Nghiên cứu làm rõ sự làm việc của cấu kiện chịu uốn thông qua nghiên cứu thực nghiệm để góp phần vào sự phát triển ứng dụng thanh sợi thủy tinh rộng rãi hơn trong lĩnh vực xây dựng của Việt Nam.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT THANH SỢI THỦY TINH Phạm Thị Loan Khoa Xây dựng Email: loanpt80@dhhp.edu.vn Trịnh Duy Thành Khoa Xây dựng Email: thanh@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 21/7/2017 Ngày PB đánh giá: 10/11/2017 Ngày duyệt đăng: 18/11/2017 TÓM TẮT Việc ứng dụng cốt sợi thủy tinh (GFRP) thay cốt thép kết cấu bê tông nhiều nước nghiên cứu ứng dụng cho kết cấu cơng trình Sự làm việc kết cấu có cốt GFRP khác với làm việc cốt thép thơng thường nên cần có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết tính tốn Nghiên cứu làm rõ làm việc cấu kiện chịu uốn thơng qua nghiên cứu thực nghiệm để góp phần vào phát triển ứng dụng sợi thủy tinh rộng rãi lĩnh vực xây dựng Việt Nam Từ khóa:cấu kiện dầm; chịu uốn; sợi thủy tinh; cốt thép; bê tông EXPERIMENTAL STUDY ON FLEXURAL BEHAVIOR OF GFRP REINFORCED CONCRETE BEAMS ABSTRACT Using glass fiber reinforced polymer (GFRP) as internal reinforcement has been investigated and become popular in the construction field worldwide Structural behavior of GFRP reinforced concrete beams is different from that of concrete beam with reinforcements Therefore, experimental studies have a significant role in order to illuminate the theory This study brings an incisive view to flexural behavior of concrete beams with GFRP as reinforcements The results of the investigation contribute to the development of widely applying GFRP to the construction field in Vietnam Key words: beam; flexural behavior; glass fiber reinforced polymer; reinforcement; concrete GIỚI THIỆU Giữa kỷ 19 bê tông cốt thép (BTCT) phát minh ảnh hưởng lớn đến phát triển dạng kết cấu Từ đó, BTCT trở thành dạng vật liệu phổ biến, phần lớn kết cấu cơng trình TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 83 tạo nên từ vật liệu phức hợp Kết cấu BTCT kết hợp nhiều ưu điểm loại vật liệu bê tông cốt thép khả chịu nén, chịu uốn, chịu lửa… tốt [1] Tuy nhiên, kết cấu BTCT sau thời gian khai thác sử dụng chịu tải trọng cơng trình vết nứt xuất với bề rộng mật độ lớn dẫn đến cốt thép bị ăn mòn làm cho kết cấu bị suy giảm khả chịu lực Vì vậy, với phát triển khoa học kỹ thuật người ln tìm kiếm vật liệu xây dựng mới, kết cấu để thay kết cấu BTCT Trong sợi thủy tinh 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 [2] Việc ứng dụng cốt sợi thủy tinh (GFRP) thay cốt thép kết cấu bê tông nhiều nước nghiên cứu ứng dụng cho kết cấu cơng trình Sự làm việc kết cấu có cốt GFRP khác với làm việc cốt thép thông thường sợi thủy tinh vật liệu không đẳng hướng, khơng có chảy dẻo nên cần có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tính lý thuyết tính tốn Việc nghiên cứu cấu kiện dầm sử dụng cốt sợi thủy tinh nhiều nhà nghiên cứu giới thực [3,7] Kết cho thấy, dầm bê tơng cốt GFRP có ứng xử chịu uốn đáp ứng yêu cầu thiết kế đồng thời cho phép độ rộng vết nứt lớn tính khơng bị ăn mòn GFRP Tuy nhiên, Việt Nam, việc sử dụng cốt GFRP thay cốt thép bước chuyển biến số nghiên cứu thực nghiệm nước ứng xử GFRP cấu kiện kết 84 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG cấu hạn chế [8] Vì vậy, nghiên cứu ứng xử chịu uốn bê tông cốt sợi thủy tinh thực nghiệm nghiên cứu có ý nghĩa cần thiết cho việc phát triển ứng dụng GFRP lĩnh vực kết cấu cơng trình Do mục tiêu hướng đến nghiên cứu làm rõ ứng xử chịu uốn cấu kiện dầm bê tông cốt sợi thủy tinh góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng kết cấu bê tông cốt sợi thủy tinh rộng rãi lĩnh vực xây dựng điều kiện Việt Nam Ý NGHĨA Tiêu chuẩn thiết kế dầm bê tông cốt sợi thủy tinh 440.1R.2006 [9] phù hợp với điều kiện vật liệu Việt Nam thơng qua kết thí nghiệm Bên cạnh ý nghĩa lý luận đó, nghiên cứu làm rõ khác biệt ứng xử chịu uốn cấu kiện dầm so với dầm bê tông cốt thép thường Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng việc ứng dụng GFRP cấu kiện làm việc khơng đòi hỏi u cầu độ dẻo THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TƠNG CỐT THANH SỢI THỦY TINH 3.1 Thiết kế cấu kiện dầm thí nghiệm Dầm thí nghiệm thu nhỏ theo tỉ lệ 1/4 so với dầm ngun mẫu thơng thường, có kích thước nhịp dầm 1,4m; kích thước tiết diện với chiều rộng 100mm chiều cao 180mm Thiết kế dầm bê tông cốt GFRP theo ACI 440.1R.2006 [9] Các thông số vật liệu kết tính tốn bảng sau: Bảng Đặc trưng GFRP bê tông B20 Bê tông B20 Thép GFRP8 f'c (Mpa) Ec (Mpa) f*fu (Mpa) 20 24 594 e*fu Ef (Gpa) ffu (Mpa) efu 0,02 46 415 0,14 Bảng Bố trí GFRP cho dầm Lớp Ký hiệu Mẫu S1 Mẫu S2 Mẫu S3 Lớp (thanh) GFRP8 2 Lớp (thanh) GFRP8 Bảng Khả chịu uốn dầm bê tông cốt GFRP Mẫu b (mm) h (mm) Af (mm ) S1 100 180 66,32 0,0047 0,0041 444,19 0,85 11,92 4,39 S2 100 180 99,48 0,0047 0,0062 357,21 0,85 17,87 5,55 S3 100 180 132,64 0,0047 0,0082 305,43 0,85 23,83 6,04 ρfb ρf ff (Mpa) DẦM S1 Hình Cấu tạo thép dầm S1 DẦM S2 β1 a Mn (mm) (kNm) MẶT CẮT 1-1 MẶT CẮT 2-2 Hình Cấu tạo thép dầm S2 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 85 DẦM S3 MẶT CẮT 3-3 Hình Cấu tạo thép dầm S3 chế tạo Xưởng thực hành – Trường 3.2 Chế tạo dầm thí nghiệm Đại học Hải Phòng theo trình tự thi cơng Mỗi loại dầm S1, S2; S3 chế hình ảnh sau: tạo mẫu thí nghiệm Các mẫu dầm 86 Buộc cốt thép dầm Cốp pha dầm Cố định cốt thép cốp pha Trộn bê tông Đổ đầm bê tơng Dầm hồn thiện TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 3.3 Thiết bị đo biến dạng độ võng Cấu kiện dầm thí nghiệm dầm đơn giản, chọn tiết diện điểm đặt lực (tiết diện nhịp dầm) tiết diện có độ võng biến dạng lớn toàn dầm để tiến hành đo độ võng biến dạng Vị trí đồng hồ đo độ võng sensor đo biến dạng tiết diện nhịp dầm thể Hình Như vậy, dùng 01 đồng hồ đo độ võng 04 sensor biến dạng cho dầm thí nghiệm Hình Sơ đồ vị trí đồng hồ đo độ võng sensor đo biến dạng SG S1 S2 S3 S4 LVDT 3.4 Qui trình thí nghiệm Sau dầm đúc ngày 10/4/2017, dưỡng hộ điều kiện tự nhiên Xưởng thực hành, trường Đại học Hải Phòng Ngày 12/5/2017 dầm chuyển tới Nhà Xưởng thí nghiệm Theo tiêu chuẩn TCVN 9374:2012 “Cấu kiện bê tông bê tông cốt thép đúc sẵn – Phương pháp thí nghiệm gia tải tĩnh để đánh giá độ bền, độ cứng khả chống nứt”[10], tiến hành thí nghiệm dầm phương thức gia tải tĩnh Căn khả chịu lực theo tính toán dầm, việc gia tải cho dầm cho bảng Bảng Tải trọng thí nghiệm Dầm thí nghiệm Pmax(kN) S2 14 S3 15 PHÂN THÍ NGHIỆM TÍCH KẾT QUẢ 4.1 Dạng phá hoại Kết dạng phá hoại dầm thí nghiệm dựa vào quan sát hình thành phát triển khe nứt dầm, nén bê tông miền biến dạng cốt thép miền tải trọng tăng dần tới giá trị lớn theo thiết kế Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, dầm coi bị phá hoại xảy hai tình sau: - Bê tơng miền bị ép vỡ S1 11 - Cốt thép miền bị kéo đứt TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 87 (a) Dầm S1 (b) Dầm S2 88 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG (c) Dầm S3 Hình Dạng phá hoại dầm Dầm S1 phá hoại đứt GFRP miền bê tông chịu kéo, bê tông vùng nén bắt đầu bị ép vỡ Hình (a) Dầm S2 S3 có dạng phá hoại tương tự miền bê tông chịu nén bị ép vỡ Các vết nứt thẳng góc chủ yếu tập trung gần khu vực điểm đặt tải, vết nứt lan rộng vào phía gối tựa có xu hướng 4.2 Biến dạng bê tông a) Dầm S1 xiên theo chiều hội tụ điểm đặt lực Hình (b, c) Có thể nhận thấy, vùng bê tơng mặt dầm cốt GFRP vết nứt vùng bê tơng chịu kéo có bề rộng tương đối nhỏ Tuy nhiên, vùng bê tông mặt dầm S trạng thái phá hoại cuối bị ép vỡ nhiều sâu b) Dầm S2 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 89 c) Dầm S3 Hình Biến dạng bê tơng theo chiều cao tiết diện dầm Biến dạng vùng nén dầm S2 Hình (b) tương đối nhỏ so với dầm S1 S3 (Hình a, c) dầm S1 uốn tới phá hoại đứt thép chịu kéo S3 thiết kế với khả chịu uốn lớn S2 4.3 Quan hệ lực - độ võng dầm Căn số đọc từ đồng hồ đo độ võng tải trọng gia tải tăng dần theo thời gian, kết độ võng dầm thể quan hệ lực - độ võng Hình Hình Quan hệ lực – độ võng dầm bê tơng cốt GFRP 90 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG Kết cho thấy với dầm bê tông cốt GFRP cho thấy quan hệ lực độ võng có xu hướng thiên quan hệ tuyến tính mà khơng có vùng chảy dẻo KẾT LUẬN Trên sở nội dung nghiên cứu đề tài thơng qua kết tốn thiết kế, tốn thực nghiệm đưa số kết luận sau: Qui trình thiết kế dầm bê tơng cốt GFRP theo tiêu chuẩn 440.1R.2006 có tính ứng dụng thực hành cao điều kiện Việt Nam Qui trình thiết kế phù hợp với làm việc thực cấu kiện Thanh GFRP có cường độ chịu kéo cao 3-4 lần so với thép thơng thường song thép GFRP khơng có thềm chảy nên thiết kế khả chịu uốn sử dụng hệ số giảm cường độ (0,55-0,65) để tránh phá hoại giòn cho cấu kiện Do đó, làm việc chịu uốn dầm bê tông cốt GFRP coi hồn tồn tuyến tính, khơng có miền chảy dẻo thép GFRP có trọng lượng khoảng (1/6 1/4) so với thép thường Sử dụng thép GFRP để thay thép thường đem lại hiệu tiết kiệm diện tích cốt thép khơng lớn song đặc biệt ưu việt việc giảm trọng lượng cấu kiện, Việc sử dụng kết hợp GFRP với thép để chế tạo cấu kiện bê tông cốt thép kết cấu cơng trình hồn tồn khả thi TÀI LIỆU THAM KHẢO P Q Minh, N T Phong, and N Đ Cống (2006), Kết cấu bê tông cốt thép - Phần cấu kiện bàn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội J P Busel (2012), Fiber Reinforced Polymer (FRP) Composites Rebar, American Composites Manufacturers Asociation D S Kumar and R Rajkumar (2016), 'Experimantal investigation on flexural behavior of concrete beam with glass fiber reinforced polymer rebar as internal reinforcement', Int J Chem Sci., vol 14, pp 319-329 D H Tavares, J S Giongo, and P Paultre (2008), 'Behavior of reinforced concrete beams reinforced with GFRP bars', IBRACON Struct Mater., vol 1, no 3, pp 285-295 M B and A C C Barris, L Torres, A Turon (2009), 'An Experimental Study of the Flexural Behavior of Gfrp Rc Beams and Comparison With Prediction Models', Int J Compos Mater., vol 91, no 13, pp 286-295 S H Alsayed (1998), 'Flexural Behavior of Concrete Beams Reinforced with GFRP Bars', Int J Cem Concr Compos., vol 20, no 7, pp 1-11 O C and R M B Benmokrane (1996), 'Flexural Response of Concrete Beams Reinforced with FRP Reinforcing Bars', ACI Struct J., vol 91, no 2, pp 46-55 P M Tuấn, D V Hai, and P M Phương (2015), 'Nghiên cứu tính tốn dầm bê tông cốt sợi thủy tinh GFRP tiết diện thẳng góc', Người Xây dựng, pp 17-19 J P Busel, L C Bank, V L Brown (2006), T I Campbell, A Z Fam, and M W Lee, Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars Reported by ACI Committee 440 10 Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây Dựng (2012), Cấu kiện bê tông bê tông cốt thép đúc sẵn - Phương pháp thí nghiệm gia tải để đánh giá độ bền, độ cứng khả chống nứt TCVN 9347:2012 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 91 ... nên cần có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tính lý thuyết tính tốn Việc nghiên cứu cấu kiện dầm sử dụng cốt sợi thủy tinh nhiều nhà nghiên cứu giới thực [3,7] Kết cho thấy, dầm bê tơng cốt GFRP... vậy, nghiên cứu ứng xử chịu uốn bê tông cốt sợi thủy tinh thực nghiệm nghiên cứu có ý nghĩa cần thiết cho việc phát triển ứng dụng GFRP lĩnh vực kết cấu cơng trình Do mục tiêu hướng đến nghiên cứu. .. chịu uốn cấu kiện dầm bê tông cốt sợi thủy tinh góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng kết cấu bê tông cốt sợi thủy tinh rộng rãi lĩnh vực xây dựng điều kiện Việt Nam Ý NGHĨA Tiêu chuẩn thiết kế dầm