trường N/X tỷ lệ nước trên xi măng M crc mô men kháng nứt s hệ số quy đổi cốt thép về bê tông x chiều cao bê tông vùng nén I red mô men quán tính của tiết diện quy đổi D độ cứng của cấu kiện  (t , t0 ) chuyển vị gối tựa RB (t , t0 ) phản lực gối tựa  (t ) biến dạng toàn phần  in (t ) biến dạng ban đầu (đàn hồi)  cr (t ) biến dạng từ biến bê tông  sh (t ) biến dạng co ngót bê tông  th (t ) biến dạng nhiệt   ,c ;  RH ,c ;  s,c ;  ,c hệ số xét đến tuổi chất tải, độ ẩm môi trường, độ sụt, hàm 0 lượng đá trong hỗn hợp, lượng khí trong hỗn hợp, kích thước   a ,c ;  v / s ,c cấu kiện khi tính độ từ biến trong tiêu chuẩn ACI C (,28) giá trị giới hạn độ từ biến theo viện bê tông Nga  c (t , 0 ) hệ số kể đến sự phát triển từ biến theo thời gian trong EC2 D1-10, D2-10, Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt D3-10, D4-10 thép (2Ø10 – μ1 = 1,163 %) D1-12, D2-12, Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt D3-12, D4-12 thép (2Ø12 – μ2 = 1,675 %) D1-14, D2-14, Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt D3-14, D4-14 thép (2Ø14 – μ3 = 2,279 %) ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: 1/2 thời gian chùng (r) và phần trăm cuối (Q) .1: Kết quả tính toán mô đun đàn hồi và hệ số từ biến bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode 2 (EC2), [49] .2: Kết quả tính toán hệ số từ biến, hệ số già theo thời gian .3: Kết quả tính toán độ cứng dầm theo thời gian (cốt thép đơn) .4: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian .5: Kết quả tính toán ứng suất trong cốt thép chịu kéo .6: Kết quả tính toán độ cứng dầm theo thời gian.7: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian .8: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian (khi cường độ tính toán của bê tông thay đổi).9: Thay đổi thông số ban đầu của phản lực gối tựa dầm.10: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa tương ứng với 3 giá trị phản lực gối tựa ban đầu thay đổi.11: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa tương ứng với 3 hàm lượng cốt thép vùng kéo thay đổi.1: Cấp phối vật liệu chế tạo.

95 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Các thành phần biến dạng của bê tông. 1 Hình 2: Kết cấu dầm BTCT làm việc dài hạn do chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa liên kết .1: Các thành phần độ võng của dầm BTCT……………………………….2: Đặc điểm của từ biến [23] .3: Sơ đồ cấu trúc lực dính xi măng [61].4: Biến dạng phụ thuộc thời gian trong bê tông [28] .5: Các thành phần từ biến có thể phục hồi và không thể phục hồi [66] .6: Biến động của ứng suất theo thời gian do từ biến trên cấu kiện cột chịu tải trọng nén dọc trục [66] .7: Biến động của mô men uốn theo thời gian do từ biến trên dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa [66] .8: Chùng ứng suất theo thời gian khi biến dạng không đổi [23] .9: Tác dụng của chùng ứng suất khi kéo làm kéo dài sự phát triển của vết nứt trong trường hợp co ngót hạn chế [85] .10: Ảnh hưởng của tuổi chất tải lên sự chùng ứng suất trong bê tông chịu biến dạng ban đầu bằng nhau [28] .11: Chùng ứng suất ở độ tuổi 2, 7 và 28 ngày [44] .12: Chùng ứng suất và ứng suất dư trong bê tông [28] .13: Kết quả chùng ứng suất sau 72 giờ của vữa sửa chữa, với các mẫu N/X bằng 0,60 và 0,45 [82] .14: Ảnh hưởng của SF đến chùng ứng suất trên hỗn hợp N/X= 0,4 [28] .15: Ảnh hưởng của ứng suất ban đầu đến quá trình chùng ứng suất [104] .16: Giảm ứng suất do chùng ứng suất [74] .17: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chùng ứng suất [28] .18: Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến chùng ứng suất [84] .19: Thí nghiệm chùng ứng suất trên mẫu bê tông chịu biến dạng kéo [82]30 Hình 1.20: Kết quả thí nghiệm chùng ứng suất sau 3 ngày với tỷ lệ ứng suất thử 80% [89] .21: Thí nghiệm chùng ứng suất trên mẫu bê tông chịu biến dạng nén [70] .22: Kết quả thí nghiệm chùng ứng suất trong 168 giờ, với tỷ lệ ứng suất thử 60% [70] .23: Thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT dưới tác dụng đồng thời của tải trọng nhiệt và chuyển vị cưỡng bức gối tựa [76] .24: Sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian của 04 mẫu dầm BTCT thí nghiệm [76] .25: Mô hình thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT hai nhịp chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa và tải trọng sử dụng [78] .26: Sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian [78] .27: Chùng ứng suất trong dầm móng BTCT .28: Chùng ứng suất trong dầm liên kết cột – vách nhà cao tầng .1: Chuyển vị cưỡng bức của gối tựa dầm móng BTCT do sự chênh lún giữa các đài móng……………………………………………………………………………….2: Chuyển vị cưỡng bức tại gối tựa dầm BTCT (dầm liên kết cột – vách nhà cao tầng) khi có độ chênh co giữa các cấu kiện cột, vách BTCT .3: Sơ đồ tương đương tính toán dầm .4: Sơ đồ tính toán dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa .5: Sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm khi chưa nứt [1].6: Sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm khi nứt [1].7: Sơ đồ phân vùng nứt và không nứt trên dầm .8: Suy giảm phản lực gối tựa và mô men uốn của dầm theo thời gian .9: Sơ đồ tính toán độ cong của dầm theo thời gian.10: Tính toán ER(t,t0) bằng phần mềm Matlab .11: Biểu đồ quan hệ hệ số từ biến bê tông - thời gian.12: Biểu đồ quan hệ hệ số già bê tông - thời gian.13: Biểu đồ sự thay đổi của hệ số từ biến, hệ số già của bê tông theo thời gian (trường hợp fc = 30 MPa) .