NGHIÊN CỨU KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE THAY CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Xem nội dung đầy đủ tại: https://123doc.net/document/7654963-82a000f7-3210-42cd-92f9-370a38eff47c.htm

Đầu tiên, vật liệu polymer có cốt được sử dụng để thay thế cho bản thép dán ngoài trong công nghệ dán bản thép để tăng cường kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu uốn.. Trong khoản

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUANG KHIÊM

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE

THAY CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUANG KHIÊM

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE

THAY CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN LAN

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Quang Khiêm

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE

THAY CHO BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG

Học viên: Lê Quang Khiêm Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông

Mã số: 60.58.02.05 Khóa: 32.XGT Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

Vật liệu cốt sợi polymer (FRP) được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp từ lâu nhờ

có cường độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt FRP đang bắt đầu được sử dụng tại Việt Nam để gia cường kết cấu BTCT và được làm cốt thay cho cốt thép truyền thống do ưu điểm cường độ chịu kéo cao và không bị ăn mòn cốt trong môi trường xâm thực Luận văn này nghiên cứu

cơ sở tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP theo tiêu chuẩn của viện bê tông Hoa Kỳ (ACI), phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt FRP trên phần mềm phần tử hữu hạn (PTHH) ATENA là phần mềm chuyên về phân tích kết cấu BTCT phi tuyến làm việc trong giai đoạn đàn hồi cũng như giai đoạn xuất hiện và phát triển các vết nứt đến khi phá hoại dầm Để kiểm chứng ứng xử của dầm bê tông cốt FRP, một chương trình thực nghiệm được thực hiện bao gồm chế tạo các dầm bê tông cốt FRP và thí nghiệm phá hoại dầm, trong quá trình thí nghiệm dầm các đại lượng biến dạng, độ võng, bản đồ vết nứt, kích thước vết nứt được đo đạc theo các cấp tải đến khi dầm phá hoại Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng xử dầm theo thực nghiệm khá phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt FRP của ACI và kết quả phân tích bằng phần mềm PTHH ATENA

Từ khóa: phần tử hữu hạn (PTHH), cốt sợi polymer (FRP), thanh polymer (FRP bar),

phi tuyến, hiệu ứng lực

Abstract: Fiber reinforced Polymer (FRP) has been used extensively in the industry for

a long time due to its high strength, good corrosion resistance FRP is beginning to be used in Vietnam to reinforce reinforced concrete structures and is reinforced by traditional reinforcement due to its high tensile strength and corrosion resistance in aggressive environments This dissertation studies the basis of FRP bar concrete structure design in accordance with the American Concrete Institute (ACI) standard, analyzes the behavior of FRP bar concrete beams on finite element software (FEM) ATENA is a nonlinear RC structural analysis software that works in the elastic phase as well as the appearance and development of cracks until the beam breaks To test the behavior of FRP reinforced concrete beams, an experimental program was carried out including the manufacture of FRP reinforced concrete beams and girder-breaking experiments, the strain, deflection, cracks map, cracks are measured during beam testing at the load level until the beams beraking The results show that the experimental behavior of the beams is quite consistent with ACI's FRP concrete design criteria and the analysis results of ATENA PTHH software

Keyword:The Finite element method (FEM), fiber reinforced polymer rebar (FRP),

fiber reinforced polymer bar (FRP bar), nonlinear, force effects

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2.Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU FRP VÀ CỐT COMPOSITE 3

1.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU FRP 3

1.2 CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP 4

1.2.1 Cấu trúc vật liệu FRP 4

1.2.1.1 Cốt sợi 4

1.2.1.2 Chất dẻo nền 7

1.2.2 Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP 8

1.2.3 Nhược điểm của vật liệu FRP 12

1.3 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU FRP TRONG XÂY DỰNG 12

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 14

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU FRP 15

2.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT TRUYỀN THỐNG [12] 15

2.1.1 Những cơ sở tính toán và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn 15

2.1.2 Tải trọng 15

2.1.3 Yêu cầu về độ bền và sử dụng 16

2.1.4 Các giả thiết cơ bản về sự làm việc của kết cấu 17

2.1.5 Phân tích sự làm việc của dầm chịu uốn 18

2.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT CÓ FRP DÍNH BÁM NGOÀI (THEO ACI 440) [13] 20

2.2.1 Triết lý thiết kế 20

2.2.2 Giới hạn gia cường 21

2.2.3 Lựa chọn vật liệu FRP 21

2.2.4 Tăng cường khả năng chịu uốn 22

2.2.5 Tăng cường chịu cắt 25

2.2.6 Tăng cường các cấu kiện chịu nén uốn đồng thời 28

2.3 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE [1] 29

2.3.1 Nguyên lý chung 29

2.3.2 Các đặc trưng tính toán của vật liệu 29

2.3.3 Thiết kế cấu kiện chịu uốn 30

2.3.3.1 Vấn đề chung 30

2.3.3.2 Cường độ chịu uốn 31

2.3.3.3 Khả năng sử dụng 33

2.3.3.4 Phá hủy do từ biến và mỏi 34

2.4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE 35

2.4.1 Dữ liệu ban đầu 35

2.4.2 Kiểm tra khả năng chịu uốn 36

2.4.3 Kiểm tra điều kiện hạn chế vết nứt 37

2.4.4 Kiểm tra điều kiện hạn chế độ võng 39

2.4.5 Kiểm tra phá hủy do từ biến 39

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 40

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE CHỊU UỐN 41

3.1 THỰC NGHIỆM NÉN DẦM BÊ TÔNG CỐT THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG COMPOSITE CHỊU UỐN 41

3.1.1 Trình tự thí nghiệm 41

3.1.2 Sơ đồ thực nghiệm nén dầm 43

3.1.3 Kết quả thí nghiệm 43

3.2 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN ATENA 53

3.3 KẾT QUẢ TỪ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM ATENA CHO DẦM BÊ TÔNG THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG CỐT COMPOSITE 62

3.4.PHÂN TÍCH BÀN LUẬN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 63

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTCT Bê tông cốt thép

DƯL Dự ứng lực

PTHH Phần tử hữu hạn

BTCTDƯL Bê tông cốt thép dự ứng lực

TCN Tiêu chuẩn ngành

FRP Fiber Reinforced Polymer

GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer

CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer

AFRP Aramid Fiber Reinforced Polymer

ACI American Concrete Institute

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials RNB HM Basalt Non-Metallic Rebar High-Modulus

ACMA American Composites Manufactures Association

RNB Basalt Non-Metallic Rebar

RNF Fiberglass Non-Metallic Rebar

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các đặc trưng loại sợi carbon 6 Bảng 1.2 Các đặc trưng loại sợi thủy tinh 7 Bảng 1.3 So sánh đặc trưng 3 loại sợi 7 Bảng 1.4 Tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền 8 Bảng 1.5 Các đặc trưng cơ học cốt sợi 9 Bảng 1.6 Các đặc trưng cơ học của chất nền 10 Bảng 1.7 Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP 10 Bảng 1.8 Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu FRP 10 Bảng 1.9 So sánh vật liệu thép và vật liệu FRP 11 Bảng 2.1 Hệ số giảm cường độ chịu kéo thanh FRP do môi trường 29 Bảng 2.2 Giới hạn ứng suất đứt vì từ biến trong cốt FRP 35 Bảng 3.1 Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT thường 44 Bảng 3.2 Mô tả vết nứt ứng với từng cấp tải trọng cho dầm BTCT

thường

47

Bảng 3.3 Bảng số liệu đo đạc cho dầm bê tông cốt FRP 48

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của vật liệu FRP 4 Hình 1.2 Hướng phân bố của cốt sợi 9 Hình 1.3 Các loại sản phẩm của vật liệu FRP 12 Hình 2.1 Sơ đồ tải trọng dầm có thanh GFRP chịu uốn 36 Hình 3.1 Bản vẽ thiết kế dầm thực nghiệm 41 Hình 3.2 Kê và dán các thiết bị để nén dầm 42 Hình 3.3 Lắp đặt kích và thiết bị đo chuyển vị 42 Hình 3.4 Gia tải theo từng cấp 42 Hình 3.5 Hình ảnh vết nứt xuất hiện trong dầm 43 Hình 3.6 Sơ đồ nén dầm 43 Hình 3.7 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cho dầm BTCT

Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và biến dạng mặt bê tông cho

dầm bê tông cốt FRP

thường sử dụng phần mềm Atena

62

Hình 3.14 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và bề rộng vết nứt cho dầm bê

tông cốt FRP sử dụng phần mềm Atena

62

Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị giữa nhịp cho

dầm bê tông cốt FRP sử dụng phần mềm Atena

63

Hình 3.16 So sánh quan hệ tải trọng-chuyển vị giữa: thực nghiệm nén

dầm BTCT thường, nén dầm bê tông cốt FRP và kết quả mô phỏng Atena cho dầm có cốt FRP

63

Hình 3.17 So sánh quan hệ tải trọng-vết nứt giữa: thực nghiệm nén dầm

BTCT thường, nén dầm bê tông cốt FRP và kết quả mô phỏng Atena cho dầm có cốt FRP

63

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vật liệu composite đã được sử dụng rất phổ biến và khá lâu trong các ngành công nghiệp máy bay, ôtô, tàu thuyền do có nhiều ưu điểm như: cường độ, tính bền cao, không bị ăn mòn do môi trường, vật liệu xanh …

Trong vài thập kỷ gần đây, vật liệu composite đã được ứng dụng trong ngành xây dựng như gia cường kết cấu bằng tấm hoặc dãi composite dính bám ngoài Bê tông cốt thanh composite, trong đó sử dụng các thanh composite thay thế cốt thép truyền thống cũng đã được sử dụng trong một số dự án tại các nước phát triển Tại Việt Nam, vật liệu composite cũng đã được ứng dụng để sửa chữa gia cường kết cấu bê tông trong những năm gần đây nhưng chủ yếu là sử dụng tấm, dãi CFRP dính bám ngoài Một số nghiên cứu trong vài năm gần đây cũng đã bắt đầu chứng minh việc sử dụng cốt thanh composite để thay thế cho cốt thép thường ở Việt Nam là khả thi

Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển khá dài và nhiều đảo Qua khảo sát các công trình xây dựng ven biển, nhận thấy rằng các công trình ven biển bị giảm nhanh về chất lượng bởi tác động khắc nghiệt của khí hậu và nước biển ăn mòn Điều này đòi hỏi phải có những kết cấu và vật liệu xây dựng mới, bền vững hơn, phù hợp với môi trường ven biển và hải đảo, thích ứng biến đổi khí hậu trong điều kiện hiện nay Với nhiều ưu điểm của vật liệu composite, vật liệu này có thể bố trí thay thế cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép Việc sử dụng cốt composite sẽ làm tăng tuổi thọ của kết cấu so với việc sử dụng thép, đặc biệt là khi kết cấu tiếp xúc với môi trường hoạt động mạnh như nước biển, các loại dung dịch hóa chất khác, có khả năng tránh được hiện tượng han rỉ như của thép trong môi trường không khí Thời gian qua đã có nhiều hội thảo khoa học về chuyên đề "Kết cấu và vật liệu xây dựng cho các công trình ven

biển và hải đảo”

Hiện nay các tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép đã được hoàn thiện

và phát triển từ rất lâu, tuy nhiên các qui trình thiết kế cho kết cấu bê tông cốt thanh composite vẫn tiếp tục được nghiên cứu và hoàn thiện

Vấn đề nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite, nghiên cứu thực nghiệm ứng xử các loại kết cấu xây dựng sử dụng vật liệu composite, tiếp đến ban hành tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế riêng cho bê tông cốt composite … vẫn tiếp tục thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam

Trong giới hạn của luận văn thạc sĩ kỹ thuật, học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu kết cấu bê tông cốt composite thay cho bê tông cốt thép thường ”

2.Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt thanh composite

- Nghiên cứu ứng xử dầm cốt composite trên mô hình số và thực nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Dầm chịu uốn thuần túy (chỉ có momen và lực cắt)

- Cốt sợi thủy tinh (GFRP bar)

4 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài nghiên cứu

Vật liệu composite đã được sử dụng rất phổ biến do có nhiều ưu điểm như: cường độ, tính bền cao, không bị ăn mòn do môi trường, vật liệu xanh … Khi đề tài nghiên cứu thành công sẽ khẳng định được vật liệu cốt composite sẽ thay thế được cho cốt thép truyền thống lâu nay đã sử dụng, từ đó công trình được bền vững và an toàn hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU FRP VÀ CỐT COMPOSITE

1.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU FRP

Trên thế giới, vật liệu polymer có cốt bắt đầu được nghiên cứu tại Mỹ từ những năm 1930 và bắt đầu được ứng dụng rộng rãi để sửa chữa và tăng cường kết cấu bê tông cốt thép từ cuối những năm 1970 tại châu Âu Đầu tiên, vật liệu polymer có cốt được sử dụng để thay thế cho bản thép dán ngoài trong công nghệ dán bản thép để tăng cường kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu uốn Sau đó từ những năm 1980 tại Nhật Bản, công nghệ này được mở rộng để tăng cường cột bê tông cốt thép chịu nén thông qua việc tăng cường khả năng kiềm chế nở hông của cột

Hiện tại, vật liệu polymer có cốt đã được sử dụng cho bản bê tông cốt thép và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng cho kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép Trong khoảng 10 năm trở lại đây, vật liệu polymer cốt sợi thủy tinh và cốt sợi carbon dạng mềm đã được áp dụng rộng rãi trong tăng cường kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép thường và bê tông cốt thép dự ứng lực tại Việt Nam Công nghệ này đã khẳng định được các ưu điểm chính về mặt thi công, lắp đặt như thi công nhanh chóng, không cần nhiều thiết bị máy móc, tốn ít nhân công, tính mỹ thuật

Vật liệu polymer có cốt sử dụng 3 vật liệu chính: cốt sợi carbon CFRP; cốt sợi thủy tinh GFRP; cốt sợi aramid AFRP

Sợi carbon bắt đầu thử nghiệm từ cuối những năm 1950 và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp Anh bắt đầu từ đầu những năm 1960 Sợi carbon trong kết cấu composite được sử dụng cho các yêu cầu cần tăng cường khả năng chịu lực, đặc biệt được ứng dụng phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, trong cơ khí chế tạo ôtô

và thể thao Sợi carbon (carbon graphite) hoặc CF, là một vật liệu bao gồm các sợi cực mảnh đường kính từ 0,005-0,010mm và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử carbon được liên kết với nhau theo phương song song với trục dài của sợi Sợi carbon chịu lực được cấu tạo bởi rất nhiều sợi carbon được xoắn với nhau, có thể được sử dụng bởi sợi độc lập hoặc dệt thành vải Sợi carbon có độ bền kéo cao, trọng lượng nhẹ, chịu nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp, được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp vũ trụ, công trình dân dụng, quân sự, và ô tô thể thao Trong lĩnh vực xây dựng, sợi carbon được sử để tăng cường các kết cấu chịu lực như dầm, cột, sàn, cọc…(kết cấu dân dụng, giao thông, công nghiệp, thủy lợi …)

Sợi thủy tinh đã được thử nghiệm trong các ứng dụng quân sự vào cuối chiến tranh thế giới II Cho đến nay sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi trên tất cả các ngành công nghiệp để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Sợi thủy tinh được cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính từ 2 - 10 micromet Sợi thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độ cách điện cao Sợi thủy tinh có tính chất cơ học gần tương đương với các loại sợi khác như sợi carbon Sợi thủy tinh được ứng

dụng phổ biến để tăng cường các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc…

Sợi aramid xuất hiện lần đầu tiên dưới tên thương mại Nomex của DuPont được ứng dụng cùng thời điểm với sợi carbon Sợi aramid được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồi cao

Năm 1987 Giáo sư Urs Meier làm việc tại EMPA (Viện kiểm định và nghiên cứu vật liệu Thụy Sỹ) lần đầu tiên đã đưa ra cách gia cường kết cấu bằng cách gắn kết polymer cốt sợi carbon Năm 1991 đã tăng cường sức chịu uốn cho các kết cấu cầu Ibanh ở Thụy Sỹ bằng các tấm polymer cốt sợi carbon, cây cầu bị hỏng đã được phục hồi về trạng thái ban đầu chỉ sau 2 ngày

So với vật liệu cốt thép, vật liệu FRP có nhiều ưu điểm hơn nên vật liệu FRP được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tại Mỹ, châu Âu, Nhật Bản và bắt đầu xuất hiện

ở các nước Đông Nam Á

1.2 CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP

bảo các yêu cầu sau đây:

- Mô đun đàn hồi cao

- Cường độ tới hạn cao

- Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn

- Cường độ ổn định cao trong vận chuyển

- Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có 3 loại vật liệu thường được sử dụng là sợi carbon, sợi thủy tinh và sợi aramid Đặc điểm của từng loại cốt sợi như sau:

Sợi carbon

Sợi carbon có màu than đen đặc trưng, đường kính từ (510)m Cấu trúc của sợi carbon được xem là nằm ngang đẳng hướng, tính chất chịu lực theo hướng dọc lớn hơn so với hướng ngang Sợi carbon được sản xuất ở nhiệt độ 12002400 0C Có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi thủy tinh Sợi carbon nhẹ hơn và cường độ cao hơn khi so sánh với các sợi thủy tinh và aramid Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt là mỏi và từ biến, hệ

số giãn nở nhiệt thấp Sợi carbon được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân và hữu

cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi được xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi carbon Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau

Để phân loại các loại sợi carbon khác nhau, dựa vào mô đun đàn hồi và ứng xử nhiệt như sau:

Phân loại dựa vào mô đuyn đàn hồi

- Mô đun đàn hồi rất cao: loại sợi carbon có mô đun >450GPa

- Mô đun đàn hồi cao: loại sợi carbon có mô đun từ 325-450 GPa

- Mô đun đàn hồi trung bình: loại sợi carbon có mô đun từ 200 đến 325GPa

- Mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp: loại sợi carbon có mô đun <100 GPa và cường độ chịu kéo >3 GPa

Phân loại dựa vào ứng xử với nhiệt độ

- Loại I (loại sợi carbon ứng xử nhiệt độ cao): kết hợp với mô đun đàn hồi cao (>20000C);

- Loại II (loại sợi carbon ứng xử nhiệt độ trung bình): kết hợp với cường độ cao (>15000C và <20000C) và;

- Loại III (loại sợi carbon ứng xử nhiệt độ thấp): kết hợp với cường cường độ và

mô đuyn đàn hồi thấp (<10000C) Hiện nay, sợi carbon ngày càng sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng do chúng có các ưu điểm như cường độ cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống mài mòn cao

Sợi carbon là loại sợi được dùng nhiều thứ 2 sau sợi thủy tinh Giá sợi carbon rất cao so với sợi thủy tinh Trong những năm gần đây nhờ vào nhu cầu và cải tiến trong

phương pháp sản suất giá thành được giảm từ 200 USD/kg còn (1015) USD/kg

Sợi aramid

Tùy thuộc vào sợi aramid, độ bền kéo theo chiều dọc từ (34004100)Mpa Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi thủy tinh Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt Về mặt sản xuất, được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm Sợi aramid có mô đun đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ Sợi aramid nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% đến 20% Sợi aramid có 3 loại chính là Kevlar R49, Kevlar R39 và Kevlar R

Sợi aramid có thương hiệu là Kevlar được phát minh bởi công ty DuPont Trong nhiều ứng dụng sợi thủy tinh được đan xen với sợi Kevlar hay sợi carbon để làm giảm giá thành và tăng tính đàn hồi của composite vì sợi thủy tinh có độ kéo giãn lớn hơn sợi carbon và Kevlar, một mật độ cứng vần được duy trì từ 2 loại sợi này Ngoài ra còn

có một số sợi khác như:

+ Sợi Bazan vô cơ được sản xuất ở Nga

+ Sợi cây gai dầu, Silat, sợi tre được sử dụng trong sản phẩm FRP

Bảng 1.1 Các đặc trưng loại sợi carbon

Các loại sợi

carbon

Mô đun đàn hồi kéo (ksi)

Cường độ

chịu kéo (ksi)

Sợi thủy tinh

Là hợp chất vô cơ vô định hình, chủ yếu là các oxit kim loại hoặc các loại SiO2 là hợp chất chiếm nhiều nhất trong thủy tinh, chiếm từ (5070)% trọng lượng thủy tinh Đường kính sợi thủy tinh riêng lẻ 17m, khoảng cách các sợi thủy tinh (324) m Sợi thủy tinh là sợi trong suốt màu trắng, là vật liệu đẳng hướng Giới hạn bền của sợi thủy tinh thấp hơn 60% so với cường độ cực hạn Sợi thủy tinh cách điện, cách nhiệt tốt, giá thành rẻ Có giá thành rẻ nhất so với 2 loại sợi carbon và sợi aramid Sợi thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh Sợi thủy tinh có mô đun đàn hồi và trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả năng

chống cháy ở nhiệt độ lên đến 4000C Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, glass, AR-glass,

