PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG ĐƯỢC GIA CƯỜNG VỚI CỐT THANH THỦY TINH FRP

Bản mặt cầu là bộ phận chịu tác động trực tiếp củatải trọng xe chạy và các tác nhân từ môi trường như nhiệtđộ, độ ẩm, ăn mòn hóa học... Tổng hợp các tác động nàydẫn đến sự thoái hóa của lớp bê tông bảo vệ cốt thép,làm cho cốt thép bị ăn mòn gây hư hỏng kết cấu. Vật liệucốt thanh FRP và đặt biệt là thanh GFRP đã cho thấy triểnvọng thay thế cốt thép trong bản mặt cầu nhờ khả năngkháng ăn mòn, cường độ cao và chi phí thấp.

KHOA HC CễNG NGH S 10/2020 3KQWấFKYưWấQKWRđQEQPẵWFXEWểQJ ửịộFJLDFịồQJYổLFếWWKDQKWK\WLQK)53 n ThS NCS NGUYỄN VĂN NGƠN Trường Cao đẳng Giao thơng Huế n PGS TS PHẠM DUY ANH Trường Đại học Giao thụng ti 707x7%ưLEđRWUẫQKEư\NWTXSKQWấFKVR VđQK FđF SKịọQJ SKđS WKLW N NÅW F´X E¯Q P½W F³X Ễ WĨQJ FÕW WKDQK *)53 3KịọQJ SKđS FD $$6+72 /5)' WấQK WRđQ GóD WUQ Oở WKX\W XếQVFKRPỉWWỡOẩFDRFếWWKDQK*)53GRWKDQK *)53FẽPểửXQửưQKễLWKS7LXFKXàQWKLWN FXFD&DQDGDFKRSKSđSGíQJFKDLSKịọQJ SKđS WKLW N XếQ Yư WKLW N WKHR NLQK QJKLẩP 3KịọQJSKđSWKLWNNLQKQJKLẩPYổL\XFXWếL WKLặX Oư FếW Fẽ ửịồQJ NÊQK  PP F®FK NKR¯QJ  PP (I   *3D đS GíQJ FKR SKQ EQ PẵW FX ửịộF EDR TXDQK EỗL FđF GP ửố WKéD PQFđF\XFXYFXWRPẵWFW3KịọQJSKđS Qư\FKRSKSJLPWỡOẩFếWVRYổLSKịọQJSKđS WKLWNXếQ1JRưLUDVRVđQKYFKLSKấYÃWOLẩX FếWFKRWK\FđFSKịọQJđQVỏGíQJWRưQEỉFếW WKDQK *)53 Yư SKịọQJ đQ Vỏ GíQJ NW KộS FếW WKSYưFếWWKDQK*)53FẽFKLSKấYÃWOLẩXWKSKọQ SKịọQJđQVỏGíQJFếWWKSWKóFWWịọQJQJOư Yư 7 +$ %Q PẵW FX SKịọQJ SKđS WKLW N XếQWKDQKSROLPHFếWVộLWK\WLQK*)53SKịọQJ SKđSNLQKQJKLẩP $%675$&7 7KH DUWLFOH SUHVHQWV DQ DQDO\WLFDO FRPSDUDWLYH RI *)53 UHLQIRUFHG FRQFUHWH EULGJH GHFNVGHVLJQPHWKRGV7KH$$6+72/5)' PHWKRGLVFDOFXODWHGEDVHGRQIOH[XUDOWKHRU\ZLOO SURYLGHDKLJKOHYHORI*)53UHLQIRUFHPHQWUDWLR GXHWRWKHORZHODVWLFPRGXOXVRIWKH*)53EDUV 7KH&DQDGLDQKLJKZD\EULGJHGHVLJQFRGH&$1 &6$6DOORZVDSSOLFDWLRQRIERWKIOH[XUDODQG HPSLULFDOGHVLJQPHWKRGV,QZKLFKWKHHPSLULFDO PHWKRG UHTXLUHV D PLQLPXP UHLQIRUFHPHQW UDWLR RI  PP GLDPHWHU  PP VSDFLQJ (I   *3D DSSOLHV IRU WKH GHFN VODE ERXQGHG E\ WKH H[WHULRU VXSSRUWLQJ EHDPV WKDW VDWLVILHV WKH FURVV VHFWLRQ UHTXLUHPHQWV 7KLV PHWKRG DOORZV WKH UHGXFWLRQ RI UHTXLUHG UHLQIRUFHPHQW UDWLR FRPSDUHG WR WKH IOH[XUDO GHVLJQ PHWKRG ,Q DGGLWLRQWKHFRPSDULVRQRIPDWHULDOFRVWVVKRZV WKDW WKH RSWLRQV WR XVH WKH *)53 EDUV DQG WKH *)53EDUVFRPELQHGZLWKWKHVWHHOUHEDUKDYHD ORZHUPDWHULDOFRVWWKDQWKHVWHHOUHEDUXVHGLQWKH SUDFWLFHFRUUHVSRQGLQJDQG ( 28 MPa, β1 tính giảm 0,05 cho 7,0 MPa khơng nhỏ 0,65 f’c - Cường độ chịu nén đặc trưng bê tông, MPa εcu - Biến dạng giới hạn bê tông ρf - Tỷ lệ cốt GFRP, ρf = Af /bd ρfb - Tỷ lệ cốt GFRP tương ứng với trường hợp phá hoại cân ffu - Cường độ chịu kéo thiết kế cốt GFRP có xét đến hệ số triết giảm điều kiện mơi trường, MPa - Kiểm sốt chiều rộng vết nứt: w f f ,s Ef E kb d c2  s (3) - (2.9.3.4-1 [9]) Với: ff,s - Ứng suất FRP giai đoạn khai thác; dc - Độ dày lớp bê tông tính từ mặt chịu kéo đến trọng tâm GFRP gần nhất; s - Khoảng