Nghiên cứu áp dụng bê tông cốt vật liệu composíte thay thế cho cốt thép

Nghiên cứu áp dụng bê tông cốt vật liệu composíte thay thế cho cốt thép

1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, khí hậu phân bố thành 3 vùng: Miền Bắc có khí hậu cận nhiệt đới ẩm, miền Trung mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa, miền Nam nằm trong vùng nhiệt đới xavan. Độ ẩm trung bình hành năm 84-100%. Tùy theo vùng miền, địa hình mà độ chênh nhiệt trong ngày cũng như trong tháng tương đối cao, đặc biệt với địa hình giáp biển, nên mùa mưa thường hút không khí ẩm từ biển vào gây mưa nhiều. Với điều kiện khí hậu như trên gây nhiều bất lợi cho công trình xây dựng nói chung và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng. Sự xâm thực của môi trường gây các hiện tượng phá hoại như: gỉ sét kết cấu thép chịu lực, bong tróc lớp bê tông bảo vệ, hiện tượng ăn mòn làn giảm sức chịu tải của cấu kiện…từ đó làm giảm tuổi thọ của công trình.

Với sự phát triển của khoa học- kỹ thuật, nhiều vật liệu mới ra đời thay thế một phần hoặc hoàn toàn cốt thép chịu lực trong các cấu kiện bê tông, từ đó làm giảm khả năng chịu tác động trực tiếp của môi trường. Trong đó vật liệu composite FRP (Fiber Reinforced Polymer) một loại vật liệu xây dựng mới có nhiều tính năng phù hợp với khí hậu Việt Nam, được ứng dụng: dùng làm lưới hoặc khung thay cốt thép trong kết cấu bêtông cốt thép (BTCT); làm các tao cáp trong kết cấu bêtông dự ứng lực; làm dây văng cho cầu treo, dây co cho cột tháp; làm ván khuôn, dầm, cột, sàn bêtông; sửa chữa, gia cường các loại công trình đã bị xuống cấp bằng gỗ, gạch đá, kim loại, bêtông cốt thép thường và bêtông cốt thép dự ứng lực.

Vật liệu composite FRP là một loại vật liệu xây dựng mới, có nhiều ưu điểm như: thân thiện với môi trường, không han rỉ, cường độ rất cao, trọng lượng nhẹ, trung tính với hiện tượng điện từ, dễ thi công và bảo quản ít tốn kém; có thể bố trí thay thế cốt thép trong cấu kiện bêtông cốt thép. Việc sử dụng cốt Composite sẽ làm tăng tuổi thọ của kết cấu so với việc sử dụng thép, đặc biệt là khi kết cấu tiếp xúc với môi trường ngập mặn, môi trường phèn, các loại dung dịch hóa chất khác, tránh được hiện tượng han rỉ như của thép trong môi trường không khí.

Nhằm tìm hiểu vật liệu composite FRP thay thế như thế nào, thay thế bao nhiêu cốt thép thông thường trong kết cấu bê tông đã thôi thúc tác giả làm đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu áp dụng bê tông cốt vật liệu composíte thay thế cho cốt thép”.

1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu những đặc tính cơ lý nổi bật của vật liệu composite FRP so với vật liệu truyền thống (chủ yếu là thép); Tính toán cốt composite FRP thay thế cốt thép chịu lực trong bê tông.

1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

– Đối tượng nghiên cứu: Bê tông thông thường sử dụng cốt vật liệu composite FRP.

– Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính năng của vật liệu composite FRP. Đưa ra ví dụ tính toán thiết kế cấu kiện bê tông cốt composite FRP theo hướng dẫn của tiêu chuẩn ACI 440.1R-06.

1. Phương pháp nghiên cứu

– Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ thuật liên quan được công bố qua các tài liệu như sách, báo, nghiên cứu khoa học, tiêu chuẩn thiết kế…ở trong và ngoài nước.

– Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình dầm chữ nhật, các số liệu tính toán sử dụng của bê tông thông thường. Phân tích và lập quy trình tính toán cấu kiện bê tông cốt composite FRP.

1. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài nghiên cứu tính năng của vật liệu composite FRP, hiệu quả trong việc thay thế cốt thép chịu lực thông thường. Trong khi các nghiên cứu trong nước tập trung nhiều trong việc gia cường composite FRP lên các kết cấu bê tông không đảm bảo khả năng chịu lực, thì đề tài được phát triển theo hướng sử dụng cốt composite FRP thay thế cốt thép chịu lực thông thường. Qua đó đề tài đóng góp cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình tính toán và phương pháp tính toán bê tông cốt composite FRP. Chính vì vậy vấn đề nghiên cứu của luận văn có ý nghĩa thực tiễn và khoa học cao.

1. Bố cục của đề tài

Mở đầu

Chương 1: Vật liệu Fiber Reinforced Polymer (FRP).

Chương 2: Ứng dụng thanh composite FRP thay thế cốt thép trong bê tông.

Chương 3: Tính toán thiết kế cấu kiện bê tông cốt FRP.

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1:

VẬT LIỆU FIBER REINFORCED POLYMER (FRP)

• 1. SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU FRP VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

FRP hay còn gọi là chất dẻo cốt sợi được bắt đầu phát triển vào giữa thế kỷ 20 và được ứng dụng rộng rãi từ năm 1970. Có ba loại quan trọng của hệ thống FRP là: sợi Thủy tinh (GFRP), sợi Carbon (CFRP), và sợi Aramid (AFRP).

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

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

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

• 1. CẤU TRÚC VÀ CÁC DẠNG ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP
     1. Cấu trúc vật liệu FRP
        1. Cốt sợi
        2. Chất dẻo nền
     2. Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP
  2. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE FRP

Vật liệu composite được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh vực của cuộc sống:

– Vỏ động cơ tên lửa; Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ;

– Bình chịu áp lực cao;

– Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp (Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu);

– Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (hay còn gọi là ống nhựa cốt sợi thủy tinh); Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite; Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn;

– Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite;

– Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng;

– Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì;

– Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp; Vỏ tàu thuyền

– Vật liệu cải tạo nhà…

Trong lĩnh vực xây dựng, kết cấu bêtông cốt Composite với các dạng sau đây:

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

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

– Làm ván khuôn để lại, khi đúc tại chỗ những kết cấu BTCT đỗ tại chỗ, lắp ghép hoặc bán lắp ghép;

– Để gia cường, sữa chữa các công trình đã hư hỏng hoặc nứt, xuống cấp bằng gỗ, gạch, đá, thép và BTCT;

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

– Làm kết cấu liên hợp vật liệu giữa Composite và thép hoặc BTCT;

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

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

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

• 1. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Ngành sản xuất vật liệu composite FRP ra đời còn non trẻ, tuy nhiên với những tính năng ưu việt cũng như nguồn nguyên liệu phong phú, cùng với năng lực ứng dụng khoa học công nghệ mới ngày càng phát triển, vật liệu composite FRP đã dần thay thế một phần và hoàn toàn các loại vật liệu truyền thống, có mặt trong tất cả các lĩnh vực của đời sống. Có thể nói, vật liệu composite FRP có tiềm năng và ứng dụng vô cùng to lớn, là vật liệu của hiện tại và tương lai.

Vật liệu composite FRP du nhập vào Việt Nam vào những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, tập trung vào sản xuất các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa… Và không ngoài xu thế phát triển của thế giới, vật liệu composite FRP cũng đã, đang và sẽ thay thế nhiều vật liệu truyền thống tại nước ta, đặc biệt trong ngành xây dựng, khi mà ảnh hưởng của khí hậu ngày càng khắc nghiệt thì ứng dụng vật liệu composite FRP sẽ ngày càng tăng trong các công trình mang tính đặc thù, tiếp xúc trực tiếp với môi trường có tính chất phá hoại cao, các công trình quân sự, công trình phòng thủ bờ biển, công trình trên các hải đảo…

CHƯƠNG 2:

ỨNG DỤNG THANH COMPOSITE FRP THAY THẾ

CỐT THÉP TRONG BÊ TÔNG

• 1. SO SÁNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN GIỮA THANH COMPOSITE FRP VÀ THÉP
     1. Thanh composite FRP

Thanh Composite FRP cấu tạo từ vật liệu cốt tăng cường và vật liệu nền liên kết polymer. Trong đó vật liệu cốt tăng cường là loại sợi liên tục có độ bền cao (sợi thủy tinh, bazan hay sợi carbon) được gắn kết với nhau bởi vật liệu nền polime. Với biên dạng ngoài hình thoi tuần hoàn nhờ đó thanh Composite FRP (thanh cốt sợi thủy tinh) duy trì được chức năng kéo giữ cực tốt.

