Sử dụng vật liệu composite thay thế cốt thép trong thiết kế kết cấu khung BTCT

Mục tiêu đề tài: - Sử dụng vật liệu Composite để thay thế cốt thép trong tính toán thiết kế kết cấu công trình nhà khung bê tông cốt thép.. Kết cấu bêtông cốt thép truyền thống trong m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

-HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

ĐỖ VĂN HÒA

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP HCM, tháng 05/2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

-ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.06

Ngày giao luận văn: 01/12/2013

Ngày nộp luận văn: 06/2015

Tên đề tài: Sử dụng vật liệu Composite thay thế cốt thép trong thiết kế kết cấu khung bê tông cốt thép

Học viên thực hiện: Đỗ Văn Hòa

Lớp: Cao học Xây dựng DD & CN Khóa: K24 (TP HCM)

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Nhất Dũng

Học hàm, học vị : Phó Giáo sư, Tiến sĩ

Đơn vị công tác : Học viện Kỹ thuật Quân sự

Cán bộ chấm phản biện 1:

Cán bộ chấm phản biện 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Ngày tháng 06 năm 2015

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đỗ Văn Hòa

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa………

Bản cam đoan………

Mục lục………

Tóm tắt luận văn ………

Tóm tắt luận văn 5

Tóm tắt luận văn

- Họ và tên học viên: Đỗ Văn Hòa

- Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình đặc biệt Khóa 24

- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Nhất Dũng

- Tên đề tài: Sử dụng vật liệu Composite thay thế cốt thép trong thiết kế kết cấu khung BTCT

I Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài:

- Cơ sở khoa học: Vật liệu composit là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều vật liệu có bản chất khác nhau Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi đứng riêng rẽ

- Tính thực tiễn: Sự phát triển của khoa học đã xuất hiện vật liệu mới Composite với nhiều tính năng ưu việt như: nhẹ, không han rỉ, khả năng chịu lực cao… là vật liệu hoàn toàn có thể thay thế thép truyền thống Hiện nay, vật liệu mới Composite này có giá thành ngày càng hạ và tạo ra khả năng cạnh tranh tốt với vật liệu thép truyền thống

II Mục tiêu đề tài:

- Sử dụng vật liệu Composite để thay thế cốt thép trong tính toán thiết

kế kết cấu công trình nhà khung bê tông cốt thép

- Thử nghiệm số cho một công trình thực qua đó đối chiếu, so sánh, đánh giá với kết cấu khung bê tông cốt thép để đưa ra một số kiến nghị, kết luận

III Phương pháp nghiên cứu:

- Về lý thuyết:

+ Giới thiệu tổng quan về vật liệu Composite

+ Phân tích, đánh giá sử dụng vật liệu Composite thay thế cốt thép trong thiết kế kết cấu khung bê tông cốt thép

- Về thực nghiệm: Thử nghiệm số bài toán thay thế cốt thép bằng vật liệu Composite Rút ra kết luận và kiến nghị

MỞ ĐẦU

Thanh Polyme cốt sợi mà tiếng Anh là Fiber- reinforced polymer (FRP) là sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi các sợi thủy tinh hay sợi cacbon

được dính kết và bao bọc bởi một chất nhựa tổng hợp polyme tạo nên cốt chịu lực

Thanh FRP ra đời từ hơn 30 năm, đã được sử dụng để làm cốt cho kết cấu bêtông như một thay thế cho cốt thép Kết cấu bêtông cốt thép truyền thống trong một số trường hợp có thể gặp các vấn đề sau: chịu môi trường xâm thực mạnh như cầu, công trình bờ biển, chịu tác dụng kết hợp của độ ẩm, nhiệt độ, hóa chất làm thép bị ăn mòn thì thanh FRP là giải pháp ưu việt thay thế cốt thép

FRP là vật liệu không có từ tính nên tránh được vấn đề giao thoa điện

từ của kết cấu cốt thép Ngoài ra, vật liệu FRP còn có nhiều tính chất khác như cường độ chịu kéo lớn nên thích hợp để làm cốt gia cường Sự áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới đã thúc đẩy việc cải tiến công nghệ chế tạo, việc nghiên cứu lí thuyết và tích lũy kinh nghiệm cho phương pháp xây dựng với vật liệu này

Sự làm việc của kết cấu có cốt FRP khác với sự làm việc của cốt thép thông thường Vật liệu FRP là không đẳng hướng, chỉ có cường độ chịu kéo lớn theo phương của các sợi Tính không đẳng hướng này ảnh hưởng đến cường độ chịu cắt và cả sự dính kết Ngoài ra, vật liệu FRP khi chịu lực không có sự chảy dẻo, nó luôn luôn làm việc đàn hồi cho đến khi phá hoại Tất cả các khác biệt đó làm thay đổi lý luận và tư duy thiết kế, khác với bêtông cốt thép thông thường

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ dẫn tới nhu cầu to lớn

về những vật liệu có nhiều tính chất ưu việt cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đứng riêng rẽ không thể có được Vật liệu Composit ra đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách đó, vừa là sản phẩm của những công trình nghiên cứu trong nửa sau thế kỷ XX nhằm khai thác, phát triển quy luật kết hợp phổ biến trong tự nhiên Ngày nay, vật liệu Composit đã và đang thay thế dần các vật liệu truyền thống như: vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại… để chế tạo ra các kết cấu chịu tải trọng lớn cũng như các sản phẩm dân dụng khác đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng

Trên thế giới vật liệu Composit sợi thủy tinh (FRP) đã phát triển từ lâu, song ở nước ta gần đây mới phát triển và được coi là vật liệu mới Cho nên người tiêu dùng chưa hiểu sâu về vật liệu này Nhà sản xuất sản phẩm Composit chủ yếu theo kinh nghiệm truyền đạt Thiếu tài liệu để giúp họ hiểu sâu hơn về bản chất và ứng dụng của vật liệu Composit (FRP) nên có lẽ phần nào tốc độ phát triển bị hạn chế.

Nước ta có trữ lượng cát, hóa dầu lớn tập trung ở Bình Thuận và Vũng Tàu , là điều kiện chủ động nguồn nguyên liệu sản xuất vật liệu Composit Hiện nay, đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa nên cần đầu tư phát triển xây dựng cơ sở vật chất, hạ tầng kỹ thuật ngày càng nhiều nên chúng ta có thể hy vọng vật liệu Composit sợi thủy tinh sẽ phát triển với nhiều ứng dụng trong đời sống hằng ngày và công nghiệp, đặc biệt là trong các công trình nhà cao tầng, đem lại hiệu quả cho nền kinh tế của đất nước

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1 Tổng quan về vật liệu Composite

1.1.1 Khái niệm

Vật liệu Composit là vật liệu tổ hợp từ hai (hoặc nhiều) vật liệu có bản chất khác nhau Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi đứng riêng rẽ

a) Dạng thanh thẳng b) Dạng cuộn c) Dạng uốn

Hình 1.1 Một số hình ảnh vật liệu Composite (FRP)

1.1.2 Sự ra đời của vật liệu Composite

Vật liệu Composite đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng Và điền hình về Composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc Composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc Composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo, một cấu trúc Composite lý tưởng

Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát

về mùa hè và ấm vào mùa đông Mặc dù Composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu Composite chỉ mới hình thành gắn với sự

xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950 Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu Composite đã phát triển trên toàn thế giới và thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu Composite".

