CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG17 BẰNG CFRP
2.1. THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG CFRP
2.1.1. Các yêu cầu cơ bản để thiết kế tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông
a. Các yêu cầu chung
- Bê tông hiện hữu phải có cường độ nén không thấp hơn 17Mpa (fc’≥19MPa).
- Tất cả các cốt thép phải đảm bảo còn tính đàn hồi tại vị trí tăng cường.
- Khả năng sử dụng của các bộ phận kết cấu phải thỏa mãn các yêu cầu phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế như tiêu chuẩn ACI hoặc tiêu chuẩn Châu Âu.
b. Các giả định trong thiết kế hệ tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông sử dụng vật liệu FRP
- Những tính toán thiết kế phải dựa trên kích thước thật, cách bố trí thép bên trong và những đặc tính vật liệu của bộ phận hiện hữu cần được tăng cường.
- Cường độ kéo của bê tông được bỏ ra.
- Biến dạng của Vật liệu FRP và bê tông, cốt thép, cáp DƯL, có quan hệ đường ứng suất tuyến tính.
- Giả thiết mặt cắt phẳng trước khi biến dạng do uốn và sau khi biến dạng do uốn.
- Không có quan hệ trượt giữa hệ FRP và bê tông.
- Biến dạng giữa bê tông và thép dựa theo những đường cong lý tưởng được đưa ra trong những tiêu chuẩn hiện hành.
- Tất cả thiết kế tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông sử dụng vật liệu FRP phải thỏa mãn những nguyên lý kỹ thuật cơ bản của: Khả năng tương thích biến dạng; Sự cân bằng về lực.
Mối quan hệ ứng suất – biến dạng sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn ACI, Euro Code trong trạng thái giới hạn cực hạn.
Hình 2.1. Mô hình ứng suất-biến dạng của vật liệu bê tông, FRP, cốt thép sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn ACI, Euro Code
DUT.LRCC
c. Lựa chọn các mô hình phá hủy để thiết kế tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông
Các mô hình phá hủy của kết cấu bê tông khi tăng cường khả năng chịu lực bằng vật liệu FRP:
- Phá hủy bê tông khi nén trước khi cốt thép chảy dẻo (dạng phá hoại 1).
Hình 2.2. Bê tông bị phá hoại do nén
- Chảy dẻo của cốt thép cùng với sự pha hủy của bê tông (dạng phá hoại 2)
Hình 2.3. Bê tông bị phá hoại do nén
Hình 2.4. Phá hoại do uốn và vết nứt Hình 2.5. phá hoại do cắt và vết phát triển giữa bê tông và cốt sợi nứt phát triển giữa bê tông và cốt sợi
- Chảy dẻo của cốt thép cùng với sự đứt gãy của vật liệu (dạng phá hoại 3)
Hình 2.6. Vật liệu FRP bị phá hoại trước (bị đứt)
- Phá hủy lớp bê tông bảo vệ trong cấu kiện chịu kéo/ cắt (dạng phá hoại 4)
Hình 2.7. Phá hoại do tách lớp bê tông bảo vệ cốt thép
- Vật liệu FRP không dính bám với bề mặt bê tông (dạng phá hoại 5 – hiện tượng bong dính)
DUT.LRCC
Hình 2.8. Phá hoại do bong dính
Trong thiết kế, để đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật, thông thường người kỹ sư thiết kế nên lựa chọn mô hình dạng phá hoại 2 hoặc 3.
Hình 2.9. Mô hình ứng suất-biến dạng của dạng phá hoại 2
Hình 2.10. Mô hình ứng suất-biến dạng của dạng phá hoại 3
Ứng suất tập trung tại vị trí vết nứt: Ứng suất kéo giữa bê tông và sợi FRP trong phạm vi vết nứt được mô tả trong hình 2.1.11.
Hình 2.11. Ứng suất τc xuất hiện gữa bê tông và sợi FRP khi có lực tác dụng F
DUT.LRCC
d. Các yêu cầu cấu tạo chung khi thiết kế tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông sử dụng vật liệu FRP
- Tăng cường khả năng chịu lực cho cột:
Hình 2.12. Bố trí phương vật liệu FRP cho tăng cường khả năng chịu lực của cột - Tăng cường khả năng chịu uốn cho sàn, dầm:
Hình 2.13. Bố trí phương vật liệu FRP cho tăng cường khả năng chịu lực uốn cho sàn, dầm
- Tăng cường khả năng chịu mômen, lực cắt cho dầm:
Hình 2.14. Phạm vi bố trí vật liệu FRP cho tăng cường khả năng chịu lực của dầm e. Trình tự thiết kế tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông
Trình tự thiết kế tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông được thực hiện theo sơ đồ khối sau:
DUT.LRCC
Hình 2.15. Sơ đồi khối thể hiện tình tự tính toán, thiết kế tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông bằng vật liệu FRP