Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CHENG POR ENG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) ĐỂ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA

Chuyên ngành: Xây dựng công trình đặc biệt Mã số: 62.58.02.06.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI-2017

Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Người hướng dẫn khoa học:

1. GS.TS NGUYỄN VIẾT TRUNG 2. PGS.TS NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH

Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải............................................................ ………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………. vào hồi 8 giờ 30 ngày --- tháng --- năm 2017. Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện trường Đại học GTVT - Thư viện Quốc gia

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Cheng Por Eng & Phạm Duy Anh, “Tính toán và đánh giá hiệu quả kết cấu dầm bê tông cường độ cao cốt tăng cường FRP” Tuyển tập công trình khoa học, Hội nghị khoa học giảng viên trẻ khoa công trình-2005, trang (39-44). 2. NCS. Cheng Por Eng, “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm bê tông cường độ cao cốt phi kim loại GFRP”, Tạp chí cầu đường Việt Nam số 10- 2016, trang (9- 13).

MỞ DẦU

1) Lý do chọn đề tài Campuchia là một nước đang phát triển, cơ sở hạ tầng giao thông còn thấp, nhu cầu xây dựng các công trình cầu đang trở nên thời sự và cấp bách.

Xu hướng tìm vật liệu mới để thay thế cho một phần hoặc toàn bộ cốt thép để chống ăn mòn cho những kết cấu cầu bê tông cốt thép (BTCT) là rất cần thiết.

Cốt polyme gia cường sợi (FRP) có nhiều ưu điểm vượt trội so với cốt thép thường như cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn có thể sử dụng lâu bền trong môi trường nước biển, nhẹ hơn cốt thép thường có kích thước tương đương, không có từ tính.

Bê tông cường độ cao (BTCĐC) cốt polyme gia cường sợi (FRP) sẽ tăng khả năng chống ăn mòn và tăng khả năng bền vững cho kết cấu công trình, có thời gian khai thác sử dụng lâu dài và ổn định từ 80 đến 100 năm [48], [51] với việc bảo trì tối thiểu.

Việc sử dụng cốt polyme gia cường sợi (FRP) cho ngành xây dựng cầu ở Campuchia là mới, với rất ít các nghiên cứu về kết cấu bê tông cốt polyme gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng cho công trình cầu.

Do vậy, việc nghiên cứu ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng trong xây dựng cầu ở Campuchia là hướng nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn.

2) Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính toán kết cấu BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP) đối với dầm cầu.

- Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC đến cấp 80 MPa sử dụng cốt polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP), làm rõ ưu điểm và nhược điểm của loại dầm này so với dầm BTCT thông thường. - Thiết kế một số dầm cầu nhịp đơn giản sử dụng cốt polyme gia cường sợi: GFRP, CFRP và GFRP kết hợp với cốt thép để áp dụng tại Campuchia.

3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu:

- Bê tông cường độ cao (BTCĐC); - Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP); - Thí nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP); - Thiết kế dầm cầu BTCĐC sử dụng cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP và cốt Hybrid.

* Phạm vi nghiên cứu:

- Bê tông cường độ cao có cường độ cao, f’c ≤ 83 MPa; - Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm BTCĐC cốt FRP chủ yếu dựa

trên phương pháp theo các chỉ dẫn AASHTO GFRP-1 và ACI 440.1R-06; - Chỉ nghiên cứu, tính toán kết cấu bê tông cốt FRP không dự ứng lực; - Các kết quả thí nghiệm đo được gồm có: Quan hệ tải trọng - độ võng, quan hệ tải trọng - biến dạng của cốt GFRP, quan hệ tải trọng - biến dạng của bê tông vùng nén mà chưa đo được giới hạn bề rộng vết nứt và chưa xét đến các ảnh hưởng khác. 4) Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết được thực hiện trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu. Phương pháp thực nghiệm được thực hiện để đánh giá ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt FRP, kiểm chứng lý thuyết tính toán và lý thuyết nguyên cứu đã đề xuất.

5) Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án nghiên cứu BTCĐC sử dụng cốt FRP cho kết cấu dầm và bản mặt cầu bằng phương pháp kết hợp lý thuyết với thực nghiệm ứng xử uốn dầm BTCĐC cốt sợi thủy tinh từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp đối với kết cấu dầm BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP).

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể coi là tài liệu tham khảo tốt cho việc ứng dụng BTCĐC cốt polyme gia cường sợi (FRP) cho kết cấu cầu tại Campuchia, cần thiết cho sự phát triển hệ thống cầu ở Campuchia.

6) Nội dung, kết cấu luận án

Luận án gồm bản thuyết minh 126 trang bao gồm: 44 bảng; 57 hình, có 4 chương, phần mở đầu và kết luận. Ngoài ra có 97 tài liệu tham khảo và 62 trang phụ lục.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP)

1.1. Tổng quan về xây dựng cầu ở Campuchia

1.1.1. Địa hình của Campuchia:

Campuchia có diện tích 181035 km2, phía Bắc giáp với Thai Lan và Lào, phía Đông và Đông-Nam giáp với Việt Nam, phía Tây giáp với Thái Lan và phái Tây- Nam giáp với biển.

Thông qua khảo sát [93] lượng mưa, nhiệt độ của Campuchia khá tương đồng với miền Nam VN. Do vậy có thể tham khảo, sử dụng các nghiên cứu trong điều kiện VN để áp dụng Campuchia.

Hình 1.1. Bản đồ mạng lưới giao

thông Campuchia

1.1.2. Mạng lưới giao thông Campuchia

Tính đến năm 2014 [89], tổng mạng lưới giao thông Campuchia có 55242km, gồm có 13746 tuyến đường và 4060 cầu, trong đó cầu BTCT đã chiếm khoảng 61,33%.

* Một số hình cầu mới ở Campuchia

Hình 1.4. Cầu Kizuna

Hình 1.5. Cầu Chroy

Hình 1.6. Cầu Neak

Changvar

Loeung

- Thông qua khảo sát [89], một số cầu mới được xây dựng ở Campuchia đã sử dụng bê tông thường. Chẳng hạn như cầu Kizuna [95], cầu Neak Loeung [92] đã sử dụng bê tông có cường độ f’c = 40 MPa.

* Một số hình cầu cũ ở Campuchia

Hình 1.11. Cầu

BTCT (Kampong cham)

Hình 1.12. Cầu giàn BTCT (Kom pot)

Hình 1.13. Cầu giàn bê tông cốt thép (NR.6)

- Điều kiện khắc nghiệt, có biển của Campuchia làm ảnh hưởng lớn tác động

ăn mòn cốt thép cho công trình cầu. - Để giải quyết ăn mòn cốt thép nghiên cứu sinh đã tập trung nghiên cứu

ứng dụng cốt FRP thay thế cho cốt thép trong xây dựng cầu. 1.2. Tổng quan về bê tông cường độ cao

1.3. Tổng quan về cốt polyme gia cường sợi (FRP)

1.3.1. Giới thiệu vật liệu FRP Cốt FRP là vật liệu tổng hợp có tính năng cao. Cốt FRP phổ biến nhất là cốt (GFRP, AFRP và CFRP). - Ưu điểm: Chống ăn mòn, trọng lượng nhẹ, không từ tính, không dẫn điện, cường độ kéo cao. - Nhược điểm: Phá hoại giòn, không chịu lửa.

1.3.2. Lịch sử phát triển và tình hình áp dụng cốt FRP - Thế giới, cốt FRP đã phát triển từ những năm 1960 ở Mỹ, 1970 ở Châu Âu và 1980 ở Nhật [20, 45, 60].

- Campuchia, cốt FRP là vật liệu mới chưa được sử dụng. - Việt Nam, cốt GFRP được công ty FRP Việt Nam cung cấp và sản xuất.

1.3.3. Các Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP Campuchia, Việt Nam chưa có Tiêu chuẩn và đang sử dụng các Tiêu chuẩn:

Mỹ [20], [15], Canada, Nhật Bản, Italy, Anh …v.v. 1.4. Đặc điểm tính chất của vật liệu FRP

- Cốt FRP có cường độ nén rất thấp hơn so với cường độ kéo [20]. - Khi nhiệt độ thay đổi từ 65 ÷ 124oC, cường độ chị kéo của cốt (ffu) sẽ giảm từ 20 ÷ 40% [20].

Bảng 1.10. Tỷ trọng cốt FRP (g/cm3)

Thép 7,9

GFRP 1,25 ÷ 2,1

CFRP 1,5 ÷ 1,6

AFRP 1,25 ÷ 1,4

Bảng 1.11. Hệ số đặc trưng việc giãn nở nhiệt của cốt FRP

CTE, (x10-6 oC)

Hướng

Bê tông 7,2 ÷ 10,8 7,2 ÷ 10,8

Thép 11,7 11,7

GFRP 6,0 ÷ 10,0 21,0 ÷ 23,0

CFRP -9,0 ÷ 0,0 74 ÷ 104

AFRP -6,0 ÷ -2,0 60 ÷ 80

Chiều dọc, αL Chiều ngang, αT

Bảng 1.12. Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu FRP (ACI 440)

GFRP

CFRP

AFRP

Cường độ chảy (MPa) Cường độ kéo (MPa) Mô đun đàn hồi (GPa) Biến dạng chảy (%) Biến dạng kéo đứt (%)

Thép 272 ÷ 517 483 ÷ 690 200 0.14 ÷0.25 6 ÷12

N/A 483 ÷ 1600 35 ÷51 N/A 1.2 ÷3.1

N/A 600 ÷ 3690 120 ÷580 N/A 0.5 ÷1.7

N/A 1720 ÷ 2540 41 ÷ 125 N/A 1.9 ÷4.4

* Dính bám giữa bê tông và cốt FRP - Dính bám của cốt FRP với bê tông tốt như cốt thép [48]. - Giả thiết cơ bản là “liên kết dính bám giữa bê tông và cốt FRP là tồn tại hoàn hảo” [18], [19], [20], [15], [45], [60] với điều kiện đủ chiều dài chôn cốt FRP trong bê tông (le).

Hình 1.23. Truyền lực qua sự dính bám của cốt FRP

1.5. Các nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP

1.5.1. Trên thế giới: - Các nghiên cứu về dính bám là hệ số dính bám kb từ (0,84 ÷ 1,4) [26], [27], [33]. - Tải trọng ở trạng thái giới hạn sử dụng (Psd) bằng (25,1÷35%) tải trọng ở trạng thái giới hạn cực hạn (Pu) [33], [57], [65]. - Biến dạng của cốt FRP ở trạng thái giới hạn sử dụng (εsd) bằng (30÷35%) biến dạng của cốt ở trạng thái giới hạn cực hạn (εfu). - Ở cùng cấp tải trọng, độ võng tính toán lớn hơn độ võng thí nghiệm khoảng 25% [52], [57], [70], [75].

1.5.2. Ở Việt Nam

- Chi phí sử dụng cốt GFRP thay cốt thép giảm từ (7÷10%) [2], [8]. - Tải trọng ở trạng thái giới hạn sử dụng (Psd) bằng (30÷33%) tải trọng ở trạng thái giới hạn cực hạn (Pu) [3], [4]. - Biến dạng của cốt FRP ở trạng thái giới hạn sử dụng (εsd) đặt tới 35% biến dạng của cốt ở trạng thái giới hạn cực hạn (εfu) [3]. Ngoài ra còn có một số báo cáo mang tính lý thuyết [2], [7], [8].

1.6. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án

- Về dính bám giữa bê tông và cốt FRP: Kết quả nghiên cứu về dính bám giữa bê tông và cốt FRP cho thấy, ứng xử này phù hợp với các lý thuyết tính toán trong các Tiêu chuẩn.

- Ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP đã được nghiên cứu trên thế giới. Các tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP đã được ban hành ở các nước như Mỹ, Canada, Nhật Bản, Châu Âu làm cơ sở cho việc tính toán, ứng dụng FRP trong xây dựng công trình.

- Ứng dụng cốt FRP trong các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu trong các kết cấu xây dựng dân dụng, công trình cảng, mặt đường, bản mặt cầu, mố trụ

cầu…Ở Việt Nam mặc dùng đã có nhà máy chế tạo cốt FRP tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào theo hướng ứng dụng cốt FRP trong xây dựng cầu.

Từ các vấn đề nếu trên, luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề như sau: - Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt FRP, xây dựng trình tự tính toán ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP (Chương 2). - Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt GRFP sản xuất ở Việt Nam (Chương 3).

- Áp dụng lý thuyết tính toán đã được lập và kiểm chứng ở Chương 2 và Chương 3 cho kết cấu dầm cầu bê tông cốt FRP không dự ứng lực với các trường hợp khác nhau của: Chiều dài nhịp, chiều cao dầm, hàm lượng cốt FRP và các trường hợp bố trí cốt FRP. Qua đó đề xuất miền giá trị của một số thông số quan trọng trong thiết kế dầm cầu.

1.7. Kết luận chương 1

Từ thực trạng của mạng lưới giao thông và điều kiện khí hậu ở Campuchia. Việc xây dựng các công trình cầu có khả năng chống ăn mòn cao là cần thiết. Kết cấu bê tông cốt FRP đã được nghiên cứu và ứng dụng ở trên thế giới cho đến nay, các tiêu chuẩn kỹ thuật và tính toán kết cấu này đã được bàn hành ở một số nước, tuy nhiên ở Việt Nam và Campuchia là chưa có.

Để áp dụng kết cấu bê tông cốt FRP trong điều kiện Campuchia, việc nghiên cứu về lý thuyết tính toán và thực nghiệm ứng xử uốn là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP)

Nội dung: Nghiên cứu lý thuyết sau đó đề xuất phương trình tính toán cho dầm thí nghiệm ở chương 3 và thiết kế dầm cầu ở chương 4.

2.1. Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP chịu uốn theo trạng thái giới hạn cường độ (TTGHCĐ)

2.1.1. Các giả thiết cơ bản khi thiết kế [15], [20], [45] và [60]

- Tiết diện phẳng trước và sau khi đặt tải; - Biến dạng nén tối đa của BT được giả định là 0.003; - Cường độ kéo của BT rất nhỏ và được bỏ qua; - Ứng xử kéo cốt FRP là tuyến tính đàn hồi cho đến bị phá hoại; - Liên kết dính bám giữa bê tông và cốt FRP vẫn là hoàn hảo. * Thiết kế theo TTGHCĐ yêu cầu:

(2-1)

2.1.2. Mô hình vật liệu của bê tông cường độ cao (BTCĐC) và cốt FRP

* Mô đun gãy của bê tông [11], [12], [13], [26] Đối với bê tông có tỷ trong thường với cường độ chịu nén f’c ≤ 83 MPa, luận án đã tính mô đun gãy của bê tông ( fr) như sau:

(2-3)

Theo ACI 363-10 [26] và [11], [12], [13] đối với bê tông có cường độ chịu nén f’c từ 21 MPa < f’c < 83 MPa, mô đun gãy của bê tông (fr) được để nghị từ . Trong luận (0,62 đến 0,99 ) và được kiến nghị nên chọn fr = 0,94

án đã tính fr theo phương trình (2 3) cho phù hợp với kết quả thí nghiệm.

* Mô đun đàn hồi của bê tông Đối với bê tông có cường độ chịu nén f’c từ (21 ÷ 83) MPa, quan hệ mô đun đàn hồi (Ec) và cường độ chịu nén (f’c) [11], [12] [23], [26] là:

(2-4)

Trong đó: Mn là mô men kháng uốn, Mu là mô men do tải trọng cực hạn gây ra, ϕ là hệ số sức kháng, fr là mô đun gãy của bê tông, f’c là cường độ chịu nén quy định của bê tông, Ec là mô đun đàn hồi của bê tông, α1 và β1 là các hệ số khối ứng suất.

* Các đặc tính vật liệu bê tông cường độ cao

Đường cong ứng suất – biến dạng đối với BTCĐC là hoàn toàn khác với bê tông thông thường. Điều này có ảnh hưởng các thông số của khối ứng suất hình chữ nhật tương đương [11], [12], [13], [26].

Khối ứng suất tương đương Hình 2.2, Hình 2.3. Nếu β1 = 0,65, hệ số α1 lấy bằng 0,75 để duy trì mức lực tương đương giữa hình tam giác và hình chữ nhật, hệ số α1 nên là 0,75 thay cho 0,85 như bê tông thường [11], [12], [13], [26].

Hình 2.2. Biểu đồ khối ứng suất của bê tông thường

Hình 2.3. Biểu đồ khối ứng suất của bê tông cường độ cao

* Các đặc trưng tính toán của vật liệu FRP Cường độ chịu kéo và biến dạng cực hạn của cốt FRP

(2-9)

(2-10)

* là cường độ kéo được đảm bảo (ffu

* = fu,ave - 3σ); εfu

* = εu,ave - 3σ) của cốt FRP.

Trong đó: CE là hệ số giảm môi trường do điều kiện phơi lộ của loại cốt; * là biến dạng tỷ đổi đứt ffu được đảm bảo (εfu Các giá trị được đảm bảo này cho một xác suất 99,87% [5], [6], [22], [23], [24] với điều kiện là phải thử ít nhất 25 mẫu.

2.1.3. Hệ số sức kháng ϕ Mô hình tính toán hệ số sức kháng ϕ cho BTCĐC cốt FRP

Hình 2.5. Mô hình tính toán hệ

số ϕ trên cơ sở đề suất của (ACI 440.1R-06, AASHTO 2009) với hệ số α1 =0,75 của BTCĐC

Vì vậy, luận án đã chọn β1 =0,65 cho tính toán dầm BTCĐC sử dụng cốt FRP.

2.2. Thiết kế kết cấu BTCĐC cốt FRP chịu cắt theo TTGHCĐ Điều kiện an toàn cơ bản ở trạng thái giới hạn có thể viết như sau:

(2-24) ϕVn ≥ Vu

(2-25) Vn = Vc +Vf

(2-26)

(2-27)

Trong đó: Vc là sức kháng cắt danh định của bê tông, Vf là sức kháng cắt cung cấp bởi cốt FRP

2.3. Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP theo trạng thái giới hạn sử dụng (TTGHSD)

* Đặc tính mặt cắt ngang Mặt cắt chuyển đổi sử dụng hệ số tính đổi: nf = Ef/Ec (2-30) ns = Es/Ec

Trong đó: nf là tỷ số giữa mô đun đàn hồi của cốt FRP so với mô đun đàn hồi của bê tông, ns là tỷ số giữa mô đun đàn hồi của cốt thép so với mô đun đàn hồi của bê tông.

2.3.1. Kiểm soát vết nứt

(2-40)

Bề rộng vết nứt cho phép (wallow) = 0,5 theo Tiêu chuẩn của (Nhật và

CAN/CSA S806-02) và theo ACI 440 [20] wallow từ (0,5 ÷0,7).  Ở Campuchia: Luận án đề nghị sử dụng theo ACI 440.

2.3.2. Kiểm soát độ võng Theo [20]: Độ võng cho phép được lấy theo tiêu chuẩn thiết kế của từng quốc gia.  Ở Campuchia: Luận án đề nghị sử dụng theo AASHTO.

2.5.1. Trình tự kiểm toán mặt cắt bê tông cốt FRP Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tính toán: Luận án đã đề xuất được trình tự tính toán cho kết cấu BTCĐC cốt FRP gồm 6 bước:

Bước 1: Tính toán mô men uốn danh định Bước 2: Kiểm tra điều kiện hạn chế vết nứt Bước 3: Kiểm tra điều kiện hạn chế độ võng Bước 4: Kiểm tra ứng suất giới hạn dưới tác dụng của từ biến Bước 5: Tính toán cốt FRP chịu cắt

Bước 6: Kiểm tra về điều kiện neo

2.6. Kết luận chương 2: Trình tự và nội dung tính toán ở chương 2 là dựa trên tiêu chuẩn thiết kế ACI và AASHTO. Vậy, chúng ta cần tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng lý thuyết tính toán ở chương 2 trước khi áp dụng tính toán thiết kế kết cấu dầm cầu ở chương 4.

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH (GFRP)

3.1. Mở đầu

Chương này, trình bày nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt GFRP, các dầm có mặt cắt hình chữ nhật 130 × 200 mm (b × h) bằng thí nghiệm uốn 4 điểm. Mục tiêu thí nghiệm là: - Quan sát và xác định các giá trị thực nghiệm: Tải trọng gây nứt; tải trọng phá hoại, biến dạng của cốt FRP, biến dạng của bê tông và độ võng. - Xác định các quan hệ tải trọng: Tải trọng- độ võng (P-Δ), tải trọng- biến dạng của bê tông (P-εc), tải trọng- biến dạng của cốt (P-εf). - So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán dựa trên lý thuyết được đề xuất ở Chương 2.

3.2. Công tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm

Chuẩn bị 3 dầm có kích thước mặt cắt ngang và bố trí cốt GFRP giống nhau ở Hình 3.4. Sử dụng bê tông cường độ cao có f’c = 82,5 MPa. Cốt GFRP được sản xuất bởi Công ty cổ phần cốt sợi POLYME VIỆT NAM, có ffu*= 900 MPa, Ef = 45000 MPa, (đơn vị hình vẽ là mm).

Hình 3.4. Sơ đồ mặt cắt ngang dầm thí nghiệm GFRP Bảng 3.1. Vật liệu được sử dụng

Bút sơn PC 40 Dmax12,5 Sanway- Hòa Bình Sinh hoạt Sông Lô Sika Visconcrete 3000-20M Muội Silic, (Silicafume, sika PP1)

1. Xi măng (Cement) 2. Đá dăm (Stone) 3. Nước (Water) 4. Cát vàng (Sand) 5. Phụ gia 1 6. Phụ gia 2

Bảng 3.2. Thành phần (1 m3) cấp phối bê tông cường độ cao (kg/m3)

Cường độ thiết kế, (MPa) 82,5

Xi măng (kg) 531

Nước (lít) 153,4

Tỷ lệ N/CKD 0,255

Siêu dẻo (lít) 5,84

MS, PP1 (kg) 59

Đá (kg) 1099

Cát (kg) 608

Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm mẫu thử ở tuổi bê tông 28 ngày

STT Ký hiệu

mẫu

s

Cường độ f'c (N/mm2)

Kích thước mẫu (mm)

D=150 H=300

Tải trọng phá hoại (kN) 1624,5 1745,8 1652,4

Diện tích mặt chịu ép (mm2) 17671,4 17671,4 17671,4

91,93 98,79 93,51

Cường độ trung bình (MPa) 94,74

Cường độ f'c = fc- 3.4*s (MPa) 82,52

3,6

Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3

1 2 3

Hình 3.3. Mẫu thử bê tông hình trụ (150 x 300) mm

3.3. Tiêu chuẩn thí nghiệm

TCVN 9347:2012 mục (7.1.3) và ASTM D6272-02 (mục 4). Sơ đồ thí nghiệm theo Hình 3.5.

Hình 3.5. Sơ đồ thí nghiệm dầm

Hình 3.6. Biểu đồ bố trí thiết bị đo

- Bố trí thiết bị đo: - Mỗi cốt GFRP chịu kéo được dán một cảm biến để đo biến dạng ở giữa thanh. - 2 cảm biến đo biến dạng bê tông ở vùng chịu nén và biến dạng bê tông ở vùng chịu kéo (ở vị trí giữa nhịp). - Sử dụng 1 LDVTs đặt tại vị trí giữa nhịp để đo được chuyển vị của dầm, Hình 3.5, Hình 3.6.

- Các hình ảnh tiến hành lắp đặt thiết bị đo

Hình 3.7. Tiến hành lắp đặt Strain Gauges trên bề mặt bê tông và LVDTs

- Thiết bị thí nghiệm: : Thiết bị thí nghiệm là máy nén thủy lực công suất 500 kN phòng thí nghiệm Vilas 047 ĐH GTVT.

Hình 3.12. Hệ thống khung gia tải (Phòng thí nghiệm Vilas 047 ĐHGTVT)

- Số liệu kết quả thí nghiệm

Các mẫu thí nghiệm được thực hiện bằng phương pháp chuyển vị không chế với tốc độ dịch chuyển 0,25 mm/phút (tại phòng thí nghiệm Vilas 047, Trường

Đại học Giao thông Vận tải).

Theo cách đo ở phòng thí nghiệm, thì đo theo từng điểm và từ các điểm đó máy tính sẽ thu được một dãy kết quả khoảng 400 nghìn điểm bằng phần mềm thu thập dữ liệu. Tuy nhiên trong thí nghiệm nghiên cứu sinh đã đo biến dạng của cốt GFRP và biến dạng vùng nén của bê tông (εf, εc) bằng bộ cảm biến (Strain Gauges) và đo độ võng của dầm bằng thiết bị LVDT (đơn vị tính là mm). Vậy, kết quả đo sẽ không khớp nhau giữa các trục “Tải trọng (Y) - biến dạng (X) và trục Tải trọng (Y) - độ võng (X)” giữa các dầm với nhau. Do vậy, nghiên cứu sinh đã xử lý số liệu bằng phương pháp tính (nội suy) trong phần mềm Excel sử dụng hàm FORECAST sao cho các giá trị trục (Y) khớp nhau với nội dung và vẽ được các biểu đồ như sau:

Bảng 3.6. Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm

Tính toán (LT)

Dầm BGa-10-2

Dầm BGb-10-2

P (kN)

ε (GFRP) 0 0,00039 0,00078 0,00118 0,00157 0,00196 0,00235 0,00274 0,00313 0,00353 0,00392 0,00431 0,00470 0,00509 0,00549 0,00588 0,00627 0,00666 0,00705 0,00745 0,00784 0,00823 0,00862 0,00901 0,00940 0,00980 0,01019 0,01058

Δ (mm) 0 0,03 0,06 0,10 0,13 0,16 0,19 0,23 0,26 0,29 0,43 0,61 0,83 1,11 1,44 1,83 2,28 2,80 3,38 4,03 4,74 5,52 6,35 7,24 8,18 9,16 10,19 11,25

ε (GFRP) 0 0,00002 0,00003 0,00007 0,0001 0,0001 0,0001 0,00009 0,00007 0,00007 0,00006 0,00007 0,00007 0,00007 0,00007 0,00007 0,00007 0,00007 0,00013 0,00019 0,00029 0,00031 0,00034 0,00038 0,00042 0,00811 0,00854 0,0088

Δ (mm) 0 0 0 0 0 0 0 0 0,01 0,01 0,01 0,06 0,11 0,16 0,18 0,13 0,08 0,05 0,26 0,46 0,58 0,75 1,15 1,58 2,01 7,64 7,9 8,47

ε (GFRP) 0 0,00003 0,00003 0,00003 0,00003 0,00003 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 0,00006 0,00006 0,00007 0,00007 0,00008 0,00008 0,00008 0,00011 0,00015 0,00018 0,0002 0,00019 0,00023 0,00026 0,00026 0,00027 0,00028 0,00029

Δ (mm) 0 0 0 0 0 0 0 0 0,01 0,01 0,08 0,13 0,16 0,21 0,27 0,32 0,32 0,35 0,39 0,43 0,49 0,59 0,74 1,61 1,77 1,93 2,09 3,27

Dầm BGc-10-2 Δ (mm) 0 0 0 0 0 0 0 0 0,01 0,01 0,02 0,02 0,11 0,19 0,17 0,17 0,27 0,31 0,37 2,96 3,22 3,48 3,74 4,5 5,3 6,02 6,59 7,15

ε (GFRP) 0 0 0,00001 0,00001 0,00002 0,00003 0,00003 0,00006 0,00007 0,00008 0,00009 0,00007 0,00007 0,00008 0,00006 0,0001 0,00013 0,00013 0,00013 0,0056 0,00622 0,00685 0,00747 0,00796 0,00843 0,00885 0,00917 0,00949

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Tính toán (LT)

Dầm BGa-10-2

Dầm BGb-10-2

ε (GFRP) 0,01097 0,01136 0,01176 0,01215 0,01254 0,01293 0,01332 0,01372 0,01411 0,01450 0,01489 0,01528 0,01567 0,01607 0,01608 0,01646 0,01685 0,01724 0,01763 0,01803 0,01842 0,01881 0,01920 0,01959 0.02038

Δ (mm) 12,35 13,47 14,62 15,79 16,97 18,16 19,37 20,58 21,79 23,01 24,22 25,43 26,65 27,85 28,24 29,58 30,77 31,95 33,13 34,30 35,46 36,61 37,76 38,90 41.16

Δ (mm) 9,03 9,6 10,17 11,32 12,56 13,79 15,02 16,25 17,48 18,71 19,94 21,16 22,39 23,44 23,77 24,48 25,51 26,55 27,58 28,68 29,84 31 32,17 33,33 36,56

ε (GFRP) 0,00654 0,007 0,00746 0,00791 0,00836 0,00881 0,00925 0,0097 0,01014 0,01046 0,01079 0,01112 0,01144 0,01177 0,01188 0,0121 0,01233 0,01256 0,01279 0,01309 0,01347 0,01386 0,01424 0,01463 0,01582

Δ (mm) 7,63 8,22 8,82 9,55 10,68 11,81 12,95 14,08 15,18 16,02 16,86 17,69 18,53 19,37 19,64 20,21 21,68 23,2 24,72 25,96 26,87 27,77 28,68 29,59 33,39

Dầm BGc-10-2 Δ (mm) 7,81 8,52 9,26 10,82 11,82 13,55 15,32 17,47 19,66 21,3 22,84 24,3 25,76 26,98 27,32 28,06 29,13 30,18 30,81 31,43 32,06 32,92 33,99 34,8 35,82

ε (GFRP) 0,00987 0,01025 0,01061 0,01075 0,01116 0,01174 0,01232 0,01288 0,01362 0,01425 0,01476 0,01507 0,01537 0,01581 0,01597 0,01632 0,01684 0,01734 0,01767 0,018 0,01833 0,01864 0,01894 0,01932 0,02002

ε (GFRP) 0,00906 0,00932 0,00958 0,0099 0,01024 0,01057 0,0109 0,01124 0,01161 0,01199 0,01237 0,01274 0,01312 0,01343 0,01353 0,01374 0,01405 0,01436 0,01467 0,01498 0,01529 0,0156 0,01591 0,01622 0,01743

P (kN) 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 41,32 42 43 44 45 46 47 48 49 50 53,35

60

50

40 ]

30 Tính toán (LT)

Dầm BGa-10-2

20 N k [ , c ự L

Dầm BGb-10-2

10 Dầm BGc-10-2

Giá trị Trung Bình

0

0.005

0.01

0.015

0.025 0.02 Biến dạng của cốt GFRP

Hình 3.14. Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng của cốt GFRP

60

50

40 ]

30

20 N k [ , c ự L

10 Tính toán (LT) Dầm BGa-10-2 Dầm BGb-10-2 Dầm BGc-10-2 Giá trị Trung Bình

0

5

10

30

35

40 15 20 25 Độ võng (mm)

Hình 3.15. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng của dầm

3.4. Phần tích kết quả thí nghiệm

3.4.1. Các hình dạng vết nứt của dầm thí nghiệm

Hình 3.16. Dạng phá hoại của dầm BGa-10-2

Hình 3.17. Dạng phá hoại của dầm BGb-10-2

Hình 3.18. Dạng phá hoại của dầm BGc-10-2

3.4.2. Các dạng phá hoại của dầm thí nghiệm

Khi P đạt giá trị (tính trung bình) Pcr=18,65 (kN), vết nứt đầu tiên bắt đầu xuất hiện ở giữa dầm. Việc tăng tải tiếp tục sẽ làm cho mẫu dầm xuất hiện thêm các vết nứt ở vùng chịu cắt. Khi cốt GFRP chịu kéo mất dính bám với bê tông thì cốt GFRP bị đứt và đồng thời dầm bị phá hoại khi tải trọng đạt đến Pu=53,35 kN.

Theo cách bố trí cốt đai theo Hình 3.4, sơ đồ thí nghiệm Hình 3.5, tất cả các dầm bị phá hoại do cốt GFRP bị kéo đứt ở vùng chịu mô men uốn lớn nhất, mà không bị phá hoại do cắt.

3.5. Đánh giá kết quả thí nghiệm

3.5.1.1. Tải trọng gây nứt và tải trọng tới hạn của mẫu dầm Bảng 3.7. Tải trọng gây nứt và tải trọng phá hoại

Tải trọng

Tải trọng gây nứt

Tải trọng phá hoại

STT

Pcr-TT (kN)

Pu-TT (kN)

Ký hiệu mẫu dầm

Pcr-TN (kN)

Pu-TN (kN)

(Pcr-TT -Pcr-TN) Pcr-TT

(Pu-TN - Pu-TT) Pu-TT

21,25

0,122

41,32

0,225

1 2 3

BGa10-2 BGb10-2 BGc10-2

18,865 19,508 17,580 18,651

52,61 55,82 51,61 53,35

Trung bình Bảng 3.7, tải trọng gây nứt thí nghiệm (Pcr_TN) < tính toán (Pcr_TT) khoảng 12,2%, còn tải trọng phá hoại thí nghiệm (Pu_TN) > tính toán (Pu_TT) khoảng 22,5%. Vậy, kết quả thí nghiệm thiên về an toàn.

3.5.1.2. Biến dạng của cốt GFRP chịu kéo và bê tông chịu nén

Bảng 3.8. Biến dạng của bê tông và cốt GFRP khi bị phá hoại

Biến dạng

Biến dạng của bê tông

Biến dạng của cốt GFRP

STT

εc-TN

εc-TT

εf-TN

εf-TT

(εc-TT - εc-TN) εc-TT

(εf-TN- εf-TN) εf-TN

0,00196

0,159

0,016

0,095

1 2 3

Ký hiệu mẫu dầm BGa10-2 BGb10-2 BGc10-2

Trung bình

0,01743 0,01582 0,02002 0,01776

0,00161 0,00170 0,00163 0,00165

 εc-TN < εcu =0,003

εf-TN ≈ εfu =0,016 - Biến dạng của bê tông (εc-TN) thí nghiệm < tính toán (εc-TT) khoảng 15,9%. - Biến dạng của cốt GFRP (εf-TN) thí nghiệm > tính toán (εf-TT) khoảng 9,5%.  Vậy, kết quả thí nghiệm thiên về an toàn. 3.5.1.3. Quan hệ tải trọng - độ võng

Bảng 3.9. Quan hệ tải trọng – độ võng (mm)

(ΔPu

(Δ(41)

-TT

TT)

STT

Ký hiệu mẫu dầm

ΔPu TN (mm)

Δ(41 kN) (mm)

ΔPu (41 kN) (mm)

TT- Δ(41) Δ(41)

TN- Δ(41) ΔPu -TN

TN) -TT

28,76

0,184

0,199

1 2 3

BGa10-2 BGb10-2 BGc10-2

Trung bình

22,49 20,27 26,33 23,03

36,56 33,39 35,82 35,26 - Độ võng của dầm (∆Pu

TN) thí nghiệm > tính toán (∆Pu

TT) khoảng 18,4%.

TN) thí nghiệm < tính toán (∆(41)

TT)

- Ở cùng cấp tải trọng, độ võng của dầm (∆(41) khoảng 19,9%. Vậy, kết quả thí nghiệm thiên về an toàn.

Bảng 3.12. So sánh kết quả dầm thí nghiệm (NCS) với kết quả khác

Giá trị

Tác giả khác

Thí nghiệm (NCS)

Pn (giới hạn sử dụng)

24% Pu

25,68% εfu 22,5% 9,5% 19,9%

Từ (25,1 đến 35%) Pu, [3], [36], [59] và [66] Từ (30 đến 35%) εfu [3], [4] Lớn hơn Lớn hơn Lớn hơn [49], [54], [59], [72], [77]

εf- TT (giới hạn sử dụng) Pu_TN >Pu_TT εf-TN>εf- TT ΔTN < ΔTT (cùng cấp tải trọng)

Bảng 3.12, kết quả thí nghiệm của nghiên cứu sinh với giá trị tải trọng giới hạn sử dụng tương đương với các tác giả khác. Còn các kết quả về tải trọng cực hạn (Pu_TN), biến dạng của cốt GFRP (εfTN) và độ võng (ΔTN) khác nhau với tác giả khác không đáng kể do bố trí hàm lượng cốt GFRP khác nhau.

3.6. Kết luận chương 3

- Tải trọng gây nứt của dầm thí nghiệm < tính toán 12,2%. - Tải trọng phá hoại của dầm thí nghiệm > tính toán 22,5%. - Ở cùng cấp tải trọng, dầm thí nghiệm có độ võng nhỏ hơn độ võng tính toán 19,9% thiên về an toàn.

- Ứng xử của cốt GFRP là phù hợp với mô hình vật liệu và thiên về an toàn.  Vậy, kết quả thí nghiệm đã kiểm chứng bằng lý thuyết tính toán và thiên về an toàn, từ đó có thể sử dụng lý thuyết tính toán ở chương 2 để tính toán kết cấu dầm cầu ở chương 4.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP)

4.1. Đặt vấn đề

Nội dung chương này là thiết kế dầm cầu bê tông cường độ cao sử dụng: Cốt thủy tính (dầm GRFP), cốt cacbon (dầm CRFP) và cốt thép kết hợp với cốt thủy tinh (dầm Hybrid), vấn đề đặt ra là:

- Lựa chọn tỷ lệ h/L và hàm lượng cốt FRP hợp lý. Chọn tỷ lệ diện tích của cốt thép với cốt FRP hợp lý cho dầm Hybrid. Sau đó, so sánh các phương án bố trí các loại cốt. Để giải quyết vấn đề này, luận án đã lập bảng tính (Excel) cho các trường hợp như sau:

Thay đổi chiều dài nhịp từ (10÷20)m và thay đổi chiều cao dầm từ (0,4÷1,3)m, sau đó chọn được tỷ lệ (h/L) phù hợp theo các phương án bố trí các loại cốt. Khi thay đổi chiều dài nhịp hay chiều cao sẽ làm tăng độ võng của dầm (trường hợp này dầm sẽ bị phá hoại vùng bê tông chịu nén trước khi các loại

cốt ở vùng chịu kéo bị kéo đứt, nên các loại cốt chưa tận dụng hết khả năng làm việc của nó).

Vậy, việc thay đổi chiều dài nhịp hay chiều cao dầm chỉ mang tính chất tạm thời để chúng ta có thể chọn được tỷ lệ (h/L) phù hợp cho từng các loại cốt sau đó tiến hành chọn hàm lượng cốt hợp lý.

4.2. Các căn cứ thiết kế

4.2.1. Các Tiêu chuẩn thiết kế

22 TCN 272-05, ACI 440.1R-06, AASHTO GFRP-1 Trình tự tính toán được thực hiện và đề xuất ở chương 2

Hình 4.1. Tiết diện mặt cắt ngang dầm

4.2.2. Kết cấu cầu Luận án tính toán cho dạng mặt cắt ngang cầu điển hình thường được sử dụng ở Campuchia (Hình 4.1).

Hình 4.2. Sơ đồ mặt cắt ngang cầu

4.3.1.1. Nội lực tương ứng với chiều dài nhịp L = 12 m

Tổ hợp tải trọng được tính toán dựa vào: 22TCN 272-05 (ASHHTO- LRFD) Bảng 4.1. Nội lực giữa nhịp (L=12 m)

N0

Tải trọng

Ký hiệu

γi

DC Tĩnh tải bản thân Lớp phủ + tiện ích DW Hoạt tải Người đi bộ

LL+IM PL

1,0 1,0 1,0 1,0

1,25 1,50 1,75 1,75

1 2 3 4 Tổng cộng

TTGH sử dụng M (kN.m) 253,38 129,43 577,89 12,18 972,8

V (kN) - - 53,86 - 53,86

TTGH cường độ I M (kN.m) 316,72 194,14 1011,30 21,32 1544

V (kN) - - 94,26 - 94,26

4.3.1.2. Chọn chiều dài dầm và diện tích các loại cốt

Cốt thủy tinh (GFRP) có cường độ và mô đun đàn hồi thấp nhất, theo bảng tính cho dầm 12 m. Để so sánh hiệu quả của các phương án bố trí cốt, luận án lần lượt tính toán cho các phương án bố trí cốt với diện tích gần bằng nhau, Bảng 4.2

Bảng 4.2. Bố trí các loại cốt cho xấp xỉ bằng nhau

Tổng diện tích cốt (mm2)

Các loại cốt 15 ϕ 29

9675

Loại dầm GThép

15 ϕ 30

9564

GGFRP

15 ϕ 30

9564

GCFRP

9616

GFRP 8 ϕ 30 và cốt thép 7 ϕ 29

GSHybrid

4.3.1.3. Kết quả so sánh hiệu quả các loại cốt So sánh hiệu quả việc sử dụng các loại cốt khác nhau ở Bảng 4.2

Bảng 4.4. So sánh hiệu quả các loại cốt cho dầm cầu

ϕMn

(ϕMnCFRP-ϕMn) ϕMnCFRP

(w-wCFRP) w

(Δ-ΔCFRP) Δ

Ký hiệu dầm

w (mm)

Δ (mm)

0,278 0,341 0 0,352

- 0,672 0 0,199

-0,276 0,618 0 0,553

3335 3045 4618 2992

- 0,581 0,190 0,238

2,606 8,705 3,324 7,439

GThép GGFRP GCFRP GHybrid

a) Sức kháng uốn (mô men):

- Sức kháng uốn của dầm BTCT, dầm GFRP và dầm Hybrid gần bằng nhau. - Sức kháng uốn của dầm CFRP > dầm BTCT 28%, > dầm GFRP khoảng 34% và > dầm Hybrid 35%.

b) Bề rộng vết nứt:

- Bề rộng vết nứt của dầm CFRP < dầm GFRP 67%, < dầm Hybrid 29,9%. - Bề rộng vết nứt của dầm GFRP lớn hơn dầm Hybrid 2,44 lần.

c) Độ võng:

- Độ võng của dầm CFRP < dầm GFRP 61,8%; < dầm Hybrid 55,3%. - Độ võng của dầm GFRP > dầm BTCT 2,34 lần.

