Tính toán tải trọng phá hoại của sàn bê tông cốt sợi thủy tinh bản loại dầm (theo tiêu chuẩn ACI)

Bê tông cốt sợi thủy tinh (BTCSTT) là một vật liệu mới đã đang được ứng dụng trong ngành xây dựng Việt Nam. Cốt sợi thủy tinh trong bê tông tuy còn hạn chế như giá thành cao về vật liệu và công nghệ thi công tuy nhiên hiện nay ứng dụng (BTCSTT) vào các công trình ven biển và hải đảo có khả năng chống ăn mòn cao đảm bảo công trình tồn tại lâu dài.

Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Information of Science and Technology No 1/2017 TÍNH TỐN TẢI TRỌNG PHÁ HOẠI CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH BẢN LOẠI DẦM (Theo tiêu chuẩn ACI) Ths Trần Văn Thái Khoa Đào tạo Nghề,Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt Bê tơng cốt sợi thủy tinh (BTCSTT) vật liệu ứng dụngtrong ngành xây dựng Việt Nam Cốt sợi thủy tinh bê tơng cịn hạn chế giá thành cao vật liệu công nghệ thi công nhiên ứng dụng (BTCSTT) vào cơng trình ven biển hải đảo có khả chống ăn mịn cao đảm bảo cơng trình tồn lâu dài Với vật liệu (BTCSTT) chưa ứng dụng đại trà bê tơng cốt thép khn khổ viết tác giả tính tốn tìm hiểu chịu tải so với bê tơng cốt thép tuyền thống Từ khóa Tính tốn tải trọng phá hoại sàn bê tông cốt sợi thủy tinh loại dầm (Theo tiêu chuẩn ACI) Giới thiệu a Giới thiệu: Đất nước ta đất nước có bờ biển dài, nằm sát biển đông rộng lớn Chiều dài bờ biển nước ta 3260 km thuận lợi giao thông thủy, thuận lợi mặt ngư trường đánh bắt hải sản người phải định cư gần biển để thuận tiện sinh sống nhờ biển nên cơng trình xây dựng thường bị ảnh môi trường xâm thực Vật liệu truyền thống thép thường bị ăn mòn sau thời gian xây dựng cơng trình nhà ở, cơng trình cầu đường, đê, kè, phương tiện giao thông thủy Vật liệu cốt sợi thủy tinh giải pháp hữu hiệu không bị ăn mịn sử dụng cơng trình nói Vật liệu (GFRP) viết tắt từ (Glass Fiber - Reinforced – Plastics) tiếp tục trình lịch sử phát triển loại vật liệu truyền thống gạch, đá, gỗ , kim loại, bê tông cốt thép thực lôi nhiều nhà khoa học như: kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu nhà sản xuất vật liệu vào guồng máy, nhằm nghiên cứu phát triển ứng dụng vật liệu GFRP ngành xây dựng cơng trình.[2] b.Đặc tính kỹ thuật phạm vi ứng dụng cốt sợi (GFRP) (GFRP) với thành phần chủ yếu tạo thành từ vật liệu cát trắng cho cấu kiện bê tông có nhiều ưu điểm so với cốt thép truyền thống như: - Kháng muối hóa chất, khơng bị ảnh hưởng mưa axit, muối hầu hết loại hóa chất Cường độ chịu kéo cao gấp 2,5 đến lần cốt thép A-III 48 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Information of Science and Technology No 1/2017 - (GFRP) khơng đánh tính chất - Có thể sử dụng cốt (GFRP) với chiều nhiệt độ thấp, khác với xu hướng dài Thời gian khai thác sử dụng lâu dài gia tăng độ giòn cốt thép giảm nhiệt ổn định với thông số kỹ thuật ban độ Hệ số giãn nở nhiệt GFRP bê tông đầu đến 80 năm tương đương nhau, tránh nứt vỡ Tất nhiên cốt sợi (GFRP) có tồn nhiệt độ làm việc thay đổi số nhược điểm tính chất suy giảm cường - Có trọng lượng riêng nhẹ thép độ nhanh điều kiện nhiệt độ cao tiếp khoảng lần, với yêu cầu cường độ chịu lực giáp nguồn nhiệt, gặp hỏa hoạn hạn chế tương đương, khối lượng (GFRP) cần sử dụng việc gia công công trường nhẹ khoảng lần so với việc sử dụng cốt đòi hỏi phải tăng cường việc chuẩn bị, tính thép, cơng tác lắp dựng nhanh giảm tốn định hình dây chuyền sản đáng kể khối lượng công việc tiến hành xuất.[1] công tác bê tông, cốt thép c Các ứng dụng (GFRP) xây dựng Ứng dụng vật liệu chia làm hướng: - GFRP chế tạo thành cấu kiện dạng thanh, dạng lưới cấu kiện dạng bó cáp - GFRP chế tạo thành cấu kiện định hình - GFRP chế tạo cấu kiện ván khuôn Những hình ảnh sản phẩm ứng dụng vào cơng trình xây dựng cầu đường Hình 1: Khung cốt sợi thủy tinh [1] Hình 3: Cầu hành qua đường cao tốc Poznan-Kornik BaLan [2] Hình 2: Cuộn cốt sợi thủy tinh [1] Hình : Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt cầu [1] 49 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Information of Science and Technology No 1/2017 Hình 5: Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt đường [1] Hình 6: Cọc móng sử dụng cốt sợi thủy tinh [2] 2.Tính tốn cấu kiện chịu uốn bê tơng cốt GFRP theo trạng thái giới hạn I a Cường độ chịu uốn cấu kiện cốt GFRP : Cường độ bê tông cốt GFRP xác định theo tiêu chuẩn ACI, tải trọng hệ số kháng uốn xác định theo phương pháp LRFD phải thỏa mãn điều kiện: M n  M u (1) Trong đó: M n - khả chịu lực thiết kế; Mu - mômem uốn lớn tải trọng tính tốn gây ra; Mn - khả chịu mômen danh nghĩa tiết diện;  - hệ số giảm cường độ uốn, xác định sau:  0,55    f fb       0,3 + 0,25 f  fb < f  1,  fb  fb   0,65   1,   f fb  b.Cách thức phá hủy: Khả chịu uốn cấu kiện bê tông cốt GFRP phụ thuộc vào cách thức phá hủy bê tông bị phá hủy hay cốt GFRP bị đứt Cách thức phá hủy xác định cách so sánh tỉ số cốt cân (tức hàm lượng mà bê tông GFRP đứt xảy đồng thời) tỉ số bê tông vỡ GFRP bị đứt xảy đồng thời Vì cốt GFRP không chảy dẻo, tỉ số cân cốt GFRP tính tốn theo cường độ kéo thiết kế cốt GFRP A f   f b.d E  cu f f E  cu  f fu f fu ' f  fb  0,851 c ρf (2) (3) - hệ số gia cường GFRP mặt cắt ngang chữ nhật (hàm lượng cốt GFRP); 50 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 ρfb Information of Science and Technology No 1/2017 - hệ số cân GFRP mặt cắt ngang chữ nhật (hàm lượng cốt GFRP trường hợp cân bằng) Với: Af - diện tích tăng cường GFRP; b - chiều rộng mặt cắt ngang cấu kiện; d - chiều cao làm việc tiết diện hình chữ nhật; β1 - hệ số phụ thuộc cường độ bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318-05 Whitney β1 = 0,85 cho bêtơng có cường độ fc’< 30 MPa, bêtơng có cường độ lớn 30 MPa β1 giảm 0,08 cho 10MPa, β1> 0,65; fc’ - cường độ chịu nén mẫu trụ bêtông, lưu ý chuyển đổi sang mẫu lập phương theo tiêu chuẩn Việt Nam cần chia cho 1,2; Ef - môđun dàn hồi theo chiều dọc cốt GFRP;  cu - giới hạn biến dạng nén danh định (thường lấy 0,003); ffu - cường độ thiết kế cấu kiện cốt GFRP Thực tế hàm lượng cốt GFRP bêtông  f  min với min hàm lượng tối thiểu, xác định Bảng Bảng 1: Hàm lượng cốt tối thiểu (%) Thép GFRP CFRP AFRP 0,0335 0,0078 0,0035 0,0020 Hình 7: Biến dạng, ứng suất lực điều kiện cân mặt cắt cấu kiện cốt (GFRP) c Cường độ uốn danh nghĩa: Khi   f fb với ( c  c ) bê tông bị phá hủy trước, phân bố ứng suất bê tông b gần khối ứng suất chữ nhật theo ACI Dựa cân lực tương thích biến dạng, khả mơmen danh định mặt cắt bố trí nhiều cốt GFRP xác định sau: a M n  A f (d  ) f f Với: A f f f a 0,85 fc' b (4) (5) Và công thức xác định ứng suất cấu kiện cốt GFRP: 51 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Information of Science and Technology No 1/2017 ( E  cu )2 0,85 f ' f c E   0,5E  f   f f cu f cu  f f f a (6) - ứng suất cấu kiện cốt GFRP vùng bê tông bị nén - chiều cao khối ứng suất mặt cắt theo Whitney Hình 8: Biến dạng, ứng suất hợp lực mặt cắt bố trí nhiều cốt GFRP Cường độ uốn danh nghĩa xác định thông qua hàm lượng cốt GFRP sau: Khi  f   fb 0,59  f f f (7) M n   f (1  )bd f f fc' với ( c  cb ) cốt GFRP bị đứt trước, khối ứng suất ACI không áp dụng khơng đạt tới trạng thái ứng suất biến dạng cực đại bê tông Tiêu chuẩn ACI 440.1R-06 đưa phương trình: c M n  A f (d  b ) f fu cb (8) - chiều cao vùng nén khoảng cách từ mặt bêtơng đến trục trung hịa mặt cắt, cb xác định sau:  cu f u  cu c  b  cu   d fu - giới hạn biến dạng nén danh định (thường lấy 0,003); - biến dạng phá hoại cốt GFRP Trong trường hợp mặt cắt bố trí cốt khối ứng suất Whitney áp dụng với hệ số   0,85  phụ thuộc vào cường độ bê tông theo tiêu chuẩn ACI 319-05 Đường cong biến dạng ứng suất Tobeshini sau: fc  Với  c' biến dạng bêtông fc' ( c /  c' )  ( c /  c' )2 (9) fc' , Tobeshini đưa thơng số phương trình khối ứng suất sau: 4[( c /  c' )  tan 1( c /  c' )] 1   ( c /  c' )ln[1+( c /  c' )2 ] (10) 52 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Information of Science and Technology No 1/2017 0,9ln[1+( c /  c' )2 ]  1( c /  c' ) 1,71 fc'  c'  Ec (11) (12) Hình 9: Biến dạng, ứng suất hợp lực mặt cắt cấu kiện bố trí cốt (GFRP) Dùng phương pháp tính lặp gồm bước sau: Bước1 Giả sử chiều cao trục trung hòa c  c b Bước2 Tính tốn biến dạng bêtơng (   ) f fb c Bước3 Tính tốn thơng số khối ứng suất Bước4 Tính tốn chiều cao trục trung hòa: 1  A f f fu c  fc' 1b (13) Bước5 Tính tốn so sánh c với c giả thiết lặp lại đến Bước6 Tính tốn mơmen danh định với giá trị cuối c M n  A f (d  ) f fu 1  (ACI 440.IR.- 06:8- 6a)[4] d Lượng đặt cốt tối thiểu để chịu uốn: Nếu cấu kiện thiết kế để phá hủy cốt FRP đứt (    ) , cần phải có lượng FRP tối thiểu để cấu kiện không bị phá hủy f fb bê tông nứt: M n  M cr Với: Mcr - momen gây nứt 4,9 fc' 330  bw d  bw d (AC I440.IR.- 06:8-8)[4] Diện tích cốt tối thiểu: A f ,min f f fu fu bw - bề rộng bụng cấu kiện với dầm tiết diện chữ nhật, bw  b bw fc' - cường độ chịu nén mẫu trụ bê tông f fu - cường độ thiết kế cấu kiện cốt GFRP Tính tốn: 53 Thơng báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Information of Science and Technology No 1/2017 Tác giả đưa mẫu sàn có kích thước để tính tốn, cốt chịu lực bê tông mẫu sàn đặt cốt thép mẫu sàn đặt cốt (GFRP) Mẫu cốt chịu lực bê tơng kéo phịng thí nghiệm phịng LAS 278, 187 Lê Thánh Tơn Tp Tuy Hòa.[ Với mẫu cốt  f y = 347,5(MPa) ; mẫu cốt GFRP f fu = 1042,4 (MPa)]; Mẫu bê tông đúc chỗ thép nén sau 28 ngày dưỡng hộ phòng Las Trường ĐHXD Miền trung a Dữ liệu tính tốn: +Sàn cốt thép bố trí thép chịu lực Ø6, a =150; cốt thép cấu tạo Ø6, a =250 vng góc phương chịu lực, cấp độ bền bê tông B20 +Sàn cốt GFRP bố trí cốt GFRP theo phương chịu lực Ø6 a =150; cốt thép cấu tạo Ø6, a =250 vng góc phương chịu lực, cấp độ bền bê tông B20 25 Ø6 a 250 25 60 Ø6 a150 l =650 15 1 1 25 l =2000 25 200 Ø6 a 250 Ø6 a150 l =2000 200 l =2200 l =2200 Hình 10: Mặt sàn bê tơng cốt GFRP-thép Hình 11: Mặt cắt 1-1 sàn bê tông cốt thép GFRP q 2000 Hình 12: Sơ đồ tính sàn bê tơng cốt thép GFRP b Tính tốn sàn theo trạng thái giới hạn I b1 Sàn cốt thép *Các tiêu lý - Kích thước sàn bố trí thép hình vẽ (Hình 10,11,12) - Cốt thép chịu lực Ø6 a= 150; thép cấu tạo Ø6 a= 250 - Vật liệu: XM PC 40, đá (1x2) cm , cát vàng As =  = 141,3mm2 mô đun độ lớn ML > f c' = 24,5 (MPa) - Bê tông: Cấp độ bền B20 f y = 347,5(MPa)  = 0,003 cu 1 = 0,85 f c, < 28MPa H = 60; b= 650 d = h – a = 60-15 = 45 Es = 200000 (MPa) Ec = 57000 f ,c [ Psi] [3] , Ec = 4768,9 f c = 4768,9 24,5  23604,8 (Mpa) * Tính tốn: 54 Thơng báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Information of Science and Technology No 1/2017 -Khả chịu uốn tiết diện: Tỉ số cốt cân bằng: ' f  fb  0,851 c f fu ES  cu ( ES  cu  f  0,85.0,85 fu Hàm lượng thép cân bằng: Chiều cao bê tông vùng nén: Cường độ uốn danh nghĩa: M n  141,3.347,5(45  Mn  ) A s  s b.d => 24,5 200000.0,003  0,032257 347,5 (200000.0,003  347,5) As f y => ' 0,85 fcb a 141,3 = 0,0048308 650.45 141,3.347,5 a  3,627426mm 0,85.24,5.650 s  a M n  As f y (d  ) 15 )  2120522,259 Nmm 212 kg m Với hệ số β1 lấy 0.85 f'c < 28MPa Xác định tỷ số c/d = a/ß1.d = 0,095 => phá hoại dẻo Vậy tải trọng phân bố phá hoại sàn qph= 8.Mn/22 = 424 (kg/m) b2 Sàn bê tông cốt GFRP   CE   = 0,0176 fu fu *Các tiêu lý f c' C E E = 24,5(MPa) = 0,8 f fu C f E fu fu   = 0,0220 fu = 45000 (MPa) , Ec = 4768,9 f c = 1042,4 (MPa) f f 24,5  23604,8 (Mpa) = 4768,9  cu = 0,003 = 0,8.1042,4 = 833,92 (MPa) 1 = 0,85 d=h–a+ = 60-15= 45(mm) -Khả chịu uốn tiết diện: Cốt dọc 6 diện tích mặt cắt ngang = 28,26 mm2 Tỉ số cốt cân bằng: E  cu f f E  cu  f fu f fu ' f  fb  0,851 c Với hệ số 1 Bố trí thép lấy 0,85 5 : Hàm lượng cốt: A f 24,5 45000.0,003 833,92 (45000.0,003  833,92) = 0,002958 fc' < 28MPa = 141,3 (mm2)   f  0,85.0,85 A 141,3 f  b.d 650.45 = 0,00483077 55 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2017 Ta thấy:    f fb Information of Science and Technology No 1/2017 Bê tông bị phá hủy trước Ứng suất cấu kiện cốt FRP: ( E  cu )2 0,85 f ' f c E   0,5E  f   f f cu f cu  f (45000.0,003)2 0,85.0,85.24,5  45000.0,003  0,5.45000.0,003 =639,0642 0,00483 ff  (MP) Vì f f =639,064 (MPa) < f fu =833,92 (MPa) nên xảy phá hoại vùng nén Mô men uốn danh nghĩa:  f  f f M n   f 1  0,59 f f  fc'   Mn  0,00483.639,11  0,59  Mn    bd   0,00483.639,1   650.45  3761392,8 Nmm 24,5  376 kg m Vậy, cường độ lực phân bố phá hoại sàn: qph = 8.Mn/22 = 752 (kg /m) Kết luận - Xác định tải trọng phá hoại cho cấu kiện cơng trình xây dựng quan trọng nhằm đưa phương án phù hợp nâng cao chất lượng cơng trình thiết kế Vì vật liệu cần phải xem xét kỹ - Qua tính tốn khả chịu lực sàn bê tơng cốt GFRP tải trọng phá hoại 752kg/m, tải trọng phá hoại sàn bê tông cốt thép 424 kg/m -Với tính tốn ta thấy khả chịu lực vật liệu bê tông cốt sợi thủy tinh GFRP lớn 1,78 lần cốt thép phù hợp đặc tính vật liệu cốt GFRP Tuy nhiên với cốt liệu chịu lực GFRP qua nhiều nghiên cứu ta thấy làm việc chịu kéo GFRP chảy dẻo trước đứt Ứng xử kéo GFRP đặc trưng quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi tuyến tính phá hoại trường hợp phá hoại đột ngột giòn Đó khuyến cáo nhà nghiên cứu sản xuất đưa vào ứng dụng vật liệu (BTCSTT) có nhiều ưu điểm so với bê tông cốt thép TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TS Nguyễn Trâm Ks Trần Quốc Ca ( 2012), Kết cấu Composites, NXB Xây dựng [2] PGS.TS.Trần Mạnh Tuân (2005), Giáo trình Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép tiêu chuẩn ACI 318-2002, nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [3] ACI 440.1R-06 (2006) Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars [4] Công ty cổ phần giải pháp công nghệ xây dựng Quốc tế Phương Nam Email: lienhe@vitecphuongnam.vn 56 ... Qua tính tốn khả chịu lực sàn bê tông cốt GFRP tải trọng phá hoại 752kg/m, tải trọng phá hoại sàn bê tông cốt thép 424 kg/m -Với tính tốn ta thấy khả chịu lực vật liệu bê tông cốt sợi thủy tinh. .. định tỷ số c/d = a/ß1.d = 0,095 => phá hoại dẻo Vậy tải trọng phân bố phá hoại sàn qph= 8.Mn/22 = 424 (kg/m) b2 Sàn bê tông cốt GFRP   CE   = 0,0176 fu fu *Các tiêu lý f c' C E E = 24,5(MPa)... 2000 Hình 12: Sơ đồ tính sàn bê tơng cốt thép GFRP b Tính tốn sàn theo trạng thái giới hạn I b1 Sàn cốt thép *Các tiêu lý - Kích thước sàn bố trí thép hình vẽ (Hình 10,11,12) - Cốt thép chịu lực