Ưu điểm của thanh Composite FRP:

– Kích thước, khối lượng nhỏ gọn, nhẹ;

– Có độ bền kéo cao;

– Giới hạn bền mỏi rất cao;

– Vận chuyển dễ dàng;

– Sử dụng đơn giản và nhanh chóng;

– Sản phẩm có dải môđuyn đàn hồi rộng;

– Có thể sơn phủ, trang trí bằng các vật liệu khác;

– Hoàn toàn không thấm nước;

– Bền trong môi trường kiềm;

– Không bị ăn mòn;

– Có khả năng dự ứng lực;

Nhược điểm của thanh Composite FRP:

– Không có chảy dẻo trước khi phá hủy đột ngột;

– Cường độ chịu lực theo phương ngang thấp;

– Mô đun đàn hồi thấp;

– Nhựa polyme và các sợi dễ bị hư hại khi bị phơi lộ trong bức xạ cực tím;

– Sợi thủy tinh kém bền trong môi trường ẩm ướt;

– Một số loại sợi thủy tinh và sợi aramid kém bền trong môi trường kiềm;

– Hệ số giãn nở nhiệt cao theo phương vuông góc với các sợi, so với bê tông;

– Có thể bị phá hoại do hỏa hoạn tùy theo chất nền kết dính và bề dày lớp bê tông bảo vệ.

• • • 1. Thanh thẳng
      2. Thanh uốn cong
    1. Nhận dạng thanh composite FRP

Do có nhiều loại thanh FRP khác nhau về cấp, cỡ, loại sợi, do đó cần có cách nhận dạng chúng dễ dàng. Các nhà sản xuất đánh dấu mã thanh theo các thông tin sau:

Tên nhà sản xuất – Loại sợi và đường kính – Cấp cường độ bé nhất – Cấp mô đun bé nhất

Ví dụ: XXX – G#4 – F100 – E6.0

Trong đó:

XXX: Thương hiệu hoặc tên nhà sản xuất

G#4: Thanh GFRP, No.4

F100: Cường độ bé nhất là 100 ksi

E6.0: Mô đun bé nhất 6000 ksi

• • 1. Thanh composite FRP modun đàn hồi cao
    2. So sánh vật liệu thép và vật liệu composite FRP

Bảng 2.2. So sánh khối lượng của cốt Composite FRP với cốt thép

Bảng 2.3. Khối lượng riêng điển hình của thanh FRP (g/cm3)

• 1. KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE FRP
     1. Trên thế giới

Thống kê sơ bộ có trên 30 quốc gia phát triển đã có nhiều nghiên cứu và sử dụng thanh Composite FRP. Riêng tại Mỹ có trên 3000 doanh nghiệp với 250.000 lao động đang làm việc trong ngành nghề liên quan. Đã có nhiều Hiệp hội về sản xuất ứng dụng các dạng sản phẩm của Composite FRP được ra đời, trong đó nổi tiếng nhất là ACMA (American Composites manufacturers association).

Ở Trung Quốc, thanh Composite FRP được nghiên cứu và ứng dụng cho các cây cầu cho người đi bộ từ 1982, qua hơn ba mươi năm nghiên cứu đến nay đã có sản lượng sử dụng thanh Composite FRP hàng năm tăng nhanh chóng, cùng với các dự án quan trọng (thống kê năm 2012, sản lượng 1,18 triệu tấn). Trung Quốc đã trở thành một cường quốc sản xuất sợi thuỷ tinh và thiết bị chế tạo, sản xuất thanh Composite FRP xuất khẩu đi nhiều nước trên Thế giới.

