Nghiên cứu thực nghiệm uốn dầm bê tông cốt thanh sợi thủy tinh

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG<br /> CỐT THANH SỢI THỦY TINH<br /> Phạm Thị Loan<br /> Khoa Xây dựng<br /> Email: loanpt80@dhhp.edu.vn<br /> Trịnh Duy Thành<br /> Khoa Xây dựng<br /> Email: thanh@dhhp.edu.vn<br /> <br /> <br /> Ngày nhận bài: 21/7/2017<br /> Ngày PB đánh giá: 10/11/2017<br /> Ngày duyệt đăng: 18/11/2017<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Việc ứng dụng cốt thanh sợi thủy tinh (GFRP) thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông đã<br /> được nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng cho kết cấu công trình. Sự làm việc của kết cấu có<br /> cốt GFRP khác với sự làm việc của cốt thép thông thường nên cần có những nghiên cứu thực<br /> nghiệm để kiểm chứng lý thuyết tính toán. Nghiên cứu làm rõ sự làm việc của cấu kiện chịu<br /> uốn thông qua nghiên cứu thực nghiệm để góp phần vào sự phát triển ứng dụng thanh sợi thủy<br /> tinh rộng rãi hơn trong lĩnh vực xây dựng của Việt Nam.<br /> Từ khóa:cấu kiện dầm; chịu uốn; thanh sợi thủy tinh; cốt thép; bê tông.<br /> <br /> EXPERIMENTAL STUDY ON FLEXURAL BEHAVIOR OF GFRP<br /> REINFORCED CONCRETE BEAMS<br /> ABSTRACT<br /> Using glass fiber reinforced polymer (GFRP) as internal reinforcement has been<br /> investigated and become popular in the construction field worldwide. Structural behavior of<br /> GFRP reinforced concrete beams is different from that of concrete beam with reinforcements.<br /> Therefore, experimental studies have a significant role in order to illuminate the theory. This<br /> study brings an incisive view to flexural behavior of concrete beams with GFRP as<br /> reinforcements. The results of the investigation contribute to the development of widely<br /> applying GFRP to the construction field in Vietnam.<br /> Key words: beam; flexural behavior; glass fiber reinforced polymer; reinforcement;<br /> concrete.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU đến sự phát triển của các dạng kết cấu. Từ<br /> Giữa thế kỷ 19 bê tông cốt thép đó, BTCT trở thành một dạng vật liệu phổ<br /> (BTCT) đã được phát minh và ảnh hưởng lớn biến, phần lớn các kết cấu công trình được<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 83<br /> tạo nên từ vật liệu phức hợp này. Kết cấu cấu còn khá hạn chế [8]. Vì vậy, nghiên<br /> BTCT kết hợp được rất nhiều ưu điểm của cả cứu ứng xử chịu uốn của bê tông cốt thanh<br /> 2 loại vật liệu là bê tông và cốt thép như khả sợi thủy tinh bằng thực nghiệm là một<br /> năng chịu nén, chịu uốn, chịu lửa… rất tốt nghiên cứu có ý nghĩa và cần thiết cho việc<br /> [1]. Tuy nhiên, kết cấu BTCT sau một thời phát triển ứng dụng thanh GFRP trong lĩnh<br /> gian khai thác và sử dụng chịu tải trọng công vực kết cấu công trình.<br /> trình các vết nứt xuất hiện với bề rộng và mật Do đó mục tiêu hướng đến của<br /> độ lớn dẫn đến cốt thép bị ăn mòn làm cho nghiên cứu là làm rõ ứng xử chịu uốn của<br /> kết cấu bị suy giảm khả năng chịu lực. Vì cấu kiện dầm bê tông cốt thanh sợi thủy<br /> vậy, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ tinh và góp phần thúc đẩy phát triển ứng<br /> thuật con người luôn tìm kiếm những vật liệu dụng kết cấu bê tông cốt thanh sợi thủy tinh<br /> xây dựng mới, các kết cấu mới để thay thế rộng rãi hơn trong lĩnh vực xây dựng trong<br /> dần dần kết cấu BTCT. điều kiện Việt Nam.<br /> Trong đó sợi thủy tinh là một vật liệu<br /> mới có nhiều đặc tính ưu việt như cường độ 2. Ý NGHĨA<br /> chịu kéo lớn hơn thép nhiều lần, trọng Tiêu chuẩn thiết kế dầm bê tông cốt<br /> lượng nhẹ lại không bị gỉ, ăn mòn [2]. Việc thanh sợi thủy tinh 440.1R.2006 [9] phù<br /> ứng dụng cốt thanh sợi thủy tinh (GFRP) hợp với điều kiện vật liệu của Việt Nam<br /> thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông đã thông qua kết quả thí nghiệm. Bên cạnh ý<br /> được nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng nghĩa lý luận đó, nghiên cứu đã làm rõ sự<br /> cho kết cấu công trình. Sự làm việc của kết khác biệt trong ứng xử chịu uốn của cấu<br /> cấu có cốt GFRP khác với sự làm việc của kiện dầm so với dầm bê tông cốt thép<br /> cốt thép thông thường do sợi thủy tinh là thường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa<br /> vật liệu không đẳng hướng, không có sự quan trọng trong việc ứng dụng thanh<br /> chảy dẻo... nên cần có những nghiên cứu GFRP đối với các cấu kiện làm việc không<br /> thực nghiệm để kiểm tính lý thuyết tính đòi hỏi yêu cầu về độ dẻo.<br /> toán. Việc nghiên cứu về cấu kiện dầm sử<br /> dụng cốt thanh sợi thủy tinh đã được nhiều 3. THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG<br /> nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện CỐT THANH SỢI THỦY TINH<br /> [3,7]. Kết quả cho thấy, dầm bê tông cốt 3.1. Thiết kế cấu kiện dầm thí nghiệm<br /> GFRP có ứng xử chịu uốn đáp ứng các yêu Dầm thí nghiệm được thu nhỏ theo tỉ lệ<br /> cầu thiết kế đồng thời cho phép độ rộng vết 1/4 so với dầm nguyên mẫu thông thường, có<br /> nứt lớn hơn do tính không bị ăn mòn của kích thước nhịp dầm 1,4m; kích thước tiết<br /> thanh GFRP. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc diện với chiều rộng là 100mm và chiều cao là<br /> sử dụng cốt GFRP thay thế cốt thép hiện 180mm. Thiết kế dầm bê tông cốt thanh<br /> vẫn còn là một bước chuyển biến mới và số GFRP theo ACI 440.1R.2006 [9]. Các thông<br /> nghiên cứu thực nghiệm trong nước về ứng số về vật liệu và kết quả tính toán như các<br /> xử của thanh GFRP trong các cấu kiện kết bảng sau:<br /> <br /> 84 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG<br />  Bảng 1. Đặc trưng thanh GFRP và bê tông B20<br /> <br /> Bê tông B20 Thép GFRP8<br /> f'c (Mpa) Ec (Mpa) f*fu (Mpa) e*fu Ef (Gpa) ffu (Mpa) efu<br /> 20 24 594 0,02 46 415 0,14<br /> <br /> Bảng 2. Bố trí thanh GFRP cho dầm<br /> <br /> Lớp Ký hiệu thanh Mẫu S1 Mẫu S2 Mẫu S3<br /> <br /> Lớp trên (thanh) GFRP8 2 2 2<br /> Lớp dưới (thanh) GFRP8 2 3 4<br /> <br /> Bảng 3. Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP<br /> <br /> b h Af ff a Mn<br /> Mẫu 2 ρfb ρf β1<br /> (mm) (mm) (mm ) (Mpa) (mm) (kNm)<br /> <br /> S1 100 180 66,32 0,0047 0,0041 444,19 0,85 11,92 4,39<br /> <br /> S2 100 180 99,48 0,0047 0,0062 357,21 0,85 17,87 5,55<br /> S3 100 180 132,64 0,0047 0,0082 305,43 0,85 23,83 6,04<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> DẦM S1 MẶT CẮT 1-1<br /> Hình 1. Cấu tạo thép dầm S1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> DẦM S2 MẶT CẮT 2-2<br /> Hình 2. Cấu tạo thép dầm S2<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 85<br />  DẦM S3 MẶT CẮT 3-3<br /> Hình 3. Cấu tạo thép dầm S3<br /> 3.2. Chế tạo dầm thí nghiệm được chế tạo tại Xưởng thực hành – Trường<br /> Đại học Hải Phòng theo trình tự thi công như<br /> Mỗi một loại dầm S1, S2; S3 được chế<br /> các hình ảnh sau:<br /> tạo 3 mẫu thí nghiệm. Các mẫu dầm này<br /> <br /> Buộc cốt thép dầm Cốp pha dầm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Cố định cốt thép và cốp pha Trộn bê tông<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Đổ và đầm bê tông Dầm hoàn thiện<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 86 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG<br />  3.3. Thiết bị đo biến dạng và độ võng Vị trí đồng hồ đo độ võng và<br /> Cấu kiện dầm thí nghiệm là dầm đơn sensor đo biến dạng của tiết diện giữa<br /> giản, do vậy chọn tiết diện dưới điểm đặt nhịp dầm được thể hiện như Hình 5.<br /> lực (tiết diện giữa nhịp dầm) là tiết diện có Như vậy, dùng 01 đồng hồ đo độ võng<br /> độ võng và biến dạng lớn nhất trên toàn và 04 sensor biến dạng cho một dầm<br /> dầm để tiến hành đo độ võng và biến dạng. thí nghiệm<br /> <br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ vị trí đồng hồ đo độ võng và các sensor đo biến dạng<br /> <br /> <br /> <br /> SG<br /> <br /> <br /> S1<br /> S2<br /> S3<br /> S4<br /> <br /> <br /> <br /> LVDT<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.4. Qui trình thí nghiệm. S2 14<br /> Sau khi các dầm được đúc ngày<br /> 10/4/2017, được dưỡng hộ trong điều kiện S3 15<br /> tự nhiên tại Xưởng thực hành, trường Đại<br /> học Hải Phòng. Ngày 12/5/2017 các dầm 4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ<br /> được chuyển tới Nhà Xưởng thí nghiệm. THÍ NGHIỆM<br /> Theo tiêu chuẩn TCVN 9374:2012 4.1. Dạng phá hoại<br /> “Cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép đúc sẵn<br /> Kết quả dạng phá hoại của các dầm<br /> – Phương pháp thí nghiệm gia tải tĩnh để đánh<br /> thí nghiệm dựa vào quan sát sự hình thành<br /> giá độ bền, độ cứng và khả năng chống<br /> và phát triển các khe nứt trên dầm, sự nén<br /> nứt”[10], tiến hành thí nghiệm các dầm bằng<br /> phương thức gia tải tĩnh. Căn cứ khả năng bê tông miền trên và biến dạng của cốt<br /> chịu lực theo tính toán của các dầm, việc gia thép miền dưới khi tải trọng được tăng dần<br /> tải cho các dầm được cho trong bảng. tới giá trị lớn nhất theo thiết kế. Trong<br /> Bảng 4. Tải trọng thí nghiệm phạm vi nghiên cứu của đề tài, dầm được<br /> coi bị phá hoại khi xảy ra một trong hai<br /> Dầm thí nghiệm Pmax(kN) tình huống sau:<br /> - Bê tông miền trên bị ép vỡ.<br /> S1 11<br /> - Cốt thép miền dưới bị kéo đứt.<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 87<br />  (a) Dầm S1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (b) Dầm S2<br /> <br /> <br /> 88 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG<br />  (c) Dầm S3<br /> Hình 6. Dạng phá hoại của các dầm<br /> <br /> Dầm S1 phá hoại do đứt thanh GFRP xiên theo chiều hội tụ về điểm đặt lực như<br /> trong miền bê tông chịu kéo, trong khi bê Hình (b, c).<br /> tông vùng nén cũng bắt đầu bị ép vỡ như Có thể nhận thấy, vùng bê tông mặt<br /> Hình (a). Dầm S2 và S3 có dạng phá hoại dưới của các dầm cốt thanh GFRP các vết<br /> tương tự nhau do miền bê tông chịu nén bị nứt của vùng bê tông chịu kéo có bề rộng<br /> ép vỡ. Các vết nứt thẳng góc chủ yếu tập tương đối nhỏ. Tuy nhiên, vùng bê tông mặt<br /> trung gần khu vực điểm đặt tải, các vết nứt trên của các dầm S khi ở trạng thái phá hoại<br /> lan rộng vào phía gối tựa có xu hướng cuối cùng bị ép vỡ nhiều và sâu.<br /> <br /> 4.2. Biến dạng của bê tông<br /> a) Dầm S1 b) Dầm S2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 89<br />  c) Dầm S3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Biến dạng của bê tông theo chiều cao tiết diện của các dầm<br /> <br /> <br /> Biến dạng vùng nén của dầm S2 như Kết quả cho thấy với các dầm bê<br /> trên Hình (b) là tương đối nhỏ so với dầm tông cốt thanh GFRP thì cho thấy quan hệ<br /> S1 và S3 (Hình a, c) do dầm S1 được uốn giữa lực và độ võng có xu hướng thiên về<br /> tới khi phá hoại đứt thép chịu kéo và S3 quan hệ tuyến tính mà không có vùng<br /> được thiết kế với khả năng chịu uốn lớn chảy dẻo.<br /> hơn S2.<br /> 4.3. Quan hệ lực - độ võng của dầm 5. KẾT LUẬN<br /> Căn cứ số đọc từ đồng hồ đo độ Trên cơ sở nội dung nghiên cứu của đề<br /> võng và tải trọng gia tải tăng dần theo thời tài thông qua các kết quả của bài toán thiết<br /> gian, kết quả độ võng của các dầm được kế, bài toán thực nghiệm có thể đưa ra một số<br /> thể hiện trong quan hệ lực - độ võng như kết luận sau:<br /> trong Hình 8. 1. Qui trình thiết kế dầm bê tông<br /> thanh cốt GFRP theo tiêu chuẩn<br /> 440.1R.2006 có tính ứng dụng thực hành<br /> cao trong điều kiện Việt Nam. Qui trình<br /> thiết kế này phù hợp với sự làm việc thực<br /> của cấu kiện.<br /> 2. Thanh GFRP có cường độ chịu kéo<br /> cao hơn 3-4 lần so với thép thông thường<br /> song thép GFRP không có thềm chảy nên<br /> trong thiết kế khả năng chịu uốn sử dụng hệ<br /> số giảm cường độ (0,55-0,65) để tránh sự phá<br /> Hình 8. Quan hệ lực – độ võng của các hoại giòn cho cấu kiện. Do đó, sự làm việc<br /> dầm bê tông cốt thanh GFRP chịu uốn của dầm bê tông cốt thanh GFRP<br /> <br /> <br /> 90 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG<br /> coi là hoàn toàn tuyến tính, không có miền thép GFRP có trọng lượng chỉ khoảng (1/6 -<br /> chảy dẻo. 1/4) so với thép thường.<br /> 3. Sử dụng thanh thép GFRP để thay 4. Việc sử dụng kết hợp thanh GFRP<br /> thế thép thường đem lại hiệu quả tiết kiệm với thép để chế tạo các cấu kiện bê tông cốt<br /> diện tích cốt thép không lớn song đặc biệt ưu thép trong kết cấu công trình là hoàn toàn<br /> việt trong việc giảm trọng lượng cấu kiện, do khả thi.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. P. Q. Minh, N. T. Phong, and N. Đ. Cống (2006), Kết cấu bê tông cốt thép - Phần cấu kiện<br /> cơ bàn, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.<br /> 2. J. P. Busel (2012), Fiber Reinforced Polymer (FRP) Composites Rebar, American<br /> Composites Manufacturers Asociation<br /> 3. D. S. Kumar and R. Rajkumar (2016), 'Experimantal investigation on flexural behavior of<br /> concrete beam with glass fiber reinforced polymer rebar as internal reinforcement', Int. J.<br /> Chem. Sci., vol. 14, pp. 319-329<br /> 4. D. H. Tavares, J. S. Giongo, and P. Paultre (2008), 'Behavior of reinforced concrete beams<br /> reinforced with GFRP bars', IBRACON Struct. Mater., vol. 1, no. 3, pp. 285-295<br /> 5. M. B. and A. C. C. Barris, L. Torres, A. Turon (2009), 'An Experimental Study of the<br /> Flexural Behavior of Gfrp Rc Beams and Comparison With Prediction Models', Int. J.<br /> Compos. Mater., vol. 91, no. 13, pp. 286-295<br /> 6. S. H. Alsayed (1998), 'Flexural Behavior of Concrete Beams Reinforced with GFRP Bars',<br /> Int. J. Cem. Concr. Compos., vol. 20, no. 7, pp. 1-11<br /> 7. O. C. and R. M. B. Benmokrane (1996), 'Flexural Response of Concrete Beams<br /> Reinforced with FRP Reinforcing Bars', ACI Struct. J., vol. 91, no. 2, pp. 46-55<br /> 8. P. M. Tuấn, D. V. Hai, and P. M. Phương (2015), 'Nghiên cứu tính toán dầm bê tông cốt<br /> sợi thủy tinh GFRP trên tiết diện thẳng góc', Người Xây dựng, pp. 17-19<br /> 9. J. P. Busel, L. C. Bank, V. L. Brown (2006), T. I. Campbell, A. Z. Fam, and M. W. Lee,<br /> Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars<br /> Reported by ACI Committee 440<br /> 10. Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây Dựng (2012), Cấu kiện bê tông và bê tông<br /> cốt thép đúc sẵn - Phương pháp thí nghiệm gia tải để đánh giá độ bền, độ cứng và khả<br /> năng chống nứt. TCVN 9347:2012<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 91<br />