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

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

1. Tính cấp thiết của đề tài

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 ƯST có nhiều tính năng tốt nhưng một bất lợi lớn là tính dễ bị ăn mòn của cốt thép. Quá trình ăn mòn có thể phát triển rất nhanh dưới tác động của môi trường dẫn đến loại bỏ lớp bê tông bảo vệ cốt thép bao bọc bên ngoài làm lộ ra cốt thép (đặc biệt là các công trình ở khu vực ven biển Miền Tây như tỉnh Trà Vinh chịu ảnh hưởng rất lớn của hơi nước mặn).

Chất dẻo cốt sợi FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một loại vật liệu Composite 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.

Sợi Thủy tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu Composite. Ưu điểm của sợi Thủy tinh 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 triển trong các ngành công nghiệp xây dựng vì hoàn toàn có thể thay thế cho cốt thép trong kết 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 truyền thống, 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.

Những năm gần đây việc sử dụng vật liệu cốt thanh Composite sợi Thủy tinh đã thay thế dần các bản thép. Các tấm vật liệu tổng họp này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại cường độ cao.

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

Nghiên cứu các đặc trưng cơ học của thanh Composite ứng suất trước và hệ thống neo.

Tổng hợp các cơ sở lý thuyết, kết quả nghiên cứu thực nghiệm sử dụng cốt thanh Composite ƯST 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 cốt thanh Composite sợi Thủy tinh để thay thế bó cáp trong bê tông cốt thép ứng suất trước thông thường.

– Phạm vi nghiên cứu: Các cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán lý thuyết dầm bê tông cốt thanh Composite sợi Thủy tinh UST.

4. Phương pháp nghiên cứu

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

– Tính toán tăng cường thông qua lý thuyết tính toán.

– Phương pháp nghiên cứu tài liệu.

5. Bố cục đề tài

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 VL Fiber Reinforced Polymer (FRP)

FRP được bắt đầu phát triển vào giữa thế kỷ 20 và được ứng dụng rộng rãi từ năm 1970. So với các vật liệu bê tông và cốt thép, vật liệu FRP có nhiều ưu điểm hơn 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 FRP là: Sợi Thủy tinh, sợi Carbon và sợi Aramid.

– Sợi Carbon (Carbon graphite) là một vật liệu bao gồm các sợi cực mỏng khoảng 0,005- 0,010mm đường kính và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử Carbon được liên kết với nhau theo phương song song với trục dài của sợi. Sợi Carbon chịu lực được cấu tạo bởi rất nhiều sợi Carbon được xoắn với nhau. 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.

– Sợi Thủy tinh được cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính từ 2 – 10 micromet. Sợi Thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độ cách điện cao. Sợi Thủy tinh có tính chất cơ học gần tương đương với các loại sợi khác như Polymer và sợi Carbon. Sợi Thủy tinh được ứng dụng phổ biến để tăng cường các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc.

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

1.1.2. Các dạng vật liệu Composite

– Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, 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.

– Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thường được sử dụng nhất là của các hãng sản xuất: 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. Sử dụng cốt sợi FRP để thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả.

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

Khả năng sử dụng vật liệu Composite có thể rất đa dạng:

– 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;

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

– Làm ván khuôn để lại, khi đúc tại chỗ những cấu kiện bê tông cốt thép đổ tại chỗ, lắp ghép hoặc bán lắp ghép;

– Để gia cường, sửa chữa những công trình đã hư hỏng hoặc nứt, xuống cấp bằng gỗ, thép, gạch, đá và bê tông cốt thép;

– Làm nguyên vật liệu cho kết cấu xây dựng mới hoàn toàn bằng chất liệu Composite (chất dẻo cốt sợi FRP);…

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 tải trọng. Chất dẻo làm nền có nhiệm vụ truyền tải trọng vào các sợi, giữ vị trí và hướng cần thiết cho các sợi, đồng thời để bảo vệ các sợi khỏi bị xâm thực về mặt hoá học cũng như cơ học.

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.

a. Cốt sợi

Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

– Mô đun đàn hồi cao;

– Cường độ tới hạn cao;

– Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau không lớn;

– Cường độ ổn định cao trong vận chuyển;

– Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất.