Vào một buổi tối, thập niên 40 của thế kỷ XX, người ta vô ý đánh đổ bình Polyeste ra sàn nhà Sáng hôm sau họ phát hiện Polyeste đã đóng rắn, cứng chắc cùng với các sợi thủy tinh Thế là sau đó Composite sợi thủy tinh

ra đời - sự ra đời từ một sự cố tình cờ

Nhẹ - chắc - bền - không gỉ - chịu hóa chất - chịu thời tiết - chịu lực lớn đó là những ưu điểm chủ yếu của vật liệu Composite Sự ra đời của vật liệu Composite là một cuộc cách mạng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thống ở những mục đích thích hợp trong công nghiệp đặc biệt trong ngành công nghiệp xây dựng và đời sống

Vật liệu truyền thống có một số nhược điểm khó hoặc không thể khắc phục được như: nặng (bê tông, gạch, sắt thép), dễ vỡ (sành, sứ), mối mọt, khai thác nhiều thì ảnh hưởng tới môi trường sinh thái (gỗ), sét gỉ, chi phí bảo dưỡng cao (sắt, thép) Những nhược điểm này khiến cho việc tổ chức sản xuất, vận chuyển phức tạp, với giá thành cao; đồng thời khi sử dụng không thuận tiện, chi phí bảo quản và bảo dưỡng cao

Do đó, với những ưu điểm của vật liệu Composite, có thể khắc phục được những nhược điểm của vật liệu truyền thống Vì vậy nó được ứng dụng vào những mục đích, những sản phẩm và ở những nơi mà những ưu điểm của Composite được phát huy một cách có hiệu quả, thỏa mãn được yêu cầu trong

sử dụng của người tiêu dùng Cho nên từ đầu những năm 60 của thế kỷ XX, cùng với sự phát triển của công nghệ polymer, vật liệu Composite đã không ngừng phát triển cho đến ngày nay và được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp và đời sống hằng ngày như: vật dụng gia đình, trang trí nội thất, ngoại thất, tượng đài, cầu trượt, bể bơi, nhà cửa, tấm lợp, vách ngăn, ống dẫn, bồn chứa, bể xí tự hoại, vỏ ô tô, tàu thủy, xe lửa, máy bay, cấu kiện điện

tử và cấu kiện cho ngành hàng không vũ trụ

Composite là tên gọi chung của bất cứ vật liệu nào được tạo nên bởi sự

pha trộn các thành phần riêng lẻ trước khi sử dụng để chế tạo sản phẩm cụ thể (Ví dụ: Cát, sỏi đá, xi măng, nước được hòa trộn với nhau rồi cùng với cốt thép, đóng rắn lại thành bê tông, cho nên bê tông thực chất cũng là một dạng Composite) Tên Composite xuất phát từ gốc tiếng Anh Compos có nghĩa là hợp chất nhiều thành phần (nhiều chất) riêng lẻ tạo thành bằng cách hòa trộn chúng ngay trước khi sử dụng Những thành phần riêng lẻ này nếu chỉ có mình nó thì đặc tính và công dụng hoàn toàn khác Nhưng nếu chúng kết hợp với nhau trong một quy trình hợp lý thì sẽ cho ta một loại vật liệu hoàn toàn khác có đặc tính sức bền cơ lý hơn hẳn (Ví dụ: bê tông)

Composite có nhiều loại, được tạo ra tùy theo chất lượng thành phần, mục đích sử dụng Ví dụ: Trong công nghệ gốm sứ, công nghệ polyme đều

có vật liệu được gọi là vật liệu Composite Ở đây chỉ đề cập đến loại Composite thuộc chất dẻo nhiệt rắn bao gồm hai thành phần chủ yếu là polyme và các loại sợi gia cường, trong đó sợi thủy tinh là chủ đề chính

1.1.3 Đặc tính của vật liệu Composite

* Đặc tính cấu tạo

- Composite cacbon (với sợi cacbon), kí hiệu CFRP; với sợi Aramit AFRP, còn gọi là sợi Kevla-ký hiệu KRP Riêng Composite sợi thủy tinh lúc đầu ký hiệu là GFRP hay ngắn gọn là GRP (Glass fibre Reinforced Plastics) Nhưng ở Mĩ người ta lại gọi là FRP (Fiberglass Reinforced Plastic) Từ khi một trong ba tập đoàn sản xuất sợi thủy tinh lớn nhất Châu Âu chính thức đăng ký tên công ty: Fiberglass Ltd, thì hầu hết tất cả các tài liệu sau đó đều dùng thuật ngữ FRP

- Chất kết dính: Chất kết dính được sử dụng để gắn kết tấm vật liệu cốt sợi tổng hợp và bề mặt bê tông của cấu kiện Chất kết dính giúp truyền tải trọng giữa bề mặt bê tông và hệ thống gia cường tấm Composite Chất kết dính cũng được sử dụng để gắn các lớp vật liệu Composite lại với nhau

- Cốt sợi: Các cốt sợi thủy tinh, aramid và các bon thường được sử dụng với hệ thống gia cường bằng vật liệu Composite Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cường về mặt cường độ và độ cứng

* Đặc tính vật lý

- Khối lượng riêng: Vật liệu Composite sợi thuỷ tinh có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3, theo đó nhỏ hơn thép 6 lần Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công trường

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

7,9 1,2 - 2,1 1,5 - 1,6 1,2 - 1,5

- Hệ số dãn nở nhiệt: Các hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu Composite chịu lực một chiều khác nhau theo phương dọc và ngang, phụ thuộc vào kiểu loại cốt sợi, vật liệu kết dính và tỷ lệ cốt sợi

Bảng 1.2: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu cốt sợi

Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6/°C)

Theo chiều dọc, aL 6 tới 10 –1 tới 0 –6 tới –2

Theo chiều ngang,

Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi trong phạm vi 0,5 tới 0,7

- Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: Phụ thuộc vào nhiệt độ, mô đun đàn hồi của vật liệu polymer bị giảm đáng kể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó

Ở vật liệu Composite FRP, cốt sợi thể hiện đặc tính nhiệt tốt hơn so với chất kết dính và có thể tiếp tục chịu một số tải trọng theo phương dọc thớ cho đến khi nhiệt độ đạt tới giới hạn làm chảy cốt sợi Điều này có thể xảy ra khi nhiệt

độ vượt quá 1000°C Cốt sợi thủy tinh có khả năng chịu nhiệt không quá 275°C Do sự giảm lực chuyển đổi giữa các cốt sợi thông qua liên kết tới chất kết dính, đặc tính chịu kéo của vật liệu Composite bị giảm Các kết quả thí nghiệm đã cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều so với nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của các vật liệu cốt sợi thủy tinh và carbon tới 20% Các đặc tính khác bị tác động bởi sự truyền lực

cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp.

* Đặc tính cơ học

- Cường độ chịu kéo: Khi chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi tổng hợp không thể hiện ứng xử dẻo trước khi bị phá hoại Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại và trong trường hợp này sự phá hoại là đột ngột và giòn Cường độ kéo và độ cứng của vật liệu cốt sợi Composite phụ thuộc vào nhiều tham số Vì các sợi trong vật liệu tổng hợp là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp cũng như điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này

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

Thép FRP thủy tinh FRP cacbon FRP aramitỨng suất chảy

Không áp dụngCường độ kéo,

Mpa 483 đến 690 483 đến 1600 600 đến 3690

1720 đến 2540Môđun đàn

hồi, ×103 Mpa 200 35 đến 51 120 đến 580 41 đến 120Biến dạng tỉ

đối chảy, %

0,14 đến 0,25

Không áp dụng

Không áp dụng

Không áp dụngBiến dạng tỉ

FRP thủy tinh, ksi (MPa) FRP cacbon, ksi (MPa)

* Đặc tính quang học

Hầu hết vật liệu FRP với polyeste resin đa dụng đều cho ánh sáng mờ qua, vì bản chất của nó có xu hướng khếch tán và truyền ánh sáng Có loại resin đặc biệt sử dụng với MAT với chiều dày laminat 1,6-3,2 mm có thể cho đến 90% ánh sáng truyền qua Tuy nhiên vật liệu FRP luôn luôn được pha màu, làm cho ánh sáng bị hấp thụ nhiều và khuyếch tán rộng, nên FRP luôn có ánh sáng mờ đục

Nhờ có đặc tính quang học truyền ánh sáng người ta chế tạo nhiều loại tấm lợp để lấy ánh sáng từ mái xuống các phân xưởng nhà máy, làm vách ngăn, buồng tắm

Sự hấp thụ ánh sáng hay truyền ánh sáng qua lại liên quan đến nhiệt Bằng cách thêm phụ gia, tẩm FRP mờ đục, có thể truyền nhiệt và ánh sáng

mặt trời trong phạm vi khá rộng.

* Đặc tính về nhiệt

Composite có hệ số dẫn nhiệt thấp 0,2-0,35 W/m0 C tùy thuộc vào loại polyeste, sợi thủy tinh và hàm lượng resin/thủy tinh Đặc tính này được tận dụng vào mục đích cách nhiệt Những bồn nước để ngoài trời thì mùa hè - nước mát, mùa đông - nước ấm, về mặt này nó có ưu điểm hơn hẳn bồn kim loại

Composite chịu được nhiệt độ khá cao đến 2600 C Cho nên nó có thể ứng dụng vào môi trường nhiệt độ cao như buồng máy tàu thủy, ống khí xả, chứa nước nóng, bồn nước khoáng nóng Nhiệt độ biến dạng FRP tùy thuộc vào loại resin: với resin đa dụng nhiệt độ biến dạng là 930 C nhưng với resin chịu nhiệt thì nhiệt độ biến dạng lại đến 1350 C Nói chung nhiệt độ sử dụng cho FRP với resin đa dạng không nên vượt quá 1210 C (2750F) Hệ số dãn nở cao hơn thép, FRP có tính đàn hồi cao, nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể Nhờ có sợi thủy tinh nên tính chịu nhiệt ổn định cao hơn chất dẻo không gia cường thủy tinh

Ảnh hưởng của nhiệt độ (ánh sáng mặt trời) đến đặc tính cơ học về sự truyền ánh sáng của các loại FRP với màu sắc khác nhau

Ở nhiệt độ thấp thì đặc tính của FRP thường được cải thiện nếu so sánh với nhiệt độ môi trường Ở nhiệt độ dưới 00 C và thấp hơn nữa thì ứng suất và modul kéo có xu hướng tăng cao Đặc tính này cho phép ứng dụng FRP trong các panel kho lạnh

Vật liệu FRP nói chung khó bắt lửa, nhưng đều cháy nếu có nguồn lửa Nếu trong phụ gia của resin có chứa một hàm lượng chất dễ cháy như halogen thì FRP dễ bị cháy hơn Trong thực tế ứng dụng người ta chế tạo riêng loại resin chống cháy để phục vụ cho những mục đích phải phòng ngừa cháy

* Đặc tính hóa học

Chịu hóa chất tốt là một trong những đặc tính ưu việt của FRP nói chung Tuy nhiên mức độ chịu hóa chất như thế nào còn tùy thuộc nồng độ,

loại hóa chất, loại resin, sợi thủy tinh tạo ra FRP và nhiệt độ Với nồng độ dưới 20% các hóa chất trong dung dịch thì hầu hết các vật liệu FRP đều chịu tốt.

Chính vì vậy FRP chịu tốt tác dụng của hóa chất trong môi trường tự nhiên như nước biển, bể bơi, nước khoáng, nước thải và thời tiết Đặc biệt FRP rất thích hợp với khí hậu biển và môi trường nước thải, cho nên nó được ứng dụng làm tàu thuyền, bể chứa và lọc nước thải, bể xí tự hoại

Tuy nhiên với dung dịch kiềm hoặc axit mạnh (như axit nitric) hoặc ở nhiệt độ dung dịch cao trên 600 C, thì phải sử dụng loại resin đặc biệt chịu hóa chất như các bồn chứa dung dịch, ống dẫn, bao bì ống dẫn chất thải trong công nghệ hóa dầu Các dung môi như ketone (acetone), dung môi chứa chlorin (carbon tetrachlorit và chloform) đều tấn công polyeste nhanh chóng

Có nhiều loại polyeste trong ứng dụng và những tác động về hóa chất trong môi trường Do đó tốt nhất lựa chọn resin cho phù hợp với mục đích sử dụng

Nhiệt độ sử dụng chất dẻo nên từ 23-930 C, là nhiệt độ mà chất dẻo khó biến dạng

Với resin phù hợp FRP còn có thể cho sóng điện tử xuyên qua Đặc tính này được ứng dụng làm các vòm ra đa Đặc tính về điện của FRP khác nhau tùy thuộc vào loại resin và sợi thủy tinh

* Đặc tính bền lâu

Việc chịu tải trọng động và tĩnh trực tiếp, sản phẩm FRP còn phải chống chọi được với thời tiết trong thời gian dài lâu Các yếu tố tác động của thời tiết là: ánh sáng, nước, nhiệt độ, tạp chất trong không khí và nước (bụi

bặm)

Tuổi thọ của FRP liên quan đến ba vấn đề cơ bản, đó là: môi trường, thời tiết và ứng suất hay hiện tượng mỏi

- Ảnh hưởng của nước:

Thử nghiệm được thực hiện như sau: Ngâm laminat trong nước 500 C trong thời gian 5 ngày, để trong lò ở 1050 C trong 41 giờ, làm nguội đến 200 C trong tủ sấy (desicator) 7 ngày

Kết quả cho thấy sự ngâm chìm trong nước cùng với nhiệt độ có ảnh hưởng khá nhiều đến sức bền uốn và nó giảm dần theo thời gian Khi khô ráo sức bền cao hơn và khi ngâm lâu trong nước sức bền giảm

- Ảnh hưởng của không khí, nước, nhiệt độ

- Ảnh hưởng của thời gian khi để ngoài trời (exposure) đối với sự truyền ánh sáng

Bảng 1.5 -

Kính

Mật độ g/cm 3

Độ bền kéo, Mpa

Độ đàn hồi/Mpa

Độ dãn dài/%

Hình thái

sử dụng

Bảng 1.6 - Tiêu chuẩn thiết kế FRP của Trung Quốc

FRP Đường kính Mật độ

(g/cm 3 )

Độ bền kéo (Mpa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

Nồng độ kiềm

Đơn giá cốt sợi thủy tinh tại Việt Nam (Đã bao gồm 14% thuế nhập khẩu)

Giá thép sợi thủy tinh luôn luôn rẻ so với thép thường từ 20% đến 30%

Tuổi thọ ít

nhất 70

năm

Tuổi thọ ít nhất 80 năm

1.2 Các ưu điểm của vật liệu Composite

Vật liệu Composite nói chung có những ưu điểm chủ yếu sau:

- Có độ bền kéo cao

- Giới hạn bền mỏi rất cao

- Vận chuyển dễ dàng, sử dụng đơn giản và nhanh chóng

- Có khả năng dự ứng lực lớn

- Nhẹ nhưng cứng vững, chịu va đập, uốn, kéo tốt

- Chịu hóa chất, không sét gỉ, chống ăn mòn Đặc tính này đặc biệt thích hợp cho biển và khí hậu vùng biển (tàu thuyền, các bồn chứa nước, dung môi, bể xí tự hoại, ống nước thải, cấu kiện nhà máy hóa chất, phòng thí nghiệm )

- Chịu thời tiết, chống tia tử ngoại, chống lão hóa nên rất bền (mái che, ghế sân vận động, các công trình ngoài trời )

- Chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy (ống xả động cơ diesel, panel kho lạnh, xuồng cứu hỏa )

- Chịu ma sát, cường độ lực và nhiệt độ cao (vỏ máy bay, bệ phóng tên lửa và cấu tạo khác cho hàng không, vũ trụ ) Đặc tính này đặc biệt phát huy

- Bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng, chi phí thấp

- Màu sắc đa dạng, đẹp, bền vì được pha ngay trong nguyên liệu

- Thiết kế, tạo dáng thuận lợi, đa dạng, có nhiều công nghệ để lựa chọn

- Đầu tư thiết bị và tổ chức sản xuất không phúc tạp, không tốn kém, không ảnh hưởng môi trường, chi phí vận chuyển và sản xuất không cao Tất

cả những ưu điểm trên dẫn đến giá trị sử dụng cao

* Ưu điểm của vật liệu Composite cốt FRP

- Cường độ kéo theo phương dọc là lớn (thay đổi tùy theo dấu và phương của tải trọng so với các sợi)

- Sức kháng chịu ăn mòn (không phụ thuộc lớp phủ)

- Không có từ tính

- Độ bền chịu mỏi cao (thay đổi tùy theo loại sợi làm cốt)

- Trọng lượng nhẹ (khoảng 1/5 đến ¼ khối lượng riêng của thép)

- Độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp (đối với sợi thủy tinh và aramit)

* Nhược điểm của vật liệu Composite cốt FRP.

- Không có chảy dẻo trước khi phá hủy đột ngột

- Cường độ chịu lực theo phương ngang là thấp (thay đổi tùy theo dấu

và phương của tải trọng so với các sợi)

- Môđun đàn hồi thấp (thay đổi tùy theo loại sợi làm cốt)

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

- Một số loại sợi thủy tinh và aramit kém bền trong môi trường kiềm

- Hệ số giãn nở nhiệt theo phương vuông góc với các sợi là cao so với bêtông

- Có thể bị cháy tùy theo loại chất nền gắn và bề dày lớp bêtông bảo vệ

* Sợi thủy tinh trong bê tông có những ưu điểm sau:

- Tăng sức đề kháng tiếp xúc với tải trọng tĩnh và động

- Giảm số vết nứt Toàn bộ cấu trúc của sợi gia cố bê tông bao gồm một số lượng lớn các sợi và sự xuất hiện của vết nứt được giảm xuống

- Tăng tuổi thọ công trình so với loại thông thường của bê tông

- Tăng sức mạnh, đặc biệt là độ bền kéo, tải trọng bên, độ bền uốn và

sức chịu đựng tác động va đập.

- Sử dụng sợi thủy tinh trong bê tông cải thiện sự ổn định của cấu trúc

do ảnh hưởng của các yếu tố như sự rung động của tần số cao hoặc thấp

1.3 Xu hướng phát triển và ứng dụng vật liệu Composite trong xây dựng

* Xu hướng phát triển vật liệu Composite trong xây dựng

Vật liệu Composite sợi thuỷ tinh hoàn toàn có thể thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép trong ngành xây dựng tại Việt Nam

Vật liệu Composite sợi thuỷ tinh gia cường polymer (GFRP) với tính năng chịu kéo cao hơn thép nhiều lần lại nhẹ và không bị gỉ GFRP bền vững trong môi trường muối, axit và các chất ăn mòn khác, đã được nhắc đến ở Việt Nam từ những năm 70 của thế kỷ trước, nhưng chỉ như một ước vọng xa xôi, ai cũng nghĩ rằng nó chỉ dùng được ở vài ngành kỹ thuật sang trọng như hàng không vũ trụ, hoặc các dự án quốc phòng Ở Việt Nam ít ai biết về sự phát triển mạnh mẽ và xu thế phổ cập mạnh mẽ của thanh cốt sợi thuỷ tinh gia cường polimer (GFRP rebar- Glass fibre reinforced polymer- Rebar) đang diễn ra khắp thế giới và Việt Nam đã suýt bỏ lỡ một cơ hội đưa loại vật liệu xây dựng hiện đại này nhưng lại rất bình dân này vào thực tiễn xây dựng ở Việt Nam, đặc biệt trong thời kỳ khủng hoảng bất động sản như hiện nay

Bắt đầu từ ứng dụng cốt thanh FRP cho phần bản mặt của các công trình cầu ô tô ở Bắc Mỹ thay thế cho cốt thép nhằm hạn chế sự phá hoại cốt thép của thành phần clo xâm nhập vào bê tông khi người ta buộc phải rải muối lên mặt cầu đường để phá tan băng tuyết cho xe lưu thông những năm

1980, đến nay càng ngày càng nhiều ứng dụng của FRP được nghiên cứu và phát triển Thống kê sơ bộ có trên 30 quốc gia phát triển đã có nhiều nghiên cứu và sử dụng FRP, riêng tại Mỹ có trên 3000 doanh nghiệp với 250.000 lao động đang làm việc trong ngành nghề liên quan đến FRP và đã có nhiều Hiệp hội về sản xuất ứng dụng các dạng sản phẩm FRP được ra đời, nổi tiếng nhất

là ACMA (American ) Với sự ra đời của ACMA, sự phát triển của FRP tại Bắc Mỹ được đẩy nhanh thêm vì họ lo thúc đẩy ban hành các tiêu chuẩn thiết

kế, tiêu chuẩn thử nghiệm chất lượng sản phẩm, quy phạm thi công chuyên

dùng cho FRP, lo hối thúc chính quyền ban hành các chính sách để mở đường cho FRP phát triển mạnh mẽ hơn.

Hình 1.2 Hình ảnh nhà xưởng sản xuất FRP

Hình 1.3 Quy trình sản xuất FRP

Ở Trung Quốc, FRP được nghiên cứu và ứng dụng cho các cây cầu cho người đi bộ từ 1982, qua gần ba mươi năm nghiên cứu đến nay đã có sản lượng sử dụng FRP hàng năm tăng nhanh chóng như bảng dưới, với các dự án quan trọng Hơn nữa Trung quốc đã trở thành một cường quốc sản xuất sợi thuỷ tinh và thiết bị chế tạo, sản xuất FRP xuất khẩu đi nhiều nước trên thế

Đối với Việt Nam, việc sản xuất và ứng dụng FRP sẽ có nhiều thuận lợi hơn các nước khác vì:

- Việt Nam có nguồn cát trắng chất lượng cao, khối lượng rất lớn phân

bố rộng ở Miền Trung để sản xuất ra sợi thuỷ tinh chất lượng cao, là nguồn nguyên liệu quan trọng chiếm tỷ lệ trên 70% về khối lượng của FRP

- Chi phí đầu tư nhà máy sản xuất FRP từ cát trắng thành sản phẩm FRP khá nhỏ so với chi phí đầu tư nhà máy sản xuất từ quặng ferit ra thép cán, phù hợp với năng lực của nền kinh tế Việt Nam

- Các nhà máy sản xuất FRP không đòi hỏi kỹ thuật cao, không cần diện tích lớn và không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy luyện cán thép

- Việc đưa FRP vào thay thế cốt thép cho các công trình xây dựng ở ven biển, ở nơi ngập mặn, nơi đất phèn, hoặc đưa FRP vào các bộ phận ngầm dưới lòng đất của công trình nhà cửa, cầu cống là rất cần thiết

- Chi phí xây dựng công trình có thể giảm đến 3-5% khi ứng dụng vật liệu FRP thay thế thép, đặc biệt là chi phí duy tu sửa chữa công trình để khắc phục hiện tượng giảm tuổi thọ do ăn mòn cốt thếp sẽ giảm gần như không còn

Hiện nay Công ty NUCETECH ( Cty cổ phần đầu tư phát triển công nghệ - Đại Học Xây Dựng) đang đi đầu trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu còn mới mẻ này cho ngành xây dựng Việt Nam có thêm được nguồn vật liệu tốt, rẻ trong tương lai gần

- Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu Composite đã được phát triển từ lâu, nhưng với nước ta, thì Composite được coi là vật liệu mới, bởi lẽ thời gian đưa vào ứng dụng và phạm vi ứng dụng ở nước ta vẫn còn hạn chế

- Vật liệu Composite sợi thủy tinh (FRP) được bắt đầu nghiên cứu và

áp dụng ở nước ta từ năm 1988, khởi đầu là ca nô, xuồng nhỏ với tư cách là một loại vật liệu mới Đến đầu những năm 90 của thế kỷ XX, một vài đơn vị

sản xuất Composite đã hình thành với các sản phẩm ghe, thuyền, bồn chứa có kích thước không lớn, đặc biệt ở Đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên Composite thực sự bắt đầu được phát triển kể từ năm 1995 đến nay kể cả về

số lượng các đơn vị sản xuất cũng như chất lượng và chủng loại sản phẩm Hiện nay trên toàn quốc có nhiều đơn vị sản xuất lớn nhỏ, nhưng chỉ có một

số đơn vị chuyên sản xuất vật liệu Composite, còn lại là kết hợp các sản phẩm nhựa khác Các mặt hàng đã được mở rộng, đa dạng, phong phú, cùng với chất lượng cao hơn như: ghe, thuyền, ca nô, xuồng, tàu cảng vụ, tàu nghiên cứu hải dương, tàu đánh cá xa bờ

- Cùng với sự phát triển trên là nhu cầu nhập nguyên liệu ngày càng tăng Về công nghệ, ở nước ta vẫn là công nghệ trải tay (hand lay up) Công nghệ phun bắn (spray up), công nghệ dập nén (pression), kéo (pultrusion), quấn (winding) cũng đã và đang được áp dụng, tuy còn chưa nhiều nhưng ngày càng phát triển và cho ra nhiều sản phẩm đa dạng Nói chung ngành Composite từng bước được phát triển cả về công nghệ lẫn sản phẩm và chất lượng, tuy chưa được như mong muốn

- Việc phát triển vật liệu Composite đang bị hạn chế vì các lý do sau đây: tất cả các nguyên liệu đều phải nhập dẫn đến giá thành chưa thực sự hấp dẫn, trong khi người tiêu dùng, các nhà quản lý và lập dự án cũng chưa am hiểu rõ vật liệu mới này Khâu tuyên truyền, phổ biến còn hạn chế Ngoài ra, các nhà sản xuất cũng chưa mạnh dạn đầu tư công nghệ tiên tiến, chưa đầu tư cho đào tạo, kiến thức và tay nghề; do đó chất lượng và chủng loại mặt hàng còn hạn chế, chưa đáp ứng được nhu cầu và thị hiếu của người tiêu dùng Do

đó sự phát triển của Composite chưa được như mong muốn

- Hầu hết các nước trong khu vực đều có nhà máy chế tạo sợi thủy tinh

và polyeste chuyên dùng cho Composite phục vụ trong nước và xuất khẩu Trong xu thế công nghệ hóa và hiện đại hóa, sự phát triển vật liệu Composite cần có sự quan tâm nhiều hơn của các nhà quản lý, thiết lập dự án cũng như các nhà sản xuất và người tiêu dùng Nước ta có cát, có dầu mỏ và công nghệ lọc - hóa dầu, đó là tiền đề thuận lợi cho sự ra đời nhà máy sản xuất sợi thủy tinh và polyeste dùng cho công nghệ Composite, phục vụ nhu cầu trong nước

và xuất khẩu.

- Nếu được sự quan tâm của các cấp quản lý vĩ mô, nếu các nhà sản xuất mạnh dạn đầu tư công nghệ tiên tiến, đào tạo cùng với nguyên liệu sản xuất trong nước, thì chắc chắn vật liệu Composite ở nước ta sẽ phát triển mạnh và trở thành một ngành vật liệu có ý nghĩa, đóng góp cho sự phát triển kinh tế xã hội

- Chuyển vật liệu sang dạng sợi để tăng cường độ bền: kết quả nghiên cứu trong nhiều năm đã chứng tỏ khi chuyển vật liệu ở dạng khối sang dạng sợi thì độ bền của chúng tăng lên Trong những sợi mảnh, độ bền đạt tới giá trị gần với lý thuyết và khi đó trong cấu trúc không quan sát thấy khuyết tật

- Theo xu thế hiện đại, ngoài việc sử dụng thép thông thường cho những công trình xây dựng thì ở nước ngoài còn sử dụng những vật liệu mới

là Composite “sợi thủy tinh - polymer” và hướng tới sẽ có thể thay thế cho thép thông thường

* Ứng dụng vật liệu Composite trong xây dựng đối với nhà thấp tầng.

- Vật liệu Composite được nhà sản xuất cho biết rất phù hợp với việc xây dựng nhà thấp tầng, nhà riêng dân dụng, biệt thự Ngoài ra, vật liệu này ứng dụng rộng rãi đến các công trình có sử dụng bê tông cốt thép khác như các cấu kiện bê tông sàn, các cấu kiện nằm trong lòng đất như móng công trình hoặc các cấu kiện chịu tác động xâm hại của môi trường bên ngoài như công trình biển Trong xây dựng đường bộ, vật liệu Composite có thể sử dụng cho nền các con đường với cường độ lưu thông lớn và sử dụng với vai trò thép chịu lực Đồng thời, cũng có thể sử dụng vật liệu Composite để chế tạo các tấm bê tông cầu đường, trong các công trình phục vụ nông nghiệp vì vật liệu Composite không chứa nhựa Phenol Vật liệu này cũng được sử dụng cho các công trình thoát nước và công trình ngầm…

a) có sườn b) phủ cát c) bọc và phủ cátHình 1.4.Một số thanh FRP có trên thị trường