cách GFRP chịu uốn; β - Tỷ số khoảng cách từ trục trung hòa đến bề mặt chịu kéo khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng tâm cốt thép chịu kéo; kb - Một hệ số dính bám kể đến đặc trưng dính bám cốt GFRP tăng cường 76 - Tính tốn độ võng: Ie ª § M ·3 º § M cr · cr ă E d I g  ô1  ă ằ I cr d I g ôơ â M a ằẳ â Ma (4) - (2.9.3.5-1 [9]) Trong đó: Mcr - Mơ-men nứt, N.mm; Ma - Mơ-men khơng hệ số mặt cắt tính độ võng, N.mm; Ig - Mơ-men qn tính mặt cắt ngun trọng tâm quy đổi bê tông, mm4 βd - Hệ số triết giảm liên quan đến giảm độ cứng chịu kéo FRP so với cốt thép - Sức kháng cắt danh nghĩa: (5) - (2.10.3.2.1-1 [9]) Vc 0,42 f c' bw c Trong đó: c - Khoảng cách từ mặt chịu nén đến trục trung hòa; bw - Chiều rộng dầm 2.2 Phương pháp kinh nghiệm theo CAN/CSA S6-10 Theo quy định tiêu chuẩn thiết kế cầu Canada [10], hàm lượng cốt thép tối thiểu dùng cho kết cấu mặt cầu (bản trong) f16 cách khoảng 300 mm Quy định áp dụng với cốt GFRP có mơ-đun đàn hồi (Ef = 40 GPa) Ngồi ra, cốt GFRP sản xuất Việt Nam có diện tích thực tế nhỏ giá trị tính tốn theo đường kính danh định Do đó, áp dụng cần quy đổi để có trị số (ρEf) tương đương Đối với phần hẫng lớp theo phương ngang cầu bố trí phương pháp thiết kế chịu uốn Kết trình bày Bảng 3.2 2.3 Phương pháp thiết kế đề nghị Trên sở phương pháp kinh nghiệm Canada quy định quy đổi tương đương từ cốt thép sang cốt FRP mặt cầu theo CAN/CSA S6-10, với cốt ngang cầu lấy theo phương pháp kinh nghiệm, diện tích cần thiết cốt dọc cầu tính từ cơng thức (6) I frp Afrp f frp Is As f s (6) - [10]) Với: Afrp, As - Diện tích cốt GFRP cốt thép; ffrp, fs Cường độ chịu kéo thiết kế cốt GFRP cốt thép; φfrp, φs - Hệ số triết giảm cường độ chịu kéo thiết kế cốt GFRP cốt thép (φfrp = 0,75; φs = 0,9) Đối với cốt thép, phần hẫng lấy theo phương pháp thiết kế chịu uốn Ngoài ra, phương án kết hợp sử dụng cốt GFRP lớp cốt thép lớp đưa để so sánh Kết tính tốn so sánh tổng hợp Bảng 3.2 TRƯỜNG HỢP TÍNH TỐN Để so sánh phương pháp, cơng trình cầu thực tế có mặt cắt ngang Hình 3.1, với số liệu thiết kế bao gồm: Tải trọng thiết kế HL93; Tiêu chuẩn thiết kế: TCVN 11823-17 [11], AASHTO LRFD-07 [12]; Bê tông: f’c = 30 MPa; Ec = 26,691.103 MPa; εcu = 0,003; Cốt thép: fy = 400 MPa; Es = 200 GPa; Cốt GFRP: ffu = 900 MPa; Ef = 45 GPa; CE = 0,7 Kết phân tích nội lực tổng hợp Bảng 3.1 +ÊQK 0¾WF»W QJDQJF´X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Số 10/2020 %°QJ7×QJKêSPƠPHQXƯQWËQKWR¯Q Vị trí TTGH TTGH cường độ TTGH sử dụng Bản (kN.m) Mô-men dương Mô-men âm 42,653 25,547 36,295 21,633 Bản hẫng (kN.m) Mơ-men âm 30,850 25,789 %°QJ7×QJKêSWFƯWWKÀS*)53 Bố trí cốt GFRP Cốt dọc Cốt dọc Cốt ngang f16a200 f16a100 f20a100 40 79 330 1318,00 2603,05 2623,5 f16a250 f16a250 f16a250 (f20a100) 32 32 133 (330) 1054,40 1054,40 877,8 (1320) f10a200 f10a200 f16a250 (f20a100) 40 40 133 (330) 1318 1318 877,8 (1320) Phương pháp thiết kế Phương pháp thiết kế uốn số Khối lượng (m) Phương