• • 1. Tại Việt Nam

Chúng ta ít biết về xu thế phát triển mạnh mẽ của thanh Composite FRP đang diễn ra khắp thế giới cho tới giữa năm 2012, tại Triển lãm Vietconstech, lần đầu người Việt Nam mới được tiếp cận với những đoạn thanh vật liệu mới lạ trông giống như thanh thép gai, nhưng nhẹ và có vẻ cứng hơn thép này. Đó là sản phẩm thanh Composite FRP do ARMASTEK – một công ty chuyên sản xuất thanh thanh Composite cốt sợi của Cộng hoà Liên bang Nga mang sản phẩm đến giới thiệu với thị trường Việt Nam.

Một số công ty đang sản xuất thanh composite tại Việt Nam như: Công ty cổ phần cốt sợi polyme ViệtNam (Vietnam Fiber Reinforced Polymer Products Joint Stock Company) viết tắt là FRP VIETNAM.,JSC; Nhà máy sản xuất thanh polyme cốt sợi do NUCETECH liên doanh với ARMASTEK.

• • 1. Một số tiêu chuẩn, quy chuẩn, hướng dẫn sử dụng thanh composite FRP trong bê tông
       1. Hệ tiêu chuẩn của ACI 440 (Americal Concrete Institute)
       2. Hệ tiêu chuẩn Nga
       3. Tiêu chuẩn Canada (Cannadian Codes)
       4. Tiêu chuẩn Việt Nam
  1. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Với những tính năng nổi trội so với cốt thép truyền thống, cùng với việc đáp ứng yêu cầu trong những môi trường khắc nghiệt như khu vực ngập mặn, phèn, có tính ăn mòn cao… thanh composite FRP đang được các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng sử dụng như một loại vật liệu xây dựng mới đầy tiềm năng.

Trong bối cảnh tài nguyên quặng chế tạo thép ngày càng cạn kiệt, các hiệp định về ô nhiễm môi trường từ ngành công nghiệp khai thác quặng, chế tạo thép ngày càng khắt khe, tỷ lệ lao động trong ngành sản xuất giảm dần, thì việc đầu tư, phát triển ngành sản xuất thanh composite FRP sẽ thay thế tạo sự phát triển bền vững trong trong các công trình xây dựng, giảm lệ thuộc vào tự nhiên và thân thiện với môi trường.

CHƯƠNG 3:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT FRP

• 1. TỔNG QUAN THIẾT KẾ CẤU KIỆN CỐT FRP
     1. Các quan điểm chung khi thiết kế

Tính toán thiết kế cấu kiện bêtông cốt FRP dựa vào hướng dẫn của tiêu chuẩn ACI 440.1R-06 tương ứng với tiêu chuẩn ACI 318-05 để chỉ ra khác nhau giữa việc thiết kế cấu kiện BTCT và cấu kiện bêtông cốt FRP, đồng thời đưa ra ví dụ để phân tích và so sánh từ đó có nhận thức đúng về sự ra đời của cấu kiện cốt FRP thay thế cấu kiện cốt thép trong kết cấu bêtông truyền thống.

Để tránh phá huỷ 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 bê tông bị nén hơn là giống sự phá hủy của cốt sợi.

Các khớp dẻo sẽ không xuất hiện, do đó không có sự phân bố lại mômen và cũng không áp dụng được phương pháp phân tích dẻo.

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 carbon FRP có sức bền tốt nhất với sức dẻo dai giới hạn đạt từ 60% đến 70% cường độ giới hạn. 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.

Trong thiết kế dầm Composite FRP, trạng thái giới hạn sử dụng đã xét tới các trạng thái liên quan đến độ bền của vật liệu FRP. Các hiện tượng nứt, tách lớp hoặc hư hỏng cục bộ do tác động va chạm hoặc chịu lực của FRP cần được nghiên cứu.

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 huỷ về ứng suất, độ bền vững …

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. Cổt sợi thủy tinh chỉ nên dùng làm cốt liệu bê tông nếu tính chất bền vững của sản phẩm được khẳng định.

Để phân tích tính toán kết cấu bêtông cốt FRP, ta có thể dùng nguyên tắc chung, tương tự cho kết cấu BTCT theo các trạng thái giới hạn.

• • 1. Các đặc trưng tính toán của cốt FRP

Các tính chất cơ học do nhà sản xuất cung cấp, tuy nhiên các tính chất ban đầu chưa xét đến tác động dài hạn của môi trường. Dưới sự ảnh hưởng của môi trường, cường độ kéo, từ biến và giới hạn mỏi của thanh FRP có thể giảm. Vì vậy các tính chất cơ học dùng trong các phương trình thiết kế phải được giảm tùy theo loại sợi và mức độ ảnh hưởng của môi trường.

• • • 1. Ảnh hưởng của môi trường đến cốt FRP

Công thức xác định cường độ kéo tính toán của cốt FRP có xét đến yếu tố ảnh hưởng của môi trường:

f_fu=f_fu^*.C_E (ACI 440.1R-06:7-1)

Trong đó:

f_fu – Cường độ kéo tính toán của FRP có xét đến ảnh hưởng của môi trường;

f_fu^* – Cường độ kéo đảm bảo của thanh FRP, xác định bằng giá trị trung bình của một nhóm các mẫu thử trừ đi ba lần độ lệch chuẩn (f_fu^*= f_u,ave –3σ);

C_E – Hệ số giảm cường độ kéo tính toán do tác động môi trường, giá trị như sau:

• • • 1. Hành lượng cốt FRP

Hàm lượng cốt FRP được xác định theo công thức:

ρ_f=A_f/(b.d) (ACI 440.1R-06:8-2)

Trong đó:

ρ_f – Hàm lượng cốt FRP;

A_f – Diện tích tiết diện FRP

b – Bề rộng tiết diện bê tông

d – Chiều cao làm việc của dầm

• • • 1. Hệ số giảm cường độ khi uốn

Hệ số giảm cường độ khi uốn được xác định:

+ φ = 0,55 khi ρ_f < ρ_fb;

+ φ = 0,35 + 0,25. ρ_f /ρ_fb khi ρ_fb < ρ_f <1,4.ρ_fb;

+ φ = 0,65 khi ρ_f > 1,4.ρ_fb;

Trong đó:

ρ_fb – Hàm lượng cốt FRP tạo nên điều kiện cân bằng của biến dạng tỷ đồi;

• • • 1. Cường độ kéo tại chỗ uốn cong của thanh FRP

Cường độ kéo tại chỗ uốn cong được xác định theo công thức:

f_fb = (0.05.+0.3).f_fu (ACI 440.1R-06:7-3)

Trong đó:

f_fb – Cường độ của cốt FRP khi uốn cong;

r_b – Bán kính uốn phía trong của cốt FRP khi uốn cong;

d_b – Đường kính của thanh cốt.

f_fu – Cường độ thiết kế của cấu kiện cốt FRP có xét đến ảnh hưởng của môi trường;

• • • 1. Biến dạng tỷ đối tính toán khi phá hủy của cốt FRP

Biến dạng tỷ đối tính toán khi phá hủy được xác định theo công thức:

ε_fu = C_E.ε_fu^* (ACI 440.1R-06:7-2)

Trong đó:

ε_fu – Biến dạng tỷ đối thiết kế khi đứt của FRP;

ε_fu^* – Biến dạng tỷ đối đảm bảo của thanh FRP, xác định bằng giá trị trung bình của một nhóm các mẫu thử trừ đi ba lần độ lệch chuẩn (ε_fu^*= ε_u,ave –3σ);

C_E – Hệ số giảm cường độ kéo tính toán do tác động môi trường

• 1. CẤU KIỆN CỐT FRP CHỊU UỐN
     1. Mặt cắt nhiều cốt

Khi ρ>ρ_fb với (c >c_b) thì phá hoại uốn do bêtông bị ép vụn trong mặt cắt. Khả năng moment danh định trong mặt cắt bố trí nhiều cốt FRP được xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:8-4a)

Với (ACI 440.1R-06:8-4b)

Và công thức xác định ứng suất của cấu kiện cốt FRP

(ACI 440.1R-06:8-4d)

Trong đó:

– f_f: ứng suất của cấu kiện cốt FRP tại vùng bêtông bị nén

– a: Chiều cao khối ứng suất trong mặt cắt theo Whitney.

