Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm

1

MỞ ĐẦU
Tên luận án: Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn cột bê
tông cốt thép chịu nén đúng tâm.
1.
Tính cấp thiết của đề tài
Cột bê tông cốt thép (BTCT) trong kết cấu nhà nhiều tầng là cấu kiện
chịu nén theo thời gian.Trong giai đoạn thiết kế, thi công và giai
đoạn sử dụng đã xuất hiện một số vấn đề liên quan đến sự làm việc
dài hạn của cột BTCT chịu nén như sau:
- Sự chênh lệch kết quả biến dạng dài hạn dự đoán trong giai đoạn
thiết kế và kết quả đo bằng thực nghiệm trong giai đoạn thi công đã
và đang xẩy ra trong thực tế hiện nay. Sự chênh lệch này chủ yếu
do co ngót và từ biến gây ra.
- Hiện tượng biến dạng dài hạn đã gây ra sự co ngắn dọc trục không
đều ( vênh co) giữa các kết cấu chịu lực đứng ( cột, vách, lõi) dẫn
đến sự phân phối lại nội lực trong kết cấu và giữa các kết cấu; ảnh
hưởng đến nứt vỡ bề mặt kiến trúc và ảnh hưởng đến các hệ thống
kỹ thuật trong tòa nhà cao tầng.
Hiện nay có nhiều phương pháp xác định biến dạng co ngắn dọc trục
kết cấu chịu nén BTCT( cột, vách, lõi). Tuy nhiên các phương pháp
này chưa phù hợp với điều kiện môi trường ở Việt Nam.
Từ phân tích trên đây, xác định biến dạng co ngắn dài hạn dọc trục
của cột bê tông cốt thép trong điều kiện khí hậu ở Việt nam là điều
cần thiết. Luận án này thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về biến
dạng dài hạn dọc trục cột BTCT chịu nén đúng tâm trong điều kiện
khí hậu ở Hà Nội. Trên cơ sở số liệu thực nghiệm thu được phân tích
và đưa ra các kết quả về tính chất cơ lý, sử dụng cho tính biến dạng
co ngắn dài hạn của cột BTCT.
2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án:
- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn cột BTCT chịu nén
đúng tâm trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội.
- Nghiên cứu thực nghiiệm về tính chất cơ lí Bê tông có liên quan
đến biến dạng dài hạn cụ thể là: cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi
và hệ số từ biến, co ngót bê tông.


2

- Nghiên cứu các phương pháp xác định biến dạng dài hạn của cấu
kiện bê tông. Từ đó áp dụng và đề xuất phương pháp tính biến dạng
dài hạn cho kết cấu cột bê tông cốt thép.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là cấu kiện cột BTCT chịu nén đúng tâm chịu
tải trọng dài hạn.
4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài liên quan tới:
- Nghiên cứu thực nghiệm về cột BTCT chịu nén đúng tâm, chịu tải
trọng dài hạn, trong môi trường khí hậu ở Hà Nội. Cột bê tông cốt
thép có tiết diện tròn, với bố trí cốt thép doc theo chu vi, cốt thép
đai xoắn.
- Nghiên cứu thực nghiệm với bê tông có cấp độ bến chịu nén nhỏ
hơn B60, cốt thép CII, sử dụng vật liệu địa phương ở khu vực Hà
Nội.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về các tính chất cơ lý của bê
tông như: cường độ chịu nén; mô đun đàn hồi; từ biến và co ngót
bê tông.
- Nghiên cứu các phương pháp xác định biến dạng dọc trục của cột
BTCT chịu tải dài hạn.

5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về biến dạng dài hạn của cấu kiện BTCT
chịu nén chịu tải trọng dài hạn.
- Nghiên cứu lý thuyết về cường độ, mô đun đàn hồi, biến dạng co
ngót, từ biến bê tông.
- Nghiên cứu các mô hình dự báo biến dạng từ biến, co ngót bê tông.
- Nghiên cứu các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn của cấu
kiện bê tông. Qua đó, nghiên cứu áp dụng các phương pháp đó vào
xác định biến dạng dài hạn cho cấu kiện BTCT.
- Nghiên cứu các phương pháp xác định biến dạng co ngắn cho cấu
kiện cột BTCT chịu tải trọng dài hạn. Qua đó, nghiên cứu đề xuất
phương pháp xác định biến dạng dài hạn của cột BTCT phù hợp
với tính chất vật liệu bê tông khi làm việc dài hạn trong điều kiện
khí hậu ở Hà Nội.
- Xây dựng mô hình xác định hệ số từ biến bê tông.


3

- Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu nén đúng tâm, chịu tải
trọng dài hạn trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội.
6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm và kết
hợp với nghiên cứu lý thuyết.
7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu đề tài này đã đem lại ý nghĩa khoa học cũng như ý nghĩa
về thực tiễn, như:
- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn Cột BTCT chịu nén
đúng tâm trong môi trường khí hậu ở Hà Nội. Bộ số liệu thu được
là tài liệu có ý nghĩa giúp cho các nghiên cứu liên quan đến sự làm

