Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- TRỊNH LIÊN HƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT GFRP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

TRỊNH LIÊN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN

CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT GFRP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN

Hà Nội – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VŨ NGỌC ANH

TS NGUYỄN PHAN DUY

Hà Nội – 2015

LỜI CẢM ƠN

Với sự hướng dẫn tận tình của Thầy PGS.TS Vũ Ngọc Anh và thầy

TS Nguyễn Phan Duy, luận văn đã được hoàn thành sau nhiều tháng nghiên cứu và tổng hợp Bằng lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu nhà trường, Khoa đào tạo Sau Đại học, các Thầy Cô giảng dạy lớp CH2013X1 cùng giảng viên hướng dẫn đề tài đã giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Tác giả

Trịnh Liên Hương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

Tác giả luận văn

Trịnh Liên Hương

NỘI DUNG

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ BÊ TÔNG CỐT GFRP 4

1.2.4 Tình hình phát triển của vật liệu FRP trong lĩnh vực xây dựng 21 1.2.5 Một số công trình đã sử dụng bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRP) 25

CHƯƠNG II

NGHIÊN CỨU CẤU KIỆN CHỊU UỐN SỬ DỤNG CỐT GFRP 31 2.1 Tính toán cấu kiện chịu uốn bê tông cốt thép và bê tông cốt GFRP theo trạng thái giới hạn I

31

2.2 Tính toán cấu kiện chịu uốn bê tông cốt thép và bê tông cốt GFRP theo TTGH II

2.3 Tính toán dầm bê tông cốt sợi FRP theo tiêu chuẩn ACI 440.1R-06

và dầm bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn ACI 318-02

3.2 Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý cốt sợi GFRP của công ty cổ phần cốt sợi Polyme Việt Nam

67

3.3 Thí nghiệm và so sánh sự bám dính khi kéo giữa bê tông cốt thép và

bê tông cốt GFRP của công ty cổ phần cốt sợi Polyme Việt Nam

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

w

d

cb chiều cao vùng nén là khoảng cách từ mặt ngoài cùng bêtông

đến trục trung hòa của mặt cắt

DL LL

W , W tĩnh tải và hoạt tải tiêu chuẩn

ρfb hệ số cân bằng FRP mặt cắt ngang chữ nhật (hàm lượng cốt

FRP trong trường hợp cân bằng)

'

giản hoặc dầm liên tục

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại sợi thủy tinh

Bảng 1-2 Các đặc trưng cơ học của thép và thanh GFRP

Bảng 1-3 Đặc trưng tính chất cơ học khi kéo của thanh GFRP Bảng 1-4 Hệ số suy giảm do môi trường

Bảng 2-1 Hàm lượng cốt tối thiểu (%)

Bảng 2-2 Lựa chọn kích thước tiết diện dầm

Bảng 2-3 Bảng xác định giá trị của hệ số 

Bảng 2-4 Chiều rộng vết nứt cho phép của cấu kiện bê tông cốt

GFRP và cốt thép Bảng 2-5 Tải trọng-độ võng của dầm GFRP 212, P từ 0-4,5 (T) Bảng 2-6 Tải trọng-độ võng của dầm GFRP214, P từ 0-4,5 (T) Bảng 2-7 Tải trọng-độ võng của dầm GFRP316, P từ 0-4,5 (T) Bảng 2-8 Tải trọng-độ võng của dầm BTCT-212, P từ 0-4,5 (T) Bảng 2-9 Tải trọng-độ võng của dầm BTCT-214, P từ 0-4,5 (T) Bảng 2-10 Tải trọng-độ võng của dầm BTCT-3 16, P từ 0-4,5 (T) Bảng 3-1 Kết quả thí nghiệm cường độ mẫu lập phương

Bảng 3-2 Kết quả thí nghiệm cường độ mẫu lăng trụ

Bảng 3-3 Kết quả thí nghiệm mođun đàn hồi mẫu lăng trụ

Bảng 3-4 Kết quả thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý cốt sợi

GFRP 14 Bảng 3-5 Kết quả thí nghiệm bám dính thanh GFRP D14

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Mẫu xác định R k

Hình 1-2 Đồ thị ứng suất - biến dạng của bê tông chịu tải trọng

tác dụng ngắn hạn Hình 1-3 Đồ thị biểu diễn quan hệ    khi tăng và giảm tải

trọng Hình 1-4 Đồ thị biểu diễn từ biến của bê tông

Hình 1-5 Biến dạng dẻo của cốt thép

Hình 1-6 Biểu đồ    của các loại thép

Hình 1-7 Sợi thủy tinh

Hình 1-8 Hình dạng thanh cốt sợi thủy tinh

Hình 1-9: Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP và thép Hình 1-10 Thi công chế tạo dầm bản, vách ngăn cốt Composite Hình 1-11 Bê tông cốt FRP cho kết cấu mặt đường

Hình 1-12 Thi công đúc nắp đan giếng cốt Composite

Hình 1-13 Cấu tạo cọc cốt Composit thông thường

Hình 1-14 Thi công chế tạo cọc cốt Composit thông thường

Hình 1-15 Thi công chế tạo cọc cốt Composit dự ứng lực

Hình 1-16 Thi công sữa chữa tăng cường móng cầu bằng bê tông

Composite Hình 1-17 Thi công móng cốt Composite

Hình 1-18 Thanh FRP cho kết cấu tường vây

Hình 1-19 Bê tông cốt composite dùng khu vực điện cao thế

Hình 1-20 Cầu bộ hành qua đường cao tốc Poznan-Kornik BaLan Hình 1-21 Cầu bộ hành Apatech ở Moscow Nga

Hình 1-22 Cầu bộ hành Aberfeldy ở Scotland

Hình 1-23 Cầu Lleida ở Tây Ban Nha

Hình 1-24 Kênh thoát nước ở Nga

Hình 1-25 Ga tàu điện ở Nhật Bản

Hình 1-26 Chung cư 56 Nguyễn Chí Thanh của tập đoàn

VINGROUP Việt Nam Hình 1-27 Trạm quan trắc ra đa tại Trường Sa Việt Nam

Hình 1-28 Thi công công trình bể sinh thái Quận 7, TP HCM Hình 1-29 Thi công đà kiềng, sàn cốt coposite nhà xưởng Vũng Tàu Hình 1-30 Triển lãm sản phẩm cốt sợi Composite của công ty LSK Hình 2-1 Sơ đồ ứng suất của tiết diện có cốt đơn

Hình 2-2 Sơ đồ ứng suất của tiết diện có cốt kép

Hình 2-3 Biến dạng, ứng suất, lực trong điều kiện cân bằng mặt

cắt cấu kiện cốt FRP Hình 2-4 Biến dạng, ứng suất và hợp lực trong mặt cắt bố trí

nhiều cốt FRP Hình 2-5 Biến dạng, ứng suất và hợp lực trong mặt cắt cấu kiện

bố trí ít cốt FRP Hình 2-6 Sơ đồ tính và cấu tạo của dầm bê tông cốt FRP

Hình 3-1 Gia tải nén phá hoại mẫu lập phương

Hình 3-2 Gia tải nén phá hoại mẫu trụ

Hình 3-3 Tổ mẫu gồm 3 thanh cốt sợi GFRP

Hình 3-4 Gia tải kéo mẫu thử

Hình 3-5 Mẫu thử bị phá hoại

Hình 3-6 Biểu đồ thí nghiệm kéo của thanh GFRP số 1

Hình 3-7 Biểu đồ thí nghiệm kéo của thanh GFRP số 2

Hình 3-8 Biểu đồ thí nghiệm kéo của thanh GFRP số 3

Hình 3-9 Thí nghiệm bám dính thanh GFRP đường kính D14

Hình 3-17 Thí nghiệm dầm bê tông chịu uốn

Hình 3-18 Sự phát triển vết nứt của dầm thép và dầm GFRP 2phi12 Hình 3-19 Biểu đồ lực-độ võng của dầm thép và dầm GFRP 2phi

12, thời điểm P=1 tấn

Hình 3-20 Biểu đồ lực-độ võng của dầm thép và GFRP 2 phi 12,

thời điểm P=4,5 tấn Hình 3-21 Biểu đồ lực-độ võng của dầm thép và GFRP 2 phi 14,

thời điểm P=4,5 tấn Hình 3-22 Biểu đồ lực-độ võng của dầm thép và GFRP 3 phi 16,

thời điểm P=4,5 tấn Hình 3-23 Biểu đồ lực và độ võng của dầm thép và GFRP với hàm

lượng cốt khác nhau Hình 3-24 Biểu đồ quan hệ P-f của dầm BTCT và GFRP 2phi12 đã

bị nứt trước khi gia tải Hình 3-25 Biểu đồ quan hệ P-f của dầm BTCT và GFRP 2phi14 đã

bị nứt trước khi gia tải Hình 3-26 Biểu đồ quan hệ P-f của dầm BTCT và GFRP 3phi16 đã

bị nứt trước khi gia tải

Do địa hình tiếp giáp với biển và có nền khí hậu khắc nghiệt, các công trình xây dựng ở Việt Nam chịu ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố thời tiết và hơi nước biển Các kết cấu công trình như kết cấu thép, kết cấu bêtông cốt thép sau một thời gian đưa vào khai thác và sử dụng, các vết nứt xuất hiện với bề rộng và mật độ lớn hơn giới hạn cho phép dẫn đến cốt thép bị ăn mòn làm cho kết cấu bị suy giảm về khả năng chịu lực

Ngoài ra, do yêu cầu bảo mật ở các công trình quân sự đòi hỏi phải sử dụng các kết cấu không dẫn nhiệt, không dẫn điện và đặc biệt không dẫn từ

[6]

Hiện nay, công ty Cổ phần cốt sợi Polyme Việt Nam đã sản xuất dạng công nghiệp cốt GFRP có những đặc tính kỹ thuật ưu việt so với vật liệu truyền thống: không từ tính, độ dẫn điện và dẫn nhiệt thấp, khả năng chống ăn mòn môi trường xâm thực cao, cường độ chịu kéo lớn, nhẹ hơn thép nhiều lần

là loại vật liệu thích hợp sử dụng trong các kết cấu bê tông đòi hỏi các yêu cầu đặc trưng nêu trên

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP” sẽ nghiên cứu quan hệ giữa độ võng và ngoại lực sau khi dầm bê tông cốt GFRP đã xuất hiện một vài vết nứt do uốn, nghiên cứu khả năng chịu lực của dầm khi sử dụng cốt GFRP đồng thời so sánh với dầm bê tông cốt thép thường nhằm mục đích ứng dụng bê tông cốt GFRP cho các công trình ven biển

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Tìm hiểu về vật liệu cốt sợi GFRP, một loại vật liệu mới có nhiều đặc tính kỹ thuật ưu việt, bền vững trong môi trường muối, axit và các chất ăn mòn khác có thể dùng để thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt thép trong các cấu kiện của công trình xây dựng

Tìm hiểu phương pháp tính toán cấu kiện chịu uốn làm từ cốt GFRP Làm quen với nghiên cứu thực nghiệm

Tìm hiểu ứng xử của dầm bê tông cốt GFRP ở trạng thái giới hạn II, khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt GFRP, so sánh với dầm bê tông cốt thép thường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt GFRP làm từ bê tông nặng, cấp độ bền B20

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu ứng xử chịu uốn (khả năng chịu lực, độ võng, vết nứt)

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

- Thu thập các tài liệu, tiêu chuẩn liên quan đến cốt sợi GFRP và bê tông cốt sợi GFRP

- Tìm hiểu các vấn đề liên quan tới tính toán cấu kiện bêtông cốt GFRP chịu uốn

- Tổng hợp, phân tích số liệu từ kết quả thí nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ở nước ta, vật liệu cốt sợi GFRP là mới nhưng có tiềm năng ứng dụng là rất lớn bởi yêu cầu đầu tư xây dựng công trình ở các vùng biển, ven biển và hải đảo mới bắt đầu phát triển và lợi thế về giá thành của loại vật liệu này trên thị trường Việt Nam hiện nay quy đổi tương đương cốt thép có cùng khả năng chịu lực Việc sử dụng cốt GFRP thay thế cho cốt thép sẽ tiết kiệm từ 7-10%

THÔNG BÁO

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

Email: digilib.hau@gmail.com

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

KẾT LUẬN

- Vật liệu thanh cốt sợi thủy tinh GFRP có những đặc tính vượt trội so với vật liệu thép: cường độ kéo cao hơn thép ba lần, khối lượng riêng nhẹ hơn thép 5 lần, khả năng chống ăn mòn cao, không từ tính, không dẫn nhiệt, không dẫn điện, dễ gia công cưa cắt, lắp đặt, vận chuyển, là vật liệu bền vững

và thân thiện với môi trường do nguyên liệu sản xuất cốt sợi là từ cát, bột thạch anh hay đá vôi và vật liệu nền là các polyme nhựa dẻo được chế xuất từ phế thải công nghiệp dầu mỏ được tái chế để sử dụng

- Hiện nay, nước ta chưa ban hành tiêu chuẩn mà chỉ có chỉ dẫn thiết kế

và thi công kết cấu bê tông có cốt là thanh polyme cốt sợi của công ty NUCETECH (Đại học Xây dựng) Tuy nhiên, chúng ta có thể ứng dụng tiêu chuẩn ACI để tính toán thiết kế dầm bê tông cốt sợi thuỷ tinh FRP tại Việt Nam

- Lý thuyết và thực nghiệm chịu uốn đối với dầm bê tông cốt thép và cốt GFRP với cùng tiết diện, cùng chiều dài, cùng đường kính cốt dọc chịu lực và cách bố trí cốt trong dầm cho thấy:

Giai đoạn đầu, khi chưa hình thành vết nứt, dầm cốt GFRP ứng xử giống dầm bê tông cốt thép Tính toán cho thấy trước khi nứt thì dầm bê tông cốt sợi FRP và dầm bê tông cốt thép có cùng giá trị độ võng khi ở cùng cấp tải, nhưng giá trị này khác nhau sau khi dầm đã bị nứt