- Với những ưu điểm vượt trội, sản phẩm mới này cho phép cải tiến chất lượng và độ bền cho các công trình xây dựng dân dụng và hạ tầng kỹ thuật, góp những yếu tố tích cực vào sự phát triển của nền kinh tế đất nước Tuy nhiên, mọi vật liệu mới đều cần có thời gian mới ứng dụng cho các công trình trong nước Theo nhận định của một số chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng, thì đây được coi là vật liệu cho tương lai Nhưng, giá thành cũng như công nghệ chế tạo và chuyển giao công nghệ cũng là một điều rất đáng quan tâm

- Nhà riêng ở nước ta thường đổ bê tông tại chỗ, chiều cao dưới 6 tầng với cốt thép bê tông hình chữ nhật, các dầm bê tông cốt thép gối trên các cột, các tấm bê tông sàn và bê tông cầu thang Theo tính toán cụ thể của Cty Armastek, với sự thay thế cốt thép bằng vật liệu Composite sẽ có thể tiết kiệm 30% chi phí

- So sánh trọng lượng 1m dài thép có đường kính 10mm là 0,617 kg thì vật liệu Composite đường kính 7mm thay thế chỉ có trọng lượng 0,07kg và

1m dài vật liệu Composite đường kính 10mm là 0,12kg.

- Do đặc tính vượt trội so với các vật liệu truyền thống, vật liệu Composite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hàng không, vận tải, xây dựng, đóng tàu…

Vật liệu Composite là sự kết hợp của các vật liệu nhằm phát huy các ưu điểm về tính năng kỹ thuật của các vật liệu cấu thành Vật liệu này có khả năng chịu lực và độ cứng trên trọng lượng lớn, là loại vật liệu nhẹ so với các loại vật liệu truyền thống khác Đây là loại vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng trong tương lai, đặc biệt trong ngành xây dựng Vật liệu Composite thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và giới khoa học

- Với các tiêu chuẩn thiết kế và quy trình quy phạm hỗ trợ nghiệm thu sản phẩm và hướng dẫn thi công cốt sợi GFRP cho kết cấu bê tông cốt thép đã được ACI và các Hiệp hội Cầu đường Canada, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Ý, Trung Quốc xuất bản thì công tác thiết kế công trình sử dụng FRP không quá khó khăn với các kỹ sư xây dựng Việt Nam Còn việc gia công, vận chuyển

và lắp dựng cốt sợi GFRP trong công tác thi công lại thuận lợi hơn nhiều so với thi công thép thanh, do trọng lượng nhẹ, sạch sẽ và dễ cắt

- Tại Việt Nam, Composite cũng đang dần được đưa vào sử dụng trong đời sống hằng ngày và các ngành công nghiệp

* Một số công trình tiêu biểu sử dụng FRP tại Trung Quốc

- Về đường sắt (tàu điện ngầm): Bao gồm các nhà ga, hầm ngầm dưới lòng đất của một số nhà ga tại Bắc Kinh, Thượng Hải, Quảng Châu, Thẩm Quyến

- Mỏ khai thác: Mỏ khai thác than của Công ty Hạ Tây Trường An; mỏ khai thác than, quặng thô của Tập đoàn năng lượng Thần Hoa Bắc Kinh

- Sử dụng FRP trong đóng tàu tại Trung Quốc rất lớn đặc biệt trong thiết kế du thuyền

- Đường cao tốc Thạch Thái (Thạch Gia Trang, Tỉnh Thái Nguyên)

- Quảng trường Văn hóa Thiên Tân

- Bờ kè phía đông đường Phục Hưng, Thượng Hải.

- Bến tàu cao tốc trên cao, Nghi Sơn, Giang Nam

1.4 Kết luận Chương 1

Với những ưu điểm về vật liệu Composite như chịu tải lớn, khối lượng nhẹ so với các vật liệu thép truyền thống, không bị ăn mòn trong môi trường axit và về sự thuận tiện trong việc thi công nên việc thay thế cốt thép bằng vật liệu Composite trong thiết kế kết cấu bê tông là sự phát triển vượt bậc của ngành xây dựng cũng đặc biệt là lĩnh vực vật liệu xây dựng giúp tăng cường chất lượng công trình, tạo ra những cấu kiện chịu tải trọng lớn đặc biệt có thể thi công các công trình vùng biển, ngoài khơi

Do Việt Nam là nước có tài nguyên cát và dầu mỏ với trữ lượng lớn nên là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất vật liệu Composite giúp giảm giá thành xây dựng cũng như giảm chi phí cho việc vận chuyển tới công trường, cũng như trong quá trình lắp đặt thi công đảm bảo hiệu quả kỹ thuật cao về chất lượng và kinh tế

Sự thay thế cốt thép bằng vật liệu Composite giúp cho công trình có thể chịu tải lớn Vật liệu Composite có thể sửa chữa các cấu kiện hư hỏng giúp làm tăng độ cứng của cấu kiện, khả năng chịu lực của cấu kiện như cầu, hầm

Tải trọng thường xuyên thuộc loại tải trọng tác dụng dài hạn Hệ số vượt tải từ 1,05 - 1,3 tùy thuộc vào loại vật liệu và phương pháp thi công.

- Tải trọng tạm thời (Hoạt tải): Là tải trọng có thể thay đổi vị trí, độ lớn, chiều tác dụng trong quá trình thi công và sử dụng như người, thiết bị, hoạt tải cầu trục, gió,

Tải trọng tạm thời có thể có một phần tác dụng dài hạn (trọng lượng vách ngăn tạm, trọng lượng các thiết bị gắn cố định) và một phần tác dụng ngắn hạn Hệ số vượt tải từ 1,2 - 1,4

- Tĩnh tải tác dụng thường xuyên lên kết cấu, còn hoạt tải có thể xuất hiện tại những vị trí khác nhau vào những thời điểm khác nhau Nên cần phải xếp các trường hợp hoạt tải để tìm ra những giá trị nội lực lớn nhất có thể xảy

tầng, tiêu chuẩn còn cho phép giảm tải trọng tạm thời theo độ lớn của ô bản

và số tầng nằm trên tiết diện đang xét

* Tính toán nội lực:

Việc tính toán có thể tiến hành theo sơ đồ đàn hồi hay sơ đồ khớp dẻo

- Tính theo sơ đồ đàn hồi: Dùng các phương pháp của lý thuyết đàn hồi, sức bền vật liệu, cơ học kết cấu để xác định nội lực Tính riêng nội lực do tĩnh tải và do các trường hợp hoạt tải, rồi tổ hợp

Giả thiết của phương pháp là vật liệu đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng Điều này không phù hợp với BTCT vì bê tông là vật liệu đàn hồi dẻo, module đàn hồi của bê tông phụ thuộc vào ứng suất ở thời điểm đang xét, tức phụ thuộc vào tải trọng Trong tiết diện, lượng cốt thép phân bố không đều, nên độ cứng của cấu kiện thay đổi đáng kể khi kích thước tiết diện không đổi, vùng kéo thường xuất hiện khe nứt cũng làm giảm độ cứng

Khi tính toán cốt thép theo trạng thái giới hạn, biểu đồ ứng suất vùng nén lấy hình chữ nhật không phù hợp với phương pháp tính nội lực theo sơ đồ đàn hồi là biểu đồ ứng suất có dạng hình tam giác Tuy nhiên người ta vẫn sử dụng phương pháp này vì nó thiên về an toàn và nhiều trường hợp có thể sử dụng các bảng tính sẵn hay các chương trình tính kết cấu đã lập trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn

- Tính nội lực theo sơ đồ khớp dẻo: Dùng phương pháp cân bằng giới hạn:

Phương pháp này cho phép xác định được tải trọng giới hạn hay mômen giới hạn không phụ thuộc vào thứ tự xuất hiện khớp dẻo và thứ tự tác dụng của tải trọng

* Tính toán tiết diện: Thường giải quyết một trong hai bài toán sau

- Tính toán cốt thép: Từ tổ hợp nội lực và kích thước tiết diện đã chọn, tính toán cốt thép, kiểm tra hàm lượng cốt thép

- Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện: Trên cơ sở tổ hợp nội lực, giả thiết trước cốt thép rồi tính toán khả năng chịu lực của tiết diện

2.2 Sử dụng vật liệu Composite sợi thủy tinh thay thế cốt thép trong thiết

kế kết cấu khung BTCT

Bảng 2.1 - Các ký hiệu tính toán

A f = Diện tích tiết diện cốt FRP, mm2

A f,bar = Diện tích tiết diện một thanh FRP, mm2

A f,min = Diện tích tiết diện của cốt FRP tối thiểu cần thiết để cấu

kiện uốn không bị phá hỏng khi bị nứt, mm2

A f,sh = Diện tích tiết diện cốt FRP để chịu co ngót và chịu nhiệt độ,

A s = Diện tích cốt thép chịu kéo, mm2

a = Bề cao của biểu đồ ứng suất chữ nhật tương đương, mm

b = Bề rộng của tiết diện chữ nhật, mm

b o = Chu vi của tiết diện nguy hiểm đối với bản và đế móng, mm

b w = Bề rộng của bụng dầm, mm

C = Khoảng cách bước hay kích thước lớp bảo vệ, mm

C E = Hệ số giảm do môi trường đối với các loại sợi khác nhau và

các điều kiện phơi lộ khác nhau

c = Khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trục trung hòa, mm

c b = Khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trục trung hòa trong

điều kiện cân bằng biến dạng, mm

d = Khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trọng tâm của cốt chịu

kéo, mm

d b = Đường kính của thanh cốt, mm

d c = Bề dày lớp bêtông bảo vệ đo từ thớ kéo ngoài cùng đến tâm

của thanh cốt sợi hay của vùng sợi gần nhất với thớ đó, mm

E c = Môđun đàn hồi của bêtông, Mpa

E f = Môđun đàn hồi tính toán hay môđun đàn hồi được bảo đảm

của FRP được xác định bằng môđun trung bình của nhóm

mẫu thử (E f = E f,ave ), Mpa

E f,av = Môđun đàn hồi trung bình của FRP, Mpa

Es = Môđun đàn hồi của thép, Mpa

f c′ = Cường độ nén đặc trưng của bêtông, Mpa

= Căn bậc 2 của cường độ nén đặc trưng của bêtông, Mpa

f f = Ứng suất trong cốt FRP chịu kéo, Mpa

f fb = Cường độ của phần uốn cong của thanh FRP, Mpa

f fe = Ứng suất trong thanh có thể triển khai trong chiều dài chôn

le , Mpa

f fr = Ứng suất yêu cầu của thanh, Mpa

f f,s = Mức ứng suất phát sinh trong FRP do tải trọng dài hạn, Mpa

f fu = Cường độ kéo thiết kế của FRP có xét sự giảm do môi

trường sử dụng, Mpa

= Cường độ kéo được bảo đảm của thanh FRP, được xác định bằng cường độ kéo trung bình của nhóm mẫu thử, trừ đi ba

lần độ lệch chuẩn (f u * = f u,ave− 3σ), Mpa

f fv = Cường độ kéo của thanh FRP khi thiết kế chịu cắt, lấy bằng

giá trị nhỏ nhất trong các giá trị: cường độ kéo thiết kế f fu , cường độ kéo của phần uốn cong của đai FRP f fb hoặc ứng

suất tương ứng với 0,004E f , Mpa

fs = Ứng suất cho phép trong cốt thép, Mpa

f u,ave = Cường độ kéo trung bình của nhóm mẫu thử, Mpa

f y = Ứng suất chảy đặc trưng của cốt thép không ứng lực trước,

Mpa

h = Bề cao toàn thể của cấu kiện uốn, mm

I = Mômen quán tính, mm4

I cr = Mômen quán tính của tiết diện đã biến đổi do nứt, mm4

Ie = Mômen quán tính hữu hiệu, mm4

I g = Mômen quán tính của tiết diện nguyên, mm4

K1 = Tham số xét đến các điều kiện biên

k = Tỉ số của khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trục trung

hòa và đến cốt chịu kéo

kb = Hệ số phụ thuộc độ dính kết

L = Khoảng cách giữa các khe nối trong bản đặt trên đất, mm

= Chiều dài vượt nhịp của cấu kiện, m

= Chiều dài neo bổ sung tại gối tựa hay tại điểm uốn, mm

= Chiều dài neo cơ bản của móc FRP tiêu chuẩn chịu kéo, mm

= Chiều dài neo, mm

= Chiều dài chôn của thanh cốt, mm

= Chiều dài của phần đuôi sau móc của thanh FRP, mm

M a = Mômen lớn nhất trong cấu kiện tại giai đoạn tính toán độ

võng, N-mm

M cr = Mômen gây nứt, N-mm

M n = Khả năng chịu uốn danh nghĩa, N-mm

M s = Mômen do tải trọng dài hạn, N-mm

M u = Mômen có nhân hệ số (còn gọi là mômen tính toán) tại tiết

diện, N-mm

n f = Tỉ số giữa môđun đàn hồi của thanh FRP so với môđun đàn

hồi của bêtông

r b = Bán kính uốn phía trong của thanh FRP, mm

s = Khoảng cách đai hay bước của cốt xoắn liên tục, và khoảng

cách thanh FRP dọc, mm

T g = Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, oC

u = Ứng suất dính trung bình tác dụng trên bề mặt thanh FRP,

Mpa

V c = Khả năng chịu cắt danh nghĩa tạo bởi bêtông, N

V f = Khả năng chịu cắt tạo bởi đai FRP, N

V n = Khả năng chịu cắt danh nghĩa tại tiết diện, N

V s = Khả năng chịu cắt tạo bởi đai thép, N

V u = Lực cắt có nhân hệ số (còn gọi là lực cắt tính toán) tại tiết

diện, N

w = Bề rộng vết nứt lớn nhất, mm

α = Góc nghiêng của đai hoặc của cốt xoắn, hệ số điều chỉnh

cho thanh trên đỉnh α1 = Tỉ số giữa ứng suất trung bình của biểu đồ ứng suất chữ

nhật tương đương so với f c ’

αL = Hệ số giãn nở nhiệt theo phương dọc 1/oC

αT = Hệ số giãn nở nhiệt theo phương ngang 1/oC

β = Tỉ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo tại

biên so với khoảng cách từ trục trung hòa đến tâm của cốt chịu kéo

β1 = Hệ số lấy bằng 0,85 đối với cường độ bêtông f c ’ tới 28 MPa

Với cường độ lớn hơn 28 MPa, hệ số này sẽ giảm liên tục với mức 0,05 cho mỗi giá trị 7 MPa vượt quá 28 MPa nhưng không lấy nhỏ hơn 0,65

βd = Hệ số giảm dùng tính độ võng

∆(cp +sh) = Độ võng bổ sung do từ biến và co ngót dưới tải trọng dài

hạn, mm

(∆i ) sus = Độ võng tức thời do tải trọng dài hạn, mm

(∆/l)max = Tỉ lệ giới hạn độ võng so với nhịp

εc = Biến dạng tỉ đối của bêtông

εcu = Biến dạng tỉ đối cực hạn của bêtông

εf = Biến dạng tỉ đối khi đứt của cốt FRP

= Biến dạng tỉ đối khi đứt được bảo đảm của cốt FRP, xác định bằng biến dạng tỉ đối trung bình lúc phá hủy của nhóm các mẫu thử trừ đi 3 lần độ lệch chuẩn (εfu * =εu,ave− 3σ), mm

εu,ave = Biến dạng tỉ đối trung bình lúc kéo đứt của nhóm các mẫu

thử

η = Tỉ số của khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm

của cốt kéo (d) so với bề cao toàn thể của cấu kiện uốn (h)

λ = Hệ số nhân cho độ võng dài hạn bổ sung

µ = Hệ số ma sát nền đất để tính toán cốt chịu co ngót và nhiệt

độ của bản đặt trên đất

ξ = Hệ số theo thời gian của tải trọng dài hạn

ρ′ = Hàm lượng của cốt thép chịu nén, ρ′ =As′ /bd

ρb = Hàm lượng cốt thép tạo nên điều kiện cân bằng của biến

ρf,ts = Hàm lượng cốt của FRP do nhiệt độ và chịu co ngót

ρmin = Hàm lượng cực tiểu đối với cốt thép

* Phương pháp thiết kế

Nguyên tắc thiết kế theo trạng thái giới hạn tức là một cấu kiện bê tông cốt FRP phải được thiết kế theo độ bền yêu cầu (tức nội lực) rồi được kiểm tra về độ chịu mỏi, độ chịu phá hủy do từ biến và tiêu chí về sử dụng Trong nhiều trường hợp, tiêu chí sử dụng hoặc giới hạn chịu đựng mỏi và phá hủy từ biến có thể quyết định việc thiết kế cấu kiện chịu uốn bằng bê tông có cốt FRP (đặc biệt là các thanh FRP aramit và FRP thủy tinh có độ cứng kém)

* Các đặc trưng tính toán của vật liệu

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

f = cường độ kéo tính toán hay thiết kế của FRP có xét đến sự suy

giảm trong môi trường sử dụng, Mpa

Môđun đàn hồi thiết kế sẽ lấy bằng giá trị của nhà sản xuất tức là môđun đàn hồi trung bình (giá trị được bảo đảm) của một bộ các mẫu thử

,

(E f = E f ave)

Bảng 2.2 - Hệ số giảm do môi trường cho cường độ kéo tính toán, với

các loại sợi và điều kiện phơi lộ khác nhau

Điều kiện phơi lộ Loại sợi Hệ số giảm do môi

dụng cao hơn nhiệt độ T g của nhựa dùng cho chế tạo sợi

* Cường độ kéo tại chỗ uốn cong của thanh FRP

Cường độ kéo tại chỗ uốn cong của thanh FRP có thể được xác định bằng công thức:

f = cường độ kéo tính toán tại chỗ uốn cong của thanh FRP, Mpa.

b

r = bán kính uốn, mm

trường sử dụng, Mpa

Một số nghiên cứu khác về máy móc của thanh FRP cho thấy lực kéo phát sinh trong phần cong của thanh FRP sợi thủy tinh là chịu ảnh hưởng lớn

của tỉ số bán kính cong trên đường kính thanh r b /d b , chiều dài phần đuôi ở

mức thấp hơn của cường độ bê tông

2.2.1.2 Thiết kế cấu kiện chịu nén

2.2.1.2.1 Cấu tạo cột có cốt FRP

Cũng tương tự các kết cấu chịu nén bê tông cốt thép thông thường, kết cấu chịu nén có cốt chịu lực dùng thanh FRP cũng có các dạng tiết diện thông dụng như trên hình 2.1

a) – Cột chịu nén đúng tâm, bố trí FRP theo chu vi; b) – Cột chịu nén lệch tâm bố trí FRP đối xứng; c) – Cột chịu nén lệch tâm bố trí FRP không đối xứng

Hình 2.1 Bố trí cốt FRP trong cột

2.2.1.2.2 Đặc điểm cấu tạo:

* Kích thước tiết diện:

- Cấu kiện chịu nén đúng tâm thường có tiết diện đối xứng qua 2 trục như: tròn, vuông, đa giác đều, vành khuyên, hộp vuông, …

- Cấu kiện chịu nén lệch tâm thường có tiết diện hình chữ nhật, T, I, …

chiều cao h phải song song với mặt phẳng uốn, quan hệ b-h thường là 1,5)xb

h=(1,2 Việc xác định sơ bộ tiết diện cần thiết cho việc giải nội lực kết cấu, tiết diện được xác định sơ bộ như sau:

b

R

N k

(2-3a)Trong đó: N: Lực dọc tính toán, xác định sơ bộ bằng cách cộng tổng tải trọng của tất cả các tầng

k: hệ số xét đến ảnh hưởng của moment, lấy bằng (0,9 - 1,1) cho cấu kiện chịu nén đúng tâm, bằng (1,2 – 1,5) đối với cấu kiện chịu nén lệch tâm

Rb: Cường độ chịu nén của bê tông

- Khi chọn kích thước

tiết diện cần chú ý đến điều

kiện ổn định, có liên quan đến

Trong đó: Lo: Chiều cao tính toán của cấu kiện

Hình 2.2 Xác định Lo, với H là chiều cao cấu kiệnr: bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện

λgh: độ mảnh giới hạn, lấy như sau:

+ Đối với cột nhà:

λgh = 120, λob = 31

+ Đối với cấu kiện khác:

λgh = 200, λob = 52.

* Cấu tạo cốt FRP

- Theo cấu kiện chịu nén đúng tâm cốt FRP thường được bố trí theo chu

vi (đối xứng theo các cạnh)

- Trong cấu kiện chịu nén lệch tâm cốt FRP có thể được bố trí đối xứng (theo phương chịu lực) hoặc không đối xứng

+ Bố trí đối xứng khi cột có moment đổi dấu

+ Bố trí không đối xứng khi cột có moment 2 hướng khác nhau

- Hàm lượng cốt thép được qui định như sau:

+ Cấu kiện chịu nén đúng tâm: µmin≤µ%= 100≤µmax =3,0%

o

st

bh A

+ Cấu kiện chịu nén lệch tâm: µmin≤µ%= 100≤µmax =3,5%

o

st

bh A

+ Ast là lượng FRP tổng cả 2 phía tiết diện (chịu kéo và chịu nén); trong một số trường hợp cho phép hàm lượng µmax > 3,0% (3,5%) nếu đảm bảo việc thi công tốt, nhưng µmax không vượt quá 6%

+ Hàm lượng tối thiểu µmin phụ thuộc độ mảnh, lấy theo bảng

Bảng 2.3: Hàm lượng µmin theo độ mảnh

(với λh = Lo/h, h là cạnh lớn tiết diện)

+ Hàm lượng kinh tế vào khoảng (1,5 – 2,5)%

- Cốt đai trong cột thường bố trí cấu tạo (vì lực cắt trong cột thường rất nhỏ) theo các yêu cầu sau: