FRP làm cốt cho bê tơng cĩ ba dạng chính là: thanh hoặc lưới; thanh hoặc bĩ dựứng lực; ván khuơn giữ lại trong kết cấu.
a) b)
c) d)
Hình 1-4. FRP làm cốt cho bê tơng a) Thanh FRP sợi thủy tinh và carbon
b) Lưới NEFMAC với sợi FRP
c) Lồng thanh FRP cho hầm d) Thanh FRP cho bản mặt cầu 1.3.2.1. FRP dạng thanh hoặc dạng lưới
Đầu thập kỷ 1980s, Hoa Kỳ đã ứng dụng bĩ sợi thủy tinh trong tường và sàn nhà. Cùng thời gian này, tại Nhật Bản, FRP sợi carbon dạng lưới với tên gọi NEFMAC được ứng dụng trong kết cấu vỏ hầm và bản mặt cầu (Hình 1-4).
FRP dạng thanh hoặc bĩ dựứng lực được phát triển từ thập kỷ 1980s ở
Hà Lan, Đức và Nhật Bản nhằm mục đích giảm ăn mịn trong kết cấu bê tơng DUL (Hình 1-5).
Hình 1-5. FRP dạng thanh hoặc bĩ dựứng lực 1.3.2.3. FRP dạng ván khuơn giữ lại trong kết cấu (SIP)
a) b)
Hình 1-6. FRP dạng ván khuơn giữ lại trong kết cấu a) FRP làm ván khuơn cho bản mặt cầu b) FRP làm ống nhồi bê tơng
FRP dạng ván khuơn giữ lại trong kết cấu đĩng vai trị như cốt chịu kéo, sau khi bê tơng đạt cường độ. Tấm FRP SIP được ứng dụng trong các cầu nằm trên đường quốc lộ Dayton, bang Ohio (1999) và quốc lộ Waupun, bang Wisconsin (2003) (Hình 1-6a).
FRP SIP cĩ thểứng dụng cho cột và dầm. Đây là dạng kết cấu ống FRP nhồi bê tơng. Kết cấu này đã được sử dụng trong một số cầu ở bang California, Hoa Kỳ (Hình 1-6b). 1.3.3. FRP làm kết cấu chịu lực chính a) b) c) d) e) g) Hình 1-7. FRP làm kết cấu chịu lực chính a)Khung chính kết cấu bằng FRP dạng thanh b) Tháp làm mát bằng FRP
d)Cầu đi bộ bằng FRP sản xuất và thi cơng bởi ET Techtonics. e) Cầu Dickey Creek với dầm FRP
g) Dây văng cầu Storchen, 241 thanh CFRP đường kính 5 x10-3m
Khoảng thập kỷ 1950s, một phương pháp sản xuất FRP với mặt cắt khơng đổi gọi là kéo tạo hình (pultrusion) được phát minh tại Hoa Kỳ. Đầu tiên ứng dụng trong cơng nghiệp chế tạo và sau đĩ ứng dụng cho các sản phẩm dầm cột dùng trong xây dựng nhà cửa và cầu đường (Hình 1-7a).
Kết cấu lớn đầu tiên sử dụng thanh FRP là nhà thí nghiệm EMI. FRP
được sử dụng là do đặc tính chống điện từ tốt và trong suốt (Hình 1-7c). Kết cấu lớn tiếp theo được nghiên cứu là tháp làm mát cơng nghiệp. Hệ thống này bao gồm dầm cột và tấm FRP (Hình 1-7b).
Trong lĩnh vực xây dựng cầu, kết cấu FRP được sử dụng từ những năm 1970s. Trọng lượng nhẹ và chống ăn mịn nên FRP được ứng dụng hiệu quả
trong bản mặt cầu và kết cấu phần trên. Hàng loạt cầu đi bộ nhịp 10m đến 30m dạng dàn đã sử dụng kết cấu nhịp FRP (Hình 1-7d,e).
Thanh FRP được phát triển để sử dụng làm dây chằng và dây văng. Cầu dây văng cho người đi bộ dài 131m (Aberfeldy, Scotland, 1992) và dài 40.3m (Kolding, Denmark, 1997) sử dụng FRP làm dây văng. Năm 1977, dây văng cho cầu Storchen ở Winterthur, Thụy Sỹ sử dụng bĩ 241 thanh CFRP đường kính 5x10-3m (Hình 1-7g).
1.4. Các Hướng dẫn hiện hành cho thiết kế kết cấu cĩ sử dụng FRP
Trong khoảng 10-15 năm trở lại đây, một loạt các quy trình và hướng dẫn thiết kế - thi cơng - nghiệm thu được xuất bản bởi các Hiệp hội nghiên cứu về FRP. Đây là kết quả của rất nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu ở các quốc gia cĩ nhiều ứng dụng FRP trong kỹ
Ở Hoa Kỳ, cĩ ba hiệp hội đã ban hành các hướng dẫn về sử dụng FRP là (1) Viện bê tơng Hoa Kỳ (ACI), (2) Hội đồng quy trình quốc tế (ICC) và (3) Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ (ASCE).
Canada cĩ hai Hiệp hội lớn nghiên cứu và ban hành các quy định và hướng dẫn thiết kế cũng như đặt nền mĩng cho các quy trình thiết kế và thi cơng vật liệu FRP trong kết cấu. Thứ nhất là Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada (Canadian Standards Association – CSA) và thứ hai là Mạng lưới Trung tâm Thơng minh Cải tiến Kết cấu Canada (The Canadian Network of Centers of Excellent on Intelligent Sensing for Innovative Structures – ISIS).
Ở châu Âu, Hiệp hội quốc tế về kết cấu bê tơng (FIB) và các viện nghiên cứu khác của các quốc gia châu Âu như National Research Council of Italy (CNR); The Concrete Society, UK là các cơ quan nghiên cứu đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu FRP. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong khoảng 10 năm trở lại đây, Hiệp Hội Kỹ Sư xây dựng Nhật Bản (Japan Society of Civil Engineers – JSCE), Viện Bê Tơng Nhật Bản (Japan Concrete Institute – JCI) và Viện Nghiên cứu Kỹ Thuật Đường Sắt (Railway Technical Research Intitute – RTRI) đã xuất bản nhiều tài liệu liên quan đến
ứng dụng FRP trong kết cấu bê tơng.
1.4.1. Các hướng dẫn thiết kế mặt cắt BTCT tăng cường bằng tấm sợi FRP
Bảng 1-3. So sánh các Hướng dẫn thiết kế Nội dung ACI 440.2R-08 [34] FIB Bulletin No. 14 [68]
ISIS Design Manual No. 4 [77] Quan
điểm thiết kế
Thiết kế mặt cắt BTCT tăng cường bằng tấm sợi FRP chịu uốn dựa trên
nguyên lý thiết kế dầm BTCT chịu uốn với thành phần chịu kéo cĩ thêm
sự tham gia của tấm sợi FRP như một vật liệu liên hợp chịu kéo.
Các giả thiết
Mặt cắt phẳng trước khi chịu tải vẫn phẳng khi biến dạng do uốn;
Biến dạng tương đối lớn nhất của bê tơng là 0.003; Bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tơng;
Tương tự như ACI 440.2R-08 và bổ sung 2 giả thiết:
Nội dung ACI 440.2R-08 [34] FIB Bulletin No. 14 [68]
ISIS Design Manual No. 4 [77] Bỏ qua biến dạng cắt khi tính duyệt mơ men;
Quan hệ ứng suất và biến dạng của tấm FRP là tuyến tính;
Ứng suất pháp phân bố đều trong vùng bê tơng chịu nén.
giữa bê tơng và tấm FRP;
Tấm FRP được neo giữ hoặc kéo dài đủ để phát huy tác dụng tấm FRP đến TTGH cực hạn. Biểu thức sức kháng uốn của mặt cắt ∅M,≥ M. (1.3) ∅@M,&+ψ-M,-B ≥ γ*M*+γ+M+ (1.4) Trong đĩ: C = @D −EFG H B ; (1.5) C = 4@D −EFG H B (1.6) ∅ = 0.90 với εO ≥ 0.005 ∅ = 0.65 +0.25@0.005 −εO−εε&'B &' với ε&'<εO< 0.005 ∅ = 0.65 với εO≤ε&' (1.7) CU) = VW)XD − YZ[\ + ]3 Xℎ − YZ[\ + _]3_XYZ[ − D_\ (1.15) Cường độ tính tốn của FRP tính theo cơng thức: ) = `a b` [ c`de c`df Trong đĩ: ε-.g/ε-.ilà tỷ số giữa biến dạng trung bình cực hạn thực tế và biến dạng trung bình cực hạn khi thí nghiệm của tấm FRP, thường lấy bằng 1. ffk: cường độ cực hạn của tấm, γf: hệ số chiết giảm cường độ tấm CU = jkD −l2m + j nkℎ −_m (1.16) Trong đĩ: j=φ oớr 3 < 3W j=φW oớr3≥ 3W j n =φ n] n3 n n oớr 3 n < 3 n# j n = 0 oớr 3 n ≥ 3 n# Hệ số chiết giảm cường độ tấm Đề nghị dùng ψ-= 0.85
Tùy theo dán khơ hay ướt, γf cho các vật liệu FRP như sau: Carbon: 1.20;1.35 Aramít: 1.25;1.45 Thủy tinh: 1.30;1.50 ISIS đưa ra một số nghiên cứu trước đĩ và người dùng phải quyết định giá trị ∅ n trong khoảng từ 0.7 đến 0.75. Hệ số chiết giảm điều kiện mơi trường làm việc, CE
Tùy theo điều kiện tiếp xúc trong hoặc ngồi hoặc mơi trường khắc nghiệt, CE cho các vật liệu FRP như sau: Carbon: 0.95;0.85;0.85 Aramít:0.85;0.75;0.70 Thủy tinh: 0.75;0.75;0.5 FIB đề nghị sử dụng hệ số điều kiện làm việc giống như ACI.
ISIS khơng đề cập đến hệ số chiết giảm cường độ trong các mơitrường khác nhau.
Nội dung ACI 440.2R-08 [34] FIB Bulletin No. 14 [68]
ISIS Design Manual No. 4 [77] hoại mặt
cắt
theo hai trạng thái: Liên hợp hồn tồn và liên hợp khơng hồn tồn. Mặt cắt chịu uốn cĩ 5 kiểu phá hoại (Hình 1-8):
Kiểu 1: Bêtơng bị nén vỡ trước khi cốt thép bị kéo chảy.
Kiểu 2: Cốt thép chảy kéo theo tấm FRP bị đứt gãy. Kiểu 3: Cốt thép chảy kéo theo bê tơng bị nén vỡ. Kiểu 4: Bong bê tơng ở vị trí cuối tấm.
Kiểu 5: Bong trĩc tấm FRP khỏi bề mặt bê tơng.
theo hai trạng thái: Liên hợp hồn tồn và Liên hợp khơng hồn tồn. Mặt cắt chịu uốn cĩ 7 kiểu phá hoại: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bê tơng bị nén vỡ trước khi cốt thép bị kéo chảy. Cốt thép chảy kéo theo tấm FRP bị đứt.
Cốt thép chảy kéo theo bê tơng bị nén vỡ. Bong tấm FRP do vết nứt cắt. Bong trĩc tấm FRP ở cuối tấm do uốn. Bong trĩc tấm FRP ở cuối tấm do cắt.
theo hai trạng thái: Liên hợp hồn tồn và liên hợp khơng hồn tồn. Mặt cắt chịu uốn cĩ 4 kiểu phá hoại: Bêtơng bị nén vỡ trước khi cốt thép bị kéo chảy.
Cốt thép chảy kéo theo tấm FRP bị đứt gãy. Cốt thép chảy kéo theo bê tơng bị nén vỡ. Bong tấm FRP tại bề mặt bê tơng tiếp xúc với FRP
Chiều dài neo tấm
Chiều dài cần thiết để phát triển ứng suất cĩ hiệu trong tấm: () = uv`"` w Gx (1.8) (7,!y = w v`"` HGzf(x10-3m) c2 = 2
fctm : cường độ chịu kéo của bê tơng
Khơng qui định cho thiết kế chịu uốn
Cách xác định kiểu phá hoại
Dựa vào biến dạng tương đối bong trĩc của tấm: 3 )= 0.41w `Gx
}.~`z` (1.9) 3 4= 3#`G
G − 37 (1.10) Nếu 3 ) ≤ 0.93 # thì phá hoại xảy ra theo Kiểu 5. Nếu 3 ) > 0.93 # thì phá hoại xảy ra theo Kiểu 1, 2, 3. Nếu 3 4≤ 3 ) thì phá hoại xảy ra theo Kiểu 1 hoặc 3. Nếu 3 4> 3 )thì phá hoại Kiểu 2.
Giả thiết mặt cắt liên hợp hồn tồn. Kiểm duyệt lại theo trạng thái cực hạn và điều kiện độ dẻo
Giả thiết kiểu phá hoại, sau đĩ kiểm tra lại.
Nội dung ACI 440.2R-08 [34] FIB Bulletin No. 14 [68]
ISIS Design Manual No. 4 [77] Quy định về điều kiện tăng cường XC\4y " ≥ X1.1C+ 0.75C\ (1.11)
FIB khơng yêu cầu về khả năng tối thiểu của mặt cắt được tăng cường
XC\4y " ≥ X1.2C+ 0.8C\ (1.17) Yêu cầu về ứng suất sử dụng Ứng suất trong cốt thép ở TTGH: f&,& ≤ 0.8f' (1.12) Ứng suất sử dụng trong tấm FRP: ,≤ , ! " (1.13) Ứng suất sử dụng trong bê tơng:
, ≤ 0.45 (1.14)
FIB khơng đưa các giá trị cụ thể chiết giảm cường độ mà phân tích trạng thái làm việc ở các mơi trường khác nhau và cung cấp các tài liệu cĩ liên quan để người thiết kế tham khảo và tự đưa ra quyết định.
ISIS khơng đề cập đến giới hạn về ứng suất sử dụng trong cốt thép và bê tơng cũng như tấm FRP.
Hình 1-8. Kiểu phá hoại theo ACI 440.2R-08 [34][54][74][79][83][92]
1.5. Độ tin cậy của kết cấu cơng trình
1.5.1.Cơ sở triết lý thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy
Các đại lượng hiệu ứng tải, S, và sức kháng, R, về bản chất đều là những đại lượng ngẫu nhiên. Trong so sánh giữa S và R, tương quan nào cũng cĩ thể xảy ra với xác suất nào đĩ. Kết cấu cơng trình được xem là duy trì khả
năng làm việc (khơng bị phá hoại,…) khi xác suất để khơng gặp sự cố
Độ tin cậy, Ps, được xác định: Ps =P{S<R|[0,T]} (1.18) và xác suất bị phá hoại hoặc gặp sự cố: Pf =P{S>R|[0,T]} (1.19) trong đĩ P{S <R|[0,T]}là xác suất để khơng xảy ra sự cố (hư hỏng, S<R) trong khoảng thời gian khai thác, T; P{S >R|[0,T]} là xác suất để xảy ra sự cố
(hư hỏng, S<R) trong khoảng thời gian khai thác, T.
Điều kiện tính duyệt theo điều kiện đảm bảo độ tin cậy (được quy định bởi tiêu chuẩn thiết kế) cĩ dạng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
] [ s s P P ≥ , hoặc Pf ≤[Pf] (1.20) ] [Ps : xác suất khơng xảy ra sự cố cho phép. ] [Pf : xác suất sự cố cho phép. Tính Ps và Pf : ∫∫ > = R S f f S f R dSdR P ( ) ( ) (1.21) ∫∫ < = R S s f S f R dSdR P ( ) ( ) (1.22)
Thiết kế trên cơ sở đảm bảo độ tin cậy là phương pháp tính tốn thiết kế hiện đại, tiên tiến nhất hiện nay; cho phép xét đến đầy đủ tính chất bất
định, ngẫu nhiên của các yếu tố. Tuy nhiên, để đánh giá được độ tin cậy cần phải cĩ được đầy đủ các số liệu thống kê, các đặc trưng phân bố xác suất của tất cả các tham số.
1.5.2.Cơ sở đánh giá độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi carbon dán ngồi
1.5.2.1 Phương pháp luận
Trong thực tế, khi tăng cường kết cấu dầm BTCT bằng tấm sợi carbon cĩ thể tiến hành theo hai bài tốn:
• Đánh giá độ tin cậy của kết cấu được tăng cường; và
• Thiết kế kết cấu được tăng cường theo một độ tin cậy cho trước, trên cơ sở độ tin cậy của kết cấu cũ.
Phương pháp luận đánh giá độ tin cậy của kết cấu được tăng cường dựa trên "Cơ sở triết lý thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy" ở mục 1.5.1. Vấn đềở đây là cần cĩ một mơ hình tính tốn mặt cắt cĩ xét đến ảnh hưởng của tấm sợi carbon dán ngồi trong hiệu ứng sức kháng R. Đã cĩ nhiều nghiên cứu về vấn
đề này [34], và mơ hình tính tốn được chấp nhận rộng rãi "dầm BTCT chịu uốn với thành phần chịu kéo cĩ thêm sự tham gia của tấm sợi FRP như một vật liệu liên hợp chịu kéo".
b. Thiết kế kết cấu được tăng cường theo một độ tin cậy cho trước
Với chỉ số độ tin cậy, β, cho trước, xác suất sự cố cho phép, [Pf] hồn tồn xác định. Trong trường hợp R và S là các phân bố chuẩn, [Pf] xác định như sau:
[Pf]=Φ(−β) (1.23)
Khi đĩ theo cơng thức (1.21), giá trị f(S) và Pf là xác định, nên tính được hàm f(R). Cùng với mơ hình tính tốn "dầm BTCT chịu uốn với thành phần chịu kéo cĩ thêm sự tham gia của tấm sợi FRP như một vật liệu liên hợp chịu kéo" và tất cả các yếu tố của dầm được xác định thì các yêu cầu của tấm sợi FRP sẽđược xác định trên cơ sở đảm bảo điều kiện tính duyệt (1.20).
1.5.2.2 Các tham sốđặc trưng phân phối xác suất [10][53][105]
Giá trị trung bình ký hiệu µX, là tham sốđặc trưng cho phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X được xác định theo biểu thức:
= [ X[\D[ = ∑ [
V X[ \ (1.24)
Đối với tập hợp các giá trị ngẫu nhiên {[V, [_, … , [}, giá trị trung bình
được xác định theo biểu thức sau: = V∑ [
V (1.25)
Phương sai, ký hiệu σ2X - là tham sốđặc trưng cho mức độ phân tán của phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X, được xác định theo biểu thức:
Độ lệch chuẩn, ký hiệu σX cũng là tham số đặc trưng cho mức độ phân tán của phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X được xác định theo biểu thức:
> = >_ (1.27)
Đối với tập hợp các giá trị ngẫu nhiên {[V, [_, … , [}, độ lệch chuẩn, σX ,
được xác định theo biểu thức: > = w∑ Xy} y͞ \H F V = w∑} yHXy͞ \H F V (1.28)
Hệ số biến sai, COVX cũng là tham sốđặc trưng cho phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X được xác định theo biểu thức:
= (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(1.29)
Hệ sốλ2 - là tỷ lệ giữa giá trị trung bình và giá trị danh định của đại lượng ngẫu nhiên X, được xác định theo biểu thức:
λ2 = µ
2 (1.30)
Trong đĩ X, là giá trị danh định của biến X.
Dạng phân phối chuẩn hĩa của đại lượng ngẫu nhiên X, ký hiệu Z, xác
định theo biểu thức:
Z = 2µ
(1.31)
Trong đĩ, µZ = 0 và σZ =1.
1.5.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi carbon [23][24][25]
Độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi