Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ cái Latinh viết hoa A Diện tích tiết diện A bt Diện tích tiết diện bê tông chịu kéo E b Mô đun đàn hồi của bê tông E b1 Giá trị mô đun đàn hồ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

PHAN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT HỖN HỢP THÉP VÀ POLYME

CỐT SỢI THỦY TINH

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - Năm 2021

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

PHAN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT HỖN HỢP THÉP VÀ POLYME

CỐT SỢI THỦY TINH

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số: 9580201

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS LÊ BÁ HUẾ

Hà Nội - Năm 2021

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án

Phan Minh Tuấn

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Bá Huế đã tận tình

hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành

luận án và nâng cao năng lực khoa học cho tác giả

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Bộ môn công trình Bê tông cốt thép trường Đại Học Xây Dựng đã có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng và quý báu cho tác giả trong quá trình hoàn thiện luận án Cảm ơn Phòng thí nghiệm LAS-XD125, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa đào tạo Sau đại học nơi tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án

Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn những người thân trong gia đình đã động

viên, khích lệ, chia sẻ những khó khăn với tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả luận án

Phan Minh Tuấn

Trang 5

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP 5

1.1 Giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP 5

1.1.1 Đặc tính của các loại cốt FRP 5

1.1.2 Tính chất cơ lý 7

1.1.3 Lịch sử phát triển cốt FRP và vấn đề sử dụng cốt hỗn hợp thép và FRP 8

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu dầm bê tông cốt SGFRP 10

1.2.1 Tổng quan về các nghiên cứu thực nghiệm 11

1.2.2 Tổng quan về nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình số 23

1.2.3 Tổng quan nghiên cứu lý thuyết qua các công thức tính toán 29

1.3 Nhận xét rút ra từ tổng quan 34

Chương 2: XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP CHỊU UỐN 36

2.1 Các dạng phá hoại của dầm bê tông cốt SGFRP 36

2.2 Tính toán dầm bê tông cốt SGFRP theo phương pháp lặp 37

2.3 Tính toán dầm bê tông cốt SGFRP theo công thức cốt hỗn hợp tương đương 46

2.3.1 Quan hệ ứng suất biến dạng của cốt SGFRP tương đương 46

2.3.2Xác định các thông số đường quan hệ ứng suất-biến dạng của cốt SGFRP 49

2.3.3 Sự làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 52

2.3.4 Hàm lượng và mô men giới hạn của dầm bê tông cốt SGFRP 54

2.3.5 Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 58

2.3.6 Thiết kế dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 62

2.3.7 Tính toán độ võng dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 68

2.3.8 Tính toán bề rộng vết nứt dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 79

2.3.9 Tính toán độ dẻo dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 85

Trang 6

2.4 Nhận xét chương 2 91

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP 92

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 92

3.2 Mẫu thí nghiệm 92

3.3 Thí nghiệm gia tải xác định mô men uốn của dầm 94

3.3.1 Thiết bị thí nghiệm 94

3.3.2 Thiết bị đo biến dạng (Strain gauges) 95

3.3.3 Cốp pha 96

3.3.4 Cốt thép và cốt GFRP 97

3.3.5 Đổ bê tông và bảo dưỡng 98

3.3.6 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông 99

3.3.7 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông 100

3.3.8 Thí nghiệm các định đặc trưng cơ học của cốt thép 101

3.3.9 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của cốt GFRP 102

3.3.10 Quy trình thí nghiệm 103

3.4 Tổng hợp, đánh giá kết quả thí nghiệm 104

3.4.1 Số liệu thí nghiệm và cách xử lý 104

3.4.2 Sự làm việc của dầm thí nghiệm 104

3.4.3 Giá trị mô men gây nứt Mcr 106

3.4.4 Giá trị mô men khi thép chảy My cho nhóm dầm cốt hỗn hợp 107

3.4.5 Giá trị mô men giới hạn Mu 108

3.4.6 Quan hệ lực và độ võng 109

3.4.7 Quan hệ lực và bề rộng vết nứt: 117

3.4.8 Độ dẻo của dầm 129

3.5 Nhận xét chương 3 131

KẾT LUẬN 132

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 PHỤ LỤC PL1

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ cái Latinh viết hoa

A Diện tích tiết diện

A bt Diện tích tiết diện bê tông chịu kéo

E b Mô đun đàn hồi của bê tông

E b1 Giá trị mô đun đàn hồi bê tông quy đổi ban đầu

E c Mô đun đàn hồi của bê tông

E f Mô đun đàn hồi của cốt GFRP

E I Mô đun đàn hồi giai đoạn I của cốt hỗn hợp SGFRP

E II Mô đun đàn hồi giai đoạn II của cốt hỗn hợp SGFRP

E s Mô đun đàn hồi của cốt thép

E sf Mô đun đàn hồi của cốt hỗn hợp SGFRP

E sf,redI Giá trị mô đun đàn hồi giai đoạn I quy đổi của cốt SGFRP

E sf,redII Giá trị mô đun đàn hồi giai đoạn II quy đổi của cốt SGFRP

I Mô men quán tính của tiết diện bê tông

I red Mô men quán tính của tiết diện quy đổi

I sf Mô men quán tính của tiết diện cốt chịu kéo

L Chiều dài nhịp của dầm

L sf Khoảng cách cơ sở giữa các vết nứt thẳng góc kề nhau

M crc Mô men hình thành vết nứt

M max Mô men uốn giới hạn lớn nhất để dầm phá hoại dẻo

M min Mô men uốn giới hạn nhỏ nhất để dầm phá hoại dẻo

M u Mô men uốn giới hạn

M y Mô men uốn khi cốt thép chảy

P Lực tác dụng

R b Cường độ chịu nén tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn I

R bm Cường độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu lập phương

Trang 8

R bn Cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông

R bser Cường độ chịu nén tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn II

R bt Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn I

R btn Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông

R btser Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn II

R f Cường độ tính toán của cốt GFRP

R fn Cường độ tiêu chuẩn của cốt GFRP

R s Cường độ tính toán của cốt thép

R sf,u Cường độ giới hạn kéo của cốt hỗn hợp SGFRP

R sf,y Cường độ chảy của cốt hỗn hợp SGFRP

R sn Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép

S t,red Mô men tĩnh của diện tích tiết diện quy đổi

T Lực kéo của dầm

T f Lực kéo của cốt GFRP

T s Lực kéo của cốt thép

W pl Mô men kháng uốn đàn hồi của tiết diện quy đổi

W red Mô men kháng uốn

Chữ cái Latinh viết thường

a crc Bề rộng vết nứt

b Chiều rộng của dầm

c Chiều dầy lớp bê tông bảo vệ

f Độ võng của dầm

f' c Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu lăng trụ

f' cm Cường độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu lăng trụ

f cu Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu lập phương

f y Giới hạn chảy của cốt thép

h Chiều cao của dầm

h 0f Chiều cao hữu ích của dầm tới trọng tâm cốt GFRP

h 0s Chiều cao hữu ích của dầm tới trọng tâm cốt thép

h 0sf Chiều cao hữu ích của dầm tới trọng tâm cốt hỗn hợp SGFRP

h i Chiều dầy (chiều cao) của phần tử bê tông thứ i

m Tỷ số diện tích cốt thép với cốt GFRP, As/Af

x Chiều cao bê tông vùng nén quy đổi

x* Chiều cao bê tông vùng nén

x* R Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn dưới

Trang 9

x* R,e Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên hiệu quả

x* R,y Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên

x* y Chiều cao bê tông vùng nén khi thép chảy

x R Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn dưới quy đổi

x R,e Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên hiệu quả quy đổi

x R,y Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên quy đổi

x y Chiều cao bê tông vùng nén khi thép chảy quy đổi

y t Khoảng cách từ thớ bê tông chịu kéo nhiều nhất đến trọng tâm tiết diện

quy đổi

Chữ cái Hy Lạp

m Giá trị lấy bằng tích 

R Giá trị lấy bằng tích RR

R,e Giá trị lấy bằng tích R,eR,e

R,y Giá trị lấy bằng tích R,yR,y

sf,I Tỷ số quy đổi mô đun giai đoạn I của cốt SGFRP theo bê tông

b Biến dạng tương đối của bê tông vùng nén

b0 Biến dạng tương đối giới hạn của bê tông khi nén đều dọc trục

b1 Biến dạng tương đối của bê tông, bằng 0,6Rb/Eb

b2 Biến dạng nén tương đối giới hạn của bê tông khi bị phá hoại

bi Biến dạng tương đối của phần tử bê tông thứ i

f Biến dạng tương đối của cốt GFRP

fu Biến dạng tương đối giới hạn của cốt GFRP

s Biến dạng tương đối của cốt thép

s,el Biến dạng tương đối khi bắt đầu chảy của cốt thép

s0 Biến dạng giãn dài tương đối của cốt thép khi ứng suất đạt tới cường độ tính toán

s2 Biến dạng kéo tương đối của cốt thép, lấy bằng 0,025

sf Biến dạng tương đối của cốt hỗn hợp SGFRP

sfu Biến dạng tương đối giới hạn của cốt SGFRP

 Tỷ số diện tích cốt GFRP với diện tích cốt thép, A f /A s

max Hàm lượng cốt dọc tối đa để dầm phá hoại dẻo

max1 Hàm lượng cốt dọc tối đa để dầm phá hoại dẻo khi m = 0

max2 Hàm lượng cốt dọc tối đa để dầm phá hoại dẻo khi m = 

Trang 10

min Hàm lượng cốt dọc tối thiểu để dầm phá hoại dẻo

min1 Hàm lượng cốt dọc tối thiểu để dầm phá hoại dẻo khi m = 0

min2 Hàm lượng cốt dọc tối thiểu để dầm phá hoại dẻo khi m = 

b Ứng suất bê tông vùng nén

bi Ứng suất của phần tử bê tông thứ i

f Ứng suất của cốt GFRP

s Ứng suất của cốt thép

sf Ứng suất của cốt hỗn hợp GFRP

y Giới hạn chảy của cốt thép

 Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén x với chiều cao hữu ích h0

R Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén giới hạn xR với chiều cao hữu ích h0

R,e Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén giới hạn xR,e với chiều cao hữu ích h0

R,y Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén giới hạn xR,y với chiều cao hữu ích

h0

 Giá trị lấy bằng 

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AFRP Cốt polyme sợi aramid

BFRP Cốt polyme sợi basalt

Trang 11

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Khối lượng riêng điển hình của thanh thép và thanh FRP (g/cm3) 7

Bảng 1.2 Hệ số giãn nở nhiệt điển hình 7

Bảng 1.3 Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP 8

Bảng 2.1 Thông số dầm thực nghiệm đã công bố 60

Bảng 2.2 Kết quả so sánh tính toán lý thuyết với thực nghiệm 61

Bảng 2.3 Kết quả tính toán diện tích cốt dọc 75

Bảng 2.4 Bảng quan hệ tỷ lệ diện tích và độ cứng giữa cốt thép và cốt GFRP 77

Bảng 2.5 Bảng kết quả tính toán diện tích và chọn cốt dọc 83

Bảng 2.6 Bảng kết quả tính toán diện tích và chọn cốt dọc 83

Bảng 2.7 Bảng kết quả tính toán độ dẻo khi M = 0,81Mmax,e 89

Bảng 2.8 Bảng kết quả tính toán độ dẻo khi M = 1,29Mmax,e 89

Bảng 3.1 Thông số của các mẫu dầm thí nghiệm 94

Bảng 3.2 Thiết kế cấp phối cho 1 m3 bê tông mác 400 98

Bảng 3.3 Kết quả nén mẫu bê tông hình lập phương 100

Bảng 3.4 Kết quả nén mẫu bê tông hình trụ 100

Bảng 3.5 Kết quả xác định mô đun đàn hồi của bê tông 101

Bảng 3.6 Đặc trưng về kéo của cốt thép 102

Bảng 3.7 Đặc trưng về kéo của GFRP do nhà sản xuất cung cấp 103

Bảng 3.8 Bảng số liệu đầu vào để tính toán dầm bê tông cốt SGFRP 106

Bảng 3.9 Bảng so sánh dạng phá hoại của dầm với lý thuyết 106

Bảng 3.10 Bảng kết quả mô men nứt của dầm thí nghiệm 107

Bảng 3.11 Bảng so sánh kết quả mô men nứt với lý thuyết 107

Bảng 3.12 Bảng kết quả mô men khi thép chảy của dầm thí nghiệm 107

Bảng 3.13 Bảng so sánh kết quả mô men chảy với lý thuyết 108

Bảng 3.14 Bảng kết quả mô men giới hạn của dầm thí nghiệm 108

Bảng 3.15 Bảng kết quả mô men giới hạn khi biến dạng u = 0.003 108

Bảng 3.16 Bảng so sánh mô men phá hoại của dầm với lý thuyết 109

Bảng 3.17 Bảng giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau 109

Bảng 3.18 Bảng so sánh giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau 110

Trang 12

Bảng 3.19 Bảng giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau 111

Bảng 3.23 Bảng so sánh giá trị lực P của dầm D1 với thực nghiệm 116

Bảng 3.26 Bảng tổng hợp khoảng cách giữa các vết nứt 119

Bảng 3.27 Bảng giá trị lực P (kN) tại các giá trị vết nứt khác nhau 127

Bảng 3.28 Bảng giá trị lực P (kN) tại các giá trị vết nứt khác nhau 128

Bảng 3.29 Bảng so sánh giá trị lực P thực nghiệm với lý thuyết 129

Bảng 3.30 Bảng so sánh biến dạng dư của dầm 129

Bảng 3.31 Bảng kết quả tính toán độ dẻo của dầm 131

Trang 13

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các loại thanh FRP 5

Hình 1.2 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng của các loại sợi và cốt thép 7

Hình 1.3 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Ombres và cộng sự (2002) 12

Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Wenjun Qu và cộng sự (2009) 13

Hình 1.5 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Denvid Lau và cộng sự (2010) 15

Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Young-Soo Yoon và cộng sự (2011) 16

Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm dầm của WenJie Ge và cộng sự (2011) 17

Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Liu Yinghao và cộng sự (2012) 18

Hình 1.9 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Ahmed El Refai và cộng sự (2015) 19

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Zeyang Sun và cộng sự (2019) 21

Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Xiangjie Ruan và cộng sự (2020) 22

Hình 1.12 Mẫu mô hình dầm của R.A Hawileh và cộng sự (2015) 24

Hình 1.13 Kết quả khảo sát số của dầm của Renyuan Qin và cộng sự (2017) 27

Hình 1.14 Mẫu mô hình dầm của Linh Van Hong Bui và cộng sự (2018) 28

Hình 2.1 Các sơ đồ biến dạng dầm bê tông cốt SGFRP ở trạng thái giới hạn 36

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất-biến dạng của các vật liệu 37

Hình 2.3 Sơ đồ ứng suất của dầm cốt hỗn hợp SGFRP 39

Hình 2.4 Sơ đồ khối xác định lực nén Cj và mô men Mbj 42

Hình 2.5 Sơ đồ khối xác định chiều cao vùng nén x và mô men Muj 43

Hình 2.6 Sơ đồ chịu lực và mặt cắt ngang dầm bê tông cốt SGFRP 44

Hình 2.7 Quan hệ lực và độ võng khi bố trí cốt dọc theo các phương án 45

Hình 2.8 Quan hệ ứng suất-biến dạng của các vật liệu thép và GFRP 47

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất-biến dạng của cốt hỗn hợp tương đương 47

Hình 2.10 Sơ đồ ứng suất của dầm bê tông cốt hỗn hợp 49

Hình 2.11 Sơ đồ ứng suất của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 52

Hình 2.12 Sơ đồ ứng suất của dầm cốt hỗn hợp tương đương khi chảy 53

Hình 2.13 Sơ đồ các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 54

Hình 2.14 Biểu đồ hàm lượng cốt dọc nhỏ nhất 57

Hình 2.15 Biểu đồ hàm lượng cốt dọc lớn nhất 57

Trang 14

Hình 2.16 Sơ đồ ứng suất của dầm cốt SGFRP tương đương 58

Hình 2.17 Quan hệ giữa µ và tỷ số  của dầm có cùng Mgh 64

Hình 2.18 Quan hệ giữa sf /Rs với tỷ số  của dầm có cùng Mgh 65

Hình 2.19 Sơ đồ biến dạng của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 66

Hình 2.20 Biểu đồ hàm lượng cốt dọc giới hạn hiệu quả 67

Hình 2.21 Sơ đồ ứng suất và biến dạng của dầm có vết nứt 73

Hình 2.22 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng 74

Hình 2.23 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng khi M=47,92 kNm 76

Hình 2.24 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng khi M=76,68 kNm 76

Hình 2.25 Biểu đồ quan hệ  và độ cứng EA 78

Hình 2.26 Biểu đồ quan hệ  và độ cứng cốt tương đương 79

Hình 2.27 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt khi M < Mmax,e 83

Hình 2.28 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt khi M > Mmax,e 84

Hình 2.29 Sơ đồ ứng suất biến dạng ở trạng thái giới hạn 85

Hình 2.30 Sơ đồ ứng suất biến dạng khi cốt tương đương bắt đầu chảy 86

Hình 2.31 Biểu đồ quan hệ mô men và độ cong khi M=47,92 kNm 88

Hình 2.32 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt khi M=76,68 kNm 89

Hình 2.33 Biểu đồ quan hệ độ dẻo và tỷ lệ  90

Hình 3.1 Sơ đồ và mặt cắt dầm thí nghiệm 93

Hình 3.2 Thiết bị thí nghiệm 94

Hình 3.3 Thiết bị đo chuyển vị LVDTs 95

Hình 3.4 Thiết bị đo biến dạng cốt GFRP, cốt thép và bê tông 95

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thiết bị đo 96

Hình 3.6 Thiết bị đo bề rộng vết nứt 96

Hình 3.7 Lắp dựng cốp pha dầm 97

Hình 3.8 Lắp dựng cốp pha, cốt thép chuẩn bị đổ bê tông 97

Hình 3.9 Quá trình đổ bê tông 99

Hình 3.10 Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình lập phương 99

Hình 3.11 Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình trụ 100

Hình 3.12 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông 101

Hình 3.13 Thí nghiệm xác định đường cong ứng suất biến dạng của thép 102

Trang 15

Hình 3.14 Mẫu thí nghiệm kéo cốt GFRP 103

Hình 3.15 Quan hệ lực và độ võng dầm thí nghiệm 105

Hình 3.16 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D1, D2 và D3 109

Hình 3.17 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D4 với dầm D5 111

Hình 3.20 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D1 với lý thuyết 115

