Áp dụng cốt thanh composite sợi thủy tinh trong bê tông ứng suất trước

Kết quả tính toán là minh chứng cho lý thuyết tính toán thiết kế, có thể áp dụng vật liệu mới này không chịu ảnh hưởng của môi trường như vật liệu thép truyền thống để xây dựng các công

NGUYỄN HOÀNG HẢI

ÁP DỤNG CỐT THANH COMPOSITE SỢI THỦY TINH TRONG BÊ TÔNG

ỨNG SUẤT TRƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA

NGUYỄN HOÀNG HẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em.

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

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Hoàng Hải

iii

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC 3

1.1 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT

TRƯỚC 3

1.1.1.Sơ lược về vật liệu Fiber Reinforced Polymer (FRP) 3

1.1.2.Các dạng vật liệu Composite 3

1.1.3.Lĩnh vực sử dụng hiệu quả cốt FRP trong kết cấu xây dựng 4

1.2 CẤU TẠO THANH FRP VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THANH FRP 5

1.2.1.Cấu tạo thanh FRP 5

1.2.2.Cấu trúc và các đặc trưng cơ học của vật liệu 6

a.Cốt sợi 6

b.Chất dẻo nền 8

c Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP 9

1.2.3.Cường độ và biến dạng thanh FRP 9

1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến các tính chất cơ lý của thanh FRP 10

1.3 KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÕN CỦA THANH FRP 11

1.4 CÁC LOẠI NEO SỬ DỤNG CHO THANH FRP ỨNG SUẤT TRƯỚC 13

1.4.1.Neo kẹp (Clamp) 13

1.4.2.Neo dạng nêm và côn (hay còn gọi là neo ống và cọc) 14

1.4.3.Neo cốc thẳng (Straight sleeve anchorage) 15

1.4.4.Neo cốc dạng viền (Contoured sleeve) 15

1.4.5.Lớp phủ kim loại (Metal overlaying) 16

1.4.6.Neo chêm chia (Split-wedge) 16

1.4.7.Các dạng phá hoại của neo 17

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 18

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC 19

2.1.KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC 19

2.1.1.Giới thiệu chung về kết cấu cốt thanh FRP 19

2.1.2.Các loại bê tông đặc biệt dùng cho kết cấu cốt thanh FRP 19

2.1.3.Những đặc điểm chế tạo kết cấu từ cốt FRP 20

2.2.CÁC TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG THANH FRP ỨNG SUẤT TRƯỚC 21

2.2.1.Các tổn hao ứng suất trước trong thanh FRP 21

2.2.2.Các tổn hao do sự chùng ứng suất và ma sát 22

2.3.TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC 23

2.3.1.Tổng quan về phương pháp thiết kế 23

2.3.2 Phương pháp tính theo tiêu chuẩn ACI 440.4R-04 24

a Phương pháp luận tính toán cường độ 24

b.Tỉ lệ cân bằng 25

c.Tính toán cấu kiện chịu uốn và dự đoán khả năng chịu lực 27

d Phát triển khả năng chịu uốn cho trường hợp đặt cốt FRP theo phương thẳng đứng trong vùng gia cố ít cốt 29

e.Các hệ quả của việc phân bố cốt thép dọc theo chiều cao của tiết diện 30

f Hệ số giảm cường độ cho trường hợp chịu uốn 30

g.Ứng suất uốn làm việc 31

h.Lực căng cốt kiểm soát 32

k Phá hoại do biến dạng từ biến của thanh FRP 32

l Sự hiệu chỉnh ứng suất cho thanh gấp khúc “harped tendon” 34

m.Độ dẻo hoặc tính biến dạng 35

n Hàm lượng cốt tối thiểu 36

2.4.TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC 36

2.4.1.Những lưu ý chung trong thiết kế cốt đai từ thanh FRP 36

2.4.2.Phương pháp tính theo tiêu chuẩn ACI 440.4R-04 37

a.Độ bền cắt với đai FRP 37

b.Giới hạn khoảng cách giữa các cốt đai 38

c Hàm lượng tối thiểu của cốt đai FRP 38

d.Chi tiết về cốt đai 38

2.5.KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 39

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC CHỊU UỐN 41

3.1 VÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT

TRƯỚC 41

3.1.1.Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện 41

3.1.2.Các đặc trưng của vật liệu 42

3.1.3.Kích thước và tải trọng tác dụng lên dầm 43

3.1.4 Tính toán tổn hao ứng suất 44

3.1.5 Kiểm tra độ bền ứng suất phẳng tại vị trí giữa nhịp 44

3.1.6 Xác định khả năng chịu lực 44

3.2 VÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 46

3.2.1 Chọn vật liệu 46

3.2.2 Tải trọng và nội lực 47

a Tải trọng 47

b.Nội lực 47

3.2.3 Sơ bộ chọn cốt thép căng và cốt thép thường 47

3.2.4 Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện quy đổi 48

3.2.5 Xác định tổn hao ứng suất 48

3.2.6 Xác định khả năng chịu lực 49

3.3 SO SÁNH DẦM ỨNG SUẤT TRƯỚC CỐT THANH COMPOSITE VÀ THANH THÉP DỰ ỨNG LỰC TRƯỚC 50

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1.3 Các đặc trưng loại sợi Carbon khác nhau (Ameteau, 2003) 7

1.5 So sánh đặc trưng ba loại sợi theo (Meier 1994) 8

2.1 Bảng các tính chất của thanh AFRP, CFRP, GFRP và thép dự

3.1 Bảng tính giá thành dầm bê tông cốt thanh Composite ứng suất

trước và dầm bê tông cốt thép ứng suất trước 52

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.4 Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP 91.5 Hình dạng phá hủy khi thí nghiệm kéo cấu kiện Composite 101.6 Quan hệ giữa cường độ tức thời-nhiệt độ của cốt thủy tinh 11

1.7 So sánh đồ bền ăn mòn của cốt sợi thủy tinh và cốt thép cường

độ cao có đường kính 3 mm trong môi trường ăn mòn 12

2.1 Các kẹp để căng cốt composite ứng suất trước 20

2.2 Biểu đồ quan hệ “Mômen - độ võng” của cấu kiện bê tông dự

2.5 Biến thiên trong hệ số giảm độ bền và biến dạng kéo 31

2.7 Biểu đồ phá hoại biến dạng từ biến của thanh Carbon 33

2.8 So sánh phá hoại biến dạng từ biến của thanh Aramid và thanh

ÁP DỤNG CỐT THANH COMPOSITE SỢI THỦY TINH

TRONG BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

Học viên: Nguyễn Hoàng Hải Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Giao thông

Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K31 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Hiện nay, dầm bê tông cốt thép ứng suất trước được sử dụng khá phổ biến Tuy

nhiên, loại dầm này cũng tồn tại một số nhược điểm, đặc biệt là hiện tượng gỉ cốt thép làm giảm tuổi thọ công trình Một hướng áp dụng mới đã được tiến hành, sử dụng các thanh bằng vật liệu composite với tính năng: vừa bền, vừa nhẹ và không bị ảnh hưởng của tác động môi trường gây ra hiện tượng gỉ để thay thế các thanh hoặc bó cáp bằng thép chế tạo các cấu kiện “Áp dụng cốt thanh composite sợi thủy tinh trong bê tông ứng suất trước” nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế dầm bê tông cốt thanh composite ứng suất trước và dầm bê tông cốt thép ứng suất trước Từ đó so sánh giá thành dầm bê tông cốt thanh composite ứng suất trước và dầm bê tông cốt thép ứng suất trước Kết quả tính toán

là minh chứng cho lý thuyết tính toán thiết kế, có thể áp dụng vật liệu mới này không chịu ảnh hưởng của môi trường như vật liệu thép truyền thống để xây dựng các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi,…

Từ khóa - Bê tông cốt thép ứng suất trước; vật liệu composite; gỉ cốt thép; công trình dân dụng;

công trình giao thông (5 từ khóa)

APPLICATION OF COMPOSITE FIBER GLASS

IN CONCRETE PRECISION BEFORE Abstract - At present, pre-stressed reinforced concrete beams are commonly used.

However, this type of beam also has some disadvantages, especially the phenomenon of corrosion of steel reduces the life of the work A new direction has been adopted, using composite rods with: durable, lightweight and non-impacted environmental impact causing rust to replace strips or bundles Steel fabricated components "Apply fiberglass composite reinforcement in pre-stressed concrete" based on theoretical studies, design calculations of pre-stressed composite reinforced concrete beams and pre-stressed prestressed beam beams Comparing prices of reinforced concrete reinforced concrete beams and pre-stressed reinforced concrete beams The results of calculations are a proof of the design calculation theory, it is possible to apply this new material without environmental influences such as

traditional steel materials for construction of civil works, traffic, irrigation,

Key words - Reinforced concrete prestressed; composite materials; stainless steel rod;

Civil works; transportation work.

1 Tính cấp thiết của đề tài

MỞ ĐẦU

Hiện nay bê tông ứng suất trước đã đóng góp đáng kể vào thành công của các

dự án ngành xây dựng Vì nó cho phép thiết kế các kết cấu có nhịp dài hơn, mảnh hơn

và nhẹ hơn Mặc dù, bê tông ứng suất trước có nhiều tính năng tốt nhưng một bất lợilớn là tính dễ bị ăn mòn của cốt thép Quá trình ăn mòn có thể phát triển rất nhanhdưới tác động của môi trường dẫn đến loại bỏ lớp bê tông bảo vệ cốt thép bao bọc bênngoài làm lộ ra cốt thép (đặc biệt là các công trình ở khu vực ven biển Miền Tây nhưtỉnh Trà Vinh chịu ảnh hưởng rất lớn của hơi nước mặn) [1], [4]

Chất dẻo cốt sợi FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một loại vật liệuComposite bao gồm các sợi có cường độ rất cao nằm trong môi trường nền là chất dẻo.Các sợi ở đây có thể là các loại sợi Thủy tinh, sợi Carbon hoặc sợi Aradmid Để bảo vệcác sợi chống lại các tác động phá hủy cơ học và để đơn giản trong vấn đề cấu tạo neo

và vấn đề dính bám, thường bố trí các sợi này trong môi trường chất dẻo, có thể làPolyester, Vinylester, [6]

Sợi Thủy tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu Composite Ưu điểmcủa sợi Thủy tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hóa - sinh, có độ bền

cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp

Composite sợi Thủy tinh là loại vật liệu mới, có nhiều triển vọng phát triểntrong các ngành công nghiệp xây dựng vì hoàn toàn có thể thay thế cho cốt thép trongkết cấu bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước, thay thế cáp thép trong kết cấu treo

Vật liệu mới này có nhiều ưu điểm so với các loại vật liệu xây dựng truyềnthống, nhất là về trọng lượng riêng, nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hóa -sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp Vì vậy, có thể nói rằng vật liệu này córất nhiều triển vọng được sử dụng rộng rãi trong thế kỷ 21, tạo ra những phương án kếtcấu xây dựng mới có hiệu quả và bền vững hơn là kết cấu bê tông cốt thép và kết cấutruyền thống trong các ngành xây dựng cơ bản nói chung, kể cả những công trình cầntrung tính đối với môi trường điện tử

Những năm gần đây việc sử dụng vật liệu cốt thanh Composite sợi Thủy tinh đãthay thế dần các bản thép Các tấm vật liệu tổng hợp này được chế tạo từ các cốt sợiphi kim loại cường độ cao Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trước đây về giảipháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu thanh Composite được thực hiện ở nhiềunơi trên thới giới Ngày nay vật liệu này được sản xuất phổ biến ở các nước Tây Âu,Nhật Bản, Nam Mỹ,

Chính vì vậy, thanh Composite là vật liệu tốt nhất cho sử dụng trong dự ứng lựcthay thế cho vật liệu thép thông thường Rất phù hợp để làm cốt và cáp ứng lực trướccho kết cấu bê tông cũng như ưu điểm chính là: Cường độ chịu kéo rất cao, bền vàkhông han gỉ Sức chịu mỏi tốt hơn thép, nhẹ, dễ vận chuyển, lắp đặt, thi công ở công

11

trường Giảm chi phí bảo trì trong suốt thời gian khai thác sử dụng Xuất phát từ thực

tế đó, đề tài “Áp dụng cốt thanh Composite sợi thủy tinh trong bê tông ứng suất trước” nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ này ở Việt Nam.

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của thanh Composite ứng suất trước và hệthống neo dùng trong cấu kiện bê tông thanh Composite ứng suất trước

- Tổng hợp các cơ sở lý thuyết, kết quả nghiên cứu thực nghiệm sử dụng cốt

thanh Composite ứng suất trước của các tác giả trên thế giới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu bê tông ứng suất trước nhưng dùng vật liệu cốtthanh Composite sợi Thủy tinh để thay thế bó cáp trong bê tông cốt thép ứng suấttrước thông thường

- Phạm vi nghiên cứu: Các cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán lý thuyết dầm bê tông cốtthanh Composite sợi Thủy tinh ứng suất trước

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính toán dựa trên mô hình lý thuyết

- Tính toán hiệu quả tăng cường thông qua lý thuyết tính toán

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Cung cấp thêm tư liệu về tổng quan vật liệu Composite sợi Thủy tinh

- Cung cấp thêm tư liệu về các loại neo dùng cho thanh Composite sợi Thủy tinh ứng suất trước

- Tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt thanh Composite sợi Thủy tinh ứng suất trước chịu uốn theo tiêu chuẩn ACI 440.4R-04 (Mỹ)

6 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về bê tông cốt thanh Composite ứng suất trước.

Chương 2 Cơ sở lý thuyết và tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt thanh

Composite ứng suất trước

Chương 3 Ví dụ tính toán cấu kiện dầm bê tông cốt thanh Composite ứng suất

trước

Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THANH

COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC

1.1 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC

1.1.1 Sơ lược về vật liệu Fiber Reinforced Polymer (FRP)

Vật liệu FRP được bắt đầu phát triển vào giữa thế kỷ 20 và được ứng dụng rộngrãi từ năm 1970 So với các vật liệu bê tông và cốt thép, vật liệu FRP có nhiều ưu điểmhơn nên vật liệu FRP được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu

và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đông Nam Á Có ba loại quan trọng của hệ thống FRPlà: Sợi Thủy tinh, sợi Carbon và sợi Aramid [3]

- Sợi Carbon (Carbon graphite) là một vật liệu bao gồm các sợi cực mỏng khoảng0,005- 0,010mm đường kính và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử Carbon đượcliên kết với nhau theo phương song song với trục dài của sợi Sợi Carbon chịu lựcđược cấu tạo bởi rất nhiều sợi Carbon được xoắn với nhau, có thể được sử dụng bởi sợiđộc 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 Carbonđược sử dụng để tăng cường các kết cấu chịu lực như dầm, cột, sàn, cọc… (kết cấu dândụng, giao thông, công nghiệp, thủy lợi,…)

- Sợi Thủy tinh được cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính từ 2 - 10 micromet SợiThủy 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 Polymer

và sợi Carbon Sợi Thủy tinh được ứng dụng phổ biến để tăng cường các kết cấu chịulực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc…Sợi Thủytinh 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 đểtăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu

- Sợi Aramid xuất hiện đầu tiên dưới tên thương mại Nomex của DuPont được ứng dụngcùng thời điểm với sợi Carbon Sợi Aramid được sử dụng rộng rãi trong ngành côngnghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồi cao

1.1.2 Các dạng vật liệu Composite

- Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạngthanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn, Trong sửa chữa và gia cố công trình

xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải (Hình 1.1) [2].

- Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thường được sử dụng nhất là của các hãng sảnxuất: MBraceTB, Replark®, Sika®, Tyfo®,

1.1.3 Lĩnh vực sử dụng hiệu quả cốt FRP trong kết cấu xây dựng

Giá thành của cốt sợi FRP cao hơn giá thành của cốt thép trong mọi trường hợp

Vì vậy sử dụng cốt sợi FRP để thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép khôngphải lúc nào cũng mang lại hiệu quả

Ngoài ra, môđun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt và khối lượng thể tích của cốt sợiFRP nhỏ hơn rất nhiều so với cốt thép Sử dụng các kết cấu này vào thực tiễn xâydựng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể

Tính chịu ăn mòn hóa học cao của cốt sợi FRP đã tạo ra khả năng sử dụng nótrong các kết cấu có độ bền cao từ những bê tông đặc biệt Những kết cấu này dùng đểthay thế các kết cấu bê tông cốt thép truyền thống

Tính cách điện của cốt sợi FRP được sử dụng để chế tạo nhưng kết cấu xâydựng mới trong đó tích hợp cả chức năng chịu lực và khả năng cách điện Những kếtcấu này được chế tạo từ những bê tông có tính không dẫn điện và được sử dụng trongcác cột tải điện cao thế và một số kết cấu khác có khả năng dẫn điện

Hình 1.1 Một số dạng vật liệu Composite

Vậy khả năng sử dụng vật liệu Composite có thể rất đa dạng [3]:

1 Làm cốt cho cấu kiện bê tông cốt mềm với hình thức thanh rời và lưới buộc và có thể gọi là kết cấu bê tông cốt Composite;

2 Làm các loại cáp (căng trước hoặc căng sau) cho kết cấu bê tông dự ứng lực cốt

6 Làm kết cấu liên hợp vật liệu giữa Composite và thép hoặc bê tông cốt thép;

7 Làm kết cấu vòm cuốn hoặc kết cấu cột chịu nén, bằng ống Composite trong nhồi bê tông, một loại kết cấu liên hợp giữa Composite và bê tông;

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

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

1.2 CẤU TẠO THANH FRP VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA THANH FRP

1.2.1 Cấu tạo thanh FRP

Vật liệu Composite (FRP) gồm hai hoặc nhiều pha vật liệu khác nhau: Cốt sợi

và môi trường chất dẻo làm nền cho cốt sợi gia cường Nếu so sánh về cường độ và

độ cứng thì môi trường chất dẻo làm nền thường thấp hơn

Sợi và cách sắp xếp sẽ quyết định tính chất cơ học của vật liệu và sức chịu tảitrọng Chất dẻo làm nền có nhiệm vụ truyền tải trọng vào các sợi, giữ vị trí và hướngcần thiết cho các sợi, đồng thời để bảo vệ các sợi khỏi bị xâm thực về mặt hóa họccũng như cơ học

Những số liệu trong bảng kê sau đây (Bảng 1.1) có tính chỉ dẫn (nếu cần các trị

số thực sự của cốt sợi, nhà sản xuất sẽ cung cấp) Các sợi đều có tính chất đàn hồituyến tính cho tới tải trọng cực hạn và không có điểm chảy rõ ràng

Bảng 1.1 Các loại cốt sợi

Cốt sợi Cường độ chịu kéo (N/mm2-MPa) (kN/mmMôđunđàn hồi 2 -GPa)

Độ dãndài(%)

Tỷ trọng(g/cm3)

72,5737488

2,52,52,53,0

2,572,462,462,47Carbon

250250500800

1,21,40,50,2

1,71,81,92,1

* Các loại chất dẻo làm nền

Chất dẻo chính thường là các loại Polyester và Epoxy không bão hòa, nếu cầnchịu lửa dùng thêm Phênôn Tính chất chính của các loại chất dẻo được tóm tắt trongBảng 1.2 dưới đây:

Bảng 1.2 Các loại chất dẻo làm nền

Chất dẻo Cường độ chịukéo (N/mm2

-MPa)

Môđun đàn hồi(kN/mm2 -GPa)

Độ dãn dài(%)

Tỷ trọng(g/cm3)

3,03,52,5

8,06,01,8

1,21,121,24

1.2.2 Cấu trúc và các đặc trưng cơ học của vật liệu

Vật liệu FRP là loại vật liệu Composite do sự kết hợp của hai thành phần là cốt

sợi và chất dẻo nền tạo nên được thể hiện trên Hình 1.2 [2].

a Cốt sợi

Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độcứng, ổn định nhiệt Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảmbảo các yêu cầu sau đây [3]:

- 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

Hình 1.2 Cấu trúc của vật liệu FRP

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thườngđược sử dụng là sợi Carbon, sợi Thủy tinh và sợi Aramid Dưới dây là đặc điểm củatừng loại cốt sợi:

♦Sợi Carbon

Có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi Thủy tinh và sợi Aramid, giá thànhkhoảng 5-7 lần sợi Thủy tinh Sợi Carbon nhẹ hơn và cường độ cao hơn khi so sánhvới các sợi Thủy tinh và Aramid Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặcbiệt là mỏi và từ biến, hệ số giãn nở nhiệt thấp Sợi Carbon được sản xuất bằngphương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi được xử lýnhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi Carbon Sản phẩm sợi tạo thành có các thayđổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau (Bảng 1.3)

Bảng 1.3 Các đặc trưng loại sợi Carbon khác nhau (Ameteau, 2003)

Các loại sợi

Carbon

Môđun đànhồi kéo(ksi)

Cường độchịu kéo(ksi) Nước sản xuất

Giá thành($/pound)

♦Sợi Thủy tinh

Là hợp chất vô cơ vô định hình, chủ yếu là các ôxít kim loại hoặc các loại SiO2

là hợp chất chiếm nhiều nhất trong thủy tinh, chiếm từ (50÷70)% trọng lượng thủytinh Đường kính sợi Thủy tinh riêng lẻ 17µm, khoảng cách các sợi Thủy tinh (3÷24)µm

Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi Carbon và sợi Aramid Sợi Thủy tinhđược sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh Sợi Thủy tinh cómôđun 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, C-glass, glass (Bảng 1.4)

AR-Bảng 1.4 Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau

Loại sợi thủy tinh Tỷ trọng

(g/cm3)

Cường độchịu kéo(ksi)

Mô đuynđàn hồi(ksi)

Biến dạng dài(%)

Bảng 1.5 So sánh đặc trưng ba loại sợi theo (Meier 1994)

- 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

c Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP

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 1.3 Hướng phân bố của cốt sợi (Smith, 1996)

1.2.3 Cường độ và biến dạng thanh FRP

Cường độ và biến dạng của thanh FRP được tiến hành với các thí nghiệm kéo

và nén, đây cũng là 2 tải trọng mà cốt sợi FRP tiếp nhận khi nó làm việc trong kết cấu

t (ks i)

thÐp

Hình 1.5 Hình dạng phá hủy khi thí nghiệm kéo cấu kiện Composite

Sự phá hoại mẫu bắt đầu bằng sự đứt các sợi FRP có ứng suất lớn nhất bố trítheo chu vi của tiết diện, sau đó thông qua sự phân bố ứng suất xảy ra sự phá hoại cácsợi còn lại trong tiết diện thanh (Hình 1.6)

Trong quá trình thí nghiệm cường độ và tính biến dạng của các mẫu cốt sợi FRPtrên máy kéo đã ấn định rằng, sự phá hoại bắt đầu theo nguyên tắt là từ sự phá hoại sợiFRP bọc ngoài trên các gờ của tiết diện Sau đó đứt các sợi riêng biệt trên bề mặt theodọc chiều dài của thanh, tiếp đến xảy ra sự phá hoại mạnh hơn các sợi theo chu vi tiếtdiện, đồng thời sự tăng tải trọng tác dụng lên mẫu sẽ dừng lại (tải trọng không tăngnữa) và sự phá hoại hoàn toàn đạt đến Sự phá hoại theo từng lớp được thể hiện rất rõkhi thí nghiệm cốt sợi FRP có đường kính 12 mm Trong một số trường hợp sau khicác sợi FRP ở lớp ngoài bị phá hoại xảy ra sự trượt lõi chưa phá hoại của thanh theolớp vữa Polymer

Môđun đàn hồi của cốt sợi FRP tương đối nhỏ (nhỏ hơn khoảng 4 lần so với cốtthép) Do đó loại cốt này chỉ sử dụng được trong kết cấu dự ứng lực trước, trong kếtcấu không dự ứng lực trước không thể sử dụng hết khả năng chịu lực của cốt và độcứng của những kết cấu này tương đối nhỏ

1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến các tính chất cơ lý của thanh FRP

Trong quá trình chế tạo và khai thác kết cấu bê tông với cốt sợi FRP có thể gặpcác điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau Ví dụ: Khi chế tạo các kết cấu bê tông đểtăng nhanh quá trình ninh kết của bê tông có thể sử dụng phương pháp chưng hấp kếtcấu Trong trường hợp này cốt thép sẽ chịu tác dụng đồng thời của nhiệt độ cao và độ

ẩm Ngoài ra, kết cấu có thể được khai thác dưới tác dụng của nhiệt độ âm (các nước

xứ lạnh) hoặc dương Trong trường hợp bị cháy kết cấu chịu tác dụng đồng thời củanhiệt độ và lửa, liên quan đến vấn đề này để đảm bảo độ bền của kết cấu cần phải xácđịnh khả năng của cốt chống lại cháy và lạnh, ngoài ra còn có cả tác dụng của khí ẩmdạng hơi

Phân tích quan hệ giữa cường độ - nhiệt độ của cốt thủy tinh (Hình 1.6) Khigiảm nhiệt độ cường độ của mẫu thuộc sêri thứ nhất tăng lên và ở nhiệt độ -400Ccường độ tăng lên 35-40% Trong đoạn nhiệt độ âm quan sát thấy hiện tượng bền hóacủa chất dẻo FRP, tương ứng là sự bền hóa các sợi FRP do sự đóng băng hơi ẩm từ các

vi vết nứt trên bề mặt sợi Khi tăng nhiệt độ cường độ sẽ giảm xuống (Hình 1.6, đườngcong 1) Hiện tượng này có thể giải thích sự xuất hiện các tính chất dẻo của chất kếtdính, chính điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi chiều dài các sợi, bởi vì xảy ra hiện tượngnắn thẳng từng phần trên các đoạn cong, dưới nhiệt độ trên 3500C quá trình phá hủychất kết dính bắt đầu, tiếp đến sẽ là các sợi Thủy tinh, và cuối cùng là cường độ củacốt giảm đáng kể

(σBp,t0C/ σBp,200C) 100%

1401201008060

-40 -20 0 20 50 100 150 200 250 300 350

Hình 1.6 Quan hệ giữa cường độ tức thời-nhiệt độ của cốt thủy tinh

1 Dưới tác dụng của nhiệt độ; 2 Sau khi nung nóng hoặc làm lạnh (thí nghiệm ở nhiệt độ t = 200C)

Cường độ của cốt được giữ trước với nhiệt độ từ -40 đến + 3500C (Hình 1.6,đường cong 2) là hằng số, bởi vì các quá trình hình thành các tính dẻo của Polymer và

sự đóng băng lượng ẩm hấp thu trong đoạn nhiệt độ này có tính khả hồi Khi xuất hiện

sẽ phá hoại chất kết dính và sợi dưới nhiệt độ lớn hơn 3500C cường độ của cốt giảmđáng kể

Tất cả các kết cấu bê tông cốt sợi FRP dưới tác dụng của nhiệt độ cao bị pháhoại giòn do đứt cốt ở nhiệt độ trung bình trong cốt chịu kéo là 1000C Dưới tác dụngcủa nhiệt độ khoảng 1000C các hơi nước trong các lỗ vi vết nứt trên bề mặt sẽ bốc hơidẫn đến tăng áp suất đột ngột làm phá hoại các sợi, tức là cường độ cốt giảm đột ngộtdẫn đến kết cấu bị phá hoại

1.3 KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÕN CỦA THANH FRP

Khi nghiên cứu độ bền ăn mòn hóa học của các sợi FRP và chất dẻo FRP nhiềutác giả nghiên cứu đã lấy tiêu chuẩn là sự thay đổi khối lượng của mẫu dưới tác dụngcủa môi trường xâm thực Để nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của cốt thì phươngpháp này không thể sử dụng được, bởi vì kết quả nhận được không thể đánh giá được

sự tổn hao cường độ của cốt, tức là khả năng làm việc của cốt khi tiếp nhận ứng suấtkéo Một phương pháp nghiên cứu nữa cũng được xem là chưa hoàn thiện, đó là

phương pháp nghiên cứu ăn mòn theo sự thay đổi diện mạo bên ngoài mẫu, như màusắc, trạng thái bề mặt Tiêu chí nghiên cứu được xem là hợp lý nhất khi nghiên cứu độbền ăn mòn của cốt là tiêu chí cường độ, tiêu chí này đánh giá đầy đủ mối liên hệ cáctính chất hóa - lý và các tính chất cơ học của vật liệu.

Các chất phản ứng của môi trường xâm thực thấm xen vào trong vật liệu cốt sợiFRP, tức là sợi FRP thông qua các vết nứt, các lỗ rỗng và do sự khuếch tán các chấtphản ứng qua Polymer Quá trình khuếch tán các phân tử chất lỏng qua các lỗ nhỏ giữacác phân tử trong Polymer xảy ra chậm trong khoảng thời gian 50 - 60 ngày Tronggiai đoạn này các khuyết tật trên bề mặt sợi FRP được lấp đầy và trong giai đoạn nàycường độ của cốt giảm mạnh do hiệu ứng chêm các chất lỏng vào trong các vết nứttrên bề mặt sợi FRP, trong giai đoạn này xảy ra sự ăn mòn hóa học sợi trong quá trìnhtác dụng của các sợi với môi trường ăn mòn

( σ

100 80 60 40 20

/ σBp) 100%

2 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 ,ngày

Hình 1.7 So sánh đồ bền ăn mòn của cốt sợi thủy tinh và cốt thép cường độ cao có đường kính 3 mm trong môi trường ăn mòn: 1 tác dụng của dung dịch H 2 SO 4 ; 2 tác dụng của dung dịch xinvinit bão hòa (nét đứt là cốt sợi FRP, nét liền là cốt thép)

- Cường độ của cốt sau thời gian τ ngày dưới tác dụng của môi

- Cường độ chịu kéo tức thời trước khi thí nghiệm trong môi

Từ đồ thị so sánh cho thấy rằng, trong thời gian 50 ÷ 60 ngày đầu cường độ củacốt Thủy tinh giảm đáng kể, sau đó quá trình này giảm lại và có dạng tuyến tính Vìvậy, từ đồ thị có thể suy ra, độ bền ăn mòn hóa học của cốt sợi FRP tăng đáng kể sovới độ bền ăn mòn của cốt thép

Nhiều nghiên cứu khoa học về ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép đã được tiếnhành với kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện khai thác thực tế trong các nhà máysợi tổng hợp (môi trường axit), trong các nhà máy liên hợp và trong các nhà kho phânkhoáng (ăn mòn muối) Thời gian khai thác kết cấu bê tông cốt thép trong các môitrường này không vượt quá 4 đến 5 năm Vì vậy, trong các môi trường này nên sửdụng kết cấu khác có độ ăn mòn hóa học cao để thay thế kết cấu bê tông cốt théptruyền thống

2 1

Vậy có thể rút ra các kết luận sau:

- Cốt sợi FRP cần phải được sử dụng trong các kết cấu sản xuất từ bê tông xi măng vàkhai thác trong môi trường ẩm;

- Khi thiết kế kết cấu từ bê tông xi măng với cốt sợi FRP dự định khai thác trong môitrường không khí với độ ẩm lớn hơn 70% cần phải kể đến sự giảm cường độ cốt trong

cả thời gian khai thác các kết cấu này;

- Khi khai thác các kết cấu từ bê tông xi măng với cốt sợi FRP trong môi trường khôngkhí với độ ẩm nhỏ hơn 70% cần phải kể đến sự giảm cường độ cốt 10% cho cả giaiđoạn thời gian khai thác

1.4 CÁC LOẠI NEO SỬ DỤNG CHO THANH FRP ỨNG SUẤT TRƯỚC

1.4.1 Neo kẹp (Clamp)

Neo kẹp (Clamp) là một loại neo cơ học, loại neo này được sử dụng ở những vịtrí dễ sử dụng và yêu cầu về tính thẩm mỹ không cao Các neo bao gồm hai tấm théphình chữ nhật có rãnh, một ống bọc ngoài (thường được làm bằng nhôm hoặc đồng) vàkẹp bulông (Hình 1.8) Mỗi tấm thép được sản xuất với một rãnh dọc tròn dài trên mộtmặt và những lỗ cho các bulông Ống bọc ngoài bằng nhôm mỏng, với khe hở dọctheo phần kẹp trong neo Một phần ngắn của ống bọc ngoài còn lại mà không có khe

hở để gắn các bộ phận với nhau; phần này được gọi là đầu ống được đặt ở bên ngoàicủa tấm thép khi chúng được kẹp Điều quan trọng là số lượng bulông phải tính toánvừa đủ để mômen xoắn cân bằng với lực ma sát Nếu mômen xoắn quá nhỏ, thanh cóthể trượt nhưng quá nhiều mômen xoắn có thể dẫn đến thanh bị phá hoại do tập trungứng suất

Clamping bolt: Bulông kẹp FRP tendon : Thanh FRP

Sleeve head : Đầu ống bọc ngoài Clamping plate : Tấm ép

Hình 1.8 Neo kẹp

Hệ neo kẹp bao gồm các tấm thép có cứa rãnh kẹp thanh Composite và đượcgiữ chặt bởi các đinh ốc Lực được truyền từ thanh Composite sang hệ neo bởi một hệ

ma sát cắt Trong trường hợp này, bề mặt của thanh Composite có ý nghĩa quan trọngđến lực kẹp

Sự làm việc của hệ neo được cải thiện bằng việc sử dụng vật liệu lót (phươngtiện bảo vệ) để bảo vệ thanh cốt Vật liệu trung gian này có độ cứng thấp và độ giãndài lớn, do đó nó có thể phân phối ứng suất ngang phân bố trên thanh cốt Chiều dàicủa neo có thể dao động phụ thuộc vào vật liệu sử dụng, tuy nhiên cần phải đảm bảorằng biến dạng của cốt đạt đến giá trị cực hạn

1.4.2 Neo dạng nêm và côn (hay còn gọi là neo ống và cọc)

Là hệ thống neo bao gồm cọc hình nón và ống nối có rãnh [7] Hệ thống neonày phù hợp để neo các thanh Parafil (Parafil - bó sợi tổng hợp cường độ cao trong vỏbọc bằng chất dẻo) mà trong đó các thanh Aramid không được bọc hoàn toàn bằng lớpbảo vệ chất dẻo nhưng chỉ được bao bọc bằng một vỏ mỏng bảo vệ bên ngoài Parafilđộc đáo ở điểm có khả năng phân bố đều các sợi Aramid xung quanh các cọc neo, do