Sau khi vết nứt xuất hiện, vết nứt của dầm cốt GFRP phát triển nhanh

và độ võng cũng lớn hơn so với dầm bê tông cốt thép thông thường Với dầm

bê tông cốt GFRP đặt nhiều thanh tiết diện lớn, độ võng và vết nứt ít hơn so với dầm bê tông cốt GFRP có hàm lượng cốt thấp

Nếu làm việc ở trạng thái giới hạn thứ hai thì dầm bê tông cốt GFRP bất lợi nhiều hơn so với dầm bê tông cốt thép cùng loại (do độ cứng của dầm

bê tông cốt GFRP nhỏ hơn 2 đến 3 lần so với dầm bê tông cốt thép thường)

Khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt sợi FRP cao hơn khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép có cùng kích thước, cùng loại vật liệu và cùng đường kính cốt dọc chịu lực Lực phá hoại của dầm cốt GFRP lớn hơn dầm bê tông cốt thép Đối với dầm nhiều thanh GFRP tiết diện lớn, lực phá hoại nhỏ hơn dầm bê tông cốt thép, do bê tông vùng nén trong dầm cốt GFRP bị ép vỡ phá hủy trước

KIẾN NGHỊ

- Vật liệu thanh cốt sợi composite rất thích hợp với các công trình được xây dựng trong môi trường ngập mặn, chế tạo các loại cọc bê tông cốt composite, móng của công trình cầu hay bờ kè gia cố ven biển

- Thanh GFRP không thể hiện vùng chảy trước khi bị kéo đứt, mô đun đàn hồi và lực bám dính với bê tông thấp hơn so với thép Bên cạnh đó, thanh GFRP chịu tải trọng không đổi quá lâu có thể bị phá hỏng sau một khoảng thời gian, hiện tượng này được gọi là phá hủy do từ biến hay sự mỏi tĩnh

Do vậy, không nên sử dụng vật liệu thanh cốt sợi GFRP cho những kết cấu có yêu cầu khắt khe về điều kiện sử dụng (độ võng, vết nứt) Khi tính toán thiết kế cần phải có hệ số an toàn tương đối cao để tránh sự phá hoại đột ngột của dầm Khi dùng bê tông cốt GFRP làm kết cấu chịu lực thì cần phải kiểm tra điều kiện về độ võng nhất là sau khi dầm bê tông đã có vết nứt Vật liệu GFRP thích hợp cho những kết cấu phụ trong công trình dân cư khu vực ven biển và hải đảo

- Không nên dùng thanh cốt GFRP trong kết cấu mà sự toàn vẹn của kết cấu chủ yếu do khả năng chống cháy

- Cần xây dựng và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn áp dụng để thuận lợi trong việc thiết kế, thi công và nghiệm thu công trình có sử dụng cốt GFRP ở Việt Nam

Định hướng nghiên cứu tiếp theo:

- Cần tiếp tục nghiên cứu để sử dụng GFRP làm cốt cho kết cấu bê tông, đặc biệt nghiên cứu về từ biến, về mỏi và độ bền nhiệt của GFRP

- Nghiên cứu về tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt GFRP trong môi trường xâm thực mặn hoặc trong trường hợp dùng bê tông được chế tạo từ cát

biển và nước biển để phục vụ các công trình ven biển và hải đảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

máy TC 01:2014/FRP VIETNAM, Hà Nội

dẫn thiết kế và thi công kết cấu bêtông có cốt thanh Polime, Hà Nội

Cống (2006), Giáo trình Kết cấu bê tông cốt thép, nhà xuất bản Khoa

học và Kỹ thuật, Hà Nội

cốt thép tiêu chuẩn ACI 318-2002, nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội

[5] Nguyễn Đức Hoàn (2014), Nghiên sự làm việc chịu uốn của dầm bê

tông cốt sợi thủy tinh có hàm lượng cốt thấp bằng phương pháp thực nghiệm, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Xây dựng

[6] Nguyễn Thanh Trung (2014), Nghiên cứu tính toán cấu kiện bê tông

cốt composite, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Đà Nẵng

[7] Đỗ Đức Thắng (2012), “Triển vọng ứng dụng cốt sợi thủy tinh gia

cường Polymer thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép ở Việt

Nam”, tạp chí Khoa học công nghệ xây dựng, (số 14/12-2012)

Tiếng Anh

Structural Concrete Reinforced with FRP Bars

Solution, Reinforce safely without Steel

[10] Lawrence C.Bank, Composite for Construction Structural Design with

FRP Materials, John Wiley & Son, inc

[11] W.K Feeser and V.L Brown,Guide Examples for Design of Concrete

Reinforced with FRP Bars