Bài viết trình bày một phương pháp xác định khả năng chịu lực này bằng các nghiên cứu lý thuyết. Kết quả của bài viết có thể là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư thiết kế và là định hướng cho các nghiên cứu thực nghiệm.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 13 (4V): 73–81 KHẢ NĂNG CHỊU MÔ MEN UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT HỖN HỢP THÉP VÀ GFRP THEO TCVN 5574:2018 Phan Minh Tuấna,∗ a Khoa Xây dựng dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 16/08/2019, Sửa xong 06/09/2019, Chấp nhận đăng 12/09/2019 Tóm tắt Cốt sợi thủy tinh (GFRP) loại vật liêu bước ứng dụng vào thị trường xây dựng Việt Nam Thanh cốt sợi thủy tinh với đặc tính đàn hồi tuyến tính khiến dầm bê tơng cốt sợi thủy tinh ln bị phá hoại giòn, dẫn đến làm giảm khả chịu mô men uốn Việc sử dụng kết hợp cốt thép cốt GFRP giúp cải thiện vấn đề Tuy nhiên, việc xác định khả chịu mô men uốn dầm bê tông cốt hỗn hợp thép GFRP chưa có tiêu chuẩn hướng dẫn Dựa theo quan hệ ứng suất-biến dạng vật liệu theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018, báo trình bày phương pháp xác định khả chịu lực nghiên cứu lý thuyết Kết báo tài liệu tham khảo tốt cho kỹ sư thiết kế định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm Từ khoá: cốt GFRP; cốt thép; cốt hỗn hợp thép GFRP; khả chịu mô men uốn; TCVN 5574:2018 MOMENT CAPACITY OF REINFORCED CONCRETE BEAM USING HYBRID (STEEL AND GFRP) BARS CONFORMING TO TCVN 5574:2018 Abstract Glass fiber reinforcement polymer (GFRP) is a new kind of material that is being gradually applied to the construction market in Vietnam GFRP-reinforced concrete beams always fail in brittle because of linear elastic property of GFRP bar As a result, the moment capacity of GFRP-reinforced concrete beams is decreased Combination of steel and GFRP bars will help improve this problem However, the prediction of moment capacity of reinforced concrete beam using hybrid (steel and GFRP) bars has not been guided in the design code Based on theoretical study using stress-strain relationships of materials conforming to TCVN 5574:2018, this paper presents a method for predicting the moment capacity of the reinforced concrete beam The results of this paper could be a good reference for design engineers and could lay a foundation for experimetal studies Keywords: GFRP bar; steel bar; hybrid (steel and GFRP) bars; moment capacity; TCVN 5574:2018 https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(4V)-07 c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Sợi thủy tinh GFRP (Glass fiber reinforced polymer) vật liệu có nhiều đặc tính ưu việt cường độ chịu kéo lớn thép nhiều lần, trọng lượng nhẹ lại khơng bị gỉ, ăn mòn, khơng nhiễm từ tính [1, 2] Cốt thép sợi thủy tinh GFRP ứng dụng thay cốt thép kết cấu bê tông số phạm vi định cơng trình biển, đảo, phòng chống nhiễm từ tính bệnh viện, mặt cầu, đường bị phủ tuyết ∗ Tác giả Địa e-mail: tuanpm@nuce.edu.vn (Tuấn, P M.) 73 Tuấn, P M / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Gần đây, số doanh nghiệp Việt Nam trực tiếp sản xuất cốt GFRP cố gắng đưa vào thị trường để thay cốt thép thường [3] Tuy nhiên, đặc tính vật liệu GFRP đàn hồi (giòn bê tơng) nên dầm bê tơng cốt GFRP thường bị phá hoại đột ngột, tính cảnh báo [1, 2] , có mơ đun đàn hồi thấp nên dầm GFRP thường có độ võng vết nứt lớn nên khó đưa vào áp dụng thực tế [4] Để khắc phục nhược điểm số nghiên cứu kết hợp cốt thép với cốt GFRP để làm thành dầm bê tông có cốt hỗn hợp thép GFRP (cốt SGFRP) với mục đích cải thiện khả chịu mơ men uốn giới hạn dầm khống chế hay giảm thiểu độ võng vết nứt Đã có nhiều nghiên cứu làm việc dầm bê tông cốt FRP túy, nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết, riêng vật liệu cốt hỗn hợp thép FRP số lượng nghiên cứu hạn chế, chủ yếu làm thí nghiệm Tan [5] thí nghiệm dầm bê tơng cốt hỗn hợp thép FRP, kết cho thấy hàm lượng cốt FRP bé nửa hàm lượng tổng cốt hỗn hợp thép FRP đủ thỏa mãn điều kiện sử dụng hạn chế biến dạng Aiello Ombres [6], qua thí nghiệm dầm cốt hỗn hợp thép FRP, cho thấy hiệu cốt thép giúp dầm cốt FRP cải thiện đáng kể biến dạng khả chịu lực Lau Pam [7] làm thí nghiệm 12 mẫu dầm có cốt GFRP, cốt thép cốt hỗn hợp thép GFRP, kết cho thấy việc bố trí thêm cốt thép làm tăng độ dẻo dầm khuyến cáo nên bố trí hàm lượng cốt thép lớn thiết kế dầm cốt hỗn hợp Việc tính tốn khả chịu mơ men uốn dầm bê tơng có cốt hỗn hợp SGFRP chưa có hướng dẫn tính tốn cụ thể theo tiêu chuẩn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018 [8], việc nghiên cứu tính loại dầm cần thiết Đây nội dung báo Lý thuyết tính tốn dầm bê tơng cốt hỗn hợp SGFRP Tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 [8] ban hành vào cuối năm 2018 với nhiều điểm đáng quan tâm chý ý, thay đổi mơ hình ứng suất sang mơ hình biến dạng (chấp nhận giả thiết tiết diện phẳng) tính tốn tiết diện cấu kiện Sự thay đổi đáng kể nằm giá trị đặc trưng biến dạng Tiêu chuẩn có quy định rõ giá trị biến dạng (kể biến dạng giới hạn) bê tông thép Dựa theo tiêu chí ta khảo sát làm việc dầm bê tông cốt hỗn hợp SGFRP 2.1 Các dạng phá hoại dầm bê tông cốt hỗn hợp SGFRP Trên tiết diện thẳng góc, dầm bê tơng cốt thép thường thiết kế cốt thép không nhiều để cốt thép chảy dẻo trước bê tông bị ép vỡ Sự chảy dẻo thép tạo nên tính dẻo dầm giúp cảnh báo phá hủy cấu kiện (phá hoại dẻo) [4, 9] Cốt GFRP thềm dẻo nên lý luận khơng Với dầm bê tơng cốt GFRP, cốt GFRP đàn hồi bê tông nên dẫn [1, 2] khuyến khích bố trí nhiều cốt dọc GFRP để phá hoại bê tông vùng nén trước cốt GFRP đứt Với dầm cốt hỗn hợp SGFRP xảy dạng phá hoại sau theo Hình 1: - Dạng (Hình 1(a)): Phá hoại đứt cốt GFRP (ε f = ε f u ) cốt thép chảy dẻo (ε s ≥ ε s0 ) biến dạng bê tông chưa đạt biến dạng cực hạn (εb < εb2 ); - Dạng (Hình 1(b)): Phá hoại bê tơng bị nén vỡ (εb = εb2 ) cốt thép bị chảy dẻo (ε s ≥ ε s0 ) cốt GFRP chưa bị đứt (ε f < ε f u ); - Dạng (Hình 1(c)): Phá hoại bê tông bị nén vỡ (εb = εb2 ) cốt thép chưa bị chảy dẻo (ε s < εy ) cốt GFRP chưa bị đứt (ε f < ε f u ) 74 dẻo dầm giúp cảnh báo phá hủy cấu kiện (phá hoại dẻo) [4,9] Cốt GFRP khơng có thềm dẻo nên lý luận khơng Với dầm bê tông cốt GFRP, cốt GFRP đàn hồi bê tơng nên dẫn [1,2] khuyến khích bố trí nhiều cốt dọc GFRP để phá hoại bê tông vùng nén trước cốt GFRP đứt P M / Tạp chíxảy Khoa họcdạng Côngphá nghệ Xây Với dầm cốt hỗnTuấn, hợp SGFRP hoại saudựng theo hình : b b2 b x b x s f b2 x s0 fu (a) b2 s s0 f fu f (b) s s y f fu (c) Hình Các sơ đồ ứng suất dầm cốt hỗn hợp SGFRP trạng thái giới hạn Hình Các sơ đồ ứng suất dầm cốt hỗn hợp SGFRP trạng thái giới hạn Dạng (hình 1(a)): Phá hoại đứt cốt GFRP (ef = efu) cốt thép chảy dẻo (es ³ es0) biến dạng bê tông chưa đạt biến dạng cực hạn (eb < eb2); 2.2 Phương pháp tính tốn dầm bê tơng cốt hỗn hợp SGFRP Dạng (hình 1(b)): Phá hoại bê tơng bị nén vỡ (eb = eb2) cốt thép bị chảy dẻo Do việc tính bêGFRP tơngchưa cốt bị hỗn ³ es0)dầm (es toán cốt đứthợp (ef ε s0 = 0,0013, cốt GFRP bị đứt ε f = 0,02 = ε f u nghĩa dầm bị phá hoại đứt cốt GFRP cốt thép chảy dẻo bê tông chưa bị nén vỡ Khả chịu mômen lấy thời điểm dầm bị phá hoại Mgh = 16,38 (kNm) 3.2 Trường hợp Cho dầm tương tự trường hợp dầm bố trí cốt GFRP chịu lực 2φ16 phía ngồi với lớp bê tông bảo vệ c = 20 mm cốt thép chịu lực 2φ16 phía 78 20 2Ø6-GFRP 200 Tuấn, P M / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng P 300 P a 2Ø16-THÉP a 20 L 20 2Ø16-GFRP 200 Hình Sơ đồ chịu lực mặt cắt ngang dầm cốt hỗn hợp SGFRP Diện tích cốt dọc tổng cộng: At = A f + A s = 402 + 402 = 804 (mm2 ) Hm lng ct dc: At à= ì 100% = 1,06% Các kết thu Bảng bh0 Bảng Kết tính tốn dầm cho trường hợp i 50 100 150 200 εb εf εs x (mm) M (kNm) 0,000018 0,000046 0,000038 74,13 0,85 0,00087 0,00184 0,00149 87,01 28,69 0,0018 0,0038 0,0030 85,85 36,65 0,0026 0,0054 0,0044 88,15 43,40 0,0035 0,0067 0,0054 92,41 48,26 Qua khảo sát thấy biến dạng εb đạt cực hạn (εb = εb2 = 0,0035) cốt thép chảy dẻo ε s = 0,0054 > ε s0 = 0,0013, cốt GFRP chưa bị đứt ε f = 0,0067 < ε f u = 0,02 nghĩa dầm bị phá hoại bê tông bị nén vỡ cốt thép chảy dẻo, cốt GFRP chưa bị đứt Khả chịu mơmen lấy thời điểm dầm bị phá hoại Mgh = 48,26 (kNm) So với trường hợp khả chịu mô men dầm tăng lên đáng kể dầm bố trí nhiều cốt dọc Dạng phá hoại dầm chuyển từ phá hoại đứt cốt GFRP sang phá hoại bê tông vùng nén Trong hai trường hợp, cốt thép chảy dẻo 3.3 Khảo sát dầm bê tông cốt hỗn hợp SGFRP Khảo sát dầm thay đổi tỷ lệ diện tích cốt GFRP với diện tích cốt thép có vật liệu, kích thước, thơng số tổng diện tích cốt dọc (A s + A f ) không thay đổi (hàm lượng 1,06%) chịu tải trọng trường hợp 2, kết cụ thể Bảng Qua khảo sát rút nhận xét sau: - Cùng chung tổng diện tích cốt dọc, tỉ lệ diện tích cốt dọc Af/As giảm dần chiều cao vùng nén x giảm dần khả chịu lực Mgh giảm dần; - Khả chịu lực Mgh dầm D1 lớn sử dụng nhiều diện tích cốt GFRP (Mgh = 51,34 kNm), khả chịu lực dầm D6 nhỏ (Mgh = 44,85 kNm), mức độ giảm khả chịu lực 12,64% - Dạng phá hoại dầm bê tông bị nén vỡ Khi phá hoại, biến dạng εb đạt cực hạn (εb = εb2 = 0,0035) cốt thép chảy dẻo ε s = (0,0052 ÷ 0,0057) > ε s0 = 0,0013, cốt GFRP chưa bị đứt ε f = (0,0065 ÷ 0,0071) < ε f u = 0,02 79 Tuấn, P M / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Kết khảo sát dầm cốt hỗn hợp với tổng diện tích cốt dọc khơng đổi 200 200 200 200 200 200 300 300 300 300 300 300 x (mm) x (mm) D1 D2 D3 D4 D5 D6 b h nf (mm) (mm) φf Af φs As A f + As x Mgh ns A f /A s (mm) (mm2 ) (mm) (mm2 ) (mm2 ) (mm) (kNm) 20,29 647 10 157 4,12 19,18 578 12 226 2,55 17,77 496 14 308 1,61 16,00 402 16 402 1,00 13,71 295 học 2Công nghệ 18 Xây509 0,582019 Tạp chí Khoa dựng NUCE Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 10,58 176 20 628 0,28 5555 5050 4545 4040 00 1 2 3 4 5 Af A /Af s/As (a) Quan hệ A f /A s với chiều cao x (a)Quan Quanhệhệ chiều (a) Af A /Af /A chiều caocao x x s với s với Mgh (kNm) Mgh (kNm) Dầm 95 92 88 85 95 92 88 85 01 804 804 804 804 804 804 12 23 34 /As Af /AA s f 94,25 93,82 93,21 92,41 91,23 89,51 45 51,34 50,51 49,49 48,26 46,74 44,85 (b) Quan hệ A f /A s với Mgh Quan với (b) (b) Quan hệ Ahệ f /AsM f /AA s với gh Mgh Hình Quan hệ cao x Mxgh Hình Quan hệtỷ tỷlệlệ cốt Af /A vớischiều chiều cao x Mvà f /A gh Mgh Hình Quan hệ tỷcốt lệAcốt As sfvới /A với chiều cao Qua rútrút ra cáccác nhận xétxét sau:sau: Quakhảo khảosátsátcócóthểthể nhận Kết luận - -Cùng diện tích cốtcốt dọc, khikhi tỉ lệtỉdiện tíchtích cốt dọc Af/AA dần chiều s giảm Cùngchung chungtổng tổng diện tích dọc, lệ diện cốt dọc f/As giảm dần chiều Bàicao báo trình bày phương pháp tính tốn khả chịu mơmen theo trạng thái giới hạn I dần vàvà khảkhả chịu lựclực MghMcũng giảm dần; caovùng vùngnén nénx xgiảm giảm dần chịu gh giảm dần; cường độ dầm cốt hỗn hợp SGFRP cách khảo sát biến đổi biến dạng bê tông vùng - -Khả chịu lựclực Mgh củacủa dầm D1 lớnlớn nhấtnhất khi sử dụng nhiều diện tích cốt Khả chịu Mgh dầm sửtrên dụng tíchGFRP cốt GFRP nén từ chưanăng có biến dạng đến đạt biếnD1 dạng cực hạn dựa giảnhiều thiết diện biến dạng phẳng (M = 51,34 kNm), khả chịu lực dầm D6 nhỏ (M gh gh = 44,85 mô hình vật liệu tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 Phương pháp xácnhất định(Mđược dạng (Mghcủa = 51,34 kNm), khả chịu lực dầm D6cólàthể nhỏ 44,85 gh = mứcbêđộtông giảm vềhỗn khảhợp chịu lực việc 12,64% phá hoạikNm), dầm cốt SGFRP dựa so sánh biến dạng vật liệu với kNm), mức độ giảm khả chịu lực 12,64% biến dạng cực hạn Dầm phá hoại đứt cốt GFRP dầm bố trí cốt dọc phá hoại vỡ bê tông - Dạng phá hoại dầm bê tông bị nén vỡ Khi phá hoại, biến dạng b đạt - Dạng phá hoại củalượng dầm bê nénsát vỡ.cho Khi phácốt hoại, b đạtdẻo vùng nén dầm hàm cốtđều dọclàlớn Quatông cácbị khảo thấy thépbiến dạng bị chảy cựckhi hạn (b bố = trí b2 = 0,0035) cốt thép chảy dẻo s = (0,0052÷ 0,0057) > s0 = 0,0013, (b =bịb2 0,0035) cốtchảy thépcủa chảy dẻo = (0,0052÷ s0 = so 0,0013, trước khicực cốthạn GFRP đứt= biến dạng thép (ε =s 0,0013) nhỏ0,0057) >nhiều với biến s0 cốt GFRP chưa bị đứt f = (0,0065÷ 0,0071) < fu = 0,02 dạng đứtcòn cốt cốt GFRP (ε f uthì = 0,02) Như bố trí 0,0071) thêm cốt