Hình 3.23 Hình dạng vết nứt của các dầm bê tông cốt SGFRP 117

Hình 3.24 Hình dạng vết nứt của dầm bê tông cốt GFRP thuần túy 118

Hình 3.25 Hình dạng vết nứt giữa dầm D1-1 và D1-2 118

Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt nhóm dầm D1 120

Hình 3.35 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của dầm D1 với dầm D4 123

Hình 3.38 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của nhóm dầm SGFRP 125

Hình 3.39 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của nhóm dầm SGFRP 126

Hình 3.40 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng khi hạ tải về 0 130

Hình 3.41 Biểu đồ quan hệ giữa độ dẻo và tỷ lệ  131

Trang 16

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thanh polyme cốt sợi thủy tinh GFRP (Glass fiber reinforcement polymer) với cường độ cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn và có giá thành thấp hứa hẹn là vật liệu mới thay thế cho cốt thép truyền thống, sử dụng trong các công trình xây dựng

ở môi trường nước mặn hoặc nước lợ Ở Việt Nam, với một đường bờ biển dài với nhiều đảo và quần đảo sẽ là nơi ứng dụng tốt loại vật liệu mới này cho các công trình Tuy nhiên trong thực tế, do cốt GFRP có tính giòn, đàn hồi (giòn hơn cả bê tông) nên dầm bê tông cốt GFRP thường bị phá hoại đột ngột, hơn nữa do có mô đun đàn hồi thấp (chỉ bằng khoảng 1/4 của cốt thép), dầm bê tông cốt GFRP thuần túy thường bị nứt và bị võng lớn, vượt quá giới hạn sử dụng làm hạn chế khả năng ứng dụng của loại vật liệu này [4] Để khắc phục vấn đề này thường phải tăng kích thước dầm hoặc bố trí thêm nhiều cốt GFRP, điều này làm tăng giá thành và khiến cốt GFRP khó đưa vào áp dụng trong thực tế Một giải pháp đã được đề xuất là sử dụng cốt GFRP kết hợp với cốt thép [5] Cốt thép với mô đun đàn hồi lớn sẽ giúp cải thiện vấn đề này Để chống ăn mòn cốt thép, trong thực tế, các cốt thép thường được bố trí vào phía trong với chiều dầy lớp bảo vệ lớn Sự kết hợp của 2 loại cốt này thành 1 loại cốt hỗn hợp thép và GFRP (cốt SGFRP) sẽ giúp bổ khuyết cho nhau, khắc phục nhược điểm và tăng cao ưu điểm của từng loại cốt riêng rẽ, giúp tăng thêm độ dẻo cho dầm bê tông cốt GFRP cũng như giảm thiểu độ võng và vết nứt của dầm này Kết cấu bê tông sử dụng cốt FRP thuần túy đã được nghiên cứu rất kỹ từ những năm 1970 và đã được nhiều nước ban hành thành tiêu chuẩn thiết

kế Việc tính toán dầm bê tông cốt hỗn hợp chưa có hướng dẫn tính toán cụ thể và chưa có quốc gia nào ban hành thành tiêu chuẩn Việc nghiên cứu dầm bê tông cốt hỗn hợp cho đến nay vẫn là một đề tài được tranh luận sôi nổi trên thế giới với nhiều vấn đề còn cần làm rõ, như tính toán độ võng, tính bề rộng vết nứt, độ dẻo của dầm và đặc biệt là vấn đề xác định tỷ số diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép ảnh hưởng tới sự chịu lực và chịu biến dạng của dầm Các nghiên cứu đều thiếu

Trang 17

việc đưa ra một quy trình tính toán cụ thể và đầy đủ Vì vậy việc đề xuất một phương pháp tính toán lý thuyết đồng thời tiến hành nghiên cứu loại dầm này bằng thực nghiệm là việc làm hết sức cần thiết Đây cũng là nội dung chính của đề tài

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Mục đích nghiên cứu của luận án:

- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP;

- Đề xuất phương pháp tính tính toán, thiết lập các công thức dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc cho dầm bê tông cốt SGFRP, công thức dự đoán độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm;

- Xác định khoảng hợp lý về tỷ lệ diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm

bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP với cấp độ bền của bê tông không lớn hơn B70 Phạm vi áp dụng cho dầm làm việc trên tiết diện thẳng góc và loại dầm đơn giản một nhịp có tiết diện hình chữ nhật đặt cốt đơn chịu tải trọng tác dụng ngắn hạn

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực

nghiệm để làm rõ sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP và thiết lập được các công thức tính toán cho loại dầm này Các tính toán dựa trên đề xuất khoa học của các tiêu chuẩn về thiết kế bê tông cốt thép và thiết kế bê tông cốt FRP Nghiên cứu đề xuất quy trình tính toán cụ thể và đầy đủ về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh (dầm bê tông cốt SGFRP) tuân thủ theo TCVN 5574:2018 là việc làm cần thiết, có tính ứng dụng cao Qua việc sử dụng cốt SGFRP giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của dầm cốt GFRP thuần túy do khắc phục được những nhược điểm về võng và nứt lớn, đây chính là ý nghĩa thực tiễn của luận án, góp phần xây dựng mới tiêu chuẩn thiết kế dầm bê tông cốt SGFRP và đẩy mạnh ứng dụng loại vật liệu mới này ở Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết kết

hợp với thực nghiệm

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP;

Trang 18

- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt SGFRP;

- Đề xuất phương pháp số để tính toán dầm bê tông cốt SGFRP;

- Thiết lập các công thức dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc cho dầm bê tông cốt SGFRP;

- Đề xuất các công thức dự đoán độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm;

- Chế tạo thí nghiệm dầm bê tông cốt SGFRP và dầm bê tông cốt GFRP để so sánh

và đánh giá độ tin cậy của công thức đề xuất, hoàn thiện quy trình tính toán

5 Các đóng góp mới của luận án

- Đề xuất một phương pháp số bằng cách chạy lặp để dự đoán sự phá hoại, tính khả năng chịu mô men uốn, tính độ cong và độ võng của dầm bê tông cốt SGFRP phù hợp với TCVN 5574:2018;

- Xây dựng một đường quan hệ ứng suất-biến dạng riêng cho một vật liệu cốt hỗn hợp tương đương, vật liệu này có tính chất của cả hai vật liệu thành phần là thép và GFRP, cho phép đánh giá nhanh đặc điểm về mặt chịu lực và biến dạng khi kết hợp

2 vật liệu với nhau với các tỷ lệ diện tích A f /A s thay đổi;

- Xây dựng các công thức dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc cho dầm bê tông cốt SGFRP, các công thức dự đoán độ võng,

bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm phù hợp với TCVN 5574:2018;

- Xác định khoảng hợp lý về tỷ lệ diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép A f /A s;

- Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP tại Việt Nam Các số liệu thí nghiệm thu được không chỉ kiểm chứng công thức đề xuất của luận án mà còn là số liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo

về ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị và phần phụ lục, luận án được bố cục thành 3 chương với cấu trúc và nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan sự làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP

Gồm các nội dung chính: giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP sử dụng làm cốt chịu lực trong xây dựng, tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm, tổng quan các nghiên cứu mô phỏng số, nghiên cứu lập công thức lý thuyết sự làm việc của

Trang 19

dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP Trên cơ sở đó, đề xuất những nội dung cần nghiên cứu của luận án

Chương 2: Xây dựng quy trình tính toán dầm bê tông cốt SGFRP chịu uốn

Gồm các nội dung chính: Trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp tính toán dầm

bê tông cốt SGFRP phù hợp với TCVN 5574:2018 Từ đấy đưa ra hai phương pháp tính toán dầm bê tông cốt SGFRP Phương pháp thứ nhất là phương pháp tính lặp, dựa trên các quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu bê tông, thép và GFRP để xác định được các lực kéo, nén trong dầm, từ đấy tính toán được khả năng chịu lực cũng như độ võng của dầm Phương pháp thứ hai là phương pháp xây dựng một đường quan hệ ứng suất-biến dạng riêng cho một vật liệu cốt hỗn hợp tương đương

Từ quan hệ này tiến hành thiết lập các công thức để dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc, tính độ võng, bề rộng vết nứt và

độ dẻo của dầm So sánh kết quả từ công thức về dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn với 30 mẫu dầm thí nghiệm đã công bố để đánh giá độ tin cậy của công thức Một số công thức được đưa ra như tính võng, nứt còn cần hoàn thiện thêm khi có các sự liệu thực nghiệm Trong chương này cũng đã đề xuất khoảng hợp lý về tỷ lệ diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP

Gồm các nội dung chính: Nghiên cứu thực nghiệm về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP thông qua: hình thức phá hoại của dầm, các giá trị mô men khi nứt, mô men khi cốt thép chảy, mô men giới hạn, quan hệ lực và độ võng, sự hình thành vết nứt, quan hệ lực và bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm Từ các kết quả đo được, so sánh kiểm chứng và hoàn thiện công thức đề xuất trong chương 2

Kết luận và hướng phát triển của luận án : Trình bày những kết quả mới của luận

án, các kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

Phụ lục : Trình bày các ví dụ tính toán và số liệu thí nghiệm, các kết quả thu được

từ thí nghiệm

Trang 20

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG

CỐT SGFRP 1.1 Giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP

Kết cấu bê tông thường được tăng cường bằng cốt thép thường và thép dự ứng lực Cốt thép được bảo vệ chống ăn mòn bởi tính kiềm của bê tông, giúp công trình có độ bền và sử dụng được lâu dài Đối với nhiều công trình chịu môi trường khắc nghiệt, như công trình biển, công trình cầu đường, và gara để xe tiếp xúc với muối cho thấy, sự kết hợp của độ ẩm, nhiệt độ và clorua làm giảm tính kiềm của bê tông dẫn đến sự ăn mòn cốt thép [8] Quá trình ăn mòn này gây ra sự suy giảm cường độ của bê tông và dẫn đến mất khả năng sử dụng

Thanh polyme cốt sợi FRP (Fiber-reinforced polymer) là sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi các sợi thủy tinh (GFRP), sợi cacbon (CFRP), sợi bazan (BFRP) hay sợi aramid liên tục (AFRP), được dính kết và bao bọc bởi một chất nhựa tổng hợp polyme tạo nên cốt chịu lực Thanh FRP được biết đến như là một sự thay thế cho cốt thép cho kết cấu bê tông [8] Các loại cốt FRP khác nhau được thể hiện trong hình 1.1

Trang 21

quarried [45] Đá nóng chảy sau đó được đùn ép qua các đầu phun nhỏ để tạo ra các sợi bazan liên tục Các sợi bazan không yêu cầu bất kỳ chất phụ gia nào khác trong quá trình sản xuất, nên tiết kiệm chi phí bổ sung Sợi bazan có cường độ chịu kéo cao hơn so với sợi thủy tinh loại E, và có biến dạng cực hạn lớn hơn sợi carbon Chúng cũng có khả năng chống chịu hóa chất tốt, chịu tải va đập và chống cháy tốt, với mức độ độc hại thấp hơn

1.1.1.2 Sợi Carbon

Sợi carbon có thể được phân loại thành sợi polyacrylonitrile (PAN) và sợi gốc Sợi PAN có các đặc trưng là có cường độ cao (2500÷4000 MPa) và mô đun đàn hồi lớn (350÷650 GPa) Sợi gốc được làm từ than đá hoặc dầu mỏ Chúng rẻ hơn so với sợi PAN, với độ bền và mô đun thấp hơn Có hai loại sợi Pitch, loại mô đun đàn hồi bình thường và loại mô đun cao Sợi tổng hợp carbon rất đắt tiền và nhạy cảm với các điều kiện xử lý như chịu kéo và nhiệt độ trong quá trình sản xuất, và giòn hơn

so với sợi thủy tinh và sợi aramid

1.1.1.3 Sợi Aramid

Sợi aramid (polyimide thơm) được sản xuất đầu tiên ở Đức dưới tên Kevlar Sợi Aramid cung cấp khả năng chống va chạm tuyệt vời, cường độ chịu kéo cao (hình 1.2) và mô đun cao hơn khoảng 50% so với sợi thủy tinh Mật độ sợi aramid rất thấp so với sợi carbon và sợi thủy tinh Hơn nữa, sợi aramid là vật liệu cách điện và cách nhiệt rất tốt Tuy vậy, cường độ chịu nén của sợi aramid lại rất thấp

1.1.1.4 Sợi thủy tinh

Sợi thủy tinh loại E, loại Z, loại A, loại C và loại S là các loại sợi thủy tinh phổ biến nhất [21] Sợi thủy tinh là vật liệu cách điện và cách nhiệt Sợi thủy tinh thường có giá thành thấp, cường độ chịu kéo cao (xem hình 1.2) Do đặc tính kinh

tế của quá trình sản xuất sợi thủy tinh, sản phẩm này là loại sợi được sử dụng phổ biến nhất trong các loại FRP Đây cũng chính là lý do đề tài chọn loại thanh làm từ cốt sợi thủy tinh để nghiên cứu

Trang 22

1000 2000 3000

Hình 1.2 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng của các loại sợi và cốt thép [52] 1.1.2 Tính chất cơ lý

1.1.2.1 Khối lượng riêng

Thanh FRP có khối lượng riêng từ 1,25 đến 2,1 g/cm3, tức là khoảng 1/6÷1/4 khối lượng riêng của thép (xem bảng 1.1) [8] Trọng lượng nhỏ làm giảm chi phí vận chuyển và làm thao tác bốc xếp trên công trường được dễ dàng

Bảng 1.1 Khối lượng riêng điển hình của thanh thép và thanh FRP (g/cm3) [8]

Bảng 1.2 Hệ số giãn nở nhiệt điển hình [8]

Phương Hệ số giãn nở nhiệt  106 0C

Dọc, L 11,7 6,0 đến 10,0 –9,0 đến 0,0 –6 đến –2 7,2 đến 10,8 Ngang, T 11,7 21,0 đến 23,0 74,0 đến 104,0 60,0 đến 80,0 7,2 đến 10,8 Lưu ý là hệ số giãn nở nhiệt âm có nghĩa là vật liệu co lại khi tăng nhiệt độ và

Trang 23

giãn ra khi giảm nhiệt độ Để tham khảo, bêtông có hệ số giãn nở nhiệt biến đổi từ 7,2106 đến 10,8106 0C và thường được giả thiết là đẳng hướng

1.1.2.3 Sự làm việc chịu kéo:

Khi chịu lực kéo, thanh FRP không có thềm chảy trước khi đứt Ứng xử kéo của thanh FRP gồm một loại sợi là được đặc trưng bởi quan hệ ứng suất biến dạng đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hủy Tính chất chịu kéo của một số loại thanh FRP trên thị trường được tóm tắt trong bảng 1.3 [8]

Bảng 1.3 Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP [8]

Cường độ kéo, MPa 483 ÷ 690 483 ÷ 1600 600 ÷ 3690 1720 ÷ 2540

Mô đun đàn hồi, GPa 200 35 ÷ 51 120 ÷ 580 41 ÷ 125

Biến dạng kéo đứt, % 6,0 ÷ 12,0 1,2 ÷ 3,1 0,5 ÷ 1,7 1,9 ÷ 4,4

Vì các vật liệu FRP không có từ tính và không ăn mòn, nên các vấn đề về nhiễu điện từ và ăn mòn có thể tránh được khi sử dụng cốt FRP Ngoài ra, vật liệu FRP còn có một số tính chất, ví dụ như độ bền kéo cao, làm cho chúng thích hợp cho việc sử dụng làm cốt dọc chịu lực trong kết cấu

1.1.3 Lịch sử phát triển cốt FRP và vấn đề sử dụng cốt hỗn hợp thép và FRP

Sự phát triển vật liệu cốt sợi polyme được bắt nguồn từ việc sử dụng rộng rãi các vật liệu composite sau chiến tranh thế giới II vào những năm 1940 [8] Tuy vậy, phải đến những năm 1960, những vật liệu này đã được xem xét nghiêm túc để sử dụng làm cốt trong bê tông Việc mở rộng hệ thống đường cao tốc quốc gia của Hoa

Kỳ vào những năm 1950 đã làm tăng nhu cầu bảo trì quanh năm Việc rải muối để làm tan băng trên các cây cầu của đường cao tốc đã trở nên phổ biến Hậu quả là, cốt thép trong các kết cấu này đã bị ăn mòn bởi các lớp muối biển, do đó chúng trở thành mối lo ngại lớn và làm tăng chi phí bảo trì Nhiều giải pháp khác nhau đã được thực thi bao gồm sử dụng cốt thép mạ kẽm, sơn tĩnh điện, sơn tĩnh điện polyme, chất phủ epoxy và thanh polyme cốt sợi FRP Trong số các lựa chọn này, cốt thép tráng phủ epoxy dường như là giải pháp tốt nhất và được thực hiện trong môi trường ăn mòn mạnh Tuy nhiên, đến những năm 1970, việc phát hiện sự ăn

Trang 24

mòn trong các thanh thép phủ epoxy khiến cho việc sử dụng cốt FRP bắt đầu được xem như một giải pháp chung để giải quyết các vấn đề về ăn mòn trong các bản mặt cầu và các kết cấu khác Nhu cầu lớn nhất về cốt thép không dẫn điện là để phục vụ cho các cơ sở thiết bị y tế sử dụng máy chụp cộng hưởng từ MRI, với tính chất không dẫn điện của mình, cốt FRP đã trở thành vật liệu mẫu trong loại công trình này Các ứng dụng khác cũng được phát triển, lợi ích của cốt FRP ngày càng được biết đến và ưa chuộng, đặc biệt trong xây dựng đê biển, móng lò phản ứng, sân bay

và các phòng thí nghiệm điện tử

Ở Hoa Kỳ, các chỉ dẫn về vật liệu và thiết kế được phát triển lần đầu tiên vào năm 2001 để hướng dẫn thiết kế và xây dựng kết cấu bê tông cốt thanh FRP theo tiêu chuẩn ACI 440 Các quốc gia và khu vực khác cũng công bố tài liệu liên quan, như Nhật Bản (Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng, 1997b) [31], Canada (CAN/CSA-S6-06 [15], CAN/CSA-S806-12 [16]), Nga [57] và Châu Âu (FIB 2007 [19], FIB 2010 [20]) Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP Các ứng dụng thành công trên toàn thế giới bằng cách sử dụng thanh polyme cốt sợi FRP trong vài thập kỷ qua đã chứng minh rằng tính khả thi và có thể thành công khi sử dụng Các nghiên cứu và thực nghiệm tại hiện trường đang được tiếp tục tiến hành và các đề xuất thiết kế ngày càng được bổ sung, hoàn thiện

Sự làm việc của kết cấu bê tông cốt FRP khác với sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép thông thường Vật liệu FRP là không đẳng hướng, chỉ có cường độ chịu kéo lớn theo phương của các sợi Tính không đẳng hướng này ảnh hưởng đến cường độ chịu cắt và cả độ dính kết của cốt Ngoài ra vật liệu FRP khi chịu lực không có sự chảy và luôn luôn làm việc đàn hồi cho đến khi phá hoại Tất cả sự khác biệt đó làm thay đổi lí luận và tư duy thiết kế so với bê tông cốt thép thông thường Có thể thấy sự khác biệt đấy qua bảng 1.4 so sánh dầm bê tông cốt thép với dầm bê tông cốt GFRP [4]

Bảng 1.4 So sánh dầm bê tông cốt thép với dầm bê tông cốt GFRP [4] Thông số Dầm bê tông cốt thép Dầm bê tông cốt GFRP

Hệ số giảm cường độ Cốt thép : 1 Cốt GFRP : 0,7; 0,8

Trang 25

Thông số Dầm bê tông cốt thép Dầm bê tông cốt GFRP

Cường độ chịu kéo Cốt thép: 300690 MPa Cốt GFRP 4831600 MPa

Mô đun đàn hồi Es = 200.103 MPa Ef = (3551).103 MPa Biến dạng chảy y = 0,14%  0,25% Không có biến dạng chảy Biến dạng kéo đứt cốt 6,0%  12,0% 1,2%  3,1%

Kiểu phá hoại dầm Dẻo (từ từ, có báo trước) Giòn (đột ngột)

Bề rộng nứt giới hạn

0,4mm

0,7mm khi ở trong nhà 0,5mm khi ở ngoài nhà Với ưu điểm cường độ cao và giá thành thấp hơn các loại cốt FRP khác, cốt sợi thủy tinh GFRP được sử dụng phổ biến hơn cả Tuy nhiên, qua các nghiên cứu rộng rãi trên thế giới, đều thấy rằng dầm bê tông cốt GFRP mặc dù có khả năng chịu uốn giới hạn cao nhưng lại có độ võng và bề rộng vết nứt lớn do mô đun đàn hồi thấp Các dầm bê tông cốt GFRP thuần túy thường bị giới hạn về điều kiện sử dụng nên khó phát huy được đặc tính cường độ chịu kéo lớn của cốt và thường không kinh tế Hơn nữa dạng phá hoại của dầm bê tông cốt GFRP thường là đàn hồi

và không có tính dẻo vì vậy thiếu tính cảnh báo Một giải pháp để khắc phục các nhược điểm này, mở rộng phạm vi ứng dụng và tăng tính kinh tế cho dầm cốt thanh FRP là sử dụng cốt hỗn hợp thép và GFRP (cốt SGFRP) Đây cũng là loại cốt được nghiên cứu chính trong luận án

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu dầm bê tông cốt SGFRP

Thanh polyme cốt sợi FRP đã được coi là vật liệu thay thế cho cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép với ưu điểm là chống ăn mòn, không dẫn điện và tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao [8] Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá việc sử dụng cốt FRP thay thế cốt thép để giải quyết vấn đề độ bền kết cấu trong môi trường ăn mòn như bản mặt cầu, mặt đường bê tông thường bị ăn mòn cốt thép nghiêm trọng Hơn nữa, tuổi thọ của vật liệu FRP trong bê tông đã được chứng minh là dài hơn nhiều so với cốt thép truyền thống Do những đặc điểm này, FRP có

Trang 26

thể được coi là vật liệu xây dựng bền vững, ít chịu tác động môi trường hơn so với thép

Mặc dù có những ưu điểm nói trên, cốt FRP lại là vật liệu hoàn toàn đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại và nói chung không có độ dẻo so với các thanh thép truyền thống, đó là một nhược điểm khi nó được sử dụng làm cốt thép chịu lực trong kết cấu bê tông Do đặc tính của các thanh FRP là đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại, sự phá hoại do uốn của kết cấu bê tông cốt FRP thuần túy thường có tính giòn hơn là tính dẻo Đối với các cấu kiện bê tông cốt FRP thuần túy, phá hoại

do nén vỡ bê tông thường được lựa chọn trong thiết kế do còn cung cấp một vài dấu hiệu cảnh báo Nói cách khác, trái ngược với việc thực hành thiết kế chung cho dầm

bê tông cốt thép truyền thống, thiết kế dầm bê tông cốt FRP có hàm lượng cốt dọc lớn (over reinforced) thường được ưu tiên lựa chọn hơn là thiết kế dầm có hàm lượng cốt dọc thấp (under reinforced) Hơn nữa, do độ cứng của các thanh FRP thấp, các cấu kiện bê tông cốt FRP có độ võng lớn hơn và các vết nứt rộng hơn các cấu kiện bê tông cốt thép Những yếu tố này làm giới hạn phạm vi áp dụng cốt FRP

Để cải thiện vấn đề này có thể sử dụng kết hợp cốt FRP và cốt thép Trong nghiên cứu rất sớm của mình (Tan, 1997) [50] đã chỉ ra rằng, sự kết hợp của cốt FRP và cốt thép dường như là một giải pháp thiết kế thực tế và hiệu quả cho dầm bê tông cốt FRP

Hiện nay trên thế giới, chưa có tiêu chuẩn thiết kế dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và FRP, các nghiên cứu về dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và FRP liên tục được cập nhật và hoàn thiện, có thể kể ra mấy hướng nghiên cứu chính sau đây:

1.2.1 Tổng quan về các nghiên cứu thực nghiệm

1.2.1.1 Nghiên cứu của Maria Antonietta Aiello và Luciano Ombres – Năm 2002

Kế thừa gợi ý trong nghiên cứu của Tan (1997) [50], Maria Antonietta Aiello và Luciano Ombres vào năm 2002 đã nghiên cứu thực nghiệm về “Ứng xử của kết cấu dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và cốt thép” Trong nghiên cứu này [10] họ đã tiến hành thí nghiệm với 6 mẫu dầm đơn giản nhịp 2,7m chịu 2 lực tập trung Kích

thước dầm bxh=150x200mm Dầm sử dụng loại bê tông có cường độ chịu nén

45,7MPa, thép dọc có cường độ chịu kéo là 465 MPa và sử dụng cốt AFRP có

Trang 27

cường độ 1366MPa và 1647 MPa (mô đun đàn hồi của AFRP là 50GPa) Với 6 mẫu dầm, trong đấy có 4 mẫu dầm hỗn hợp, 1 mẫu dầm bê tông cốt thép và 1 mẫu dầm

bê tông cốt AFRP thuần túy Hàm lượng cốt dọc lần lượt là 0,63%, 0,86% và

1,54% Tỷ lệ diện tích A f /A s lựa chọn trong nghiên cứu lần lượt là 0,88; 1,04 và 1,56

Hình 1.3 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Ombres và cộng sự (2002) [10]

Với nghiên cứu này các tác giả đã xác định khả năng chịu lực giới hạn, độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm thí nghiệm Từ đấy tiến hành so sánh với các công thức tính toán của tiêu chuẩn ACI

Qua nghiên cứu này, các tác giả đã thấy rằng với việc đưa thêm cốt thép vào làm việc chung với cốt FRP đã góp phần làm giảm biến dạng của dầm, bề rộng và khoảng cách giữa các vết nứt cũng nhỏ hơn so với dầm bê tông cốt FRP thuần túy

Do bố trí hàm lượng cốt dọc cao (over reinforced) nên mặc dù tỷ lệ cốt thép trên cốt FRP là lớn nhưng sự đóng góp của cốt thép vào khả năng chịu mô men uốn dầm không cao (mô men uốn tăng dưới 15%) Các công thức của ACI cần phải hiệu chỉnh cho phù hợp với dầm bê tông cốt hỗn hợp cả về độ võng và công thức xác định bề rộng vết nứt

Có thể thấy, nghiên cứu này của Aiello và Ombres chưa đưa ra được giá trị định lượng để xác định dạng phá hoại của dầm Các giá trị hiệu chỉnh công thức tính độ võng và vết nứt thay đổi tùy theo từng dầm cụ thể mà chưa đưa ra được một hàm số

tổng quát để biểu diễn quan hệ của các giá trị này Tỷ lệ diện tích A f /A s trong nghiên cứu cũng chưa được phân tích và làm rõ về căn cứ lựa chọn và hiệu quả của việc sử

Trang 28

dụng các tỷ lệ này

1.2.1.2 Nghiên cứu của Wenjun Qu, Xiaoliang Zhang và Haiqun Huang– Năm 2009

Năm 2009, Wenjun Qu và các đồng nghiệp đã nghiên cứu thực nghiệm về “Ứng

xử chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp GFRP và cốt thép” Trong nghiên cứu này [51] họ đã tiến hành thí nghiệm với 8 mẫu dầm đơn giản nhịp 1,8m chịu 2 lực tập

trung Kích thước dầm bxh=180x200mm Dầm sử dụng loại bê tông có cường độ

chịu nén từ 31 đến 40MPa, thép dọc có cường độ chịu kéo khoảng 360MPa và sử dụng cốt GFRP có cường độ khoảng 750MPa (mô đun đàn hồi của GFRP là khoảng 41GPa) Với 8 mẫu dầm, trong đấy có 6 mẫu dầm hỗn hợp, 1 mẫu dầm bê tông cốt thép và 1 mẫu dầm bê tông cốt GFRP thuần túy Hàm lượng cốt dọc lần lượt là 0,57%, 1% , 1,13%, 1,46% và 3,56%

Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Wenjun Qu và cộng sự (2009) [51]

Qua nghiên cứu này, các tác giả đã quy đổi hàm lượng cốt dọc hỗn hợp về một hàm lượng cốt thép tương đương, và dùng hàm lượng cốt cốt thép này để dự đoán dạng phá hoại của dầm Với nghiên cứu này các tác giả đã kiểm tính được giả thiết tiết diện phẳng, xác định khả năng chịu lực giới hạn, độ võng, bề rộng vết nứt dầm thí nghiệm Từ đấy tiến hành so sánh với các công thức tính toán của tiêu chuẩn ACI và hiệu chỉnh các công thức này cho phù hợp

Do quy đổi hàm lượng cốt dọc về hàm lượng cốt thép tương đương nên công thức trong nghiên cứu của Wenjun Qu và cộng sự không dự đoán được đầy đủ các dạng phá hoại của dầm, đó là không dự đoán được dạng phá hoại do đứt cốt FRP khi cốt thép đã chảy và bê tông chưa vỡ Bảy trên tám dầm trong nghiên cứu đều được bố trí cốt dọc 1 lớp với cốt thép cũng được đặt ra phía ngoài cùng, việc làm

Trang 29

này sẽ làm giảm độ bền của dầm do cốt thép dễ bị ăn mòn, sẽ phù hợp hơn nếu bố

trí cốt thép vào bên trong và cốt FRP ra phía ngoài Tỷ lệ diện tích cốt dọc A f /A s

trong nghiên cứu cũng chưa được các tác giả đề cập, phân tích

1.2.1.3 Nghiên cứu của Denvid Lau và Hoat Joen Pam– Năm 2010

Denvid Lau và Hoat Joen Pam– Năm 2010, đã thực hiện “Nghiên cứu thực nghiệm về dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và thép” [37] Với 12 mẫu dầm, thí nghiệm trên dầm đơn giản nhịp 4,2m, khác với 2 nghiên cứu trên, trong thí nghiệm này tác giả chỉ cho dầm chịu 1 lực tập trung ở chính giữa dầm Dầm được thiết kế

để phá hoại uốn tương thích với tiêu chuẩn Hoa Kỳ và tiêu chuẩn Hồng Kông Kích

40MPa, thép dọc có cường độ chịu kéo là 330 và 550MPa và sử dụng cốt GFRP có cường độ khoảng 600MPa (mô đun đàn hồi của GFRP là 40GPa) Với 12 mẫu dầm, trong đấy có 3 mẫu dầm hỗn hợp, và các mẫu còn lại là dầm bê tông cốt thép và mẫu dầm bê tông cốt GFRP thuần túy Hàm lượng cốt dọc thay đổi một khoảng rất rộng từ 0,23 đến 2,07% Trong các mẫu dầm này, cốt đai được thay đổi với góc uốn

900 và 1350

Qua nghiên cứu này, các tác giả đã quy đổi hàm lượng cốt dọc hỗn hợp về một hàm lượng cốt FRP tương đương, và dùng hàm lượng cốt FRP này để dự đoán dạng phá hoại của dầm Các tác giả tập trung vào nghiên cứu khả năng chịu lực giới hạn,

độ võng và độ dẻo của dầm thí nghiệm Từ đấy tiến hành so sánh với các giá trị lý thuyết đưa ra

Denvid Lau và cộng sự đã thấy rằng độ dẻo của dầm có thể tăng bằng cách tăng hàm lượng cốt FRP (bố trí over reinforced ) hoặc đưa thêm cốt thép vào làm việc chung với cốt FRP Việc đưa thêm thép vào dầm bố trí hàm lượng cốt dọc cao (over reinforced) tỏ ra hiệu quả về cải thiện độ dẻo hơn so với dầm có hàm lượng cốt dọc thấp (under reinforced) Các dạng cốt đai uốn góc khác nhau không ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của dầm nhưng cốt đai 1350 giúp dầm tăng độ dẻo hơn so với cốt đai uốn góc 900

Trang 30

Hình 1.5 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Denvid Lau và cộng sự (2010) [37]

Có thể thấy giống như Wenjun Qu (2009) [51], hạn chế của Denvid Lau và cộng

sự trong nghiên cứu này là cũng thí nghiệm dầm bê tông cốt hỗn hợp một lớp Việc

sử dụng hàm lượng cốt FRP tương đương sẽ không dự đoán được đầy đủ tất cả các dạng phá hoại của dầm, cụ thể là sử dụng hàm lượng tương đương này sẽ không dự đoán được dạng phá hoại của dầm khi bê tông vùng nén vỡ mà cốt thép chưa chảy, cốt FRP chưa đứt

1.2.1.4 Nghiên cứu của Young-Soo Yoon, Jun-Mo Yang, Kyung-Hwan Min và Hyun-Oh Shin– Năm 2011

Năm 2011, Young-Soo Yoon, Jun-Mo Yang, Kyung-Hwan Min và Hyun-Oh Shin đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về “Khả năng chịu uốn và

độ võng của dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và cốt thép sử dụng bê tông cường độ cao” Trong nghiên cứu này [55] họ đã sử dụng bê tông có cường độ chịu nén lên đến 90MPa, tiến hành thí nghiệm với 6 mẫu dầm đơn giản chiều dài 2,3m, nhịp

1,9m chịu 2 lực tập trung Kích thước dầm bxh=230x250mm Dầm sử dụng loại

thép dọc có cường độ chịu kéo là 470MPa và sử dụng 2 loại cốt FRP là GFRP có

Trang 31

cường độ 941MPa (mô đun đàn hồi của GFRP là 48,1GPa) và loại CFRP có cường

độ 2130MPa (mô đun đàn hồi của CFRP là 146,2GPa) Với 6 mẫu dầm, được bố trí cốt dọc dạng 2 lớp chia làm 2 tổ mẫu Tổ mẫu 1 gồm 3 mẫu có cốt dọc thuần túy cốt thép (dầm SS), cốt GFRP (dầm GG), cốt CFRP (dầm CC) và tổ mẫu 2 gồm 3 mẫu dầm hỗn hợp lần lượt là dầm cốt hỗn hợp GFRP và thép (dầm GS), dầm cốt hỗn hợp CFRP và thép (dầm CS) và dầm cốt hỗn hợp GFRP và CFRP (dầm GC) Hàm lượng cốt dọc thay đổi trong khoảng 0,445% đến 1,687%

Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Young-Soo Yoon và cộng sự (2011) [55]

Với nghiên cứu này các tác giả đã xác định tải trọng gây mô men nứt M cr , khả

năng chiu uốn giới hạn M u, độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm thí nghiệm

Từ đấy tiến hành so sánh với các công thức tính toán của tiêu chuẩn ACI Một công

thức xác định mô men quán tính hiệu quả I e của dầm cũng đã được đề xuất để tính toán độ võng của dầm hỗn hợp trước và sau khi thép chảy

Qua nghiên cứu này, các tác giả đã thấy rằng (1) khi dùng bê tông cường độ cao

thì công thức của ACI cho giá trị mô men nứt M cr cao hơn thực nghiệm, trong khi

đấy khả năng chịu uốn M u lại thấp hơn giá trị thực nghiệm khoảng 20% (2) Công

thức tính I e đề xuất có kết quả phù hợp với thực nghiệm (3) Dầm bê tông cốt FRP thuần túy hình thành vết nứt nhanh hơn và vết nứt cũng sâu hơn, bề rộng vết nứt tối

đa cũng lớn hơn các dầm hỗn hợp có bố trí cốt thép (4) Chỉ số độ dẻo tính theo tiêu chí năng lượng thì tăng dần theo thứ tự bố trí loại cốt dọc, lần lượt là GC, CC, GG,

CS, GS và SS

Trang 32

Hạn chế của nghiên cứu này là chưa đưa ra được các công thức dự đoán về dạng phá hoại uốn cho dầm, trong các thí nghiệm vẫn còn trường hợp bị phá hoại do cắt

Cũng như các nghiên cứu khác việc lựa chọn tỷ lệ diện tích A f /A s cũng chưa được các tác giả đề cập đến

1.2.1.5 Nghiên cứu của WenJie Ge, Jiwen Zhang, Hang Dai và Yongming Tu– Năm

2011

Trong nghiên cứu có tên “Nghiên cứu thực nghiệm dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và thép”, WenJie Ge đã khảo sát sự làm việc của 5 mẫu dầm đơn giản nhịp

2,5m, chịu 2 lực tập trung [23] Kích thước dầm bxh=200x300mm Dầm sử dụng

loại bê tông có cường độ chịu nén 40MPa, thép dọc có cường độ chịu kéo 360MPa

và 423MPa và sử dụng cốt BFRP có cường độ khoảng 880MPa (mô đun đàn hồi khoảng 55GPa) Với 5 mẫu dầm, trong đấy có 3 mẫu dầm hỗn hợp, 1 mẫu dầm bê tông cốt thép và 1 mẫu dầm bê tông cốt FRP thuần túy Số lượng cốt dọc trong các

dầm hỗn hợp là bằng nhau, chỉ thay đổi về tỷ lệ diện tích cốt FRP trên cốt thép A f /A s

lần lượt là 0,96; 0,64 và 0,43

Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm dầm của WenJie Ge và cộng sự (2011) [23]

Qua nghiên cứu này, các tác giả đã thấy rằng có thể dùng giả thiết tiết diện phẳng

để tính toán dầm bê tông cốt hỗn hợp, kết quả tính mô men phù hợp với công thức

đề xuất Với cùng một diện tích cốt dọc thì độ võng giảm khi tỷ lệ A f /A s giảm

Có thể thấy nghiên cứu của WenJie Ge và cộng sự còn chưa đề xuất được căn cứ

để xác định dạng phá hoại của dầm bê tông cốt hỗn hợp, chưa đề xuất công thức xác

Trang 33

định bề rộng vết nứt Nghiên cứu đã đề cập đến tỷ lệ A f /A s ảnh hưởng đến độ võng nhưng chưa đầy đủ và chưa đưa ra được khoảng lựa chọn hợp lý cho tỷ lệ này

1.2.1.6 Nghiên cứu của Liu Yinghao và Yuan Yong– Năm 2012

Năm 2012, Liu Yinghao và Yuan Yong đã tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu về “Bố trí cốt dọc trong dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và cốt thép” Khác với các nghiên cứu khác, trong nghiên cứu này [54], các tác giả thực nghiệm với bê tông cường độ cao 80MPa Thí nghiệm với 4 mẫu dầm từ S1 đến S4 với nhịp dầm

đơn giản 1,8m chịu 2 lực tập trung Kích thước dầm bxh=150x200mm Dầm sử

dụng loại thép dọc có cường độ chịu kéo là 375MPa và sử dụng loại cốt GFRP có cường độ rất cao 1301MPa (mô đun đàn hồi của GFRP là 76GPa) Với 4 mẫu dầm, trong đấy có 3 mẫu dầm hỗn hợp và 1 mẫu dầm bê tông cốt GFRP thuần túy Hàm lượng cốt dọc cho dầm hỗn hợp và dầm GFRP lần lượt là 2,2% và 1,2%

Qua nghiên cứu này, các tác giả đã thấy rằng khả năng chịu lực của dầm giảm dần khi bố trí cốt FRP vào trong Vị trí cốt thép ảnh hưởng lớn đến độ cứng của

Trang 34

dầm có cốt hỗn hợp Bề rộng vết nứt phụ thuộc tỷ lệ nghịch với chiều cao hữu ích của cốt thép, chiều cao này tăng thì bề rộng vết nứt giảm Cũng như Wenjun Qu, Liu Yinghao nhận định rằng cần có thêm nhiều nghiên cứu để có thể dự đoán chính xác bề rộng vết nứt cho dầm bê tông cốt hỗn hợp

Nghiên cứu này sử dụng bê tông cường độ cao để thí nghiệm, tuy đã đưa ra được các ảnh hưởng của việc bố trí cốt dọc đến sự làm việc của dầm nhưng các tác giả

cũng chưa đề cập được các ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích A f /A s

1.2.1.7 Nghiên cứu của Ahmed El Refai, Farid Abed và Abdullah Al-Rahmani – Năm 2015

Ahmed El Refai, Farid Abed và Abdullah Al-Rahmani vào năm 2015 đã nghiên cứu thực nghiệm về “Đặc trưng kết cấu và trạng thái sử dụng dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và cốt thép”

Hình 1.9 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Ahmed El Refai và cộng sự (2015) [18]

Trong nghiên cứu này [18] họ đã tiến hành thí nghiệm với 9 mẫu dầm đơn giản nhịp

Trang 35

3,7m chịu 2 lực tập trung Kích thước dầm bxh=230x300mm Dầm sử dụng loại bê

tông có cường độ chịu nén 40MPa, thép dọc có cường độ chịu kéo là 520MPa và sử dụng cốt GFRP có cường độ 1000MPa (mô đun đàn hồi của GFRP là 50GPa) Với

9 mẫu dầm, trong đấy có 6 mẫu dầm hỗn hợp và 3 mẫu dầm bê tông cốt GFRP thuần túy Hàm lượng cốt dọc lần lượt là 0,51% và 1,13%

Qua nghiên cứu này, các tác giả đã quy đổi hàm lượng cốt dọc hỗn hợp về một hàm lượng cốt FRP tương đương, và dùng hàm lượng cốt cốt FRP này để dự đoán dạng phá hoại của dầm Với nghiên cứu này các tác giả đã xác định hình thức phá hoại, khả năng chịu lực giới hạn, độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm thí nghiệm Từ đấy tiến hành so sánh với các công thức tính toán của tiêu chuẩn ACI-440.1R, tiêu chuẩn CSA-S806-12 và công thức của Bischoff

Qua đây, các tác giả đã thấy rằng nên bố trí hàm lượng cốt dọc cao hơn hàm lượng cốt cân bằng 1,4 lần Khả năng chịu uốn phụ thuộc nhiều vào giá trị hàm lượng cốt dọc hơn so với giá trị tỷ số độ cứng dọc trục R Các công thức tính toán

độ võng của các tiêu chuẩn thì cần điều chỉnh cho phù hợp với dầm có cốt hỗn hợp Nghiên cứu đã khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến công thức dự đoán bề rộng vết nứt Một hệ số mới để đánh giá độ dẻo của dầm kể đến sự chảy của cốt thép cũng được đề xuất, kết quả khảo sát độ dẻo cho thấy tăng hàm lượng cốt thép thì làm giảm chỉ số độ dẻo

Do quy đổi hàm lượng cốt dọc về hàm lượng cốt FRP tương đương nên công thức trong nghiên cứu của Ahmed El Refai và cộng sự cũng không dự đoán được dạng phá hoại của dầm khi bê tông vùng nén vỡ mà cốt thép chưa chảy, cốt FRP chưa đứt Toàn bộ các dầm trong nghiên cứu đều được bố trí cốt dọc 1 lớp với cốt thép cũng được đặt ra phía ngoài cùng, sẽ phù hợp hơn nếu bố trí cốt thép vào bên

trong và cốt FRP ra phía ngoài Về khoảng hợp lý cho tỷ lệ diện tích A f /A s trong nghiên cứu cũng chưa được các tác giả phân tích đến

1.2.1.8 Nghiên cứu của Zeyang Sun, Linchen Fu, De-Cheng Feng, Apete R

Vatuloka, Yang Wei và Gang Wu– Năm 2019

Trong nghiên cứu này các tác giả đã nghiên cứu sự làm việc của dầm cốt hỗn hợp

có cốt dọc bị bó (bundled bars) [47] Thí nghiệm được thực hiện trên dầm đơn giản

Trang 36

nhịp 2m, chịu 2 lực tập trung Tiết diện dầm bxh=220x300mm, sử dụng bê tông có

cường độ chịu nén là 43MPa, thép dọc chịu kéo có cường độ 400MPa và cốt BFRP

có cường độ chịu kéo là 1145MPa (mô đun đàn hồi của BFRP là 49GPa) Với 5 mẫu dầm bố trí cốt dọc bị bó khác nhau, bó riêng từng loại cốt, mỗi bó 3 cốt dọc hay bó 2 cốt hỗn hợp một lần, bó riêng rẽ hoặc bó tập trung vào chính giữa tiết diện Kết quả cho thấy rằng, số lượng cốt dọc bị bó càng nhiều thì số lượng vết nứt càng giảm nhưng bề rộng vết nứt thì tăng Độ võng của dầm có cốt dọc bị bó lớn hơn độ võng dầm có cốt dọc không bị bó, còn khả năng chịu lực thì tương đương nhau

P/2

l-2 l-1

P/2

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Zeyang Sun và cộng sự (2019) [47]

Trong nghiên cứu này các tác giả đã đề cập được vấn đề cốt dọc bị bó ảnh hưởng đến sự làm việc của dầm tuy nhiên nghiên cứu còn chưa ra được các công thức định lượng

1.2.1.9 Nghiên cứu của Xiangjie Ruan, Ze-Yang Sun, Gang Wu, Da-Fu Cao và Qin Zhang– Năm 2020

Zhi-Năm 2020 này, Xiangjie Ruan, Ze-Yang Sun, Gang Wu, Da-Fu Cao và Zhi-Qin Zhang cũng đã nghiên cứu thực nghiệm về “Ứng xử chịu uốn của kết cấu dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và cốt thép”

Trang 37

Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Xiangjie Ruan và cộng sự (2020) [44]

Trong nghiên cứu [44] này họ đã tiến hành thí nghiệm với 9 mẫu dầm đơn giản chiều dài 1,8m, nhịp 1,6m chịu 2 lực tập trung cách nhau 0,6m như hình 1.11 Kích

35MPa, thép dọc có cường độ chịu kéo là 540MPa và sử dụng cốt GFRP có cường

độ 958MPa (mô đun đàn hồi của GFRP là 45GPa) Với 9 mẫu dầm, trong đấy có 6

Trang 38

mẫu dầm hỗn hợp, 3 mẫu dầm bê tông cốt thép được chia làm 2 nhóm Nhóm bố trí cốt dọc 1 lớp và nhóm đối chứng được bố trí cốt dọc 2 lớp Hàm lượng cốt dọc lần

lượt là 0,89%, 0,97% và 1,58% với các tỷ lệ A f /A s lần lượt là 1; 1,12; 1,78 và 2 Với nghiên cứu này các tác giả đã xác định khả năng chịu lực giới hạn, độ võng,

bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm thí nghiệm Từ đấy tiến hành so sánh với các công thức tính toán của tiêu chuẩn ACI 440.1R-15 Một công thức xác định chỉ số

độ dẻo cũng được đề cập trong nghiên cứu này

Qua phân tích, các tác giả thấy rằng độ võng và bề rộng vết nứt tăng tỷ lệ với tỷ

lệ A f /A s Với cùng hàm lượng cốt dọc, độ võng và bề rộng vết nứt của dầm bố trí cốt dọc 1 lớp phát triển nhanh hơn dầm có bố trí cốt dọc 2 lớp Để tính bề rộng vết nứt

giới hạn có thể sử dụng hệ số k b =1,4 (hệ số sử dụng cho dầm bê tông cốt FRP thuần

túy) cho dầm 1 lớp và k b =1 (hệ số sử dụng cho dầm bê tông cốt thép) cho dầm 2

lớp Chỉ số độ dẻo tỷ lệ nghịch với tỷ số A f /A s

Ở Việt Nam, năm 2016 có các nghiên cứu thực nghiệm của Kim Ngọc Anh [2], Trần Quốc Hoàn [7] qua các luận văn thạc sỹ kỹ thuật và các nghiên cứu lý thuyết của Phan Minh Tuấn, Nguyễn Đăng Nguyên [5] về sự làm việc của dầm hỗn hợp thép và GFRP Các nghiên cứu này mới chỉ dừng ở mức nghiên cứu ban đầu, chưa đầy đủ

1.2.2 Tổng quan về nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình số

1.2.2.1 Nghiên cứu của R.A Hawileh – Năm 2015

R.A Hawileh vào năm 2015 đã nghiên cứu về “Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu dầm bê tông cốt hỗn hợp AFRP và cốt thép” Trong nghiên cứu này [25], Hawileh đã sử dụng phần mềm Ansys để lập mô hình số cho dầm có cốt hỗn hợp với phần tử Solid 65 để mô hình hóa cho bê tông, phần tử Link 8 để mô hình hóa cho cốt dọc, phần tử Solid 45 để mô hình hóa cho tấm đệm Lực dính giữa cốt dọc

và bê tông được mô hình hóa bằng COMBIN14 Dựa trên mô hình số trong Ansys, các tác giả đã kiểm chứng với thí nghiệm của Aiello và Ombres (2002) [10] qua 6 mẫu dầm Sau đấy, dựa trên mẫu dầm thí nghiệm của Aiello và Ombres, bằng việc xây dựng 15 mô hình số, các tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của đường kính cốt dọc AFRP bằng cách giữ nguyên cốt thép, thay đổi đường kính cốt AFRP lần lượt là 6,

Trang 39

10, 12, 14mm, loại cốt FRP (thay cốt AFRP thành cốt CFRP và GFRP), lực dính giữa cốt dọc với bê tông và cường độ chịu nén của bê tông (thay đổi cường độ chịu nén bằng 30 và 60MPa so với 45,7MPa), từ đó rút ra ứng xử chịu uốn của dầm có cốt hỗn hợp

Kết quả khảo sát thấy rằng, mô hình số đề xuất cho phép xây dựng biểu đồ quan

hệ lực và độ võng với sai số 10% Các kỹ sư có thể sử dụng mô hình này để khảo sát sự làm việc của dầm bê tông cốt hỗn hợp Khả năng chịu mô men của dầm tăng

tỷ lệ thuận với việc tăng đường kính cốt dọc, nhưng mức độ tăng không nhiều khi hàm lượng cốt dọc đã quá lớn Ngược lại độ dẻo của dầm giảm lần lượt là 4,02%, 6,32% và 26,49% khi so sánh dầm bố trí cốt AFRP lần lượt là 10, 12, 14 mm với dầm bố trí cốt dọc 8mm Mô hình lực dính đề xuất khá phù hợp với thí nghiệm

Hình 1.12 Mẫu mô hình dầm của R.A Hawileh và cộng sự (2015) [25]

Nghiên cứu này của R.A Hawileh và cộng sự chưa đề cập đến việc xác định bề

rộng vết nứt và độ dẻo của dầm Nghiên cứu đã có khảo sát về tỷ lệ diện tích A f /A s

nhưng chưa giới hạn được khoảng hợp lý cho tỷ lệ này

1.2.2.2 Nghiên cứu của Ilker Fatih Kara, Ashraf F Ashour và Mehmet Alpaslan Köroğlu– Năm 2015

Ilker Fatih Karacùng các cộng sự vào năm 2015, đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết về xác định “Ứng xử chịu uốn dầm bê tông cốt hỗn hợp FRP và thép” [33] Khác với các nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn, trong nghiên cứu này

Trang 40

các tác giả sử dụng phương pháp số bằng cách chia nhỏ bê tông vùng nén và tiến hành tính đúng dần để xác định vị trí trục trung hòa Sử dụng quan hệ ứng suất biến dạng của các vật liệu bê tông và cốt thép theo CEB-FIP [20] Dựa trên các giả thiết

cơ bản: giả thiết tiết diện phẳng, giả thiết các thanh cốt dọc dính chặt với bê tông và nguyên tắc nội lực cân bằng, từ đấy đề xuất các công thức tính toán Bằng cách thay đổi biến dạng bê tông theo từng bước sẽ xác định được biến dạng trong cốt FRP và cốt thép, tương ứng với đó xác định được ứng suất trong bê tông và cốt dọc và từ đó tính toán được khả năng chịu mô men uốn và độ cong của dầm Kết quả cho thấy, các tính toán lý thuyết về dạng phá hoại, khả năng chịu lực và quan hệ mô men độ cong của dầm phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm Mô hình Bischoff dự đoán tốt độ võng ở các mức tải thấp nhưng đánh giá thấp đáng kể độ võng này so với các kết quả thử nghiệm cho các mức tải cao Qua khảo sát dầm sử dụng 2 loại cốt FRP khác nhau là cốt GFRP và CFRP cho thấy, sau khi cốt thép chảy, dầm hỗn hợp sử dụng cốt GFRP giảm độ võng đáng kể so với dầm sử dụng cốt CFRP

Có thể thấy, nghiên cứu này còn chưa đề cập đến việc dự đoán bề rộng vết nứt, chưa đề xuất công thức xác định độ dẻo của dầm cũng như chưa đưa ra các gợi ý về lựa chọn tỷ lệ diện tích Af/As

1.2.2.3 Nghiên cứu của Francesco Bencardino, Antonio Condello và Luciano Ombres– Năm 2016

Năm 2002, Luciano Ombres cũng đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về “Ứng

xử của kết cấu dầm bê tông cốt hỗn hợp AFRP và cốt thép” [10] Đến năm 2016, ông và các đồng nghiệp, tiếp tục tiến hành nghiên cứu về “Mô hình số và phân tích

mô hình dầm bê tông cốt thép, cốt FRP và cốt hỗn hợp thép và FRP” Trong nghiên cứu này [12], Luciano Ombres đã sử dụng phần mềm ABAQUS Finite Element Code để lập mô hình số 2D cho dầm bê tông cốt hỗn hợp Trong nghiên cứu này, bê tông được mô hình hóa bằng cách sử dụng phần tử ứng suất phẳng CPS3, trong khi đối với các thanh cốt thép bên trong, phần tử giàn T2D2 đã được sử dụng Dựa trên

mô hình số trong ABAQUS, các tác giả đã kiểm chứng với thí nghiệm của Aiello và Ombres (2002) [10] qua 6 mẫu dầm và thí nghiệm của Denvid Lau và Hoat Joen Pam (2010) [36] qua 11 mẫu dầm Sau đấy, đối chiếu mô hình số với các kết quả

Định dạng
Số trang	170
Dung lượng	7,25 MB