4.3.2. Xác định tỷ lệ h/L tối thiểu của dầm theo các loại cốt

4.3.2.1. Quan hệ giữa h/L khi chiều dài nhịp L thay đổi Tính cho các trường hợp với chiều cao dầm không đổi: h = 1,1m và chiều dài dầm thay đổi từ 10 ÷20 m kết quả:

- Dầm bố trí cốt thép thường có tỷ lệ h ≥ L/17 - Dầm bố trí cốt GFRP có tỷ lệ h ≥ L/12 - Dầm bố trí cốt CFRP có tỷ lệ h ≥ L/15 - Dầm bố trí cốt Hybrid có tỷ lệ h ≥ L/14

4.3.2.2. Quan hệ giữa h/L khi chiều cao thay đổi Tính cho các trường hợp bố trí cốt với chiều dài dầm không đổi: L = 11m

và chiều cao dầm thay đổi từ 0,4 ÷1,3 m kết quả: - Dầm bố trí cốt thép thường có tỷ lệ h ≥ L/17 - Dầm bố trí cốt GFRP có tỷ lệ h ≥ L/12 - Dầm bố trí cốt CFRP có tỷ lệ h ≥ L/15 - Dầm bố trí cốt Hybrid có tỷ lệ h ≥ L/14

4.3.2.3. Quan hệ h/L khi chiều dài dầm L và chiều cao dầm h thay đổi - Dầm bố trí cốt CFRP có thể tăng chiều dài nhịp khoảng 23,5% so với dầm bố trí cốt GFRP và khoảng 11,8% so dầm bố trí cốt Hybrid.

- Dầm bố trí cốt CFRP có thể giảm được chiều cao dầm khoảng 20% so với dầm bố trí cốt GFRP, có thể giảm được chiều cao dầm khoảng 11% so với dầm bố trí cốt Hybrid. 4.3.3. Chọn tỷ lệ (h/L) để tìm ra hàm lượng cốt FRP

Việc chọn sơ bộ kích thước là phần quan trọng trong thiết kế. Sau khi chọn được tỷ lệ (h/L) và dựa vào kính nghiệm chúng ta sử dụng phương pháp như sau:

Bước 1: Chọn so bộ kích thước chiều cao dầm (h), chọn hàm lượng cốt FRP Bước 2: Tiến hành tính toán và kiểm tra, Mô men kháng uốn (Mn) , lực cắt (Vn), giới hạn bề rộng vết nứt (w) và độ võng (Δ). Nếu bước 2 đạt thì chập nhận kích thước chiều cao dầm (h) trên và ngược lại thì quay lại bước 1, chọn lại kích thước chiều cao dầm (h).

4.3.3.1. Thiết kế thử nghiệm dầm cầu 12 m Với L =12 m và h = 1.1 m không đổi

Bảng 4.15. Bố trí các loại cốt cho mặt cắt dầm

CÁC LOẠI CỐT

Ký hiệu dầm

hdầm (m)

Ldầm (m)

Tổng diện tích cốt (mm2)

1,1

12 CFRP - - 12 ϕ 20 - 2160,3 124000

GFRP - 13 ϕ 30 - 6 ϕ 26 900 45000

thép 14 ϕ 22 - - 5 ϕ 25 400 200000

5418 8289 2885 2827 + 2545 = 5372 - -

GThép GGFRP GCFRP GHybrid Cường độ chịu kéo, f*fu, fs (MPa) Mô đun đàn hồi, Efu, Es (MPa)

Bảng 4.16. Kết quả tính toán của các loại dầm (cốt vừa đủ)

A (mm2)

ρf / ρfb

w/wallow

Δ/Δallow

Mu/ϕMn

(A-ACFRP)/A

Ký hiệu dầm

5418 8289 2885 5372

- 1,655 1,857 0,850

- 0,999 0,923 0,630

0,238 0,704 0,656 0,908

0,809 0,540 0,548 0,970

0,468 0,652 0 0,463

GThép GGFRP GCFRP GHybrid

 Bố trí cốt CFRP giảm được diện tích cốt 48% so với cốt thép thường, 65% so với cốt GFRP và 46% so với cốt Hybrid.

4.2.3.2. Lựa chọn tỷ lệ cốt GFRP và cốt thép cho dầm Hybrid

Bảng 4.17. Bố trí và tính toán thử tỷ lệ cốt GFRP và cốt thép

Cốt GFRP Cốt thép

Af,GFRP (mm2)

As,thép (mm2)

Tổng

Af/As

9 ϕ 26 8 ϕ 26 7 ϕ 26 6 ϕ 26 5 ϕ 26

2 ϕ 25 3 ϕ 25 4 ϕ 25 5 ϕ 25 6 ϕ 25

4240,71 3769,52 3298,33 2827,14 2355,95

1018 1527 2036 2545 3054

5258,71 5296,52 5334,33 5372,14 5409,95

4,17 2,47 1,62 1,11 0,77

Bảng 4.18. Kết quả tính toán của dầm Hybrid

Kết luận

Af,GFRP (mm2)

As,THÉP (mm2)

Tổng (mm2)

Af As

ρeff ρfb

w wallow

Δ Δallow

Mu ϕMn

1018 1527 2036 2545 3054

NOT OK OK OK OK NOT OK

0,981 0,823 0,710 0,625 0,559

0,959 0,922 0,884 0,847 0,809

1,016 0,977 0,941 0,908 0,879

0,852 0,888 0,928 0,971 1,018

5259 5297 5334 5372 5410

4,17 2,47 1,62 1,11 0,77

4241 3770 3298 2827 2356 Khi điện tích cốt GFRP chia cho diện tích cốt thép (Af/As = 1,11 đến 1,62)

là hiệu quả nhất.

4.4. Thiết kế thử nghiệm bản mặt cầu của dầm chữ T

4.4.1. Kết quả tính toán nội lực bản mặt cầu Dựa vào phần ví dụ tính toán ở phụ lục III.

Bảng 4.19. Số liệu nội lực trong bản mặt cầu

TTGH

Bản kiểu dầm Mdương (kN.m) Mâm (kN.m) 25,1 14,8 4,3

-40,8 -24,7 -7,1

V (kN) 88,3 52,0 15,5

Bản hẫng Mâm (kN.m) V (kN) 126,02 -27,95 73,59 -16,79 19,81 -6,03

GHcường độ GHsử dụng GHtừ biến

4.4.2. So sánh bản mặt cầu sử dụng cốt thép, cốt GFRP và cốt CFRP - Tính với b = 1 m, chiều dài bản mặt cầu (theo phương dọc cầu) - Khoảng cách Sd= 2,1 m giữa 2 dầm (theo phương ngang cầu) Bảng 4.20. Bố trí cốt thép và cốt GFRP cho 1m bản mặt cầu

Loại cốt

Cốt thép

Cốt GFRP

Cốt CFRP

Dọc cầu

Bố trí

Ngang cầu ϕ14@150

ϕ10@400

Ngang cầu ϕ14@80

ϕ14@200

Ngang cầu ϕ14@190

ϕ10@230

7 x 2

5 x 2

13 x 2

9 x 2

6x2

8x2

1078x 2

393 x2

1594 x 2

1103x 2

736x2

454x2

Số lượng (thanh) Diện tích (mm2) Tổng (mm2)

2942

5394

2380

Bảng 4.21. Khả năng chịu lực của bản mặt cầu sử dụng cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP

Các loại cốt

Cốt thép

Cốt CFRP

Cốt GFRP 5394 0,55

2380 0,55

Diện tích (mm2) Hệ số sức kháng ϕ Mu (kN.m) ϕ Mn (kN.m) Mu / ϕ Mn (ACFRP –A)/ACFRP

2942 0,9 40,84 50,24 0,813 0,191

77,74 0,525 0,559

93,00 0,439 0

 Bố trí CFRP có thể giảm được diện tích cốt 56% so với bố trí cốt GFRP và giảm 19% so với trường hợp bố trí cốt thép.