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường được sử dụng là sợi Carbon, sợi Thủy tinh và sợi Aramid.

♦ Sợi Carbon

Có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi Thủy tinh và sợi Aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi Thủy tinh. Sợi Carbon nhẹ hơn và cường độ cao hơn khi so sánh với các sợi Thủy tinh và Aramid. Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt là mỏi và từ biến, hệ số giãn nở nhiệt thấp.

♦ Sợi 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 thủy tinh. 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 tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh. Sợi Thủy tinh có môđun 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, AR- glass.

♦ Sợi Aramid

Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi Thủy tinh. Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt. Sợi Aramid có môđun đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ.

b. Chất dẻo nền

Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính.

c. Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP

– 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.

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 và các cấu kiện.

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

Phân tích quan hệ giữa cường độ – nhiệt độ của cốt thủy tinh. Khi giảm nhiệt độ cường độ của mẫu thuộc sêri thứ nhất tăng lên và ở nhiệt độ -400C cường độ tăng lên 35-40%. Trong đoạn nhiệt độ âm quan sát thấy hiện tượng bền hóa của 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. Cường độ của cốt được giữ trước với nhiệt độ từ -40 đến + 3500C 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 giảm đáng kể.

1.3. KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA THANH FRP

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

– Khi thiết kế kết cấu từ bê tông xi măng với cốt sợi FRP dự định khai thác trong môi trường 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 BT xi măng với cốt sợi FRP trong môi trường không khí với độ ẩm nhỏ hơn 70% cần phải kể đến sự giảm cường độ cốt 10% cho cả giai đoạn thời gian khai thác.

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

1.4.1. Neo kẹp (Clamp)

1.4.2. Neo dạng nêm và côn

1.4.4. Neo cốc dạng viền (Contoured sleeve)

1.4.6. Neo chêm chia (Split-wedge)

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 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 ống neo (lực ngang nhỏ) – Lực kẹp có thể được tăng lên bằng cách tăng ma sát tại bề mặt tiếp xúc.

2. Ống neo và thanh cốt trượt đồng thời so với nêm. Điều này cho thấy một lực cắt lớn giữa thanh và ống neo cùng với một lực cắt nhỏ hơn giữa ống neo và nêm. 

3. Nêm trượt so với ống neo. Điều này hiếm khi xảy ra, chủ yếu là do việc thiết kế và cấu tạo 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 trong thanh bên trong neo và gây tổn hại của các sợi. 

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH COMPOSITE UST

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 quả trong kết cấu bê tông dự ứng lực trước. Loại cốt này không thể hàn được, nếu dùng keo để liên kết hai thanh với nhau sẽ rất khó khăn. Ngoài ra, loại cốt này không thể uốn cong nhiều và có môđun đàn hồi rất thấp. Những đặc điểm kể trên của cốt FRP đã loại bỏ hoàn toàn khả năng chế tạo khung thép. Vì vậy, việc đặt cốt FRP được tiến hành bằng cách kéo ứng lực các thanh theo quỹ đạo thẳng. Các cốt đai và cốt ngang trong các cấu kiện này không tồn tại.

2.1.2. Các loại BT đặc biệt dùng cho kết cấu cốt thanh FRP

– Đối với các điều kiện khô và ăn mòn khí trong môi trường khô ráo sử dụng bê tông thường từ xi măng poóc lăng;

– Khi khai thác trong điều kiện ăn mòn axít sử dụng Polymer bê tông và Polymer – silicat.

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 và thiết bị căng thép giống như đối với kết cấu bê tông cốt thép.

Để căng cốt FRP không thể sử dụng các thiết bị kẹp dành cho cốt thép bởi vì cường độ của thanh cốt FRP khi nén trong thiết bị kẹp ngang được xác định bằng các đặc 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 cấu kẹp đặc biệt để kéo cốt FRP.

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.

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

– Sự chùng ứng suất của Polymer Rp.

– Sự nắn thẳng của sợi Rs.

– Sự chùng của sợi Rf.