C-Bảng 1.2 Các đặc trưng loại sợi thủy tinh

Loại sợi

thủy tinh

Tỷ trọng (g/cm3)

Cường độ

chịu kéo (ksi)

Mô đun đàn hồi (ksi)

Biến dạng dài (%) E-glass 2.6 500 10.500 4.8

Bảng 1.3 So sánh đặc trưng 3 loại sợi

Tiêu chuẩn

Loại sợi Carbon Aramid Thủy tinh Cường độ chịu kéo Rất tốt Rất tốt Rất tốt

Cường độ chịu nén Rất tốt Không tốt Tốt

Mô đun đàn hồi Rất tốt Tốt Trung bình

Ứng xử dài hạn Rất tốt Tốt Trung bình

Ứng xử mỏi Đặc biệt tốt Tốt Trung bình

Trọng lượng Tốt Đặc biệt tốt Trung bình

-Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ

- Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn

- Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường

- Kết dính các sợi với nhau

- Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP

- Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi

Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là Polyester, Vinylester, Epoxy, Polyethylen

Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi Gần đây, gần nửa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composit Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp và ít độc Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn

Vinylester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester Ưu điểm của Vinylester là sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo

và chịu mỏi cao Tuy nhiên, Vinylester có giá thành cao

Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và vinylester Những ưu điểm chính của Epoxy bao gồm:

- Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa

- Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học

- Dính bám với cốt sợi rất tốt

Bảng 1.4.Tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền

Tỷ trọng (Ib/in3) 0.04-0.047 0.038-0.04 0.036-0.052

Mô đun đàn hồi kéo (ksi) 350-870 465-520 400-490 Cường độ chịu kéo (ksi) 8-15 11.8-13 6-12 Cường độ chịu nén (ksi) 13-16 15-20 14.5-17

Mô đun đàn hồi (ksi) 360-595 410-500 460-490

Hệ số poisson 0.37 0.373 0.35-0.4

1.2.2 Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP

Hệ thống Tyfo® Fibrwrap® Composite Systems là những polymer được tạo thành bằng các cốt liệu sợi có cường cao Tyfo® (sợi thủy tinh, carbon và aramid) kết hợp với keo Tyfo® epoxies tạo thành vật liệu hoàn chỉnh ứng dụng cho tất cả các ngành công nghiệp với mục đích tăng cường và bảo vệ kết cấu

Những đặc tính ưu việt của vật liệu Tyfo® Fibrwrap® Composite Systems đã được kiểm chứng thông qua hàng nghìn các thí nghiệm tại các trường đại học danh tiếng trên thế giới và các công trình cụ thể trên 50 quốc gia

Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền

Hiện nay sợi carbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy được sử dụng rộng rãi Sợi carbon và sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại Sợi aramid độ bền thấp, trong môi trường nhiệt độ cao thì làm việc kém Trong khi đó sợi carbon có

mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng

Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây:

- Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi carbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh)

- Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester)

- Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP

- Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

Hình 1.2.Hướng phân bố của cốt sợi

Bảng 1.5 Các đặc trưng cơ học cốt sợi

Cốt sợi

Cường độ

chịu kéo (N/mm2-MPa)

Modun đàn hồi (kN/mm2-GPa)

Độ dãn dài (%)

Tỷ trọng (g/cm3)

Aramid 3400-4100 70-125 2.4 1.44 Thủy tinh

2,57 2,46 2,46 2,47 Carbon

Tiêu chuẩn

Cường độ cao

Mô đun cao

1,7 1,8 1,9 2,1

Bảng 1.6 Các đặc trưng cơ học của chất nền

Chất nền

Cường độ

chịu kéo (N/mm2-MPa)

Mô đun đàn hồi (kN/mm2-GPa)

Độ dãn dài (%)

Tỷ trọng (g/cm3)

2,5 8,0 6,0 1,8

1,2 1,2 1,12 1,24

Bảng 1.7 Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP

Hệ thống FRP Loại sợi

Trọng lượng (g/m2)

Chiều dày thiết kế (mm)

Cường độ

chịu kéo (MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa) Tấm Tyfo SEH51 Thủy tinh 915 1,3 575 26,1 Tấm Tyfo SCH41 Carbon 644 1 985 95,8 Tấm Hex 100G Thủy tinh 915 0,36 2.300 72 Tấm Hex 103C Carbon 610 0,11 3.800 235 Tấm Carbodur S Carbon 2.100 1,2-1,4 2.800 165 Tấm Carbodur M Carbon 2.240 1,2 2.400 210 Tấm Carbodur H Carbon 2.240 1,2 1.300 300 Tấm Mbrace EG 900 Thủy tinh 900 0,37 1.517 72,4 Tấm Mbrace AK 60 Aramid 600 0,28 2.000 120 Mbrace CF 130 Carbon 300 0,17 3.800 227 Mbrace CF 160 Carbon 600 0,33 3.800 227

Bảng 1.8 Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu FRP

Vật liệu Hệ số giãn nở nhiệt (10-6/0C)

Theo phương dọc Theo phương ngang Thủy tinh/ epoxy 6.3 19.8

Aramid/epoxy -3.6 54

Carbon /epoxy -0.09 27

Bảng 1.9 So sánh vật liệu thép và vật liệu FRP

Đặc điểm Cốt thép

Cốt composite sợi bazan phi kim loại (RNB) và cốt composite sợi bazan phi kim loại mô đun cao (RNB HM)

Độ bền kéo (N/mm

RNB – 1450 RNB HM – 1850

Mô đun đàn hồi

(N/mm ²) 200 000

RNB – 70 000-110 000 RNB HM – 110 000-200 000 Độ giãn dài tương

đối (%) 14

RNB – 1,56 RNB HM – 1,24

Môi trường sinh

thái Không gây ô nhiễm Thân thiện với môi trường

Tuổi thọ Theo tiêu chuẩn của

Dạng tấm Dạng cuộn

Dạng chế tạo sẵn Dạng thanh Dạng băng

Hình 1.3.Các loại sản phẩm của vật liệu FRP

1.2.3 Nhược điểm của vật liệu FRP

- Vật liệu FRP không có điểm chảy rõ ràng trước khi bị phá hoại Do đó dạng phá hủy đột ngột có thể xảy ra khi ứng suất gần tới điểm giới hạn

- Ở nhiệt độ cao vật liệu FRP bị suy giảm khả năng chịu lực rất nhanh

- Vật liệu FRP bị giảm cường độ cơ học do tác động của môi trường, độ ẩm và các tác nhân hóa học Vật liệu này có thể bị phá hoại khi tiếp xúc với điều kiện hóa học khắc nghiệt như: môi trường axit và môi trường kiềm Môi trường tiếp xúc, thời gian tiếp xúc, loại keo epoxy, hình dạng, loại sợi và quá trình lưu hóa keo là những nhân tố ảnh hưởng tới mức độ suy giảm cường độ của vật liệu

- Vật liệu GFRP và AFRP là lớp cách điện hữu hiệu, trong khi đó CFRP là dẫn điện Để tránh khả năng xảy ra ăn mòn điện hóa, không nên để vật liệu CFRP trực tiếp với thép

- Giá thành của vật liệu FRP trong điều kiện nước ta còn đắt so với thép thông thường

1.3 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU FRP TRONG XÂY DỰNG

Loại hình kết cấu công trình đầu tiên được làm bằng composite FRP đã được xây dựng từ thập kỷ 70 của thế kỷ trước Tuy nhiên chưa thể cạnh tranh về mặt kinh tế với loại thép không rỉ và mới chỉ có tính chất là phương án thay thế Sang đầu thập kỷ 80

các thanh composite FRP lại được sử dụng làm vật liệu xây dựng cho công nghệ

“Vega” cùng với các thiết bị cần trung tính với hiện tượng điện từ trong ngành viễn thông Càng về sau vật liệu mới này được áp dụng tập trung vào ý nghĩa chống ăn mòn thay cốt thép của kết cấu BTCT và các công trình bằng thép

Hiện nay, các thanh composite FRP dùng làm cốt cho kết cấu bê tông đã được sản xuất trong các công ty ở Bắc Mỹ, Châu Á và Châu Âu Áp dụng chủ yếu cho các công trình cầu hầm Loại hình làm cáp dự ứng lực đã được thí nghiệm, thí điểm tại Hà Lan, Đức và Nhật bản năm 1980, đầu tiên mục đích là giảm hiện tượng ăn mòn cho các cấu kiện bê tông dự ứng lực Tuy nhiên các khó khăn về cấu tạo neo, giá thành tương đối cao nên đã không hấp dẫn các doanh nghiệp sản xuất và phát triển Tấm ván khuôn bằng chất liệu FRP để lại sau khi đúc kết cấu BTCT đã phát triển mạnh trong thời gian gần đây Vừa làm ván khuôn đúc, vừa tăng cường chịu kéo sau khi bê tông

đã khô cứng vì ván khuôn đó sẽ được để lại vĩnh viễn trong kết cấu

Ở Hoa Kỳ năm 1999 và 2003 đã xây dựng 2 cầu nhịp bằng bê tông cốt FRP lần lượt ở các Bang Ohio và Wisconsin Các ván khuôn hình ống để lại còn sử dụng hiệu quả để đúc trụ cột và kết cấu nhịp cầu ở Bang California gọi là kết cấu ống FRP nhồi bêtông

Vật liệu FRP có khả năng sử dụng rất đa dạng:

-Làm cốt cho bê tông cấu kiện bê tông cốt mềm với hình thức thanh rời, lưới buộc và được gọi là kết cấu bê tông cốt composite

-Làm các loại cáp căng trước và căng sau cho các loại kết cấu bê tông dự ứng lực -Làm ván khuôn để lại, đúc tại chỗ các cấu kiện bê tông cốt thép đổ tại chỗ, lắp ghép hoặc bán lắp ghép

-Gia cường, sửa chữa những hư hỏng hoặc nứt xuống cấp bằng gỗ, thép, gạch đá, kết cấu bê tông cốt thép