4.5. Kết luận chương 4

Các thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thủy tinh cho thấy ứng xử uốn của dầm tương đương với dầm bê tông ở trạng thái cực hạn nhưng các kết quả về độ võng thì lớn hơn bê tông cốt thép. Điểm này thì nghiên cứu sinh đã khắc phục bằng cách thay thế một phần cốt bằng cốt Cacbon hoặc cốt thép. - Cùng một cấp tải trọng bề rộng vết nứt, độ võng của dầm sử dụng cốt GFRP lớn hơn dầm sử dụng cốt CFRP và dầm Hybrid.

Cụ thể là: + Dầm GFRP có bề rộng vết nứt lớn hơn dầm Hybrid 2,44 lần. + Dầm GFRP có độ võng > dầm BTCT 2,34 lần.

 Luận án đã sử dụng cốt thép kết hợp với cốt GFRP ở dầm Hybrid và sử dụng cốt CFRP là để giải quyết các vấn đề độ võng ở điều kiện ràng buộc là chiều cao và diện tích của dầm không thay đổi. - Dầm bố trí cốt CFRP giảm diện tích cốt, giảm chiều cao dầm, tăng khả năng vượt nhịp so với dầm bố trí cốt Hybrid và cốt GRFP.

Cụ thể: + Bố trí cốt CFRP giảm được diện tích cốt 48% so với cốt thép thường, 65% so với cốt GFRP và 46% so với cốt Hybrid.

+ Dầm bố trí cốt CFRP có thể có chiều dài nhịp lớn hơn chiều dài nhịp của dầm bố trí cốt GFRP khoảng 23,5% và lớn hơn chiều dài nhịp của dầm bố trí cốt Hybrid khoảng 11,8%.

+ Dầm bố trí cốt CFRP có thể giảm được chiều cao h khoảng 20% so với dầm bố trí cốt GFRP, có thể giảm được chiều cao dầm khoảng 11% so với dầm bố trí cốt Hybrid. - Đối với dầm bố trí cốt Hybrid, tỷ lệ điện tích cốt GFRP và diện tích cốt thép Af/As = 0,11 ÷ 1,62 là hiệu quả nhất.

- Luận án đề xuất chiều cao dầm tối thiểu h/L: + Dầm bố trí cốt GFRP có tỷ lệ h ≥ L/12 + Dầm bố trí cốt CFRP có tỷ lệ h ≥ L/15 + Dầm bố trí cốt Hybrid có tỷ lệ h ≥ L/14 - Đối với bản mặt cầu, bố trí cốt CFRP có thể giảm được diện tích cốt 56% so với bố trí cốt GFRP và giảm 19% so với trường hợp bố trí cốt thép.

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

I. Những kết quả đạt được của luận án

1) Đã tập hợp các kết quả nghiên cứu về cấu trúc thành phần, yêu cầu vật liệu, công nghệ chế tạo và tính năng, phạm vi áp dụng của vật liệu BTCĐC sử dụng cốt FRP trên thế giới, ở Việt Nam và khả năng ứng dụng trong xây dựng cầu ở Campuchia.

2) Đã nghiên cứu phương pháp thiết kế kết cấu BTCĐC sử dụng cốt FRP theo các Tiêu chuẩn của một số nước và các kết quả nghiên cứu của một số tác giả đã được tiến hành trên thế giới. Đã phân tích và kiến nghị lựa chọn một số tham số đưa vào tính toán thiết kế như: hệ số khối ứng suất α1=0,75; β1=0,65 cho biểu đồ khối ứng suất của BTCĐC và mô đun gẫy của bê tông fr= 0,81

Kiến nghị lấy hệ số sức kháng ϕ = (0,55÷0,65), bề rộng vết nứt cho phép bằng (0,5÷0,7) mm theo ACI 440.1R-06, phục vụ bài toán thiết kế dạng kết cấu này phù hợp với điều kiện Việt Nam và Campuchia.

3) Đã nghiên cứu thực nghiệm mô hình dầm BTCĐC sử dụng cốt Polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP). Đã so sánh đối chiếu kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết để đưa ra một số kết luận ban đầu về mức độ phù hợp giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử uốn của dầm BTCĐC cốt GFRP cho thấy ứng xử uốn của dầm tương đương với dầm bê tông cốt thép ở trạng thái cực hạn nhưng các kết quả về độ võng thì lớn hơn dầm bê tông cốt thép. Điểm này thì luận án đã khắc phục bằng cách thay thế một phần cốt GFRP bằng một phần của cốt thép thường (trong dầm Hybrid) hoặc thay thế bằng cốt CFRP.

4) Đã thiết kế thử nghiệm một số dạng kết cấu BTCĐC sử dụng các loại cốt khác nhau gồm: cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP và cốt Hybrid trên cơ sở cùng loại BTCĐC, kích thước mặt cắt ngang dầm và tổng diện tích mặt cắt ngang của các loại cốt xấp xỉ bằng nhau. Đã so sánh một số chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu về: mô men, độ võng, độ mở rộng vết nứt tương ứng với các loại cốt khác nhau. 5) Đã thiết kế thử nghiệm một số dạng kết cấu nhịp cầu bằng BTCĐC sử dụng các loại cốt khác nhau có tỷ lệ cấu tạo thay đổi từ đó đưa ra một số khuyến cáo về tỷ lệ giữa chiều cao dầm và chiều dài nhịp h/L tối thiểu cho các loại kết cấu nhịp cầu dầm nêu trên.

6) Dựa trên các kết quả nhận được từ lý thuyết và thực nghiệm, luận án đã tiến hành thiết kế cho một số dầm cầu BTCĐC có sử dụng cốt GFRP, cốt CFRP cốt Hybrid phù hợp với điều kiện Campuchia. II. Kiến nghị

- Có thể phát triển ứng dụng cốt GFRP, cốt CFRP hoặc cốt Hybrid để thay thế cho cốt thép truyền thống cho dầm và bản mặt cầu ở vùng gần biển hoặc công trình đặc biệt có nhu cầu chống ăn mòn hoặc không nhiễm từ ở Campuchia.

- Cần xem xét và nghiên cứu thêm các vấn đề như dính bám giữa bê tông và cốt FRP, điều kiện thi công, khả năng chịu tải trọng dài hạn, ảnh hưởng của lửa và phá hoại mỏi của kết cấu bê tông cốt FRP, vấn đề tuổi thọ và tính kinh tế của cốt FRP. III. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu về dính bám, điều kiện thi công, khả năng chịu tải trọng dài hạn, ảnh hưởng của lửa, phá hoại do mỏi, vấn đề tuổi thọ và tính kinh tế của kết cấu bê tông cốt FRP.