Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP; đề xuất phương pháp tính tính toán, thiết lập các công thức dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc cho dầm bê tông cốt SGFRP, công thức dự đoán độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm; xác định khoảng hợp lý về tỷ lệ diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG PHAN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT HỖN HỢP THÉP VÀ POLYME CỐT SỢI THỦY TINH Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG PHAN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT HỖN HỢP THÉP VÀ POLYME CỐT SỢI THỦY TINH Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 9580201 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS LÊ BÁ HUẾ Hà Nội - Năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Phan Minh Tuấn
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Bá Huế đã tận tình hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học cho tác giả. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Bộ môn công trình Bê tông cốt thép trường Đại Học Xây Dựng đã có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng và quý báu cho tác giả trong quá trình hoàn thiện luận án. Cảm ơn Phòng thí nghiệm LAS-XD125, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa đào tạo Sau đại học nơi tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ, chia sẻ những khó khăn với tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Phan Minh Tuấn
iii MỤC LỤC Lời cam đoan ....................................................................................................................i Lời cảm ơn ...................................................................................................................... ii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...........................................................................v Danh mục các bảng.........................................................................................................ix Danh mục các hình vẽ, đồ thị .........................................................................................xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP ........5 1.1 Giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP ...................................................... 5 1.1.1 Đặc tính của các loại cốt FRP ............................................................................5 1.1.2. Tính chất cơ lý...................................................................................................7 1.1.3 Lịch sử phát triển cốt FRP và vấn đề sử dụng cốt hỗn hợp thép và FRP ..........8 1.2 Tổng quan về các nghiên cứu dầm bê tông cốt SGFRP .......................................... 10 1.2.1 Tổng quan về các nghiên cứu thực nghiệm .....................................................11 1.2.2 Tổng quan về nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình số ......................................23 1.2.3 Tổng quan nghiên cứu lý thuyết qua các công thức tính toán .........................29 1.3 Nhận xét rút ra từ tổng quan .................................................................................... 34 Chương 2: XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP CHỊU UỐN ....................................................................................................................36 2.1. Các dạng phá hoại của dầm bê tông cốt SGFRP .................................................... 36 2.2. Tính toán dầm bê tông cốt SGFRP theo phương pháp lặp ..................................... 37 2.3. Tính toán dầm bê tông cốt SGFRP theo công thức cốt hỗn hợp tương đương ...... 46 2.3.1 Quan hệ ứng suất biến dạng của cốt SGFRP tương đương .............................46 2.3.2 Xác định các thông số đường quan hệ ứng suất-biến dạng của cốt SGFRP ....49 2.3.3 Sự làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương ..................................52 2.3.4 Hàm lượng và mô men giới hạn của dầm bê tông cốt SGFRP ........................54 2.3.5 Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương ..........58 2.3.6 Thiết kế dầm bê tông cốt SGFRP tương đương ...............................................62 2.3.7 Tính toán độ võng dầm bê tông cốt SGFRP tương đương...............................68 2.3.8 Tính toán bề rộng vết nứt dầm bê tông cốt SGFRP tương đương ...................79 2.3.9 Tính toán độ dẻo dầm bê tông cốt SGFRP tương đương .................................85
iv 2.4 Nhận xét chương 2 .................................................................................................. 91 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP .....................................................................................92 3.1 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 92 3.2 Mẫu thí nghiệm........................................................................................................ 92 3.3 Thí nghiệm gia tải xác định mô men uốn của dầm ................................................. 94 3.3.1 Thiết bị thí nghiệm ...........................................................................................94 3.3.2 Thiết bị đo biến dạng (Strain gauges) ..............................................................95 3.3.3 Cốp pha ............................................................................................................96 3.3.4 Cốt thép và cốt GFRP ......................................................................................97 3.3.5 Đổ bê tông và bảo dưỡng .................................................................................98 3.3.6 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông ......................................99 3.3.7 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông .........................................100 3.3.8 Thí nghiệm các định đặc trưng cơ học của cốt thép ......................................101 3.3.9 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của cốt GFRP ...................................102 3.3.10 Quy trình thí nghiệm ...................................................................................103 3.4 Tổng hợp, đánh giá kết quả thí nghiệm ................................................................. 104 3.4.1 Số liệu thí nghiệm và cách xử lý ....................................................................104 3.4.2 Sự làm việc của dầm thí nghiệm ....................................................................104 3.4.3 Giá trị mô men gây nứt Mcr ............................................................................106 3.4.4 Giá trị mô men khi thép chảy My cho nhóm dầm cốt hỗn hợp ......................107 3.4.5 Giá trị mô men giới hạn Mu ...........................................................................108 3.4.6 Quan hệ lực và độ võng .................................................................................109 3.4.7 Quan hệ lực và bề rộng vết nứt: .....................................................................117 3.4.8 Độ dẻo của dầm ..............................................................................................129 3.5 Nhận xét chương 3 ................................................................................................ 131 KẾT LUẬN .................................................................................................................132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...........................................................134 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................135 PHỤ LỤC ................................................................................................................... PL1
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ cái Latinh viết hoa A Diện tích tiết diện Abt Diện tích tiết diện bê tông chịu kéo Af Diện tích cốt GFRP Ared Diện tích tiết diện ngang dầm quy đổi As Diện tích cốt thép Asf Diện tích cốt hỗn hợp SGFRP C Lực nén của dầm DF Độ dẻo của dầm Eb Mô đun đàn hồi của bê tông Eb,red Giá trị mô đun đàn hồi bê tông quy đổi khi nén Eb1 Giá trị mô đun đàn hồi bê tông quy đổi ban đầu Ec Mô đun đàn hồi của bê tông Ef Mô đun đàn hồi của cốt GFRP EI Mô đun đàn hồi giai đoạn I của cốt hỗn hợp SGFRP EII Mô đun đàn hồi giai đoạn II của cốt hỗn hợp SGFRP Es Mô đun đàn hồi của cốt thép Esf Mô đun đàn hồi của cốt hỗn hợp SGFRP Esf,redI Giá trị mô đun đàn hồi giai đoạn I quy đổi của cốt SGFRP Esf,redII Giá trị mô đun đàn hồi giai đoạn II quy đổi của cốt SGFRP I Mô men quán tính của tiết diện bê tông Ired Mô men quán tính của tiết diện quy đổi Isf Mô men quán tính của tiết diện cốt chịu kéo L Chiều dài nhịp của dầm Lsf Khoảng cách cơ sở giữa các vết nứt thẳng góc kề nhau M Mô men uốn Mcrc Mô men hình thành vết nứt Mmax Mô men uốn giới hạn lớn nhất để dầm phá hoại dẻo Mmax,e Mô men uốn giới hạn lớn nhất hiệu quả để dầm phá hoại dẻo Mmin Mô men uốn giới hạn nhỏ nhất để dầm phá hoại dẻo Mu Mô men uốn giới hạn My Mô men uốn khi cốt thép chảy P Lực tác dụng Rb Cường độ chịu nén tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn I Rbm Cường độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu lập phương
vi Rbn Cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông Rbser Cường độ chịu nén tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn II Rbt Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn I Rbtn Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông Rbtser Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông theo trạng thái giới hạn II Rf Cường độ tính toán của cốt GFRP Rfn Cường độ tiêu chuẩn của cốt GFRP Rs Cường độ tính toán của cốt thép Rsf,u Cường độ giới hạn kéo của cốt hỗn hợp SGFRP Rsf,y Cường độ chảy của cốt hỗn hợp SGFRP Rsn Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép St,red Mô men tĩnh của diện tích tiết diện quy đổi T Lực kéo của dầm Tf Lực kéo của cốt GFRP Ts Lực kéo của cốt thép Wpl Mô men kháng uốn đàn hồi của tiết diện quy đổi Wred Mô men kháng uốn Chữ cái Latinh viết thường acrc Bề rộng vết nứt b Chiều rộng của dầm c Chiều dầy lớp bê tông bảo vệ f Độ võng của dầm f'c Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu lăng trụ f'cm Cường độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu lăng trụ fcu Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu lập phương fy Giới hạn chảy của cốt thép h Chiều cao của dầm h0f Chiều cao hữu ích của dầm tới trọng tâm cốt GFRP h0s Chiều cao hữu ích của dầm tới trọng tâm cốt thép h0sf Chiều cao hữu ích của dầm tới trọng tâm cốt hỗn hợp SGFRP hi Chiều dầy (chiều cao) của phần tử bê tông thứ i m Tỷ số diện tích cốt thép với cốt GFRP, As/Af x Chiều cao bê tông vùng nén quy đổi x* Chiều cao bê tông vùng nén x*R Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn dưới
vii x*R,e Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên hiệu quả x*R,y Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên x*y Chiều cao bê tông vùng nén khi thép chảy xR Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn dưới quy đổi xR,e Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên hiệu quả quy đổi xR,y Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn trên quy đổi xy Chiều cao bê tông vùng nén khi thép chảy quy đổi Khoảng cách từ thớ bê tông chịu kéo nhiều nhất đến trọng tâm tiết diện yt quy đổi Chữ cái Hy Lạp m Giá trị lấy bằng tích  R Giá trị lấy bằng tích RR R,e Giá trị lấy bằng tích R,eR,e R,y Giá trị lấy bằng tích R,yR,y sf,I Tỷ số quy đổi mô đun giai đoạn I của cốt SGFRP theo bê tông sf,II Tỷ số quy đổi mô đun giai đoạn II của cốt SGFRP theo bê tông b Biến dạng tương đối của bê tông vùng nén b0 Biến dạng tương đối giới hạn của bê tông khi nén đều dọc trục b1 Biến dạng tương đối của bê tông, bằng 0,6Rb/Eb b2 Biến dạng nén tương đối giới hạn của bê tông khi bị phá hoại bi Biến dạng tương đối của phần tử bê tông thứ i f Biến dạng tương đối của cốt GFRP fu Biến dạng tương đối giới hạn của cốt GFRP s Biến dạng tương đối của cốt thép s,el Biến dạng tương đối khi bắt đầu chảy của cốt thép Biến dạng giãn dài tương đối của cốt thép khi ứng suất đạt tới cường s0 độ tính toán s2 Biến dạng kéo tương đối của cốt thép, lấy bằng 0,025 sf Biến dạng tương đối của cốt hỗn hợp SGFRP sf,el Biến dạng khi bắt đầu chảy của cốt cốt hỗn hợp SGFRP sfu Biến dạng tương đối giới hạn của cốt SGFRP  Tỷ số diện tích cốt GFRP với diện tích cốt thép, Af/As max Hàm lượng cốt dọc tối đa để dầm phá hoại dẻo max1 Hàm lượng cốt dọc tối đa để dầm phá hoại dẻo khi m = 0 max2 Hàm lượng cốt dọc tối đa để dầm phá hoại dẻo khi m = 
viii min Hàm lượng cốt dọc tối thiểu để dầm phá hoại dẻo min1 Hàm lượng cốt dọc tối thiểu để dầm phá hoại dẻo khi m = 0 min2 Hàm lượng cốt dọc tối thiểu để dầm phá hoại dẻo khi m =  b Ứng suất bê tông vùng nén bi Ứng suất của phần tử bê tông thứ i f Ứng suất của cốt GFRP s Ứng suất của cốt thép sf Ứng suất của cốt hỗn hợp GFRP y Giới hạn chảy của cốt thép  Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén x với chiều cao hữu ích h0 R Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén giới hạn xR với chiều cao hữu ích h0 R,e Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén giới hạn xR,e với chiều cao hữu ích h0 Tỷ số chiều cao bê tông vùng nén giới hạn xR,y với chiều cao hữu ích R,y h0  Giá trị lấy bằng  DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AFRP Cốt polyme sợi aramid BFRP Cốt polyme sợi basalt BTCT Bê tông cốt thép CFRP Cốt polyme sợi cacbon FRP Cốt sợi polyme GFRP Cốt polyme sợi thủy tinh LT Lý thuyết SGFRP Cốt hỗn hợp thép và cốt polyme sợi thủy tinh TN Thí nghiệm
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Khối lượng riêng điển hình của thanh thép và thanh FRP (g/cm3) ................7 Bảng 1.2 Hệ số giãn nở nhiệt điển hình .........................................................................7 Bảng 1.3 Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP ................................................8 Bảng 2.1 Thông số dầm thực nghiệm đã công bố .........................................................60 Bảng 2.2 Kết quả so sánh tính toán lý thuyết với thực nghiệm.....................................61 Bảng 2.3 Kết quả tính toán diện tích cốt dọc ................................................................75 Bảng 2.4 Bảng quan hệ tỷ lệ diện tích và độ cứng giữa cốt thép và cốt GFRP ............77 Bảng 2.5 Bảng kết quả tính toán diện tích và chọn cốt dọc ..........................................83 Bảng 2.6 Bảng kết quả tính toán diện tích và chọn cốt dọc ..........................................83 Bảng 2.7 Bảng kết quả tính toán độ dẻo khi M = 0,81Mmax,e ........................................89 Bảng 2.8 Bảng kết quả tính toán độ dẻo khi M = 1,29Mmax,e ........................................89 Bảng 3.1 Thông số của các mẫu dầm thí nghiệm ..........................................................94 Bảng 3.2. Thiết kế cấp phối cho 1 m3 bê tông mác 400 ................................................98 Bảng 3.3 Kết quả nén mẫu bê tông hình lập phương ..................................................100 Bảng 3.4 Kết quả nén mẫu bê tông hình trụ ................................................................100 Bảng 3.5 Kết quả xác định mô đun đàn hồi của bê tông .............................................101 Bảng 3.6 Đặc trưng về kéo của cốt thép ......................................................................102 Bảng 3.7 Đặc trưng về kéo của GFRP do nhà sản xuất cung cấp ...............................103 Bảng 3.8 Bảng số liệu đầu vào để tính toán dầm bê tông cốt SGFRP ........................106 Bảng 3.9 Bảng so sánh dạng phá hoại của dầm với lý thuyết .....................................106 Bảng 3.10 Bảng kết quả mô men nứt của dầm thí nghiệm..........................................107 Bảng 3.11 Bảng so sánh kết quả mô men nứt với lý thuyết ........................................107 Bảng 3.12 Bảng kết quả mô men khi thép chảy của dầm thí nghiệm .........................107 Bảng 3.13 Bảng so sánh kết quả mô men chảy với lý thuyết ......................................108 Bảng 3.14 Bảng kết quả mô men giới hạn của dầm thí nghiệm..................................108 Bảng 3.15 Bảng kết quả mô men giới hạn khi biến dạng u = 0.003 ..........................108 Bảng 3.16 Bảng so sánh mô men phá hoại của dầm với lý thuyết ..............................109 Bảng 3.17 Bảng giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau ....................................109 Bảng 3.18 Bảng so sánh giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau .......................110
x Bảng 3.19 Bảng giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau ....................................111 Bảng 3.20 Bảng so sánh giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau .......................112 Bảng 3.21 Bảng so sánh giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau .......................112 Bảng 3.22 Bảng so sánh giá trị lực P tại các vị trí độ võng khác nhau .......................113 Bảng 3.23 Bảng so sánh giá trị lực P của dầm D1 với thực nghiệm ...........................116 Bảng 3.24 Bảng so sánh giá trị lực P của dầm D2 với thực nghiệm ...........................116 Bảng 3.25 Bảng so sánh giá trị lực P của dầm D3 với thực nghiệm ...........................117 Bảng 3.26 Bảng tổng hợp khoảng cách giữa các vết nứt ............................................119 Bảng 3.27 Bảng giá trị lực P (kN) tại các giá trị vết nứt khác nhau............................127 Bảng 3.28 Bảng giá trị lực P (kN) tại các giá trị vết nứt khác nhau............................128 Bảng 3.29 Bảng so sánh giá trị lực P thực nghiệm với lý thuyết ................................129 Bảng 3.30 Bảng so sánh biến dạng dư của dầm ..........................................................129 Bảng 3.31 Bảng kết quả tính toán độ dẻo của dầm .....................................................131
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các loại thanh FRP ..........................................................................................5 Hình 1.2 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng của các loại sợi và cốt thép .........................7 Hình 1.3 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Ombres và cộng sự (2002) .................................12 Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Wenjun Qu và cộng sự (2009) ...........................13 Hình 1.5 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Denvid Lau và cộng sự (2010) ............................15 Hình 1.6 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Young-Soo Yoon và cộng sự (2011)...................16 Hình 1.7 Sơ đồ thí nghiệm dầm của WenJie Ge và cộng sự (2011) .............................17 Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Liu Yinghao và cộng sự (2012) ...........................18 Hình 1.9 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Ahmed El Refai và cộng sự (2015) .....................19 Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Zeyang Sun và cộng sự (2019) ..........................21 Hình 1.11 Sơ đồ thí nghiệm dầm của Xiangjie Ruan và cộng sự (2020) ......................22 Hình 1.12 Mẫu mô hình dầm của R.A. Hawileh và cộng sự (2015) .............................24 Hình 1.13 Kết quả khảo sát số của dầm của Renyuan Qin và cộng sự (2017) ............27 Hình 1.14 Mẫu mô hình dầm của Linh Van Hong Bui và cộng sự (2018) ...................28 Hình 2.1 Các sơ đồ biến dạng dầm bê tông cốt SGFRP ở trạng thái giới hạn ..............36 Hình 2.2 Quan hệ ứng suất-biến dạng của các vật liệu .................................................37 Hình 2.3 Sơ đồ ứng suất của dầm cốt hỗn hợp SGFRP ................................................39 Hình 2.4 Sơ đồ khối xác định lực nén Cj và mô men Mbj ..............................................42 Hình 2.5 Sơ đồ khối xác định chiều cao vùng nén x và mô men Muj ...........................43 Hình 2.6 Sơ đồ chịu lực và mặt cắt ngang dầm bê tông cốt SGFRP.............................44 Hình 2.7 Quan hệ lực và độ võng khi bố trí cốt dọc theo các phương án .....................45 Hình 2.8 Quan hệ ứng suất-biến dạng của các vật liệu thép và GFRP .........................47 Hình 2.9 Quan hệ ứng suất-biến dạng của cốt hỗn hợp tương đương ...........................47 Hình 2.10 Sơ đồ ứng suất của dầm bê tông cốt hỗn hợp ...............................................49 Hình 2.11 Sơ đồ ứng suất của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương ..........................52 Hình 2.12 Sơ đồ ứng suất của dầm cốt hỗn hợp tương đương khi chảy .......................53 Hình 2.13 Sơ đồ các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương ....54 Hình 2.14 Biểu đồ hàm lượng cốt dọc nhỏ nhất............................................................57 Hình 2.15 Biểu đồ hàm lượng cốt dọc lớn nhất ............................................................57
xii Hình 2.16 Sơ đồ ứng suất của dầm cốt SGFRP tương đương .......................................58 Hình 2.17 Quan hệ giữa µ và tỷ số  của dầm có cùng Mgh .........................................64 Hình 2.18 Quan hệ giữa sf /Rs với tỷ số  của dầm có cùng Mgh ................................65 Hình 2.19 Sơ đồ biến dạng của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương ........................66 Hình 2.20 Biểu đồ hàm lượng cốt dọc giới hạn hiệu quả ..............................................67 Hình 2.21 Sơ đồ ứng suất và biến dạng của dầm có vết nứt .........................................73 Hình 2.22 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng ...................................................................74 Hình 2.23 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng khi M=47,92 kNm ....................................76 Hình 2.24 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng khi M=76,68 kNm ....................................76 Hình 2.25 Biểu đồ quan hệ  và độ cứng EA ...............................................................78 Hình 2.26 Biểu đồ quan hệ  và độ cứng cốt tương đương ..........................................79 Hình 2.27 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt khi M < Mmax,e ...............................83 Hình 2.28 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt khi M > Mmax,e ...............................84 Hình 2.29 Sơ đồ ứng suất biến dạng ở trạng thái giới hạn ............................................85 Hình 2.30 Sơ đồ ứng suất biến dạng khi cốt tương đương bắt đầu chảy ......................86 Hình 2.31 Biểu đồ quan hệ mô men và độ cong khi M=47,92 kNm ............................88 Hình 2.32 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt khi M=76,68 kNm .........................89 Hình 2.33 Biểu đồ quan hệ độ dẻo và tỷ lệ  ................................................................90 Hình 3.1 Sơ đồ và mặt cắt dầm thí nghiệm ...................................................................93 Hình 3.2 Thiết bị thí nghiệm .........................................................................................94 Hình 3.3 Thiết bị đo chuyển vị LVDTs .........................................................................95 Hình 3.4 Thiết bị đo biến dạng cốt GFRP, cốt thép và bê tông ....................................95 Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thiết bị đo ....................................................................................96 Hình 3.6 Thiết bị đo bề rộng vết nứt .............................................................................96 Hình 3.7 Lắp dựng cốp pha dầm ...................................................................................97 Hình 3.8 Lắp dựng cốp pha, cốt thép chuẩn bị đổ bê tông ............................................97 Hình 3.9 Quá trình đổ bê tông .......................................................................................99 Hình 3.10 Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình lập phương.............................................99 Hình 3.11 Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình trụ ........................................................100 Hình 3.12 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông .....................................101 Hình 3.13 Thí nghiệm xác định đường cong ứng suất biến dạng của thép .................102
xiii Hình 3.14 Mẫu thí nghiệm kéo cốt GFRP ...................................................................103 Hình 3.15 Quan hệ lực và độ võng dầm thí nghiệm....................................................105 Hình 3.16 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D1, D2 và D3 .............................................109 Hình 3.17 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D4 với dầm D5 ...........................................111 Hình 3.18 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D1 với dầm D4 ...........................................112 Hình 3.19 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D3 với dầm D5 ...........................................113 Hình 3.20 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D1 với lý thuyết .........................................115 Hình 3.21 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D2 với lý thuyết .........................................115 Hình 3.22 Biểu đồ so sánh độ võng dầm D3 với lý thuyết .........................................116 Hình 3.23 Hình dạng vết nứt của các dầm bê tông cốt SGFRP ..................................117 Hình 3.24 Hình dạng vết nứt của dầm bê tông cốt GFRP thuần túy ...........................118 Hình 3.25 Hình dạng vết nứt giữa dầm D1-1 và D1-2 ................................................118 Hình 3.26 Hình dạng vết nứt giữa dầm D2-1 và D2-2 ................................................118 Hình 3.27 Hình dạng vết nứt giữa dầm D3-1 và D3-2 ................................................119 Hình 3.28 Hình dạng vết nứt giữa dầm D4-1 và D4-2 ................................................119 Hình 3.29 Hình dạng vết nứt giữa dầm D5-1 và D5-2 ................................................119 Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt nhóm dầm D1 ..............................120 Hình 3.31 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt nhóm dầm D2 ..............................121 Hình 3.32 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt nhóm dầm D3 ..............................121 Hình 3.33 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt nhóm dầm D4 ..............................122 Hình 3.34 Biểu đồ quan hệ lực và bề rộng vết nứt nhóm dầm D5 ..............................122 Hình 3.35 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của dầm D1 với dầm D4 .........................123 Hình 3.36 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của dầm D3 với dầm D5 .........................123 Hình 3.37 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của dầm D4 với dầm D5 .........................124 Hình 3.38 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của nhóm dầm SGFRP ...........................125 Hình 3.39 Biểu đồ so sánh bề rộng vết nứt của nhóm dầm SGFRP ...........................126 Hình 3.40 Biểu đồ quan hệ lực và độ võng khi hạ tải về 0 .........................................130 Hình 3.41 Biểu đồ quan hệ giữa độ dẻo và tỷ lệ  ......................................................131
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thanh polyme cốt sợi thủy tinh GFRP (Glass fiber reinforcement polymer) với cường độ cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn và có giá thành thấp hứa hẹn là vật liệu mới thay thế cho cốt thép truyền thống, sử dụng trong các công trình xây dựng ở môi trường nước mặn hoặc nước lợ. Ở Việt Nam, với một đường bờ biển dài với nhiều đảo và quần đảo sẽ là nơi ứng dụng tốt loại vật liệu mới này cho các công trình. Tuy nhiên trong thực tế, do cốt GFRP có tính giòn, đàn hồi (giòn hơn cả bê tông) nên dầm bê tông cốt GFRP thường bị phá hoại đột ngột, hơn nữa do có mô đun đàn hồi thấp (chỉ bằng khoảng 1/4 của cốt thép), dầm bê tông cốt GFRP thuần túy thường bị nứt và bị võng lớn, vượt quá giới hạn sử dụng làm hạn chế khả năng ứng dụng của loại vật liệu này [4]. Để khắc phục vấn đề này thường phải tăng kích thước dầm hoặc bố trí thêm nhiều cốt GFRP, điều này làm tăng giá thành và khiến cốt GFRP khó đưa vào áp dụng trong thực tế. Một giải pháp đã được đề xuất là sử dụng cốt GFRP kết hợp với cốt thép [5]. Cốt thép với mô đun đàn hồi lớn sẽ giúp cải thiện vấn đề này. Để chống ăn mòn cốt thép, trong thực tế, các cốt thép thường được bố trí vào phía trong với chiều dầy lớp bảo vệ lớn. Sự kết hợp của 2 loại cốt này thành 1 loại cốt hỗn hợp thép và GFRP (cốt SGFRP) sẽ giúp bổ khuyết cho nhau, khắc phục nhược điểm và tăng cao ưu điểm của từng loại cốt riêng rẽ, giúp tăng thêm độ dẻo cho dầm bê tông cốt GFRP cũng như giảm thiểu độ võng và vết nứt của dầm này. Kết cấu bê tông sử dụng cốt FRP thuần túy đã được nghiên cứu rất kỹ từ những năm 1970 và đã được nhiều nước ban hành thành tiêu chuẩn thiết kế. Việc tính toán dầm bê tông cốt hỗn hợp chưa có hướng dẫn tính toán cụ thể và chưa có quốc gia nào ban hành thành tiêu chuẩn. Việc nghiên cứu dầm bê tông cốt hỗn hợp cho đến nay vẫn là một đề tài được tranh luận sôi nổi trên thế giới với nhiều vấn đề còn cần làm rõ, như tính toán độ võng, tính bề rộng vết nứt, độ dẻo của dầm và đặc biệt là vấn đề xác định tỷ số diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép ảnh hưởng tới sự chịu lực và chịu biến dạng của dầm. Các nghiên cứu đều thiếu
2 việc đưa ra một quy trình tính toán cụ thể và đầy đủ. Vì vậy việc đề xuất một phương pháp tính toán lý thuyết đồng thời tiến hành nghiên cứu loại dầm này bằng thực nghiệm là việc làm hết sức cần thiết. Đây cũng là nội dung chính của đề tài. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Mục đích nghiên cứu của luận án: - Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP; - Đề xuất phương pháp tính tính toán, thiết lập các công thức dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc cho dầm bê tông cốt SGFRP, công thức dự đoán độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm; - Xác định khoảng hợp lý về tỷ lệ diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP với cấp độ bền của bê tông không lớn hơn B70. Phạm vi áp dụng cho dầm làm việc trên tiết diện thẳng góc và loại dầm đơn giản một nhịp có tiết diện hình chữ nhật đặt cốt đơn chịu tải trọng tác dụng ngắn hạn. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để làm rõ sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP và thiết lập được các công thức tính toán cho loại dầm này. Các tính toán dựa trên đề xuất khoa học của các tiêu chuẩn về thiết kế bê tông cốt thép và thiết kế bê tông cốt FRP. Nghiên cứu đề xuất quy trình tính toán cụ thể và đầy đủ về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh (dầm bê tông cốt SGFRP) tuân thủ theo TCVN 5574:2018 là việc làm cần thiết, có tính ứng dụng cao. Qua việc sử dụng cốt SGFRP giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của dầm cốt GFRP thuần túy do khắc phục được những nhược điểm về võng và nứt lớn, đây chính là ý nghĩa thực tiễn của luận án, góp phần xây dựng mới tiêu chuẩn thiết kế dầm bê tông cốt SGFRP và đẩy mạnh ứng dụng loại vật liệu mới này ở Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP;
3 - Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt SGFRP; - Đề xuất phương pháp số để tính toán dầm bê tông cốt SGFRP; - Thiết lập các công thức dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc cho dầm bê tông cốt SGFRP; - Đề xuất các công thức dự đoán độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm; - Chế tạo thí nghiệm dầm bê tông cốt SGFRP và dầm bê tông cốt GFRP để so sánh và đánh giá độ tin cậy của công thức đề xuất, hoàn thiện quy trình tính toán 5. Các đóng góp mới của luận án - Đề xuất một phương pháp số bằng cách chạy lặp để dự đoán sự phá hoại, tính khả năng chịu mô men uốn, tính độ cong và độ võng của dầm bê tông cốt SGFRP phù hợp với TCVN 5574:2018; - Xây dựng một đường quan hệ ứng suất-biến dạng riêng cho một vật liệu cốt hỗn hợp tương đương, vật liệu này có tính chất của cả hai vật liệu thành phần là thép và GFRP, cho phép đánh giá nhanh đặc điểm về mặt chịu lực và biến dạng khi kết hợp 2 vật liệu với nhau với các tỷ lệ diện tích Af /As thay đổi; - Xây dựng các công thức dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc cho dầm bê tông cốt SGFRP, các công thức dự đoán độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm phù hợp với TCVN 5574:2018; - Xác định khoảng hợp lý về tỷ lệ diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép Af /As; - Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP tại Việt Nam. Các số liệu thí nghiệm thu được không chỉ kiểm chứng công thức đề xuất của luận án mà còn là số liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị và phần phụ lục, luận án được bố cục thành 3 chương với cấu trúc và nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan sự làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP Gồm các nội dung chính: giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP sử dụng làm cốt chịu lực trong xây dựng, tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm, tổng quan các nghiên cứu mô phỏng số, nghiên cứu lập công thức lý thuyết sự làm việc của
4 dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP. Trên cơ sở đó, đề xuất những nội dung cần nghiên cứu của luận án. Chương 2: Xây dựng quy trình tính toán dầm bê tông cốt SGFRP chịu uốn Gồm các nội dung chính: Trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp tính toán dầm bê tông cốt SGFRP phù hợp với TCVN 5574:2018. Từ đấy đưa ra hai phương pháp tính toán dầm bê tông cốt SGFRP. Phương pháp thứ nhất là phương pháp tính lặp, dựa trên các quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu bê tông, thép và GFRP để xác định được các lực kéo, nén trong dầm, từ đấy tính toán được khả năng chịu lực cũng như độ võng của dầm. Phương pháp thứ hai là phương pháp xây dựng một đường quan hệ ứng suất-biến dạng riêng cho một vật liệu cốt hỗn hợp tương đương. Từ quan hệ này tiến hành thiết lập các công thức để dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn, thiết kế cốt dọc, tính độ võng, bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm. So sánh kết quả từ công thức về dự đoán sự phá hoại của dầm, tính khả năng chịu mô men uốn với 30 mẫu dầm thí nghiệm đã công bố để đánh giá độ tin cậy của công thức. Một số công thức được đưa ra như tính võng, nứt còn cần hoàn thiện thêm khi có các sự liệu thực nghiệm. Trong chương này cũng đã đề xuất khoảng hợp lý về tỷ lệ diện tích cốt GFRP trên diện tích cốt thép. Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP Gồm các nội dung chính: Nghiên cứu thực nghiệm về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt SGFRP thông qua: hình thức phá hoại của dầm, các giá trị mô men khi nứt, mô men khi cốt thép chảy, mô men giới hạn, quan hệ lực và độ võng, sự hình thành vết nứt, quan hệ lực và bề rộng vết nứt và độ dẻo của dầm. Từ các kết quả đo được, so sánh kiểm chứng và hoàn thiện công thức đề xuất trong chương 2. Kết luận và hướng phát triển của luận án : Trình bày những kết quả mới của luận án, các kiến nghị và hướng phát triển của đề tài. Phụ lục : Trình bày các ví dụ tính toán và số liệu thí nghiệm, các kết quả thu được từ thí nghiệm.
5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP 1.1 Giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP Kết cấu bê tông thường được tăng cường bằng cốt thép thường và thép dự ứng lực. Cốt thép được bảo vệ chống ăn mòn bởi tính kiềm của bê tông, giúp công trình có độ bền và sử dụng được lâu dài. Đối với nhiều công trình chịu môi trường khắc nghiệt, như công trình biển, công trình cầu đường, và gara để xe tiếp xúc với muối cho thấy, sự kết hợp của độ ẩm, nhiệt độ và clorua làm giảm tính kiềm của bê tông dẫn đến sự ăn mòn cốt thép [8]. Quá trình ăn mòn này gây ra sự suy giảm cường độ của bê tông và dẫn đến mất khả năng sử dụng. Thanh polyme cốt sợi FRP (Fiber-reinforced polymer) là sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi các sợi thủy tinh (GFRP), sợi cacbon (CFRP), sợi bazan (BFRP) hay sợi aramid liên tục (AFRP), được dính kết và bao bọc bởi một chất nhựa tổng hợp polyme tạo nên cốt chịu lực. Thanh FRP được biết đến như là một sự thay thế cho cốt thép cho kết cấu bê tông [8]. Các loại cốt FRP khác nhau được thể hiện trong hình 1.1. Hình 1.1 Các loại thanh FRP [8] 1.1.1 Đặc tính của các loại cốt FRP Thanh polyme cốt sợi (FRP) thường có các tính chất cơ học khác với thanh thép gai truyền thống. Cấu tạo của các loại FRP khác nhau được mô tả như dưới đây: 1.1.1.1 Sợi Bazan Sợi bazan là một loại vật liệu, được sản xuất bởi sự tan chảy của đá bazan