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

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