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 các phương trình cân bằng đối với cấu kiện chịu uốn để xác định kích thước của cốt nhằm đáp ứng các yêu cầu về cường độ của tiết diện. Ứng suất trước ban đầu được chọn khoảng từ ​​40 đến 50% cường độ chịu kéo cực hạn của thanh và ứng suất sử dụng của cốt cần phải được kiểm tra. Nếu tiết diện đủ khả năng chịu lực, việc tính toán chịu uốn coi như đã hoàn thành. Nếu nó không đủ khả năng chịu lực, số hoặc kích 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.

Một dầm bê tông dự ứng lực với thanh thép thường cường độ cao sẽ biến dạng đàn hồi cho đến khi nứt và sau đó là độ võng sẽ dần dần tăng lên do cốt thép bị chảy dẻo cho đến khi phá hoại xảy do bêtông 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 đến khi nứt, sau đó tiếp tục biến dạng một cách tuyến tính với tải trọng cho đến khi thanh FRP bị phá hoại hoặc cường độ chịu nén bê tông vượt qua biến dạng nén cực hạn và phá hoại, hai trạng thái làm việc này được so sánh trên. Môđun đàn hồi của FRP tương đối thấp được phản ánh bằng việc ứng xử của kết cấu thấp hơn sau khi nứt.

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

a. Phương pháp luận tính toán cường độ

b. Tỉ lệ cân bằng

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

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

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

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

g. Ứng suất uốn làm việc

h. Lực căng cốt kiểm soát

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

l. Sự hiệu chỉnh ứng suất cho thanh gấp khúc

m. Độ dẻo hoặc tính biến dạng

n. Hàm lượng cốt tối thiểu

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

2.4.1. Những lưu ý chung trong TK cốt đai từ thanh FRP

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

a. Độ bền cắt với đai FRP

b. Giới hạn khoảng cách giữa các cốt đai

c. Hàm lượng tối thiểu của cốt đai FRP

d. Chi tiết về cốt đai

CHƯƠNG 3

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

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

Thiết kế cấu kiện dầm đơn giản tiết diện chữ T được thiết kế gồm 6 thanh FRP ứng suất trước, chiều dài nhịp . Dầm được thiết kế để mang tải trọng bản thân và hoạt tải sử dụng. Cáp được kéo theo dầm và độ lệch tâm tại đầu dầm bằng không.

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

– Chiều rộng sườn dầm:

– Chiều rộng bản cánh:

– Chiều cao dầm:

– Chiều dày bản cánh:

– Chiều cao có hiệu:

– Độ lệch tâm:

e = yb – lớp bảo vệ

– Diện tích tiết diện:

3.1.2. Các đặc trưng của vật liệu

* Bê tông có cấp độ bền chịu nén B35 có:

– Cường độ chịu nén tính toán của bê tông:

– Môđun đàn hồi của bê tông:

* BT tại thời điểm căng cáp ƯLT đạt cấp độ bền về nén B35 có:

– Cường độ chịu nén của bê tông tại dự ứng lực ban đầu:

– Môđun đàn hồi của bê tông tại dự ứng lực ban đầu:

– Ứng suất nén bê tông trong cường độ chịu nén cực hạn của sợi:

– Ứng suất cho phép cực đại trong thớ chịu nén ngoài cùng của bê tông tại thời điểm truyền ứng suất trước (trước tổn hao):

Chọn cốt liệu FRP là sợi Thủy tinh E-glass.

– Ứng suất thanh FRP tại dự ứng lực ban đầu:

– Ứng suất thanh FRP:

– Số thanh ứng suất trước:

– Giới hạn bền chịu kéo của thanh FRP ứng suất trước và hệ thống neo:

– Đường kính thanh FRP:

– Bán kính thanh FRP:

– Bán kính uốn cong của thanh FRP:

– Biến dạng cực hạn của bêtông:

– Ứng suất kích cho phép (sợi Thủy tinh):

– Phần trăm của giới hạn bền:

3.1.3. Kích thước và tải trọng tác dụng lên dầm

– Chiều dài dầm:

– Khoảng cách từ lực tập trung P đến gối tựa:

– Hoạt tải tập trung:

– Mômen lớn nhất do tải trọng tập trung gây ra là:

;

3.1.4. Tính toán tổn hao ứng suất

– Tổng tổn hao ứng suất:

– Ứng suất trước cuối cùng:

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

– Tại thớ trên của tiết diện:

– Tại thớ dưới của tiết diện:

Cả hai đều thỏa ứng suất giới hạn của bê tông.

3.1.6. Xác định khả năng chịu lực

Kiểm tra điều kiện bền chịu uốn.

;

Vậy: φM_n > M_u dầm đảm bảo điều kiện bền chịu uốn.

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

Thiết kế cấu kiện dầm đơn giản tiết diện chữ T được thiết kế gồm 6 thanh cáp T15 ứng suất trước, chiều dài nhịp . Dầm được thiết kế để mang tải trọng bản thân và hoạt tải sử dụng. Cáp được kéo theo dầm và độ lệch tâm tại đầu dầm bằng không.

3.2.1. Chọn vật liệu

– Môđun đàn hồi:

Bê tông tại thời điểm căng cáp ứng lực trước đạt cấp độ bền về nén B35 có:

– Môđun đàn hồi:

Môđun đàn hồi:

Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn:

Cường độ chịu kéo tính toán với hệ số độ tin cậy cho cốt thép sợi là .

3.2.2. Tải trọng và nội lực

a. Tải trọng:

b. Nội lực:

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

Số lượng cáp cần bố trí cần thiết tính theo khả năng không gây nứt của tiết diện:

Chọn 6 sợi cáp có:

Chọn cốt thép thường lấy theo tỉ lệ bằng(diện tích sườn bê tông):

Bố trí chọn có ; chọn có

Trong cánh đặt cốt thép thường tổng diện tích phần cánh

3.2.4. Xác định các đặc trưng hình học của TD quy đổi

Tính:

Tính:

3.2.5. Xác định tổn hao ứng suất

– Do ma sát của cốt thép với thành ống:

– Do biến dạng của khuôn thép khi chế tạo:

Tính:

Thấy:

– Do co ngót của bê tông

3.2.6. Xác định khả năng chịu lực

Ta có cốt thép không căng:

,

Cốt thép căng: gồm 6 cáp T15 đường kính một cáp

,,

Kiểm tra vị trí trục trung hòa:

Tính:

Tính

Thấy:

=> Trục trung hòa qua cánh tính như tiết diện chữ nhật.

Khả năng chịu lực được của TD xác định theo công thức:

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

Giả sử dầm bê tông cốt thanh Composite ứng suất trước và dầm bê tông cốt thép ứng suất trước có kích thước tiết diện, chiều dài dầm công nghệ thi công giống nhau và thanh dự ứng lực có diện tích tiết diện như nhau.

Bố trí cốt thép trên mặt cắt ngang

1. Hai dầm có cùng kích thước tiết diện, cùng chiều dài 12m

2. Tổng khối lượng bê tông của dầm:

3. Tổng khối lượng các cốt thép cấu tạo:

– Thép có tổng KL là:

– Thép có tổng KL là:

– Thép có tổng KL là:

– Thép có tổng KL là:

Vậy tổng khối lượng thép cấu tạo là:

4. Khi diện tích TD thanh thép và thanh Composite dự ứng lực bằng nhau và bằng: thì:

5. Khả năng chịu lực của dầm BT cốt thép ứng lực trước là:

6. Khả năng chịu lực của dầm BT cốt thanh Composite ứng lực trước là:

Bảng tính giá thành dầm bê tông cốt thanh Composite

ứng suất trước và dầm bê tông cốt thép ứng suất trước

* Tính giá thành trên một đơn vị chịu lực (VNĐ/kN.m)

– Đối với thanh Composite sợi Thủy tinh E-glass:

– Đối với thanh cáp ASTM A416-98:

Do đó, giá thành trên một đơn vị chịu lực thanh cáp ASTM A416-98 cao hơn thanh Composite sợi Thủy tinh E-glass:

3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Ví dụ tính toán bằng số là minh chứng cho lý thuyết tính toán thiết kế. Chúng ta hoàn toàn có thể áp dụng một loại vật liệu mới 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,…