việc dài hạn của cột BTCT trong môi trường khí hậu ở Hà Nội.
- Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất hệ số từ biến bê tông phù hợp với
điều kiện khí hậu ở Hà Nội. Đây là một chỉ tiêu cơ lý quan trọng
của bê tông, cũng là yếu tố đầu vào cho nhiều mô hình tính toán
của các nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm trong điều
kiện khí hậu ở Hà Nội.
- Đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cột BTCT
chịu nén, chịu tải trọng dài hạn. Phương pháp này đã sử dụng mô
đun đàn hồi theo thời gian, cùng với hệ số từ biến được xác định từ
thực nghiệm trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội và biến dạng co ngót
của bê tông.
8. Những điểm mới của luận án.
- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột BTCT chịu
nén đúng tâm. Từ nghiên cứu này đã đưa ra được bộ số liệu về biến
dạng dài hạn của cột BTCT làm việc dài hạn trong điều kiện khí
hậu ở Hà Nội.
- Đề xuất hệ số từ biến bê tông được xác định từ thực nghiệm trong
điều kiện khí hậu ở Hà Nội.
- Đề xuất phương pháp tính biến dạng dài hạn cho kết cấu cột BTCT
phù hợp với tính chất làm việc dài hạn của vật liệu bê tông, trong
điều kiện khí hậu ở Hà Nội.
9. Cấu trúc luận án
Luận án gồm 3 chương và phần kết luận, kiến nghị, phần phụ lục.
Tổng số trang luận án là 110 trang và phần phụ lục.
Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến đề tài.


4

Chương 2. Biến dạng dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm.

Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT chịu nén đúng tâm,
chịu tải trọng dài hạn.
*****
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Các nội dung lý thuyết liên quan đề tài.
1.1.1. Co ngót và từ biến bê tông
- Các tính chất, các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến, co ngót bê tông.
- Phương pháp biểu diễn co ngót và từ biến bê tông
- Hệ số từ biến và co ngót theo tiêu chuẩn: ACI 209-2008; GL2000;
EN 1992:2004; B3; Tiêu chuẩn Nga
1.1.2. Các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn của cấu
kiện bê tông
- Phương pháp sử dụng Mô đun đàn hồi hiệu quả (The Effective
Modulus Method- EMM)
- Phương pháp hệ số từ biến (The Rate of Creep Method-RCM)
- Phương pháp Mô đun hiệu quả điều chỉnh, AEMM( The AgeAdjusted Effective Modulus Method – AEMM).
1.1.3. Các phương pháp xác định biến dạng co ngắn dài hạn
cho cột BTCT
- Phương pháp M.Fintel, H.Iyenger và S.K. Ghosh.
- Phương pháp Read M. Samra.
1.2. Tình hình nghiên cứu về biến dạng dài hạn của cột BTCT.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở trên thế giới
1.2.1.1. Các nghiên cứu của Davis and Davis, Richart và Staehle,
Slater và Lyse.
Các nghiên cứu thực nghiệm của Davis and Davis; Richart và
Staehle; Slater và Lyse đã đưa ra được một số nhận xét sau đây:
- Đối với những mẫu không có cốt thép thì tổng từ biến và co ngót
sau 18 tháng gần bằng 6 lần so với biến dạng tức thời xẩy ra ngay
sau khi chất tải.

- Đối với mẫu có cốt thép dọc tổng biến dạng từ biến và co ngót sau
18 tháng gần bằng 4 lần so với biến dạng tức thời.


5

- Quá trình thí nghiệm đã nhận thấy có sự phân phối lại ứng suất
giữa bê tông và cốt thép khi cột BTCT chịu tải dài hạn, ứng suất cốt
thép tăng dần và ứng suất trong bê tông giảm dần.
- Hầu hết các mẫu thí nghiệm cho thấy từ biến và co ngót đều xẩy ra
trong thời gian đầu chịu tải.
1.2.1.2. Nghiên cứu của Roslin Binti Omar (2009).
Roslin Binti Omar đã nghiên cứu về “ Dự báo biến dạng theo thời
gian của bê tông thường trong điều kiện khí hâu nhiệt đới”. Một số
kết quả nghiên cứu đã đạt được:
- Đối với bê tông cường độ cao thì từ biến và co ngót sẽ nhỏ hơn so
với bê tông cường độ thấp.
- Co ngót và từ biến trong điều kiện môi trường xung quanh có độ
ẩm thay đổi sẽ thấp hơn trong môi trường có độ ẩm không đổi bằng
50%.
- Co ngót và từ biến đo được từ thực nghiệm có giá trị nhỏ hơn so
với giá trị của các mô hình đã dự báo.
1.2.1.3. Nghiên cứu của HN Praveen Moragaspitiya (2011)
Nghiên cứu này đã đề cập đến những vấn đề sau:
- Đưa ra một qui trình giám sát xây dựng có sự kết hợp với quá trình
thi công để xác định co ngắn dọc trục có sử dụng các quan trắc đo
liên quan đến các yếu tố có tính chất động (tiến độ, qui trình thi
công,..).
- Kết hợp ảnh hưởng của những tham số thời gian như: trình tự xây
dựng, từ biến, co ngót, Modulus đàn hồi bê tông ban đầu vào qui

trình giám sát xây dựng đã đề xuất ở trên.
1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam.
Nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Bình, Nguyễn Trung Hiếu [15] đã thực
hiện nghiên cứu thực nghiệm (2013) về biến dạng co ngót trong điều
kiện khí hậu Việt Nam. Nghiên cứu tiến hành tại Phòng thí nghiệm
và Kiểm định công trình, Trường Đại học Xây Dựng, đã đưa ra một
số kết luận có liên quan đến nội dung luận án như sau:
- Dự báo biến dạng co ngót theo điều kiện khí hậu Việt Nam bằng
các mô hình: ACI 209R, EC2, CEB 2010, TCVN 3117:1993 cho
kết quả chênh lệch so với số liệu thực nghiệm đo được là khá lớn.


