Tính toán tải trọng phá hoại của sàn bê tông cốt sợi thủy tinh bản loại dầm

i công tuy nhiên hiện nay ứng dụng (BTCSTT) vào các công trình ven biển và hải đảo có khả năng chống ăn mòn cao đảm bảo công trình tồn tại lâu dài. Với vật liệu (BTCSTT) chưa ứng dụng đại trà như bê tông cốt thép vì vậy trong khuôn khổ bài viết này tác giả tính toán và tìm hiểu sự chịu tải của nó so với bê tông cốt thép tuyền thống. Từ khóa. Tính toán tải trọng phá hoại của sàn bê tông cốt sợi thủy tinh bản loại dầm (Theo tiêu chuẩn ACI) 1. Giới thiệu a. Giới thiệu: Đất nước ta là một đất nước có bờ biển dài, nằm sát biển đông rộng lớn. Chiều dài bờ biển nước ta 3260 km đó là một thuận lợi về giao thông thủy, thuận lợi về mặt ngư trường đánh bắt hải sản vì vậy con người phải định cư gần biển để thuận tiện sinh sống nhờ biển nên các công trình xây dựng thường bị ảnh bởi môi trường xâm thực. Vật liệu truyền thống như thép thường bị ăn mòn sau một thời gian xây dựng công trình nhà ở, công trình cầu đường, đê, kè, phương tiện giao thông thủy. Vật liệu cốt sợi thủy tinh sẽ là một giải pháp hữu hiệu không bị ăn mòn khi sử dụng trong các công trình nói trên. Vật liệu (GFRP) được viết tắt từ (Glass Fiber - Reinforced – Plastics) đang và sẽ tiếp tục quá trình lịch sử phát triển của các loại vật liệu truyền thống như gạch, đá, gỗ , kim loại, bê tông cốt thép...và thực sự lôi cuốn nhiều nhà khoa học như: kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu và các nhà sản xuất vật liệu vào một guồng máy, nhằm nghiên cứu và phát triển ứng dụng vật liệu GFRP trong các ngành xây dựng công trình.[2] b.Đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của cốt sợi (GFRP) (GFRP) với thành phần chủ yếu tạo thành từ vật liệu cát trắng cho cấu kiện bê tông có nhiều ưu điểm so với cốt thép truyền thống như: - Kháng muối và hóa chất, không bị ảnh hưởng bởi mưa axit, muối và hầu hết các loại hóa chất. Cường độ chịu kéo cao gấp 2,5 đến 3 lần cốt thép A-III. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 49 - (GFRP) không đánh mất các tính chất của mình ở nhiệt độ thấp, khác với xu hướng gia tăng độ giòn của cốt thép khi giảm nhiệt độ. Hệ số giãn nở nhiệt của GFRP và bê tông tương đương nhau, tránh được nứt vỡ khi nhiệt độ làm việc thay đổi. - Có trọng lượng riêng nhẹ hơn thép khoảng 5 lần, với yêu cầu cường độ chịu lực tương đương, khối lượng (GFRP) cần sử dụng nhẹ hơn khoảng 9 lần so với việc sử dụng cốt thép, do đó công tác lắp dựng nhanh và giảm đáng kể khối lượng công việc khi tiến hành công tác bê tông, cốt thép. - Có thể sử dụng cốt (GFRP) với chiều dài bất kỳ. Thời gian khai thác sử dụng lâu dài và ổn định với các thông số kỹ thuật như ban đầu đến 80 năm. Tất nhiên cốt sợi (GFRP) có tồn tại một số nhược điểm như tính chất suy giảm cường độ nhanh trong điều kiện nhiệt độ cao khi tiếp giáp nguồn nhiệt, gặp hỏa hoạn và hạn chế trong việc không thể gia công tại công trường đòi hỏi phải tăng cường việc chuẩn bị, tính toán định hình ngay tại dây chuyền sản xuất.[1] c. Các ứng dụng (GFRP) trong xây dựng. Ứng dụng vật liệu chia làm 3 hướng: - GFRP được chế tạo thành cấu kiện dạng thanh, dạng lưới hoặc cấu kiện dạng bó cáp. - GFRP được chế tạo thành cấu kiện định hình. - GFRP được chế tạo cấu kiện ván khuôn. Những hình ảnh dưới đây là sản phẩm và ứng dụng vào các công trình xây dựng và cầu đường. Hình 4 : Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt cầu [1] Hình 3: Cầu bộ hành qua đường cao tốc Poznan-Kornik ở BaLan [2] Hình 1: Khung cốt sợi thủy tinh [1] Hình 2: Cuộn cốt sợi thủy tinh [1] Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 50 2.Tính toán cấu kiện chịu uốn bê tông cốt GFRP theo trạng thái giới hạn I a. Cường độ chịu uốn của cấu kiện cốt GFRP : Cường độ bê tông cốt GFRP được xác định theo tiêu chuẩn ACI, tải trọng và hệ số kháng uốn xác định theo phương pháp LRFD phải thỏa mãn điều kiện: M Mn u  (1) Trong đó: Mn - khả năng chịu lực thiết kế; Mu - mômem uốn lớn nhất do tải trọng tính toán gây ra; Mn - khả năng chịu mômen danh nghĩa của tiết diện;  - hệ số giảm cường độ khi uốn, xác định như sau: 0,55 khi f f0,3 + 0,25 khi < 1,4 f 0,65 khi 1,4 f fb fb fb fb fb                      b.Cách thức phá hủy: Khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt GFRP phụ thuộc vào cách thức phá hủy là do bê tông bị phá hủy hay cốt GFRP bị đứt. Cách thức phá hủy có thể được xác định bằng cách so sánh tỉ số cốt cân bằng (tức là hàm lượng khi mà bê tông và GFRP đứt xảy ra đồng thời) tỉ số khi bê tông vỡ và GFRP bị đứt xảy ra đồng thời. Vì cốt GFRP không chảy dẻo, tỉ số cân bằng của cốt GFRP được tính toán theo cường độ kéo thiết kế của cốt GFRP. . A f f b d   (2) ' 0,85 1 E cuf fc fb f E fcufu f fu       (3) ρf - hệ số gia cường GFRP mặt cắt ngang chữ nhật (hàm lượng cốt GFRP); Hình 5: Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt đường [1] Hình 6: Cọc móng sử dụng cốt sợi thủy tinh [2]. Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 51 ρfb - hệ số cân bằng GFRP mặt cắt ngang chữ nhật (hàm lượng cốt GFRP trong trường hợp cân bằng). Với: Af - diện tích tăng cường GFRP; b - chiều rộng mặt cắt ngang của cấu kiện; d - chiều cao làm việc tiết diện hình chữ nhật; β1 - hệ số phụ thuộc cường độ bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318-05 Whitney β1 = 0,85 cho bêtông có cường độ fc’< 30 MPa, khi bêtông có cường độ lớn hơn 30 MPa thì β1 cứ giảm đi 0,08 cho mỗi 10MPa, nhưng β1> 0,65; fc’ - cường độ chịu nén mẫu trụ của bêtông, lưu ý khi chuyển đổi sang mẫu lập phương theo tiêu chuẩn Việt Nam cần chia cho 1,2; Ef - môđun dàn hồi theo chiều dọc của cốt GFRP; cu - giới hạn biến dạng nén danh định (thường lấy 0,003); ffu - cường độ thiết kế của cấu kiện cốt GFRP. Thực tế hàm lượng cốt GFRP trong bêtông minf   với min  hàm lượng tối thiểu, xác định ở Bảng 1. Bảng 1: Hàm lượng cốt tối thiểu (%) Thép GFRP CFRP AFRP 0,0335 0,0078 0,0035 0,0020 Hình 7: Biến dạng, ứng suất và lực trong điều kiện cân bằng mặt cắt cấu kiện cốt (GFRP) c. Cường độ uốn danh nghĩa: Khi f fb   với ( c c b  ) thì bê tông bị phá hủy trước, sự phân bố ứng suất trong bê tông gần đúng là khối ứng suất chữ nhật theo ACI. Dựa trên sự cân bằng lực và tương thích biến dạng, khả năng mômen danh định trong mặt cắt bố trí nhiều cốt GFRP được xác định như sau: ( ) 2 a M A f dn f f   (4) Với: '0,85 A f f f a f bc  (5) Và công thức xác định ứng suất của cấu kiện cốt GFRP: Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 52 2 '( ) 0,85 1 0,5 4 E fcu cf f E Ecu cuf f f f         (6) f f - ứng suất của cấu kiện cốt GFRP tại vùng bê tông bị nén a - chiều cao khối ứng suất trong mặt cắt theo Whitney. Hình 8:. Biến dạng, ứng suất và hợp lực trong mặt cắt bố trí nhiều cốt GFRP Cường độ uốn danh nghĩa được xác định thông qua hàm lượng cốt GFRP như sau: 0,59 2(1 ) d ' f f f M f bn f f fc    (7) Khi f fb  với ( bc c ) thì cốt GFRP bị đứt trước, khối ứng suất trong ACI không áp dụng được vì không đạt tới trạng thái ứng suất biến dạng cực đại của bê tông. Tiêu chuẩn ACI 440.1R-06 đưa ra phương trình: 1( ) 2 c bM A f dn f fu    (8) cb - chiều cao vùng nén là khoảng cách từ mặt ngoài cùng bêtông đến trục trung hòa của mặt cắt, cb được xác định như sau: cuc d b cu fu      cu - giới hạn biến dạng nén danh định (thường lấy 0,003); u f  - biến dạng phá hoại của cốt GFRP. Trong trường hợp mặt cắt bố trí ít cốt thì khối ứng suất được Whitney áp dụng với hệ số 0,85  và  phụ thuộc vào cường độ bê tông theo tiêu chuẩn ACI 319-05. Đường cong biến dạng và ứng suất của Tobeshini như sau: ' '2 ( / ) ' 21 ( / ) fc c cfc c c       (9) Với ' c là biến dạng của bêtông tại ' cf , Tobeshini đưa ra các thông số trong phương trình khối ứng suất như sau: ' 1 '4[( / ) tan ( / )] 2 1 ' ' 2( / ) ln[1+( / ) ] c c c c c c c c             (10) Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 53 ' 20,9ln[1+( / ) ]c '( / )c1 c c        (11) '1,71' fc c Ec   (12) Hình 9: Biến dạng, ứng suất và hợp lực trong mặt cắt cấu kiện bố trí ít cốt (GFRP) Dùng phương pháp tính lặp gồm các bước sau: Bước1. Giả sử chiều cao trục trung hòa c c b  ( )f fb   Bước2. Tính toán biến dạng của bêtông c Bước3. Tính toán các thông số của khối ứng suất 1  và  Bước4. Tính toán chiều cao của trục trung hòa: ' 1 A f f fu c f bc   (13) Bước5. Tính toán rồi so sánh c với c giả thiết và lặp lại đến khi bằng nhau. Bước6. Tính toán mômen danh định với các giá trị cuối cùng của 1  và  1( ) 2 c M A f dn f fu    (ACI 440.IR.- 06:8- 6a)[4] d. Lượng đặt cốt tối thiểu để chịu uốn: Nếu một cấu kiện được thiết kế để phá hủy do cốt FRP đứt ( ) f fb   , cần phải có một lượng FRP tối thiểu để cấu kiện không bị phá hủy khi bê tông nứt: rM Mn c  Với: rMc - momen gây nứt. Diện tích cốt tối thiểu: '4,9 330 w w,min fcA b d b d f f f fu fu   (AC I440.IR.- 06:8-8)[4] wb - bề rộng của bụng cấu kiện với dầm tiết diện chữ nhật, wb b wb 'fc - cường độ chịu nén mẫu trụ của bê tông f fu - cường độ thiết kế của cấu kiện cốt GFRP 3. Tính toán: Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 54 1 l =2000 l =2200 0 2 l = 6 5 0 1 1 25 25 a150 Ø6 1 a 250 Ø6 2 0 2 l =2000 200 200 l =2200 25 25 1 5 6 0 a150 Ø6 1 a 250 Ø6 2 Tác giả đưa ra 2 mẫu sàn có kích thước như nhau để tính toán, cốt chịu lực trong bê tông một mẫu sàn là đặt cốt thép và một mẫu sàn đặt cốt (GFRP). Mẫu cốt chịu lực trong bê tông được kéo trong phòng thí nghiệm tại phòng LAS 278, 187 Lê Thánh Tôn Tp Tuy Hòa.[ Với mẫu cốt thép f y = 347,5(MPa) ; mẫu cốt GFRP f fu  = 1042,4 (MPa)]; Mẫu bê tông được đúc tại chỗ và được nén sau 28 ngày dưỡng hộ tại phòng Las Trường ĐHXD Miền trung. a. Dữ liệu tính toán: +Sàn cốt thép bố trí thép chịu lực Ø6, a =150; cốt thép cấu tạo Ø6, a =250 vuông góc phương chịu lực, cấp độ bền bê tông B20 +Sàn cốt GFRP được bố trí cốt GFRP theo phương chịu lực Ø6 a =150; cốt thép cấu tạo Ø6, a =250 vuông góc phương chịu lực, cấp độ bền bê tông B20. b. Tính toán bản sàn theo trạng thái giới hạn I. b1. Sàn cốt thép *Các chỉ tiêu cơ lý - Kích thước sàn và bố trí thép như hình vẽ (Hình 10,11,12) - Cốt thép chịu lực 5 thanh Ø6 a= 150; thép cấu tạo Ø6 a= 250. - Vật liệu: XM PC 40, đá (1x2) cm , cát vàng mô đun độ lớn ML > 2. - Bê tông: Cấp độ bền B20. cu = 0,003 1  = 0,85 ,fc < 28MPa H = 60; b= 650 d = h – a = 60-15 = 45 As = 5 6 = 141,3mm2 'fc = 24,5 (MPa) f y = 347,5(MPa) Es = 200000 (MPa) Ec = ,57000 [ ]f Psic [3] Ec = ,4768,9 f c = 4768,9 24,5 23604,8 (Mpa) * Tính toán: Hình 10: Mặt bằng sàn bê tông cốt GFRP-thép Hình 11: Mặt cắt 1-1 của sàn bê tông cốt thép và GFRP Hình 12: Sơ đồ tính của sàn bê tông cốt thép và GFRP 2000 q Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 55 -Khả năng chịu uốn của tiết diện: Tỉ số cốt cân bằng: ) ' 0,85 1 ( S S f Ec cu fb f E fcufu fu       24,5 200000.0,003 0,85.0,85 0,032257 347,5 (200000.0,003 347,5)    Hàm lượng thép cân bằng: . As s b d   => 141,3 650.45s   = 0,0048308 Chiều cao bê tông vùng nén: '0,85 A fs y a f bc  => 141,3.347,5 3,627426 0,85.24,5.650 a mm  Cường độ uốn danh nghĩa: ( ) 2 a M A f dn s y  15 141,3.347,5(45 ) 2120522,259 2 M Nmmn    Mn  212 kg m Với hệ số β1 lấy bằng 0.85 khi f'c < 28MPa Xác định tỷ số c/d = a/ß1.d = 0,095 => phá hoại dẻo. Vậy