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. KẾT LUẬN

Trong các ngành xây dựng cơ bản, chất dẻo cốt sợi Composite FRP chưa được sử dụng rộng rãi, hiện nay cũng xuất hiện các vật liệu chất dẻo cốt sợi FRP dưới dạng thương phẩm nhưng giá thành các VL này còn cao, chưa có công trình thử nghiệm và áp dụng thực tế, còn thiếu sự hiểu biết sâu sắc về tính năng của vật liệu, đặc biệt là tính chất dài hạn. Vì thế, chưa có các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu cụ thể, chưa có các chỉ dẫn thiết kế, trong đó cần xét tới nhiều tính chất khác nhau của vật liệu, bao gồm cường độ, độ cứng, tính dẻo dai,…

Do vậy, phải đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng vật liệu Composite FRP rộng rãi trong xây dựng ở Việt Nam hiện nay.

Ngoài việc đã áp dụng các tấm mỏng Composite FRP để tăng cường gia cố những dầm bê tông cốt thép bị suy yếu, chế tạo các cấu kiện panen, ống dẫn Composite FRP,… còn có thể sử dụng Composite FRP trong các trường hợp sau:

– Thay cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép;

– Thay cáp thép trong kết cấu bê tông ứng lực trước.

Các tiêu chuẩn sau đây nói chung có thể áp dụng để thiết kế khi sử dụng loại vật liệu Composite FRP:

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

– Để tránh phá hủy dòn cần tính với hệ số an toàn cao. Đối với cấu kiện bê tông có cốt sợi, dạng phá hủy cũng tương tự như bị tông, bị nén hơn là giống sự phá hủy của cốt sợi. Mọi vật liệu Composite FRP có đặc điểm chịu mỏi rất tốt thường vượt cả thép. Các sợi FRP một chiều tỏ ra có sức bền chịu mỏi tốt hơn. Sợi thủy tinh và Arimid có sức bền chịu mỏi thấp hơn khi có độ ẩm. Đặc tính về mỏi của các sản phẩm (kể cả vật liệu FRP và neo) phải do nhà sản xuất cung cấp.

– Một số yếu tố về sức bền vật liệu có thể khác biệt so với sức bền của các loại vật liệu xây dựng truyền thống, chẳng hạn như các tính chất từ biến, sự phá hủy về ứng suất, độ bền vững và các biến đổi thống kê.

– Các vật liệu Composite FRP không bị han gỉ, đó là một tính chất thuận lợi cho công trình. Cốt sợi Thủy tinh có thể bị hư hỏng khi có chất alkali hoặc trong môi trường ẩm. Cốt sợi Thủy tinh chỉ nên dùng làm cốt liệu bê tông nếu tính chất bền vững của sản phẩm được khẳng định. Cốt sợi Thủy tinh không nên dùng cho kết cấu cáp ứng suất trước căng trước hoặc căng sau có phun vữa gốc xi măng.

Nhiều sản phẩm Composite FRP hiện nay rất phù hợp để làm cốt và cáp ứng lực trước cho kết cấu bê tông cũng như ưu điểm chính là: Cường độ chịu kéo rất cao, bền và không han gỉ. Sức chịu mỏi tốt hơn thép, nhẹ, dễ vận chuyển, lắp đặt, thi công ở công trường. Giảm chi phí bảo trì trong suốt thời gian khai thác sử dụng.

2. KIẾN NGHỊ

Tuy nhiên, cũng có một số vấn đề cần nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm, chẳng hạn đi sâu vào nghiên cứu các vấn đề sau:

– Tiến hành thí nghiệm cụ thể đối với dầm bê tông cốt thanh composite ứng suất trước L = 12m nêu ở chương 3;

– Nghiên cứu cấu tạo các loại đầu neo đặc biệt cho hệ kết cấu ứng lực trước;

– Nghiên cứu các đặc tính cụ thể, chẳng hạn tính chất bám dính, tính chịu cắt, chịu xoắn, tính chất từ biến, tính chất chịu lửa, chịu va đập.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\NHOM THAY HOA TRA VINH\Lan van Nguyen Hoang Hai – K31 ngày 16.9.17