6

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng co ngót bê tông với
điều kiện môi trường theo tiêu chuẩn Việt Nam đo được trong vòng
2 năm có giá trị dao động từ (278.8  521.3)x10-6 [19].
1.3.1.1. Kết quả phân tích công trình Keangnam và Lotte
Hai tổ hợp công trình Keangnam và Lotte được xây dựng trên địa
bàn Hà Nội, trong quá trình thi công đã tiến hành đo thực nghiệm
biến dạng co ngắn của cột, vách và lõi [54],[55]. Cả hai công trình
này đều cho thấy kết quả tính co ngắn của cột tính với số liệu đầu
vào từ thực nghiệm hiện trường nhỏ hơn nhiều so với kết quả dự báo
trước đó với số liệu đầu lấy theo mô hình PCA (Mỹ). Trong báo báo
này đã chỉ ra rằng từ biến và co ngót bê tông xác định bằng thí
nghiệm ở hiện trường bé hơn so với kết quả dự báo ở trong giai đoạn
thiết kế bằng mô hình PCA.
1.3.1.2. Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 – Kết cấu bê tông và bê tông
cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế
Trong tiêu chuẩn Việt Nam 5574:2012 – Kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép chưa đề cập đến qui trình xác định biến dạng dài hạn dọc
trục cho kết cấu bê tông cốt thép chịu nén.
1.4. Nhận xét chương 1
Qua nghiên cứu tổng quan về các nghiên cứu của đề tài ở trên, ta
nhận thấy một số vấn đề sau đây cần quan tâm:
- Ảnh hưởng biến dạng co ngắn dọc trục khác nhau trong các cấu
kiện BTCT chịu lực theo phương đứng (cột, vách, lõi) đối với nhà
cao tầng BTCT đã gây ra những bất lợi đáng kể cho công trình.
Biến dạng co ngắn này chính là biến dạng dài hạn dọc trục của cấu
kiện chịu nén khi xét đến qui trình, tiến độ thi công. Như vậy, trong
thiết kế nhà cao tầng cần dự báo được biến dạng dọc trục của các
kết cấu đứng, để qua đó có các biện pháp nhằm giảm thiểu hiện
tượng “vênh co ngắn”. Các vấn đề này đến nay vẫn chưa dành được
nhiều sự quan tâm của các nghiên cứu ở trong nước, hơn nữa trong
tiêu chuẩn hiện hành Việt Nam cũng chưa đề cập đến.
- Chưa có các nghiên cứu thực nghiệm nào trong nước về cấu kiện
cột Bê tông cốt thép chịu nén dài hạn để đánh giá sự làm việc của
cột trong điều kiện khí hậu môi trường ở Việt Nam.
- Các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn hiện nay chỉ áp dụng
cho tiết diện bê tông, với qui trình tính toán khá phức tạp. Bên cạnh


7

đó các mô hình về vật liệu chỉ phù hợp trong một điều kiện môi
trường cụ thể.
Để đánh giá biến dạng dài hạn của kết cấu bê tông cốt thép trong môi
trường Việt Nam cần tiến hành các nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm. Các nghiên cứu này đã và đang được tiến hành ở Việt Nam,
trong đó có Trường Đại học Xây dựng [14],[15].

1.5. Đề xuất hướng nghiên cứu
Từ những nhận xét ở trên, luận án đề xuất các hướng nghiên cứu sau
đây:
- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn dọc trục của cột
BTCT chịu nén trong môi trường khí hậu Hà Nội.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hệ số từ biến bê tông. Từ
đó xây dựng mô hình thí nghiệm để xác định hệ số từ biến bê tông
phù hợp điều kiện khí hậu Hà Nội.
- Nghiên cứu các phương pháp phân tích biến dạng dài hạn của kết
cấu bê tông và áp dụng để xác định biến dạng dài hạn của cấu kiện
cột kết cấu bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm.
- Đề xuất phương pháp xác định biến dạng co ngắn dài hạn của cột
BTCT chịu nén đúng tâm. Với đặc trưng về vật liệu (hệ số từ biến,
mô đun đàn hồi bê tông) được xác định từ thực nghiệm trong điều
kiện khí hậu ở Hà Nội.
*****


8

Chương 2
BIẾN DẠNG DÀI HẠN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM
2.1 Biến dạng co ngót của cột bê tông cốt thép
Xét cột bê tông cốt thép có cốt thép bố trí đối xứng (Hình 2-3).

Hình 2-2: Biến dạng của cột bê tông cốt thép do co ngót
a/ Biến dạng co ngót tự do của bê tông
b/ Biến dạng co ngắn cột bê tông cốt thép
Qua nghiên cứu đề xuất đã đưa ra công thức xét ảnh hưởng của cốt

thép đến biến dạng co ngót của bê tông thông qua hệ số ks sau:
ks 

1
1  n 1  0.8t 

2.2 Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm

Hình 2-3. Cột BTCT chịu nén theo thời gian

(2-1)


9

Xây dựng công thức xác định hệ số từ biến bê tông như Hình 2-3.
Cột BTCT với tiết diện tròn, chịu lực P không đổi, cốt dọc chịu lực
As và cốt đai vòng với bước s.
Các yếu tố của cốt dọc và cốt đai được xem xét trong bài toán tính
biến dạng dài hạn của cột BTCT.
2.2.1 Ứng suất cốt đai khi cột chịu nén

Hình 2-4. Sự ảnh hưởng của cốt đai đến sự làm việc dài
hạn của cột BTCT
Hình 2-4 ở trên thể hiện sự ảnh hưởng của cốt đai đến cường độ của
cột BTCT bê tông. Khi cột BTCT chịu nén sẽ sinh ra ứng suất đẩy
theo phương ngang và biến dạng nở hông. Khi đó trong cốt đai phát
sinh lực kéo vòng T, lực này tác dụng trở lại lên bê tông một lực
phân bố đều q.
Ứng suất cốt đai theo phương dọc tại thời điểm t:

𝑓đ. 𝜎𝑐đ (𝑡)
𝑓đ. 𝜎𝑐đ (𝑡)
(2-2)
𝜎đ (𝑡) = 2. .
. 𝐸𝑐 = 2. .
𝑠. 𝑅. 𝐸𝑐
𝑠. 𝑅
2.2.2 Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm
Xét cột chịu lực như Hình 2-4, tại thời điểm t ta có các phương trình
cân bằng:
Phương trình cân bằng lực:
𝑃 = 𝑁𝑐 (𝑡) + 𝑁𝑠 (𝑡) =
(2-3)
= 𝜎𝑐 (𝑡). 𝐴𝑐 + 𝜎𝑠 (𝑡). 𝐴𝑠
𝑓đ. 𝜎𝑐đ (𝑡)
+ 2. .
. 𝐴𝑙õ𝑖
𝑠. 𝑅
Trong các công thức trên:
fđ: diện tích tiết diện thanh cốt đai
s: bước cốt đai
Phương trình cân bằng biến dạng dọc:


10

𝜀𝑐 (𝑡) = 𝜀𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡)
và
-

𝜀đ (𝑡) = 2. 𝜀𝑐 (𝑡) = 2. . 𝜀(𝑡)
Quan hệ ứng suất – biến dạng( coi sh =0):
𝜎𝑐 (𝜏0 )
∆𝜎𝑐 (𝑡)
(1 + 𝜑𝑡 ) −
(1 + 0.8𝜑𝑡 )
𝜀(𝑡) =
𝐸𝑐 (𝜏0 )
𝐸𝑐 (𝑡)

Và
𝜎𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡). 𝐸𝑠

𝜎đ (𝑡) = 𝜀(𝑡). 𝐸𝑠

đℎ (𝑡) =  𝑇𝐵 (𝑡) = 0.2

Từ đó xác định được hệ số từ biến bê tông như sau:
 .E  t    c  0    c (t )
t  t c
 c  0   0,8. c (t )

(2-4)
(2-5)

(2-6)
(2-7)

(2-8)

2.3 Ứng dụng phương pháp AEMM và Samra vào tính toán biến
dạng dài hạn cấu kiện Bê tông cốt thép.

Hình 0-5: Cột BTCT chịu nén đúng tâm, cốt thép đối xứng
Sử dụng AEMM, Samra để phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng
dài hạn của cột BTCT như mô hình Hình 2.2. Cho Cột bê tông cốt
thép, chịu nén tâm theo thời gian, nén tại thời điểm o với lực P.
Ta có các phương trình cân bằng sau:
𝑃 = 𝑁𝑐 (𝑡) + 𝑁𝑠 (𝑡) = 𝜎𝑐 (𝑡). 𝐴𝑐 + 𝜎𝑠 (𝑡). 𝐴𝑠
𝜀𝑐 (𝑡) = 𝜀𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡)
 c (t )   c ( 0 )   c (t )

(2-9)
(2-10)


11

- Theo phương pháp AEMM quan hệ ứng suất – biến dạng tại thời
điểm t được biểu diễn theo công thức
𝜎𝑜 (𝜏𝑜 )
∆𝜎𝑐 (𝑡)
𝜀(𝑡) =
+
+ 𝜀𝑠ℎ (𝑡)
(2-11)
𝐸𝑒 (𝑡, 𝜏𝑜 ) 𝐸𝑒𝑓𝑓 (𝑡, 𝜏𝑜 )
Ứng suất thay bê tông c(t) được xác định như sau:

1 P

 c (t ) 
(2-12)
   c ( 0 )(1  ne,0  )   sh (t ) E s  
1  ne,0   Ac

- Phương trình xác định biến dạng dài hạn cột BTCT theo phương
pháp Samra như sau:
𝜎𝑐 (𝜏0 )
∆𝜎𝑐 (𝑡)
(1 + 𝜑𝑡 ) −
(1 + 0.8𝜑𝑡 )
𝜀(𝑡) =
(2-13)
𝐸𝑐
𝐸𝑐
+ 𝜀𝑠ℎ(𝑡)
Ta đặt:
𝜎𝑐 (𝜏0 )
∆𝜎𝑐 (𝑡)
(1 + 𝜑𝑡 ) −
(1 + 0.8𝜑𝑡 )
(2-14)
𝜀𝑐 (𝑡) =
𝐸𝑐
𝐸𝑐
Như vậy phương trình (2-11) gồm 2 thành phần: Thành phần biến
dạng từ biến (bao gồm biến dạng tức thời) và thành phần biến dạng
co ngót.
(𝑡) = 𝜀𝑐 (𝑡) + 𝜀𝑠ℎ,𝑠 (𝑡)
(2-15)

Với biến dạng co ngót 𝜀𝑠ℎ,𝑠 (𝑡) có thể được xác định riêng.
Áp dụng nguyên lý cộng tác dụng, ta tách tính toán riêng phần biến
dạng từ biến.
Biến đổi phương trình (2-14) ta được ứng suất trong bê tông tại thời
điểm t:
1 + n(1 − 0.2𝜑𝑡 ). 𝜇
(2-16)
𝜎𝑐 (t) = 𝜎𝑐 (𝜏0 ) [
]
1 + 𝑛(1 + 0.8𝜑𝑡 ). 𝜇
Với
𝐸𝑠
𝑛=
𝐸𝑐
Và ứng suất cốt thép tại thời điểm t:
𝜎𝑐 (𝑡)
𝜎𝑠 (t) = 𝑛𝜎𝑐 (𝜏0 ) [(1 − 0.8)𝜑𝑡 +
(1
𝜎𝑐 (𝜏0 )
(2-17)
+ 0.8𝜑𝑡 ]


12

Từ đó xác định biến dạng dài hạn:
𝜀(𝑡) = 𝜎𝑠 (𝑡)/𝐸𝑠
2.4 Đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cột BTCT
chịu nén
Để phản ánh tính chất vật liệu bê tông làm việc theo thời gian, đã đề

xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cấu kiện chịu cột
BTCT đưa vào mô đun đàn hồi thay đổi theo thời gian.
Xem xét cột BTCT chịu nén như Hình 2-5 cột chịu lực nén P không
đổi.
Phương trình quan hệ ứng suất – biến dạng sử dụng mô đun đàn hồi
theo thời gian như sau:
𝜎𝑐 (𝜏0 )
∆𝜎𝑐 (𝑡)
(1 + 𝜑𝑡 ) −
(1 + 0.8𝜑𝑡 )
𝜀(𝑡) =
(2-18)
𝐸𝑐 (𝜏0 )
𝐸𝑐 (𝑡)
+ 𝜀𝑠ℎ (𝑡)
Tính tách riêng phần biến dạng do tác dụng của tải trọng, do đó:
𝜎𝑐 (𝜏0 )
∆𝜎𝑐 (𝑡)
(1 + 𝜑𝑡 ) −
(1 + 0.8𝜑𝑡 )
(2-19)
𝜀(𝑡) =
𝐸𝑐 (𝜏0 )
𝐸𝑐 (𝑡)
Với ∆𝜎𝑐 = 𝜎0 − 𝜎𝑐, (𝑡), thay vào phương trình (2-19) và kết hợp với
(2-9) biến đổi ta được:
1 − n0 .  + 𝑛𝑡 . . (1 + 0.8𝜑𝑡 )
𝜎𝑐 (t) = 𝜎𝑐 (𝜏0 ) [
] (2-20)
1 + . 𝑛𝑡 (1 + 0.8𝜑𝑡 )

Với
𝜎𝑠 (𝑡) = 𝜀(𝑡). 𝐸𝑠
𝜎𝑠 (t) = n0 . 𝜎𝑐 (𝜏0 ). (1 + 𝜑𝑡 ) − 𝑛𝑡 . (𝜎𝑐 (𝜏0 )
(2-21)
− 𝜎𝑐 (t))(1 + 0.8𝜑𝑡 )
Trong đó:
𝐸𝑠
𝑛𝑡 =
𝐸𝑐 (𝑡)
Phương pháp đề xuất đã phản ánh đầy đủ hơn về tính thực chất của
vật liệu bê tông khi làm việc dài hạn.
2.5 Nhận xét chương 2
- Đưa ra công thức xác định biến dạng co ngót bê tông. Công thức
này đã được xây dựng trên cơ sở lý thuyết về cột bê tông cốt thép
có cốt thép chịu nén đúng tâm, bố trí đối xứng.


13

- Xây dựng qui trình và công thức xác định hệ số từ biến của bê tông
bằng thực nghiệm. Công thức phản ánh được các tính chất lý luyết
của hệ số từ biến bê tông, như tính chất biến đổi theo thời gian.
Trên cơ sở đó tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tìm ra hệ số từ
biến bê tông trong điều kiện môi trường khí hậu ở Việt Nam.
- Nghiên cứu áp dụng phương pháp AEMM và Samra để xác định
biến dạng dài hạn cho cấu kiện cột bê tông cốt thép chịu nén. Các
phương pháp này có những ưu điểm và nhược điểm riêng và có
những phạm vị ứng dụng khác nhau. Cả hai phương pháp còn tồn
tại nhược điểm vào tính toán vì đã xem mô đun đàn hồi là hằng
số.

- Phương pháp đề xuất xác định biến dạng dài hạn cho cột BTCT
chịu nén đúng tâm, trong đó sử dụng mô đun đàn hồi theo thời gian
và biến dạng co ngót.
Chương 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CHỊU TẢI TRỌNG DÀI HẠN
3.1 Lựa mô hình cột bê tông cốt thép thí nghiệm
Mô hình thí nghiệm là các mẫu cột BTCT hình trụ, đường kính cột D
= 150mm, chiều cao cột H = 600mm . Gồm hai nhóm mẫu thí
nghiệm như sau:
- Nhóm mẫu 1: 04 mẫu cột BTCT với hàm lượng 1,5%, ký hiệu 𝑀𝐼 .
- Nhóm mẫu 2: 04 mẫu cột BTCT với hàm lượng 2,0%, ký hiệu 𝑀𝐼𝐼 .
- 04 mẫu, gồm 03 Cột BTCT có tải và 01 mẫu cột BTCT không tải.
Chi tiết xem Hình 3-1.

a- Mẫu hàm lượng cốt thép dọc 1,5

b- Mẫu hàm lượng cốt thép dọc 2,0


14

%
%
Hình 3-1. Chi tiết cấu tạo các mẫu cột BTCT thí nghiệm
3.2 Vật liệu chế tạo mẫu cột BTCT và các thí nghiệm xác định
đặc trưng cơ học.
3.2.1 Vật liệu bê tông
Cấp phối vật liệu chế tạo bê tông sử dụng để chế tạo các mẫu cột
BTCT như Hình 3-1 sau.

Bảng 3-2. Cấp phối vật liệu chế tạo bê tông (kg/m3)
Xi măng
Cát vàng
Đá dăm 1x2
Nước
PCB 40
489 (kg)
464 (kg)
1263 (kg)
193 (lít)
3.2.2 Vật liệu thép
Cốt thép sử dụng để chế tạo mẫu bê tông gồm hai loại: cốt
thép dọc 8 gai và cốt thép đai 4. Thí nghiệm kéo xác định cường
độ của thép được thực hiện theo quy định trong tiêu chuẩn TCVN
197: 2002 “ Vật liệu kim loại- Thử kéo ở nhiệt độ thường”. Kết quả
thu được cho thấy cốt thép dọc 8 thuộc nhóm thép CII và cốt thép
đai 4 thuộc nhóm thép CI.
3.2.3 Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của bê tông
3.2.3.1 Thí nghiệm xác định cường độ nén
Bảng 3-3.Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén bê tông
Tuổi bê tông
7
14
21
28
60
90
(ngày)
Cường độ chịu
27.4

30.6
31.6
32.5
38.0
38.3
nén (MPa)
Cường độ chịu
nén (MPa)

50
40
30
20
10
0
0

30

60
Tuổi bê tông (ngày)

90

120

Hình 3-2. Biểu đồ sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian
3.2.3.2 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông
Bảng 3-4. Kết quả mô đun đàn hồi thí nghiệm
Tuổi bê tông

7

14

21

28

60

90

120


15

(ngày)
Mô đun đàn
hồi (MPa)

35800

36500

36980 37550

37695

37780

38200

Mô đun đàn hồi (MPa)

50000
40000
30000
20000
10000
0
0

30

60
90
Tuổi bê tông (ngày)

120

150

Hình 3-4. Biểu đồ sự phát triển mô đun đàn hồi của bê tông theo thời
gian
3.3 Thiết kế thí nghiệm mẫu cột BTCT chịu tác dụng của tải
trọng dài hạn
3.3.1 Giá trị của tải trọng thí nghiệm
Giá trị tải trọng thí nghiệm: Ptn = 170 KN.

3.3.2 Thiết bị tạo tải trọng tác dụng dài hạn lên cột
Sơ đồ hệ khung gia tải cấu tạo như Hình 3-5 sau.

1- Bệ đế thép; 2 – lò xo; 3-giá thép; 3a – giá thép trên mẫu; 4-


16

khung giữ tải.
5- Mẫu cột BTCT; 6 – kích; 7 – khung ban đầu; 8- Load – Cell; 9 –
Indicator
Hình 3-5. Sơ đồ hệ gia tải
Hình 3-6. Hình ảnh hệ gia tải



Hình 3-7. Sơ đồ thí nghiệm nén mẫu cột BTCT chịu nén
Lựa chọn các lò xo tạo tải trọng nén lên mẫu:

Lò xo nén hình trụ được thiết kế như Hình 3-8 sau:
140
120
Lực nén tác dụng (kN)

y = 97.586x + 0.3399
R² = 0.9919

100
80
60

40
20
0
0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

Độ co của lò xo (mm)

Hình 3-8. Chi tiết cấu tạo lò
Hình 3-9. Quan hệ lực nén và biến
xo
dạng lò xo
 Kiểm soát tải trọng nén của lò xo tác dụng lên mẫu thí nghiệm


17

Sử dụng đồng hồ gắn vào lò xo để kiểm soát lực tác dụng lên mẫu
thông qua biến dạng của lò xo. Sơ đồ bố trí xem Hình 3-10 sau.

Hình 3-10. Bố trí đồng hồ đo biến dạng lò xo

3.3.3


Bố trí các dụng cụ đo biến dạng
Lựa chọn dụng cụ đo. Dụng cụ đo được bố trí như Hình 313.

Hình 3-13. Sơ đồ bố trí dụng cụ đo biến dạng
3.4 Trình tự thí nghiệm các mẫu cột BTCTchịu tác dụng của tải
trọng dài hạn
Trình tự thí nghiệm được thực hiện bao gồm 03 bước[20], được thể
hiện như ở Bảng 3-5 dưới đây:


18

Bảng 3-5 .Trình tự thực hiện các bước thí nghiệm mô hình cột
BTCT chịu tải trọng dài hạn
Trình tự
Nội dung
Nội dung theo dõi và
thực
công việc
ghi kết quả thí nghiệm
hiện
- Hệ khung chịu lực
- Hệ lò so gia tải dài hạn
I.1 Lắp dựng thí
- Mô hình cột BTCT và dụng cụ đo
nghiệm
- Hệ kích thủy lực và load-cell

- Dụng cụ đo

Bước I

Bước II

- Gia tải thử với tải trọng 10 – 15
(%) giá trị tải thiết kế, Ptn.
- Kiểm tra sự hoạt động của hệ
thống thiết bị gia tải TN.
+Kiểm tra tình trạng làm việc của
I.2 Kiểm tra tổng thể
dụng cụ đo.
hệ thống thí nghiệm
+ Khử các biến dạng do thiết bị
chưa được siết chặt, hay các các
khe hở do sạn, cát.. gây ra.
- Hạ tải về 0
- Kiểm tra trạng thái hoạt động của
các phương tiện khác phục vụ TN
(Bao gồm việc kiểm soát không
gian bố trí TN, điều kiện nhiệt ẩm
của môi trường phòng TN)
- Vận hành kích thủy lực và ghi
nhận chỉ thị load – cell
- Xác định giá trị lực gia tải theo
thiết kế Ptn.
Thực hiện gia tải và - Chốt chặt và định vị đai ốc
theo dõi biến dạng - Kiểm tra trị số lực và trạng thái
trên mô hình cột truyền tải ổn định và không đổi từ

BTCT
hệ lò so tác dụng lên mô hình cột
khảo sát - xác định thời điểm t0
- Giả phóng thiết bị gia tải ban đầu


19

- Ghi nhận chỉ thị trên các Indicator
đo biến dạng ứng với thời điểm t0
- Sau 2h và 6h
Ghi nhận số liệu đo - Sau 1 ngày và 7 ngày
Bước III biến dạng theo lịch - Sau mỗi tuần trong 4 tuần đầu
trình TN (kể từ thời - Sau mỗi tháng cho đến khi kết
điểm t0)
thúc thí nghiệm (200 ngày???)
3.5Thí nghiệm mẫu cột BTCT không chịu tải trọng.
Thí nghiệm mẫu cột BTCT không chịu tác dụng của tải trọng được
thực hiện cùng thời gian, địa điểm với mẫu cột BTCT có tải trọng tác
dụng.
Hình 3-15 thể hiện mẫu thí nghiệm cột BTCT không chịu tác dụng
của tải trọng.

Hình 3-15 Bố trí dụng cụ đo trên mẫu tự do
3.6 Đánh giá số liệu và kết quả thí nghiệm
Qua theo dõi kết quả đo biến dạng trên các mô hình cột BTCT cho
thấy:
- Số liệu thí nghiệm thu nhận được ở mỗi thời điểm đo biến dạng
trên mô hình cột BTCT chịu tải trọng nén với chỉ thi trên Indicator
là khá đồng đều, không phát hiện có sự biến động và chênh lệch

đáng lưu ý. Đối với mẫu cột không chịu tải trọng cũng cho kết quả
tương tự.
- Khi tuổi bê tong càng tăng lên thì độ chênh số vạch đo chỉ thị trên
các Indicator càng nhỏ, khoảng biến động nhỏ hơn 10% so với tổng


20

biến dạng xảy ra trong khoảng thời gian theo dõi (về cuối, khoảng
thời gian này là 1 tháng).
- Độ chênh lệch số đọc trên các Indicator ghi nhận được giữa lần đo
trước và lần đo sau trong phạm vi khoảng thời theo dõi là phù hợp
với qui luật phát triển của biến dạng dài hạn (tăng nhanh trong độ
tuổi bê tông ban đầu chịu tải và giảm dần khi thời gian tăng lên).
- Quá trình theo dõi biến dạng các mẫu cột BTCT chịu tải cho thấy,
với biến dạng nhận được từ tháng thứ 4 (120 ngày) đến tháng thứ 7
(210 ngày) nhỏ hơn rõ rệt so với các tháng trước đó. Điều này có
thể giải thích, ngoài ảnh hưởng của tuổi bê tông, thi trong thời gian
đó, độ ẩm môi trường phòng thí nghiệm có tăng cao hơn.
- Theo dõi biến dạng các mẫu cột BTCT không chịu tải trọng tác
dụng, cho thấy hai tháng có biến dạng nhỏ nhất là xảy ra vào những
tháng có độ ẩm cao như vừa nêu trên (tháng tứ 4 và thứ 5).
Kết quả biến dạng biểu diễn ở Hình 3-19 và Hình 3-20
900.0
Biến dạng dọc trục, xE-3

800.0
700.0
600.0
500.0

400.0
300.0
Mẫu
1,5%

200.0
100.0

Mẫu
2%

0.0
0

100

200

300
400
Thời gian, t(ngày)

500

600

700

Hình 3-19: Biến dạng dài hạn dọc trục của mẫu MI và MII
Biến dạng co ngót, xE-3

160.0
140.0
120.0
100.0
80.0
60.0
Mẫu
1,5%

40.0

Mẫu
2%

20.0
0.0
0

100

200

300
400
Thời gian, t (ngày)

500

600

700


21

Hình 3-20. Biến dạng co ngắn theo thời gian của mẫu MI0 và MII0
3.7. Xác định hệ số từ biến bê tông từ thực nghiệm
Kết quả hệ số từ biến bê tông trình bày Bảng 3-10.
Bảng 3-10 Hệ số từ biến của bê tông tính toán từ thực nghiệm

Hệ số từ biến,(t)

t
(ngày)
(t)
t
(ngày)
(t)

7

14

21

28

35

60

90

120

150

180

210

240

0.00

0.74

0.80

0.90

0.97

1.16

1.27

1.42

1.49

1.38

1.64

1.75

270

300

330

360

390

420

450

480

510

540

570

600

1.79
5.00

1.86

1.90

1.90

1.92

1.88

1.90

1.92

1.85

1.90

2.02

2.12

4.00
3.00
2.00

1.00

B3

GL2000

ACI209

EN1992

TC Nga

HSTB
_TN

0.00
0

200

400

600

Thời gian ,t (ngày)

800

Hình 3-21. Hệ số từ biến của bê tông theo thực nghiệm và theo các
tiêu chuẩn khác

3.8 Tính toán biến dạng dài hạn cho mẫu cột BTCT từ thực
nghiệm.
Biểu đồ biến dạng dài hạn theo 3 phương pháp như sau:
800.0
Biến dạng dọc trục x E-6

700.0
600.0
500.0
400.0
300.0
200.0
PPđề xuất

AEM
(1,5%)

100.0

Samra
(1,5%)

0.0
0

100

200

300

400

Thời gian, t (ngày)

500

600

700


22

Hình 3-22. Đồ thị biến dạng dài hạn của mẫu MI theo thời gian
700.0

Biến dạng dọc trục x E-6

600.0
500.0
400.0
300.0
200.0
AEM
(2%)

100.0

PP đề xuất

Samra
(2%)

0.0
0

100

200

300
400
Thời gian, t (ngày)

500

600

700

Hình 3- 23. Đồ thị biến dạng dài hạn của mẫu MII theo thời gian
3.6 Nhận xét chương 3
- Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn của cột bê tông cốt
thép chịu nén đúng tâm đã đưa ra được tệp số liệu về biến dạng
mẫu cột BTCT trong điều kiện khí hậu ở Hà Nội. Tệp số liệu này
đã phản ánh đúng với qui luật lý thuyết về biến dạng dài hạn và phù
hợp với các nghiên cứu khác tương tự.
- Nghiên cứu thực nghiệm với mẫu cột BTCT không chịu tải trong
điều kiện khí hậu giống với điều kiện khí hậu của mẫu cột chịu tải

ở trên. Thu được tệp số liệu biến dạng co ngót có giá trị cho các
nghiên cứu sau này.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi bê tông theo thời
gian với cường độ chịu nén B30. Tuy số liệu đo được chỉ hạn chế 1
loại bê tông (B30) nhưng nó có ý nghĩa giúp cho các nghiên cứu
khác có liên quan đến bê tông.
- Từ nghiên cứu thực nghiệm đã tính được hệ số từ biến bê tông phù
hợp với môi trường khí hậu ở Hà Nội. Điều này có thể giúp cho
việc dự báo biến dạng co ngắn dọc trục các cột nhà nhiều tầng.
- Đã kiểm chứng được phương pháp đề xuất xác định biến dạng dài
hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm có kể đến ảnh hưởng của cốt
đai lò xo. Phương pháp này có thể sử dụng trong tính toán co ngắn
cột BTCT nhà nhiều tầng.
*****


23

KẾT LUẬN
Kết luận:
Đề tài luận án “: Nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng dài hạn
của cột bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm” đã đạt được những
kết quả sau đây:
 Đã thí nghiệm 6 mẫu thử hình trụ tròn bằng BTCT với hàm lượng
cốt thép 1,5% và 2%, chịu tải trọng đúng tâm để đo biến dạng dài
hạn (thời gian đo là 20 tháng). Tệp số liệu đo được (trình bày
trong phụ lục của Luận án) có giá trị cho những nghiên cứu tiếp
theo.
 Đã chế tạo và đo biến dạng co ngót của 2 mẫu thử bằng BTCT
với hàm lượng cốt thép như trên trong cùng điều kiện của phòng

thí nghiệm giống như 6 mẫu dùng để đo biến dạng dài hạn. Tệp
số liệu đo biến dạng co ngót này có thể khai thác cho những
nghiên cứu sau này.
 Đã chế tạo mẫu thử bê tông có cùng cấp cường độ với bê tông của
8 mẫu bê tông cốt thép ở trên và đo được giá trị mô đun đàn hồi
của bê tông phát triển theo thời gian. Dù số liệu chỉ hạn chế cho
một loại bê tông dùng trong thí nghiệm mẫu trụ BTCT (B30)
nhưng đây cũng có ý nghĩa đối với việc cung cấp số liệu cho
những người nghiên cứu về BTCT.
 Đã đề xuất công thức tính biến dạng co ngót của bê tông khi có số
liệu thực nghiệm về biến dạng co ngót của bê tông và cốt thép
trong cấu kiện bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm.
 Từ số liệu đo được về biến dạng dài hạn của các mẫu thử, tính
được hệ số từ biến theo thời gian (t). Hệ số này có ý nghĩa thực
tiễn áp dụng trong việc thiết kế kết cấu BTCT nói chung và thiết
kế kết cấu nhà nhiều tầng bằng BTCT nói riêng.
 Đã đề xuất phương pháp xác định biến dạng dài hạn cho cột
BTCT chịu nén đúng tâm có xét đến ảnh hưởng của cốt đai lò xo
và có xét đến sự thay đổi của mô đun đàn hồi theo thời gian.
Phương pháp này đã phản ánh đầy đủ hơn đặc tính làm việc dài
hạn của vật liệu bê tông. Phương pháp đề xuất có thể sử dụng
trong tính toán co ngắn của cột bê tông cốt thép nhà nhiều tầng.
 Cần lưu ý rằng nghiên cứu thực nghiệm này đã được tiến hành ở
Hà nội từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 6 năm 2016 ứng với nhiệt


24

độ thay đổi trong khoảng từ 19oC đến 32oC và độ ẩm thay đổi
trong khoảng từ 45% đến 80%.

*****
KIẾN NGHỊ
 Nghiên cứu qui mô về biến dạng từ biến và co ngót của bê tông
trong điều kiện khí hậu các vùng miền khác nhau ở Việt Nam để
có số liệu chuẩn cho việc thiết kế kết cấu BTCT nói chung .
Những nghiên cứu này sẽ phải đề cập đến mọi vấn đề có liên
quan đến từ biến và co ngót của bê tông.
*****