đó neo đạt được hiệu quả cao Bộ phận kẹp của neo tương tự như neo chèn, trongtrường hợp này thanh cốt được neo chặt bởi lực nén sinh ra khi nêm cọc vào trong ống.Ứng suất nén này cùng với ma sát giữa thanh vật liệu và thành ống, thêm vào đó là lực

ma sát giữa thanh cốt và với cọc nêm tạo ra một ứng suất ma sát chống lại sự trượt củathanh ra khỏi ống neo Khi sử dụng hệ thống neo này đòi hỏi phải loại bỏ vỏ nhựa bọc,rải đều các sợi riêng lẻ và cần phải đặt chính xác cọc neo với sự phân bố đều các sợiquanh nó

Hình 1.9 Neo dạng nêm và côn

1.4.3 Neo cốc thẳng (Straight sleeve anchorage)

Contoured sleeve: Cốc dạng viền; Bond material: Vật liệu dính kết;

Straight sleeve: Cốc thẳng

Hình 1.10 Neo cốc thẳng và neo cốc dạng viền

Trong hệ neo này, thanh FRP được đặt vào trong một ống kim loại như théphoặc đồng lấp đầy chất dẻo Vật liệu gắn kết từ bê tông không co ngót, có hoặc không

có cát, để hướng xi măng thành vật liệu tương tự như vật liệu từ nền chất kết dínhepoxy Trong trường hợp sử dụng bê tông không co ngót hoặc vật liệu gắn kết polyme,

hệ truyền lực phụ thuộc hoàn toàn vào sự liên kết và lực dính bám giữa neo và cácthành phần

Bộ phận truyền tải được tạo ra bởi lực dính bám giữa bề mặt thanh cốt và vậtliệu chèn và giữa vật liệu chèn với ống kim loại

Bộ phận cấu tạo bởi mặt tiếp xúc giữa thanh và vật liệu làm đầy và giữa các vậtliệu làm đầy và ống kim loại Trong trường hợp này, để tăng sự liên kết giữa các neocác thành phần trong các trường hợp Như vậy, một ống có khứa ren bên trong hoặc sửdụng vật liệu chèn cứng như cát, được thêm vào chất dẻo hoặc cả hai Vật liệu thêmvào trong chất dẻo cũng phục vụ để giảm co ngót hóa học của nhựa trong quá trình bảodưỡng Để nâng cao lực dính bám giữa các thanh và vật liệu vữa, có thể xử lý bề mặtthanh có thể bện, xoắn, hoặc tạo gân

1.4.4 Neo cốc dạng viền (Contoured sleeve)

Neo cốc dạng viền tương tự như neo cốc dạng thẳng Sự khác biệt chính giữahai hệ neo là hình dạng khác nhau của bề mặt bên trong của neo cốc dạng viền, bề mặtnày có thể giảm dần tuyến tính hoặc theo đường cong dạng Parabol Cơ chế truyền tải

từ thanh cốt đến ống nối thông qua bề mặt ứng suất cắt, bề mặt này là hàm số của lựcdính bám và ứng suất hướng tâm sinh ra do sự thay đổi vật liệu chèn Thiết bị nêmdạng hình nón với một góc uốn cố định thường được sử dụng trong trường hợp này.Kim và Meier (1991) đã phát triển một neo có độ cứng thay đổi cho thanh

CFRP Công trình này được dựa trên khái niệm của một neo được phát triển bởi công

ty BBR Thụy Sĩ Các neo này được được chế tạo dạng hình côn từ epoxy có chứa phụgia ceramic cường độ cao Holte, Dolan và Schmidt (1993) phát triển neo parabol từepoxy và cát

Các thông số sau ảnh hưởng đến sự làm việc của neo kín: Chiều dài của đoạnneo, góc nón neo, bán kính phía trước của nón neo, các đặc trưng độ cứng và chiều dàicủa “vùng mềm” trong lớp đệm bằng nhựa ở mặt trước của neo Các neo kín thường bịphá hoại do các thanh cốt bị kéo tuột khỏi lớp nhựa hơn là sự phá hoại giòn của thanhcốt

1.4.5 Lớp phủ kim loại (Metal overlaying)

Sleeve: Ống bọc ngoài; Rod: Thanh

Hình 1.11 Lớp phủ kim loại

Hệ thống nêm đúc cho CFCC (Carbon fiber composite cable) yêu cầu chiều dàicốt phải được xác định trước để một ống kim loại có thể lồng vào thanh tại một địađiểm cụ thể trong quá trình chế tạo Lớp phủ kim loại được thêm vào đầu của thanhbằng cách đúc trong quá trình sản xuất Các khuôn đúc có thể được kẹp chặt tại vị trícủa các vật liệu kim loại bằng cách sử dụng một neo đơn giản Việc sử dụng của hệthống này là hạn chế vì thiếu linh hoạt trong chiều dài quy định của thanh Việc truyềntải trong neo này đạt được bằng bởi ứng suất cắt (ma sát), nó là một hàm của các ứngsuất nén hướng tâm và ma sát ở bề mặt tiếp xúc

1.4.6 Neo chêm chia (Split-wedge)

Neo chêm chia thường được ưa thích vì nhỏ gọn, dễ dàng lắp ráp, có thể dùnglại và độ tin cậy Loại neo này có thể được chia thành hai loại: Hệ thống neo có liên kếttrực tiếp giữa nêm nhựa hoặc nêm thép và thanh; hệ thống sử dụng một ống nối giữanêm và thanh Neo hình nêm được sử dụng rộng rãi để neo các thanh cốt thép, tuynhiên để neo thanh FRP cần phải sửa đổi bằng cách tăng chiều dài của nó để giảm bớtứng suất ngang trên thanh và kiểm soát độ nhám trong nêm để ngăn cốt không bị xướctrầy Số lượng các nêm trong neo nêm chia khác nhau, dao động từ 2 đến 6 nêm chènvào ống Lý do chính cho việc tăng số lượng nêm là để đảm bảo sự phân bố đều ứngsuất bên trong hướng đúng tâm của thanh Sử dụng một côn nhỏ trên nêm có ý nghĩaquan trọng để đảm bảo sự phân bố đều các ứng suất ngang

Conical Socket: Đầu kẹp cáp hình nón; Wedges: Chêm

Hình 1.12 Neo chêm chia

Một neo kim loại đã được phát triển như một phần của chương trình ISISCanada cho thanh CFRP LeadLine 8 mm Các neo bao gồm ba thành phần: Một ốngthép không gỉ với một đầu kẹp cáp (socket) hình nón; lưới bốn mảnh nêm thép không

gỉ hình nón đặt nêm và một ống mỏng mềm bằng kim loại được đặt giữa nêm vàthanh Các tính năng khác biệt của neo là góc côn của nêm là 0.10 lớn hơn so với bềmặt bên trong của ống Sự khác biệt trong góc giữa ống và các nêm tạo ra nhiều ứngsuất hướng tâm hơn phân bố trên cốt và đảm bảo rằng thanh bị phá hoại xảy ra ngoàineo

1.4.7 Các dạng phá hoại của neo

Các dạng phá hoại khác nhau đã được quan sát với neo hình nêm và thanh FRP.Các sự phá hoại này được chia làm hai nhóm chính: Phá hoại của hệ thống neo và vỡ

* Phá hoại của hệ thống neo có thể được phân loại thành bốn loại:

1 Sự duy chuyển hay trượt của thanh ra khỏi neo do không đủ độ bám giữa thanh và ốngneo (lực ngang nhỏ) - Lực kẹp có thể được tăng lên bằng cách tăng ma sát tại bề mặttiếp xúc

2 Ống neo và thanh cốt trượt đồng thời so với nêm Điều này cho thấy một lực cắt lớngiữa thanh và ống neo cùng với một lực cắt nhỏ hơn giữa ống neo và nêm Việc này cóthể được khắc phục giống giải pháp ở trường hợp 1

3 Nêm trượt so với ống neo Điều này hiếm khi xảy ra, chủ yếu là do việc thiết kế và cấutạo hình học của nêm và ống neo Nó thường được đi cùng bởi sự vỡ vụng của thanh

4 Sự gãy đứt của thanh bên trong neo Sự tập trung ứng suất cao có thể xảy ra ra trongthanh bên trong neo và gây tổn hại của các sợi Trong thiết kế neo, nên giảm việc tậptrung ứng suất và phân phối tải trong neo sẽ khắc phục vấn đề này

* Phá hoại của thanh bên ngoài neo:

Nếu thanh không phá trong neo hoặc trong phạm vi 3 lần đường kính của neo,khi đó neo không góp phần sự phá hoại của thanh và được xem là thỏa đáng thiết kếneo

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Vật liệu Composite chất dẻo cốt sợi FRP (Fiber Reinforced Plastic) là vật liệulâu đời và được bắt đầu phát triển vào giữa thế kỷ 20 sau đó được ứng dụng rộng rãitrong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đông Nam

Á Một số nhà nghiên cứu trên khắp Canada, Mỹ, Nhật, Nga, Trung quốc, đã nghiêncứu các ứng dụng của thanh FRP dự ứng lực Lợi ích về các đặc tính chống ăn mòncủa thanh phi kim loại đã được quan tâm và tiếp tục phát triển

Có ba loại quan trọng của hệ thống FRP là: Sợi Thủy tinh, sợi Carbon và sợiAramid

Sợi Thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độcách điện cao Sợi Thủy tinh có tính chất cơ học gần tương đương với các loại sợikhác như Polymer và sợi Carbon Sợi Thủy tinh được ứng dụng phổ biến để tăngcường các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột,sàn, cọc,…

Sợi Carbon có môđun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấuxây dựng được sử để tăng cường các kết cấu chịu lực như dầm, cột, sàn, cọc… (kết cấudân dụng, giao thông, công nghiệp, thủy lợi…), có giá thành đắt nhất so với hai loạisợi Thủy tinh và sợi Aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi Thủy tinh

Sợi Aramid độ bền thấp, trong môi trường nhiệt độ cao thì làm việc kém SợiAramid được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồicao

Hiện nay sợi Thủy tinh với cấu trúc nền là Epoxy được sử dụng nhiều trong kếtcấu dự ứng lực

Đường kính cốt, nhiệt độ, độ ẩm, môi trường ăn mòn, môi trường kiềm có ảnhhưởng đáng kể đến cường độ của cốt

Neo là một phần quan trọng cho sự thành công của một hệ thống dự ứng lực.Neo phải đủ độ dính bám giữa thanh và ống neo để tránh sự duy chuyển hay trượt củathanh ra khỏi neo, ống neo và thanh cốt không trượt đồng thời so với nêm, nêm khôngtrượt so với ống neo và sự gãy đứt của thanh bên trong neo

Các loại neo thường dùng cho thanh Composite ứng suất trước: Neo kẹp(Clamp), neo dạng nêm và côn (Plug and cone) (hay còn gọi là neo ống và cọc), neocốc thẳng (Straight sleeve), neo cốc dạng viền (Contoured sleeve), neo chêm chia(Split-wedge) Trong đó neo chêm chia thường được ưa thích vì nhỏ gọn, dễ dàng lắpráp, có thể dùng lại và độ tin cậy cao

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC

2.1 KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC

2.1.1 Giới thiệu chung về kết cấu cốt thanh FRP

Các tính chất của cốt FRP cho thấy rằng, loại cốt này chỉ sử dụng hiệu quảtrong kết cấu bê tông dự ứng lực trước Loại cốt này không thể hàn được, nếu dùngkeo để liên kết hai thanh với nhau sẽ rất khó khăn Ngoài ra, loại cốt này không thểuốn cong nhiều và có môđun đàn hồi rất thấp Những đặc điểm kể trên của cốt FRP đãloại bỏ hoàn toàn khả năng chế tạo khung thép Vì vậy, việc đặt cốt FRP được tiếnhành bằng cách kéo ứng lực các thanh theo quỹ đạo thẳng Các cốt đai và cốt ngangtrong các cấu kiện này không tồn tại

Trong quá trình nghiên cứu các cấu kiện chịu uốn, các nhà nghiên cứu đã thiếtlập rằng, đến trước khi xuất hiện vết nứt trong vùng chịu kéo sự làm việc của kết cấu

bê tông ứng lực trước từ cốt FRP tương tự như các quy luật sử dụng để tính toán kếtcấu bê tông cốt thép dự ứng lực trước Đồng thời đặc trưng hình thành các vết nứttrong kết cấu ứng lực trước từ cốt FRP cũng tương đồng như đối với kết cấu bê tôngcốt thép Tuy nhiên, sau khi xuất hiện vết nứt do tính biến dạng của cốt FRP cao hơnnhiều so với cốt thép nên sự làm việc của kết cấu bê tông cốt FRP không giống như kếtcấu bê tông cốt thép dự ứng lực trước ở giai đoạn này Trong trường hợp này phươngpháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực trước không thể áp dụng cho kết cấu

bê tông cốt FRP ứng lực trước Để sử dụng được phương pháp tính toán bê tông cốtthép truyền thống cần có những điều chỉnh để phù hợp hơn với đặc trưng làm việc củakết cấu bê tông cốt FRP Những điều chỉnh này kể đến những đặc thù riêng biệt củacốt Ngoài ra, như đã đề cập ở trên, trong kết cấu này không có cốt ngang hoặc cốt đainên khi tính toán kết cấu bê tông cốt FRP ứng lực trước theo lực cắt cần phải kể đếnảnh hưởng của ứng lực trước đến khả năng chịu lực trên các tiết diện nghiêng

Theo nguyên tắc, cốt FRP được đặt trong bê tông dạng từng thanh riêng lẻ màkhông có các cốt ngang tạo thành khung Các cốt dọc được căng trước, cốt cấu tạo cóthể sử dụng cốt thường không ứng lực trước

2.1.2 Các loại bê tông đặc biệt dùng cho kết cấu cốt thanh FRP

Cốt FRP sẽ phát huy hiệu quả tốt nhất trong kết cấu khi sử dụng hết những tínhchất đặc trưng của nó mà cốt thép không có được, tức là có độ bền ăn mòn hóa họccao và tính không dẫn điện Các loại bê tông thường không có những tính chất này, vìvậy sử dụng cốt FRP để đặt cốt cho các loại bê tông này sẽ không cho phép tạo ranhững kết cấu có độ bền cao khi khai thác trong các điều kiện ẩm dưới tác dụng củamôi trường ăn mòn và cả các kết cấu chịu lực cách điện

Xuất phát từ những yêu cầu và đặc trưng sử dụng kết cấu được nhắc đến ở trêncác nhà nghiên cứu đã đề xuất những thành phần bê tông đặc biệt đối với các kết cấu

bê tông cốt thủy tinh sử dụng trong môi trường tác dụng của ăn mòn axít, môi trường

2.1.3 Những đặc điểm chế tạo kết cấu từ cốt FRP

Các kết cấu bê tông cốt FRP được chế tạo với việc sử dụng khuôn, bệ căng vàthiết bị căng giống như đối với kết cấu bê tông cốt thép

Khi sử dụng thiết bị căng cốt (kích hoặc các thiết bị tương ứng) cần phải lưu ýrằng, môđun đàn hồi của cốt FRP rấp thấp và bằng khoảng ¼ so với môđun đàn hồicủa cốt thép Do đó trong quá trình kéo biến dạng đạt đến giá trị rất lớn và có thể đạtđến 1-1,3 cm/1mét dài, tương ứng với việc này thì giá căng cốt cũng phải đáp ứngđược biến dạng lớn của cốt

Để căng cốt FRP không thể sử dụng các thiết bị kẹp dành cho cốt thép bởi vìcường độ của thanh cốt FRP khi nén trong thiết bị kẹp ngang được xác định bằng cácđặc trưng cường độ của chất kết dính Polymer chứ không phải cường độ các sợi FRP

Do đó cường độ của thanh cốt FRP trong thiết bị kẹp nhỏ hơn rất nhiều so với cường

độ chịu kéo tức thời của cốt FRP Chính vì điều này nên cần thiết phải chế tạo kết cấukẹp đặc biệt để kéo cốt FRP Trên Hình 2.1 thể hiện các kẹp từ thép cường độ cao ởtrạng thái rời và trạng thái lắp đặt: Từ bên trái - kẹp để căng ứng suất trước cho trườnghợp căng trước trên bệ; từ bên phải - kẹp tự ứng suất trước (ống kẹp đàn hồi)

Hình 2.1 Các kẹp để căng cốt composite ứng suất trước

Loại kẹp đầu tiên bao gồm 2 tấm thép với 2 rãnh nhỏ để bố trí cốt thép, cốt thépđược nén chặt bằng đinh ví Đối với loại kẹp thứ hai, các thanh thép được kẹp bằngcác nêm đàn hồi, còn việc căng thanh cốt FRP được tiến hành bằng cách xoay phầngiữa của kẹp, phần bên trong là ren trái còn phần bên ngoài là ren phải.

Việc truyền ứng suất lên bê tông được tiến hành đều bởi vì với kết cấu nàykhông có cốt ngang, nếu truyền ứng suất tức thời sẽ gây xuất hiện các vết nứt trong bêtông ở hai đầu của kết cấu Khi sử dụng các thiết bị kẹp đàn hồi có hình xoắn ốc cốtđược thả khỏi neo một cách nhịp nhàng bằng cách xoay đoạn giữa của kẹp

Sử dụng thiết bị kẹp từ những tấm thép để căng cốt nên tiến hành kéo tất cả cácthanh cốt cùng một lúc Để được như vậy các kẹp được gắn trên một xà ngang bằngthép di động, sau đó sử dụng kích hoặc các thiết bị tương ứng dịch chuyển xà ngang

và đồng thời căng tất cả các thanh cốt của cấu kiện cốt FRP Sau đó vị trí của xà ngangđược cố định bằng các nêm chèn và các miếng đệm, khi vị trí xà ngang được cố địnhtiến hành tháo gỡ kích Sau khi đổ bê tông và bê tông đạt đến cường độ cần thiết(không ít hơn 70% giá trị cường độ thiết kế) tiến hành thả đều dần cốt, quy trình thảcốt được tiến hành ngược lại so với quy trình căng Giá trị ứng suất kiểm soát trongcốt thủy tinh được lấy không lớn hơn 50% giá trị cường độ chịu kéo tức thời Giốngnhư trường hợp căng cốt thép, việc kiểm soát ứng suất trong cốt thủy tinh được tiếnhành theo giá trị lực căng trước hoặc theo giá trị biến dạng của thanh

2.2 CÁC TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG THANH FRP ỨNG SUẤT TRƯỚC

2.2.1 Các tổn hao ứng suất trước trong thanh FRP

Các tổn hao ứng suất trước trong thanh FRP được gây ra bởi các yếu tố sau:

- Đệm neo tại vị trí truyền ứng suất trước;

- Biến dạng từ biến của bê tông;

- Độ co ngót của bê tông;

- Co ngắn đàn hồi của bê tông;

- Sự chùng ứng suất của thanh FRP

Tổn thất ứng suất do đệm neo là một đặc trưng của hệ thanh ứng suất trước.Các tổn thất do rão, co ngót và co ngắn đàn hồi có thể tính toán dựa trên các phươngpháp sử dụng cho bê tông cốt thép dự ứng lực trước Tuy nhiên, cần phải sử dụngmôđun đàn hồi của cốt FRP thay cho môđun đàn hồi của cốt thép trong trường hợpnày Các tổn thất của thanh FRP từ 3 nguồn này thường nhỏ hơn các tổn hao ứng suấttương ứng đối với cốt thép do môđun đàn hồi của cốt FRP nhỏ hơn của cốt thép Cáctổn hao ứng suất do sự chùng ứng suất tương đối phức tạp và chưa được tìm hiểu hết

do còn quá ít các nghiên cứu thực nghiệm về tổn hao ứng suất của thanh FRP do sựchùng ứng suất Các đặc trưng chùng ứng suất thay đổi tùy thuộc vào các loại sợi(Bảng 2.1) và được thiết kế nhỏ hơn 12% so với giá trị ứng suất thiết kế ban đầu trongsuốt thời gian sử dụng kết cấu

2.2.2 Các tổn hao do sự chùng ứng suất và ma sát

Tổn thất do sự chùng ứng suất (REL) trong thanh FRP là kết quả từ ba nguồn:

Sự chùng của polymer Rp; sự nắn thẳng của các sợi Rs và chùng của sợi Rf Tổng cáctổn thất ứng suất do sự chùng ứng suất, REL = R p + R s + R f thể hiện dưới một tỷ lệphần trăm của ứng suất tại thời điểm truyền lực căng, có thể được ước tính bằng cách đánh giá ba yếu tố này riêng biệt [5], [7], [8], [11]:

Bảng 2.1 Bảng các tính chất của thanh AFRP, CFRP, GFRP và

Môđun E phương ngang

Độ bền khi chịu cắt Môđun

AramidEpoxy0,651,281,25-1,43065-705,54,92,20,34-0,60,0210-132,0-3,7-335158-2.106

60.106

12 at103h

CarbonEpoxy0,651,532,2557142-1505,7717,20,270,024-201,3-1,50,61440228-0,9.106

-27.106

2-3

GlassEpoxy0,552,11,0839398,6893,80,280,06-2,80,56201287.106

21.106

7,851,861860210210-72,10,30,36,6-7,1441860186011,7.106

-11,7.106

8

Khi thanh có ứng suất ban đầu, một phần của tải trọng được truyền trong nhựakết dính Theo thời gian, các chất kết dính sẽ bị chùng và mất khả năng chịu lực Sựchùng ứng suất của chất kết dính ban đầu này xảy ra trong vòng 24 đến 96 giờ đầu tiên

và có thể được tăng tốc do bảo dưỡng bằng nhiệt cho dầm bê tông dự ứng lực [5], [8]

Sự chùng ứng suất này này bị ảnh hưởng bởi hai đặc tính của thanh: Tỉ lệ môđun đàn

hồi của nhựa so với môđun đàn hồi của sợi n r, và phần thể tích của sợi trong thanh

v f Tỷ lệ môđun n r được định nghĩa là tỉ số của môđun đàn hồi của nhựa, E r đến các

môđun của các sợi, E f Sự tổn thất do chùng là sản phẩm của phần thể tích nhựa,

v r = 1 − v f và tỷ lệ môđun của nhựa n r

R p = n r × v r

Với các loại nhựa được sử dụng trong các công tác tạo hình, tỷ lệ môđun làkhoảng 1,5% cho Carbon và 3% cho Aramid Các phần thể tích của nhựa thường là 35đến 40% của mặt cắt ngang thanh Do đó, tổng chùng trong giai đoạn đầu nằm trongkhoảng 0,6-1,2% của ứng suất chuyển Tổn thất do chùng ứng suất có thể được bù đắpbằng kéo căng thêm, sao cho tổng giới hạn ứng suất không vượt quá giá trị ứng suấtđược đưa ra trong Bảng 2.2 Kéo căng cốt và cho phép chùng để giảm ứng suất đến cácgiá trị được đưa ra trong Bảng 2.2 là không được phép, bởi vì sự tổn hao sẽ không xảy

ra trong các sợi và các sợi sẽ bị biến dạng quá lớn vĩnh viễn

Bảng 2.2 Ứng suất cho phép thanh khi kích

Sự chùng của sợi phụ thuộc vào các loại sợi Sợi Carbon không có chùng; do

đó, Rf Carbon có thể được giả định là không Vật liệu Aramid biến dạng từ biến khichịu tải trọng và trạng thái từ biến này được phản ánh trong trạng thái chùng

Các tổn hao ứng suất truyền thống như như ma sát, co ngắn đàn hồi ban đầu vàbiến dạng từ biến bê tông và co ngót, có thể được tính tương tự như đối với cốt thép

Ma sát và hệ số ma sát nên được lấy từ các nhà sản xuất của hệ thống dự ứng lực được

sử dụng

2.3 TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE ỨNG SUẤT TRƯỚC

2.3.1 Tổng quan về phương pháp thiết kế

Phương pháp thiết kế tổng thể cho thanh dự ứng lực FRP là sử dụng cácphương trình cân bằng đối với cấu kiện chịu uốn để xác định kích thước của cốt nhằm

FRP

đáp ứng các yêu cầu về cường độ của tiết diện [4], [6], [10], [11] Ứng suất trước banđầu được chọn khoảng từ 40 đến 50% cường độ chịu kéo cực hạn của thanh và ứngsuất sử dụng của cốt cần phải được kiểm tra Nếu tiết diện đủ khả năng chịu lực, việctính toán chịu uốn coi như đã hoàn thành Nếu nó không đủ khả năng chịu lực, số hoặckích thước tiết diện của thanh cốt cần phải tăng lên hoặc tăng kích thước tiết diện, sau

đó cần phải kiểm tra lại khả năng chịu lực Cốt FRP không dự ứng lực trước có thểđược sử dụng để tăng khả năng chịu lực của tiết diện

Một dầm bê tông dự ứng lực với thanh thép thường cường độ cao sẽ biến dạngđàn hồi cho đến khi nứt và sau đó là độ võng sẽ dần dần tăng lên do cốt thép bị chảydẻo cho đến khi phá hoại xảy do bê tông bị vỡ vụng hoặc cốt thép ứng lực bị đứt.Trong khi đó, một dầm dự ứng lực với thanh FRP sẽ làm biến dạng đàn hồi cho đếnkhi nứt, sau đó tiếp tục biến dạng một cách tuyến tính với tải trọng cho đến khi thanhFRP bị phá hoại hoặc cường độ chịu nén bê tông vượt qua biến dạng nén cực hạn vàphá hoại, hai trạng thái làm việc này được so sánh trên Hình 2.2 Môđun đàn hồi củaFRP tương đối thấp (Bảng 2.1) được phản ánh bằng việc ứng xử của kết cấu thấp hơnsau khi nứt

2.3.2 Phương pháp tính theo tiêu chuẩn ACI 440.4R-04 [7]

a Phương pháp luận tính toán cường độ

Cách tiếp cận để tính cường độ của dầm dự ứng lực thanh FRP được dựa trênkhái niệm về tỉ lệ cân bằng, tỉ lệ này được định nghĩa như tỉ lệ cốt thép tương ứng gây

ra sự phá hoại đồng thời bê tông và cốt Bê tông phá hoại tại giá trị biến dạng nén cựchạn ε

cu

= 0,003 Khối ứng suất hình chữ nhật được sử dụng để mô hình cụ thể ứng xử

Môm

Hình 2.3 Sơ đồ cân bằng ứng suất

Nếu tổng biến dạng cực hạn khi phá hoại của cốt ký hiệu là ε pu , khi đó giá trịcủa biến dạng uốn ε f chính là tổng biến dạng trừ đi cho các giá trị biến dạng: Biếndạng dự ứng lực trước, giá trị biến dạng nén bê tông ε d và biến dạng do bất kỳ tổnhao dưới tác dụng của tải trọng dài hạn

Từ phương trình cân bằng trên mặt cắt ngang ta có, lực căng trong cốt bằng lực nén trong bê tông, khi đó:

0,85 f 'β cb =

Với β1 = 0,85 là hệ số lấy bê tông có cường độ nén đến 27,5 MPa (4000 psi),sau đó nó được giảm 0,05 cho mỗi 6,9 MPa (1000 psi) của cường độ bê tông khi vượt quá 27,5 MPa (4000 psi) đến một giá trị tối thiểu là 0,65.

thường Thứ hai, giá trị biến dạng nén bê tông εd xét về độ lớn sẽ nhỏ hơn biến dạnguốn, do đó lấy bằng không Cho hai giá trị này bằng không khi đó nhận được phươngtrình đơn giản để xác định giá trị ρb

là giá trị biến dạng uốn cực đại trong cốt Thanh

FRP có giới hạn biến dạng khác nhau từ 1,3 đến 3,8% (Bảng 2.1) Giả sử 40 đến 50%của tổng biến dạng còn lại sau khi dự ứng lực, khi đó giá trị biến dạng mà thanh FRP

có thể đạt đến khi chịu uốn đến lúc phá hoại khoảng 0,006 đến 0,019 Lượng biến dạng

dự trữ này sẽ cho phép dầm võng đáng kể, và điều này sẽ cho cảnh báo rõ rệt các điềukiện vượt tải và các vết nứt trong bê tông xuất hiện tại giá trị biến dạng kéo 0,002

Giá trị biến dạng hiệu quả ε pe trên thực tế đã biết trước vì giá trị này được chọntrong quá trình thiết kế, còn giá trị ứng suất và biến dạng cực hạn của cốt được lấy từgiá trị của nhà máy cung cấp Người thiết kế cần phải biết cơ sở để lựa chọn các giá trịcực hạn này, bởi vì một số nhà sản xuất chỉ cung cấp giá trị trung bình của ứng suất vàbiến dạng cực hạn, trong khi đó những nhà sản xuất khác, tiêu biểu là các nhà sản xuấtNhật Bản lại cung cấp giá trị cường độ bằng giá trị trung bình trừ đi ba giá trị độ lệchchuẩn Tóm lại, ngành công nghiệp sản xuất FRP sẽ thiết lập một tiêu chuẩn để đưa racác hệ số giảm cường độ cho thanh cốt FRP

f

f

c Tính toán cấu kiện chịu uốn và dự đoán khả năng chịu lực

* Cốt dính bám:

Ứng xử uốn của một dầm có thể mô tả theo tiết diện tới hạn Tiết diện tới hạn ởđây được hiểu là tiết diện được kiểm soát phá hoại theo vùng nén hoặc vùng kéo Tiếtdiện với vùng kéo được kiểm soát (Tiết diện phá hoại giòn) là tiết diện với hàm lượngcốt thép ρ >

ρb

và bê tông sẽ bị phá hoại trong khi cốt thép chưa đạt đến trạng thái giới

hạn về cường độ và biến dạng Khi hàm lượng cốt thép ρnhỏ hơn giá trị ρb tiết diện

có vùng kéo được kiểm soát, trong trường hợp này tiết diện sẽ bị phá hoại đầu tiên từ cốtchịu kéo sau đó là vùng bê tông chịu nén bị vỡ vụng

* Tiết diện có vùng kéo được kiểm soát (Tiết diện phá hoại dẻo):

Khi hàm lượng cốt thép ρ< ρb , cường độ của dầm được điều chỉnh bởi độ bềnchịu kéo của thanh và tiết diện được miêu tả là vùng kéo được kiểm soát Trong trườnghợp này, biến dạng bê tông sẽ không đạt đến giá trị 0,003 vào thời điểm dầm bị pháhoại; chính xác hơn, việc sử dụng các khối hình ứng suất chữ nhật như giả thiết để tínhtoán sẽ không có giá trị Với tiết diện có 0,5ρb < ρ < ρb Tuy nhiên, phân bố ứng suấttrong bê tông thực chất là không tuyến tính tại thời điểm phá hoại và do đó có thể giả thiết rằng ứng suất phân bố theo hình chữ nhật Hơn nữa, các nghiên cứu về khả năngcủa dầm cốt thép đặt ít cốt (ρ< 0,5ρb ) , trong đó ứng suất trong bê tông phân bố gầnnhư là tuyến tính, việc giả thiết ứng suất phân bố theo hình chữ nhật để tính toán sẽcho kết quả với độ lệch 3% so với việc phân tích đàn hồi tiết diện có khe nứt [8] Vìvậy, khả năng chịu lực danh định của tiết diện có vùng kéo được kiểm soát (tiết diệnphá hoại dẻo) đặt cốt đơn với 1 lớp cốt được xác định dựa trên phương pháp tính toánvới sự phân bố trong bê tông vùng chịu nén dạng hình chữ nhật

Tiến hành viết phương trình cân bằng mômen đối với trục đi qua trọng tâmvùng chịu nén (Hình 2.3) ta nhận được phương trình xác định khả năng chịu lực danhnghĩa của tiết diện:

* Tiết diện với vùng nén được kiểm soát:

Trong một dầm với ρ≥ ρb , bê tông trong vùng nén sẽ bị phá hoại trước khithanh cốt bị phá hoại Ứng suất và biến dạng phân bố tương tự như được thể hiện trênHình 2.3 Tuy nhiên, giá trị biến dạng của thanh cốt trong trường hợp này là một ẩn số.Điều kiện này được phân tích bằng cách đặt trục trung hòa, giả sử thanh cốt biến dạnđàn hồi và ứng suất trong bê tông phân bố dạng khối hình chữ nhật Điều này đượcthực hiện bằng cách xác định biến dạng trong thanh, viết phương trình cân bằng trênmặt cắt ngang, giải phương trình này để tìm vị trí trục trung hòa và cuối cùng viếtphương trình cân bằng mômen với trục đi qua trọng tâm cốt chịu kéo và vuông góc vớimặt phẳng uốn

Với giá trị hàm lượng cốt thép như vậy, trong bê tông sẽ phát triển biến dạngdẻo, khi đó mối quan hệ ứng suất - biến dạng của trong bê tông là không tuyến tính Vìvậy, trong trường hợp này để tính toán ta sử dụng khối phân bố ứng suất trong vùng bê

tông chịu nén có dạng hình tam giác là hợp lý Chiều cao của trục trung hòa, c, có thể

được xác định từ phương trình cân bằng lực dọc trên mặt cắt ngang

Tính toán được phát triển từ phương pháp cho mặt cắt chữ T với giả thiết rằngtrục trung hòa đi qua cánh Biến dạng do giảm nén của bê tông là nhỏ và được bỏqua Biến dạng co ngắn đàn hồi và không đàn hồi của các phần tử được bỏ qua vì cácbiến dạng này được phục hồi lại khi dầm bị võng tối đa.

Tất cả các thanh được giả thiết là được căng tại một mức giống nhau f pe , do đógiá trị ứng suất tăng tại thời điểm phá hoại trong cốt dưới cùng có thể xác định

f m = f pu − f pe Phá hoại của thanh cốt dưới cùng do đứt sẽ dẫn đến phá hoại của cácthanh cốt khác Ứng suất trong mỗi thanh có thể được xác định từ biến dạng của nó,