tải trọng phân bố phá hoại sàn. qph= 8.Mn/22 = 424 (kg/m). b2. Sàn bê tông cốt GFRP *Các chỉ tiêu cơ lý 'fc = 24,5(MPa) C E = 0,8 f fu  = 1042,4 (MPa) f C f Efu fu  = 0,8.1042,4 = 833,92 (MPa) fu  = 0,0220 C Efu fu   = 0,0176 E f = 45000 (MPa) Ec = ,4768,9 f c = 4768,9 24,5 23604,8 (Mpa) cu = 0,003 1  = 0,85 d = h – a + 6 2 = 60-15= 45(mm) -Khả năng chịu uốn của tiết diện: Cốt dọc 6 diện tích mặt cắt ngang = 28,26 mm2 Tỉ số cốt cân bằng: ' 0,85 1 E cuf fc fb f E fcufu f fu       . 24,5 45000.0,003 0,85.0,85 833,92 (45000.0,003 833,92)   = 0,002958 Với hệ số 1  lấy bằng 0,85 khi 'fc < 28MPa Bố trí thép 5 6 : A f = 141,3 (mm2) Hàm lượng cốt: 141,3 . 650.45 A f f b d    = 0,00483077 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 1/2017 No. 1/2017 56 Ta thấy: f fb    Bê tông bị phá hủy trước Ứng suất của cấu kiện cốt FRP: 2 '( ) 0,85 1 0,5 4 E fcu cf f E Ecu cuf f f f         2(45000.0,003) 0,85.0,85.24,5 45000.0,003 0,5.45000.0,003 4 0,00483 ff    =639,0642 (MP) Vì f f =639,064 (MPa) < f fu =833,92 (MPa) nên xảy ra phá hoại vùng nén. Mô men uốn danh nghĩa: 21 0,59 'fc f f f M f bdn f f             Mn 0,00483.639,1 20,00483.639,1 1 0,59 650.45 3761392,8 24,5 Nmm          Mn  376 kg m Vậy, cường độ lực phân bố phá hoại sàn: qph = 8.Mn/22 = 752 (kg /m). 4. Kết luận - Xác định tải trọng phá hoại cho một cấu kiện trong một công trình xây dựng rất quan trọng nhằm đưa ra các phương án phù hợp nâng cao chất lượng công trình khi thiết kế . Vì vậy đối với vật liệu mới chúng ta cần phải xem xét kỹ càng hơn. - Qua tính toán khả năng chịu lực của sàn bê tông cốt GFRP tải trọng phá hoại là 752kg/m, tải trọng phá hoại của sàn bê tông cốt thép là 424 kg/m. -Với tính toán trên ta thấy khả năng chịu lực của vật liệu mới bê tông cốt sợi thủy tinh GFRP lớn hơn 1,78 lần cốt thép như vậy phù hợp đặc tính của vật liệu cốt GFRP. Tuy nhiên với cốt liệu chịu lực là GFRP qua nhiều nghiên cứu ta thấy sự làm việc khi chịu kéo của thanh GFRP không thể sự chảy dẻo trước khi đứt. Ứng xử kéo của thanh GFRP được đặc trưng bởi quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại và trong trường hợp này sự phá hoại là đột ngột và giòn. Đó chính là sự khuyến cáo của nhà nghiên cứu và sản xuất khi đưa vào ứng dụng vật liệu mới (BTCSTT) tuy nó có nhiều ưu điểm so với bê tông cốt thép. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TS. Nguyễn Trâm Ks. Trần Quốc Ca ( 2012), Kết cấu Composites, NXB Xây dựng [2] PGS.TS.Trần Mạnh Tuân (2005), Giáo trình Tính toán kết cấu bê tông cốt thép tiêu chuẩn ACI 318-2002, nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. [3] ACI 440.1R-06 (2006). Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. [4] Công ty cổ phần giải pháp công nghệ xây dựng Quốc tế Phương Nam. Email: lienhe@vitecphuongnam.vn