pháp kinh nghiệm [10] số Khối lượng (m) Phương pháp đề nghị số Khối lượng (m) Cốt ngang f20a100 330 2623,5 f16a250 133 1057,35 f16a250 133 1057,35 Phương pháp đề nghị kết hợp GFRP + thép f10a200 (GFRP) f10a200 (thép) f16a250 (f20a100) f14a250 (GFRP) (thép) số Khối lượng (m) Bố trí thực tế số Khối lượng (m) 40 1318 f14a200 40 1318 40 1318 f14a200 40 1318 133 (330) 877,8 f20a150 220 1749 133 1057,35 f20a150 220 1749 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CỐT THANH GFRP THAY THẾ CỐT THÉP TRONG BẢN MẶT CẦU Trên sở bố trí cốt thép thực tế phương pháp thiết kế bố trí cốt GFRP, cốt thép, tiến hành tính chi phí vật liệu cốt, kết tổng hợp, so sánh Bảng 4.1 %QJ7ìQJKờSFKLSKậYáWOLẫXFệW Phng phỏp thit k Khi lng f16 f20 f16 Thiết kế kinh nghiệm [10] f20 f10 Phương pháp đề nghị f16 f20 f10 (thép) f14 (thép) Phương pháp đề nghị kết hợp GFRP + thép f10 (GFRP) f16 (GFRP) f20 (GFRP) f14 Bố trí cốt thép (thực tế) f20 Thiết kế uốn 3921,1 m 5247,0 m 4044,0 m 1320,0 m 2636,0 m 1935,2 m 1320,0 m 812,2 kg 1277,1 kg 1318,0 m 877,8 m 1320,0 m 3184,3 kg 8622,6 kg Chi phí (VNĐ) Đơn giá Thành tiền 23480 92.839.920 34980 183.540.060 23480 95.725.612 34980 46.173.600 9800 25.832.800 23480 45.437.322 34980 46.173.600 15275 12.406.119 14900 19.028.319 9800 12.916.400 23480 20.610.744 34980 46.173.600 14900 47.445.891 14900 128.476.293 Cộng (VNĐ) Tỷ lệ (%) 275.606.314 157% 141.125.546 80% 117.443.722 67% 111.135.182 63% 175.922.184 100% Kết phân tích, so sánh cho thấy phương pháp thiết kế kinh nghiệm theo đề nghị tiêu chuẩn thiết kế cầu Canada có chi phí vật liệu cốt giảm 20% Phương pháp thiết kế đề nghị có chi phí thấp 33% với phương án dùng toàn cốt GFRP 37% với phương án kết hợp cốt GFRP lớp cốt thép lớp Trường 77 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 10/2020 hợp sử dụng phương pháp thiết kế chịu uốn chi phí tăng 57%, điều mô-đun đàn hồi cốt GFRP thấp cốt thép dẫn đến giới hạn khai thác đặt biệt chiều rộng vết nứt trở thành điều kiện kiểm soát thiết kế Tuy nhiên, triết lý thiết kế phương pháp không phù hợp với ứng xử thực tế mặt cầu, khơng nên áp dụng phương pháp thiết kế Ngoài ra, hiệu việc ứng dụng cốt GFRP thay cốt thép mặt cầu lớn so sánh chi phí vịng đời kết cấu cốt GFRP có khả kháng ăn mịn tốt cốt thép dẫn đến tuổi thọ kết cấu cao hơn, đặc biệt điều kiện môi trường ven biển KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Phương pháp thiết kế chịu uốn theo AASHTO LRFD09 áp dụng cho kết cấu mặt cầu bê tông cốt GFRP làm tăng chi phí vật liệu cốt GFRP có mơ-đun đàn hồi thấp (Ef = 45 GPa), dẫn đến cần hàm lượng cốt lớn để có độ cứng chống uốn tương đương với cốt thép (Es = 200 GPa) Phương pháp thiết kế đề nghị sử dụng cốt GFRP có chi phí vật liệu cốt giảm 33% so với phương án bố trí cốt thép thực Phương án sử dụng kết hợp hai loại cốt GFRP cốt thép có chi phí tối ưu (chi phí vật liệu thấp 37% so với phương án thực hiện) khai thác mạnh loại cốt Tài liệu tham khảo [1] John P Busel (2018), Fiber Reinforced Polymer (FRP) ACI Guidelines and Field Installations, National Concrete Consortium, American Composites Manufacturers Association [2] Ahmed, E A., Settecasi, F and Benmokrane, B (2014), Construction and testing of GFRP steel hybrid reinforced-concrete bridge-deck slabs of the SainteCatherine overpass bridges, J Bridge Eng., 10.1061 /(ASCE) BE.1943-5592.0000581, 04014011 [3] Benmokrane, B., El-Salakawy, E., El-Gamal, S and Goulet, S (2007), Construction and testing of an innovative concrete bridge deck totally reinforced with glass FRP bars: Val-Alain Bridge on Highway 20 East, J Bridge Eng., 10.1061/(ASCE)1084-0702(2007)12:5(632), 632-645 [4] Bouguerra, K., Ahmed, E A., El-Gamal, S and Benmokrane, B (2011), Testing of full-scale concrete bridge deck slabs reinforced with fiber-reinforced polymer (FRP) bars, J Constr Build.Mater., 25(10), 3956-3965 [5] El-Gamal, S., El-Salakawy, E and Benmokrane, B (2005), Behavior of concrete bridge deck slabs reinforced with fiber-reinforced polymer bars under concentrated loads, ACI Struct J., 102(5), 727-735 [6] El-Gamal, S., El-Salakawy, E and Benmokrane, B (2007), Influence of reinforcement on the behavior of concrete bridge deck slabs reinforced with FRP bars, J Compos Constr., 10.1061/(ASCE)1090 -0268(2007)11:5(449), 449-458 [7] El-Salakawy, E., Benmokrane, B and Desgagne, 78 G (2003), FRP composite bars for the concrete deck slab of Wotton Bridge, Can J Civ Eng., 30(5), 861-870 [8] El-Salakawy, E., Benmokrane, B., El-Ragaby, A and Nadeau, D (2005), Field investigation on the first bridge deck slab reinforced with glass FRP bars constructed in Canada, J Compos Constr., 10.1061/(ASCE)10900268(2005)9:6(470), 470-479 [9] AASHTO (2009), LRFD bridge design guide specifications for GFRP reinforced concrete bridge decks and traffic railings, 1st Ed., Washington, DC [10] CSA (Canadian Standards Association) (2010), Canadian highway bridge design code, CAN/CSA S6-10, Toronto [11] Bộ GTVT (2017), Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường TCVN 11823:2017 [12] AASHTO (2007), AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 4th edition Ngày nhận bài: 01/8/2020 Ngày chấp nhận đăng: 18/8/2020 Người phản biện:  PGS TS Đào Duy Lâm PGS TS Trần Việt Hùng ... dọc Cốt ngang f16a200 f16a100 f20a100 40 79 330 1318,00 26 03,05 26 23,5 f16a250 f16a250 f16a250 (f20a100) 32 32 133 (330) 1054,40 1054,40 877,8 (1 320 ) f10a200 f10a200 f16a250 (f20a100) 40 40 133... tế) f20 Thiết kế uốn 3 921 ,1 m 524 7,0 m 4044,0 m 1 320 ,0 m 26 36,0 m 1935 ,2 m 1 320 ,0 m 8 12, 2 kg 127 7,1 kg 1318,0 m 877,8 m 1 320 ,0 m 3184,3 kg 8 622 ,6 kg Chi phí (VNĐ) Đơn giá Thành tiền 23 480 92. 839. 920 ... tiền 23 480 92. 839. 920 34980 183.540.060 23 480 95. 725 .6 12 34980 46.173.600 9800 25 .8 32. 800 23 480 45.437. 322 34980 46.173.600 1 527 5 12. 406.119 14900 19. 028 .319 9800 12. 916.400 23 480 20 .610.744 34980