Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)

Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

CHENG POR ENG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) ĐỂ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA

Chuyên ngành: Xây dựng công trình đặc biệt

Mã số: 62.58.02.06.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI-2017

Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS NGUYỄN VIẾT TRUNG

2 PGS.TS NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện trường Đại học GTVT

- Thư viện Quốc gia

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1 Cheng Por Eng & Phạm Duy Anh, “Tính toán và đánh giá hiệu quả kết cấu dầm bê tông cường độ cao cốt tăng cường FRP” Tuyển tập công trình khoa học, Hội nghị khoa học giảng viên trẻ khoa công trình-2005, trang (39-44)

2 NCS Cheng Por Eng, “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm bê tông cường độ cao cốt phi kim loại GFRP”, Tạp chí cầu đường Việt Nam số 10-

2016, trang (9- 13)

MỞ DẦU 1) Lý do chọn đề tài

Campuchia là một nước đang phát triển, cơ sở hạ tầng giao thông còn thấp, nhu cầu xây dựng các công trình cầu đang trở nên thời sự và cấp bách

Xu hướng tìm vật liệu mới để thay thế cho một phần hoặc toàn bộ cốt thép

để chống ăn mòn cho những kết cấu cầu bê tông cốt thép (BTCT) là rất cần thiết

Cốt polyme gia cường sợi (FRP) có nhiều ưu điểm vượt trội so với cốt thép thường như cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn có thể sử dụng lâu bền trong môi trường nước biển, nhẹ hơn cốt thép thường có kích thước tương

đương, không có từ tính

Bê tông cường độ cao (BTCĐC) cốt polyme gia cường sợi (FRP) sẽ tăng khả năng chống ăn mòn và tăng khả năng bền vững cho kết cấu công trình, có thời gian khai thác sử dụng lâu dài và ổn định từ 80 đến 100 năm [48], [51] với việc bảo trì tối thiểu

Việc sử dụng cốt polyme gia cường sợi (FRP) cho ngành xây dựng cầu ở Campuchia là mới, với rất ít các nghiên cứu về kết cấu bê tông cốt polyme gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng cho công trình cầu

Do vậy, việc nghiên cứu ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng trong xây dựng cầu ở Campuchia là hướng nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn

2) Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính toán kết cấu BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP) đối với dầm cầu

- Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC đến cấp 80 MPa

sử dụng cốt polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP), làm rõ ưu điểm và nhược điểm của loại dầm này so với dầm BTCT thông thường

- Thiết kế một số dầm cầu nhịp đơn giản sử dụng cốt polyme gia cường sợi: GFRP, CFRP và GFRP kết hợp với cốt thép để áp dụng tại Campuchia

3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

- Bê tông cường độ cao (BTCĐC);

- Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP);

- Thí nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP);

- Thiết kế dầm cầu BTCĐC sử dụng cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP và cốt Hybrid

* Phạm vi nghiên cứu:

- Bê tông cường độ cao có cường độ cao, f’c ≤ 83 MPa;

- Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm BTCĐC cốt FRP chủ yếu dựa trên phương pháp theo các chỉ dẫn AASHTO GFRP-1 và ACI 440.1R-06;

- Chỉ nghiên cứu, tính toán kết cấu bê tông cốt FRP không dự ứng lực;

- Các kết quả thí nghiệm đo được gồm có: Quan hệ tải trọng - độ võng, quan

hệ tải trọng - biến dạng của cốt GFRP, quan hệ tải trọng - biến dạng của bê tông vùng nén mà chưa đo được giới hạn bề rộng vết nứt và chưa xét đến các ảnh hưởng khác

4) Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết được thực hiện trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu Phương pháp thực nghiệm được thực hiện để đánh giá ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt FRP, kiểm chứng

lý thuyết tính toán và lý thuyết nguyên cứu đã đề xuất

5) Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án nghiên cứu BTCĐC sử dụng cốt FRP cho kết cấu dầm và bản mặt cầu bằng phương pháp kết hợp lý thuyết với thực nghiệm ứng xử uốn dầm BTCĐC cốt sợi thủy tinh từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp đối với kết cấu dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP)

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể coi

là tài liệu tham khảo tốt cho việc ứng dụng BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP) cho kết cấu cầu tại Campuchia, cần thiết cho sự phát triển hệ thống cầu

ở Campuchia

6) Nội dung, kết cấu luận án

Luận án gồm bản thuyết minh 126 trang bao gồm: 44 bảng; 57 hình, có 4 chương, phần mở đầu và kết luận Ngoài ra có 97 tài liệu tham khảo và 62 trang phụ lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA

CƯỜNG SỢI (FRP) 1.1 Tổng quan về xây dựng cầu ở Campuchia

1.1.1 Địa hình của Campuchia:

Campuchia có diện tích 181035 km2,

phía Bắc giáp với Thai Lan và Lào, phía

Đông và Đông-Nam giáp với Việt Nam,

phía Tây giáp với Thái Lan và phái

Tây-Nam giáp với biển

Thông qua khảo sát [93] lượng mưa,

nhiệt độ của Campuchia khá tương đồng

với miền Nam VN Do vậy có thể tham

khảo, sử dụng các nghiên cứu trong điều

kiện VN để áp dụng Campuchia

1.1.2 Mạng lưới giao thông Campuchia

Tính đến năm 2014 [89], tổng mạng lưới giao thông Campuchia có 55242km, gồm có 13746 tuyến đường và 4060 cầu, trong đó cầu BTCT đã chiếm khoảng 61,33%

* Một số hình cầu mới ở Campuchia

Changvar

Hình 1.6 Cầu Neak Loeung

- Thông qua khảo sát [89], một số cầu mới được xây dựng ở Campuchia đã

sử dụng bê tông thường Chẳng hạn như cầu Kizuna [95], cầu Neak Loeung

[92] đã sử dụng bê tông có cường độ f’c = 40 MPa

* Một số hình cầu cũ ở Campuchia

Hình 1.11 Cầu

BTCT (Kampong cham)

Hình 1.12 Cầu giàn BTCT (Kom pot)

Hình 1.13 Cầu giàn

bê tông cốt thép (NR.6)

- Điều kiện khắc nghiệt, có biển của Campuchia làm ảnh hưởng lớn tác động

Hình 1.1 Bản đồ mạng lưới giao thông Campuchia

ăn mòn cốt thép cho công trình cầu

- Để giải quyết ăn mòn cốt thép nghiên cứu sinh đã tập trung nghiên cứu ứng dụng cốt FRP thay thế cho cốt thép trong xây dựng cầu

1.2 Tổng quan về bê tông cường độ cao

1.3 Tổng quan về cốt polyme gia cường sợi (FRP)

1.3.1 Giới thiệu vật liệu FRP

Cốt FRP là vật liệu tổng hợp có tính năng cao Cốt FRP phổ biến nhất là cốt (GFRP, AFRP và CFRP)

- Ưu điểm: Chống ăn mòn, trọng lượng nhẹ, không từ tính, không dẫn điện, cường độ kéo cao

- Nhược điểm: Phá hoại giòn, không chịu lửa

1.3.2 Lịch sử phát triển và tình hình áp dụng cốt FRP

- Thế giới, cốt FRP đã phát triển từ những năm 1960 ở Mỹ, 1970 ở Châu

Âu và 1980 ở Nhật [20, 45, 60]

- Campuchia, cốt FRP là vật liệu mới chưa được sử dụng

- Việt Nam, cốt GFRP được công ty FRP Việt Nam cung cấp và sản xuất

1.3.3 Các Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP

Campuchia, Việt Nam chưa có Tiêu chuẩn và đang sử dụng các Tiêu chuẩn:

Mỹ [20], [15], Canada, Nhật Bản, Italy, Anh …v.v

1.4 Đặc điểm tính chất của vật liệu FRP

- Cốt FRP có cường độ nén rất thấp hơn so với cường độ kéo [20]

- Khi nhiệt độ thay đổi từ 65 ÷ 124oC, cường độ chị kéo của cốt (ffu ) sẽ giảm

* Dính bám giữa bê tông và cốt FRP

- Dính bám của cốt FRP với bê tông tốt như cốt thép [48]

- Giả thiết cơ bản là “liên kết dính bám giữa bê tông và cốt FRP là tồn tại hoàn hảo” [18], [19], [20], [15], [45], [60] với điều kiện đủ chiều dài chôn cốt FRP trong bê tông (le)

Hình 1.23 Truyền lực qua sự dính bám của cốt FRP

1.5 Các nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP

1.5.1 Trên thế giới:

- Các nghiên cứu về dính bám là hệ số dính bám kb từ (0,84 ÷ 1,4) [26], [27], [33]

- Tải trọng ở trạng thái giới hạn sử dụng (Psd) bằng (25,1÷35%) tải trọng ở trạng thái giới hạn cực hạn (Pu) [33], [57], [65]

- Biến dạng của cốt FRP ở trạng thái giới hạn sử dụng (εsd)bằng (30÷35%) biến dạng của cốt ở trạng thái giới hạn cực hạn (εfu)

- Ở cùng cấp tải trọng, độ võng tính toán lớn hơn độ võng thí nghiệm khoảng 25% [52], [57], [70], [75]

1.5.2 Ở Việt Nam

- Chi phí sử dụng cốt GFRP thay cốt thép giảm từ (7÷10%) [2], [8]

- Tải trọng ở trạng thái giới hạn sử dụng (Psd) bằng (30÷33%) tải trọng ở trạng thái giới hạn cực hạn (Pu) [3], [4]

- Biến dạng của cốt FRP ở trạng thái giới hạn sử dụng (εsd) đặt tới 35% biến dạng của cốt ở trạng thái giới hạn cực hạn (εfu) [3]

Ngoài ra còn có một số báo cáo mang tính lý thuyết [2], [7], [8]

1.6 Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án

- Về dính bám giữa bê tông và cốt FRP: Kết quả nghiên cứu về dính bám giữa bê tông và cốt FRP cho thấy, ứng xử này phù hợp với các lý thuyết tính toán trong các Tiêu chuẩn

- Ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP đã được nghiên cứu trên thế giới Các tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP đã được ban hành ở các nước như Mỹ, Canada, Nhật Bản, Châu Âu làm cơ sở cho việc tính toán, ứng dụng FRP trong xây dựng công trình

- Ứng dụng cốt FRP trong các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu trong các kết cấu xây dựng dân dụng, công trình cảng, mặt đường, bản mặt cầu, mố trụ

cầu…Ở Việt Nam mặc dùng đã có nhà máy chế tạo cốt FRP tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào theo hướng ứng dụng cốt FRP trong xây dựng cầu

Từ các vấn đề nếu trên, luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt FRP, xây dựng trình tự tính toán ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP (Chương 2)

- Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt GRFP sản xuất

ở Việt Nam (Chương 3)

- Áp dụng lý thuyết tính toán đã được lập và kiểm chứng ở Chương 2 và Chương 3 cho kết cấu dầm cầu bê tông cốt FRP không dự ứng lực với các trường hợp khác nhau của: Chiều dài nhịp, chiều cao dầm, hàm lượng cốt FRP

và các trường hợp bố trí cốt FRP Qua đó đề xuất miền giá trị của một số thông

số quan trọng trong thiết kế dầm cầu

1.7 Kết luận chương 1

Từ thực trạng của mạng lưới giao thông và điều kiện khí hậu ở Campuchia Việc xây dựng các công trình cầu có khả năng chống ăn mòn cao là cần thiết Kết cấu bê tông cốt FRP đã được nghiên cứu và ứng dụng ở trên thế giới cho đến nay, các tiêu chuẩn kỹ thuật và tính toán kết cấu này đã được bàn hành

ở một số nước, tuy nhiên ở Việt Nam và Campuchia là chưa có

Để áp dụng kết cấu bê tông cốt FRP trong điều kiện Campuchia, việc nghiên cứu về lý thuyết tính toán và thực nghiệm ứng xử uốn là có ý nghĩa khoa học

và thực tiễn

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU

BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) Nội dung: Nghiên cứu lý thuyết sau đó đề xuất phương trình tính toán cho

dầm thí nghiệm ở chương 3 và thiết kế dầm cầu ở chương 4

2.1 Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP chịu uốn theo trạng thái giới hạn cường độ (TTGHCĐ)

2.1.1 Các giả thiết cơ bản khi thiết kế [15], [20], [45] và [60]

- Tiết diện phẳng trước và sau khi đặt tải;

- Biến dạng nén tối đa của BT được giả định là 0.003;

- Cường độ kéo của BT rất nhỏ và được bỏ qua;

- Ứng xử kéo cốt FRP là tuyến tính đàn hồi cho đến bị phá hoại;

- Liên kết dính bám giữa bê tông và cốt FRP vẫn là hoàn hảo

* Thiết kế theo TTGHCĐ yêu cầu:

2.1.2 Mô hình vật liệu của bê tông cường độ cao (BTCĐC) và cốt FRP

* Mô đun gãy của bê tông [11], [12], [13], [26]

Đối với bê tông có tỷ trong thường với cường độ chịu nén f’c ≤ 83 MPa,

luận án đã tính mô đun gãy của bê tông ( fr ) như sau:

'0,81

Theo ACI 363-10 [26] và [11], [12], [13] đối với bê tông có cường độ chịu

nén f’c từ 21 MPa < f’c < 83 MPa, mô đun gãy của bê tông (fr ) được để nghị từ

án đã tính fr theo phương trình (2 3) cho phù hợp với kết quả thí nghiệm

* Mô đun đàn hồi của bê tông

Đối với bê tông có cường độ chịu nén f’c từ (21 ÷ 83) MPa, quan hệ mô

đun đàn hồi (Ec) và cường độ chịu nén (f’c ) [11], [12] [23], [26] là:

'

Trong đó: M n là mô men kháng uốn, M u là mô men do tải trọng cực hạn gây ra,

ϕ là hệ số sức kháng, f r là mô đun gãy của bê tông, f’ c là cường độ chịu nén quy định của bê tông, E c là mô đun đàn hồi của bê tông, α 1 và β 1 là các hệ số khối ứng suất

* Các đặc tính vật liệu bê tông cường độ cao

Đường cong ứng suất – biến dạng đối với BTCĐC là hoàn toàn khác với bê tông thông thường Điều này có ảnh hưởng các thông số của khối ứng suất hình chữ nhật tương đương [11], [12], [13], [26]

Khối ứng suất tương đương Hình 2.2, Hình 2.3 Nếu β1 = 0,65, hệ số α1 lấy bằng 0,75 để duy trì mức lực tương đương giữa hình tam giác và hình chữ nhật,

hệ số α1 nên là 0,75 thay cho 0,85 như bê tông thường [11], [12], [13], [26]

Hình 2.2 Biểu đồ khối ứng suất của bê tông thường

c c

Hình 2.3 Biểu đồ khối ứng suất của bê tông cường độ cao

* Các đặc trưng tính toán của vật liệu FRP

Cường độ chịu kéo và biến dạng cực hạn của cốt FRP

Trong đó: C E là hệ số giảm môi trường do điều kiện phơi lộ của loại cốt;

f fu * là cường độ kéo được đảm bảo (f fu * = f u,ave - 3σ); ε fu * là biến dạng tỷ đổi đứt được đảm bảo (ε fu * = ε u,ave - 3σ) của cốt FRP

Các giá trị được đảm bảo này cho một xác suất 99,87% [5], [6], [22], [23], [24] với điều kiện là phải thử ít nhất 25 mẫu

'

0,85 28 (2 6)

280,85 0, 05 0, 65 28

0.55

f fb

0.65

1,4 fb

2.2 Thiết kế kết cấu BTCĐC cốt FRP chịu cắt theo TTGHCĐ

Điều kiện an toàn cơ bản ở trạng thái giới hạn có thể viết như sau:

A f d V

2.3.1 Kiểm soát vết nứt

2 2 2

2

f

b c f

Bề rộng vết nứt cho phép (wallow) = 0,5 theo Tiêu chuẩn của (Nhật và

CAN/CSA S806-02) và theo ACI 440 [20] wallow từ (0,5 ÷0,7)

 Ở Campuchia: Luận án đề nghị sử dụng theo ACI 440

2.3.2 Kiểm soát độ võng

Theo [20]: Độ võng cho phép được lấy theo tiêu chuẩn thiết kế của từng quốc gia

 Ở Campuchia: Luận án đề nghị sử dụng theo AASHTO

2.5.1 Trình tự kiểm toán mặt cắt bê tông cốt FRP

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tính toán: Luận án đã đề xuất được trình tự tính toán cho kết cấu BTCĐC cốt FRP gồm 6 bước:

Bước 1: Tính toán mô men uốn danh định

Bước 2: Kiểm tra điều kiện hạn chế vết nứt

Bước 3: Kiểm tra điều kiện hạn chế độ võng

Bước 4: Kiểm tra ứng suất giới hạn dưới tác dụng của từ biến

Bước 5: Tính toán cốt FRP chịu cắt

Bước 6: Kiểm tra về điều kiện neo

2.6 Kết luận chương 2:

Trình tự và nội dung tính toán ở chương 2 là dựa trên tiêu chuẩn thiết kế ACI và AASHTO

Vậy, chúng ta cần tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng lý thuyết tính toán ở chương 2 trước khi áp dụng tính toán thiết kế kết cấu dầm cầu ở chương 4

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH (GFRP)

3.1 Mở đầu

Chương này, trình bày nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt GFRP, các dầm có mặt cắt hình chữ nhật 130 × 200 mm (b × h) bằng thí nghiệm uốn 4 điểm

3.2 Công tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm

Chuẩn bị 3 dầm có kích thước mặt cắt ngang và bố trí cốt GFRP giống nhau

ở Hình 3.4 Sử dụng bê tông cường độ cao có f’c = 82,5 MPa Cốt GFRP được

sản xuất bởi Công ty cổ phần cốt sợi POLYME VIỆT NAM, có ffu *= 900 MPa,

E f = 45000 MPa, (đơn vị hình vẽ là mm)

Hình 3.4 Sơ đồ mặt cắt ngang dầm thí nghiệm GFRP

Bảng 3.1 Vật liệu được sử dụng