-Làm nguyên vật liệu cho kết cấu xây dựng mới hoàn toàn bằng chất liệu composite

-Làm kết cấu liên hợp giữa composite và thép hoặc bê tông cốt thép

-Làm kết cấu vòm cuốn hoặc kết cấu cột chịu nén hoặc ống composite trong khoan nhồi bê tông, một loại kết cấu liên hợp giữa composite và bê tông

-Phối hợp với các vật liệu khác trong kết cấu liên hợp nhiều vật liệu

-Làm dây văng cáp treo trong kết cấu dây mềm phục vụ ngành viễn thông, ngành giao thông vận tải và ngành xây dựng, đặc biệt những công trình có khẩu độ lớn như mái treo

Kiến trúc sư và các kỹ sư kết cấu có thể sử dụng kết cấu bê tông cốt composite với các dạng sau đây:

- Cốt thanh rời hoặc lưới FRP là cốt cho các cấu kiện dầm bê tông chịu uốn cũng như chịu nén và những cấu kiện chịu lực phức tạp khác

- Cáp bằng vật liệu composite FRP làm cốt ứng lực trước thay cáp thép để căng kéo trong cấu kiện bê tông dự ứng lực, có thể gọi là bê tông dự ứng lực với cáp composite

-Các tấm mỏng bằng vật liệu composite FRP có thể làm ván khuôn để lại, tạo hình, khi đúc bê tông tươi cho kết cấu BTCT như vậy sẽ có hai tác dụng:

a Có khả năng giảm được khối lượng thép trong bê tông

b Đồng thời bảo vệ cho cốt thép trong kết cấu chống xâm thực của môi trường

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

KẾT CẤU BÊ TÔNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU FRP

2.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT TRUYỀN THỐNG [12]

2.1.1 Những cơ sở tính toán và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn

Khái niệm về trạng thái giới hạn: khi kết cấu hoặc một bộ phận kết cấu không còn đảm bảo khả năng sử dụng nữa, ta gọi chúng đã đạt đến trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn của kết cấu bê tông có thể chia làm 2 nhóm cơ bản:

-Trạng thái giới hạn về độ bền, chủ yếu bao gồm:

+Mất khả năng cân bằng của một phần hay toàn bộ kết cấu

+Phá hoại xảy ra ở một bộ phận và làm cho các bộ phận lân cận bị quá tải hay sụp đổ một phần hay toàn bộ kết cấu Dạng phá hoại này có thể tránh được nhờ các biện pháp cấu tạo giằng trong hệ kết cấu, tạo ra khả năng truyền tải trọng sang các bộ phận khác trong trường hợp kết cấu bị phá hoại cục bộ

+Hình thành các khớp dẻo dẫn đến kết cấu không có khả năng ổn định +Kết cấu không ổn định do biến dạng

+Kết cấu bị phá hoại do tác dụng của tải trọng lặp lại theo chu kì

-Trạng thái giới hạn về sử dụng: là trạng thái kết cấu bắt đầu mất khả năng sử dụng khi kết cấu chưa bị phá hoại Trạng thái giới hạn này bao gồm:

+Kết cấu bị biến dạng lớn, vượt quá mức độ cho phép làm ảnh hưởng đến quá trình sử dụng thậm chí có thể dẫn đến nguy cơ làm mất khả năng chịu lực của kết cấu

+Kết cấu xuất hiện những vết nứt có chiều rộng lớn vượt quá mức độ phép Khi bề rộng vết nứt quá lớn, cốt thép trong kết cấu sẽ bị ăn mòn và cấu trúc bê tông sẽ phá hỏng

+Kết cấu bị rung quá mức cho phép, không đảm bảo cho quá trình sử dụng công trình

-Trạng thái giới hạn đặc biệt: bao gồm hư hỏng hay phá hủy kết cấu do những điều kiện hoặc tải trọng đặc biệt gây ra Các tải trọng và điều kiện đó bao gồm:

+Hư hỏng do động đất

+Tác động của cháy nổ, va chạm xe cộ lên kết cấu

+Tác động của ăn mòn đến kết cấu

+Tính không ổn định về mặt hóa lý trong một thời gian dài

2.1.2 Tải trọng

- Tĩnh tải: là tải trọng có độ lớn không đổi, vị trí cố định và tác dụng trong suốt thời gian tồn tại công trình

- Hoạt tải: là tải trọng có những đặc điểm tác dụng lên một phần hoặc toàn bộ kết cấu Độ lớn và sự phân bố của chúng trên kết cấu có thể thay đổi theo thời gian Cường độ tối đa của tải trọng không được biết chính xác trong suốt thời gian tồn tại công trình

- Tải trọng gió:

Công thức tính toán áp lực gió tại chiều cao bất kỳ

P = Cc Cq qs I (2.1) Trong đó:

P: áp lực gió tính toán tại chiều cao Z, psf (kg/m3)

Cc: hệ số tổng hợp các yếu tố chiều cao, dạng địa hình và xung của gió

Cq: hệ số áp lực

qs: áp lực gió tại chiều cao 10m (33ft) psf (kg/m3)

I: hệ số tầm quan trọng công trình

-Tải trọng động đất: tải trọng động đất và thiết kế BTCT trong vùng động đất phải được trình bày ở tài liệu riêng

-Tải trọng khác: bao gồm áp lực thủy tĩnh của chất lỏng, áp lực đất, áp lực do tác dụng của lũ

2.1.3 Yêu cầu về độ bền và sử dụng

-Yêu cầu về độ bền:

Các cấu kiện BTCT khi thiết kế phải thỏa mãn yêu cầu về độ bền

Độ bền thiết kế > độ bền yêu cầu

Hoặc

Φ.Sn ≥ U (2.2) Trong đó:

Φ: hệ số giảm độ bền

Sn: độ bền danh nghĩa

U: độ bền yêu cầu

Thành phần ΦSn là độ bền thiết kế Độ bền danh nghĩa của cấu kiện được tính theo phương pháp được qui định trong qui phạm ACI 318 trên cơ sở các thông số hình học, tiết diện, đặc trưng của độ bền Thông thường độ bền danh nghĩa của cấu kiện được xác định theo momen (M), lực cắt (V) và lực dọc (P)

Độ bền yêu cầu U của cấu kiện được tính toán dựa trên cơ sở các phương pháp

cơ học Thông thường dưới tác dụng của tải trọng tính toán có thể xác định được giá trị nội lực momen (M), lực cắt (V) và lực dọc (P) của cấu kiện tại tiết diện đang xét -Tổ hợp tải trọng: các tổ hợp tải trọng tính toán để xác định độ bền yêu cầu U được lấy như sau:

+Tổ hợp cơ bản U = 1.4DL + 1.7LL (2.3) +Tổ hợp tải trọng gió U=0.75(1.4DL + 1.7LL+1.7W)=0.9DL+1.3W (2.4) +Tổ hợp áp lực đất U=1.4DL + 1.7LL+1.7H=0.9DL+1.7H (2.5)

+Tổ hợp chất lỏng U=1.4DL + 1.7LL+1.4F=0.9DL+1.4F (2.6) Trong đó: DL là tĩnh tải, LL là hoạt tải, W là gió, H là áp lực đất, F là áp lực chất lỏng và áp lực nước ngầm

-Yêu cầu về sử dụng:

Thiết kế cấu kiện BTCT phải thỏa mãn yêu cầu về sử dụng Tính toán cấu kiện BTCT theo trạng thái giới hạn về sử dụng được tiến hành theo ACI 318 và phải thỏa mãn các giá trị giới hạn về độ võng và vết nứt

+Yêu cầu về khống chế võng: mái phẳng không đỡ các bộ phận dễ bị hỏng khi độ võng lớn, giới hạn l/180; Sàn không đỡ các bộ phận dễ bị hỏng khi độ võng lớn, giới hạn l/360; Sàn và mái đở các bộ phận dễ bị hỏng khi độ võng lớn, giới hạn l/480; Sàn và mái đở các bộ phận không bị hỏng khi độ võng lớn, giới hạn l/240

+Yêu cầu về khống chế nứt: việc khống chế bề rộng vết nứt trong các cấu kiện chịu uốn trong giai đoạn sử dụng thường phụ thuộc vào điều kiện khả năng xâm thực của môi trường Qui phạm Hoa Kì ACI 234 đã qui định về giá trị bề rộng vết nứt cho phép kết cấu tiếp xúc với môi trường khác nhau cụ thể: môi trường khô, có lớp màng bảo vệ bên ngoài 0.41mm; môi trường ẩm, ẩm ướt, đất nền 0.3mm; môi trường nước và hơi nước biển 0.15mm; môi trường các kết cấu chứa nước 0.1mm

2.1.4 Các giả thiết cơ bản về sự làm việc của kết cấu

Sự làm việc đồng thời của bê tông và cốt thép trong kết cấu BTCT là rất phức tạp Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, có thể chấp nhận 5 giả thiết cơ bản sau đây để đơn giản hóa tính toán kết cấu BTCT:

-Nội lực (momen, lực cắt, ứng suất pháp và ứng suất cắt) tại tiết diện bất kỳ của cấu kiện cân bằng với các thành phần ngoại lực tương ứng tác dụng tại tiết diện đó Tuy nhiên thực chất đây không phải là giả thiết mà là thực tế chúng ta đã biết trong cơ học, một vật thể cân bằng khi nội lực và ngoại lực tác dụng lên nó cân bằng

-Biến dạng (khi kéo hay khi nén) của cốt thép trong kết cấu tương tự như biến dạng của bê tông bao quanh nó Lực dính của bê tông với cốt thép không cho phép xảy

ra trượt giữa bê tông và cốt thép

-Tiết diện của cấu kiện vẫn phẳng dưới tác dụng của tải trọng Các kết quả đo đạc chính xác trong thí nghiệm cho thấy ở giai đoạn phá hoại, tiết diện cấu kiện không hoàn toàn tuyệt đối phẳng Tuy nhiên sai số này không lớn có thể bỏ qua Do đó, có thể giả thiết tiết diện phẳng trong tính toán

-Trong thực tế, độ bền khi kéo của bê tông chỉ là một phần rất nhỏ so với độ bền khi nén Khi chịu kéo bê tông xuất hiện vết nứt nhỏ, thậm chí vết nứt không nhìn thấy được bằng mắt thường Điều hiển nhiên là bê tông có vết nứt không có khả năng chịu kéo Từ đó giả thiết bê tông không có khả năng chịu kéo được áp dụng trong các tính toán về độ bền cấu kiện BTCT

-Lý thuyết tính toán BTCT được xây dựng dựa trên các quan hệ ứng suất - biến dạng Các đặc trưng độ bền của 2 loại vật liệu bê tông và cốt thép hoặc một số đơn

giản hóa hợp lý Trong thực tế, sự làm việc phi tuyến được phản ảnh trong các nghiên cứu lý thuyết hiện đại, trong đó bê tông cũng xem như không có tác dụng chịu kéo

2.1.5 Phân tích sự làm việc của dầm chịu uốn

*Sự làm việc của dầm với vật liệu đồng nhất

Khi phân tích, tính toán dầm với vật liệu đồng nhất chịu uốn và chịu cắt, sự làm việc của dầm có liên quan đến các vấn đề sau đây:

+Tiết diện sau khi chịu tải trọng vẫn phẳng Điều này có nghĩa là biến dạng

ở các điểm phía trên và phía dưới trục trung hòa tỉ lệ với khoảng cách của chúng đến trục trung hòa

+Khi chịu uốn ứng suất tại điểm bất kỳ phục thuộc vào biến dạng tại điểm

đó Nếu dầm được chế tạo từ vật liệu đồng nhất đường cong ứng suất- biến dạng cho

cả vùng kéo và vùng nén giống nhau

+Phân bố ứng suất cắt ʋ trên suốt chiều cao tiết diện phục thuộc vào hình dạng của tiết diện và đường cong ứng suất biến dạng Các ứng suất cắt đạt giá trị lớn nhất tại trục trung hòa và bằng không tại thớ biên Ứng suất cắt ʋ tại điểm bất kì trên mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng bằng nhau

+Các ứng suất cắt ʋ (ngang và đứng) tác dụng phối hợp với ứng suất pháp tuyến f do uốn Trong kết cấu dầm, ứng suất chính (ứng suất nghiêng lớn nhất) tại điểm bất kí được xác định theo công thức:

t = 2

f

±

2 2

f

4   (2.7)

Trong đó:

f: ứng suất pháp tuyến

ν: ứng suất tiếp tuyến

+Do ứng suất cắt theo phương ngang và phương đứng bằng nhau và ứng suất pháp do uốn bằng không tại mặt phẳng trung hòa nên ứng suất kéo và góc nghiêng 450 với mặt phẳng nằm ngang tại điểm bất kì sẽ bằng lực cắt đơn vị tại điểm

đó

+Khi ứng suất tại thớ biên nhỏ hơn giới hạn tỉ lệ fb dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi Khi đó:

•Trục trung hòa đi qua trọng tâm tiết diện

•Cường độ ứng suất pháp do uốn sẽ tăng tỉ lệ thuận với khoảng cách đến trục trung hòa và đạt giá trị lớn nhất tại thớ biên của tiết diện

I (2.8)

Trong đó M: momen uốn tại tiết diện đang xét y: là khoảng cách từ điểm xét đến trục trung hòa

I: momen quán tính của tiết diện Giá trị ứng suất pháp lớn nhất tại thớ biên của tiết diện (cách trục trung hòa 1 khoảng c)

f = M c

M (2.9) Trong đó:

c: khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ biên S= I/c: momen kháng uốn của tiết diện

•Ứng suất cắt theo phương dọc và phương ngang bằng nhau ʋ tại điểm bất kỳ trên mặt cắt được tính toán theo biểu thức

I: momen quán tính của tiết diện so với trục trung hòa b: bề rộng của dầm tại điểm đang xét

•Cường độ ứng suất dọc theo tiết diện chữ nhật thay đổi theo hình parabol, trong đó giá trị ứng suất cắt bằng không tại thớ biên và giá trị lớn nhất đạt tại trục trung hòa

*Sự làm việc của dầm BTCT

Dầm bê tông chịu uốn không có khả năng chịu lực lớn vì độ bền kéo khi uốn khá nhỏ so với độ bền chịu nén Dầm BTCT với cốt thép đặt trong vùng kéo làm tăng khả năng chịu lực của dầm lên rất nhiều

Khi tải trọng trên dầm BTCT tăng từ giá trị bằng không đến khi dầm bị phá hoại thì trong dầm diễn ra các giai đoạn làm việc khác nhau Khảo sát sự làm việc của dầm BTCT, có thể thấy những đặc điểm sau:

-Trong giai đoạn đàn hồi, tiết diện chưa có vết nứt: khi tải trọng tác dụng lên dầm còn nhỏ, dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi Khi đó ứng suất kéo tại thớ biên nhỏ hơn độ bền kéo khi uốn, tiết diện chưa có vết nứt, cốt thép và bê tông xung quanh cốt thép có biến dạng giống nhau và cùng chịu kéo Trạng thái ứng suất và biến dạng của dầm tương tự như dầm vật liệu đồng nhất

Trong giai đoạn đàn hồi biến dạng bê tông và cốt thép bằng nhau:

εc = Ec

fc = εs =

Es

fs (2.11)

Từ đó, quan hệ ứng suất trong cốt thép fs và ứng suất trong bê tông fc như sau:

fs = Ec

fc

Es = nfc (2.12) Trong đó n=Es/Ec là tỉ lệ mô đun đàn hồi giữa cốt thép và bê tông

-Giai đoạn ứng suất đàn hồi và tiết diện có vết nứt

Khi tăng tải trọng, ứng suất kéo trong bê tông lớn hơn độ bền chịu kéo khi uốn và vết nứt xuất hiện Nếu ứng suất nén trong bê tông nhỏ hơn 0.5f'c và ứng suất trong cốt thép chưa đạt đến giới hạn chảy fy, cả 2 vật liệu bê tông và cốt thép vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi hoặc gần như đàn hồi Đây là trạng thái kết cấu làm việc dưới tác dụng của tải trọng sử dụng Trong giai đoạn này, để đơn giản hóa với một chút sai số,

có thể giả thiết rằng các vết nứt mở rộng đến trục trung hòa và tiết diện vẫn phẳng Để tiến hành tính toán ứng suất và biến dạng, tiết diện có vết nứt cần phải được qui đổi Khi đó, các nguyên tắc tính toán đối với tiết diện không có vết nứt vẫn được sử dụng, nhưng phần bê tông chịu kéo có vết nứt được bỏ qua Tiết diện qui đổi bao gồm phần bê tông chịu nén và n lần tiết diện cốt thép được qui đổi thành tiết diện bê tông

-Trạng thái giới hạn và độ bền khi uốn

Khi tiếp tục tăng tải trọng, kết cấu dần đạt đến trạng thái giới hạn Biểu đồ ứng suất nén trong bê tông tại tải trọng giới hạn có dạng đường cong parabol Khi đó, các phương trình tính toán với trạng thái đàn hồi không con phù hợp nữa Kiểu phá hoại đầu tiên khi xảy ra khi ứng suất kéo trong cốt thép fs đạt đến giới hạn chảy fy, fs=fy Kiểu phá hoại thứ 2 xảy ra ngay sau khi bê tông vùng nén tại thớ biên đạt đến giới hạn độ bền khi nén, tức là biến dạng tương đối của thớ biên chịu nén đạt đến giới hạn bằng

εu = 0.003-0.004 Qui phạm ACI cho phép áp dụng εu = 0.003

2.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT CÓ FRP DÍNH BÁM NGOÀI (THEO ACI 440) [13]

2.2.1 Triết lý thiết kế

Dựa trên nguyên lý thiết kế giới hạn Theo đó đặt ra mức độ an toàn cho cả giới hạn sử dụng (độ võng và nứt) và giới hạn cường độ (phá hoại, ứng suất đứt gãy và mỏi)

Gia cường FRP được thiết kế theo yêu cầu sử dụng và cường độ tiêu chuẩn ACI 318-05 và 22TCN 272-05 Hệ số triết giảm được sử dụng dùng trong thiết kế gia cường FRP để phản ảnh tính ít ổn định của vật liệu FRP so với các vật liệu truyền thống như thép hoặc bê tông dự ứng lực Hệ số triết giảm này được xác định bởi đánh giá thống kê các biến của đặc trưng hình học, dự doán các kết quả thí nghiệm và hiện trường Hệ số triết giảm FRP nên được hiệu chỉnh thông qua chỉ số tin cậy thường là trên 3,5

2.2.2 Giới hạn gia cường

Giới hạn gia cường được đưa ra nhằm đảm bảo kết cấu không bị sập đổ đột ngột (phá hoại giòn) do bản thân vật liệu FRP là vật liệu phá hoại giòn Theo giới hạn này, kết cấu trước khi được gia cường bằng vật liệu FRP đã cần phải có đủ cường độ để không bị phá hoại dưới tác động của tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) Trong trường hợp tấm FRP bị phá hoại, kết cấu vẫn có thể tồn tại với một mức tải trọng nhất định

mà không bị sập đổ Theo ACI-440 cường độ sẵn có của kết cấu nên đủ để chịu mức tải trọng như phương trình:

(Φ R)cũ ≥ (1.1SDL + 0.75 SLL)mới (2.13) Trong đó:

-Φ: Hệ số triết giảm cường độ

-R: Sức kháng danh định của cấu kiện

-SDL: Ảnh hưởng của tĩnh tải

-SLL: Ảnh hưởng của hoạt tải

Hệ số tĩnh tải 1.1 được dùng vì đánh giá chính xác tương đối với tĩnh tải sẵn có của kết cấu Hoạt tải hệ số 0.75 được dùng để vượt qua giá trị thống kê trung bình hàng năm

2.2.3 Lựa chọn vật liệu FRP

*Điều kiện môi trường

Tính chất cơ học (cường độ chịu kéo, biến dạng kéo tới hạn, mô đun đàn hồi) của FRP giảm khi sự tiếp xúc với các môi trường như: kiềm, nước muối, hóa học, ánh sáng tử ngoại, nhiệt độ cao, độ ẩm cao, quá trình đóng và tan băng Trong thiết kế cần xét đến sự suy giảm của vật liệu do tác động của môi trường

-Kiềm, axit: tính năng của vật liệu FRP trong môi trường kiềm môi trường axit phụ thuộc vào loại keo epoxy và loại cốt sợi gia cường Sợi carbon không được bảo vệ, chưa thấm nhập keo và khô có khả năng chống chịu tốt với môi trường kiềm và axit Tuy nhiên sợi thủy tinh sẽ bị giảm tính năng khi làm việc trong các môi trường này trong thời gian dài Sử dụng loại keo epoxy có thể dùng tách biệt và bảo vệ sợi khỏi ảnh hưởng của môi trường Trong trường hợp này nên lựa chọn loại vật liệu FRP có lớp keo epoxy có khả năng kháng kiềm và axit Trường hợp vị trí thi công có độ ẩm cao nền dùng sợi cacbon hơn sợi thủy tinh

-Giãn nở nhiệt: FRP có tính giãn nở nhiệt khác bê tông Thêm vào đó, tính giãn

nở nhiệt của sợi và polyme của FRP có thể thay đổi Sợi cacbon có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng 0, trong khi đó sợi thủy tinh có hệ số giãn nở nhiệt giống như bê tông Keo epoxy dùng cho FRP thông thường có hệ số giãn nở nhiệt gấp 5 lần bê tông Tính toán chênh lệch biến dạng nhiệt trong FRP là phức tạp vì sự thay đổi của hướng sợi, phần trăm thể tích sợi (tỷ số giữa thể tích sợi và nhựa trong FRP), chiều dày lớp dính bám Thí nghiệm chỉ ra rằng sự chênh lệch giãn nở nhiệt không ảnh hưởng đến dính bám với khoảng nhiệt độ thay đổi nhỏ ±280 C

-Tính dẫn điện: GFRP và AFRP là lớp cách điện hữu hiệu, trong khi đó GFRP là dẫn điện Để tránh khả năng ăn mòn điện hóa, không nên để vật liệu CFRP trực tiếp với thép

*Điều kiện về tải trọng

Điều kiện tải trọng khác nhau cũng cần được xem xét khi lựa chọn loại vật liệu FRP thích hợp Nghiên cứu cho thấy, CFRP là loại polymer cốt sợi có khả năng chịu

từ biến và chịu mỏi tốt hơn so với GFRP và AFRP

*Xem xét về độ bền

Độ bền của vật liệu FRP đang được tiếp tục nghiên cứu Khi thiết kế nên chọn loại FRP phù hợp với điều kiện môi trường Thí nghiệm độ bền bao gồm quá trình lặp nóng lạnh, nhúng kiềm, quá trình đóng tan băng, tiếp xúc tử ngoại, đốt nóng khô, nước muối

*Xem xét lựa chọn lớp phủ bảo vệ

Có thể sử dụng lớp phủ bảo vệ phù hợp để bảo vệ tấm FRP khỏi tiếp xúc trực tiếp với điều kiện môi trường Chiều dày và loại lớp phủ được chọn dựa trên yêu cầu của sửa chữa loại tấm FRP và điều kiện môi trường Lớp phủ cần phải kiểm định định

kỳ và bảo dưỡng để đảm bảo hiệu quả của lớp phủ

Lớp phủ ngoài của keo epoxy trên sợi giúp bảo vệ tấm sợi khỏi phá hủy vì tương tác và mòn Tại những vị trí có thể phải chịu tác động của tải trọng giao thông, cần xem xét bổ sung thêm lớp phủ chịu tác động cơ học Thông thường, lớp ximăng porland và polymer được lựa chọn để bảo vệ chống lực mài mòn nhỏ

*Đặc trưng vật liệu thiết kế

Đặc trưng được báo cáo bởi nhà sản xuất là cường độ chịu kéo cực hạn, không quan tâm đến tiếp xúc dài hạn với điều kiện môi trường, chỉ được xem như đặc trưng ban đầu Việc tiếp xúc lâu dài với môi trường thay đổi có thể làm giảm khả năng chịu kéo, khả năng chịu từ biến và chịu mỏi của các lớp FRP

2.2.4 Tăng cường khả năng chịu uốn

Gia cường FRP dính bám tới bề mặt kéo của cấu kiện bê tông chịu uốn với sợi hướng dọc thép chiều dài cấu kiện sẽ tăng thêm sức kháng uốn Tăng tổng thể sức kháng uốn từ 10 đến 160% Tuy nhiên khi xét đến giới hạn gia cường, tính dẻo và giới hạn khai thác thì mức tăng thêm cường độ có thể đạt đến 40%

*Sức kháng danh định

Sức kháng uốn thiết kế ΦMn bằng sức kháng danh định của cấu kiện nhân với hệ

số triết giảm cường độ Về nguyên tắc thiết kế, sức kháng uốn thiết kế phải lớn hơn giá trị mômen tính toán Mu, tức là giá trị mô men gây ra do tải trọng đã nhân hệ số

ΦMn ≥ Mu (2.14) Trong đó:

-Mn: Cường độ uốn danh định, Ib-in (N-mm)

-Mu: Mô men có hệ số tại mặt cắt, Ib-in (N-mm)

- Φ: Hệ số triết giảm cường độ

*Xác định sức kháng danh định cho cấu kiện BTCT

-Giả thiết

Giả thiết sau dùng để tính toán sức kháng uốn cho mặt cắt gia cường với FRP: +Tính toán thiết kế dựa trên kích thước, bố trí cốt thép trong, đặc trưng vật liệu của cấu kiện hiện tại được gia cường

+Biến dạng trong cốt thép và bê tông tỉ lệ với khoảng cách tới trục trung hòa Có nghĩa là mặt cắt phẳng trước khi tác dụng lực duy trì phẳng sau khi tác dụng lực

+Không có trượt tương đối giữa FRP và bê tông

+Biến dạng cắt trong lớp kết dính được bỏ qua bởi vị trí lớp kết dính là mỏng và thay đổi nhẹ với chiều dày của nó

+Biến dạng nén lớn nhất có thể trong bê tông là 0,003

+Cường độ chịu kéo trong bê tông được bỏ qua

+Mô hình vật liệu FRP là mối quan hệ biến dạng, ứng suất đàn hồi tuyến tính

- Cường độ chịu cắt

Khi FRP được dùng để tăng sức kháng cho cấu kiện, cấu kiện nên có khả năng chống được lực cắt liên hợp để tăng khả năng chống uốn Phá hoại cắt của mặt cắt nên được so sánh giữa cường độ chịu cắt thiết kế của mặt cắt với cường độ chịu cắt yêu cầu

- Biến dạng nền hiện tại

Trừ phi tất cả các tải trọng của cấu kiện, bao gồm tải trọng bản thân và dự ứng lực được bỏ qua trước khi thi công FRP, nếu không thì lớp nền để dán FRP bị biến dạng Biến dạng này được xem như biến dạng ban đầu và không bao gồm biến dạng FRP Biến dạng ban đầu trên lớp nền dính bám có thể được xác định qua phân tích đàn hồi của cấu kiện hiện tại, xem tất cả các tải trọng tác dụng lên cấu kiện trong suốt quá trình thi công FRP Phân tích đàn hồi của cấu kiện hiện tại dựa trên đặc trưng mặt cắt nứt

- Gia cường uốn cho mặt lõm

Độ cong trên bề mặt cấu kiện bê tông có thể làm xuất hiện ứng suất kéo pháp tuyến tại bề mặt tiếp giáp bê tông và lớp FRP dính bám Ứng suất kéo tạo ra khi FRP

có xu hướng dẫn thẳng dưới tải trọng và có thể dẫn đến hiện tượng phân tách lớp FRP

và làm giảm hiệu quả của sức kháng uốn FRP Nếu phạm vi cong lớn, thì bề mặt phải được làm phẳng trước khi gia cường

- Biến dạng của vật liệu FRP

Việc xác định biến dạng của FRP ở trạng thái giới hạn cực hạn là rất quan trọng

Vì vật liệu FRP là đàn hồi tuyến tính cho tới khi phá hoại, do đó mức độ biến dạng của FRP sẽ khống chế mức ứng suất trong FRP Mức biến dạng lớn nhất có thể đạt được

trong FRP sẽ được khống chế bởi hoặc là mức biến dạng phát triển trong FRP ở điểm

mà bê tông bị vỡ, điểm mà FRP đứt gãy hoặc điểm mà FRP bong khỏi nền Mức độ biến dạng hữu hiệu trong FRP ở trạng thái cực hạn được xác định theo công thức:

εfe = εcu ( (df c)

c



) - εbi ≤ εfd (2.15) Trong đó:

+ εfe: Mức biến dạng hữu hiệu của FRP khi phá hoại, in/in (mm/mm)

+ εcu: Biến dạng dọc trục tới hạn của bê tông nở hông, in/in (mm/mm) + εbi: Biến dạng ban đầu của nền, in/in (mm/mm)

+ df: Chiều cao hữu hiệu của FRP, in (mm)

+ εfd: Biến dạng không dính bám của gia cường dính bám ngoài FRP, in/in (mm/mm)

+c: Khoảng cách từ thớ chịu nén lớn nhất đến trục trung hòa, in(mm)

- Mức ứng suất trong FRP

Ứng suất hữu hiệu trong FRP là ứng suất lớn nhất có thể được phát triển trong FRP trước khi phá hoại uốn của mặt cắt Ứng suất hữu hiệu này được xác định từ giá trị biến dạng trong FRP với giả thiết vật liệu đàn hồi lý tưởng

ffe = Ef εfe (2.16) Trong đó:

+ffe: Ứng suất hữu hiệu trong FRP, mức ứng suất đạt được ở phá hoại mặt cắt, psi (Mpa)

+Ef: Mô đun đàn hồi kéo cho FRP, psi (Mpa)

+εfe: Mức biến dạng hữu hiệu của FRP, in/in (mm/mm)

-Hệ số triết giảm cường độ

Dùng FRP cho gia cường uốn sẽ giảm tính dẻo cho cấu kiện ban đầu Ở một vài trường hợp mất mát dẻo được bỏ qua Tuy nhiên, mặt cắt được thí nghiệm mất mát lớn tính dẻo nên được đề cập Để duy trì mức độ hiệu quả của dẻo, mức ứng suất trong thép ở trạng thái giới hạn cực hạn nên được kiểm tra Với cấu kiện BTCT không có cốt thép dự ứng lực, tính dẻo cần thiết đạt được nếu biến dạng trong thép ở thời điểm bê tông nứt vỡ hoặc phá hoại FRP, bao gồm tách lớp, hoặc bong tróc

+Φ: Hệ số triết giảm cường độ

+εt: Biến dạng kéo nguyên với cốt thép tới hạn ở cường độ danh định, in/in (mm/mm)

+εsy: Biến dạng tương ứng với cường độ chảy dẻo của thép thường, in/in (mm/mm)

-Chịu lực trong quá trình khai thác

Bề rộng vết nứt và độ võng của kết cấu sau khi tăng cường bằng vật liệu FRP phải thỏa mãn các qui định của tiêu chuẩn thiết kế Trong đó, có xét ảnh hưởng của vật liệu FRP trong quá trình phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng của mặt cắt dưới tác dụng của tải trọng

Để tránh xảy ra biến dạng không đàn hồi trong cấu kiện BTCT, đặc biệt là dưới tác dụng của tải trọng lặp Ứng suất trong cốt thép dưới tải trọng khai thác không vượt quá 80% giới hạn chảy Thêm vào đó, ứng suất nén trong bê tông dưới tải trọng khai thác không vượt quá 45% cường độ chịu nén

fs,s ≤ 0.8 fy (2.18) Trong đó:

+fs,s: Mức ứng suất của cốt thép thường ở tải trọng khai thác, psi(Mpa) +fy: Cường độ chảy biểu kiến của cốt thép thường, psi(Mpa)

-Giới hạn ứng suất do từ biến và mỏi

Để tránh phá hoại do từ biến của FRP dưới tải trọng lâu dài hoặc phá hoại do ứng suất lặp và mỏi trong FRP, cần kiểm tra ứng suất trong FRP dưới những điều kiện tải trọng này Vì ứng suất nằm trong khoảng đàn hồi của cấu kiện, nên có thể sử dụng các phân tích đàn hồi để xác định ứng suất

Hiện tượng phá hoại do từ biến và mỏi của vật liệu FRP được miêu tả với sự thay đổi sợi được thí nghiệm Nghiên cứu chỉ ra rằng sợi thủy tinh, aramid, cacbon vẫn chịu lực ổn định, không bị phá hoại do từ biến ở ứng suất xấp xỉ 0.3, 0.5, 0.9 lần so với cường độ tới hạn của chúng Để tránh phá hoại của cấu kiện do từ biến và mỏi cần giới hạn ứng suất (do tải trọng thường xuyên và tải trọng lặp) trong tấm FRP không vượt quá giá trị này Ứng suất trong FRP có thể các định bằng các phân tích đàn hồi và mô men tạo ra do tất cả các tải trọng ổn định cộng với mô men lớn nhất tạo ra do lặp tải trọng mỏi Cần giới hạn ứng suất trong tấm FRP để đảm bảo an toàn của tấm dưới tác dụng của tải trọng lặp và từ biến

-Ứng suất trong cốt thép dưới tác dụng của tải trọng khai thác

Cấp ứng suất trong cốt thép thường có thể được tính toán dựa trên việc phân tích mặt cắt đã nứt của mặt cắt bê tông cốt thép được gia cường thêm FRP

-Ứng suất trong FRP dưới tác dụng của tải trọng khai thác

Ứng suất trong FRP dưới tác dụng của tải trọng khai thác được tính toán cần so sánh với giới hạn trong vật liệu FRP

2.2.5 Tăng cường chịu cắt

Các vật liệu FRP có khả năng tăng cường chịu cắt của các công trình cột và dầm

bê tông hiện có bằng cách dán bọc toàn bộ hoặc một phần của cấu kiện Phương án tăng cường là dán các tấm sợi FRP theo phương vuông góc với trục của cấu kiện hoặc

theo phương vuông góc với các vết nứt do cắt có thể xảy ra để bổ sung thêm cường độ chịu cắt

*Các vấn đề chung

Cường độ chịu cắt tăng thêm có được từ vật liệu FRP là nhờ nhiều yếu tố, bao gồm cả dạng hình học của dầm hoặc cột, phương án dán bọc gia cường và cường độ của bê tông hiện thời Có thể sử dụng FRP dán ngoài tại các vị trí có khả năng chịu uốn sau khi chảy dẻo của các cấu kiện hoặc tại các vị trí chịu lực cục bộ để nâng cao khả năng chịu lực cục bộ Phương án dán trong những trường hợp này là dán bọc kín toàn bộ mặt cắt ngang

Khi gia cường bằng FRP dán ngoài bằng cách dán các tấm sợi rời rạc thì khoảng cách giữa tim các tấm không nên vượt quá giá trị bằng một phần tư chiều cao dầm (cột) cộng với chiều rộng của tấm

*Các hình thức dán bọc gia cường

Ba hình thức dán bọc FRP được sử dụng để làm tăng cường độ chịu cắt của các công trình dầm trụ hoặc chữ nhật hay các công trình cột: quấn toàn bộ, quấn 3 mặt hình chữ U, dán 2 mặt Hình thức dán bọc vật liệu FRP toàn bộ xung quanh mặt cắt hoặc trên tất cả 4 mặt của cột là hình thức dán bọc hiệu quả nhất và thường được sử dụng nhiều nhất cho các công trình cột tại nơi có thể dán được cả 4 cạnh của cột.Đối với dầm cường độ chịu cắt được cải thiện bằng cách dán bọc vật liệu FRP quanh 3 mặt của cấu kiện (dán bọc hình chữ U) hoặc dán lên 2 mặt đối diện nhau của cấu kiện Mặc dù cả 3 hình thức dán đều có khả năng tăng cường khả năng chịu cắt của cấu kiện, nhưng phương thức dán bọc toàn bộ mặt cắt là hiệu qủa nhất, sau đó đến phương thức dán 3 mặt hình chữ U Phương thức dán 2 mặt của dầm là phương thức ít hiệu quả nhất

Trong tất cả các phương thức dán bọc chống cắt, vật liệu FRP có thể được thi công liên tục dọc theo chiều dài nhịp của một cấu kiện hoặc được đặt thành các mãng rời rạc Giải pháp dùng tấm FRP liên tục bao quanh toàn bộ cấu kiện có ưu điểm là ngăn cảng sự xâm nhập của nước và các tác nhân ăn mòn vào bê tông dầm, tuy nhiên lại rất khó để theo dõi sự phát triển tiếp theo của các hư hỏng trong dầm

*Cường độ chịu cắt danh định

Cường độ chịu cắt thiết kế của một cấu kiện bê tông được gia cường bằng một vật liệu FRP phải lớn hơn lực cắt tính toán Lực cắt tính toán của một cấu kiện bê tông gia cường FRP xác định theo tiêu chuẩn thiết kế Cường độ chịu cắt thiết kế bằng cường độ chịu cắt danh định Vn nhân với hệ số triết giảm cường độ của cấu kiện chịu cắt

ΦVn ≥ Vu (2.19) Trong đó:

-Vn: Sức kháng danh định, Ib (N)

-Vu: Lực cắt tính toán, Ib (N)

- Φ: Hệ số triết giảm cường độ

*Phần đóng góp FRP vào cường độ chịu cắt

Phần đóng góp của vật liệu FRP vào cường độ chịu cắt của một cấu kiện được dựa trên hướng của sợi và hướng vết nứt được giả định Cường độ chịu cắt có được từ việc gia cường bằng FRP được xác định bằng cách tính toán lực sinh ra từ ứng suất kéo trong FRP phương vuông góc với vết nứt giả định

*Biến dạng có hiệu trong các tấm FRP

Biến dạng có hiệu là biến dạng lớn nhất có thể có được trong vật liệu FRP tại cường độ danh định và bị khống chế bởi dạng hư hỏng của vật liệu FRP và của cấu kiện BTCT được gia cường Khi thiết kế cần phải xem xét tất cả các dạng hư hỏng có thể xảy ra và phải sử dụng biến dạng có hiệu đại diện đúng cho hình thức hư hỏng tới hạn

*Các cấu kiện được dán bọc toàn bộ

Với các cấu kiện dầm và cột BTCT được dán bọc toàn bộ bằng FRP, hư hỏng bong tróc cốt liệu của bê tông đã được quan sát cho thấy sự bong tróc này thường xảy

ra dọc các sợi có biến dạng ít hơn so với biến dạng sợi tới hạn Để ngăn ngừa hình thức hư hỏng này, biến dạng tới hạn sử dụng trong thiết kế cần được giới hạn dưới 0.4% cho các cấu kiện được dán bọc kín bằng FRP

εfe = 0.004 ≤ 0.75 εfu (2.20) Trong đó:

+εfe: Mức biến dạng hữu hiệu của FRP khi phá hoại, in/in (mm/mm)

+εfu: Biến dạng đứt thiết kế FRP khi phá hoại, in/in (mm/mm)

*Các lớp dán bọc chữ U hoặc các lớp dán bề mặt

Bằng việc quan sát cho thấy các vật liệu FRP mà không dán bọc quanh toàn bộ mặt cắt (dán bọc 2 hoặc 3 mặt) đã bong tách khỏi bê tông trước khi bị hư hỏng tại mặt cắt khớp nối Vì nguyên nhân này, các ứng suất trong liên kết đã được phân tích để xác định ảnh hưởng của dạng hư hỏng này và cấp biến dạng có hiệu lớn nhất có thể đạt được

*Khoảng cách giữa các tấm FRP gia cường đặt rời

Các tấm FRP đặt cách nhau để sử dụng cho gia cường chịu cắt nên được nghiên cứu để đánh giá phần đóng góp của các mảnh FRP đó vào khả năng chịu cắt Khoảng cách giữa các mãnh FRP ở đây phải tuân theo các giới hạn được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế tương ứng với phần gia cường chịu cắt bằng cốt thép trong Khoảng cách giữa các tấm FRP được tính bằng khoảng cách giữa các tim tấm

*Các giới hạn gia cường

Khả năng gia cường lực cắt tối đa của vật liệu FRP cho cấu kiện BTCT phụ thuộc vào kích thước và cường độ của bê tông cấu kiện Tổng sức kháng cắt của vật liệu FRP và cốt thép bên trong trong mọi trường hợp phải nhỏ hơn giá trị giới hạn liên

quan đến kích thước và cường độ chịu kéo của bê tông Giới hạn này được nêu trong phương trình

Vs +Vf ≤ 0.66 f 'c bw d (2.21)Trong đó:

-Vs: Sức kháng cắt danh định của cốt thép đai, Ib(N)

-Vf: Sức kháng cắt danh định của cốt đai FRP, Ib(N)

-f'c: Cường độ chịu nén biểu kiến của bê tông, psi(Mpa)

-bw: Bề rộng sườn hoặc đường kính của mặt cắt trụ, in (mm)

-d: Khoảng cách từ thớ chịu nén lớn nhất đến tâm cốt thép kéo, in (mm)

2.2.6 Tăng cường các cấu kiện chịu nén uốn đồng thời

*Cấu kiện chịu nén thuần túy

Các vật liệu FRP có thể sử dụng để làm tăng cường độ chịu nén dọc trục của cấu kiện bê tông bằng cách liên kết chặt với lớp bọc bằng FRP Việc tăng cường độ của cấu kiện được thực hiện bằng cách bố trí các sợi nằm ngang so với trục dọc của cấu kiện đó Theo cách bố trí này thì các sợi ngang hay sợi đai vòng cũng tương tự như cốt thép đai hoặc vòng xoắn để gia cường chịu cắt Bất kì đóng góp nào của các sợi được

bố trí dọc theo cường độ chịu nén dọc trục của cấu kiện bê tông đều được bỏ qua Các lớp bọc FRP giúp chống nở hông cho các cấu kiện chịu nén và duy trì kết cấu ở trạng thái phi ứng suất cho đến khi cấu kiện bê tông được gia cường thêm FRP bị giản nở và nứt Với nguyên nhân này, liên kết giữa lớp bọc FRP và cấu kiện bê tông

là bộ phận đầu tiên bị phá hoại trong bài toán tăng cường kết cấu chịu nén thuần túy bằng cách bọc

-Các mặt cắt hình tròn: các lớp bọc FRP có hiệu quả nhất với các cột chịu nén hình tròn Vật liệu FRP có áp lực dính đồng đều vòng quanh cột, ngăn cảng sự nở hông của cột khi chịu nén bằng các lớp sợi được dán vuông góc với dọc trục của cấu kiện

-Các mặt cắt không phải hình tròn: thí nghiệm đã chứng tỏ rằng việc sử dụng vật liệu FRP để bọc cấu kiện có mặt cắt ngang hình vuông hoặc chữ nhật đem lại mức độ tăng cường rất nhỏ về cường độ chịu nén dọc trục tối đa của cấu kiện

-Tăng cường tính dẻo: tính dẻo mặt cắt tăng cường FRP tăng lên do sự tăng biến dạng nén trong bê tông trước khi bị hư hỏng do nén Lớp bọc FRP có tác dụng trì hoãn

sự mất ổn định của phần gia cường cốt thép dọc chịu nén và cố định vị trí có mối nối chồng của cốt thép dọc Với các ứng dụng chịu tải trọng động đất, các lớp FRP cần tạo

ra ứng suất nén đủ lớn để kiềm chế biến dạng nén của bê tông gây ra do chuyển vị cưỡng bức

2.3 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE [1] 2.3.1 Nguyên lý chung

Nguyên tắc tính toán kết cấu bê tông cốt thanh composite dựa trên các nguyên tắc thiết kế theo trạng thái giới hạn, tức là một cấu kiện bê tông cốt FRP phải được thiết kế theo độ bền yêu cầu (tức nội lực) rồi được kiểm tra về độ chịu đựng mỏi, độ phá hủy do từ biến và tiêu chí về sử dụng

Các hệ số tải trọng cho trong ACI 318-05 được dùng để xác định cường độ yêu cầu (tức nội lực) của cấu kiện bê tông có cốt FRP

2.3.2 Các đặc trưng tính toán của vật liệu

-Các tính chất cơ học được cung cấp bởi nhà sản xuất như cường độ chịu kéo được bảo đảm, cần được coi như các tính chất ban đầu chưa xét đến ảnh hưởng của sự phơi lộ dài hạn trong môi trường Bởi vì sự phơi lộ dài hạn trong các môi trường khác nhau có thể làm giảm cường độ chịu kéo, giảm chịu đựng mỏi hoặc phá hủy do từ biến của thanh FRP, nên các tính chất cơ học dùng trong các phương trình thiết kế phải được giảm đi tùy theo loại và mức độ phơi lộ

-Cường độ chịu kéo tính toán (hay thiết kế) được các định:

ffu = CE f*

fu (2.22) Trong đó:

ffu = cường độ kéo tính toán (hay thiết kế) của FRP có xét đến sự suy giảm trong môi trường sử dụng, MPa

Bảng 2.1.Hệ số giảm cường độ chịu kéo thanh FRP do môi trường

Tình trạng phơi lộ Loại sợi Hệ số giảm do môi trường CE

Bê tông không phơi lộ ra

đất và thời tiết

Carbon 1 Thủy tinh 0,8 Aramit 0,9

Bê tông bị phơi lộ ra đất

và thời tiết

Carbon 0,9 Thủy tinh 0,7 Aramit 0,8 -Biến dạng tỉ đối khi phá hủy để thiết kế là

εfu = CE ε*fu (2.23) Trong đó:

εfu = biến dạng tỉ đối khi phá hủy để thiết kế của cốt FRP

ε*

fu = biến dạng tỉ đối khi phá hủy được đảm bảo của thanh FRP, được xác định bằng biến dạng kéo tỷ đối trung bình lúc phá hủy của một bộ các mẫu thử trừ đi 3 lần

độ lệch chuẩn (ε*

fu = εu, ave - 3.б), MPa -Mô đun đàn hồi thiết kế sẽ lấy bằng giá trị thông báo của nhà sản xuất là mô đun đàn hồi trung bình (giá trị được bảo đảm) của một bộ các mẫu thử (Ef=Ef,ave)

*Cường độ kéo tại chổ uốn cong của thanh FRP

Cường độ kéo tại chổ uốn cong của thanh FRP có thể các định bằng công thức

db = đường kính của thanh cốt, mm

ffu = cường độ chịu kéo tính toán của FRP có xét đến sự giảm trong môi trường sử dụng, MPa

2.3.3 Thiết kế cấu kiện chịu uốn

Thiết kế cấu kiện chịu uốn bằng bê tông có cốt là các thanh FRP cũng tương tự như thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép Các dữ liệu thí nghiệm trên cấu kiện chịu uốn bằng bê tông có cốt là các thanh FRP cho thấy khả năng chịu uốn có thể dựa trên giả thiết tương tự như đối với cấu kiện có thép Việc thiết kế cấu kiện chịu uốn bằng bê tông cốt FRP cần xét đến quan hệ ứng suất - biến dạng đơn trục của vật liệu FRP

2.3.3.1 Vấn đề chung

a) Tư duy về cấu kiện chịu uốn

Cấu kiện bê tông cốt thép thường được thiết kế có ít cốt thép để cho cốt thép chảy dẻo trước khi bê tông vùng nén bị ép vỡ Sự chảy dẻo của cốt thép tạo nên độ mềm dẻo và cảnh báo sự nguy hiểm của cấu kiện

Nếu cốt FRP bị đứt thì sự phá hủy của cấu kiện là đột ngột và nguy hiểm, tuy nhiên cũng có một sự cảnh báo hạn chế về sự phá hủy sắp xảy ra khi có vết nứt quá mức và độ võng lớn do các thanh FRP bị giãn ra nhiều trước khi đứt Trong mọi trường hợp, cấu kiện sẽ không cho thấy tính dẻo như thường thấy ở dầm BTCT ít đặt thép

Đối với dầm bê tông cốt FRP thì sự phá hủy do bê tông bị ép vỡ có khi lại được mong muốn hơn Khi bê tông bị phá vỡ, cấu kiện uốn cho thấy một ứng xử dẻo nhất định trước khi phá hủy

Như vậy cả 2 sự phá hủy (đứt FRP và ép vỡ bê tông) đều chấp nhận được khi thiết kế cấu kiện chịu uốn có cốt FRP, với điều kiện là thỏa mãn các tiêu chí về cường độ và sử dụng Dùng bê tông cường độ cao cho phép tận dụng tốt hơn cường độ cao của thanh FRP và có thể làm tăng độ cứng của tiết diện đã nứt nhưng bê tông cường độ cao là giòn hơn bê tông cường độ thường nên có thể làm giảm độ biến dạng tổng thể của cấu kiện chịu uốn

b) Giả thiết

Việc tính toán cường độ tiết diện sẽ dựa trên các giải thiết sau:

-Biến dạng tỉ đối của bê tông và của cốt FRP là tỷ lệ với khoảng cách đến trục trung hòa (nghĩa là một tiết diện phẳng trước khi chịu tải thì vẫn là phẳng sau khi chịu tải)

-Biến dạng tỷ đối nén lớn nhất có thể sử dụng được trong bê tông là 0.003

-Cường độ chịu kéo của bê tông là được bỏ qua

-Sự làm việc của thanh FRP là đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hủy

-Giữa bê tông và cốt FRP có sự dính kết hoàn toàn

2.3.3.2 Cường độ chịu uốn

Phương pháp thiết kế theo cường độ yêu cầu cường độ uốn thiết kế của một tiết diện của cấu kiện phải vượt quá mômen tính toán (tức là mô men đã nhân với hệ số) Cường độ uốn thiết kế là cường độ uốn danh nghĩa nhân với hệ số giảm cường độ Mômen tính toán là mômen được tính nhân với tải trọng đã nhân hệ số như qui định trong ACI 318-95

ϕMn ≥ Mu (2.25) Trong đó:

ϕ = hệ số giảm cường độ

Mn = khả năng chịu uốn danh nghĩa, N.mm

Mu = mô men có nhân hệ số (mô men tính toán) tại tiết diện N.mm

Cường độ chịu uốn danh nghĩa của cấu kiện bê tông cốt FRP có thể xác định dựa trên sự tương thích biến dạng, sự cân bằng nội lực và trạng thái phá hủy

*Cách thức phá hủy

Khả năng chịu uốn của cấu kiện có cốt FRP phụ thuộc vào cách thức phá hủy là

do bê tông bị ép vỡ hay do cốt FRP bị đứt Cách thúc phá hủy có thể xác định bằng cách so sánh hàm lượng cốt FRP với hàm lượng cốt cân bằng (tức là hàm lượng khi

mà bê tông vỡ và FRP đứt xảy ra đồng thời) Bởi vì FRP không chảy dẻo, hàm lượng cân bằng cốt FRP được tính toán theo cường độ kéo thiết kế của cốt FRP

-Hàm lượng cốt FRP tính theo công thức:

ρf = Af

b.d (2.26)

Trong đó:

ρf= hàm lượng cốt FRP

Af = diện tích tiết diện cốt FRP, mm3

b = chiều rộng tiết diện chữ nhật, mm

d = khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trọng tâm cốt chịu kéo, mm

-Hàm lượng cốt FRP cân bằng tính từ phương trình