• • 1. Mặt cắt ít cốt

Khi và (c <c_b) thì cấu kiện cốt FRP sẽ bị phá hoại do chịu kéo trước khi bêtông đạt đến biến dạng cực hạn.

Để khắc phục tình trạng này tiêu chuẩn ACI 440.1R-06 đưa ra phương trình:

(ACI 440.1R-06:8-6b)

c_b: Chiều cao trục trung hòa với tỷ lệ cân bằng trước đó

Trong trường hợp mặt cắt bố trí ít cốt thì khối ứng suất được Whitney áp dụng với hệ số γ=0,85 và β phụ thuộc vào cường độ bêtông theo tiêu chuẩn ACI 319-05.

Đường cong biến dạng và ứng suất của Tobeshini đưa ra như sau:

Với là biến dạng của bêtông tại Tobeshini đưa ra các thông số trong phương rình khối ứng suất như sau:

Dùng phương pháp tính lặp gồm các bước sau:

1. Giả sử chiều cao trục trung hòa và c < c_b ();
2. Tính toán biến dạng của bêtông ;
3. Tính toán các thông số của khối ứng suất và
4. Tính toán chiều cao trục trung hòa
5. Tính toán rồi so sánh c với c giả thuyết và lặp lại cho đến khi bằng nhau
6. Tính toán moment danh định với các giá trị cuối cùng của β₁ và γ

(ACI 440.1R-06:8-6a)

Phương pháp tính lặp này được thực hiện dễ dàng bằng bảng tính excel đơn giản.

• • 1. Cốt tối thiểu để chịu uốn

Bố trí lượng cốt FRP tối thiểu trong cấu kiện theo thiết kế để tránh sự phá hoại và ngăn chặn vết nứt trong bêtông (ФM_n >M_cr) được xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:8-8)

• • 1. Trình tự thiết kế cấu kiện chịu uốn

Bước 1: Xác định tải trọng thiết kế và khả năng moment cần thiết;

Bước 2: Chọn sơ bộ cốt FRP và thông số kỹ thuật thu được từ nhà sản xuất;

Bước 3: Tính toán tỷ lệ cốt FRP cân bằng;

Bước 4: Chọn số lượng cốt FRP;

Bước 5: Tính toán khả năng moment danh định trong mặt cắt;

Bước 6: Tính toán các hệ số kháng uốn;

Bước 7: Tính toán hệ số khả năng moment.

• 1. THIẾT KẾ THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG CHO CẤU KIỆN CỐT FRP
     1. Độ võng dưới tác dụng của tải trọng khai thác

Độ võng dài hạn trong cấu kiện bêtông cốt FRP chịu ảnh hưởng của từ biến và co ngót dưới tác dụng của tải trọng khai thác dài hạn được tính giống dầm bêtông cốt thép thường:

(ACI 440.1R-06:8-14)

Cốt FRP không dùng trong vùng nén thì chọn ξ=λ là hệ số quy ước nhân thêm vào do ảnh hưởng dài hạn của tải trọng khai thác, ξlà hệ số phụ thuộc vào thời gian của tải trọng vĩnh cửu, ξ=2.0 với tải trọng thời hạn là 5 năm, chọn ξ theo tiêu chuẩn ACI 318-05.

• • 1. Nứt do phá hủy uốn

Chiều rộng vết nứt của cấu kiện cốt FRP được xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:8-9)

Trong đó:

W: chiều rộng vết nứt;

: ứng suất dưới tác dụng của tải trọng sử dụng;

: môđun của cốt FRP;

: tỷ lệ khoảng cách từ trục trung hòa đến phía dưới mặt cắt (bề mặt kéo) trên khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng tâm cốt FRP:

• • 1. Tác dụng của tải khai thác gây từ biến và mỏi cho cấu kiện cốt FRP

Cấu kiện bêtông cốt FRP phải được kiểm tra từ biến và mỏi dưới tác dụng của tải trọng khai thác như sau:

hoặc

Giới hạn ứng suất do từ biến và mỏi theo tiêu chuẩn ACI 440.1R-06 kiến nghị đối với cấu kiện cốt FRP thủy tinh lấy giá trị , đối với cấu kiện cốt Aramid lấy giá trị , đối với cấu kiện cốt Carbon lấy giá trị .

• • 1. Trình tự thiết kế theo trạng thái giới hạn sử dụng

Bước 1: Xác định tải trọng và moment khai thác;

Bước 2: Tính toán nứt cho mặt cắt liên hợp;

Bước 3: Tính toán độ võng tức thời và dài hạn trong mặt cắt;

Bước 4: Tính toán chiều rộng vết nứt phá hủy uốn do tải trọng;

Bước 5: Tính toán ứng suất dọc cấu kiện cốt FRP theo tải trọng khai thác dài hạn và tải trọng phá hủy uốn;

Bước 6: Thiết kế lại nếu vượt quá trạng thái giới hạn khai thác.

• 1. CẤU KIỆN FRP CHỊU CẮT
     1. Thiết kế khả năng chịu cắt trong cấu kiện bê tông cốt FRP

Điều kiện để cấu kiện cốt FRP đảm bảo khả năng chịu cắt dưới tác dụng của tải trọng:

Khả năng chịu cắt danh định của cấu kiện cốt FRP theo ACI 440.1R-06 xác định như sau:

Trong đó:

: Khả năng chịu lực cắt trong cấu kiện bêtông cốt FRP ;

: Khả năng chịu cắt của 2 cốt đai FRP.

• • 1. Giới hạn chịu cắt và cường độ chịu cắt trong cấu kiện cốt FRP

Tương tự như cốt thép đai thì cốt thép đai FRP được xác định như sau:

(hoặc 60 cm)

Ngoài ra, để đảm bảo tránh phá hoại giòn cần lượng cốt đai FRP tói thiểu được bố trí trong cấu kiện , được xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:9-7)

Để ngăn chặn bêtông bị ép vụn do cắt thì khả năng chịu cắt của bêtông được giới hạn như sau:

• • 1. Khả năng chịu cắt của cốt đai FRP

Cường độ giới hạn của cốt đai FRP được xác định bởi:

(ACI 440.1R-06:9-3)

Cường độ chịu kéo của cốt đai uốn cong FRP được xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:7-3)

Trong đó:

r_b: Bán kính cong chỗ uốn cong;

d_b: đường kính của cốt FRP

• • 1. Khả năng chịu cắt của cấu kiện

Khả năng chịu cắt của cấu kiện bản bêtông trực hướng cốt FRP được xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:9-8)

Trong đó:

b_w: chu vi của mặt cắt tiêu chuẩn tại d/2 từ tải trọng tâm (hoặc gối).

• • 1. Trình tự thiết kế cấu kiện FRP chịu cắt

Bước 1: Xác định yêu cầu chịu cắt;

Bước 2: Xác định khả năng chịu cắt của bêtông cốt FRP;

Bước 3: Kiểm tra nếu được yêu cầu tăng cường thêm cốt chịu cắt;

Bước 4: Thiết kế cốt chịu cắt;

Bước 5: Xác dịnh hệ số cường độ cắt cho cấu kiện cốt FRP và so sánh với yêu cầu;

Bước 6: Kiểm tra giới hạn cốt FRP và cường độ bê tông;

Bước 7: Chi tiết cốt đai FRP.

• 1. CHI TIẾT CỐT FRP
     1. Cường độ dính bám của cốt FRP

Ứng suất dính bám được xác định từ phương trình:

(ACI 440.1R-06:11-1)

Trong đó:

u: trạng thái ứng suất dính bám trung bình (hoặc ứng suất cắt dọc trục);

l_e: chiều dài bề mặt tiếp xúc cốt FRP;

f_f: ứng suất kéo trong cốt FRP;

A_f,bar: diện tích cốt FRP.

• • 1. Biến dạng dư của cốt FRP

Biến dạng dư l_d của cốt FRP được xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:11-6)

Hoặc lấy lớn hơn d hoặc 12d_p

Tạm tính biến dạng dư của cốt FRP trong cấu kiện nhịp đơn giản như sau:

(ACI 440.1R-06:11-6)

• • 1. Biến dạng dư của cốt móc, cốt đai FRP

Chiều dài phát triển của móc cốt FRP xác định như sau:

(ACI 440.1R-06:11-5)

Hoặc lấy không được nhỏ hơn 12d_p hoặc 22.86 (cm). Ngoài ra chiều dài đuôi của cốt FRP nối l_bhf phải lớn hơn 12d_p hoặc 22.86 (cm), bán kính cong không được nhỏ hơn 3d_p.

• • 1. Trình tự thiết kế chi tiết cốt FRP trong cấu kiện

Bước 1: Xác định cường độ dính bám tiêu chuẩn có hiệu của cốt FRP f_fe;

Bước 2: Xác định biến dạng dư của các cốt FRP;

Bước 3: Xem xét chi tiết và thống kê cốt FRP.

• 1. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG CỐT FRP
     1. Tổng quan
     2. Các bước tính toán

Bước 1: Xác định kích thước hợp lý của dầm, xác định vị trí trục trung hòa;

Bước 2: Xác định tải trọng tính toán;

Bước 3: Tính cường độ kéo đứt thực tế của thanh FRP;

Bước 4: Xác định diện tích thanh FRP chịu uốn;

Bước 5: Kiểm tra bề rộng khe nứt;

Bước 6: Kiểm tra độ võng dài hạn của dầm;

Bước 7: Kiểm tra giới hạn ứng suất phá hủy do từ biến;

Bước 8: Thiết kế đai chịu cắt;

Bước 9: Kiểm tra ứng suất phát triển trong thanh FRP và độ neo đảm bảo;

Bước 10: Bố trí thép trong dầm;

• 1. VÍ DỤ TÍNH TOÁN
     1. Tính toán dầm bê tông cốt FRP theo tiêu chuẩn ACI 440.1R-06
     2. Tính toán dầm bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-05

So sánh kết quả:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu trong luận văn có thể rút ra một số kết luận sau:

Vật liệu composite, cốt FRP có nhiều tính năng vượt trội so với cốt thép khi sử dụng làm cốt chịu lực trong bê tông. Vật liệu composite hầu như đã được sử dụng trong mọi mặt của đời sống, dần thay thế các loại vật liệu truyền thống, làm giảm áp lực khai thác tài nguyên, giảm gây ô nhiểm môi trường. Cốt FRP đã và đang được sử dụng trong nhiều công trình trên thế giới có sự đòi hỏi cao về tính kiến trúc, thẩm mỹ, thân thiện môi trường, chịu sự xâm thực cao của môi trường.

Nằm trong giới hạn nghiên cứu, đề tài đã đưa ra phương pháp cũng như ví dụ tính toán dầm bê tông cốt FRP chịu lực: chịu uốn, chịu cắt, theo trạng thái giới hạn sử dụng, cường độ dính bám, biến dạng dư… Từ đó lựa chọn, bố trí cốt chịu lực, cốt đai phù hợp với khả năng chịu tải của dầm, đồng thời tiến hành tính toán so sánh hiệu quả sử dụng của cốt FRP và cốt thép truyền thống của dầm bê tông chịu tải trọng giống nhau.

1. Kiến nghị

Cần xây dựng bộ tiêu chuẩn của Việt Nam về quy trình thiết kế bê tông cốt FRP, cũng như bộ giá trị đặc trưng cơ học thống nhất của thanh FRP. Từ đó, kỹ sư thiết kế có một quy trình tổng quát hướng dẫn thiết kế phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn của Việt Nam hiện hành.

Nhằm hoàn thiện nội dung, phát triển đề tài, tác giả kiến nghị mở rộng nội dung như sau: So sánh hiệu quả khi sử dụng cốt FRP và cốt thép truyền thống trong nhà thấp tầng, nhà cao tầng; Áp dụng tính toán cốt FRP trong cấu kiện sàn; cấu kiện ứng lực trước;…

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN DUY TAN\KY THUAT\TRAN DUY TRINH