Upload
tran-hoang-ha
View
243
Download
17
Embed Size (px)
DESCRIPTION
CÔNG TY CP ĐẦU TƯ VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
Citation preview
- 1 -
Bản Chỉ dẫn thiết kế và thi công kết cấu bê tông có cốt là thanh polyme cốt sợi
(FRP) đƣợc biên soạn từ các Tiêu chuẩn của Viện Bê tông Hoa Kỳ ACI .
Bản Chỉ dẫn này là cơ sở kỹ thuật và pháp lý để thiết kế và thi công các công
trình xây dựng bằng bê tông có cốt là các thanh FRP do các Nhà máy của Công ty
NUCETECH và các Doanh nghiệp liên doanh sản xuất.
- 2 -
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Thanh Polyme cốt sợi, thuật ngữ tiếng Anh: Fiber- reinforced polymer (FRP),
là sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi các sợi thủy tinh hay sợi cacbon đƣợc dính kết
và bao bọc bởi một chất nhựa tổng hợp polyme tạo nên cốt chịu lực Thanh FRP ra
đời từ hơn 30 năm, đã đƣợc sử dụng để làm cốt cho kết cấu bê tông nhƣ một sản
phẩm thay thế cho cốt thép. Kết cấu bê tông cốt thép truyền thống trong một số
trƣờng hợp có thể gặp các vấn đề sau : khi kết cấu chịu môi trƣờng xâm thực mạnh
nhƣ cầu, công trình bờ biển, hoặc chịu tác dụng kết hợp của độ ẩm, nhiệt độ, hóa
chất làm thép bị ăn mòn thì thanh FRP là giải pháp ƣu việt thay thế cốt thép. FRP là
vật liệu không có từ tính nên tránh đƣợc vấn đề tƣơng tác điện từ của kết cấu dùng
cốt thép. Ngoài ra, vật liệu FRP còn có nhiều tính chất khác nhƣ cƣờng độ chịu kéo
lớn nên thích hợp để làm cốt gia cƣờng. Sự áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới đã
thúc đẩy việc cải tiến công nghệ chế tạo, việc nghiên cứu lí thuyết và tích lũy kinh
nghiệm cho phƣơng pháp xây dựng với vật liệu này.
Sự làm việc của kết cấu có cốt FRP khác với sự làm việc của kết cấu dùng cốt
thép thông thƣờng. Vật liệu FRP là không đẳng hƣớng, chỉ có cƣờng độ chịu kéo
lớn theo phƣơng của các sợi. Tính không đẳng hƣớng này ảnh hƣởng đến cƣờng độ
chịu cắt và cả sự dính kết. Ngoài ra, vật liệu FRP khi chịu lực không có sự chảy dẻo
và luôn luôn làm việc đàn hồi cho đến khi phá hoại. Tất cả các khác biệt đó làm
thay đổi lí luận và tƣ duy thiết kế, dẫn đến sự sai khác nhƣ với bê tông cốt thép
thông thƣờng. Bản Chỉ dẫn này (sau đây gọi là Tài liệu) trình bày phƣơng pháp
thiết kế và thi công theo các Tiêu chuẩn và Chỉ dẫn của Viện Bê tông Hoa Kỳ ACI.
Các văn bản, Tiêu chuẩn chủ yếu dựa vào để biên soạn Bản Chỉ dẫn là:
Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP
Bars ACI 440.1R-06.(Chỉ dẫn thiết kế và thi công kết cấu bê tông có cốt là các
thanh FRP), sau này gọi là Tài liệu gốc, có tham khảo thêm ấn bản ACI 440.1R-03,
năm 2003 và ba Tiêu chuẩn bổ sung :
1) Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars
ACI 440.5-08 (Chỉ dẫn kỹ thuật để thi công các thanh cốt FRP).
2) Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials
for Concrete Reinforcement ACI 440.6-08.(Chỉ dẫn cho kết cấu bê tông có cốt là
các thanh FRP thủy tinh và cacbon ).
3) Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites for
Reinforcing or Strengthening Concrete and Masonry Structures ACI.440.3R-12
(Chỉ dẫn các phƣơng pháp thử nghiệm Polyme cốt sợi cho bê tông có cốt và gia
cƣờng kết cấu bê tông và kết cấu xây), có tham khảo thêm ấn bản ACI 440.3R-04,
năm 2004.
Hai Tiêu chuẩn ACI 440.5-08 và ACI 440.6-08 đƣợc trích những điều khoản
chính không trùng lặp với Tài liệu gốc và đƣợc in luôn trong văn bản theo chữ
nghiêng và lùi vào đầu dòng để ngƣời đọc biết là đó không phải là ở Tài liệu gốc.
Tiêu chuẩn ACI.440.3R-12 đƣợc chọn ra một số phƣơng pháp và đƣa vào Phần
Phụ lục.
- 3 -
1.1 Phạm vi.
Tài liệu này hƣớng dẫn và khuyến nghị để thiết kế và thi công kết cấu bê tông có
cốt FRP. Nó chỉ áp dụng cho cốt sợi FRP không dự ứng lực. Cơ sở của tài liệu này
là kết quả đúc rút đƣợc từ các nghiên cứu rộng rãi về lý thuyết và thực nghiệm cũng
nhƣ quá trình ứng dụng của thanh cốt sợi FRP trên toàn thế giới.. Các khuyến nghị
của tài liệu này nói chung là có chiều hƣớng thiên về an toàn.
Các chỉ dẫn thiết kế đƣợc dựa trên trình độ hiểu biết hiện tại và nhằm bổ sung vào
các quy phạm hiện có của kết cấu bê tông cốt thép truyền thống, giúp cho các kĩ sƣ
và cán bộ ngành xây dựng trong việc thiết kế, thi công kết cấu bê tông có cốt
FRP.
Tài liệu này không nêu cách sử dụng kết hợp cốt thép thƣờng và cốt FRP trong
cùng một kết cấu bê tông.
1.2 Các định nghĩa
Các định nghĩa dƣới đây giải thích cho các thuật ngữ riêng của cốt FRP ít đƣợc
gặp trong bê tông thông thƣờng. Các từ đƣợc xếp theo thứ tự abc tiếng Anh để tiện
đối chiếu với nguyên bản.
A
AFRP polyme cốt sợi aramit.
aging – sự lão hóa – ảnh hƣởng của thời gian đến tính chất của vật liệu trong các
môi trƣờng khác nhau.
alkalinity – tính kiềm – điều kiện có hoặc chứa các iông hydroxyt (OH-) ; chứa các
chất kiềm. Trong bê tông, môi trƣờng kiềm có độ pH cao hơn 12.
B
balanced FRP reinforcement ratio hàm lượng cốt FRP cân bằng – lƣợng cốt và
sự phân bố cốt trong một cấu kiện uốn sao cho khi thiết kế về cƣờng độ thì cốt FRP
chịu kéo sẽ đạt tới trị số biến dạng tỉ đối cực hạn đồng thời với việc bê tông vùng
nén cũng đạt biến dạng tỉ đối cực hạn là 0,003.
bar, FRP thanh FRP – Là vật liệu composit dạng thanh mảnh có thể dùng để làm
cốt trong bê tông, gồm các sợi đặt theo phƣơng dọc (sợi thủy tinh, sợi aramit,…)
thông qua chất kết dính là polyme tạo hình thành các thanh có tiết diện ngang khác
nhau (thƣờng là tiết diện tròn hoặc chữ nhật) và có thể có bề mặt gân hoặc nhám để
tăng độ dính kết với bê tông
braiding sự bện – cách xoắn hai hay nhiều sợi theo các phƣơng chéo nhau để tạo
nên một thể thống nhất. Vật liệu bện khác với sản phẩm đan hay dệt ở cách đƣa sợi
vào và cách các sợi xoắn bện nhau.
C
CFRP polyme cốt sợi cacbon
composite – composit – tổ hợp từ một hay nhiều vật liệu khác nhau về hình thức
hay thành phần ; các thành phần này vẫn giữ nguyên bản chất của chúng nghĩa là
không hòa tan hoặc hòa nhập hoàn toàn vào nhau mặc dù chúng vẫn cùng phối hợp
với nhau. Thông thƣờng các thành phần có thể nhận diện rõ ràng về vật lý và chúng
có mặt phân giới với nhau.
- 4 -
cross-link liên kết chéo – liên kết hóa học giữa các phân tử polyme. Lƣu ý : việc
tăng số liên kết chéo cho mỗi phân tử polyme sẽ làm tăng cƣờng độ và mô đun đàn
hồi nhƣng làm giảm độ mềm dẻo.
curing of FRP bars – lưu hóa thanh FRP – quá trình biến đổi vĩnh viễn các tính
chất của chất nhựa kết dính nóng bởi các phản ứng hóa học nhƣ quá trình ngƣng tụ,
khép kín vòng hay phản ứng cộng thêm. Lƣu ý: sự lƣu hóa thanh FRP có thể thực
hiện bằng cách thêm các liên kết chéo (liên kết hóa học giữa các phân tử polyme)
trong điều kiện có hoặc không gia nhiệt và áp lực.
D
deformability factor – hệ số biến dạng – tỉ số giữa năng lƣợng hấp thu (diện tích
bên dƣới đƣờng cong quan hệ mô menđộ cong) của tiết diện tại mức cƣờng độ cực
hạn so với năng lƣợng hấp thu tại mức ứng suất của giai đoạn sử dụng.
degradation – sự xuống cấp – sự suy giảm cấu trúc hóa học, tính chất vật lí hoặc
bề ngoài của một thanh cốt FRP.
design modulus of elasticity – mô đun đàn hồi tính toán mô đun đàn hồi của
FRP (Ef) dùng trong tính toán thiết kế và đƣợc xác định nhƣ là mô đun trung bình
của nhóm các mẫu thử (Ef = Ef,ave ).
design rupture strain – biến dạng tỉ đối tính toán khi phá hủy biến dạng tỉ đối
kéo cực hạn của FRP (fu) và đƣợc xác định là bằng biến dạng tỉ đối đƣợc bảo đảm
khi phá hủy kéo nhân với hệ số giảm do môi trƣờng (CE.fu*).
design tensile strength – cường độ kéo tính toán cƣờng độ kéo của FRP (ffu)
đƣợc dùng trong tính toán thiết kế và đƣợc xác định là bằng cƣờng độ kéo đƣợc bảo
đảm nhân với hệ số giảm do môi trƣờng (CEffu*).
E
E-glass – thủy tinh E – một họ thủy tinh với thành phần silicat bo- canxi alumina và
hàm lƣợng kiềm tối đa là 2,0%. Một loại sợi đa dụng dùng làm cốt sợi polyme.
endurance limit – giới hạn chịu đựng– số chu kì biến dạng hay tải trọng làm cho
vật liệu hoặc mẫu thử hoặc cấu kiện bị hỏng.
F
fatigue strength – cường độ mỏi – ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu đƣợc
sau một số chu kì nhất định mà không bị phá hủy.
fiber – sợi – mọi vật dạng dây, tự nhiên hoặc tổng hợp, có nguồn gốc khoáng chất
hay hữu cơ. Lƣu ý: từ này thƣờng đƣợc dùng cho vật liệu mà chiều dài ít nhất bằng
100 lần đƣờng kính.
fiber, aramid – sợi aramit – sợi hữu cơ định hƣớng ở mức cao làm từ polyamit kết
hợp trong một cấu trúc vòng thơm.
fiber, carbon – sợi cacbon – sợi đƣợc chế tạo bằng cách nung nóng các vật liệu
hữu cơ tiền tố, có chứa một lƣợng lớn cacbon nhƣ là tơ nhân tạo, polyacrylonitrin
(PAN) hay hắc ín trong một môi trƣờng trơ.
fiber, glass – sợi thủy tinh – sợi kéo ra từ một sản phẩm vô cơ nóng chảy rồi đƣợc
làm nguội mà không kết tinh.
- 5 -
fiber content – hàm lượng sợi – lƣợng sợi có trong một thanh composit. Lƣu ý:
hàm lƣợng này thƣờng đƣợc cho bằng phần trăm thể tích hoặc phần trăm trọng
lƣợng của cả thanh composit.
fiber-reinforced polymer (FRP) – polyme cốt sợi (FRP ) – vật liệu composit gồm
các sợi dài liên tục kết dính với nhau nhờ một polyme, sau đó tạo hình bằng khuôn
và để rắn lại thành hình dạng dự định.
fiber volume fraction – tỉ phần thể tích sợi – tỉ số thể tích sợi so với thể tích
composit.
fiber weight fraction – tỉ phần trọng lượng sợi – tỉ số trọng lƣợng sợi so với trọng
lƣợng composit.
G
GFRP – glass fiber reinforced polymer – polyme cốt sợi thủy tinh
grid – lưới – một mảng cứng hai chiều (phẳng) hoặc ba chiều (không gian) gồm
các thanh FRP liên kết với nhau tạo nên một lƣới liên tục và có thể làm cốt cho bê
tông. Lƣới có thể đƣợc chế tạo từ các thanh liên kết trƣớc với nhau hoặc do từng
thanh riêng lẻ liên kết bằng phƣơng pháp cơ học.
H
hybrid – đa thể - kết hợp hai hay nhiều lọại sợi khác nhau nhƣ sợi cacbon và sợi
thủy tinh hoặc sợi cacbon và sợi aramit trong một cấu trúc.
I
impregnate – thấm đẫm – trong polyme cốt sợi, các sợi đƣợc thấm đẫm nhựa.
M
matrix – chất nền gắn – trong trƣờng hợp polyme cốt sợi, đó là vật liệu dùng để
kết dính các sợi với nhau, truyền tải đến các sợi và bảo vệ chúng chống sự xâm hại
của môi trƣờng và hƣ hại khi thao tác bốc xếp.
P
pitch – hắc ín – chất cặn đen từ việc chƣng cất dầu mỏ.
polymer – polyme – hợp chất hữu cơ cao phân tử, tự nhiên hay tổng hợp, có chứa
những đơn vị lặp đi lặp lại.
precursor – chất tiền tố – đối với sợi cacbon hay graphit, đó là các sợi tơ, PAN
(polyacrylonitrin), hay hắc ín để từ đó làm ra các sợi cacbon và graphit.
pultrusion – sự đùn kéo – quá trình liên tục để chế tạo composit có tiết diện là đều.
Phƣơng pháp là kéo vật liệu làm cốt sợi qua một bể nhúng chứa đẫm nhựa rồi kéo
qua khuôn tạo hình để nhựa đƣợc lƣu hóa sau đó.
R
resin – nhựa – vật liệu polyme dạng cứng hoặc nửa cứng tại nhiệt độ trong phòng ;
thƣờng có điểm chảy hoặc nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh cao hơn nhiệt độ phòng.
S
stress concentration – tập trung ứng suất – sự tăng ứng suất cục bộ tại vùng có sự
uốn cong, có cắt khấc, rỗng, lỗ hay có dị vật, so với các ứng suất đã dự tính theo
các công thức cơ học thông thƣờng mà không xét đến các bất thƣờng đó.
sustained stress – ứng suất dài hạn – ứng suất gây bởi tải trọng lâu dài không nhân
thêm hệ số, bao gồm tải trọng tĩnh và phần dài hạn của hoạt tải.
- 6 -
T
thermoplastic – chất dẻo nhiệt – một loại nhựa có khả năng mềm hóa và rắn hóa
nhiều lần bằng cách tăng và giảm nhiệt độ.
thermoset – chất dẻo rắn nhiệt – một loại nhựa mà khi bị lƣu hóa bằng nhiệt hay
bằng hóa học, sẽ biến đổi thành vật liệu không nóng chảy và không bị hòa tan.
V
vinyl esters – vinyleste – một loại nhựa rắn nhiệt có chứa este của axit acrylic hay
methacrylic hoặc cả hai, nhiều loại đƣợc chế tạo bằng nhựa epoxy.
W
weaving – dệt – cách sắp xếp sợi theo nhiều phƣơng. Ví dụ dệt kiểu độc cực thì các
sợi cốt sẽ theo các phƣơng chu vi, xuyên tâm.và dọc trục ; dệt trực giao thì các sợi
sắp xếp theo hình trực giao (hệ Đê các), mọi sợi là giao nhau theo góc 90 độ.
1.3 Kí hiệu A
f = diện tích tiết diện cốt FRP, mm2
Af,bar = diện tích tiết diện một thanh FRP, mm
2
Af,min
= diện tích tiết diện của cốt FRP tối thiểu cần thiết để cấu kiện
uốn không bị phá hỏng khi bị nứt, mm2
Af,sh
= diện tích tiết diện cốt FRP để chịu co ngót và chịu nhiệt độ,
tính trên mét dài, mm2
Afv
= diện tích tiết diện cốt FRP chịu cắt bên trong khoảng cách s,
mm2
Afv,min
= diện tích tiết diện cốt FRP tối thiểu chịu cắt bên trong
khoảng cách s, mm2
As = diện tích cốt thép chịu kéo, mm
2
a = bề cao của biểu đồ ứng suất chữ nhật tƣơng đƣơng, mm b = bề rộng của tiết diện chữ nhật, mm b
o = chu vi của tiết diện nguy hiểm đối với bản và đế móng, mm
bw = bề rộng của bụng dầm, mm
C = khoảng cách bƣớc hay kích thƣớc lớp bảo vệ, mm C
E = hệ số giảm do môi trƣờng đối với các loại sợi khác nhau và
các điều kiện phơi lộ khác nhau, đƣợc cho trong bảng 4.1 c = khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trục trung hòa, mm c
b = khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trục trung hòa trong
điều kiện cân bằng biến dạng, mm d = khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm của cốt
chịu kéo, mm d
b = đƣờng kính của thanh cốt, mm
dc = bề dày lớp bê tông bảo vệ tính từ thớ kéo ngoài cùng đến
tâm của thanh cốt sợi hay của vùng sợi gần nhất với thớ đó,
mm E
c = mô đun đàn hồi của bê tông, MPa E
f
= mô đun đàn hồi tính toán hay mô đun đàn hồi đƣợc bảo đảm
- 7 -
của FRP đƣợc xác định bằng mô đun trung bình của nhóm
mẫu thử (Ef = Ef,ave ), .MPa E
f,av = mô đun đàn hồi trung bình của FRP, MPa
Es = mô đun đàn hồi của thép, MPa fc′ = cƣờng độ nén đặc trƣng của bê tông, MPa
= căn bậc 2 của cƣờng độ nén đặc trƣng của bê tông, MPa
ff = ứng suất trong cốt FRP chịu kéo, MPa
ffb = cƣờng độ của phần uốn cong của thanh FRP, MPa ffe
= ứng suất trong thanh có thể triển khai trong chiều dài chôn
le , MPa
ffr = ứng suất yêu cầu của thanh, MPa
ff,s = mức ứng suất phát sinh trong FRP do tải trọng dài hạn, MPa
ffu = cƣờng độ kéo thiết kế của FRP có xét sự giảm do môi trƣờng
sử dụng, MPa
ffu* = cƣờng độ kéo đƣợc bảo đảm của thanh FRP, đƣợc xác định
bằng cƣờng độ kéo trung bình của nhóm mẫu thử, trừ đi ba
lần độ lệch chuẩn (fu* = fu,ave 3), MPa ffv = cƣờng độ kéo của thanh FRP khi thiết kế chịu cắt, lấy bằng
giá trị nhỏ nhất trong các giá trị : cƣờng độ kéo thiết kế ffu ,
cƣờng độ kéo của phần uốn cong của đai FRP ffb hoặc ứng
suất tƣơng ứng với 0,004Ef , MPa fs = ứng suất cho phép trong cốt thép, MPa fu,ave
= cƣờng độ kéo trung bình của nhóm mẫu thử, MPa fy = ứng suất chảy đặc trƣng của cốt thép không ứng lực trƣớc,
MPa . h = Chiều cao tiết diện của cấu kiện uốn, mm I = mô men quán tính, mm
4
Icr
= mô men quán tính của tiết diện có khe nứt, mm4
Ie = mô men quán tính hữu hiệu, mm4
Ig = mô men quán tính của tiết diện nguyên, mm
4
K1 = tham số xét đến các điều kiện biên (phƣơng trình 5-10)
k = tỉ số của khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trục trung
hòa và đến cốt chịu kéo kb = hệ số phụ thuộc độ dính kết L = khoảng cách giữa các khe nối trong bản đặt trên đất, mm
= chiều dài nhịp của cấu kiện, m
= chiều dài neo bổ sung tại gối tựa hay tại điểm uốn, mm
= chiều dài neo cơ bản của móc FRP tiêu chuẩn chịu kéo, mm
= chiều dài neo, mm
= chiều dài chôn của thanh cốt, mm
= chiều dài của phần đuôi sau móc của thanh FRP, mm
Ma = mô men lớn nhất trong cấu kiện tại giai đoạn tính toán độ
- 8 -
võng, N-mm M
cr
= mô men gây nứt, N-mm
Mn = khả năng chịu mô men uốn danh nghĩa, N-mm
Ms = mô men do tải trọng dài hạn, N-mm
Mu = mô men có nhân hệ số (còn gọi là mô men tính toán) tại tiết
diện, N-mm n
f
= tỉ số giữa mô đun đàn hồi của thanh FRP và mô đun đàn hồi
của bê tông
rb = bán kính uốn phía trong của thanh FRP, mm
s = khoảng cách đai hay bƣớc của cốt xoắn liên tục, và khoảng
cách các thanh FRP dọc, mm
Tg = nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh,
oC
u = ứng suất dính trung bình tác dụng trên bề mặt thanh FRP,
MPa
Vc = khả năng chịu cắt danh nghĩa của bê tông, N
Vf = khả năng chịu cắt của các đai FRP, N
Vn = khả năng chịu cắt danh nghĩa tại tiết diện, N
Vs = khả năng chịu cắt của các cốt đai thép, N
Vu = lực cắt có nhân hệ số (còn gọi là lực cắt tính toán) tại tiết
diện, N
w = bề rộng vết nứt lớn nhất, mm
α = góc nghiêng của đai hoặc của cốt xoắn (Chƣơng 6), hệ số
điều chỉnh cho thanh trên đỉnh (Chƣơng 7)
α1 = tỉ số giữa ứng suất trung bình của biểu đồ ứng suất chữ nhật
tƣơng đƣơng và fc’
αL = hệ số giãn nở nhiệt theo phƣơng dọc 1/
oC
αT = hệ số giãn nở nhiệt theo phƣơng ngang 1/
oC
β = tỉ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo ngoài
cùng và khoảng cách từ trục trung hòa đến tâm của cốt chịu
kéo (Mục 5.3.1)
β1 = hệ số lấy bằng 0,85 đối với cƣờng độ bê tông fc’ tới 28 MPa.
Với cƣờng độ lớn hơn 28 MPa, hệ số này sẽ giảm liên tục
với mức 0,05 cho mỗi giá trị 7 MPa vƣợt quá 28 MPa nhƣng
không lấy nhỏ hơn 0,65
βd = hệ số giảm dùng để tính độ võng (Mục 5.3.2)
∆(cp +sh) = độ võng bổ sung do từ biến và co ngót dƣới tải trọng dài hạn,
mm
(∆i )sus = độ võng tức thời do tải trọng dài hạn, mm
(∆/l)max = tỉ lệ giới hạn độ võng so với nhịp (Chƣơng 5)
εc = biến dạng tỉ đối của bê tông
εcu = biến dạng tỉ đối cực hạn của bê tông
εf = biến dạng tỉ đối của cốt FRP
- 9 -
ε
fu = biến dạng tỉ đối thiết kế khi đứt của cốt FRP
= biến dạng tỉ đối khi đứt đƣợc bảo đảm của cốt FRP, xác định
bằng biến dạng tỉ đối trung bình lúc phá hủy của nhóm các
mẫu thử trừ đi 3 lần độ lệch chuẩn (εfu* =ε
u,ave 3)
εu,ave = biến dạng tỉ đối trung bình lúc kéo đứt của nhóm các mẫu
thử
η
= tỉ số giữa khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm
của cốt kéo (d) và bề cao toàn thể của cấu kiện uốn (h)
(Chƣơng 5)
λ = hệ số nhân cho độ võng dài hạn bổ sung
µ = hệ số ma sát nền đất để tính toán cốt chịu co ngót và nhiệt độ
của bản đặt trên đất
ξ = hệ số theo thời gian của tải trọng dài hạn
ρ′ = hàm lƣợng của cốt thép chịu nén, ρ′ =As′ /bd
ρb = hàm lƣợng cốt thép tạo nên điều kiện cân bằng của biến dạng
tỉ đối
ρf = hàm lƣợng cốt FRP
ρf′
ρf,b
= hàm lƣợng cốt FRP chịu nén
hàm lƣợng cốt FRP tạo nên điều kiện cân bằng của biến
dạng tỷ đối
ρfv = hàm lƣợng cốt FRP chịu cắt
ρf,ts = hàm lƣợng cốt FRP chịu nhiệt độ và co ngót
ρmin = hàm lƣợng cốt thép cực tiểu
σ = độ lệch chuẩn
φ = hệ số giảm cƣờng độ
1.4 Phạm vi ứng dụng cốt FRP
Khi xác định xem cốt FRP có thích hợp với một kết cấu nào đó, cần xét các đặc
trƣng vật liệu của FRP. Chƣơng 2 sẽ mô tả chi tiết đặc trƣng của vật liệu. Bảng 1.1
liệt kê một số điều lợi và bất lợi của cốt FRP cho kết cấu bê tông khi so sánh với
cốt thép truyền thống,
Khả năng chịu ăn mòn của FRP là lợi thế đáng kể cho những kết cấu nằm trong
môi trƣờng xâm thực mạnh nhƣ đê biển và công trình biển khác, mặt cầu đƣờng và
các kết cấu ở môi trƣờng không khí chứa muối. Trong những kết cấu đỡ thiết bị
chụp ảnh cộng hƣởng từ, hay các thiết bị khác nhạy cảm với trƣờng điện từ, cốt
FRP không từ tính sẽ là vật liệu tốt nhất. Cƣờng độ chịu kéo lớn của thanh FRP bù
đắp một phần cho tính năng kém dẻo của nó. Sử dụng cốt FRP nên hạn chế cho
những công trình đƣợc lợi rõ ràng nhờ những tính chất khác của vật liệu nhƣ không
bị ăn mòn và không dẫn điện. Do chƣa đủ kinh nghiệm sử dụng, không nên dùng
cốt FRP cho khung chịu mô men hoặc những vùng mà cần phân phối lại mô men.
- 10 -
Cốt FRP không nên dùng để chịu nén. Nhiều dữ liệu đã chứng tỏ mô đun nén
của thanh FRP thấp hơn mô đun kéo ( xem thêm phần 2.2.2 ). Thêm vào đó, do mô
đun kéo của FRP cũng thấp hơn so với thép, nên sự tham gia tối đa của cốt FRP
nén khi xảy ra sự ép vỡ của bê tông (tại εcu = 0,003) là rất nhỏ. Do đó, cốt FRP
không nên dùng làm cốt cho cột hay cho cấu kiện nén, cũng không dùng làm cốt
chịu nén trong cấu kiện uốn. Có thể chấp nhận để cốt FRP thiết kế chịu kéo sẽ chịu
lực nén trong trƣờng hợp nếu mô men đảo chiều hoặc tải trọng thay đổi. Khi đó có
thể huy động một phần cƣờng độ nén của cốt FRP. Tuy nhiên lĩnh vực này cần
đƣợc tiếp tục nghiên cứu.
Bảng 1.1 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của cốt FRP
Ƣu điểm của cốt FRP Nhƣợc điểm của cốt FRP
Cƣờng độ kéo theo phƣơng dọc lớn (thay
đổi tùy theo dấu và phƣơng của tải trọng so
với các sợi)
Không có chảy dẻo trƣớc khi phá hủy đột
ngột
Sức kháng ăn mòn tốt (không phụ thuộc lớp
phủ)
Cƣờng độ chịu lực theo phƣơng ngang thấp
(thay đổi tùy theo dấu và phƣơng của tải
trọng so với các sợi)
Không có từ tính Mô đun đàn hồi thấp (thay đổi tùy theo loại
sợi làm cốt)
Độ bền chịu mỏi cao (thay đổi tùy theo loại
sợi làm cốt)
Nhựa polyme và các sợi dễ bị hƣ hại khi bị
phơi lộ trong bức xạ cực tím
Trọng lƣợng nhẹ (khoảng 1/5 đến ¼ trọng
lƣợng riêng của thép)
Sợi thủy tinh kém bền trong môi trƣờng ẩm
ƣớt
Độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp (đối với sợi
thủy tinh và aramit)
Một số loại sợi thủy tinh và aramit kém bền
trong môi trƣờng kiềm
Hệ số giãn nở nhiệt cao theo phƣơng vuông
góc với các sợi, so với bê tông
Có thể hƣ hại do hỏa hoạn tùy theo chất nền
dính kết và bề dày lớp bê tông bảo vệ
- 11 -
CHƢƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU
Thanh và lƣới FRP đã đƣợc sản xuất thƣơng mại hóa từ trên 30 năm, đƣợc dùng
trong kết cấu bê tông thƣờng và bê tông ứng lực trƣớc. Thanh FRP đƣợc chế tạo từ
nhựa polyme rắn nhiệt (thƣờng là polyeste và vinyleste) còn cốt sợi là sợi thủy tinh,
cacbon, aramit. Ngày nay thanh FRP thông dụng nhất là vinyleste và sợi thủy tinh.
Chúng đƣợc khuyến nghị dùng trong kết cấu bê tông chịu tải trọng. Thanh đƣợc đặt
cốt sợi dọc với thể tích cốt sợi vào khoảng 50 đến 60%. Phƣơng pháp chế tạo
thƣờng là phƣơng pháp đùn kéo, hoặc dệt, hoặc bện. do đó bản chất của thanh là
không đẳng hƣớng. Bề mặt thanh là nhám hoặc có gân để tăng dính bám với bê
tông. Gân tạo bằng các sợi quấn bên ngoài hoặc lớp phủ bằng cát hoặc các gân
riêng rẽ. Tiết diện thanh có nhiều loại : vuông, chữ nhật, tròn, đặc, rỗng. Trên thị
trƣờng, thanh FRP đƣợc chế tạo với đƣờng kính từ 8 mm đến 32 mm (Hình 2.1).
Các yếu tố quan trọng nhất quyết định các đặc trƣng của thanh FRP là loại sợi, loại
nhựa, phƣơng của sợi, kích thƣớc và việc chế tạo. Dƣới đây sẽ lần lƣợt trình bày
các tính chất vật lí và cơ học của vật liệu FRP. Các số liệu nêu ở đây chỉ mang tính
chất tổng quát hóa chứ không nhất thiết là đúng cho mọi vật liệu FRP có trên thị
trƣờng.
Hình 2.1 Một số thanh FRP có trên thị trường.
2.1 Tính chất vật lí
2.1.1 Khối lượng riêng. Thanh FRP có khối lƣợng riêng từ 1,25 đến 2,1 g/cm3, tức
là khoảng một phần sáu đến một phần tƣ của thép (Xem Bảng 2.1). Trọng lƣợng
nhỏ làm giảm chi phí vận chuyển và làm thao tác bốc xếp trên công trƣờng đƣợc dễ
dàng.
Bảng 2.1 Khối lƣợng riêng điển hình của thanh FRP (g/cm3)
Thép GFRP CFRP AFRP
7,90 1,25 đến 2,10 1,50 đến 1,60 1,25 đến 1,40
- 12 -
2.2.2 Hệ số giãn nở nhiệt. Hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP khác nhau theo
phƣơng dọc và phƣơng ngang, tùy thuộc loại sợi, nhựa và tỉ phần thể tích sợi. Hệ số
giãn nở nhiệt theo phƣơng dọc phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của các sợi, còn hệ
số giãn nở nhiệt theo phƣơng ngang phụ thuộc vào tính chất của nhựa. Bảng 2.2
liệt kê các hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP điển hình và của thép. Lƣu ý là hệ số
giãn nở nhiệt âm có nghĩa là vật liệu co lại khi tăng nhiệt độ và giãn ra khi giảm
nhiệt độ. Để tham khảo, bê tông có hệ số giãn nở nhiệt biến đổi từ 7,2 106
/oC
đến 10,8 106
/oC và thƣờng đƣợc giả thiết là đẳng hƣớng.
Bảng 2.2 Hệ số giãn nở nhiệt điển hình của thanh cốt
Phƣơng Hệ số giãn nở nhiệt ( 106
/oC)
Thép GFRP CFRP AFRP
Dọc, L 11,7 6,0 đên 10,0 –9,0 đến 0,0 –6 đến –2
Ngang, T 11,7 21,0 đến 23,0 74,0 đến 104,0 60,0 đến 80,0
2.2 Tính chất cơ học
2.2.1 Sự làm việc chịu kéo. Khi chịu lực kéo, thanh FRP không thể hiện sự chảy
dẻo trƣớc khi đứt. Sự làm việc chịu kéo của thanh FRP chỉ chứa một loại sợi đƣợc
đặc trƣng bởi quan hệ ứng suất biến dạng đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hủy.
Tính chất chịu kéo của một số loại thanh FRP trên thị trƣờng đƣợc tóm tắt trong
Bảng 2.3.
Bảng 2.3 Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh cốt *
Thép GFRP CFRP AFRP
Ứng suất chảy
danh nghĩa, MPa 276 đến 517 không có không có không có
Cƣờng độ kéo,
MPa
483 đến 690
483 đến 1600 600 đến 3690 1720 đến 2540
Mô đun đàn hồi,
103 MPa
2 0 0 , 0 35,0 đến 51,0 120,0 đến 580,0 41,0 đến 125,0
Biến dạng tỉ đối
chảy, % 0,14 đến 0 ,25 không có không có không có
Biến dạng tỉ đối
kéo đứt, % 6,0 đến 12 ,0 1,2 đến 3,1 0,5 đến 1,7 1,9 đến 4,4
* Các giá trị điển hình cho tỉ phần sợi theo thể tích từ 0,5 đến 0,7
Cƣờng độ kéo và độ cứng kéo của thanh FRP phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do
các sợi của thanh FRP là thành phần chịu tải chính nên tỉ số của thể tích sợi trên thể
tích toàn bộ của FRP (gọi là tỉ phần thể tích sợi) có ảnh hƣởng lớn đến tính chất
chịu kéo của thanh FRP. Cƣờng độ kéo và độ cứng kéo sẽ biến động trong các
thanh có tỉ phần thể tích sợi khác nhau, ngay dù thanh có cùng đƣờng kính, cùng
- 13 -
hình dạng và cùng thành phần. Tốc độ lƣu hóa, quá trình chế tạo và việc kiểm tra
chất lƣợng chế tạo cũng ảnh hƣởng đến đặc trƣng cơ học của thanh.
Khác với thép, cƣờng độ kéo đơn vị của thanh FRP có thể biến đổi theo đƣờng
kính. Ví dụ: thanh GFRP có thể giảm cƣờng độ kéo tới 40% khi đƣờng kính thanh
tăng theo tỉ lệ từ 9,5 đến 22 mm. Nhƣng đối với thanh CFRP bện xoắn thì sự thay
đổi tiết diện lại gần nhƣ không ảnh hƣởng đến cƣờng độ của thanh. Còn đối với
thanh AFRP, tình trạng phụ thuộc vào tiết diện ngang có sự biến động giữa các sản
phẩm thƣơng mại. Ví dụ: đối với thanh AFRP bện, cƣờng độ giảm không quá 2%
khi đƣờng kính thanh tăng từ 7,3 đến 14,7mm. Trong khi đối với thanh AFRP đùn
kéo đơn phƣơng, có thêm các sợi aramit quấn bọc bề mặt thì cƣờng độ kéo giảm tới
7% khi đƣờng kính tăng từ 3 đến 8 mm. Do đó để có giá trị cƣờng độ cho từng loại
thanh FRP cần phải căn cứ cụ thể vào tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất.
Việc xác định cƣờng độ của thanh FRP bằng thử nghiệm là khá phức tạp do sự
tập trung ứng suất tại các điểm neo có thể đƣa đến phá hủy sớm. Bàn kẹp mẫu thử
đúng đắn sẽ khiến mẫu thử đứt ở giữa. Một phƣơng pháp thử nghiệm sẽ đƣợc trình
bày trong Phụ lục A, trích từ ACI 440.3R
Các tính chất chịu kéo của một thanh FRP riêng lẻ có thể lấy từ nhà sản xuất.
Thông thƣờng, ngƣời ta dựa trên một sự phân phối chuẩn (Gauss) cho cƣờng độ
của tập hợp mẫu thử. Nhà sản xuất phải đƣa ra một cƣờng độ kéo đƣợc bảo đảm
fu*, xác định bằng cƣờng độ kéo trung bình của nhóm mẫu, trừ đi 3 lần độ lệch
chuẩn (fu* = fu,ave 3) và cũng đƣa ra biến dạng tỉ đối đứt đƣợc bảo đảm u*
(u* = u,ave 3) và mô đun đàn hồi đặc trƣng Ef (Ef = Ef,ave. ). Các giá trị đƣợc
bảo đảm này cho một xác suất 99,87% trƣờng hợp các giá trị nói trên sẽ đảm bảo
vƣợt quá cho các thanh FRP tƣơng tự, với điều kiện là phải thử ít nhất 25 mẫu. Nếu
thử số mẫu ít hơn 25 hoặc dùng luật phân phối khác phân phối chuẩn thì phải minh
chứng đƣợc độ tin cậy của phƣơng pháp và độ tin cậy của kết quả thử. Trong mọi
trƣờng hợp, nhà sản xuất phải mô tả phƣơng pháp đã dùng để có đƣợc các tính chất
kéo đã đƣa ra
Không thể uốn một thanh FRP sau khi đã đƣợc chế tạo (trừ phi là một thanh
FRP bằng nhựa dẻo nóng có thể tạo hình lại bằng cách gia nhiệt và áp lực). Tuy
nhiên có thể chế tạo thanh FRP uốn cong. Trong thanh FRP có uốn cong, cƣờng độ
kéo ở phần uốn có thể giảm đi 40% đến 50% do các sợi bị uốn và do tập trung ứng
suất.
Tiêu chuẩn ACI 440.6-08 có quy định bổ sung về cường độ kéo và mô
đun đàn hồi của các thanh FRP cacbon và thủy tinh như sau :
1- Cường độ kéo được bảo đảm phải được xác định nhằm mục đích
chứng nhận toàn diện sản phẩm. Việc này phải được làm theo ASTM
D7205/D7205M trên ít nhất 25 mẫu gồm 5 nhóm mỗi nhóm 5 mẫu
của các lô sản xuất khác nhau. Bảng 2.4 cho giá trị nhỏ nhất của
cường độ kéo được bảo đảm. Khi cần xác định cường độ kéo để kiểm
tra chất lượng và để khẳng định chất lượng sản phẩm cho khách mua
thì làm theo ASTM D7205/D7205M với ít nhất 5 mẫu cho mỗi lô sản
- 14 -
phẩm. Cường độ của mỗi mẫu phải được báo cáo và không được nhỏ
hơn cường độ bảo đảm đã được thông báo bởi nhà sản xuất.
2- Mô đun đàn hồi phải được xác định nhằm mục đích chứng nhận
sản phẩm (tức là giá trị danh nghĩa). Giá trị danh nghĩa của mô đun
đàn hồi kéo của thanh GFRP phải ít nhất là 39,3 GPa không phụ
thuộc cỡ thanh hay hình dạng. Mô đun đàn hồi kéo của thanh CFRP
phải ít nhất là 124,2 GPa không phụ thuộc cỡ thanh hay hình dạng.
Mô đun đàn hồi được xác định theo ASTM D7205/D7205M với số lần
và số lượng thanh giống như đối với cường độ kéo được bảo đảm.
3- Biến dạng tỉ đối cực hạn. Biến dạng tỉ đối cực hạn phải được tính
toán nhằm mục đích chứng nhận sản phẩm (tức là giá trị danh
nghĩa). Biến dạng tỉ đối cực hạn danh nghĩa tính bằng cường độ kéo
được bảo đảm chia cho mô đun đàn hồi danh nghĩa. Giá trị tính được
đối với thanh FRP cacbon và FRP thủy tinh phải lần lượt ít nhất là
0,5 và 1%.
Bảng 2.4 Giá trị tối thiểu của cƣờng độ kéo đƣợc bảo đảm đối
với các thanh FRP thủy tinh và cacbon
Cỡ thanh Cƣờng độ kéo đƣợc bảo đảm tối thiểu
GFRP (MPa) CFRP (MPa)
2 759 1449
3 759 1311
4 690 1173
5 655 1104
6 621 1104
7 586 Không có
8 552 Không có
9 517 Không có
10 483 Không có
2.2.2 Sự làm việc chịu nén
Mặc dù đƣợc khuyến nghị là không để thanh FRP chịu nén, dƣới đây vẫn sẽ giới
thiệu đầy đủ đặc trƣng làm việc của thanh FRP.
Các thử nghiệm trên thanh FRP có tỉ lệ chiều dài trên đƣờng kính là từ 1:1 đến
2:1 cho thấy cƣờng độ nén thấp hơn cƣờng độ kéo. Cách phá hủy của thanh FRP
chịu nén dọc có thể kèm theo sự phá hủy do kéo ngang, do sự oằn của các sợi và
phá hủy do cắt. Cách phá hủy tùy thuộc loại sợi, tỉ phần thể tích và loại nhựa. Các
thanh GFRP , CFRP và AFRP có cƣờng độ nén giảm so với cƣờng độ kéo lần lƣợt
là 55%, 78% và 20%. Nói chung, cƣờng độ nén càng lớn khi thanh có cƣờng độ
kéo càng lớn, ngoại trừ trƣờng hợp thanh AFRP thì các sợi ứng xử phi tuyến khi
nén tại mức ứng suất tƣơng đối thấp.
- 15 -
Mô đun đàn hồi nén của thanh FRP nhỏ hơn mô đun đàn hồi kéo. Kết quả thử
nghiệm trên mẫu chứa 55% đến 60% tỉ phần thể tích của sợi thủy tinh E trong nền
nhựa vinyleste hay polyeste cho thấy mô đun đàn hồi nén là từ 35 GPa đến 48 GPa.
Cũng theo các báo cáo, mô đun đàn hồi nén so với mô đun đàn hồi kéo của cùng
loại sản phẩm là vào khoảng 80% đối với GFRP , 85% đối với CFRP và 100% đối
với AFRP. Gíá trị mô đun đàn hồi nén thấp hơn đôi chút có thể là do sự phá hủy
sớm trong quá trình thử gây bởi sự cọ sát ở hai đầu và sự oằn ở các sợi bên trong
khi chịu lực nén.
Hiện tại chƣa định ra phƣơng pháp thử tiêu chuẩn để xét đặc trƣng ứng xử nén
của thanh FRP. Nếu cần biết các tính chất chịu nén của một thanh FRP riêng biệt
nào đó thì phải lấy từ nhà sản xuất. Nhà sản xuất cần mô tả phƣơng pháp thử đã
dùng để nhận đƣợc các tính chất nén đã đƣa ra.
2.2.3 Sự làm việc chịu cắt
Phần lớn chất nhựa của thanh FRP có khả năng chịu cắt tƣơng đối yếu. Nằm
giữa các lớp sợi là lớp nhựa không có cốt. Do đó cƣờng độ cắt phụ thuộc chủ yếu
vào chất nền gắn polyme tƣơng đối yếu. Nếu hƣớng các sợi theo phƣơng lệch khỏi
trục để đi ngang qua các lớp sợi thì sẽ tăng sức kháng cắt, tùy theo độ lệch trục. Đối
với thanh FRP, việc này có thể thực hiện bằng cách bện hay quấn các sợi theo
phƣơng ngang với sợi chính. Các sợi lệch trục cũng có thể đƣợc thêm vào trong quá
trình đùn kéo bằng cách đƣa một tấm sợi đan nhỏ vào giá ống sợi thô. Hiện tại chƣa
định ra phƣơng pháp thử tiêu chuẩn để xét đặc trƣng ứng xử cắt của thanh FRP.
Nếu cần biết các tính chất chịu cắt của một thanh FRP riêng biệt nào đó thì phải lấy
từ nhà sản xuất. Nhà sản xuất cần mô tả phƣơng pháp thử đã dùng để nhận đƣợc
các tính chất cắt đã đƣa ra.
Tiêu chuẩn ACI 440.6-08 có quy định bổ sung về cường độ cắt
(vuông góc với thanh) của các thanh FRP cacbon và thủy tinh như
sau :
Cường độ cắt phải được xác định nhằm mục đích chứng nhận toàn
diện sản phẩm (tức là giá trị được bảo đảm). Cường độ cắt được bảo
đảm của thanh FRP không được nhỏ hơn 124 MPa bất kể đường
kính và hình dạng thanh. Có thể dùng phương pháp của ACI 440.3R
với số lần và số lượng giống như đối với cường độ kéo được bảo đảm
(Mục 2.2.1).
2.2.4 Sự làm việc về dính kết
Chỉ tiêu dính kết của một thanh FRP phụ thuộc hình dạng của nó, quá trình chế
tạo, tính chất cơ học của bản thân thanh và các điều kiện môi trƣờng. Khi neo một
thanh cốt vào trong bê tông, lực dính có thể đƣợc truyền bởi :
- Lực dính của mặt phân cách, cũng đƣợc gọi là sự dính kết hóa học,
- Lực ma sát chống trƣợt ở mặt phân cách,
- Lực cản cơ học do mặt phân cách gồ ghề.
- 16 -
Trong thanh FRP lực dính đƣợc giả định là truyền qua nhựa đến sợi cốt và lực
dính sẽ có thể bị mất khi lớp nhựa bị phá hủy do cắt. Khi lực kéo tăng dần trong
một thanh cốt có gân chôn vào bê tông, sự dính giữa thanh và bê tông chung quanh
bị giảm đi, đồng thời các gân trên bề mặt thanh gây nên lực tiếp xúc nghiêng giữa
thanh và bê tông bao quanh. Ứng suất tại bề mặt thanh tạo bởi thành phần lực theo
phƣơng của thanh có thể đƣợc coi là ứng suất dính giữa thanh và bê tông.
Đã có rất nhiều nghiên cứu về tính chất dính của thanh FRP nhƣ thử nghiệm kéo
tuột, thử nghiệm mối nối và dầm công xôn, nhằm xác định chiều dài chôn bằng
công thức thực nghiệm, v.v.
Tiêu chuẩn ACI 440.6-08 có quy định bổ sung về cường độ dính của
các thanh FRP cacbon và thủy tinh như sau :
Cường độ dính phải được xác định nhằm mục đích chứng nhận sản
phẩm (tức là giá trị được bảo đảm). Cường độ dính được bảo đảm
của thanh FRP không được nhỏ hơn 9 MPa và được xác định bằng
phương pháp do nhà sản xuất đề xuất và được người mua chấp nhận
(có thể làm theo ACI 440.3R nhưng chỉ để đánh giá tính chất dính kết
tương đối cho các tiêu chí của vật liệu chứ không thể dùng trong thiết
kế)
2.3 Ứng xử phụ thuộc thời gian
2.3.1 Sự phá hủy do từ biến
Thanh FRP khi chịu tải trọng không đổi quá lâu có thể bị phá hỏng đột ngột sau
một khoảng thời gian, đƣợc gọi là thời gian giới hạn chịu đựng. Hiện tƣợng này
đƣợc gọi là phá hủy do từ biến (hay mỏi tĩnh). Phá hủy do từ biến không đặt thành
vấn đề đối với thép thanh trong bê tông cốt thép trừ phi ở nhiệt độ rất cao nhƣ khi
hỏa hoạn. Khi tỉ số giữa ứng suất kéo dài hạn so với cƣờng độ ngắn hạn của thanh
FRP tăng lên thì thời gian giới hạn chịu đựng giảm đi.Thời gian giới hạn chịu đựng
do phá hủy từ biến cũng sẽ giảm trong điều kiện môi trƣờng bất lợi nhƣ nhiệt độ
cao, phơi lộ trong bức xạ cực tím, độ kiềm cao, nhiều chu kì khô và ƣớt. Do thiếu
nhiều dữ liệu về vấn đề này và chƣa có các phƣơng pháp tiêu chuẩn để thử nghiệm
nên việc thiết kế hiện nay đều phải áp dụng các tiêu chí thiết kế thiên về an toàn.
Nói chung, sợi cacbon ít bị ảnh hƣởng với phá hủy từ biến, sợi aramit thì nhạy
cảm vừa phải còn sợi thủy tinh là nhạy cảm nhất. Một số thí nghiệm cho thấy có
mối quan hệ tuyến tính giữa cƣờng độ phá hủy từ biến với lôgarit của thời gian, khi
thời gian lâu tới 100 giờ. Tỉ số của mức ứng suất lúc phá hủy từ biến so với cƣờng
độ ban đầu của các thanh GFRP , AFRP và CFRP sau 500 000 giờ (trên 50 năm)
đƣợc ngoại suy tuyến tính lần lƣợt là 0,29; 0,47 và 0,93. ( Có thể tham khảo thêm ở
Bảng 5.3 )…
… Các đặc trƣng từ biến của thanh FRP có thể xác định bằng phƣơng pháp nêu
trong ACI 440.3R. Các khuyến nghị về giới hạn ứng suất dài hạn để tránh phá hủy
từ biến đƣợc cho trong các chƣơng về thiết kế của Bản Chỉ dẫn này.
- 17 -
2.3.2 Mỏi
Đã có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm về hiện tƣợng mỏi của vật liệu FRP
đƣợc thực hiện trong 30 năm qua, với các loại mẫu khác nhau, điều kiện gia tải và
môi trƣờng khác nhau. Dƣới đây là một số kết quả chung.
Trong tất cả các loại FRP composit đƣợc áp dụng cho kết cấu hạ tầng, CFRP
đƣợc cho là ít bị ảnh hƣởng nhất do phá hủy mỏi. Trên đồ thị ứng suất và lôga của
số chu kì lúc phá huỷ (đƣờng cong S-N), độ dốc đi xuống trung bình của dữ liệu
FRP cacbon thƣờng là vào khoảng 5% đến 8% của cƣờng độ ban đầu sau mỗi mƣời
năm của lôga thời gian vòng đời. Sau 1 triệu chu kì, cƣờng độ mỏi thƣờng vào
khoảng 50% và 70% của cƣờng độ tĩnh ban đầu và ít bị ảnh hƣởng của độ ẩm và
nhiệt độ của kết cấu bê tông, trừ phi nhựa hoặc mặt phân cách nhựa-sợi bị xuống
cấp rõ rệt bởi môi trƣờng.
Các sợi thủy tinh riêng lẻ nhƣ thủy tinh E, thủy tinh S nói chung ít bị phá hủy
mỏi, tuy nhiên sợi thủy tinh riêng lẻ có thể bị phá hủy từ từ do sự ăn mòn diễn ra
cùng lúc chịu ứng suất, khi các rạn nứt bề mặt lớn lên bởi lƣợng độ ẩm dù rất nhỏ
của môi trƣờng thí nghiệm. Khi nhiều sợi thủy tinh đƣợc nhúng trong nền nhựa để
tạo nên FRP composit, ảnh hƣởng của hiện tƣợng mỏi khi chịu kéo với tải trọng lặp
sẽ làm giảm 10% khả năng chịu lực tĩnh ban đầu cứ sau mỗi thập niên của lôga
tuổi thọ. Ảnh hƣởng mỏi này đƣợc cho là do tƣơng tác sợi với sợi và không phụ
thuộc vào cơ chế ăn mòn cùng lúc chịu ứng suất nhƣ đối với sợi riêng lẻ. Các yếu
tố môi trƣờng có vai trò quan trọng đối với ứng xử mỏi của sợi thủy tinh vì chúng
khá nhạy cảm với độ ẩm, độ kiềm và dung dịch axit.
Sợi aramit có tính năng chịu mỏi tƣơng tự nhƣ sợi cacbon và thủy tinh. Khả
năng chịu mỏi khi kéo của thanh dùng sợi aramit là rất tốt. Sự giảm cƣờng độ sau
mỗi thập niên của lôga tuổi thọ chỉ xấp xỉ 5% đến 6%.... Dựa trên các kết quả
nghiên cứu, đã có đề nghị đối với AFRP aramit, ứng suất tối đa đƣợc lấy là 54%
đến 73% cƣờng độ kéo ban đầu… Sự phá hủy đối với các thanh AFRP hiện có
trên thị trƣờng diễn ra nhanh hơn khi gặp độ ẩm và nhiệt độ cao.
Một số nghiên cứu về thanh CFRP cho thấy các kết quả sau :
Cƣờng độ mỏi của thanh CFRP chôn trong bê tông sẽ giảm đi khi nhiệt độ môi
trƣờng tăng từ 20 o
C đến 40 oC. Thí nghiệm cho thấy giới hạn chịu đựng tỉ lệ
nghịch với tần số gia tải. Khi tần số gia tải càng cao, từ 0,5Hz đến 8 Hz thì nhiệt độ
của thanh cũng cao lên do ma sát trƣợt. Nhƣ vậy, giới hạn chịu đựng ở 1 Hz có thể
10 lần lớn hơn giới hạn ở 5 Hz. Trong thí nghiệm trên, với tỉ số ứng suất (tức là ứng
suất nhỏ nhất chia cho ứng suất lớn nhất) là 0,1 và ứng suất lớn nhất là bằng 50%
cƣờng độ ban đầu thì mẫu bị phá hủy sau hơn 400 000 chu kì với tần số gia tải 0,5
Hz.
Giới hạn chịu đựng của thanh CFRP cũng phụ thuộc vào ứng suất trung bình và
tỉ số ứng suất lặp nhỏ nhất – lớn nhất. Ứng suất trung bình càng lớn hoặc tỉ số ứng
suất lặp càng nhỏ sẽ càng làm giảm giới hạn chịu đựng.
Mặc dù GFRP yếu hơn thép về chịu cắt, nhƣng thí nghiệm cho thấy thanh
GFRP có gờ không dính kết có ứng xử mỏi tƣơng tự nhƣ thanh cốt thép có gờ khi
chịu cắt ngang với tải trọng lặp lên tới 10 triệu chu kì. Các kết quả thí nghiệm và
- 18 -
tính toán độ cứng cũng cho thấy có thể chuyển đổi tƣơng đƣơng giữa các thanh cốt
thép và FRP khi chịu cắt bằng cách thay đổi một vài thông số nhƣ đƣờng kính,
khoảng cách,…
Việc tạo thêm gờ, vỏ bọc và các loại gân trên bề mặt thanh sẽ làm tăng sự dính
kết của thanh FRP nhƣng sẽ tạo ra ứng suất tập trung cục bộ làm ảnh hƣởng đáng
kể đến tính năng chịu mỏi của thanh. Sự tập trung ứng suất cục bộ sẽ làm giảm tính
năng mỏi do tạo ra trạng thái ứng suất phức tạp làm tăng cơ chế phá hoại nền nhựa,
trong vật liệu composit sợi đơn phƣơng thì cơ chế này thông thƣờng bị hạn chế. Cơ
chế làm hƣ hại thêm vật liệu sợi cũng có thể xảy ra gần chỗ các gân bề mặt của
thanh, tùy thuộc vào cấu tạo thanh.
Ảnh hƣởng của hiện tƣợng mỏi đến sự dính kết của thanh GFRP trong bê tông
cũng đã đƣợc nghiên cứu khá chi tiết. Kết quả cho thấy cƣờng độ dính có thể biến
động hoặc giữ nguyên khi chịu tải trọng lặp tùy theo các loại vật liệu chế tạo
GFRP, điều kiện môi trƣờng và phƣơng pháp thử. Tuy nhiên do chƣa có nghiên
cứu đầy đủ về ứng xử dính-mỏi nên việc áp dụng các tiêu chí thiết kế nên thiên về
an toàn, dựa trên các các chỉ tiêu đặc trƣng của vật liệu và điều kiện thí nghiệm.
Các tiêu chí thiết kế về mỏi cho ở mục 5.4.2.
Còn về đặc trƣng mỏi của các thanh FRP, ngƣời thiết kế có thể dựa vào
phƣơng pháp thử tiêu chuẩn đã trình bày trong ACI 440.3R. Và ngƣời thiết kế
cũng nên thƣờng xuyên tham vấn nhà sản xuất về các tính năng ứng xử mỏi.
2.4 Tác động của nhiệt độ cao và lửa
Không nên dùng cốt FRP trong các kết cấu mà sự an toàn đƣợc đảm bảo chủ yếu
do khả năng chống cháy. Cốt FRP chôn bê tông tuy không cháy đƣợc vì thiếu ôxy
nhƣng polyme sẽ bị mềm hóa do quá nóng. Nhiệt độ mà polyme bị mềm hóa đƣợc
gọi là nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh Tg. Khi nhiệt độ vƣợt quá Tg , mô đun đàn hồi
của polyme bị giảm đáng kể do có thay đổi trong cấu trúc phân tử của nó. Giá trị Tg
phụ thuộc vào loại nhựa nhƣng thƣờng trong khoảng 65 oC đến 120
oC.
Tiêu chuẩn ACI 440.6-08 có quy định nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh
không được nhỏ hơn 100oC. Nhiệt độ chuyển hóa này được đo tại một
mẫu cắt ra từ một thanh mới chế tạo và dùng phương pháp ASTM
E1356 hoặc ASTM E1640. Lưu ý là nhiệt độ này không phải là nhiệt
độ cao nhất được phép khi sử dụng, mà chỉ là chỉ tiêu yêu cầu đảm
bảo đối với nhà sản xuất.
Trong vật liệu composit, các sợi do có tính chất chịu nhiệt cao hơn nhựa nên
vẫn có thể tiếp tục chịu một phần lực theo phƣơng dọc nhƣng tính năng chịu kéo
tổng thể của composit thì giảm đi vì sự truyền lực giữa các sợi thông qua lực dính
với nhựa bị suy giảm. Kết quả thí nghiệm cho thấy ở nhiệt độ 250 oC, cao hơn
nhiều so với Tg , cƣờng độ kéo của GFRP và CFRP sẽ giảm trên 20%. Các tính
chất khác chịu ảnh hƣởng trực tiếp từ sự truyền lực cắt qua nhựa, nhƣ khả năng
chịu cắt và chịu uốn thì còn giảm nhiều hơn ở nhiệt độ trên Tg. Trong thiết kế, một
- 19 -
số nhà nghiên cứu đã khuyến nghị rằng vật liệu phải có Tg cao hơn ít nhất là 30 oC
so với nhiệt độ tối đa có thể.gặp.
Đối với bê tông đặt cốt FRP, tính chất của polyme ở bề mặt thanh có vai trò
quan trọng để duy trì sự dính kết giữa FRP và bê tông. Tuy nhiên, tại nhiệt độ gần
với Tg, các tính chất cơ học của polyme bị giảm đáng kể và polyme không còn có
thể truyền ứng suất từ bê tông đến các sợi. Một nghiên cứu tiến hành với các thanh
có Tg từ 60 oC đến 124
oC cho thấy cƣờng độ kéo tuột (lực dính) giảm từ 20% đến
40% tại nhiệt độ là 100 oC và giảm từ 80% đến 90% tại nhiệt độ 200
oC... Một thí
nghiệm khác với dầm đặt cốt FRP cho thấy khi nhiệt độ thanh cốt đạt tới 250 oC
đến 350 oC thì cốt chịu kéo bị hỏng. Sự phá hủy kết cấu có thể xảy ra một khi neo
bị tuột do polyme bị mềm hóa và cũng có thể xảy ra khi nhiệt độ vƣợt quá nhiệt độ
ngƣỡng của sợi : 880 oC đối với sợi thủy tinh, 180
oC đối với sợi aramit và 1600
oC
đối với sợi cacbon. Đối với sợi cacbon, nhiệt độ cao còn làm tăng tốc độ ôxy hóa
khi có ôxy trong không khí. Trong khi chƣa có một ngƣỡng rõ rệt nào có thể coi là
nhiệt độ an toàn cho suốt thời gian sử dụng, nên có thể lấy nhiệt độ sử dụng cao
nhất là 500 oC khi có tiếp xúc với không khí. Để an toàn, nhiệt độ này cũng nên
đƣợc coi là nhiệt độ giới hạn đối với sợi cacbon ngay cả khi chúng đƣợc cách li một
phần khỏi ôxy bằng bê tông không nứt và polyme hóa than.
Xét về cục bộ, ứng xử nhƣ vậy có thể làm tăng bề rộng khe nứt và độ võng. Sự
phá hủy kết cấu có thể tránh đƣợc nếu vùng cuối của thanh FRP không bị nhiệt độ
cao để đảm bảo duy trì neo. Kết cấu hoàn toàn có thể bị hỏng nếu các neo bị tuột vì
polyme mềm hóa hoặc nếu nhiệt độ tăng cao hơn nhiệt độ ngƣỡng của bản thân các
sợi. Trƣờng hợp sau xảy ra ở nhiệt độ gần 980 oC đối với sợi thủy tinh và 175
oC
đối với sợi aramit. Sợi cacbon có thể chịu đƣợc nhiệt độ vƣợt quá 1600 oC. Tiêu
chuẩn ACI 216R (Chỉ dẫn xác định độ chịu lửa của cấu kiện bê tông) có thể dùng
để ƣớc tính nhiệt độ tại các độ cao khác nhau của một tiết diện bê tông.
2.5 Độ lâu bền
Thanh FRP dễ bị thay đổi cƣờng độ và độ cứng trong môi trƣờng trƣớc, trong
và sau khi thi công. Môi trƣờng có thể bao gồm nƣớc, tia cực tím, nhiệt độ cao,
dung dịch kiềm hay axit và dung dịch muối. Cƣờng độ và độ cứng có thể tăng,
giảm hoặc giữ nguyên tùy theo từng vật liệu riêng biệt và điều kiện phơi lộ. Các
tính chất chịu kéo và dính là các tham số cần quan tâm nhất đối với công trình bê
tông đặt cốt chịu lực.
Điều kiện môi trƣờng đáng quan tâm là nƣớc có độ kiềm cao trong lỗ rỗng của
bê tông ngoài trời. Đã có những phƣơng pháp dùng nhiệt để đẩy nhanh sự giảm
cƣờng độ của của sợi thủy tinh trần, không có ứng suất, nằm trong bê tông và qua
đó dự đoán đƣợc tính năng dài hạn của vật liệu GFRP trong dung dịch kiềm. Tuy
nhiên các phƣơng pháp đẩy nhanh này đối với thủy tinh trần ( trong đó chỉ có một
phản ứng hóa học gây ra sự xuống cấp ) không áp dụng đƣợc cho composit GFRP
( vì trong đó có nhiều phản ứng hóa học và nhiều cơ chế xuống cấp có thể xảy ra
ngay lập tức hoặc sau đó )… Phần lớn các dữ liệu là đƣợc lập với thanh trần chịu
môi trƣờng xâm thực và không có tải trọng. Trong khi đó quan hệ giữa các dữ liệu
thanh trần và thanh chôn trong bê tông còn phụ thuộc vào các tham biến phụ thêm
- 20 -
khác, ví dụ nhƣ mức độ bảo vệ của bê tông đối với cốt… Do vậy, chƣơng này chỉ
nêu ra một số kết quả tổng quan không định lƣợng đối với một số vật liệu. Các kết
quả thí nghiệm tƣơng ứng với một số vật liệu thanh FRP và điều kiện thí nghiệm
nêu trong chƣơng này, do đó, nên đƣợc sử dụng một cách thiên về an toàn, trừ phi
có các số liệu tin cậy hơn về độ lâu bền.
Dung dịch nƣớc với độ pH cao từ 11,5 đến 13,0 sẽ làm giảm cƣờng độ kéo và
độ cứng của thanh GFRP với các mức độ khác nhau vì ngoài độ pH phải kể đến
thành phần hóa học của dung dịch, nhiệt độ và có tải hay không. Nhiệt độ cao và
thời gian dài cũng làm vấn đề càng trầm trọng hơn. Phần lớn dữ liệu thu đƣợc nằm
trong phạm vi nhiệt độ từ nhiệt độ thấp mà nhựa bắt đầu đông đến nhiệt độ cao chỉ
kém vài độ so với Tg của nhựa. Mức độ mà chất nhựa bảo vệ các sợi thủy tinh
chống lại sự xâm nhập các ion hydroxyl ( OH- ) có hại thể hiện chủ yếu qua sức
kháng kiềm của thanh GFRP. So với các nhựa khác, nhựa vinyl este đƣợc cho là
chống lại tốt hơn sự thâm nhập của ẩm. Loại sợi thủy tinh cũng là một yếu tố quan
trọng đối với sự chịu kiềm của thanh GFRP. Sự giảm cƣờng độ kéo của thanh
GFRP nằm trong phạm vi 0% đến 75% giá trị ban đầu. Còn độ cứng khi kéo của
thanh GFRP có ứng suất hoặc không ứng suất giảm trong phạm vi giữa 0% và 20%
tùy trƣờng hợp. Cƣờng độ kéo và độ cứng của thanh AFRP trong dung dịch kiềm ở
nhiệt độ cao, có hay không có ứng suất, lần lƣợt giảm từ 10% đến 50% và từ 0%
đến 20% giá trị ban đầu. Trƣờng hợp thanh CFRP không có ứng suất, cƣờng độ và
độ cứng giảm từ 0% đến 20%.
Việc phơi lộ thanh FRP trƣớc tia cực tím và độ ẩm trƣớc khi đặt trong bê tông
có thể ảnh hƣởng bất lợi đến cƣờng độ kéo do các thành phần polyme, bao gồm sợi
aramit và chất nhựa, bị hƣ hại. Cách thức thi công tốt và các phụ gia nhựa có thể
cải thiện đáng kể vấn đề này. Do đó, trƣớc khi đƣợc đặt vào bê tông, thanh FRP rất
nên đƣợc bảo vệ để tránh tiếp xúc trực tiếp ánh nắng và ẩm. Kết quả thứ nghiệm
khi đồng thời chịu tia cực tím và ẩm của các thanh có và không có ứng suất cho
thấy cƣờng độ kéo giảm từ 0% đến 20% giá trị ban đầu của thanh CFRP, từ 0 đến
30% của thanh AFRP và từ 0% đến 40% của thanh GFRP .
Thí nghiệm cũng cho thấy việc thêm các loại muối khác nhau vào dung dịch
ngâm các thanh FRP gần nhƣ không làm thay đổi cƣờng độ và độ cứng so với các
thanh ngâm trong dung dịch không có muối…
Tuổi thọ của lực dính giữa FRP và bê tông có liên quan chủ yếu đến môi trƣờng
ẩm và kiềm trong bê tông. Lực dính của cốt FRP thể hiện qua sự truyền lực cắt và
lực ngang tại mặt phân cách giữa cốt và bê tông, và giữa các sợi riêng rẽ trong
thanh. Cơ chế tạo thành lực dính trong các thanh mà trong đó nhựa là chủ yếu khác
hẳn với cơ chế trong các thanh có sợi là chủ yếu, và loại cơ chế sau ảnh hƣởng
quyết định đến các tính chất nhƣ cƣờng độ và độ cứng dọc của thanh FRP. Nhƣ
vậy, các môi trƣờng ảnh hƣởng đến nhựa polyme hay mặt phân cách sợi/nhựa cũng
có thể xem nhƣ ảnh hƣởng đến lực dính của thanh FRP.
Có nhiều phƣơng pháp thí nghiệm về lực dính của thanh FRP (nhƣ là thí nghiệm
kéo tuột, kéo, thí nghiệm riêng phần đầu dầm) nhƣng phổ biến nhất vẫn là thí
nghiệm kéo tuột trực tiếp vì đơn giản và ít tốn kém mặc dù nó không thể hiện đúng
trạng thái ứng suất của bê tông trong phần lớn các trƣờng hợp thực tế. Các mẫu kéo
- 21 -
tuột các thanh CFRP và GFRP đƣợc thực hiện trong môi trƣờng tự nhiên cho thấy
cƣờng độ dính không bị giảm đáng kể sau khoảng thời gian 1 đến 2 năm. Ngoài ra
thí nghiệm cũng cho thấy có cả sự tăng và giảm cƣờng độ kéo tuột sau thời gian
ngắn của thanh GFRP khi chịu môi trƣờng ƣớt và nhiệt độ cao trong bê tông, có
hoặc không có sự làm tăng độ kiềm. Vết nứt dọc trong lớp bê tông bảo vệ có thể
làm tổn hại nghiêm trọng khả năng dính của thanh FRP và do đó phải có biện pháp
đầy đủ để ngăn ngừa sự nứt nhƣ vậy. Việc các hóa chất thấm qua bê tông đến thanh
FRP là một nhân tố quan trọng làm ảnh hƣởng cƣờng độ dính. Các khuyến nghị
liên quan đến các tham số dính nhƣ là chiều dài neo và chiều dài nối chồng đƣợc
nêu trong Chƣơng 7.
Về đặc trƣng lâu bền của thanh FRP, có thể tham khảo các phƣơng pháp thí
nghiệm nêu trong ACI 440.3R. Ngƣời thiết kế cần thƣờng xuyên tham vấn nhà sản
xuất để biết về các hệ số về độ lâu bền.
Tiêu chuẩn ACI 440.6-08 có quy định bổ sung về các tính chất bền
lâu của các thanh FRP cacbon và thủy tinh như sau :
1. Độ hút ẩm: Phải thử nghiệm độ hút ẩm nhằm mục đích chứng
nhận sản phẩm (tức là giá trị danh nghĩa) theo ASTM D570 Mục 7.4
hoặc D5229/D5229M, phương pháp B, dùng nước ở nhiệt độ 50 oC
với số lần và số mẫu như đối với thí nghiệm tìm giá trị danh nghĩa
của tính năng cơ học (trên ít nhất 25 mẫu gồm 5 nhóm, mỗi nhóm 5
mẫu của các lô sản xuất khác nhau). Các kết quả thí nghiệm độ hút
ẩm riêng lẻ phải được thông báo và giá trị trung bình của chúng phải
nhỏ dưới 1,0%.
2. Sức chịu môi trường kiềm: Sức chịu môi trường kiềm phải được
xác định nhằm mục đích chứng nhận sản phẩm (tức là giá trị danh
nghĩa) theo phương pháp do nhà sản xuất đề xuất và được người mua
chấp nhận (có thể làm theo ACI 440.3R) với số lần và số mẫu như đối
với thí nghiệm tìm giá trị danh nghĩa.
3. Sự thẩm thấu theo phương dọc: Sự thẩm thấu theo phương dọc
phải được xác định nhằm mục đích bảo đảm chất lượng với khách
hàng. Năm đoạn dài 1 inch (2,5 cm) được cắt ra từ thanh FRP để thử
nghiệm theo ASTM D5117 với mỗi lô sản phẩm. Không được có lỗ
rỗng liên tục trong nhựa (lỗ rỗng liên tục là lỗ rỗng có trong cả 5
mẫu thử, có thể xảy ra do co ngót của nhựa hoặc do sợi và nhựa
không kết chặt với nhau khi chế tạo).
.
- 22 -
CHƢƠNG 3 YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬT LIỆU VÀ THỬ NGHIỆM
Các thanh FRP làm từ sợi liên tục (aramit, cacbon, thuỷ tinh) cần phù hợp với
các tiêu chuẩn chất lƣợng nêu ở Mục 3.1. Thanh FRP không đẳng hƣớng, trong đó
trục dọc là trục chính. Các tính chất cơ học của chúng biến đổi rất nhiều tuỳ theo
từng nhà chế tạo. Các yếu tố nhƣ tỉ phần thể tích sợi, loại sợi, nhựa, phƣơng sợi,
kích thƣớc, việc kiểm tra chất lƣợng và quá trình chế tạo đều có tác động lớn đến
các đặc trƣng vật lí và cơ học của thanh FRP.
Thanh FRP cần đƣợc thiết kế với các cấp khác nhau dựa theo các đặc trƣng kỹ
thuật của chúng (nhƣ cƣờng độ kéo và mô đun đàn hồi). Tên gọi của thanh cần
tƣơng ứng với tính chất chịu kéo, và đƣợc kí hiệu một cách nhất quán đúng với
thanh FRP sử dụng.
3.1 Cấp cƣờng độ và cấp mô đun của thanh FRP
Thanh FRP làm cốt cho bê tông có nhiều cấp khác nhau theo cƣờng độ kéo và
mô đun đàn hồi. Cấp cƣờng độ kéo đƣợc phân loại dựa trên cƣờng độ kéo của
thanh, cấp thấp nhất là 414MPa. Gia số cƣờng độ giữa các cấp đƣợc lấy là 69 MPa
( 10 ksi ); ví dụ một số cấp có tên nhƣ sau :
- Cấp F60, tƣơng ứng với 414 MPa ffu* < 483 MPa; ( tƣơng đƣơng 60 ksi
ffu* < 70 ksi )
- Cấp F70, tƣơng ứng với 483 MPa ffu* < 552 MPa; ( tƣơng đƣơng 70 ksi
ffu* < 80 ksi )
- Cấp F290, tƣơng ứng với 1999 MPa ffu* < 2069 MPa; ( tƣơng đƣơng 290 ksi
ffu* < 300 ksi )
Khi thiết kế, ngƣời kĩ sƣ cần chọn một cấp nào đó giữa F60 và F290, mà không
chọn một loại thanh FRP riêng biệt nào đó trên thị trƣờng.
Mô đun đàn hồi của các thanh FRP khác nhau đƣợc tóm tắt trong Bảng 3.1. Với
mọi loại thanh FRP này, biến dạng tỉ đối khi đứt không đƣợc dƣới 0,005.
Cấp mô đun đàn hồi cũng đƣợc xác lập tƣơng tự nhƣ cấp cƣờng độ. Với cấp mô
đun đàn hồi, giá trị nhỏ nhất đƣợc quy định tuỳ thuộc loại sợi. Khi thiết kế, ngƣời
kĩ sƣ cần chọn theo cấp mô đun đàn hồi nhỏ nhất tƣơng ứng với loại sợi đã chọn
cho cấu kiện hoặc cho công trình đó. Ví dụ một thanh FRP với mô đun cấp E5.7 có
nghĩa là mô đun của thanh phải ít nhất là 39,3 GPa (5700 ksi). Nhà sản xuất chế tạo
ra thanh FRP với mô đun đàn hồi vƣợt quá giá trị cực tiểu đã định có thể đề xuất
những thanh FRP cao cấp hơn nhằm mục đích tiết kiệm lƣợng cốt FRP dùng cho
một trƣờng hợp riêng nào đó
Bảng 3.1 Mô đun đàn hồi cực tiểu của thanh FRP tƣơng ứng với loại sợi
Cấp mô đun GPa (10
3 ksi)
Thanh GFRP E39,3 (5.7)
Thanh AFRP E68,9 (10.0)
Thanh CFRP E110,3 (16.0)
- 23 -
3.2 Hình dạng bề mặt
Thanh FRP đƣợc chế tạo theo nhiều phƣơng pháp khác nhau. Mỗi phƣơng pháp
sản xuất sẽ tạo ra các loại bề mặt khác nhau. Các đặc trƣng bề mặt của thanh FRP
là quan trọng đối với sự dính kết cơ học với bê tông. Hình 3.1 là một số dạng bề
mặt gân của các thanh FRP có trên thị trƣờng. Hiện tại chƣa có tiêu chuẩn về các
mẫu bề mặt này.
Hình 3.1 Một số dạng gân bề mặt của các thanh FRP có trên thị trường.
a) có sườn ; b) phủ cát ; c) bọc quấn và phủ cát
3.3 Cỡ thanh
Tƣơng tự nhƣ thanh cốt thép tiêu chuẩn của ASTM, cỡ thanh FRP đƣợc chỉ định
bằng một con số ( ví dụ: là số lần một phần tám inch của đƣờng kính thanh, theo
tiêu chuẩn ASTM ). Có 10 cỡ tiêu chuẩn cho ở Bảng 3.2, kèm theo chuyển đổi theo
hệ mét.
Đƣờng kính danh nghĩa của thanh có gân là đƣờng kính của thanh tròn trơn
tƣơng đƣơng có cùng diện tích tiết diện với thanh gân. Khi thanh FRP không phải
là hình tròn đặc truyền thống (ví dụ chữ nhật hoặc rỗng) thì đƣờng kính ngoài của
thanh hoặc là kích thƣớc ngoài lớn nhất của thanh sẽ đƣợc ghi thêm cùng đƣờng
kính danh nghĩa tƣơng đƣơng. Đƣờng kính danh nghĩa của các thanh phi truyền
thống này là đƣờng kính một thanh tròn trơn tƣơng đƣơng có cùng diện tích tiết
diện .
3.4 Nhận dạng thanh
Do có nhiều loại thanh FRP khác nhau về cấp, về cỡ, về loại sợi, cần phải có
cách nhận dạng chúng dễ dàng. Mỗi nhà sản xuất phải đánh mã hiệu thanh hoặc
thùng/gói hàng hoặc cả hai, với đầy đủ các thông tin sau :
- thƣơng hiệu nhà sản xuất ;
- chữ cái để chỉ loại sợi (nhƣ là G cho sợi thuỷ tinh, A cho sợi aramit, C cho
sợi cacbon, H cho loại đa thể), theo sau là con số ứng với cỡ danh nghĩa của
thanh theo tiêu chuẩn ASTM ;
- dấu hiệu chỉ cấp cƣờng độ ;
- dấu hiệu chỉ mô đun đàn hồi của thanh theo nghìn ksi hoặc GPa; và
- trƣờng hợp thanh phi truyền thống (thanh có tiết diện không tròn hoặc rỗng),
ghi thêm đƣờng kính ngoài hay kích thƣớc bao ngoài lớn nhất.
- 24 -
Bảng 3.2 Thanh cốt theo tiêu chuẩn ASTM
Cỡ thanh Đƣờng kính danh
nghĩa, in. (mm)
Diện tích in.2
(mm2) Tiêu chuẩn Chuyển đổi hệ mét
No. 2 Ø 6 2x1/8 = 0.250 (6,4) 0.05 (31,6)
No. 3 Ø10 31/8 = 0.375 (9,5) 0.11 (71)
No. 4 Ø13 41/8 = 0.500 (12,7) 0.20 (129)
No. 5 Ø16 51/8 = 0.625 (15,9) 0.31 (199)
No. 6 Ø19 61/8 = 0.750 (19,1) 0.44 (284)
No. 7 Ø22 71/8 = 0.875 (22,2) 0.60 (387)
No. 8 Ø25 81/8 = 1.000 (25,4) 0.79 (510)
No. 9 Ø29 91/8 = 1.128 (28,7) 1.00 (645)
No. 10 Ø32 101/8 = 1.270 (32,3) 1.27 (819)
No. 11 Ø36 111/8 = 1.410 (35,8) 1.56 (1006)
Ví dụ một kí hiệu nhận dạng là :
XXX – G#4 – F100 – E6.0
Trong đó
XXX = thƣơng hiệu hay tên nhà sản xuất ;
G#4 = thanh GFRP No. 4 (đƣờng kính danh nghĩa ½ in hay 12 mm) ;
F100 = cấp cƣờng độ bé nhất là 100 ksi (ffu* 100 ksi hay 689 MPa) ;
E6.0 = cấp mô đun bé nhất 6000 ksi (41 GPa).
Trƣờng hợp thanh rỗng hay thanh có hình khác thƣờng, phải thêm vào cuối kí
hiệu nhận dạng một số nữa. Số này là kích thƣớc bao ngoài lớn nhất của thanh và
chỉ để kiểm tra, bảo đảm chất lƣợng, vì ngƣời kĩ sƣ đã quy định rõ hình dạng đặc
biệt này trong thiết kế.
XXX – G#4 – F100 – E6.0 – 0.63
Trong đó
0.63 = kích thƣớc bao ngoài lớn nhất của thanh là 5/8 in (16 mm).
Các dấu hiệu nhận dạng nêu trên sẽ đƣợc dùng trên công trƣờng để kiểm tra loại
thanh, cấp, cỡ và hình dạng của thanh đƣợc sử dụng.
3.5 Thanh thẳng
Các thanh thẳng đƣợc cắt đến chiều dài đã định từ thanh dài hơn trong kho của
đại lý hãng chế tạo hoặc tại nhà máy sản xuất.
- 25 -
3.6 Thanh uốn cong
Việc uốn cong thanh FRP làm từ nhựa rắn nhiệt phải thực hiện trƣớc khi nhựa
lƣu hoá hoàn toàn. Sau khi thanh đã đƣợc lƣu hoá, chúng rất cứng không thể uốn
hay thay đổi hình dạng. Các polyme rắn nhiệt là thể liên kết chéo ở mức cao nên
không cho phép làm nóng thanh vì sẽ làm phân rã nhựa và do đó làm giảm cƣờng
độ thanh FRP.
Với cùng một loại sợi, cƣờng độ của thanh uốn cong bị biến đổi rất nhiều, tuỳ
thuộc vào kỹ thuật uốn và vào loại nhựa. Vì vậy, cƣờng độ của đoạn uốn thông
thƣờng nên đƣợc xác định bằng các thử nghiệm làm theo phƣơng pháp của ACI
440.3R (xem Phụ lục). Thanh mà nhựa chƣa lƣu hoá hoàn toàn có thể uốn đƣợc
nhƣng phải tuân theo chỉ dẫn của nhà sản xuất và phải uốn dần, tránh những góc
nhọn làm hƣ hại các sợi.
3.7 Các quy định bổ sung đối với thanh GFRP và CFRP
Tiêu chuẩn ACI 440.6-08 có các điều khoản riêng cho vật liệu của
thanh GFRP và CFRP, được trích yếu và tóm tắt như dưới đây.
3.7.1 Vật liệu
1. Sợi. Sợi phải ở dạng sợi thô đơn phương (sợi thủy tinh) hoặc sợi
dát đơn phương (sợi cacbon) với cỡ và khối lượng nhất định. Loại sợi
và lượng sợi quyết định tính chất vật lí và cơ học của thanh FRP.
Hàm lượng sợi phải được đo theo ASTM D3171 hoặc D2584. Nếu
dùng ASTM D3171 thì hàm lượng sợi theo thể tích không được ít hơn
55%. Nếu dùng ASTM D2584 thì hàm lượng sợi không được ít hơn
phần khối lượng tương ứng với hàm lượng sợi theo thể tích là 55%.
2. Nền nhựa. Được phép dùng các hệ thống nhựa vinyleste và epoxy
nếu sản phẩm cuối cùng đáp ứng yêu cầu cơ lí và độ bền lâu quy
định. Cho phép phối trộn nhựa vinyleste và epoxy. Chất polyme gốc
trong hệ thống nhựa không được chứa polyeste. Cho phép thêm
styren vào nhựa polyme trong lúc chế tạo. Lượng styren thêm vào
không được quá 10% khối lượng nhựa polyme và phải được thông
báo.
3. Chất độn và phụ gia. Chỉ được dùng chất độn vô cơ có trên thị
trường như đất cao lanh, cacbonat canxi, trihydrat alumina và không
được quá 20% khối lượng của thành phần nhựa polyme. Chỉ được
dùng các chất phụ gia có trên thị trường như chất chống dính khuôn,
phụ gia co ngót cấp thấp, chất mồi, chất thúc, chất làm rắn, chất xúc
tác, chất mầu, chất làm chậm cháy, chất hãm tia cực tím. Phụ gia co
ngót nếu sử dụng thì phải ít hơn 10% khối lượng nhựa polyme. Chỉ
cho phép dùng tấm lưới hay màn không dệt, vô cơ hoặc hữu cơ, có
trên thị trường để phủ bề mặt.
3.7.2 Cỡ thanh
1. Chỉ cho phép dùng thanh FRP có tiết diện tròn đặc hoặc elip. Cỡ
thanh phải nhất quán với thanh cốt thép tiêu chuẩn cho trong ASTM
A615/A615M và được liệt kê ở Bảng 3.3.
2. Đường kính tính toán của thanh FRP là đường kính thanh tròn
trơn tương đương có cùng diện tích với thanh FRP, diện tích này
được đo theo ASTM D7205/D7205M.
- 26 -
3. Khi thanh FRP có tiết diện elip, cần ghi thêm kích thước ngoài lớn
nhất và nhỏ nhất của tiết diện vào đường kính tính toán. Đường kính
tính toán của thanh FRP elip là đường kính của thanh tròn đặc tương
đương có cùng diện tích tiết diện được đo theo ASTM
D7205/D7205M
4. Đường kính danh nghĩa của thanh FRP dùng để gọi tên và để thiết
kế phải bằng với đường kính tính toán. Nếu đường kính tính toán
không trùng với giá trị danh nghĩa nào cho ở Bảng 3.3 thì sẽ dùng
đường kính danh nghĩa nhỏ hơn gần nhất của bảng.
Bảng 3.3 Cỡ của thanh FRP tròn
Cỡ thanh Đường kính danh
nghĩa, in (mm)
Diện tích danh nghĩa,
in2 (mm
2)
No.2 0,250 (6,3) 0,05 (32,2)
No.3 0,375 (9,5) 0,11 (71,0)
No.4 0,500 (12,7) 0,20 (129,0)
No.5 0,625 (15,9) 0,31 (200,0)
No.6 0,750 (19,0) 0,44 (283,8)
No.7 0,875 (22,2) 0,60 (387,1)
No.8 1,000 (25,4) 0,79 (509,7)
No.9 1,128 (28,6) 1,00 (645,1)
No.10 1,270 ( 32,2) 1,27 (819,3)
3.7.3 Uốn cong
1. Bán kính uốn cong. Chỉ được uốn cong thanh FRP làm bằng nhựa
rắn nhiệt và khi nhựa đang ở trạng thái lỏng. Bán kính trong nhỏ
nhất tại chỗ uốn của thanh FRP tạo trong nhà máy được quy định ở
Bảng 3.4
Bảng 3.4 Bán kính uốn trong nhỏ nhất của thanh uốn
Cỡ thanh Bán kính uốn, in (mm)
No.2 0,75 ( 19,0)
No.3 1,125 (28,6)
No.4 1,50 (38,1)
No.5 1,875 (47,6)
No.6 2,25 (57,2)
No.7 2,625 (66,7)
No.8 3,00 (76,2)
No.9 4,50 (114,3)
No.10 5 (127,0)
- 27 -
2. Cƣờng độ chỗ uốn. Cường độ chỗ uốn được xác định để nhằm
mục đích chứng nhận sản phẩm toàn diện (tức là giá trị được bảo
đảm). Cường độ được bảo đảm của chỗ uốn được nhà sản xuất đo
theo phương pháp của ACI 440.3R (dùng tối thiểu 5 mẫu uốn 90 độ,
với bán kính uốn lấy tỉ lệ theo đường kính thanh nhỏ nhất),
Khi có thể cắt được một đoạn thẳng đủ dài ở sau chỗ uốn, đoạn đuôi
này phải được thử nghiệm theo ASTM D7205/D7205M. Cường độ
của mẫu này không được nhỏ hơn cường độ được bảo đảm của
thanh có cùng đường kính.
- 28 -
CHƢƠNG 4 CƠ SỞ THIẾT KẾ
Chƣơng này trình bày những khuyến nghị chung về thiết kế cấu kiện chịu uốn
bằng bê tông có cốt là các thanh FRP. Các khuyến nghị này dựa trên các nguyên lý
cân bằng, tƣơng thích và cấu tạo của vật liệu. Ngoài ra, ứng xử giòn của cả hai vật
liệu là cốt FRP và bê tông cũng đƣợc xét đến vì sự đứt của cốt FRP hay sự ép vỡ
của bê tông đều là các cơ chế dẫn đến sự phá huỷ. Ảnh hƣởng của nhiệt độ cao và
lửa đã đƣợc trình bày ở Mục 2.4.
4.1 Phƣơng pháp thiết kế
Chỉ dẫn này sử dụng phƣơng pháp thiết kế theo cƣờng độ đối với cấu kiện bê
tông đặt cốt thanh FRP để thống nhất với các tài liệu khác của ACI, đặc biệt là các
điều khoản của ACI 318-05 “Tiêu chuẩn thiết kế đối với kết cấu bê tông”. Các
khuyến nghị này dựa trên nguyên tắc thiết kế theo trạng thái giới hạn tức là một cấu
kiện bê tông cốt FRP phải đƣợc thiết kế theo nội lực giới hạn rồi đƣợc kiểm tra về
độ chịu đựng mỏi, độ bền từ biến và tiêu chí về điều kiện sử dụng. Trong nhiều
trƣờng hợp, tiêu chí về điều kiện sử dụng hoặc giới hạn chịu đựng mỏi và phá huỷ
từ biến có thể đóng vai trò quyết định trong việc thiết kế cấu kiện chịu uốn bằng bê
tông có cốt FRP (đặc biệt là các thanh AFRP và GFRP có độ cứng kém).
Các hệ số tải trọng cho trong ACI 318-05 cũng đƣợc dùng để xác định nội lực
giới hạn của cấu kiện bê tông có cốt FRP.
4.2 Các đặc trƣng tính toán của vật liệu
Các tính chất cơ học do nhà sản xuất cung cấp, ví dụ nhƣ cƣờng độ kéo đảm
bảo, cần đƣợc coi nhƣ các tính chất ban đầu chƣa xét đến ảnh hƣởng tác động dài
hạn của môi trƣờng. Bởi vì sự phơi lộ dài hạn trong các môi trƣờng khác nhau có
thể làm giảm cƣờng độ kéo, giảm độ chịu đựng mỏi hoặc phá hủy do từ biến của
thanh FRP nên các tính chất cơ học dùng trong các phƣơng trình thiết kế phải đƣợc
giảm đi tùy theo loại và mức độ phơi lộ.
Phƣơng trình từ (4-1) đến (4-3) cho phép tính toán các đặc trƣng chịu kéo sử
dụng trong thiết kế. Cƣờng độ chịu kéo tính toán đƣợc xác định theo công thức
*
fu E fuf C f (4-1)
trong đó
ffu = cƣờng độ kéo tính toán của FRP có xét đến sự suy giảm do môi trƣờng sử
dụng, MPa ;
CE = hệ số giảm cƣờng độ kéo tính toán do tác động môi trƣờng , cho trong Bảng
4.1 tƣơng ứng với các loại sợi và điều kiện phơi lộ khác nhau ;
ffu * = cƣờng độ kéo đảm bảo của thanh FRP, xác định bằng giá trị trung bình của
một nhóm các mẫu thử trừ đi ba lần độ lệch chuẩn (ffu *= fu,ave –3 ), MPa ;
Biến dạng tỉ đối tính toán khi phá hủy đƣợc xác định theo công thức
- 29 -
εfu = C
E fu* (4-2)
trong đó
εfu = biến dạng tỉ đối tính toán khi phá hủy của cốt FRP ;
fu* = biến dạng tỉ đối đảm bảo khi phá hủy của thanh FRP, đƣợc xác định bằng
biến dạng kéo tỉ đối trung bình lúc phá hủy của một nhóm các mẫu thử trừ đi ba lần
độ lệch chuẩn (fu*
= εu,ave3).
Mô đun đàn hồi thiết kế lấy bằng giá trị thông báo của nhà sản xuất, tức là mô
đun đàn hồi trung bình (đƣợc coi là giá trị đảm bảo ) của một nhóm các mẫu thử (Ef
= Ef,ave
).
.
Bảng 4.1 Hệ số giảm cƣờng độ kéo tính toán do tác động môi trƣờng, với các
loại sợi và điều kiện phơi lộ khác nhau
Điều kiện phơi lộ Loại sợi Hệ số giảm do môi
trƣờng CE
Bê tông không phơi lộ ra đất
và thời tiết
Cacbon 1,0
Thủy tinh 0,8
Aramit 0,9
Bê tông bị phơi lộ ra đất và thời tiết Cacbon 0,9
Thủy tinh 0,7
Aramit 0,8
Hệ số giảm do môi trƣờng cho tại Bảng 4.1 có tính thiên về an toàn, phụ thuộc
vào độ lâu bền của từng loại sợi, với sự chấp thuận của Tiểu ban ACI 440. Ảnh
hƣởng của nhiệt độ đã đƣợc kể đến trong giá trị của CE, tuy nhiên các thanh FRP
không đƣợc dùng trong môi trƣờng có nhiệt độ sử dụng cao hơn nhiệt độ Tg của
nhựa dùng cho chế tạo sợi. ( Hiện vẫn đang còn nhiều nghiên cứu tiếp tục về vấn
đề này).
4.2.1 Cường độ kéo tại chỗ uốn cong của thanh FRP
Cƣờng độ kéo tại chỗ uốn cong của thanh FRP có thể đƣợc xác định bằng công
thức:
0.05. 0.3bfb fu fu
b
rf f f
d
(4-3)
trong đó
ffb = cƣờng độ kéo tính toán tại chỗ uốn cong của thanh FRP, MPa ;
rb = bán kính uốn, mm ;
db = đƣờng kính của thanh cốt, mm ;
ffu = cƣờng độ kéo tính toán của FRP có xét đến sự giảm do môi trƣờng sử dụng,
MPa.
Phƣơng trình (4-3) đƣợc lấy theo khuyến nghị thiết kế của Hội Kĩ sƣ Xây dựng
Nhật Bản. Một số nghiên cứu khác về móc uốn của thanh FRP cho thấy lực kéo
- 30 -
phát sinh trong phần cong của thanh GFRP chịu ảnh hƣởng chủ yếu từ tỉ số bán
kính cong trên đƣờng kính thanh rb/db, chiều dài phần đuôi và, ở mức độ thấp hơn,
từ cƣờng độ của bê tông.
Một cách khác để xác định sự suy giảm cƣờng độ kéo do uốn cong là nhà chế
tạo có thể tiến hành thí nghiệm thanh cong theo phƣơng pháp nêu trong ACI
440.3R.
- 31 -
CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
Thiết kế cấu kiện chịu uốn bằng bê tông đặt cốt thanh FRP cũng tƣơng tự nhƣ
thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép. Các số liệu thí nghiệm trên cấu kiện chịu uốn
bằng bê tông đặt cốt thanh FRP cho thấy khả năng chịu uốn có thể dựa trên các giả
thiết tƣơng tự nhƣ đối với cấu kiện đặt cốt thép. Việc thiết kế cấu kiện chịu uốn
bằng bê tông cốt FRP cần xét đến quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu FRP.
5.1 Các vấn đề chung
Các Chỉ dẫn ở Chƣơng này chỉ xét đến tiết diện chữ nhật với một lớp cốt thuộc
một loại FRP vì việc nghiên cứu thực nghiệm hầu hết làm với loại tiết diện này.
Tuy nhiên, các ý tƣởng trình bày ở đây cũng có thể áp dụng để phân tích và thiết kế
cấu kiện có hình dạng tiết diện khác, và có nhiều loại cốt, nhiều lớp cốt FRP hoặc
cả hai trƣờng hợp. Mặc dù lí thuyết về cấu kiện chịu uốn trình bày ở đây cũng có
thể áp dụng đƣợc cho tiết diện không chữ nhật, nhƣng sự làm việc thực tế của tiết
diện không chữ nhật vẫn cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu thí nghiệm để khẳng định.
5.1.1 Phương pháp thiết kế cấu kiện chịu uốn.
Cấu kiện bê tông cốt thép thƣờng đƣợc thiết kế không quá nhiều cốt thép để sao
cho cốt thép chảy dẻo trƣớc khi bê tông vùng nén bị ép vỡ. Sự chảy dẻo của cốt
thép sẽ tạo nên độ dẻo kết cấu và cảnh báo sự phá hủy cấu kiện. Trong khi đó, cốt
FRP ứng xử không dẻo nên cần phải xem xét lại phƣơng pháp nói trên.
Nếu cốt FRP bị đứt thì sự phá hủy của cấu kiện diễn ra đột ngột và nguy hiểm,
tuy nhiên trƣớc đó có sự cảnh báo về sự phá hủy sắp xảy ra với sự xuất hiện các vết
nứt quá mức và độ võng lớn do các thanh FRP bị giãn ra nhiều trƣớc khi bị đứt.
Trong mọi trƣờng hợp, cấu kiện sẽ không cho thấy tính dẻo nhƣ thƣờng thấy ở dầm
bê tông cốt thép đặt ít thép.
Đối với dầm bê tông cốt FRP thì sự phá hủy do bê tông bị ép vỡ đôi khi lại có
lợi hơn. Khi bê tông bị ép vỡ, cấu kiện uốn cho thấy một ứng xử dẻo nhất định
trƣớc khi phá hủy.
Nhƣ vậy, cả hai sự phá hủy (đứt FRP và ép vỡ bê tông) đều đƣợc chấp nhận khi
thiết kế cấu kiện chịu uốn có cốt FRP, với điều kiện là thỏa mãn các tiêu chí về
cƣờng độ và điều kiện sử dụng. Để bù lại sự thiếu độ dẻo, cấu kiện cần có sự dự trữ
cƣờng độ cao hơn. Do đó, Bản Chỉ dẫn này đề xuất một dự trữ an toàn cao hơn so
với khi thiết kế bê tông cốt thép truyền thống.
Dùng bê tông cƣờng độ cao sẽ cho phép tận dụng tốt hơn cƣờng độ cao của
thanh FRP và có thể làm tăng độ cứng của tiết diện bị nứt nhƣng bê tông cƣờng độ
cao giòn hơn bê tông cƣờng độ thƣờng nên có thể làm giảm độ biến dạng tổng thể
của cấu kiện uốn.
Hình 5.1 thể hiện sự so sánh các quan hệ lý thuyết mô menđộ cong của các
dầm mà tiết diện đƣợc thiết kế với cùng một giá trị cƣờng độ Mn theo nguyên tắc
thiết kế theo trạng thái giới hạn về cƣờng độ nêu ở chƣơng này (có kể đến hệ số
giảm cƣờng độ theo ACI 318-05). Ba trƣờng hợp đƣợc trình bày cùng với một
trƣờng
- 32 -
Hinh 5.1 Quan hệ lí thuyết mô men – độ cong của các tiết diện bê tông có cốt thép
và cốt FRP thủy tinh (GFRP) và FRP cacbon (CFRP )
hợp tiết diện đặt cốt thép : hai trƣờng hợp có tiết diện đặt cốt là các thanh GFRP và
một trƣờng hợp đặt cốt là thanh CFRP . Đối với trƣờng hợp dầm có thanh GFRP bị
đứt, kích thƣớc của tiết diện bê tông có lớn hơn các dầm khác để chúng cùng đạt
một khả năng chịu lực.
5.1.2 Giả thiết
Việc tính toán cƣờng độ của tiết diện đƣợc dựa trên các giả thiết sau :
- Biến dạng tỉ đối của bê tông và của cốt FRP tỉ lệ với khoảng cách đến trục
trung hòa ( nghĩa là tiết diện luôn phẳng trƣớc và sau khi chịu tải ) ;
- Biến dạng tỉ đối nén lớn nhất trong bê tông là 0,003 ;
- Cƣờng độ kéo của bê tông bị bỏ qua ;
- Sự làm việc của thanh FRP là đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hủy ;
- Giữa bê tông và cốt FRP có sự dính kết hoàn toàn.
5.2 Cƣờng độ chịu uốn
Phƣơng pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn về cƣờng độ yêu cầu cƣờng độ
uốn thiết kế của một tiết diện cấu kiện không đƣợc nhỏ hơn mô men tính toán
(phƣơng trình 5-1). Cƣờng độ uốn thiết kế là cƣờng độ uốn danh nghĩa nhân với hệ
số giảm cƣờng độ (, sẽ trình bày tại mục 5.2.3). Mô men tính toán là mô men đƣợc
tính với tải trọng đã nhân với hệ số nhƣ quy định trong ACI 318-95 (ví dụ 1,2D
+1,6L +..)
Mn Mu (5-1)
- 33 -
Cƣờng độ uốn danh nghĩa của cấu kiện bê tông cốt FRP có thể đƣợc xác định
dựa trên sự tƣơng thích biến dạng, sự cân bằng nội lực và trạng thái phá hủy. Hình
5.2 thể hiện ứng suất, biến dạng tỉ đối và nội lực của ba trƣờng hợp phá huỷ khả dĩ
của tiết diện chữ nhật có cốt FRP.
b
d
c
f 'c
cu
f
f f A ff f
a= 1c 0.85f 'cba
NA
A f
a) Phá hủy do bê tông bị ép vỡ
d
b
c
f 'c
cu
fu
f fu A ff fu
a= 1c 0.85f 'cba
NA
A f
bb
b) Điều kiện phá hủy cân bằng
d
b
c
fc
c
fu
f fu A ff fu
a= 1c0.85fcba
NA
A f
c) Phá hủy do FRP bị đứt (ứng suất trong bê tông có thể không tuyến tính)
Hình 5.2 Trạng thái ứng suất và biến dạng tại các trạng thái phá huỷ
- 34 -
5.2.1 Cách thức phá huỷ. Khả năng chịu uốn của cấu kiện cốt FRP phụ thuộc vào
cách thức phá hủy là do bê tông bị ép vỡ hay do FRP đứt. Cách thức phá hủy có thể
đƣợc xác định bằng cách so sánh hàm lƣợng cốt FRP với hàm lƣợng cốt cân bằng
(tức là hàm lƣợng khi mà bê tông vỡ và FRP đứt xảy ra đồng thời). Bởi vì FRP
không chảy dẻo, hàm lƣợng cân bằng của cốt FRP đƣợc tính toán theo cƣờng độ
kéo thiết kế của cốt FRP. Hàm lƣợng cốt FRP có thể tính từ phƣơng trình (5-2) và
hàm lƣợng cốt FRP cân bằng có thể tính từ phƣơng trình (5-3).
f
f
A
bd (5-2)
'
10.85 .f cuc
fb
fu f cu fu
Ef
f E f
(5-3)
Nếu hàm lƣợng cốt nhỏ hơn hàm lƣợng cốt cân bằng (f < fb) thì sự phá hủy là
do đứt FRP. Ngƣợc lại, (f > fb), thì sự phá hủy do bê tông vỡ.
Bảng 5.1 ghi một số giá trị điển hình của hàm lƣợng cốt cân bằng, cho thấy hàm
lƣợng cân bằng đối với cốt FRP fb thấp hơn nhiều so với hàm lƣợng cân bằng của
cốt thép b. Thực vậy, hàm lƣợng cân bằng đối với cốt FRP thậm chí còn nhỏ hơn
hàm lƣợng cốt tối thiểu của cốt thép (min= 0,0035 đối với thép cấp 60 và bê tông
có fc’ = 5 ksi (34,5 MPa)).
Bảng 5.1 Giá trị điển hình của hàm lƣợng cốt cân bằng đối với tiết diện chữ
nhật có fc’ = 5 ksi (34,5 MPa)
Loại thanh Cƣờng độ chảy fy
hoặc cƣờng độ kéo
ffu, MPa (ksi)
Mô đun đàn hồi,
GPa (ksi)
b hay fb
Thép 414 (60) 200 (29 000) 0,0335
GFRP 552 (80) 41,4 (6 000) 0,0078
AFRP 1172 (170) 82,7 (12 000) 0,0035
CFRP 2070 (300) 152 (22 000) 0,0020
5.2.2 Cường độ uốn danh nghĩa. Khi f > fb , sự phá hủy của cấu kiện bắt đầu do
bê tông bị vỡ, và sự phân bố ứng suất trong bê tông có thể xem gần đúng là biểu đồ
ứng suất chữ nhật theo ACI. Dựa trên sự cân bằng lực và tƣơng thích biến dạng
(xem Hình 5.2) có thể suy ra các phƣơng trình sau :
-2
n f f
aM A f d
(5-4a)
- 35 -
'0.85
f f
c
A fa
f b (5-4b)
1 -
f f cu
d af E
a
(5-4c)
Thay a từ (5-4b) vào (5-4c) và giải ra ff :
2
'
10.85. 0.5
4
f cu cf f cu f cu fu
f
E ff E E f
(5-4d)
Cƣờng độ uốn danh nghĩa có thể đƣợc xác định từ các phƣơng trình (5-4a), (5-
4b) và (5-4d). Do cốt FRP là đàn hồi tuyến tính nên trong trƣờng hợp bê tông vùng
nén bị ép vỡ, ứng suất trong FRP có thể tìm từ (5-4c) vì nó nhỏ hơn ffu .
Cũng có thể biểu thị cƣờng độ uốn danh nghĩa của tiết diện theo một cách khác,
dựa vào hàm lƣợng cốt FRP nhƣ phƣơng trình (5-5), thay cho (5-4a) :
2
'1-0.59
f f
n f f
c
fM f bd
f
(5-5)
Khi f < fb, sự phá hủy cấu kiện bắt đầu bằng sự đứt thanh FRP nên biểu đồ
ứng suất theo ACI không áp dụng đƣợc vì vùng nén có thể không đạt tới biến dạng
tỉ đối cực đại của bê tông. Trong trƣờng hợp này, một biểu đồ ứng suất tƣơng
đƣơng đƣợc dùng để biểu thị sự phân bố ứng suất trong bê tông tại mức biến dạng
đã đạt tới.
Bài toán có hai ẩn số : biến dạng tỉ đối nén của bê tông tại lúc phá hủy c và bề
cao tính đến trục trung hòa c. Ngoài ra các hệ số của biểu đồ chữ nhật 1 và 1 cũng
chƣa biết, trong đó hệ số 1 là tỉ số của ứng suất trung bình của bê tông so với
cƣờng độ bê tông và hệ số 1 là tỉ số giữa bề cao của biểu đồ ứng suất chữ nhật
tƣơng đƣơng so với bề cao tính đến trục trung hòa. Lời giải chính xác với các ẩn số
này sẽ trở nên phức tạp. Vì vậy, cƣờng độ uốn danh nghĩa tại một tiết diện có thể
đƣợc tính theo phƣơng trình (5-6a) :
1-2
n f fu
cM A f d
(5-6a)
Với một tiết diện đã cho, tích số 1c trong (5-6a) biến đổi tùy theo tính chất vật
liệu và hàm lƣợng cốt FRP. Giá trị lớn nhất của tích số này bằng 1cb và có đƣợc
khi bê tông vùng nén đạt tới biến dạng tỉ đối cực đại (0,003). Một cách tính đơn
- 36 -
giản hóa và thiên về an toàn sẽ cho cƣờng độ uốn danh nghĩa của cấu kiện nhƣ sau,
theo (5-6b) và (5-6c):
1-2
bn f fu
cM A f d
(5-6b)
cu
b
cu fu
c d
(5-6c)
5.2.3 Hệ số giảm cường độ khi uốn.
Vì cấu kiện bê tông cốt FRP không có tính dẻo nên cần có một hệ số giảm
cƣờng độ để tạo ra một độ an toàn cao hơn cho cấu kiện. Các khuyến nghị của
Nhật về thiết kế cấu kiện chịu uốn đặt cốt FRP đề xuất hệ số giảm cƣờng độ bằng
0,77. Một số nghiên cứu khác dựa trên quan điểm xác suất đề nghị giá trị bằng
0,75.
Theo ACI 318-05, hệ số ứng với phá hủy về nén là 0,65 với chỉ số độ tin cậy
từ 3,5 đến 4,0. Phân tích độ tin cậy cho dầm có cốt FRP chịu uốn, khi sử dụng tổ
hợp tải trọng thứ 2 của ACI 318-05 với tỉ số hoạt tải trên tĩnh tải từ 1 đến 3 cho
thấy chỉ số độ tin cậy nằm trong phạm vi từ 3,5 đến 4,0 khi hệ số lấy bằng 0,65
ứng với trƣờng hợp phá hủy về ép vỡ bê tông và 0,55 khi phá hủy vì đứt cốt FRP
theo phƣơng trình (5-6b). Phân tích phi tuyến độ cong lúc phá hủy cho thấy độ
cong của những dầm có cốt FRP tại lúc phá hủy biến đổi trong khoảng 0,0138/d
đến 0,0176/d cho các trƣờng hợp phá hủy do kéo và 0,0089/d đến 0,012/d cho các
trƣờng hợp phá hủy do nén.
Theo ACI 318-05, sự phá hủy do kéo thƣờng xảy ra khi độ cong lớn hơn
0,008/d (tƣơng ứng với biến dạng tỉ đối trong thép là 0,005). Điều này cho thấy
dầm đặt cốt FRP sẽ có độ võng lớn ở trạng thái cực hạn vì mô đun đàn hồi của cốt
FRP thấp, và dầm cốt FRP khi bị phá hủy do đứt cốt sẽ có độ võng ở trạng thái cực
hạn lớn hơn độ võng khi phá hủy do bê tông vỡ. Và mặc dù độ cong của dầm cốt
FRP lớn hơn độ cong của dầm bê tông cốt thép tƣơng đƣơng, Ủy ban nghiên cứu
của ACI vẫn khuyến nghị hệ số là 0,55 cho trƣờng hợp phá hủy do kéo để duy trì
chỉ số độ tin cậy tối thiểu là 3,5.
Mặc dù có thể dùng tính toán để dự báo trƣớc sự phá hủy do bê tông vỡ, nhƣng
cấu kiện chế tạo ra có thể không bị hỏng nhƣ vậy. Ví dụ: nếu cƣờng độ bê tông cao
hơn cƣờng độ đặc trƣng, cấu kiện có thể bị hỏng do cốt FRP đứt. Vì lí do đó và để
thiết lập sự chuyển tiếp giữa hai giá trị , một tiết diện khống chế bởi bê tông vỡ
đƣợc xác định là tiết diện trong đó f 1,4fb và một tiết diện khống chế bởi cốt
FRP đứt đƣợc xác định là tiết diện trong đó f < fb
Hệ số giảm cƣờng độ uốn có thể tính bằng phƣơng trình (5-7). Phƣơng trình này
đƣợc biểu diễn bằng đồ thị ở hình H.5.3, và cho hai hệ số 0,65 ứng với tiết diện
khống chế bởi bê tông vỡ và 0,55 ứng với tiết diện khống chế bởi cốt FRP đứt.
Giữa hai giá trị này là sự chuyển tiếp tuyến tính :
- 37 -
.Hình 5.3 Hệ số giảm cường độ là hàm của hàm lượng cốt
0.55 khi
0.3 0.25. khi < <1.4
0.65 khi 1.4
f fb
f
fb f fb
fb
f fb
(5-7)
5.2.4 Hàm lượng tối thiểu cốt FRP. Nếu một cấu kiện đƣợc thiết kế để phá hủy vì
cốt FRP đứt f < fb , thì cần phải có một lƣợng cốt tối thiểu để khỏi bị phá hủy cho
đến khi bê tông bị nứt (nghĩa là Mn ≥ Mcr , trong đó Mcr là mô men gây nứt). Các
điều khoản của ACI 318-05 về lƣợng đặt cốt tối thiểu là dựa trên quan điểm này và
có điều chỉnh để áp dụng cho cấu kiện cốt FRP. Sự điều chỉnh này là do hệ số giảm
cƣờng độ khác nhau (tức là 0,55 cho tiết diện khống chế bởi kéo chứ không phải là
0,9). Diện tích cốt tối thiểu đối với cấu kiện đặt cốt FRP đƣợc tính bằng cách lấy
phƣơng trình đã có trong ACI 318-05 đối với cốt thép, nhân với 1,64 (1,64 =
0,90/0,55). Từ đó có phƣơng trình (5.8)
'
,min
0.41 2.29c
f w w
fu fu
fA b d b d
f f (5-8)
Nếu sự phá hủy của cấu kiện không bị khống chế bởi cốt FRP đứt f > fb,
lƣợng cốt tối thiểu để ngăn ngừa sự phá hủy khi nứt là đƣợc tự động thỏa mãn. Nhƣ
vậy chỉ cần kiểm tra phƣơng trình (5-8) nếu f < fb.
- 38 -
5.2.5 Các vấn đề đặc biệt
5.2.5.1 Đặt nhiều lớp cốt và kết hợp nhiều loại FRP khác nhau. Trong tiết diện mà
sự phá huỷ diễn ra từ vùng kéo, mọi thanh cốt thép chịu kéo đều đƣợc giả thiết là
đạt tới giới hạn chảy tại trạng thái cực hạn về cƣờng độ để tính toán cƣờng độ uốn
danh nghĩa của cấu kiện có cốt thép đặt nhiều lớp. Nhƣ vậy, lực kéo đƣợc giả thiết
đặt tại trọng tâm của các cốt thép và có độ lớn bằng diện tích của cốt thép chịu kéo
nhân với giới hạn chảy của thép. Nhƣng vì vật liệu FRP không có vùng dẻo, ứng
suất trong mỗi lớp cốt sẽ biến đổi tùy theo khoảng cách từ lớp đến trục trung hòa.
Tƣơng tự nhƣ vậy, nếu có nhiều loại thanh FRP đƣợc dùng để làm cốt cho cùng
một cấu kiện, thì khi tính khả năng chịu uốn, cần phải xét sự biến đổi của giá trị
ứng suất trong mỗi loại thanh. Trong trƣờng hợp này, sự phá hủy của lớp cốt ngoài
cùng sẽ đƣợc coi là sự phá hủy của toàn thể các cốt, và việc tính toán khả năng chịu
uốn đƣợc thực hiện dựa trên sự tƣơng thích về biến dạng.
5.2.5.2 Phân phối lại mô men. Cơ chế phá hủy của cấu kiện uốn có đặt cốt FRP
không dựa trên sự hình thành khớp dẻo vì vật liệu FRP thể hiện ứng xử đàn hồi
tuyến tính đến tận lúc phá hủy. Do đó, sự phân phối lại mô men trong các dầm liên
tục hay trong các kết cấu siêu tĩnh khác sẽ không đƣợc xem xét với bê tông đặt cốt
FRP.
5.2.5.3 Cốt chịu nén. Thanh FRP có cƣờng độ chịu nén thấp hơn nhiều so với
cƣờng độ chịu kéo và khá biến động. Vì vậy, cƣờng độ chịu nén của mọi thanh FRP
sẽ đƣợc bỏ qua khi tính toán thiết kế.
Bản Chỉ dẫn này không khuyến nghị sử dụng thanh FRP làm cốt dọc chịu nén
cho cột hoặc làm cốt chịu nén trong cấu kiện uốn. Tuy nhiên trong một vài trƣờng
hợp, không tránh đƣợc việc đặt các thanh FRP trong vùng nén của cấu kiện uốn.
Ví dụ tại các gối tựa của dầm liên tục hoặc tại những chỗ cần thanh dọc để cố định
các đai. Trong các trƣờng hợp này, cần phải có cách kiềm chế thanh FRP trong
vùng nén để khỏi mất ổn định và để giảm thiểu ảnh hƣởng của sự giãn nở phƣơng
ngang tƣơng đối cao của vài loại thanh FRP. Cốt FRP ngang (đai) dƣới dạng thanh
nối cần có khoảng cách nhỏ hơn bề rộng cấu kiện hoặc 16 lần đƣờng kính thanh
dọc hoặc 48 lần đƣờng kính thanh nối (đai).
5.3 Trạng thái sử dụng.
Cấu kiện bê tông cốt FRP có độ cứng tƣơng đối nhỏ sau khi nứt. Do đó, các giá
trị độ võng cho phép khi chịu tải trọng sử dụng ( tải trọng tiêu chuẩn ) có thể ảnh
hƣởng quyết định đến thiết kế. Thông thƣờng, các tiết diện đặt cốt FRP đƣợc thiết
kế theo điều kiện phá hủy do bê tông bị ép vỡ thƣờng thỏa mãn tiêu chí về điều
kiện sử dụng đối với độ võng và bề rộng khe nứt.
Điều kiện sử dụng có thể đƣợc định nghĩa nhƣ là tính năng làm việc thỏa đáng
khi chịu tải trọng sử dụng. Điều này có thể đƣợc mô tả theo hai tham số :
- Khe nứt – Không nên có bề rộng khe nứt quá lớn vì lí do thẩm mĩ và các lí
do khác (ví dụ để ngăn thấm nƣớc ) có thể làm tổn hại hoặc làm hỏng bê
tông của kết cấu ;
- 39 -
- Biến dạng – biến dạng phải ở trong các giới hạn chấp nhận, đƣợc quy định
từ điều kiện sử dụng kết cấu. Ví dụ để đảm bảo cho các bộ phận phi kết cấu
khỏi bị hƣ hại.
Các điều khoản về điều kiện sử dụng trong ACI 318-05 cần phải đƣợc điều
chỉnh đối với cấu kiện đặt cốt FRP vì tính chất của thép và FRP khác nhau nhƣ độ
cứng kém hơn, cƣờng độ bám dính và độ chịu ăn mòn. Ví dụ: khi thay thanh thép
bằng thanh FRP cùng diện tích thì thƣờng biến dạng và bề rộng khe nứt tăng lên
nhiều hơn.
5.3.1 Khe nứt. Thanh FRP có khả năng chống ăn mòn nên bề rộng khe nứt lớn nhất
có thể không bị hạn chế nhiều nhƣ đối với trƣờng hợp phải hạn chế nứt vì sợ thanh
cốt bị ăn mòn. Ngoài ra, các lí do khác phải hạn chế bề rộng khe nứt còn liên quan
đến vấn đề thẩm mĩ và tác động của lực cắt.
Đối với riêng yêu cầu thẩm mĩ, Hội Kĩ sƣ Xây dựng Nhật đề nghị bề rộng khe
nứt lớn nhất cho phép là 0,5 mm. Còn theo Tiêu chuẩn Canada CAN/CSA S806-02,
“ Thiết kế và chế tạo các cấu kiện nhà cửa dùng cốt FRP “, thì bề rộng khe nứt cho
phép là 0,5 mm khi cấu kiện phơi lộ bên ngoài và 0,7 mm đối với cấu kiện bên
trong nhà. Tiêu chuẩn ACI 318-05 không đề cập về cốt FRP. Tuy nhiên để so sánh,
có thể nêu ra điều khoản khống chế nứt đối với bê tông cốt thép là quy định bề rộng
khe nứt lớn nhất bằng 0,4 mm. Ủy ban soạn thảo Tài liệu Chỉ dẫn này đề nghị nên
áp dụng giới hạn theo Tiêu chuẩn Canada cho phần lớn các trƣờng hợp. Những giới
hạn này cũng có thể không đủ đối với kết cấu phơi lộ trong môi trƣờng xâm thực
hoặc có yêu cầu kín nƣớc. Do đó, trong các trƣờng hợp này cần có thêm các biện
pháp dự phòng. Trái lại, với kết cấu có tuổi thọ ngắn hoặc kết cấu không cần quan
tâm về vấn đề thẩm mĩ thì có thể bỏ qua yêu cầu bề rộng khe nứt, trừ phi trong kết
cấu có chứa cả cốt thép.
Các điều khoản của ACI 318-05 về khoảng cách tối đa giữa các cốt thép khi tính
toán bề rộng khe nứt đƣợc thiết lập dựa trên mô hình vật lí chứ không phải rút từ
thực nghiệm. Công thức này không phụ thuộc vào loại cốt (thép hay FRP), trừ việc
đƣa vào hệ số điều chỉnh kb để xét đến ảnh hƣởng lực dính kết. Do đó, bề rộng nứt
lớn nhất có thể có của cấu kiện đặt cốt FRP đƣợc tính từ phƣơng trình (5-9)
.
2
2w 22
f
b c
f
f sk d
E
(5-9)
trong đó w = bề rộng khe nứt lớn nhất, mm ; ff = ứng suất trong cốt, MPa ; Ef = mô
đun đàn hồi của cốt, MPa ; = tỉ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến mặt
kéo so với khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng tâm của cốt ; dc = bề dày lớp
bảo vệ từ mặt kéo đến tâm của thanh gần nhất, mm ; s = khoảng cách thanh, mm.
Số hạng kb là hệ số xét đến mức độ dính giữa thanh FRP và bê tông chung
quanh. Đối với thanh FRP có ứng xử bám dính tƣơng tự nhƣ thanh thép không sơn
thì hệ số kb đƣợc lấy bằng 1. Đối với thanh FRP có ứng xử bám dính thấp hơn thép
thì kb lớn hơn 1,0 còn với thanh FRP có ứng xử bám dính cao hơn thép thì kb nhỏ
- 40 -
hơn 1,0. Đặc trƣng dính của thanh thủy tinh GFPR có thể khác so với đặc trƣng
dính của thanh thép. Các nghiên cứu chỉ ra rằng bề rộng khe nứt của dầm bê tông
cốt GFRP dƣới tải trọng dài hạn sẽ tăng lên so với ban đầu chừng 40% tại môi
trƣờng bên trong nhà và tăng 60% tại môi trƣờng bên ngoài, sau thời gian 3 năm.
Theo Ủy ban ACI, dựa trên các phân tích về bề rộng nứt trên nhiều loại tiết diện bê
tông và nhiều thanh FRP của các nhà sản xuất, loại sợi, công thức nhựa và cách xử
lí bề mặt thì giá trị trung bình của kb thay đổi trong phạm vi từ 0,60 đến 1,72, trung
bình là 1,10. Thanh FRP có bề mặt nhám phủ cát thì hệ số thiên về giá trị thấp.
Trong trƣờng hợp hệ số kb không đủ dữ liệu thí nghiệm thì có thể giả thiết một giá
trị an toàn là 1,4. Thanh nhẵn và lƣới không đƣợc áp dụng theo giá trị khuyến nghị
này.
5.3.2 Độ võng. Về tổng thể, các điều khoản của ACI 318-05 đã đề cập đến các độ
võng sinh ra ở trạng thái sử dụng, dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh dài hạn và tức
thời, không áp dụng cho các tải trọng động nhƣ động đất, gió giật hay dao động do
máy móc. Có hai phƣơng pháp đƣợc cho trong ACI 318-05 để khống chế độ võng
của cấu kiện uốn một phƣơng :
- Phƣơng pháp gián tiếp quy định bề dày tối thiểu của cấu kiện (bảng 9.5(a) trong
ACI 318-05) ; và
- Phƣơng pháp trực tiếp hạn chế biến dạng tính toán (bảng 9.5(b) trong ACI 318-
05).
Do độ cứng biến đổi, bản chất đàn hồi- giòn và tính chất bám dính đặc biệt của
cốt FRP, độ võng của cấu kiện bê tông cốt FRP chịu ảnh hƣởng của các tác động
có liên quan đến độ võng nhiều hơn là so với cấu kiện bê tông cốt thép có cùng
kích thƣớc và cách bố trí cốt. Độ võng của cấu kiện đặt cốt FRP cũng thƣờng lớn
hơn vì độ cứng nhỏ của các thanh FRP có trên thị trƣờng. Do đó, Bản Chỉ dẫn này
yêu cầu dùng phƣơng pháp trực tiếp để khống chế võng nhƣ nêu ở các mục 5.3.2.2
và 5.3.2.3. Bề dày tối thiểu của cấu kiện đặt cốt FRP đƣợc khuyến nghị trong mục
5.3.2.1 chỉ để tham khảo khi lựa chọn kích thƣớc cấu kiện trong thiết kế.
5.3.2.1 Khuyến nghị bề dày tối thiểu trong thiết kế. Bề dày tối thiểu đƣợc khuyến
nghị khi thiết kế bản một phƣơng và dầm đƣợc cho trong Bảng 5.2. Bảng này chỉ
dùng cho thiết kế sơ bộ, và bề dày tối thiểu này có thể không đảm bảo đối với các
yêu cầu về độ võng cho một kết cấu cụ thể.
Các giá trị của Bảng 5.2 là dựa trên giới hạn tối đa thông dụng của tỉ lệ nhịp trên
bề cao, tƣơng ứng với việc giới hạn độ cong và độ võng tƣơng đối cho phép
(phƣơng trình 5-10). Phƣơng pháp này áp dụng đƣợc cho mọi loại cốt.
max1
48 1
5 f
l k
h K l
(5-10)
- 41 -
Bảng 5.2 Bề dày tối thiểu khuyến nghị của dầm hoặc bản một phƣơng
( không ứng lực trƣớc )
Bề dày tối thiểu h
Tựa đơn giản Một đầu liên tục Hai đầu liên tục Công xôn
Bản đặc 1 phƣơng l /13 l /17 l /22 l /5,5
Dầm l /10 l /12 l /16 l /4
Trong phƣơng trình (5-10), = d/h ; k xác định theo (5-12) và (/l )max là tỉ lệ
giới hạn của độ võng do tải trọng sử dụng so với nhịp ; K1 là tham số xét đến các
điều kiện biên. Với tải trọng phân bố đều, nó có thể đƣợc lấy bằng 1,0, 0,8, 0,6 và
2,4 lần lƣợt cho các nhịp đơn giản, một đầu liên tục, hai đầu liên tục, và công xôn.
Số hạng f là biến dạng tỉ đối trong cốt FRP dƣới tải trọng sử dụng, tính tại vị trí
giữa nhịp, trừ trƣờng hợp công xôn thì tính tại gối tựa.
Phƣơng trình (5-10) đã bỏ qua sự tham gia chịu kéo của bê tông giữa các khe
nứt. Để xét đến tác động của bê tông giữa các khe nứt, khi lập Bảng 5.2, các giá trị
tính theo phƣơng trình (5-10) đã đƣợc điều chỉnh bởi tỉ số mô men quán tính hữu
hiệu và mô men quán tính khi nứt hoàn toàn, đƣợc lần lƣợt tính theo các công thức
(5-13a) và (5-11). Các giá trị ở bảng đƣợc tính dựa trên giả thiết giới hạn độ võng
là l /240 dƣới tải trọng sử dụng và với giả thiết hàm lƣợng đặt cốt là 2,0fb cho bản
và 3,0fb cho dầm.
5.3.2.2 Mô men quán tính hữu hiệu. Khi tiết diện không nứt, mô men quán tính
bằng mô men quán tính nguyên Ig. Khi mô men tác dụng Ma vƣợt quá mô men gây
nứt Mcr, khe nứt xuất hiện và làm giảm độ cứng ; mô men quán tính đƣợc tính theo
tiết diện nứt Icr. Với tiết diện chữ nhật, mô men quán tính nguyên tính bằng Ig =
bh3/12, còn Icr thì tính bằng phân tích đàn hồi. Việc phân tích đàn hồi bê tông cốt
FRP là tƣơng tự nhƣ phân tích dùng cho bê tông cốt thép (tức là bỏ qua bê tông
chịu kéo) và đƣợc tính bằng (5-11) và (5-12), với nf là tỉ số mô đun giữa FRP và bê
tông
33 2 2(1 )
3cr f f
bdI k n A d k (5-11)
2
2 f f f f f fk n n n (5-12)
Độ cứng uốn tổng thể EcI của cấu kiện uốn có khe nứt khi chịu tải trọng sử dụng
biến đổi giữa EcIg và EcIcr. Tiêu chuẩn ACI 318-05 đã đề nghị dùng biểu thức sau
của Branson để tính mô men quán tính hữu hiệu:
3 3
1cr cre g cr g
a a
M MI I I I
M M
(5-13)
- 42 -
Phƣơng trình Branson phản ánh hai hiện tƣợng : sự biến đổi của độ cứng EI dọc
theo cấu kiện và ảnh hƣởng của bê tông chịu kéo nằm giữa các khe nứt.
Phƣơng trình này dựa trên ứng xử của dầm bê tông cốt thép khi chịu tải trọng sử
dụng. Trong khi đó, các nghiên cứu về độ võng của dầm cốt FRP chỉ ra rằng trên
đồ thị tải trọng – độ võng của dầm tựa đơn giản, các đƣờng cong thực nghiệm gần
nhƣ song song với các đƣờng cong vẽ theo phƣơng trình Branson. Tuy nhiên
phƣơng trình Branson đã cho ra giá trị quá lớn của mô men quán tính hữu hiệu của
dầm cốt FRP, đặc biệt đối với dầm đặt ít cốt, do mức độ ảnh hƣởng của bê tông
vùng kéo giữa các khe nứt thấp hơn so với dầm đặt cốt thép tƣơng ứng. Việc giảm
thấp nhƣ thế có thể là do mô đun đàn hồi thấp và độ bám dính của cốt FRP khác so
với cốt thép.
Để kể đến việc giảm ảnh hƣởng của bê tông vùng kéo giữa các khe nứt trong
cấu kiện đặt cốt FRP, ngƣời ta dùng một biểu thức điều chỉnh của mô men quán
tính hữu hiệu, đƣợc cho trong (5-13a)
3 3
1cr cre d g cr g
a a
M MI I I I
M M
(5-13a)
Hệ số d là hệ số giảm đối với cấu kiện đặt cốt FRP. Mức độ giảm phụ thuộc
vào hàm lƣợng và độ cứng của cốt chịu uốn cũng nhƣ hàm lƣợng tƣơng đối đặt cốt
(tỉ số của f so với fb). Ủy ban ACI đề nghị biểu thức đơn giản sau để tính d:
1
. 1.05
f
d
fb
(5-13b)
Phƣơng trình (5-13a) chỉ dùng trong trƣờng hợp khi mô men lớn nhất do tải
trọng tiêu chuẩn trong cấu kiện bằng hoặc lớn hơn mô men nứt (Ma Mcr). Bề dày
tối thiểu khuyến nghị ở Bảng 5.2 cũng đƣợc thiết lập dựa trên điều kiện này. Nếu
trong quá trình thiết kế, ngƣời thiết kế thấy mô men nói trên nhỏ hơn khá nhiều so
với mô men nứt thì độ võng tính theo mục 5.3.2.2. và 5.3.2.3 phải sử dụng Ig.
Trong trƣờng hợp mô men lớn nhất do tải trọng tiêu chuẩn chỉ nhỏ hơn mô men nứt
chút ít thì ngƣời thiết kế vẫn nên tính toán với tiết diện nứt vì các yếu tố nhƣ co
ngót và nhiệt độ có thể gây nứt cho tiết diện ngay cả khi Ma < Mcr. Khi đó phƣơng
trình (5-13a) đƣợc áp dụng với Ma = Mcr . ( Việc tính toán giá trị Mcr đƣợc thực hiện
theo những chỉ dẫn của tiêu chuẩnACI 318-05, mục 9.5.2.3 )
5.3.2.3 Tính độ võng (phương pháp trực tiếp). Khi tính toán độ võng theo các điều
khoản của mục này, ngƣời thiết kế cần so sánh độ võng tính đƣợc với giới hạn cho
phép nhƣ một phần của tiêu chí thiết kế. Trong nhiều trƣờng hợp, tiêu chí độ võng
sẽ đƣợc quy định trong các Tiêu chuẩn cục bộ.
Độ võng ngắn hạn (độ võng tức thời do tải trọng sử dụng) của cấu kiện uốn một
phƣơng đặt cốt FRP có thể đƣợc tính toán bằng cách phân tích kết cấu và dùng mô
men quán tính hữu hiệu của dầm đặt cốt FRP.
- 43 -
Độ võng dài hạn có thể lớn hơn nhiều lần độ võng ngắn hạn và trong thiết kế
cần xem xét cả hai độ võng ngắn hạn và dài hạn dƣới tải trọng sử dụng. Sự tăng của
độ võng dài hạn phụ thuộc vào nhiều yếu tố : hình học của cấu kiện (diện tích cốt
và kích thƣớc cấu kiện), đặc trƣng của tải trọng (tuổi của bê tông lúc đặt tải, độ lớn
và thời gian của tải dài hạn) và đặc trƣng của vật liệu (mô đun đàn hồi của bê tông
và của cốt FRP, từ biến và co ngót của bê tông, hình thành các khe nứt mới và mở
rộng các khe nứt đã có).
Các số liệu về độ võng theo thời gian của cấu kiện đặt cốt FRP do từ biến và co
ngót cho thấy các đƣờng cong độ võng theo thời gian của cấu kiện đặt cốt FRP và
cấu kiện đặt cốt thép có cùng hình dạng cơ bản, điều này chứng tỏ có thể dùng
cùng một phƣơng pháp cơ bản để tính độ võng dài hạn.
Theo ACI 318-05, độ võng dài hạn do từ biến và co ngót (cp+sh) có thể tính theo
các phƣơng trình sau :
susicp sh
(5-14a)
'1 50
(5-14b)
Tham số trong (5-14b) đƣợc rút xuống còn vì cốt chịu nén không đƣợc xét
đến trong cấu kiện đặt cốt FRP (f’ = 0). Các giá trị của đã đƣợc cho trong ACI
318-05.
Các phƣơng trình này cũng có thể đƣợc dùng cho cốt FRP với các điều chỉnh để
xét đến sự khác nhau về độ cứng dọc trục giữa cấu kiện bê tông cốt FRP so với cấu
kiện bê tông cốt thép. Dù với cốt FRP hay cốt thép, từ biến của bê tông đều làm
giảm đáng kể độ cứng uốn EcI. Để đơn giản hóa, sự giảm độ cứng này có thể coi
nhƣ bài toán cộng tác dụng của hai tác động trái ngƣợc. Tác động thứ nhất là sự
giảm mô đun đàn hồi hữu hiệu, nhƣ là hệ quả trực tiếp của từ biến bê tông. Tác
động thứ hai là sự tăng bề cao của vùng nén , có thể đƣợc tính gần đúng bằng cách
phân tích đàn hồi tiết diện ngang với mô đun đàn hồi của bê tông giảm xuống. Sự
tăng bề cao của vùng nén này làm cho mô men quán tính của tiết diện nứt đƣợc
tăng lên đáng kể. Sự tăng bề cao của vùng nén đối với cấu kiện đặt cốt FRP còn rõ
rệt hơn là đối với cấu kiện đặt cốt thép vì độ cứng của cốt FRP là khá nhỏ trong
những cấu kiện bê tông đặt cốt FRP thƣờng gặp. Kết quả là sự tăng độ võng theo
thời gian đối với cấu kiện bê tông đặt cốt FRP thƣờng thấp hơn sự tăng độ võng
của cấu kiện bê tông cốt thép.
Một nghiên cứu cho thấy độ võng theo thời gian của dầm đặt cốt FRP không có
cốt chịu nén, sau thời gian 6 tháng chịu tải dài hạn thì bằng 60% đến 90% độ võng
ban đầu. Độ võng phụ thêm theo thời gian đo đƣợc chỉ bằng 50% đến 75% độ võng
tính theo các phƣơng trình (5-14a) và (5-14b).
Căn cứ vào các kết quả nêu trên, một hệ số 0,6 đƣợc khuyến nghị áp dụng vào
phƣơng trình (5-14a). Do đó, với các trƣờng hợp áp dụng thông thƣờng, độ võng
dài hạn của cấu kiện có cốt FRP có thể xác định theo (5-15):
- 44 -
sus
0.6 icp sh
(5-15)
Đối với các dầm không bị nứt trƣớc khi đặt tải trọng dài hạn, phƣơng trình (5-15)
có thể cho giá trị thấp hơn thực tế đối với hệ số xét đến ảnh hƣởng thời gian. Tình
trạng này sẽ gặp ở các dầm mà phần lớn hoặc tất cả tải trọng sử dụng đều là tải
trọng dài hạn. Sự đánh giá thấp này là do sự xuất hiện thêm những khe nứt trong
dầm sau một thời gian chịu tải trọng dài hạn. Do đó, trong những trƣờng hợp mà tải
trọng dài hạn có giá trị lớn thì phƣơng trình (5-15) nên đƣợc bổ khuyết bằng các số
liệu thực nghiệm.
5.4 Phá hủy do từ biến và mỏi
Để tránh cho cốt FRP bị đứt do từ biến dƣới tác dụng của ứng suất dài hạn, do
ứng suất lặp hoặc do hiện tƣợng mỏi của cốt FRP, cần phải hạn chế mức ứng suất
trong cốt FRP khi gặp các điều kiện làm việc nhƣ vậy. Vì mức ứng suất này thƣờng
nằm trong phạm vi ứng xử đàn hồi của cấu kiện nên có thể tính toán ứng suất này
qua phân tích đàn hồi nhƣ mô tả ở H. 5.4:
d
b
c
fc
c
fu
f fu A ff fu
a= 1c0.85fcba
NA
A f
Hình 5.4 Sự phân bố ứng suất và biến dạng đàn hồi
5.4.1 Giới hạn của ứng suất phá hủy do từ biến – Để tránh cho cấu kiện có cốt FRP
bị phá hủy do đứt cốt FRP vì từ biến, cần phải quy định giới hạn ứng suất trong cốt
FRP. Ứng suất trong cốt FRP có thể tính theo phƣơng trình (5-16), với Ms là mô
men gây ra do tất cả tải trọng dài hạn tiêu chuẩn ( tải trọng tĩnh và phần dài hạn của
hoạt tải, không có hệ số vƣợt tải )
,
(1 )f
f s s
cr
n d kf M
I
(5-16)
Mô men quán tính của tiết diện có khe nứt Icr và tỉ số k của bề cao vùng nén tính
theo đàn hồi so với bề cao hữu hiệu đƣợc tính theo các phƣơng trình (5-11) và (5-
12).
- 45 -
Các giá trị an toàn của mức ứng suất dài hạn đƣợc cho trong Bảng 5.3. Các giá
trị này đƣợc căn cứ trên các giới hạn ứng suất phá hủy do từ biến đã nói ở mục
2.3.1, với hệ số an toàn dự định là 1/0,60.
Bảng 5.3 Giới hạn ứng suất đứt do từ biến trong cốt FRP
Loại sợi GFRP AFRP CFRP
Giới hạn ứng suất phá hủy
do từ biến ff,s
0,20 ffu 0,30 ffu 0,55 ffu
5.4.2 Giới hạn của ứng suất mỏi. Nếu kết cấu làm việc trong chế độ mỏi, cần phải
giới hạn ứng suất trong cốt FRP theo các giá trị ghi ở Bảng 5.3. Ứng suất trong cốt
FRP có thể tính theo phƣơng trình (5-16), với Ms là mô men do tất cả tải trọng dài
hạn cộng mô men cực đại gây ra trong một chu kì gia tải mỏi.
- 46 -
CHƢƠNG 6 THIẾT KẾ CẤU KIỆN CHỊU CẮT
Thiết kế cấu kiện chịu cắt bằng bê tông có cốt là các thanh FRP cũng tƣơng tự
nhƣ thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép. Tuy nhiên các tính chất cơ học của thanh
FRP khác với cốt thép nên ảnh hƣởng đến khả năng chịu cắt của cấu kiện. Chƣơng
này đề cập tới sức kháng cắt của dầm bê tông và của bản một phƣơng đặt cốt FRP,
sử dụng đai FRP, và khả năng chịu xuyên thủng của bản hai phƣơng có cốt FRP.
6.1 Các vấn đề chung
Khi thiết kế cấu kiện bê tông đặt cốt FRP chịu cắt, cần xét đến một số yếu tố
nhƣ sau :
- FRP có mô đun đàn hồi tƣơng đối thấp ;
- FRP có sức kháng cắt theo phƣơng ngang thấp ;
- FRP có cƣờng độ kéo cao và không có điểm chảy ;
- Cƣờng độ kéo ở chỗ uốn của thanh FRP thấp hơn nhiều so với đoạn thẳng.
6.1.1. Phương pháp thiết kế chịu cắt. Thiết kế cấu kiện đặt cốt FRP chịu cắt đƣợc
dựa trên phƣơng pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn. Hệ số giảm cƣờng độ 0,75
theo ACI 318-05 đối với khả năng chịu cắt danh nghĩa Vn của cấu kiện bê tông cốt
thép cũng sẽ đƣợc dùng cho cấu kiện đặt cốt FRP. Cƣờng độ chịu cắt tính toán Vn
phải lớn hơn lực cắt tính toán Vu tại tiết diện đang xét. Việc tính toán lực cắt lớn
nhất Vu tại các gối tựa dầm có thể đƣợc thực hiện theo các điều khoản của ACI 318-
05.
6.2 Cƣờng độ chịu cắt của cấu kiện đặt cốt FRP
Theo ACI 318-05, cƣờng độ chịu cắt danh nghĩa của tiết diện bê tông cốt thép
Vn là tổng khả năng chịu cắt của bê tông Vc và khả năng chịu cắt của cốt thép Vs .
So sánh giữa một tiết diện bê tông cốt thép và tiết diện bê tông đặt cốt FRP có
cùng diện tích cốt dọc, cấu kiện uốn đặt cốt FRP sau khi nứt sẽ có bề cao vùng nén
nhỏ hơn bởi vì độ cứng dọc trục thấp hơn ( độ cứng dọc trục là tích số giữa diện
tích cốt và mô đun đàn hồi ). Vùng nén của tiết diện ngang giảm đi và vết nứt mở
rộng hơn. Kết quả là khả năng chịu cắt do cả hai yếu tố cốt liệu chèn và bê tông
vùng nén đều giảm xuống. Các nghiên cứu khả năng chịu cắt của cấu kiện chịu uốn
không đặt cốt chống cắt cũng cho thấy cƣờng độ chịu cắt của bê tông còn chịu ảnh
hƣởng bởi độ cứng của cốt dọc (chịu uốn).
Khả năng chịu cắt của bê tông Vc trong cấu kiện chịu uốn đặt cốt FRP có thể
tính theo phƣơng trình (6-1):
'
w
2
5c cV f b c (6-1)
trong đó bw = bề rộng của sƣờn, mm và c = bề cao quy đổi của vùng nén trên tiết
diện có khe nứt, mm.
Với tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn, bề cao vùng nén c có thể tính bằng:
.c k d
- 47 -
2
2 f f f f f fk n n n
trong đó f = hàm lƣợng cốt FRP = Af /bwd
Phƣơng trình (6-1) có xét đến độ cứng dọc trục của cốt FRP thông qua bề cao
vùng nén c là một hàm số của hàm lƣợng cốt f và tỉ số mô đun nf
Phƣơng trình (6-1) có thể viết lại dƣới dạng phƣơng trình (6-1a). Dạng này cho
thấy phƣơng trình (6-1) cũng là phƣơng trình tính khả năng chịu cắt Vc của cấu kiện
bê tông cốt thép cho bởi ACI 318-05, nhƣng đã đƣợc điều chỉnh bằng hệ số [(5/2)k]
để xét đến độ cứng dọc của cốt FRP :
'
w
5
12c cV k f b d
(6-1a)
Phƣơng pháp ACI 318-05 dùng để tính toán phần tham gia chịu cắt của cốt đai
cũng áp dụng đƣợc cho cốt FRP chịu cắt. Khả năng chịu cắt của cốt đai FRP vuông
góc với trục cấu kiện có thể viết là :
fv fv
f
A f dV
s (6-2)
Mức ứng suất trong cốt FRP chịu cắt cần đƣợc hạn chế để khống chế bề rộng
khe nứt do cắt và tránh phá huỷ tại chỗ uốn của đai FRP (phƣơng trình 4-3).
Phƣơng trình (6-3) cho mức ứng suất cực hạn trong cốt FRP chịu cắt dùng trong
thiết kế :
0.004fv f fbf E f (6-3)
Khi dùng cốt chịu cắt đặt vuông góc với trục cấu kiện, khoảng cách và diện tích
cần thiết của cốt chịu cắt có thể tính theo (6-4) :
fv u c
fv
A V V
s f d
(6-4)
Khi sử dụng đai FRP đặt nghiêng chịu cắt, dùng (6-5) để tính sự tham gia của
đai FRP :
sin osfv fv
f
A f dV c
s (6-5)
Nếu dùng cốt FRP xoắn ốc chữ nhật liên tục để chịu cắt (trong trƣờng hợp này, c
là bƣớc và là góc nghiêng của đƣờng xoắn ốc), phƣơng trình (6-6) cho giá trị của
cốt xoắn :
sinfv fv
f
A f dV
s (6-6)
Cách thức phá huỷ của cấu kiện đặt cốt FRP chịu cắt có thể chia thành hai loại :
cách phá huỷ do cắt - kéo ( đặc trƣng bởi sự đứt cốt FRP chịu cắt) và cách phá huỷ
do cắt - nén ( đặc trƣng bởi bê tông trong sƣờn dầm bị vỡ). Cách thứ nhất là phá
hoại giòn , còn cách thứ hai dẫn tới độ võng nhiều hơn. Kết quả thực nghiệm cho
thấy cách thức phá huỷ phụ thuộc vào chỉ số cốt chịu cắt fv Ef , trong đó fv là hàm
lƣợng cốt FRP chịu cắt Afv / bws. Khi giá trị fvEf tăng lên, khả năng chịu cắt của cốt
FRP tăng lên và cách phá huỷ thay đổi từ cắt- kéo sang phá hủy do cắt - nén.
6.2.1 Giới hạn biến dạng kéo của cốt chịu cắt. Giả thiết cộng tác dụng giữa các khả
năng chịu cắt của bê tông và của cốt chịu cắt dùng trong thiết kế chỉ đúng khi khe
- 48 -
nứt do cắt đƣợc khống chế thích hợp. Vì vậy, biến dạng kéo của cốt FRP chịu cắt
phải đƣợc hạn chế để phƣơng pháp thiết kế của ACI 318-05 có thể áp dụng đƣợc.
Tiêu chuẩn Thiết kế Cầu Đƣờng Canada ( Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada 2000 )
hạn chế biến dạng kéo của cốt FRP chịu cắt là 0,002 mm/mm. Giá trị biến dạng này
đƣợc coi là rất an toàn : một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy có thể đạt tới giá
trị cao hơn. Dự thảo của Tiêu chuẩn bê tông châu Âu giới hạn giá trị biến dạng do
cắt trong cốt FRP là 0,0025 mm/mm. Do biến dạng lúc phá huỷ của FRP khá cao
nên ngƣời kĩ sƣ có thể dùng giá trị 0,00275 nhƣ đã cho phép trong các ấn bản ACI
318 trƣớc đây. Trong mọi trƣờng hợp, biến dạng thực của cốt FRP chịu cắt không
đƣợc vƣợt quá 0,004, và cƣờng độ tính toán không đƣợc vƣợt quá cƣờng độ của
phần uốn cong của đai ffb. Giá trị 0,004 đƣợc coi là giá trị biến dạng để đảm bảo
phát huy hiệu ứng chèn cốt liệu và khả năng chịu cắt tƣơng ứng của bê tông.
6.2.2 Lượng cốt chịu cắt tối thiểu. Tiêu chuẩn ACI 318-05 yêu cầu một lƣợng cốt
chịu cắt tối thiểu khi Vu vƣợt quá Vc /2. Yêu cầu này nhằm ngăn ngừa hoặc kiềm
chế sự phá huỷ cắt trong các cấu kiện khi mà sự hình thành vết nứt đột ngột có thể
dẫn đến nguy hiểm quá mức. Để ngăn ngừa phá huỷ giòn do cắt, cần có một lƣợng
dự trữ cƣờng độ thích hợp để đảm bảo một hệ số an toàn tƣơng tự nhƣ các điều
khoản của ACI 318-05 đối với cốt thép :
w,min 0.35fv
fv
b sA
f (6-7)
với bw và s bằng mm, ffv bằng MPa.
Lƣợng cốt tối thiểu tính theo (6-7) không phụ thuộc cƣờng độ bê tông. Nếu
dùng cốt đai bằng thép, lƣợng cốt tối thiểu là lƣợng cốt tƣơng ứng với khả năng
chịu cắt thay đổi từ 1,50Vc với fc’ bằng 17 MPa đến 1,25Vc với fc’ bằng 69 MPa.
Phƣơng trình (6-7) lấy ra từ cấu kiện bê tông cốt thép tỏ ra an toàn hơn khi dùng
với cấu kiện có cốt FRP. Chẳng hạn, khi áp dụng vào cấu kiện uốn có cốt dọc là
GFRP, khả năng chịu cắt tính theo (6-7) có thể vƣợt quá 3Vc. Tỉ số giữa khả năng
chịu cắt tính theo (6-7) và Vc sẽ giảm đi khi độ cứng của cốt dọc hoặc cƣờng độ của
bê tông tăng lên.
6.2.3 Phá huỷ cắt do bụng dầm bị ép vỡ. Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng đối với
cấu kiện có cốt FRP, sự chuyển tiếp từ cách phá huỷ do đứt cốt FRP sang phá huỷ
vì ép vỡ bê tông xảy ra với giá trị trung bình của Vc là 0,3fc’bwd, nhƣng cũng có khi
giảm thấp tới 0,18fc’bwd. Do đó, khi Vc nhỏ hơn 0,18fc’bwd, có thể xem đây là sự
phá hủy bởi đứt cốt, trong khi nếu vƣợt quá 0,3fc’bwd thì có thể xảy ra phá huỷ do
ép vỡ bê tông. Sự phân biệt rạch ròi giữa phá huỷ do đứt và phá huỷ do ép vỡ, tuy
nhiên, vẫn chƣa thật rõ ràng nên thông thƣờng giá trị giới hạn của ACI 318-05 là
(2/3)fc’bwd đƣợc coi là an toàn và khuyên dùng hơn là giá trị 0,3fc’bwd . Trong
thực tế, các hạn chế của ACI còn nhằm khống chế bề rộng khe nứt quá lớn do cắt
và nhƣ vậy ít khi đạt đến giá trị tƣơng ứng với sự ép vỡ của bụng dầm.
6.3 Cấu tạo chi tiết của đai chịu cắt
Khoảng cách tối đa của cốt đai thép thẳng đứng theo ACI 318-05 là giá trị
nhỏ hơn giữa d/2 hay 600 mm ; khoảng cách này cũng áp dụng đƣợc cho cốt FRP
- 49 -
chịu cắt đặt thẳng đứng. Giới hạn này đảm bảo cho mỗi vết nứt do cắt đều cắt qua ít
nhất một đai.
Các thử nghiệm chỉ ra rằng với mẫu có rb/db bằng không, các thanh sẽ bị phá
huỷ do cắt tại chỗ uốn cong ở mức tải trọng rất thấp. Do đó, mặc dù có thể chế tạo
đƣợc cốt FRP với góc uốn nhọn, nhƣng cần phải tránh làm nhƣ vậy. Tỉ số rb/db tối
thiểu nên lấy bằng 3. Ngoài ra, đai FRP phải khép kín với móc có uốn góc 90 độ.
Các điều khoản của ACI 318-05 về lực dính của thanh thép có móc không thể
áp dụng trực tiếp đƣợc cho các thanh cốt FRP vì tính chất cơ học khác nhau. Lực
kéo trong nhánh đai đặt thẳng đứng đƣợc truyền đến bê tông thông qua phần đuôi
ở sau móc nhƣ Hình 6.1. Khi chiều dài đuôi lthf lớn hơn 12db thì không có sự trƣợt
đáng kể và không ảnh hƣởng đến cƣờng độ kéo của nhánh đai. Do đó, khuyến nghị
dùng chiều dài đuôi tối thiểu là 12db.
Hình 6.1 Chiều dài đuôi yêu cầu của đai FRP
6.4 Cƣờng độ chịu cắt của bản bê tông cốt FRP làm việc hai phƣơng
Các thí nghiệm chứng tỏ rằng độ cứng dọc trục của cốt FRP cũng nhƣ cƣờng
độ bê tông fc’ có ảnh hƣởng đáng kể đến sự làm việc chịu cắt theo phƣơng ngang
tại chỗ liên kết giữa các cột trung gian và bản bê tông cốt FRP làm việc hai
phƣơng.
Thí nghiệm với bản bê tông riêng rẽ có cốt FRP làm việc hai phƣơng chịu tải
trọng phân bố đều cho thấy là việc tăng độ cứng của lƣới FRP lớp trên sẽ làm tăng
khả năng chịu xuyên thủng và làm giảm độ võng cực hạn của bản. Sự phá hủy do
xuyên thủng của bản có cốt thanh FRP có tính chất đột ngột và giòn. Ngƣợc lại, kết
quả thử nghiệm xuyên thủng với bản hai phƣơng đặt lƣới FRP, không phải thanh
FRP, cho thấy sẽ không có sự đột ngột giảm khả năng chịu tải khi bị phá hủy do
xuyên thủng. Không những thế, chúng còn tiếp tục hấp thụ năng lƣợng một cách ổn
định sau khi đã xảy ra phá hủy ban đầu.
Các kết quả thử nghiệm cũng cho thấy mô hình thiết kế chịu cắt của bản một
phƣơng có xét đến độ cứng của cốt có thể đƣợc điều chỉnh để xét đến sự truyền lực
- 50 -
cắt trong bản hai phƣơng. Việc điều chỉnh này dẫn đến phƣơng trình (6-8) có thể
dùng để tính toán khả năng chịu xuyên thủng trong bản bê tông cốt FRP làm việc
hai phƣơng trong trƣờng hợp bản tựa lên các cột trung gian hoặc chịu tải trọng tập
trung có chu vi dạng vuông hay tròn :
'4
5c c oV f b c (6-8)
trong đó bo = chu vi của tiết diện nguy hiểm của bản và đế móng, mm ; c = bề cao
vùng nén của tiết diện quy đổi có khe nứt, mm.
Bề cao vùng chịu nén c của bản đƣợc tính nhƣ sau :
2
.
2 f f f f f f
c k d
k n n n
f = hàm lƣợng cốt FRP
Trong phƣơng trình (6-8), bo đƣợc tính tại vị trí cách khoảng d/2 từ mặt cột.
Ngoài ra, hình dạng của tiết diện nguy hiểm lấy đồng dạng với hình dạng tiết diện
của cột.
Phƣơng trình (6-8) có thể viết lại thành (6-8a). Phƣơng trình này chỉ là phƣơng
trình cơ bản của ACI 318-05 về chịu xuyên thủng của bản bê tông cốt thép, đƣợc
điều chỉnh bằng hệ số (5/2)k để xét đến độ cứng dọc trục của cốt FRP.
'5
6c c oV k f b d
(6-8a)
Phƣơng trình (6-8) đƣợc dùng với một độ an toàn hợp lí cho bản đặt cốt FRP
làm việc hai phƣơng trong phạm vi các hàm lƣợng đặt cốt và các loại cƣờng độ bê
tông đã đƣợc thử nghiệm cho đến nay.
- 51 -
CHƢƠNG 7 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ KHÁC
7.1 Cốt chịu tác dụng của co ngót và biến thiên nhiệt độ
Cốt chịu tác dụng của co ngót và biến thiên nhiệt độ (sau đây gọi tắt là cốt chịu
co ngót và cốt nhiệt độ) dùng để hạn chế bề rộng khe nứt. Độ cứng và cƣờng độ của
thanh cốt có ảnh hƣởng lớn đến chức năng này. Vết nứt do co ngót có phƣơng
vuông góc với nhịp cấu kiện đƣợc khống chế bởi cốt chịu uốn, nhƣ vậy cốt chịu co
ngót và cốt nhiệt độ chỉ cần đặt theo phƣơng vuông góc với nhịp. ACI 318-05 yêu
cầu một hàm lƣợng cốt thép tối thiểu là 0,0020 khi dùng thép có gân cấp 40 ( 276
MPa ) hay 50 ( 345 MPa ) và 0,0018 khi dùng thép có gân cấp 60 ( 414 MPa ) hoặc
cốt thép hàn (có gân hoặc trơn). ACI 318-05 cũng yêu cầu khoảng cách của các cốt
chịu co ngót và cốt nhiệt độ không đƣợc quá 5 lần bề dày cấu kiện hoặc 500 mm.
Hiện nay chƣa có các dữ liệu thực nghiệm đủ tin cậy cho hàm lƣợng tối thiểu
của cốt FRP chịu co ngót và nhiệt độ. ACI 318-05 mục 7.12.2 đã quy định đối với
bản sử dụng cốt thép có giới hạn chảy lớn hơn 414 MPa đo tại biến dạng chảy
0,0035, thì tỉ số cốt thép trên diện tích nguyên của bê tông phải ít nhất là 0,0018
414/fy, ( với fy tính bằng MPa) nhƣng không ít hơn 0,0014. Công thức này cũng có
thể dùng lại với độ cứng và cƣờng độ của cốt FRP chịu co ngót và cốt nhiệt độ. Do
đó, khi dùng thanh gân FRP làm cốt chịu co ngót và cốt nhiệt độ, lƣợng cốt FRP có
thể xác định theo phƣơng trình (7-1) :
,
4140.0018 s
f ts
fu f
Ex
f E (7-1)
Do kinh nghiệm sử dụng còn hạn chế, nên hàm lƣợng cốt FRP chịu co ngót và
nhiệt độ tính theo (7-1) không nên lấy nhỏ hơn 0,0014, tức là giá trị nhỏ nhất mà
ACI 318-05 quy định cho cốt thép chịu co ngót và nhiệt độ. Ngƣời kĩ sƣ cũng có
thể chọn giới hạn cao hơn, tới 0,0036, cho hàm lƣợng cốt FRP chịu co ngót và nhiệt
độ hoặc tính toán hàm lƣợng dựa trên các mức biến dạng tƣơng ứng với khả năng
chịu uốn danh nghĩa mà không dùng các giá trị biến dạng tính theo (7-1). Khoảng
cách của các cốt FRP chịu co ngót và nhiệt độ không đƣợc quá 3 lần bề dày bản
hoặc 300 mm, lấy số nhỏ hơn.
7.2 Neo cốt FRP
Trong một cấu kiện chịu uốn bằng bê tông cốt thép hoặc cốt FRP, lực kéo trong
cốt cân bằng với lực nén trong bê tông. Lực kéo đƣợc truyền cho cốt thông qua lực
dính giữa cốt và bê tông bao quanh. Ứng suất dính tồn tại bất cứ khi nào lực kéo
trong cốt thay đổi. Lực dính giữa cốt FRP và bê tông phát triển theo một cơ chế
giống nhƣ đối với cốt thép và phụ thuộc vào loại FRP, mô đun đàn hồi, dạng gân bề
mặt và hình dạng của thanh FRP.
7.2.1 Sự phát triển ứng suất trong thanh thẳng. Hình 7.1 thể hiện điều kiện cân
bằng của một thanh FRP dài le chôn trong bê tông. Lực trong thanh đƣợc chống lại
- 52 -
bởi ứng suất dính trung bình u tác dụng trên bề mặt thanh. Sự cân bằng lực có thể
viết nhƣ sau :
,bare b f fl d u A f (7-2)
trong đó Af,bar là diện tích một thanh, db là đƣờng kính thanh, và ff là ứng suất phát
triển trong thanh ở đầu cuối của chiều dài chôn. Khác với cốt thép, cƣờng độ của
thanh FRP không đƣợc tận dụng hết toàn bộ, đặc biệt là khi khả năng uốn bị khống
chế bởi sự ép vỡ bê tông và ứng suất xuất hiện trong thanh tại lúc phá hủy nhỏ hơn
nhiều so với cƣờng độ cực hạn đƣợc bảo đảm của cốt. Ngoài ra, việc thay đổi từ
cách thức phá hủy do thanh đứt hay bê tông vỡ sang cách thức phá hủy do lực dính
không làm thay đổi đáng kể độ dẻo của kết cấu tại lúc phá hủy..
Hình 7.1 Truyền lực qua lực dính
Phƣơng trình tính chiều dài neo đối với cốt thép trong ACI 318-05 đƣợc thiết
lập dựa trên nhiều thí nghiệm với các mẫu thép chôn trong bê tông, có và không có
sự hạn chế nở ngang. Kết quả xử lý đã đƣa đến một phƣơng trình biểu diễn quan
hệ giữa ứng suất dính trung bình đƣợc chuẩn hóa theo căn bậc hai của cƣờng độ bê
tông nén với lớp bảo vệ đƣợc chuẩn hóa tính đến tâm của thanh C/db và chiều dài
nối chuẩn hóa db/le . Phƣơng trình này đƣợc dùng làm cơ sở cho phƣơng trình tính
chiều dài neo đối với cốt thép trong ACI 318-05.
Phƣơng pháp nghiên cứu tƣơng tự cũng đƣợc thực hiện với nhiều mẫu thử dầm,
thử mối nối với cốt FRP, đa số là cốt GFRP, gồm cả hai loại thanh quấn xoắn ốc và
thanh cốt gai, có hoặc không có cốt đai chống nở ngang. Sau một số biến đổi toán
học nhận đƣợc quan hệ dƣới đây giữa ứng suất dính trung bình chuẩn hóa với lớp
bảo vệ và chiều dài chôn ( nối chồng ) chuẩn hóa, sau khi làm tròn các hệ số
'
4.0 0.3 1000.083
b
b ec
du C
d lf (7-3)
trong đó C là giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị : bề dày lớp bảo vệ tính đến tâm thanh
và một nửa khoảng cách (tâm đến tâm) giữa các thanh đƣợc neo. Bề mặt của thanh
(thanh cuốn xoắn ốc hoặc thanh có gờ) cũng nhƣ việc có hay không có cốt chống
nở ngang gần nhƣ không ảnh hƣởng đến kết quả. Thí nghiệm cũng cho thấy trong
dầm bê tông cốt thép, khi cốt dọc là các thanh thép gân có diện tích gờ tƣơng đối
lớn thì các cốt chống nở ngang có tác dụng làm tăng lực dính nhiều hơn so với
thanh thép cùng cỡ nhƣng có diện tích gờ nhỏ hơn. Vì lí do đó, do thanh GFRP có
diện tích gờ rất nhỏ nên cốt chống nở ngang có thể không làm tăng ứng suất dính
trung bình. Tuy nhiên, ảnh hƣởng của cốt chống nở ngang đối với lực dính của
thanh GFRP cũng nên đƣợc tiếp tục nghiên cứu thêm.
- 53 -
Phƣơng trình (7-2) và (7-3) có thể dùng để tính ứng suất đạt đƣợc trong thanh
khi đã biết chiều dài chôn và lớp bảo vệ. Nhiều dữ liệu thí nghiệm đã đƣợc sử dụng
nhằm định ra một hệ số an toàn cho việc sử dụng các phƣơng trình này với xác
suất của tỷ số giá trị thí nghiệm trên giá trị dự tính nhỏ hơn 1,0 là 22%. Các dữ liệu
đó bao gồm cả hai trƣờng hợp phá hủy do tách vỡ bê tông và kéo tuột cốt, với chiều
dài chôn tối thiểu là 19db. Ngoài ra, một giá trị giới hạn là 3,5 đƣợc gán cho số
hạng C/db để có thể dùng đƣợc cùng một phƣơng trình để dự tính ứng suất phát
triển trong thanh cho cả hai cách phá hủy dính (tách vỡ bê tông hoặc tuột cốt). Khi
lớp bảo vệ chuẩn hóa có giá trị trên 3,5 và chiều dài chôn lớn hơn 19db thì dạng phá
hủy luôn luôn là tuột cốt. Khi đó biểu thức của ứng suất phát triển trong thanh là
'0.083
13.6 340c e e
fe fu
b b b
f l lCf f
d d d
(7-4)
trong đó số hạng C/db không đƣợc lấy lớn hơn 3,5 và là hệ số xét đến vị trí của
thanh (sẽ trình bày ở mục 7.2.2). Trị trung bình của tỉ số ứng suất trong thanh đo
thực tế/ ứng suất dự tính khi dùng phƣơng trình này là 1,14, với hệ số biến động là
15,8%. Với chiều dài chôn lớn hơn 100db , phƣơng trình này không thích hợp nữa
vì dữ liệu thí nghiệm không thấy sự phá hủy về dính khi chiều dài chôn lớn hơn
100db. Không nên dùng chiều dài chôn nhỏ hơn 20db .
Khi áp dụng phƣơng trình (7-4) vào thiết kế, có thể giả thiết rằng ứng suất lớn
nhất đạt đƣợc trong thanh biến đổi tuyến tính từ 0 đến giá trị tính theo (7-4) dọc
theo 20db đầu tiên của chiều dài chôn. Sau điểm này, có thể dùng (7-4) để xác định
ứng suất đạt đƣợc trong thanh dọc chiều dài chôn. Cần phải kiểm tra xem khả
năng chịu mô men tại điểm cuối của chiều dài chôn có đƣợc đảm bảo hay không.
Nếu không đạt thì phải tăng chiều dài chôn, tăng số lƣợng thanh sao cho ứng suất
trong mỗi thanh ở trạng thái cực hạn phải giảm xuống, hoặc tính lại khả năng chịu
mô men danh nghĩa có xét đến khả năng phá hủy dính nhƣ mô tả ở mục 7.1.3. Cần
lƣu ý rằng việc tăng số thanh có thể làm giảm ứng suất trong các thanh, vì số hạng
C/db giảm khi khoảng cách thanh giảm.
7.2.2 Hệ số điều chỉnh do vị trí thanh. Hệ số điều chỉnh do vị trí thanh mặc định là
1,0.
Khi đổ bê tông, không khí, nƣớc và các hạt nhỏ di chuyển lên phía trên ngang
qua bê tông. Điều này có thể làm giảm đáng kể cƣờng độ dính phía bên dƣới cốt
nằm ngang. Thuật ngữ “cốt trên đỉnh” thƣờng để chỉ thanh cốt nằm ngang có lớp bê
tông bên dƣới dày hơn 305mm tại lúc chôn vào bê tông. Các thí nghiệm với cốt
trên đỉnh có chiều dài chôn lớn hơn 16db cho kết quả nghiêng về sự phá hủy dính.
Căn cứ vào đó, hệ số trong phƣơng trình (7-4) nên lấy là 1,5 đối với những thanh
có hơn 300 mm bê tông bên dƣới.
7.2.3 Hệ số điều chỉnh vật liệu. Số liệu thí nghiệm (tuy còn hạn chế) cho thấy
chiều dài neo của các thanh AFRP cũng gần tƣơng tự nhƣ của các thanh GFRP. Do
đó, các phƣơng trình về chiều dài neo cũng dùng đƣợc với thanh AFRP mà không
cần thêm hệ số điều chỉnh vật liệu. Còn đối với các thanh CFRP, do có độ cứng lớn
- 54 -
hơn nhiều nên chiều dài neo cần thiết cũng nhƣ hệ số điều chỉnh vật liệu có thể lấy
giảm xuống. Hiện tại, do chƣa đủ số liệu thí nghiệm đối với thanh CFRP, nên
khuyến nghị vẫn dùng hệ số vật liệu là 1,0.
7.2.4 Khả năng chịu mô men danh nghĩa trên tiết diện nguy hiểm về lực dính. Tiết
diện đƣợc coi là nguy hiểm về lực dính là tiết diện mà tại đó ứng suất lớn nhất đạt
đƣợc trong thanh FRP bị giới hạn bởi phƣơng trình (7-4). Trong trƣờng hợp này,
khả năng chịu mô men danh nghĩa cần đƣợc tính toán lại theo điều chỉnh của
phƣơng pháp đã mô tả ở Mục 5.2. Khi trị số ứng suất có thể phát triển trong thanh
bị hạn chế bởi lực dính, hai cách thức phá hủy có thể xảy ra là vỡ bê tông và hỏng
do bám dính. Khả năng chịu mô men đối với trƣờng hợp phá hủy do vỡ bê tông có
thể tính toán theo phƣơng trình (5-5). Phƣơng trình này đƣợc áp dụng nếu ứng suất
có thể xuất hiện trong thanh ( ffe xác định từ (7-4) ) lớn hơn hay bằng ứng suất
trong thanh đƣợc xác định theo (5-4d). Khi < fb hoặc > fb và ứng suất trong
thanh tính theo phƣơng trình (5-4d) không thể đạt đƣợc thì khả năng chịu mô men
đối với trƣờng hợp phá hủy do bám dính có thể đƣợc xác định bằng phƣơng trình
(5-6b), trong đó ffe tính theo phƣơng trình (7-4) sẽ thay thế cho ffu và ffe /E thay thế
cho fu trong (5-6c). Hệ số giảm cƣờng độ khi uốn bằng 0,55 đƣợc khuyến nghị áp
dụng đối với trƣờng hợp phá hủy do bám dính.
7.3Chiều dài neo của thanh uốn
Các điều khoản của ACI 318-05 về chiều dài neo của thanh thép có móc không
áp dụng đƣợc cho thanh FRP vì các đặc trƣng vật liệu khác nhau.
Dựa trên kết quả thí nghiệm với các thanh FRP có móc, một biểu thức cho chiều
dài neo lbhf của thanh uốn móc 900 đƣợc đề xuất nhƣ sau :
4
'
bbhf
c
dl K
f (7-5)
Hệ số K4 để tính chiều dài neo trong phƣơng trình ( 7-5 ) lấy bằng 150 đối với
thanh có ffu nhỏ hơn 517 MPa. Hệ số này cần phải nhân với ffu /517 đối với các
thanh có cƣờng độ kéo nằm giữa 517 MPa và 1034 MPa.
Khi lớp bảo vệ phía hai bên (vuông góc với mặt phẳng của móc) lớn hơn 64
mm và lớp bảo vệ phía đầu móc không nhỏ hơn 50 mm thì có thể nhân thêm với hệ
số 0,7. Các hệ số điều chỉnh này cũng tƣơng tự nhƣ các hệ số trong ACI 318-05,
mục 12.5.3 cho các thanh thép có móc. Các phƣơng trình (7-6) dƣới đây đƣợc đề
xuất để tính chiều dài neo của các thanh có móc, có xét đến điều kiện số liệu thí
nghiệm chƣa tích lũy đƣợc nhiều:
- 55 -
'
'
'
165 520
520 1040 3.1
330 1040
bfu
c
fu bbhf fu
c
bfu
c
dkhi f MPa
f
f dl khi f MPa
f
dkhi f MPa
f
(7-6)
trong đó lbhf tính bằng mm, ffu và fc’ bằng MPa và db bằng mm.
Giá trị tính đƣợc theo (7-6) không đƣợc nhỏ hơn 12db hay 230 mm. Các trị số
này là dựa trên những kết quả thí nghiệm cho thấy lực kéo và sự chống trƣợt của
thanh có móc là có trị số ổn định xung quanh giá trị 12db. Chiều dài của đuôi móc,
lthf (hình 6.1), không đƣợc nhỏ hơn 12db . Chiều dài đuôi móc lớn hơn có ảnh
hƣởng không đáng kể đến lực kéo cực hạn và sự chống tuột của móc. Để tránh sự
phá hủy do cắt tại chỗ uốn, bán kính uốn không đƣợc lấy nhỏ hơn 3db.
7.4 Chiều dài neo của cốt chịu mô men dƣơng
Nói chung, các yêu cầu của Mục 12.10 và 12.11 của ACI 318-05 cũng phải
đƣợc tuân thủ đối với cốt FRP nhƣng kèm theo những thay đổi nhƣ sau : đối với
thanh thẳng, ứng suất đạt đƣợc trong thanh ffr sẽ là trị số nhỏ nhất trong số các giá
trị: ffu , ứng suất cho bởi phƣơng trình (5-4d), và ứng suất cho bởi phƣơng trình (7-
4). Chiều dài neo đối với thanh thẳng đƣợc xác định nhƣ là chiều dài bám dính cần
thiết để đạt đƣợc trị số ứng suất ffr và cho bởi :
'
3400.083
13.6
fr
c
d b
b
f
fl d
C
d
(7-7)
Do có hệ số giảm cƣờng độ so với thép, nên quy định cho chiều dài neo của cốt
chịu mô men dƣơng tại các điểm uốn và gối tựa đơn giản cho trong ACI 318-05
(Mục 12.11.3) đƣợc đổi thành :
nd a
u
Ml l
V
(7-8)
trong đó Mn là khả năng chịu mô men danh nghĩa với giả thiết là mọi thanh cốt tại
tiết diện đều đạt ứng suất bằng ứng suất yêu cầu của thanh ffr ; Vu là lực cắt tính
toán tại tiết diện ; và la là đoạn chôn kéo qua tâm gối tựa, nếu xét tại gối tựa hoặc
la , nếu xét tại điểm uốn, lấy bằng trị số lớn hơn giữa hai trị số : bề cao hữu hiệu của
cấu kiện và 12db. Giá trị Mn/Vu có thể tăng lên 30% khi các điểm cuối của thanh
cốt chịu ảnh hƣởng của phản lực nén. Yêu cầu về chiều dài neo nói trên có thể
không cần phải tuân thủ nếu nhƣ các tính toán chi tiết chứng tỏ rằng khả năng chịu
mô men của tiết diện lớn hơn các trị số mô men tính toán trên suốt chiều dài neo.
- 56 -
7.5 Mối nối chồng chịu kéo
ACI 318-05, Mục 12.15 phân biệt hai loại mối nối chồng chịu kéo tùy thuộc
vào số lƣợng các thanh đƣợc nối trên một đoạn dài định sẵn và vào ứng suất trong
các thanh trong phạm vi mối nối. Đối với cốt thép, chiều dài mối nối chồng loại A
là 1,0 ld và loại B là 1,3ld . Sự phân loại này áp dụng không thích hợp cho FRP vì
không bao giờ sử dụng hết toàn bộ cƣờng độ chịu kéo của thanh. Tuy nhiên để tăng
mức độ an toàn nên các mối nối đều lấy theo loại B. Chiều dài neo tối thiểu này
cũng đã đƣợc kiểm chứng qua thí nghiệm nối chồng đối với cốt FRP chịu kéo. Vì
vậy trị số 1,3ld nên đƣợc dùng cho tất cả các mối nối chồng.
7.6 Bản đặt trên đất
7.6.1 Bản bê tông không đặt cốt. Bản bê tông không cốt đặt trên đất truyền trực tiếp
tải trọng xuống đất nền, nên gần nhƣ không chịu lực, chỉ cần đƣợc thiết kế để
không bị nứt dƣới tải trọng sử dụng. Để làm giảm nứt do co ngót, phải hạn chế
khoảng cách giữa các khe co ngót và khe thi công (mạch ngừng). Chi tiết thiết kế
bản bê tông không cốt có thể tham khảo ACI 360R (Thiết kế bản đặt trên đất).
7.6.2 Bản bê tông có cốt chịu co ngót và cốt nhiệt độ. Khi thiết kế một bản bê tông
có cốt chịu co ngót và cốt nhiệt độ, cần coi nó nhƣ bản bê tông không có cốt để xác
định bề dày. Bản đƣợc giả thiết là không nứt khi có tải trọng sử dụng đặt lên trên
mặt. Bề rộng và khoảng cách các vết nứt co ngót đƣợc hạn chế bởi một lƣợng danh
nghĩa cốt FRP phân bố đặt tại nửa trên của bản. Mục đích chủ yếu của cốt chịu co
ngót là khống chế bề rộng của mọi vết nứt hình thành giữa các khe. Cốt chịu co
ngót không ngăn đƣợc nứt, cũng không làm tăng đáng kể khả năng chịu uốn của
bản. Tăng bề dày bản có thể tăng đƣợc khả năng chịu uốn.
Mặc dù bản đƣợc thiết kế để không nứt khi chịu tải trọng sử dụng, các thanh cốt
vẫn đƣợc dùng để hạn chế khoảng cách và bề rộng vết nứt, cho phép tăng khoảng
cách giữa các khe (co ngót và thi công), tăng khả năng truyền tải tại các khe và tạo
thêm mức độ an toàn sau khi xảy ra nứt do co ngót và nhiệt độ.
Phƣơng pháp biến dạng nền thƣờng đƣợc dùng để xác định lƣợng cốt chịu co
ngót và nhiệt độ không căng trƣớc, nhƣng không áp dụng đƣợc khi các sợi đƣợc
căng trƣớc hoặc sợi bố trí không có quy luật. Khi dùng cốt thép, phƣơng trình theo
phƣơng pháp nói trên là :
2
s
s
LwA
f
(7-9)
trong đó
As = diện tích tiết diện thép trên mét dài, mm2/m ;
fs = ứng suất cho phép của cốt thép, MPa, thƣờng lấy bằng 2/3 đến 3/4của fy ;
= hệ số ma sát nền (1,5 đối với bản sàn trên đất) ;
L = khoảng cách giữa các khe, m ;
w = trọng lƣợng bản thân của bản, N/m2 (thƣờng giả thiết bằng 24 N/m
2 cho một
mm bề dày bản).
Vì mô đun đàn hồi của cốt FRP thấp hơn cốt thép, nên khi thiết kế cốt FRP chịu
co ngót và nhiệt độ, phƣơng trình chủ đạo nên dựa vào biến dạng chứ không dựa
- 57 -
vào mức ứng suất. Tại ứng suất cho phép, biến dạng trong cốt thép là xấp xỉ 0,0012
; sử dụng giá trị biến dạng này vào cốt FRP sẽ có ứng suất là 0,0012Ef và phƣơng
trình (7-9) đƣợc viết thành :
,
2 0.0012f sh
f
LwA
E
(7-10)
trong đó Af,sh là diện tích tiết diện của cốt FRP, mm2 trên mét dài.
Phƣơng trình (7-10) cũng có thể dùng để tính khoảng cách L giữa các khe ứng
với một lƣợng cốt FRP đã định trƣớc. Hiện nay chƣa có các dữ liệu thí nghiệm
công bố về bản bê tông đặt trên đất sử dung cốt FRP, nên phƣơng pháp tính này cần
đƣợc nghiên cứu, kiểm chứng thêm.
- 58 -
CHƢƠNG 8 THI CÔNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT FRP
8.1 Chỉ dẫn chung
Các thanh FRP đƣợc chế tạo ở nhà máy rồi đƣợc chuyên chở đến kho công
trƣờng. Việc thi công tiếp theo gồm thao tác bốc xếp, lắp đặt các thanh, đổ bê tông.
Các công việc này phải đƣợc thực hiện sao cho ít gây hƣ hại nhất cho các thanh
FRP. Tƣơng tự nhƣ thanh thép bọc epoxy, các thanh FRP phải đƣợc thao tác cẩn
thận hơn so với cốt thép thông thƣờng.
Nhƣ đã nói ở Chƣơng 1, ngoài Tài liệu gốc là Bản chỉ dẫn ACI 440.1R, còn có
một Tiêu chuẩn khác là Specification for Construction with Fiber-Reinforced
Polymer Reinforcing Bars ACI 440-5-08 (Chỉ dẫn kỹ thuật để thi công các thanh
cốt FRP) Tiêu chuẩn này cũng đƣợc viết gộp vào Chƣơng này với chữ in nghiêng
và lùi vào đầu dòng để phân biệt với Tài liệu gốc.
8.2 Sản phẩm chế tạo ở nhà máy
8.2.1 Vật liệu
8.2.1.1 Thanh FRP. Thanh FRP làm cốt có dạng là thanh có gân, bọc
cát hoặc kết hợp cả hai để tăng dính kết với bê tông. Tổng số các hư
hại nhìn thấy trên một mét dài thanh không được vượt quá 2% diện
tích bề mặt thanh trên mét dài thanh. Độ sâu của hư hại cho phép
không quá 1mm. Có thể dùng cốt dưới dạng lưới do các thanh FRP
ghép sẵn với nhau.
8.2.1.2 Miếng kê cốt FRP. Dùng miếng kê cốt FRP làm từ vật liệu
điện môi ( cách điện ), hoặc nếu bằng sắt thì bọc bằng vật liệu điện
môi, như epoxy hoặc polyme khác. Nếu miếng kê là bê tông đúc sẵn
thì phải có diện tích không dưới 25 cm2 với cường độ nén và tuổi thọ
bằng hay lớn hơn so với bê tông sắp đổ.
8.2.2 Chế tạo. Không cho phép chế tạo tại hiện trường, trừ việc buộc
thanh, cắt thanh theo bản vẽ thi công. Việc cắt thanh FRP ở hiện
trường phải làm theo mục 8.4
8.3 Thi công
8.3.1 Vận chuyển và lưu kho. Thanh FRP khá nhạy cảm với các hƣ hại bề mặt.
Chọc thủng bề mặt có thể làm giảm đáng kể cƣờng độ của thanh FRP. Trong
trƣờng hợp thanh GFRP, bề mặt hƣ hại có thể làm giảm độ lâu bền do bị kiềm thâm
nhập. Các chỉ dẫn dƣới đây đƣợc khuyến nghị dùng, nhằm giảm thiểu hƣ hại thanh
và gây tổn thƣơng cho ngƣời vận chuyển.
- Phải bốc xếp các thanh FRP bằng găng tay để tránh tổn thƣơng cho ngƣời do
các sợi lộ ra ngoài hoặc do cạnh sắc ;
- Khi lƣu kho không đƣợc để thanh FRP trên đất. Phải có giá kê bên dƣới
thanh để giữ sạch và dễ thao tác ;
- Cần tránh nhiệt độ cao, tia cực tím và các hoá chất (ví dụ dung môi, xăng) vì
có thể làm hƣ hại thanh ;
- 59 -
- Khi thanh bị nhiễm bẩn bởi chất bôi trơn ván khuôn hay hoá chất khác, phải
đƣợc lau sạch bằng dung môi trƣớc khi đặt thanh trong ván khuôn. Cần cẩn
thận khi chọn dung môi và tham khảo ý kiến của nhà sản xuất vì có nhiều
dung môi trên thị trƣờng có thể làm hƣ hại thanh FRP nhƣ là MEK, cacbon
đisunfua, cacbon tetraclorua, xăng (đối với một vài polyme)…và thậm chí cả
nƣớc cất ;
- Nếu cần, có thể dùng đòn cẩu để cẩu đƣợc thanh FRP mà không bị uốn
nhiều;
- Khi cần thiết, có thể cắt thanh bằng máy cắt kiểu mài tốc độ cao (tốc độ
không tải tối thiểu là 600 vòng/phút) hoặc cƣa lƣỡi mỏng. Không đƣợc cắt
thanh bằng máy cắt dao. Nên dùng mặt nạ chống bụi, găng tay và kính bảo
vệ mắt khi cắt.
(Xem quy định bổ sung về cắt ở mục 8.4.2 2)
8.3.2 Lắp đặt và buộc cốt FRP
Nói chung, lắp đặt cốt FRP cũng tƣơng tự nhƣ lắp đặt cốt thép, nên cũng phải
tuân theo các kỹ thuật chung về thi công và dung sai, (xem ACI 117 Tiêu chuẩn
về dung sai đối với kết cấu và vật liệu bê tông), ngoại trừ một số quy định riêng do
kĩ sƣ đặt ra, nhƣ dƣới đây :
- Cốt FRP cần đặt trên các miếng kê có cùng tính chất sử dụng nhƣ thanh cốt
(ví dụ không bị ăn mòn, không có từ tính), trừ khi điều kiện riêng của công
trình chấp nhận việc dùng các miếng kê thông dụng. Yêu cầu về miếng kê
phải đƣợc nói rõ trong quy định kỹ thuật của thiết kế ;
- Cốt FRP phải đƣợc cố định không xê dịch khi đổ bê tông. Dùng dây buộc
có vỏ bọc, dây chất dẻo hay nilông, kẹp bấm bằng chất dẻo để buộc cốt. Yêu
cầu về dây phải đƣợc nói rõ trong quy định kỹ thuật của thiết kế ;
- Không đƣợc uốn thanh FRP rắn nhiệt đã lƣu hoá tại hiện trƣờng. Đối với các
loại FRP khác, cần tuân theo chỉ dẫn của nhà sản xuất ;
- Khi cần có cốt liên tục, có thể dùng mối nối chồng. Chiều dài nối chồng thay
đổi tuỳ theo cƣờng độ bê tông, cấp cƣờng độ của thanh, cỡ thanh, bề mặt
thanh, khoảng cách thanh và lớp bê tông bảo vệ. Chi tiết nối chồng phải
đƣợc thực hiện theo Chƣơng 7 Tài liệu này. Hiện tại chƣa có liên kết kiểu cơ
khí
8.4 Bổ sung các điều khoản của ACI 440.5-08 về thi công
8.4.1 Lắp đặt và buộc cốt FRP
8.4.1.1 Dung sai đặt cốt. Vị trí cốt, miếng kê, buộc cốt theo như chỉ
dẫn ở bản vẽ. Không được vượt quá dung sai đặt cốt quy định tại ACI
117 trước khi đổ bê tông. Dung sai đặt cốt không được làm giảm yêu
cầu về lớp bảo vệ, ngoại trừ quy định khác của ACI 117. Khi cần di
chuyển đặt lại cốt vượt quá dung sai để tránh giao nhau với các cốt
khác, với đường ống dẫn hoặc vật chôn khác, phải đệ trình cách bố
trí cốt mới để được chấp thuận.
8.4.1.2 Lớp bê tông bảo vệ. Trừ khi có quy định khác, lớp bê tông bảo
vệ cho cốt FRP phải tuân theo số liệu trong Bảng 8.1. Bảng này quy
- 60 -
định về lớp bê tông bảo vệ đối với mọi điều kiện phơi lộ, trừ khi có
yêu cầu thêm về chống cháy. Đối với các thanh FRP ghép thành bó,
lớp bê tông bảo vệ phải bằng đường kính tương đương của bó, nhưng
không nên lớn quá 50 mm và không được nhỏ hơn giá trị theo Bảng
8.1. Đường kính tương đương của bó được tính theo diện tích tổng
cộng của các thanh trong bó. Dung sai về lớp bê tông bảo vệ phải
tuân theo yêu cầu của ACI 117.
8.4.1.3 Miếng kê và buộc cốt FRP. Dùng miếng kê bằng bê tông đúc
sẵn để đỡ các thanh cốt khỏi mặt đất hoặc bùn. Nếu giữ cốt FRP
bằng dây thì dây phải được mạ điện, bọc bằng vật liệu điện môi hoặc
làm bằng vật liệu điện môi (kể cả vật liệu FRP) để giữ cốt FRP.
Cốt thép và vật chôn bằng thép dùng cùng với cốt FRP phải được phủ
kẽm (mạ điện) hoặc bọc bằng vật liệu phi kim loại, hoặc là thép
không gỉ, hoặc có vỏ bọc thép không gỉ. Trong trường hợp thanh
CFRP, thì lớp phủ kẽm, thép không gỉ hay vỏ bọc thép không gỉ
không được tiếp xúc trực tiếp với thanh CFRP.
Khi miếng kê bê tông đúc sẵn đỡ cốt FRP có dây thép hay thanh thép
thì dây thép và thanh thép phải được bọc bằng chất điện môi hoặc
bằng thép không gỉ.
Nếu dùng cốt thanh đỡ cốt FRP thì cốt đó phải bọc epoxy hoặc là cốt
FRP.
Trong tường, các thanh giằng phải được bọc epoxy hoặc làm bằng
FRP. Khi sử dụng các neo bằng kẹp kim loại kết hợp với các thanh
giằng trong tường có cốt FRP thì các bộ phận này phải làm bằng vật
liệu chống ăn mòn hay bọc bằng vật liệu điện môi.
Dây buộc phải làm bằng chất dẻo hay bọc polyme. Trường hợp cần
trung hoà điện từ hoàn toàn, các thanh GFRP phải được buộc tại chỗ
bằng dây buộc chất dẻo. Hoặc được phép dùng kẹp bằng chất dẻo
rắn phun trong khuôn.
8.4.1.4 Cốt dạng lƣới. Trong bản nằm trên đất, lưới cốt FRP được
trải cách mép bê tông khoảng 50 mm. Mép nối chồng và mép lưới
FRP phải được thể hiện trên bản vẽ thiết kế. Trừ khi có quy định
khác, không được kéo lưới cốt FRP đi qua khe co ngót. Phải kê lưới
cốt FRP trong lúc đổ bê tông để giữ đúng độ cao quy định trong bản.
Không được đặt lưới FRP trên nền dốc rồi sau đó nhấc vào vị trí đổ
bê tông.
.
Bảng 8.1 Lớp bê tông bảo vệ cho cốt FRP
Lớp bảo vệ, mm
Bản và dầm phụ
Cốt lớp trên và lớp dưới
- 61 -
Cỡ thanh No10 và nhỏ hơn ( Đường kính danh
nghĩa 32mm và nhỏ hơn )
19
Bê tông đổ trực tiếp trên đất (không có ván khuôn), bản đỡ đất đắp
Cỡ thanh No5 và nhỏ hơn ( Đường kính danh
nghĩa 16mm và nhỏ hơn )
38
Cỡ thanh No6 đến No10 ( Đường kính danh
nghĩa 19mm đến 32mm )
50
Dầm
Đai, đai xoắn ôc và dây buộc 38
Cốt chủ 50
Cấu kiện tiếp xúc với đất
Đai và dây buộc 50
Cốt chủ 63
Tường
Cỡ thanh No10 và nhỏ hơn ( Đường kính
danh nghĩa 32mm và nhỏ hơn )
19
Bề mặt bê tông tiếp xúc với đất 50
Móng và bản đế
Bê tông đổ trên nền bê tông lót 50
Bê tông đổ trực tiếp trên nền đất 75
Cốt lớp trên của móng Như đối với bản
Cốt đặt trên đầu cọc 50
8.4.1.5 Uốn và nắn thẳng. Nếu bản vẽ yêu cầu có thanh uốn thì việc
uốn thanh phải được thực hiện trong lúc chế tạo. Không cho phép
uốn hay nắn thẳng thanh trên hiện trường. Bán kính trong tối thiểu
của chỗ uốn tại nhà máy phải phù hợp với Bảng 8.2. Ngoài ra, điểm
bắt đầu của chỗ uốn phải cách xa mặt bê tông ít nhất bằng đường
kính tối thiểu của chỗ uốn.
8.4.1.6 Cốt FRP qua khe giãn nở. Không cho cốt FRP hoặc các vật
khác bằng FRP dính kết với bê tông đi qua khe giãn nở. Cốt FRP kéo
qua khe giãn nở hay băng chặn nước phải không dính hoặc chỉ dính
với một bên của khe giãn nở hay của băng chặn nước.
Bảng 8.2 Bán kính tối thiểu của thanh uốn tại nhà máy
Cỡ thanh FRP Đường kính trong tối thiểu của
chỗ uốn
Cỡ thanh No3 đến No8 ( Đường kính
danh nghĩa 10mm đến 25mm )
Ba lần đường kính thanh
Cỡ thanh No9 và No10 ( Đường kính
danh nghĩa 29mm và 32mm )
Bốn lần đường kính thanh
- 62 -
8.4.2 Sửa chữa và cắt thanh FRP tại hiện trƣờng.
8.4.2.1 Sửa chữa thanh FRP. Thanh FRP bị hư hại như nhìn thấy sợi
(không phải ở chỗ cắt đầu thanh), có vết cắt hay khiếm khuyết sâu
hơn 1 mm phải bị loại bỏ. Hư hại nhìn thấy được của thanh vượt quá
2% diện tích bề mặt thanh, nếu không bị các kỹ sư đề nghị loại bỏ,
thì phải được sửa chữa. Chỗ thanh FRP hư hại có thể được chữa
bằng cách chồng một đoạn thanh mới tại chỗ hư hại với chiều dài
chồng thích hợp về cả hai phía..
8.4.2.2 Cắt thanh FRP tại hiện trƣờng. Việc cắt thanh FRP tại hiện
trường chỉ được thực hiện sau khi có sự cho phép hoặc chấp thuận
của kỹ sư. Không được cắt thanh bằng máy cắt dao hoặc bằng kéo.
Đầu cắt phải được trám kín nếu nhà sản xuất hoặc kỹ sư yêu cầu.
Mọi hư hại bề mặt do cắt phải được báo cáo với kỹ sư và phải được
sửa chữa.
8.4.3 Đổ bê tông
Nếu cốt FRP chưa được kê buộc chắc chắn để chống tụt hay trồi, hay
chuyển dịch về bất cứ phương nào trong khi đổ bê tông, thì việc đổ bê
tông phải ngừng lại cho đến khi cố định xong.
8.5 Giám sát và kiểm tra chất lƣợng
Việc kiểm tra chất lƣợng cần đƣợc thực hiện từ lúc thử nghiệm lô thanh FRP.
Nhà sản xuất cần cung cấp thông tin về việc theo dõi thử nghiệm của lô vật liệu
hoặc của tiến trình sản xuất. Có thể sử dụng các thử nghiệm tiến hành bởi nhà sản
xuất hoặc bởi một bên thứ ba thử nghiệm độc lập.
Mọi thử nghiệm cần đƣợc thực hiện theo các phƣơng pháp mà ACI 440.3R
khuyến nghị. Các thử nghiệm về đặc trƣng vật liệu để xác định các tính chất sau
đây cần đƣợc thực hiện ít nhất một lần trƣớc và sau mỗi khi thay đổi trong quá trình
sản xuất hay vật liệu :
- Cƣờng độ kéo, mô đun đàn hồi kéo và biến dạng tỉ đối cực hạn ;
- Cƣờng độ mỏi ;
- Cƣờng độ bám dính ;
- Hệ số giãn nở nhiệt ;
- Độ bền trong môi trƣờng kiềm.
Để đánh giá việc kiểm tra chất lƣợng của một lô thanh FRP riêng lẻ, khuyến
nghị nên xác định lại cƣờng độ kéo, mô đun đàn hồi kéo và biến dạng tỉ đối cực
hạn. Khi có yêu cầu, nhà sản xuất cần cung cấp giấy chứng nhận sự phù hợp cho
mỗi lô thanh FRP bất kì, cùng với sự mô tả quy trình thử nghiệm.
- 63 -
CHƢƠNG 9 THÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM
Thí dụ sau trình bày cách thiết kế dầm theo phƣơng pháp trạng thái giới hạn nêu
trong tài liệu này và dùng các hệ số vƣợt tải theo ACI 318-05.
Dầm tựa đơn giản, bằng bê tông nặng có fc’ = 27,6 MPa, Ec = 4750√f’c =
2,49.104 MPa, dùng để đỡ một thiết bị cộng hƣởng từ dùng trong y tế. Dầm đặt bên
trong nhà, chịu hoạt tải sử dụng là wLL = 5,8 kN/m (trong đó 20% dài hạn) và tải
trọng tĩnh phụ thêm wSDL = 3,0 kN/m. Nhịp dầm 3,35 m. Độ võng của dầm không
đƣợc vƣợt quá 1/240 nhịp là giới hạn của độ võng dài hạn. Bề cao dầm không đƣợc
lớn hơn 350 mm do yêu cầu xây dựng. Dùng các thanh GFRP làm cốt, các tính chất
của vật liệu thanh do nhà sản xuất thông báo đƣợc cho trong Bảng 9.1.
Phƣơng pháp thiết kế trình bày ở đây cũng có thể áp dụng cho các thanh CFRP và
AFRP với các tính chất vật liệu do nhà sản xuất thông báo, giống nhƣ trong Bảng
9.1.
Bảng 9.1 Tính chất của thanh GFRP do nhà sản xuất thông báo
Cƣờng độ kéo ffu* 620,6 MPa
Biến dạng tỉ đối khi đứt fu* 0,014
Mô đun đàn hồi Ef 44 800 MPa
Trình tự Tính toán
Bƣớc 1- Ƣớc tính kích thƣớc hợp lí của
tiết diện dầm
Bề cao của dầm bê tông tựa đơn giản có
thể sơ bộ lấy theo Bảng 5.2
10
lh
3.350.335 m
10
mh
Giá trị cho trong bảng chỉ là để thiết kế
sơ bộ, chọn h = 305 mm
Chọn h = 305 mm < 335 mm
Giả thiết thanh chủ 16mm, thanh chịu cắt
9,5 mm. Lớp bảo vệ 38 mm
Ƣớc tính bề cao hữu hiệu của tiết diện,
với lớp bảo vệ 38 mm
Bề rộng tối thiểu là 178 mm khi dùng 216
hoặc 219 và đai 9,5.
Chọn b = 178 mm
Ƣớc tính
d = h lớp bảovệ db,shear db/2 16305 38 9.5 250
2
mmd mm mm mm mm
Bƣớc 2- Tính tải trọng tính toán
Tải trọng tĩnh phân bố đều bao gồm cả
- 64 -
trọng lƣợng bản thân dầm
DL SDL SWw w w
3
3.0 / 0.178m
0.035 24 / 4.3 /
DLw kN m
m kN m kN m
Tính tải trọng phân bố đều tính toán và
mô men lớn nhất
1.2 1.6u DL LLw w w
1.2 4.3 / 1.6 5.8 /
14.4 kN/m
u
u
w kN m kN m
w
2
8
uu
w lM
2
14.4 / 3.3520.2
8u
kN m mM kNm
Bƣớc 3- Tính cƣờng độ kéo đứt thiết
kế của thanh FRP
Dầm đặt trong nhà. Do đó, hệ số giảm
do môi trƣờng CE đối với thanh GFRP
theo Bảng 4.1 là 0,80 : *
fu E fuf C f
0.8 620.6 496fuf MPa MPa
Bƣớc 4- Xác định diện tích thanh
GFRP chịu uốn
Tìm hàm lƣợng cốt chịu uốn bằng cách
tính thử dần theo các phƣơng trình (5-1),
(5-4d) và (5-5)
Giả thiết lƣợng cốt FRP ban đầu
Hai thanh 16
Tính hàm lƣợng cốt FRP cân bằng :
'
10.85 .f cuc
fb
fu f cu fu
Ef
f E f
27.6MPa0.85 0.85
496
44800 0.003.
44800 0.003 496
0.0086
fb
fb
MPa
MPa
MPa MPa
f
f
A
bd
24000.009
178 250f
mm
mm mm
2
'
10.85. 0.5
4
f cu cf f cu f cu
f
E ff E E
Đặt
- 65 -
2
4
f cuEA
2
44800 0.0034516
4
MPaA
'
10.85. cf cu
f
fB E
0.85. 0.85 27.644800 0.003
0.009
297800
MPaB MPa
0.5 f cuC E 0.5 44800 0.003 67.2C MPa
Do đó
2
'1- 0.59
f
f f
n f f
c
f A B C
fM f bd
f
2
4516 297800 67.2 483
0.009 483
0.009 483 . 1- 0.59
27.6
.(178mm)(250mm) 43.9
f
n
f MPa
M MPa
MPa
MPa
kNm
Tính hệ số giảm cƣờng độ ( 5-7):
0.3 0.25. khi < <1.4f
fb f fb
fb
0.009
0.3 =0.5624 0.0086
Kiểm tra
n uM M 0.562 43.9
24.7 20.2
n
n u
M kNm
M kNm M kNm
Bƣớc 5- Kiểm tra bề rộng khe nứt
Tính mức ứng suất trong thanh FRP do
tải trọng tĩnh và hoạt tải tiêu chuẩn
2
2
8
8
DLDL
LLLL
DL LL DL LL
lM
lM
M M M
2
2
4.3 3.356.03 kNm
8
5.8 3.358.14
8
6.03 8.14 14.17
DL
LL
DL LL
M
M kNm
M kNm
'4750
f f
f
c c
E En
E f
448001.8
4750 27.6
f
f
c
E MPan
E MPa
2
2
1 / 3
f f f f f f
DL LLf
f
k n n n
Mf
A d k
2
6
2
2 0.009 1.8 0.009 1.8
0.009 1.8 0.165
14.17x10149.9
400 250 1 0.165 / 3f
k
Nmf MPa
mm mm
Xác định tỷ số biến dạng để chuyển biến
dạng ở mức cốt FRP đến bề mặt chịu kéo
của dầm khi bị nứt
- 66 -
(1 )
h kd
d k
305 - 0.165 2501.263
250 1-0.165
mm mm
mm
Tính khoảng cách từ thớ biên chịu kéo
của bê tông đến tâm của cốt chịu kéo
cd h d 305 250 55cd mm mm mm
Tính khoảng cách giữa các thanh
2 cs b d 178 2 55 68s mm mm mm
Tính bề rộng khe nứt từ phƣơng trình (5-
9), dùng giá trị khuyến nghị kb = 1,4 đối
với thanh có gân
2
222
f
b c
f
f sw k d
E
2
2
149.92 1.263 1.4
44800
6855 0.77 0.7
2
MPaw
MPa
mmmm mm mm
Không đạt !
Giới hạn bề rộng khe nứt lúc này có tính
chất quyết định đối với thiết kế.
→ Tăng lƣợng cốt FRP
Lƣu ý rằng nếu dùng thanh đƣờng kính nhỏ
hơn thì sẽ hạn chế đƣợc nứt. Ví dụ dùng 3
thanh 12,7 thì có cùng diện tích FRP và gần
nhƣ cùng bề cao hữu hiệu, tuy nhiên bề rộng
của dầm có thể phải tăng.
Giữ nguyên b = 178 mm
Chọn lại: 219, có Af = 567 mm2
Ƣớc tính:
d=h-lớp bảo vệ-db,shear -2
bd
19305 38 9.5 248
2d mm
f
f
A
bd
25670.0128
178 248f
mm
mm mm
Tính lại khả năng chịu lực :
2
'
10.85. 0.5
4
f cu cf f cu f cu
f
E ff E E
Đặt
2
4
f cuEA
2
44800 0.0034516
4
MPaA
- 67 -
'
10.85. cf cu
f
fB E
0.85. 0.85 27.644800 0.003
0.0128
209.400
MPaB MPa
0.5 f cuC E 0.5 44800 0.003 67.2C MPa
Do đó
ff A B C
4516 209.40 67.2 395.3ff MPa
2
'1-0.59
f f
n f f
c
fM f bd
f
2
0.0128 395.3
0.0128 395.3 . 1- 0.59
27.6
.(178mm)(248mm) 49.4
nM MPa
MPa
MPa
kNm
0.65 khi 1.4f fb 0.0128 1.4 0.012 0.65f fb
Kiểm tra
n uM M
Tính lại bề rộng khe nứt:
0.65 49.4
32.1 20.2
n
n u
M kNm
M kNm M kNm
2
2 f f f f f fk n n n
2
2 0.0128 1.8 0.0128 1.8
0.0128 1.8 0.193
k
1 / 3
DL LLf
f
Mf
A d k
6
2
14.17x10107.7
567 248 1 0.193 / 3f
Nmf MPa
mm mm
(1 )
h kd
d k
305 - 0.193 2481.285
248 1-0.193
mm mm
mm
cd h d 305 248 57cd mm mm mm
Tính khoảng cách thanh
2 cs b d 178 2 57 64s mm mm mm
So sánh bề rộng nứt theo (5-9) với giới
hạn cho phép, vẫn dùng giá trị mặc định
kb = 1,4 đối với thanh có gân
2
222
f
b c
f
f sw k d
E
2
2
107.72 1.285 1.4
44800
6457 0.57 0.7
2
MPaw
MPa
mmmm mm mm
OK
Bƣớc 6- Kiểm tra độ võng dài hạn của
dầm
Tính mô men quán tính nguyên của tiết
diện
- 68 -
3
12g
bhI
3
8 4178 305
4.029 1012
g
mm mmI x mm
Tính các đặc trƣng của tiết diện nứt và
mô men nứt
'0.62 r cf f 0.62 27.6 3.26 f MPa MPar
2 r g
cr
f IM
h
82 3.26 4.209x109.00
305crM kNm
33 2 2(1 )cr f f
bdI k n A d k
h
3
3
2 2 7 4
178 2480.193
3
1.8 567 248 1 0.193 4.74 10
crI
x mm
Tính hệ số điều chỉnh d theo ( 5-13b )
1
5
f
d
fb
1 0.01280.30
5 0.0086d
Tính độ võng do tải trọng tĩnh và hoạt tải
3 3
0 0
1cr cre d g crDL LL
M MI I I
M M
3
8
3
7 7 4
9.000.30 4.209 10
14.17
9.001 4.74x10 6.76 10
14.17
e DL LLI x
x mm
25
48 (I )
DL LLi DL LL
c e DL LL
M l
E
26
4 2 7 4
5 14.17 x 10 Nmm 3350
48 2.49 x 10 N/mm 6.67 x10
10
i DL LL
mm
mm
mm
Tính độ võng do riêng các tải trọng : tĩnh
tải và hoạt tải
DLi iDL DL LL
DL LL
LLi iLL DL LL
DL LL
w
w
w
w
4.3 /10 4.3
4.3 / 5.8 /
5.8 /10 5.7
4.3 / 5.8 /
i DL
i LL
kN mmm mm
kN m kN m
kN mmm mm
kN m kN m
Tính hệ số nhân độ võng theo thời gian,
dùng giá trị = 2,0 (ACI 318 khuyến
nghị cho thời hạn trên 5 năm), theo (5-
15)
0.60 0.60 2.0 1.2
Tính độ võng dài hạn (độ võng ban đầu
do hoạt tải cộng với độ võng theo thời
gian của tải dài hạn)
0.20LT i i iLL DL LL 5.7 1.2 4.3 0.2 5.7
=12.2mm
LT mm mm mm
- 69 -
Kiểm tra độ võng tính đƣợc so với độ
võng giới hạn
240LT
l
335012.2 14
240
mmmm mm OK
Bƣớc 7- Kiểm tra giới hạn ứng suất
phá hủy do từ biến
Tính mô men do mọi tải trọng dài hạn
(tĩnh tải cộng với 20% hoạt tải)
0.2DL LLs DL LL
DL DL
w wM M
w w
4.3 / 0.2 . 5.8 /14.17
4.3 / 5.8 /
7.66
s
kN m kN mM kNm
kN m kN m
kNm
Tính ứng suất dài hạn trong thanh FRP
,
1 / 3
sf s
f
Mf
A d k
6
, 2
7.66 x 10
567 248 1- 0.193 / 3
58.2
f s
Nmmf
mm mm
MPa
Kiểm tra giới hạn ứng suất cho trong
Bảng 5.2 đối với thanh GFRP
, 0.20f s fuf f 58.2 0.20 496 99.2 MPa MPa
Bƣớc 8- Thiết kế chịu cắt
Xác định lực cắt tính toán tại khoảng
cách d tính từ gối tựa
2
uu u
w lV w d
14.4 / 3.35
2
14.4 / 0.248 20.6
u
kN m mV
kN m m kN
Tính phần tham gia chịu cắt của bê tông
trong dầm bê tông có cốt FRP
'2
5c c wV f b c
0.193
248
0.193 248 47.9
227.6 178 47.9 17.9
5c
k
d mm
c mm mm
V MPa mm mm kN
→ Cần phải có cốt FRP chịu cắt.
Cốt FRP chịu cắt đƣợc giả thiết là đai kín
No3 ( 9,5 ) thẳng đứng. Để xác định
lƣợng cốt FRP chịu cắt cần thiết, phải
xác định ứng suất hữu hiệu trong cốt
FRP chịu cắt. Ứng suất này có thể quyết
định bởi ứng suất cho phép trong đai tại
chỗ uốn cong và đƣợc tính nhƣ sau, theo
(4-3)
- 70 -
0.05 0.3bfb fu
b
rf f
d
3 9.5
0.05 0.3 496 223.29.5
fbf MPa MPa
Chú ý là bán kính cong tối thiểu là ba lần
đƣờng kính thanh
Ứng suất thiết kế của đai đƣợc giới hạn
bởi (6-3)
0.004fv f fbf E f 0.004 44800 179.2 223.2fvf MPa MPa MPa
Khoảng cách yêu cầu của cốt đai FRP
đƣợc tính theo (6-4)
fv fv
u c
A f ds
V V
20.75 2 x 71 mm 179.2 248
20600 0.75 17900
= 660mm
MPa mms
N N
Kiểm tra giới hạn khoảng cách đai lớn
nhất = d/2 hay 600 mm
248 / 2 124
600
s mm mm
s mm
Phƣơng trình (6-7) cho lƣợng tối thiểu
của cốt chịu cắt có thể viết lại thành
s Afvffv/0,35bw
22 71 179408
0.35 178
mm MPas mm
mm
Dùng đai 9,5 đặt cách nhau 120 mm
Bƣớc 9- Kiểm tra ứng suất có thể phát
triển trong thanh và độ neo đảm bảo
Tìm C = min (lớp bê tông tính đến tim
thanh , ½ khoảng cách tim đến tim)
19 64min(38 9.5 , )
2 2
C=32mm
mm mmc mm mm
Xác định ứng suất thanh có thể phát triển
tại giữa nhịp với chiều dài chôn
/ 2el l
'0.08313.6 340
c e efe fu
b b b
f l lCf f
d d d
0.083 27.6
1
1675 32 1675. 13.6 340
19 19 19
735.8 496 496
fe
fu fe
MPaf
mm mm mm
mm mm mm
MPa f MPa f MPa
So sánh ứng suất có thể phát triển trong
thanh ffe với ứng suất theo yêu cầu chịu
uốn ff
Kiểm tra chiều dài neo trong vùng mô
men dƣơng theo (7-7)
496 MPa > 395,3 MPa
nhƣ vậy độ neo hoàn toàn đảm bảo đƣợc khả
năng chịu uốn .
- 71 -
'340
0.0083
13.6
fr
c
d b
b
f
fl d
C
d
395.3 1 340
0.0083 27.6 19 700
3213.6
19
700
d
d
MPa
MPal mm mm
mm
mm
l mm
Kiểm tra chiều dài neo của cốt thép chịu
mô men dƣơng tại gối tựa đơn giản theo
(7-8)
1.3 nd a
u
Ml l
V
32100700 1.3 0 2025
20.6
kNmmmm mm
kN
OK
- 72 -
PHỤ LỤC A
PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CƢỜNG ĐỘ KÉO
VÀ MÔ ĐUN CỦA THANH FRP
(Trích từ ACI 440.1R-03)
Phƣơng pháp này đƣợc Ủy ban ACI 440 nghiên cứu và đƣa vào Bản chỉ dẫn
Thiết kế và Thi công Bê tông cốt FRP ACI 440.1R-03, ấn bản năm 2003. Mặc dù
trong các Tiêu chuẩn mới nhất của ACI (năm 2012) thì phƣơng pháp này đã đƣợc
thay bằng phƣơng pháp của ASTM D7205/D7205M, Tài liệu này vẫn trình bày
phƣơng pháp năm 2003 vì nó dễ thực hiện, thích hợp với điều kiện của nƣớc ta.
Phƣơng pháp thí nghiệm dùng để xác định các tính chất của thanh FRP sử dụng
thay cho cốt thép trong bê tông. Phƣơng pháp thí nghiệm này dùng trong phòng thí
nghiệm để tìm cƣờng độ kéo và mô đun đàn hồi, dựa vào kích cỡ và loại thanh
FRP, không quan tâm đến tính năng neo. Do đó thí nghiệm nào hỏng ở đoạn neo sẽ
bị bỏ qua và chỉ sử dụng thí nghiệm mà thanh bị phá hủy.
Mẫu thí nghiệm
Chiều dài của thanh thí nghiệm bằng tổng chiều dài của đoạn thử và chiều dài
của các đoạn neo. Chiều dài của đoạn thử lấy bằng số lớn hơn của 100 mm hay 40
lần đƣờng kính của thanh.
Thử ít nhất năm thanh. Nếu có một thanh nào hỏng ở đoạn neo hay trƣợt khỏi
ngàm neo thì phải làm thêm một thí nghiệm nữa với một thanh lấy từ cùng lô thanh.
Thiết bị và tạo dựng thí nghiệm
Máy thí nghiệm phải có năng lực gia tải vƣợt quá khả năng chịu kéo của thanh
thử, và có thể gia tải với một tốc độ đã định.
Neo phải phù hợp với hình dạng của thanh và phải có khả năng truyền tải trọng
đủ làm hỏng thanh tại đoạn thử. Neo phải đƣợc cấu tạo sao cho đảm bảo truyền tải
từ máy thí nghiệm đến đoạn thanh thử, chỉ truyền lực dọc trục xuống thanh, không
truyền mô men uốn hoặc xoắn. Khi lắp thanh lên máy, trục dọc của mẫu thử phải
trùng với đƣờng tƣởng tƣợng nối hai đầu neo bắt vào máy.
Dụng cụ đo biến dạng (ví dụ giãn kế hoặc cữ đo biến dạng) dùng để đo độ giãn
dài của thanh dƣới tác dụng của tải trọng phải có thể ghi lại các biến đổi về chiều
dài hay độ giãn trong lúc thí nghiệm với độ chính xác đo ít nhất là 10 106
Phƣơng pháp thí nghiệm
Để xác định mô đun Young và biến dạng tỉ đối của thanh, một dụng cụ đo biến
dạng đƣợc lắp vào khoảng giữa của mẫu thử, cách chỗ neo ít nhất 8 lần đƣờng kính
danh nghĩa của thanh FRP. Trục của dụng cụ đo biến dạng phải thẳng hàng với
phƣơng của lực kéo. Chiều dài ban đầu (tức cữ đo khi dùng giãn kế) phải ít nhất 8
lần đƣờng kính danh nghĩa của thanh FRP.
Tốc độ gia tải phải sao cho ứng suất trong thanh FRP là giữa 100 và 500 MPa
một phút. Nếu dùng máy thí nghiệm khống chế đƣợc biến dạng, tải trọng cần đặt
vào thanh với một tốc độ cố định sao cho biến dạng tỉ đối của thanh là ứng với ứng
suất ở giữa 100 và 500 MPa.
- 73 -
Tải trọng đƣợc tăng cho đến khi thanh bị kéo đứt còn biến dạng tỉ đối thì đƣợc
đo ghi cho đến khi tải trọng đạt ít nhất là 60% cƣờng độ kéo.
Tính toán
Các đặc trƣng vật liệu của thanh FRP đƣợc tính toán theo tối thiểu năm thanh bị
kéo đứt mà không trƣợt khỏi neo hoặc bị đứt gần chỗ neo.
Cƣờng độ kéo đƣợc tính theo phƣơng trình sau, với độ chính xác tới ba con số
có nghĩa :
uu
Ff
A
trong đó :
fu = cƣờng độ kéo, N/mm2 (MPa) ;
Fu = khả năng chịu kéo cực hạn, N ;
A = diện tích danh nghĩa của tiết diện thanh thử, mm2 .
Độ cứng kéo và mô đun Young đƣợc tính từ hiệu số giữa các giá trị của đƣờng
cong tải trọng – biến dạng tại 20% và 60% khả năng kéo, lấy từ số đọc của dụng cụ
đo biến dạng. Tính theo các biểu thức dƣới đây, với độ chính xác tới ba con số có
nghĩa. Nếu đã biết cƣờng độ kéo của thanh FRP thì có thể dùng giá trị 20% và
60% cƣờng độ kéo
;
FEA
lE
A
trong đó :
EA = độ cứng kéo, N ;
E = mô đun Young, N/mm2 (MPa) ;
F = hiệu số giữa các tải trọng ở 20% và 60% của khả năng chịu kéo cực hạn,
N ;
= hiệu số giữa các biến dạng tỉ đối ở 20% và 60% của khả năng chịu kéo
cực hạn ;
= độ dốc của đƣờng cong tải trọng – biến dạng giữa 20% và 60% khả năng
kéo cực hạn, N/mm ;
l = chiều dài ban đầu của cữ đo của dụng cụ đo biến dạng, mm.
Biến dạng tỉ đối cực hạn là biến dạng tỉ đối tƣơng ứng với cƣờng độ kéo khi vẫn
có số đo của dụng cụ đo biến dạng tới lúc phá hủy. Nếu không có đƣợc số đo này
tại lúc phá hủy, biến dạng tỉ đối cực hạn có thể tính từ cƣờng độ kéo và mô đun
Young theo biểu thức dƣới đây, với độ chính xác tới ba con số có nghĩa :
;uu
F
EA
trong đó u là biến dạng tỉ đối cực hạn.
- 74 -
PHỤ LỤC B
CÁC PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM THANH FRP
DÙNG TRONG BÊ TÔNG
Tính chất Phƣơng pháp thử ASTM Phƣơng pháp
thử ACI 440
Diện tích tiết diện D7205/D7205M
Cƣờng độ kéo và mô đun dọc D7205/D7205M
Các tính chất dính A944 B.3
Cƣờng độ cắt D7617/D7617M
Khả năng của thanh uốn cong B.5*
Các tính chất về độ lâu bền B.6 *
Các tính chất về mỏi D3479 B.7
Các tính chất về từ biến D7337/D7337M
Các tính chất về chùng ứng suất D2990
B.9 E328
Các tính chất về neo B.10
Các tính chất về kéo của thanh có
uốn góc B.11
Ảnh hƣởng của bán kính cong đến
cƣờng độ B.12
Các tính chất về uốn D790
D4476
Hệ số giãn nở nhiệt E831
D696
Nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh
E1356
E1640
D648
E2092
Tỉ phần thể tích D3171
D2584
Kéo tuột trực tiếp D7522/D7522M
Cƣờng độ kéo và mô đun D7565/D7565M
Cƣờng độ cắt chồng D7616/D7616M
Cƣờng độ dính D4551
C882
* Các phƣơng pháp B.5 và B.6 đƣợc trình bày ở Phụ lục C và D
- 75 -
PHỤ LỤC C
PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CƢỜNG ĐỘ
CỦA THANH FRP UỐN CONG VÀ CỦA ĐAI TẠI CHỖ UỐN
(Phƣơng pháp B.5 của ACI 440.3R-12)
1. Phạm vi
Phƣơng pháp thí nghiệm này quy định các yêu cầu về thí nghiệm cƣờng độ của
thanh FRP uốn cong dùng làm neo cho đai trong kết cấu bê tông.
2. Các tài liệu viện dẫn
ASTM quốc tế
ASTM C39/C39M-12 Phƣơng pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho cƣờng độ nén của
mẫu bê tông hình trụ
ASTM C143/C143M Phƣơng pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho độ sụt của bê tông
xi măng
ASTM C192/C192M-07 Phƣơng pháp tiêu chuẩn để làm và bảo dƣỡng mẫu thí
nghiệm bê tông cho phòng thí nghiệm
ASTM D7205/D7205M-06 (2011) Phƣơng pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho tính
chất kéo của thanh composit polyme cốt sợi
ASTM E4-10 Phƣơng pháp tiêu chuẩn để kiểm định lực của máy thí nghiệm
3. Ý nghĩa và công dụng
3.1 Phƣơng pháp thí nghiệm này dùng trong phòng thí nghiệm để xác định cƣờng
độ của phần uốn cong dùng làm neo. Các biến số chính là cỡ thanh, bán kính uốn
cong và loại đai FRP.
3.2 Uốn đai FRP để tạo neo sẽ làm giảm dáng kể cƣờng độ của đai. Bán kính uốn
cong và phần đuôi bên ngoài chỗ uốn là các yếu tố quan trọng tác động đến khả
năng chịu lực chỗ uốn.
3.3 Phƣơng pháp thí nghiệm này đo khả năng chịu tải cực hạn của một đai FRP
chịu lực kéo theo phƣơng của đoạn thẳng.
3.4 Phƣơng pháp thí nghiệm này nhằm xác định khả năng chịu lực của chỗ uốn và
sự giảm cƣờng độ để lập quy định tính năng của vật liệu, để nghiên cứu và phát
triển, đảm bảo chất lƣợng, thiết kế và phân tích kết cấu. Ứng xử của thanh uốn và
của đai đƣợc đo bằng phƣơng pháp cho sau đây, theo nhƣ mục tiêu đã định.
4. Thiết bị thí nghiệm và yêu cầu
Kích thủy lực và tải trọng kế phải đƣợc hiệu chuẩn theo ASTM E4, có năng lực
gía tải vƣợt quá khả năng chịu lực của mẫu, và có thể gia tải với tốc độ yêu cầu. Tải
trọng kế phải đảm bảo số đọc chính xác đến 1 phần trăm trong suốt quá trình thí
nghiệm.
5. Chuẩn bị mẫu
5.1 Cấu hình của một mẫu tiêu biểu đƣợc vẽ trên Hình C.1. Kích thƣớc của mỗi
khối bê tông dùng để neo đai FRP có thể thay đổi tùy theo kích thƣớc của đai. Tuy
nhiên, chiều dài tự do của đai giữa hai khối không đƣợc nhỏ hơn 200 mm, có thể đề
xuất là 400 mm. Khối bê tông phải có đai thép nhƣ ở Hình C.1 để ngăn ngừa sự vỡ
tách của khối bê tông trƣớc khi chỗ uốn đai FRP phá hủy. Chiều dài phần đuôi Lt
của đai FRP thí nghiệm không đƣợc quá 150 mm. Ống chống dính dùng để loại bỏ
- 76 -
Hình C.1- Cấu hình của mẫu ( rt = bán kính cong; db = đƣờng kính danh nghĩa; Lt = chiều dài phần đuôi)
sự tham gia của đoạn thanh thẳng của móc. Ống chống dính sẽ trƣợt trên thanh
FRP ; hai đầu ống phải bịt kín bằng vật liệu xảm để ống không bị bê tông lấp đầy
khi đổ bê tông.
5.2 Bê tông phải đƣợc trộn theo tiêu chuẩn, cốt liệu thô lớn nhất là 20 – 25 mm.
Cần định cấp phối và trộn tuân theo ASTM C192/C192M. Bê tông phải có độ sụt
100 20 mm phù hợp với ASTM C143/C143M và cƣờng độ nén là 30 3 MPa
phù hợp với ASTM C39/C39M. Tối thiểu phải làm 5 mẫu đối chứng tiêu chuẩn
hình trụ 150 300 mm hay 100 200 mm để xác định cƣờng độ nén của bê tông
cho mỗi mẻ bê tông.
5.3 Số lƣợng kết quả thí nghiệm hợp lệ phải không dƣới năm. Nếu có mẫu hỏng vì
vỡ tách của khối bê tông, kết quả thí nghiệm phải bỏ đi và phải thí nghiệm thêm
một mẫu nữa, lấy cùng một lô với mẫu hỏng.
5.4 Nếu mẫu thử bị hỏng vì bị kéo tuột phần uốn ra khỏi khối bê tông, chứng tỏ
rằng bán kính uốn và chiều dài đuôi là không đủ đối với thanh đƣợc thí nghiệm.
Cần phải điều chỉnh các tham số này (có thể cả kích thƣớc khối bê tông) và thí
nghiệm lại.
6, Điều kiện môi trƣờng của thí nghiệm
Trừ khi kế hoạch thí nghiệm có yêu cầu khác về môi trƣờng, việc thí nghiệm sẽ
tiến hành trong môi trƣờng tiêu chuẩn của phòng thí nghiệm : 23 3oC và 50 10
phần trăm độ ẩm tƣơng đối.
Cho phép xử lí trƣớc các thanh FRP trƣớc khi đổ bê tông nhƣng phải ghi vào
báo cáo.
7. Phƣơng pháp thí nghiệm
7.1 Tạo dựng thí nghiệm nhƣ ở Hình C.2, gồm một kích thủy lực để tạo một chuyển
dịch tƣơng đối giữa hai khối bê tông và một tải trọng kế để đo tải đặt vào. Đặt bản
thép và túi chất dẻo phía trƣớc tải trọng kế và kích thủy lực để phân bố tải lên bề
mặt bê tông. Một vòng đệm hình cầu cũng có thể đƣợc đặt ở đầu pit tông. Khối bê
tông chứa đoạn uốn thí nghiệm đƣợc đặt trên các con lăn để giảm thiểu ma sát giữa
khối bê tông và bệ thí nghiệm.
7.2 Cƣờng độ kéo của thanh FRP thẳng có cùng đƣờng kính với đai FRP đƣợc xác
định theo ASTM D7205/D7205M hoặc phƣơng pháp Phụ lục A.
- 77 -
Hình C.2 Tạo dựng thí nghiệm
7.3 Phải đảm bảo mẫu thử không bị va chạm, rung động hay xoắn trong quá trình
thí nghiệm. Lực kích đƣợc tăng một cách êm thuận, liên tục cho đến khi mẫu hỏng.
Không đƣợc ngừng tải trong lúc thí nghiệm. Tốc độ gia tải nên chọn sao cho mẫu bị
hỏng trong khoảng 1 đến 10 phút kể từ lúc bắt đầu.
7.4 Ghi chép tải trọng phá huỷ và cách thức huỷ của mẫu.
8. Tính toán
8.1 Khả năng đoạn uốn của đai FRP chỉ đƣợc đánh giá dựa trên mẫu bị phá hỏng tại
chỗ uốn. Trƣờng hợp khối bê tông vỡ tách rõ ràng thì các dữ liệu phải bỏ đi và phải
thí nghiệm bổ sung cho đến khi số mẫu hỏng ở chỗ uốn là tối thiểu 5 mẫu.
8.2 Khả năng đoạn uốn của đai FRP đƣợc tính theo phƣơng trình (C-1) và làm tròn
đến ba con số có nghĩa :
2
ubub
Ff
A (C-1)
trong đó :
fub = khả năng của đoạn uốn của đai FRP, MPa
Fub = khả năng chịu tải cực hạn của thí nghiệm uốn cong, N
A = diện tích tiết diện thanh FRP
8.3 Hệ số giảm cƣờng độ đƣợc tính theo phƣơng trình (C-2)
ub
u
f
f (C-2)
trong đó :
fu = cƣờng độ kéo cực hạn song song với sợi của thanh FRP.
- 78 -
9. Báo cáo thí nghiệm
Báo cáo thí nghiệm gồm các mục sau
9.1 Các tính chất của bê tông. Các tính chất sau đây của bê tông phải đƣợc đƣa vào
báo cáo :
a) Tỉ lệ trộn của xi măng, cốt liệu nhỏ, cốt liệu thô, phụ gia (nếu có) và N/X
b) Độ sụt của bê tông mới trộn xác định theo ASTM C143/C143M
c) Cƣờng độ 28 ngày của mẫu hình trụ đối chứng xác định theo ASTM
C39/C39M
d) Mọi sự sai lệch với các tiêu chuẩn đã quy định nhƣ trộn, dƣỡng hộ, ngày
tháo khuôn và thí nghiệm mẫu hình trụ đối chứng
9.2 Các mục bổ sung. Báo cáo thí nghiệm phải có các mục bổ sung sau đây :
a) Thƣơng hiệu, hình dạng, ngày chế tạo (nếu có) và số lô của sản phẩm thanh
FRP đƣợc thí nghiệm
b) Loại sợi và vật liệu liên kết sợi, theo báo cáo của nhà sản xuất, và tỉ phần thể
tích sợi
c) Phƣơng pháp chế tạo đai, theo thông báo của nhà sản xuất
d) Số hay dấu hiệu nhận dạng của mẫu
e) Tên, đƣờng kính và diện tích tiết diện
f) Kích thƣớc của khối bê tông, cấu tạo (đƣờng kính và khoảng cách) của đai
thép kìm hãm, chiều dài không dính, bán kính uốn cong và chiều dài phần
đuôi của thanh uốn cong
g) Xử lí thanh FRP trƣớc khi đúc mẫu
h) Ngày và nhiệt độ thí nghiệm
i) Loại và năng lực của tải trọng kế
j) Khả năng chịu lực của thanh uốn và hệ số giảm cƣờng độ của mỗi đai thí
nghiệm
k) Khả năng chịu lực trung bình của thanh uốn và hệ số giảm cƣờng độ trung
bình của tất cả các mẫu đã phá hủy tại chỗ uốn nhƣ dự định
- 79 -
PHỤ LỤC D
PHƢƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM NHANH
TÍNH KHÁNG KIỀM CỦA THANH FRP
(Phƣơng pháp B,6 của ACI 440.3R-12)
1. Phạm vi
Phƣơng pháp này quy định các yêu cầu thí nghiệm để đánh giá tính kháng kiềm
của các thanh FRP dùng làm cốt trong bê tông và khối xây bằng cách ngâm chìm
trong dung dịch nƣớc kiềm. Tính kháng kiềm đƣợc đo bằng cách cho thanh FRP
vào môi trƣờng kiềm, có hay không có ứng suất, rồi sau đó thí nghiệm kéo theo
ASTM D7205/D7205M (hoặc theo phƣơng pháp ở Phụ lục A).
Có ba quy trình thí nghiệm tiến hành ở nhiệt độ 60 oC, mỗi quy trình thực hiện với
các điều kiện gia tải khác nhau.
a) Quy trình A - Một hệ thống trong đó mẫu FRP chìm trong dung dịch kiềm mà
không có tải trọng kéo đặt vào. Các tham số kiểm tra là độ pH và nhiệt độ của dung
dịch kiềm và thời gian ngâm chìm;
b) Quy trình B - Một hệ thống trong đó mẫu FRP chìm trong dung dịch kiềm dƣới
tải trọng kéo dài hạn. Các tham số kiểm tra là mức tải trọng dài hạn, độ pH và nhiệt
độ của dung dịch kiềm và thời gian ngâm chìm;
.c) Quy trình C - Một hệ thống trong đó mẫu FRP đƣợc bao quanh bởi bê tông ƣớt
và chịu tải trọng kéo dài hạn. Các tham số kiểm tra là mức tải trọng dài hạn, độ pH
và nhiệt độ của bê tông và thời gian chôn trong bê tông.
2. Các tài liệu viện dẫn
ASTM quốc tế
ASTM C192/C192M-07 Phƣơng pháp tiêu chuẩn để làm và bảo dƣỡng mẫu thí
nghiệm bê tông cho phòng thí nghiệm
ASTM C511-09 Quy định tiêu chuẩn cho phòng trộn, phòng ẩm và bồn chứa
nƣớc dùng để thí nghiệm ximăng và bê tông.
ASTM D618-08 – Phƣơng pháp tiêu chuẩn của chất déo xử lí phụ gia cho thí
nghiệm
ASTM D5229/D5229M-92 (2010) Phƣơng pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho tính
chất hút ẩm và xử lí phụ gia cân bằng của vật liệu composit làm nền polyme.
ASTM D7205/D7205M-06 (2011) Phƣơng pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho tính
chất kéo của thanh composit polyme cốt sợi
ASTM E4-10 Phƣơng pháp tiêu chuẩn để kiểm định lực của máy thí nghiệm
3- Ý nghĩa và công dụng
3.1 Phƣơng pháp thí nghiệm khảo sát tính kháng kiềm của thanh FRP là nhằm tiến
hành trong phòng thí nghiệm mà các biến số chính là nhiệt độ và nồng độ của dung
dịch kiềm, loại thanh FRP và mức tải trọng dài hạn.
3.2 Phƣơng pháp này đo sự thay đổi của khối lƣợng và khả năng chịu kéo của thanh
FRP sau khi ngâm chìm trong dung dịch kiềm và không có ứng suất (quy trình A);
và khả năng chịu kéo của thanh FRP sau khi ngâm chìm trong dung dịch kiềm và
chôn trong bê tông ẩm dƣới tải trọng dái hạn (quy trình B và C).
3.3 Phƣơng pháp thí nghiệm nhằm mục đích xác định các dữ liệu về tính kháng
kiềm để lập quy định tính năng của vật liệu, để nghiên cứu và phát triển, đảm bảo
- 80 -
chất lƣợng, thiết kế và phân tích kết cấu. Tính kháng kiềm đƣợc đo theo phƣơng
pháp dƣới đây. Kết quả thí nghiệm chủ yếu là sự thay đổi khối lƣợng và sự bảo
toàn khả năng chịu kéo của mẫu thử, đó là các yếu tố quan trọng cần xét khi sử
dụng thanh FRP.
3.4 Mức tải trọng dài hạn của quy trình B và C không đƣợc quy định trong phƣơng
pháp này. Ứng suất tiêu biểu trong thí nghiệm có tải là bằng ứng suất gây bởi tải
trọng tĩnh và phần hoạt tải dài hạn. Nếu không biết tải trọng sử dụng, ứng suất kéo
trong thanh FRP thủy tinh nên chọn sao cho tạo một biến dạng tỉ đối kéo bằng
0,002. Có thể dùng ứng suất dài hạn cao hơn để đẩy nhanh thí nghiệm. Mức ứng
suất dài hạn cần đƣợc ghi trong báo cáo.
4. Thiết bị thí nghiệm và yêu cầu
Dùng cân phân tích có độ chính xác phù hợp với quy trình A của ASTM D618.
Máy thí nghiệm và thiết bị phải phù hợp với ASTM E4.
5. Chuẩn bị mẫu
5.1 Mẫu thanh FRP phải đại diện cho lô đƣợc thử. Nói chung, mẫu thử không đƣợc
mang gia công nào khác sau khi chế tạo. Với thanh FRP loại lƣới, có thể chuẩn bị
mẫu thử thẳng bằng cách cắt bỏ đi phần vật liệu không liên quan sao cho không ảnh
hƣởng đến phần đƣợc thí nghiệm.
5.2 Trong khi chuẩn bị mẫu thử, phải tránh mọi biến dạng, làm nóng, phơi ra tia
cực tím ngoài trời và các điều kiện khác có thể làm thay đổi tính chất vật liệu.
5.3 Chiều dài của mẫu bằng tổng chiều dài của đoạn thử và chiều dài của hai đoạn
neo. Chiều dài đoạn thử không đƣợc nhỏ hơn 40 lần đƣờng kính thanh FRP. Nếu
thanh FRP là dạng bó sợi xoắn, chiều dài đoạn thử cũng cần lớn hơn hai lần bƣớc
bó sợi.
5.4 Số lƣợng mẫu cho việc thử trƣớc và sau khi ngâm chìm không đƣợc ít hơn 5
mẫu. Mỗi mẫu phải đƣợc ghi nhãn rõ ràng bằng các kí hiệu nhận dạng.
5.5 Bọc đầu mút thanh và bọc đầu mút và các phần tử ngang của lƣới bằng nhựa
epoxy để ngăn dung dịch khỏi lọt vào qua chỗ cắt. Để nhựa lƣu hóa hoàn toàn trƣớc
khi ngâm.
5.6 Dung dịch kiềm trong quy trình A và B phải là đại diện cho thành phần của
nƣớc lỗ rỗng bên trong bê tông xi măng Poclan. Thành phần của dung dịch kiềm có
thể gồm 118,5 g Ca(OH)2, 0,9 g NaOH, và 4,2 g KOH trong 1 lít nƣớc đã khử iông.
Dung dịch có độ pH là 12,6 đến 13 – đó là độ pH đại diện cho dung dịch lỗ rỗng
của bê tông đủ tuổi. Dung dịch kiềm cần đƣợc đậy kín trƣớc và sau khi thí nghiệm
để tránh tƣơng tác với CO2 khí trời và khỏi bay hơi.
6. Xử lí mẫu để thí nghiệm
6.1 Mẫu của quy trình A cho ngâm trong dung dịch kiềm ở nhiệt độ 60 3 oC với
các thời gian 1, 2, 3, 4 và 6 tháng trừ phi có quy định thời gian lâu hơn. Sau thời
gian đã định, mẫu đƣợc lấy ra khỏi dung dịch kiềm, rửa kĩ bằng nƣớc khử iông, lau
khô bằng khăn, rồi cân và thử về kéo cho đến phá hủy.
6.2 Mẫu của quy trình B đƣợc đặt vào thiết bị neo ở hai đầu theo ASTM
D7205/D7205M. Đoạn thử của mẫu đƣợc ngâm trong dung dịch kiềm chứa bên
trong một tủ môi trƣờng hoặc một bình chứa dung dịch kiềm đƣợc giữ ở nhiệt độ
không đổi 60 3 oC. Mẫu đƣợc giữ trong thiết bị gia tải để chịu một ứng suất dài
hạn không đổi trong các thời gian 1, 2, 3, 4 và 6 tháng trừ phi có quy định thời gian
lâu hơn.
- 81 -
6.3 Mẫu của quy trình C đƣợc chuẩn bị bằng cách chôn đoạn thử vào trong bê tông
ẩm. Kích thƣớc tiêu biểu của hình trụ bê tông cho ở Hình Phụ lục D. Kích thƣớc
150 mm có thể tăng lên nếu đƣờng kính thanh lớn hơn. Bê tông phải đƣợc trộn theo
tiêu chuẩn, cốt liệu thô lớn nhất là 20 – 25 mm. Cần định cấp phối và trộn tuân theo
ASTM C192/C192M, dƣỡng hộ phù hợp với ASTM C511. Sau 28 ngày dƣỡng hộ
trong nƣớc, mẫu đƣợc đặt neo ở hai đầu tuân theo ASTM D7205/D7205M và đƣa
vào máy để cho chịu lực kéo dài hạn trong các thời gian 1, 2, 3, 4 và 6 tháng trừ phi
có quy định thời gian lâu hơn. Khối trụ bê tông phải đƣợc giữ ẩm ở bên trong một
tủ môi trƣờng có nhiệt độ không đổi 60 3 oC trong suốt quá trình thí nghiệm.
Thanh FRP đƣợc thí nghiệm với trụ bê tông vẫn bám vào.
Hình Phụ lục D
7. Phƣơng pháp thí nghiệm
7.1 Đo độ pH của dung dịch kiềm trƣớc khi thí nghiệm và sau khi thí nghiệm về
tính kháng kiềm. Trong lúc mẫu ngâm chìm, phải kiểm tra độ pH của dung dịch
kiềm ít nhất là 5 ngày một lần và nếu cần thì điều chỉnh để giữ cùng thành phần và
độ pH nhƣ lúc ban đầu.
7.2 Bề ngoài của mẫu cũng cần đƣợc xem xét trƣớc và sau khi thí nghiệm kháng
kiềm để so sánh màu sắc, điều kiện bề mặt và thay đổi hình dạng. Nếu cần, có thể
cắt khoanh mẫu và đánh bóng, và quan sát điều kiện tiết diện bằng kính hiển vi.
7.3 Thí nghiệm về thay đổi khối lƣợng mẫu của quy trình A- Trƣớc khi ngâm chìm,
mẫu cần đƣợc làm khô đến khi khối lƣợng không đổi, theo quy trình B của ASTM
D5229/D5229M, đó là khối lƣợng ban đầu Wo. Sau khi ngâm một thời gian đâ
định, lấy mẫu ra khỏi dung dịch, nhanh chóng rửa bằng nƣớc khử iông, lau khô
bằng vải và lập tức cân ngay, đƣợc khối lƣợng tại thời gian 1, gọi là W1. Sau đó
mẫu đƣợc đặt vào neo ở hai đầu để thí nghiệm về duy trì khả năng chịu kéo.
7.4 Thí nghiệm về bảo toàn khả năng chịu kéo của các mẫu theo quy trình A, B và
C. Các mẫu phải đƣợc thí nghiệm về kéo cho tới phá hủy trong vòng 24 giờ sau khi
lấy ra khỏi môi trƣờng phơi lộ tại khoảng thời gian đã định. Phƣơng pháp thí
nghiệm kéo làm theo ASTM D7205/D7205M hoặc phƣơng pháp Phụ lục A.
8. Tính toán
8.1 Sự thay đổi khối lƣợng của thanh FRP đƣợc tính theo các phƣơng trình (D-1) và
(D-1a) khối lƣợng tăng (%) = 1 0
0
x100W W
W
(D-1)
- 82 -
khối lƣợng giảm (%) = 0 1
0
x100W W
W
(D-1a)
8.2 Chỉ những mẫu nào phá hủy tại đoạn thử mới đƣợc tính toán các tính chất vật lí
của thanh FRP. Trƣờng hợp đứt hay trƣợt tại đoạn neo thì bỏ các kết quả đi và thí
nghiệm bổ sung với cùng một lô của mẫu bị hỏng. Sự bảo toàn khả năng kéo đƣợc
tính theo phƣơng trình (D-2) với độ chính xác đến hai con số có nghĩa.
2
1
x100uet
u
FR
F (D-2)
trong đó :
Fu1 = khả năng chịu kéo trƣớc khi ngâm, N
Fu2 = khả năng chịu kéo sau khi ngâm, N
9. Báo cáo thí nghiệm
9.1 Các mục chung. Báo cáo thí nghiệm gồm những mục sau :
a) Thƣơng hiệu, hình dạng, ngày chế tạo (nếu có) và số lô của sản phẩm đƣợc
thí nghiệm
b) Loại sợi và vật liệu liên kết sợi, theo báo cáo của nhà sản xuất, và tỉ phần thể
tích sợi
c) Số hay dấu hiệu nhận dạng của mẫu
d) Tên, đƣờng kính và diện tích tiết diện
e) Ngày bắt đầu và kết thúc việc ngâm chìm.
9.2 Các mục về ngâm trong dung dịch kiềm. Báo cáo thí nghiệm gồm những mục
sau về ngâm trong dung dịch kiềm ;
a) Thành phần dung dịch kiềm, pH, nhiệt độ, giai đoạn ngâm và thời gian
b) Mức tải trọng dài hạn, thời gian, cách kiểm tra và điều chỉnh dung dich
c) Ghi chép về nhận xét bề mặt ngoài và thay đổi khối lƣợng
d) Khối lƣợng mẫu tại mỗi quãng thời gian
e) Đồ thị quan hệ của phần trăm thay đổi khối lƣợng với thời gian, tính theo
phƣơng trình (D-1a) hay (D-1b)
9.3 Các mục về thí nghiệm kéo. Báo cáo thí nghiệm gồm những mục sau về thí
nghiệm kéo :
a) Nhiệt độ và tải trọng thí nghiệm
b) Khả năng chịu kéo của mẫu thử có ngâm và không ngâm tại các quãng thời
gian 1, 2, 3, 4 và 6 tháng với trị trung bình và độ lệch tiêu chuẩn của khả
năng chịu kéo và cƣờng độ kéo
c) Mô đun đàn hồi và trị trung bình của mọi mẫu thử có ngâm và không ngâm
d) Biến dạng tỉ đối cực hạn của mọi mẫu thử có ngâm và không ngâm và biến
dạng tỉ đối cực hạn trung bình
e) Bảo toàn khả năng chịu kéo
f) Các đƣờng cong ứng suất – biến dạng mọi mẫu thử có ngâm và không ngâm
g) Đồ thị của sự bảo toàn khả năng chịu kéo theo thời gian phơi lộ
- 83 -
PHỤ LỤC E ( Tham khảo )
CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA THANH CỐT SỢI THỦY TINH (GFRP)
DO CÔNG TY CỔ PHẦN CỐT SỢI POLYME VIỆT NAM SẢN XUẤT
Hình 1: Hình dạng của thanh cốt sợi thủy tinh
B1 – Chiều rộng của sợi không xoắn (2) B2 – Chiều rộng của sợi xoắn (bước quấn 1)
t1 - Khoảng cách giữa hai sợi không xoắn t2 - Khoảng cách giữa hai sợi xoắn
d - Đường kính trong của thanh DH - Đường kính ngoài của thanh
h - Chiều cao gờ ngang
Bảng1 – Các thông số hình học và khối lƣợng thanh cốt sợi thủy tinh tiết diện đặc
Các thông số của
thanh
Số hiệu thanh
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Đƣờng kính ngoài, dext,
mm
4
±0,5
6
±0,5
8
±0,5
10
±0,5
12
±0,5
14
±0,5
16
±0,5
18
±0,5
20
±0,5
Đƣờng kính trong
dint,mm
3
±0,5
5
±0,5
6
±0,5
8
±0,5
10
±0,5
12
±0,5
14
±0,5
16
±0,5
18
±0,5
Đƣờng kính danh định 3,0 5,0 6,5 8,2 10,5 12,4 14,5 16,2 18,3
- 84 -
d, mm
±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5
Chiều cao gờ ngang, h,
mm
0,5
±0,2
0,5
±0,2
0,5
±0,2
1,0
±0,2
1,0
±0,2
1,0
±0,2
1,0
±0,2
1,0
±0,2
1,0
±0,2
Bƣớc quấn thứ nhất, t1,
mm
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
Bƣớc quấn thứ hai, t2,
mm
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
12
±3
Chiều rộng bƣớc quấn
thứ nhất
b1, mm
2,0
±1
2,0
±1
2,0
±1
3,5
±1
3,5
±1
3,5
±1
3,5
±1
3,5
±1
3,5
±1
Chiều rộng bƣớc quấn
thứ hai
b2, mm
3,5
±1
3,5
±1
3,5
±1
3,5
±1
3,5
±1
5,0
±1
5,0
±1
5,0
±1
5,0
±1
Diện tích mặt cắt
ngang, mm2
Sai lệch cho phép %
7,06
±8
19,62
±8
33,16
±8
52,78
±8
86,55
±8
120,7
0
±8
165,0
4
±8
206,0
1
±8
262,8
9
±8
Khối lƣợng 1 m dài, g
Sai lệch cho phép %
26,0
±8
40,0
±8
72,0
±8
110,0
±6
184,0
±6
242,0
±5
320,0
±5
430,0
±5
530,0
±5
Bảng 2 – Các đặc trƣng cơ lý của thanh cốt sợi thủy tinh
Tên chỉ tiêu
Gía trị Phƣơng pháp thí
nghiệm
1. Cƣờng độ kéo trung bình, MPa, không
nhỏ hơn
900 GOST 31938 -2012
2. Độ giãn dài tƣơng đối khi đứt, %, không
nhỏ hơn
1-3 GOST 31938 -2012
3. Mô đun đàn hồi kéo trung bình, Mpa,
không nhỏ hơn
45000 GOST 31938 -2012
4.Giới hạn bền khi nén, Mpa (D10-D16), 300 GOST 31938 -2012
- 85 -
không nhỏ hơn
5.Giới hạn bền khi cắt ngang, Mpa (D10 –
D60), không nhỏ hơn
150 GOST 31938 -2012
6. Cƣờng độ bám dính giới hạn trung bình
với bê tông B25, Mpa, không nhỏ hơn
D6 – D8
D10 – D20
8
12
GOST 31938 -2012
7. Hệ số bám dính phụ thuộc kb (D14, D16,
D20)
1,0 ACI 440 - K - 2010
8. Khối lƣợng riêng, T/m3, không nhỏ hơn 1,9 GOST 31938 -2012
9. Mầu sắc Từ xanh
ánh vàng
đến nâu
nhạt
Một số đặc điểm của sản phẩm
- Thanh xuất xƣởng dài 11,7 m
- Đƣờng kính nhỏ từ D4 mm đến D 10 mm đƣợc cuộn tròn dài 100m
- Uốn đai và các dạng uốn có hình dáng khác đƣợc thực hiện trong nhà máy,
bán kính góc uốn tối thiểu là 3D.
- Chiều dài nối buộc là 40 D, sử dụng dây mạ kẽm, dây rút nhựa, cóc nhựa để
nối.
- Bảo quản trong trạng thái nằm ngang trên các gối kê, tuân thủ các biện pháp
tránh tác động của tia cực tím và ẩm.
- Khoảng cách điểm kê thanh cốt sợi bằng 2/3 khoảng cách của cốt thép.
- Thanh cốt sợi thủy tinh sẽ bị “nổi lên” trong quá trình đầm rung bê tông do
trọng lƣợng nhẹ, đặc biệt trong thi công cọc đổ tại chỗ.
- Độ bền lâu: không ít hơn 50 năm, thậm chí trong nƣớc biển.
- 86 -
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 - Phạm vi
1.2 - Các định nghĩa
1.3 - Kí hiệu
1.4 - Phạm vi ứng dụng cốt FRP
CHƢƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU
2.1 - Tính chất vật lí
2.2 - Tính chất cơ học
2.3 - Ứng xử phụ thuộc thời gian
2.4 - Tác động của nhiệt độ cao và lửa
2.5 - Độ lâu bền
CHƢƠNG 3 YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬT LIỆU VÀ THỬ NGHIỆM
3.1 - Cấp cƣờng độ và cấp mô đun của thanh FRP
3.2 - Hình dạng bề mặt
3.3 - Cỡ thanh
3.4 - Nhận dạng thanh
3.5 - Thanh thẳng
3.6 - Thanh uốn cong
3.7 - Các quy định bổ sung đối với thanh GFRP và CFRP
CHƢƠNG 4 CƠ SỞ THIẾT KẾ
4.1 - Phƣơng pháp thiết kế
4.2 - Các đặc trƣng tính toán của vật liệu
CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
5.1 - Các vấn đề chung
5.2 - Cƣờng độ chịu uốn
5.3 - Trạng thái sử dụng.
5.4 - Phá hủy do từ biến và mỏi
CHƢƠNG 6 THIẾT KẾ CẤU KIỆN CHỊU CẮT
6.1 - Các vấn đề chung
6.2 - Cƣờng độ chịu cắt của cấu kiện đặt cốt FRP.
6.3 - Cấu tạo chi tiết của đai chịu cắt.
6.4 - Cƣờng độ chịu cắt của bản bê tông cốt FRP làm việc hai phƣơng.
CHƢƠNG 7 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ KHÁC
7.1 - Cốt chịu tác dụng của co ngót và biến thiên nhiệt độ
7.2 - Neo cốt FRP
7.3 - Chiều dài neo của thanh uốn
7.4 - Chiều dài neo của cốt chịu mô men dƣơng
- 87 -
7.5 - Mối nối chồng chịu kéo
7.6 - Bản đặt trên đất
CHƢƠNG 8 THI CÔNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT FRP
8.1 - Chỉ dẫn chung
8.2 - Sản phẩm chế tạo ở nhà máy
8.3 - Thi công
8.4 - Bổ sung các điều khoản của ACI 440.5-06 về thi công
8.5 - Giám sát và kiểm tra chất lƣợng
CHƢƠNG 9 THÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM
PHỤ LỤC A
PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CƢỜNG ĐỘ KÉO
VÀ MÔ ĐUN CỦA THANH FRP
PHỤ LỤC B
CÁC PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM THANH FRP
DÙNG TRONG BÊ TÔNG
PHỤ LỤC C
PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CƢỜNG ĐỘ
CỦA THANH FRP UỐN CONG VÀ CỦA ĐAI TẠI CHỖ UỐN
PHỤ LỤC D
PHƢƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM NHANH
TÍNH KHÁNG KIỀM CỦA THANH FRP
PHỤ LỤC E
CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA THANH CỐT SỢI THỦY TINH (GFRP)
DO CÔNG TY CỔ PHẦN CỐT SỢI POLYME VIỆT NAM SẢN XUẤT
( Tham khảo )
- 88 -
CÔNG TY ĐẦU TƢ VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC XÂY DỰNG (NUCETECH)
THUYẾT MINH
CHỈ DẪN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
KẾT CẤU BÊ TÔNG
CÓ CỐT LÀ THANH POLYME CỐT SỢI
(COMMENTARY FOR THE GUIDE FOR THE DESIGN AND
CONSTRUCTION OF
CONCRETE STRUCTURES REINFORCED WITH FRP BARS)
HÀ NỘI 2015
- 89 -
THUYẾT MINH
CHỈ DẪN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CÓ CỐT LÀ
THANH POLYME CỐT SỢI (FRP)
I – MỞ ĐẦU
1- Giới thiệu chung về kết cấu bê tông có cốt là thanh polyme cốt sợi
Thanh Polyme cốt sợi (FRP) mà tiếng Anh là Fiber reinforced polymer (FRP) là
sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi một chất nhựa tổng hợp polyme bao bọc các sợi
thủy tinh hay sợi cacbon tạo nên cốt chịu lực cơ học cho thanh. Thanh FRP ra đời
từ hơn 30 năm, đã đƣợc sử dụng để làm cốt cho kết cấu bê tông nhƣ một thay thế
cho cốt thép. Kết cấu bê tông cốt thép truyền thống trong một số trƣờng hợp có thể
gặp các vấn đề sau : khi kết cấu chịu môi trƣờng xâm thực mạnh nhƣ cầu,cầu cảng,
công trình bờ biển, khi kết cấu chịu tác dụng kết hợp của độ ẩm, nhiệt độ, hóa chất
làm thép bị ăn mòn thì thanh FRP là giải pháp ƣu việt thay thế cốt thép. FRP là vật
liệu không có từ tính nên tránh đƣợc vấn đề giao thoa điện từ của kết cấu cốt thép.
Ngoài ra, vật liệu FRP còn có nhiều tính chất khác nhƣ cƣờng độ chịu kéo lớn nên
thích hợp để làm cốt gia cƣờng. Sự áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới đã thúc đẩy
việc cải tiến công nghệ chế tạo, việc nghiên cứu lí thuyết và tích lũy kinh nghiệm
cho phƣơng pháp xây dựng với vật liệu này.
2- Tình hình sản xuất và triển vọng áp dụng ở Việt Nam.
Ở Việt Nam đã có nhiều công ty chuyên sản xuất và sử dụng loại vật liệu gọi là bê
tông sợi thủy tinh (GFRC glass fiber reinforced concrete) trong một số cấu kiện xây
dựng nhƣ cửa, vách, đá trang trí và chủ yếu làm đồ gia dụng. Dạng bê tông này
thƣờng là bê tông cốt sợi thủy tinh dạng phân tán, nó sẽ bao gồm hỗn hợp cát,
ximăng, phụ gia và sợi thủy tinh. Một số công ty khác đặc biệt ở miền Nam đã sản
xuất vật liệu composit gồm nhựa tổng hợp và cốt dƣới dạng vải sợi thủy tinh hay
vải sợi cacbon. Các sản phẩm này đƣợc dùng để gia cố sửa chữa kết cấu, làm bồn
nƣớc, vỏ tàu vỏ xe v,v. Một lĩnh vực nữa của vật liệu composit cốt sợi là làm các
tấm mái trong suốt lấy sáng. Những sản phẩm này phức tạp và khó chế tạo hơn
nhiều so với chế tạo các thanh FRP cho bê tông, tuy nhiên cho đến nay chƣa thấy
giới thiệu sản phẩm hoặc dự án nào đã dùng bê tông cốt FRP. Một nguyên nhân
- 90 -
chủ yếu có thể là do chƣa có phƣơng pháp tính toán kết cấu này, chƣa có phƣơng
pháp thiết kế thi công đƣợc thừa nhận và do đó chƣa có tiền lệ. sử dụng .
Triển vọng áp dụng phƣơng pháp này ở nƣớc ta là rất lớn. Hàng nghìn ngôi nhà
chung cƣ đã hƣ hỏng mà chƣa thể phá đi xây mới, hàng nghìn khu sàn bị nứt bị
võng do chịu quá tải trọng sử dụng, hàng nghìn cây cầu xuống cấp, v.v.đều có thể
kéo dài tuổi thọ, tăng độ an toàn bằng phƣơng pháp này,..Đặc biệt thích hợp với
kết cấu cốt FRP là các bộ phận thuộc về nền móng, khi mà không cần quan tâm vấn
đề độ võng của kết cấu : đế móng, móng bè, tƣờng vây, tƣờng chắn, đài cọc, v.v.
Những công trình mới xây, do những điều kiện đặc thù về môi trƣờng ăn mòn, về
yêu cầu không nhiễm điện từ,. về vận chuyển, về thời hạn xây dựng, có thể dùng
FRP lợi hơn hẳn so với dùng cốt thép thông thƣờng..Ngoài ra, trong mọi trƣờng
hợp, khi có hai giải pháp thay thế nhau thì luôn tốt hơn là chỉ có một giải pháp duy
nhất. .
Trong thời gian gần đây, Công ty cổ phần đầu tƣ phát triển công nghệ Đại học
Xây Dựng (NUCETECH ) đã liên kết với một số đơn vị đầu tƣ xây dựng thành
công Nhà máy cốt sợi polyme Việt nam. Sản phẩm của nhà máy đã và đang đƣợc
ứng dụng trên một số dự án mà do Công ty đảm trách , dần dần đƣợc ứng dụng
rộng rãi trên phạm vi cả nƣớc. Việc áp dụng loại hình kết cấu này ở nƣớc ta không
chỉ là triển vọng mà đã trở thành thực tế.
3- Sự cần thiết phải có Chỉ dẫn thiết kế và thi công kết cấu bê tông cốt FRP
Sự làm việc của kết cấu có cốt FRP khác với sự làm việc của cốt thép thông
thƣờng. Vật liệu FRP là không đẳng hƣớng, chỉ có cƣờng độ chịu kéo lớn theo
phƣơng của các sợi. Tính không đẳng hƣớng này ảnh hƣởng đến cƣờng độ chịu cắt
và cả sự dính kết. Ngoài ra, vật liệu FRP không có sự chảy dẻo, nó luôn luôn làm
việc đàn hồi cho đến khi phá hoại. Tất cả các khác biệt đó làm thay đổi lí luận và tƣ
duy thiết kế, khác với bê tông cốt thép thông thƣờng.
Để có thể áp dụng loại hình mới mẻ này trong xây dựng, cần có một Bản Chỉ
dẫn về thiết kế và thi công bê tông cốt FRP, trƣớc mắt là ở mức độ Công ty để đƣợc
cấp thẩm quyền duyệt sử dụng cho sản phẩm do Nhà máy Cốt sợi Polyme Việt nam
sản xuất. Qua một thời gian áp dụng và tích lũy kinh nghiệm, thực hiện các nghiên
cứu cần thiết, có thể hoàn thiện thêm Bản Chỉ dẫn để phổ biến cho các đơn vị thiết
- 91 -
kế và xây dựng trong nƣớc. Lúc đó Bản Chỉ dẫn đã hoàn thiện có thể đƣợc trình
duyệt ban hành ở mức độ Tiêu chuẩn ngành hoặc cao hơn.
Tên tài liệu : Chỉ dẫn thiết kế và thi công kết cấu bê tông có cốt là thanh
polyme cốt sợi (FRP) Guide for the Design and Construction of Concrete
Structures Reinforced with Fiber reinforced polymer (FRP) Bars
II- KẾ HOẠCH BIÊN SOẠN TÀI LIỆU CHỈ DẪN THIẾT KẾ VÀ THI
CÔNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT FRP
2.1- Nguồn tài liệu
Cũng nhƣ với mọi loại kết cấu khác mà chúng ta chƣa có điều kiện nghiên cứu
để tự viết ra Tiêu chuẩn, cách làm tốt nhất để biên soạn Tài liệu này là dựa vào
những Tiêu chuẩn sẵn có của thế giới, chọn ra tài liệu thích hợp nhất để chuyển
dịch hoặc biên dịch, ban hành rồi rút kinh nghiệm điều chỉnh dần. Với loại kết cấu
này, chúng tôi chọn và dựa vào 4 bản Chỉ dẫn kỹ thuật của Viện Bê tông Hoa Kỳ
ACI cùng nhiều tài liệu tham khảo khác cũng của Hoa Kỳ, vì đây là nguồn tài liệu
phong phú nhất mà chúng tôi tìm đƣợc. Ngoài ra, các văn bản quy phạm của ACI
tƣơng đối thông dụng trên thế giới và đã rất quen thuộc với giới xây dựng nƣớc ta.
Cụ thể là sử dụng các tài liệu sau :
1) Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with
FRP Bars ACI 440.1R-06.(Chỉ dẫn thiết kế và thi công kết cấu bê tông có cốt là
các thanh FRP), ấn bản năm 2006. Đây là tài liệu chính để soạn dịch, sau này gọi là
Tài liệu gốc, và có tham khảo thêm ấn bản ACI 440.1R-03, năm 2003,
và ba Tiêu chuẩn bổ sung :.
2) Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars
ACI 440.5-08 (Chỉ dẫn kỹ thuật để thi công các thanh cốt FRP), ấn bản năm 2008
3) Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials
for Concrete Reinforcement ACI 440.6-08.(Chỉ dẫn cho kết cấu bê tông có cốt là
các thanh FRP thủy tinh và cacbon ), ấn bản năm 2008
4) Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites for
Reinforcing or Strengthening Concrete and Masonry Structures ACI.440.3R-12
(Chỉ dẫn các phƣơng pháp thử nghiệm Polyme cốt sợi cho bê tông có cốt và gia
- 92 -
cƣờng kết cấu bê tông và kết cấu xây), ấn bản năm 2012, ngoài ra có tham khảo
thêm ấn bản ACI 440.3R-04, năm 2004.
Hai Tiêu chuẩn ACI 440.5-08 và ACI 440.6-08 đƣợc trích những điều khoản
chính không trùng lặp với Tài liệu gốc và đƣợc in luôn trong văn bản theo chữ
nghiêng và lùi vào ở đầu dòng để ngƣời đọc biết là đó không phải là ở Tài liệu gốc.
Tiêu chuẩn ACI.440.3R-12 đƣợc chọn ra một số phƣơng pháp và đƣa vào Phần
Phụ lục.
2.2- Cách chọn và dịch các tài liệu
1) Chúng tôi không có ý định dịch nguyên bản các tài liệu đã chọn vì những lí do
sau :
Cả 4 tài liệu đều có nội dung quan trọng không thể bỏ qua một cuốn nào, trong
khi đó nếu dịch nguyên bản thì phải ban hành tới 4 Tiêu chuẩn cùng một lúc là điều
khó làm đƣợc tại thời điểm này. Việc ban hành phải kéo dài vài năm, sẽ khiến cho
sản phẩm của Nhà máy chƣa thể sử dụng đƣợc.
Văn bản gốc ACI 440.1R-06 mà chúng tôi dựa hẳn vào để soạn dịch đƣợc viết rất
tỉ mỉ với rất nhiều tài liệu viện dẫn, với những giả thiết, thảo luận, bình luận, những
kế hoạch nghiên cứu đang và sắp làm. Các vấn đề này rất hay và bổ ích với các
nhà nghiên cứu nhƣng không thực sự cần thiết cho các kĩ sƣ thiết kế và thi công.
Do đó khi soạn dịch, chúng tôi bỏ các tên nguồn viện dẫn, cũng nhƣ một số nội
dung mang tính chất hàn lâm v.v. và nhƣ vậy giảm nhẹ rất nhiều nội dung cần dịch.
Hai tiêu chuẩn ACI 440.5-08 và ACI 440.6-08 là hai tiêu chuẩn chuyên sâu về
hai loại vật liệu và về thi công. Vì là các tiêu chuẩn hoàn chỉnh riêng rẽ nên mỗi
bản đều đầy đủ các chƣơng mục nhƣ Phạm vi, Định nghĩa, Trình duyệt, v.v. Mỗi
tiêu chuẩn gồm trên 10 chƣơng, mỗi chƣơng rất ngắn, có những chƣơng chỉ vài
dòng,đƣợc nhập chung với Tài liệu gốc, có thể bỏ đi những trùng lặp, còn những
nội dung quan trọng đƣợc chuyển vào các chƣơng mục tƣơng ứng của Tài liệu gốc.
Chúng đƣợc trình bày theo chữ nghiêng và in lùi vào đầu dòng để ngƣời đọc biết là
đó không phải là ở Tài liệu gốc.
Tiêu chuẩn ACI.440.3R-12 gồm 12 phƣơng pháp thí nghiệm thanh FRP, trong
đó có 7 phƣơng pháp đã trùng với các phƣơng pháp của Tiêu chuẩn ASTM. Còn lại
5 phƣơng pháp của riêng ACI thì chúng tôi chọn ra 2 phƣơng pháp khả thi đƣa vào
- 93 -
Phần Phụ lục. Còn 3 phƣơng pháp còn lại đi sâu vào những vấn đề mang tính
nghiên cứu hoặc dùng cho cốt ứng lực trƣớc thì tạm thời chƣa dịch lần này.
2.3- Xin ý kiến chuyên gia và hội thảo về dự thảo Bản Chỉ dẫn
Sau khi soạn dịch xong lần 1, chúng tôi đã gửi bản thảo đến các chuyên gia của
Trƣờng Đại học Xây Dựng. Sau khi nhận đƣợc ý kiến của chuyên gia, các soạn giả
đã tiếp thu sửa chữa và giải trình cho việc phát hành văn bản lần 2 vào tháng
3/2013. Tiếp sau đó, đầu tháng 4/2013, một Hội thảo rộng rãi hơn đƣợc tổ chức và
các chuyên gia đã trực tiếp thảo luận và góp ý về bản thảo. Trên cơ sở đó, Bản thảo
này đã đƣợc hoàn chỉnh trƣớc khi đƣa trình duyệt lên cấp có thẩm quyền.
III- NỘI DUNG BẢN CHỈ DẪN
Bản chỉ dẫn gồm 9 chƣơng và 1 phần phụ lục
CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG
1.5 Phạm vi
1.6 Các định nghĩa
1.7 Kí hiệu
1.8 Phạm vi ứng dụng cốt FRP
Chương này gần như dịch toàn bộ chương 1 của Tài liệu gốc, chỉ
bỏ phần mở đầu về lịch sử và tổng quan của vật liệu.
CHƢƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU
2.1 Tính chất vật lí
2.2 Tính chất cơ học
2.3 Ứng xử phụ thuộc thời gian
2.4 Tác động của nhiệt độ cao và lửa
2.5 Độ lâu bền
Chương này dịch gần toàn bộ chương 3 của Tài liệu gốc, kết hợp
với chương 4 của Tài liệu gốc. Bỏ chương 2 trong Tài liệu gốc vì
chỉ nói về lịch sử phát triển và ứng dụng. Trong chương này của dự
thảo có bổ sung nhiều điều khoản của ACI 440.5-08 về vật liệu
CFRP và GFRP.
- 94 -
CHƢƠNG 3 YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬT LIỆU VÀ THỬ NGHIỆM
3.1 Cấp cƣờng độ và cấp mô đun của thanh FRP
3.2 Hình dạng bề mặt
3.3 Cỡ thanh
3.4 Nhận dạng thanh
3.5 Thanh thẳng
3.6 Thanh uốn cong
3.7 Các quy định bổ sung đối với thanh GFRP và CFRP
Chương này dịch toàn bộ chương 5 của Tài liệu gốc, có bổ sung
những điều liên quan từ ACI 440.5-08 về vật liệu CFRP và GFRP.
CHƢƠNG 4 CƠ SỞ THIẾT KẾ
4.1 Phƣơng pháp thiết kế
4.2 Các đặc trƣng tính toán của vật liệu
Chương này dịch toàn bộ chương 7 của Tài liệu gốc
CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
5.1 Các vấn đề chung
5.3 Cƣờng độ chịu uốn
5.3 Trạng thái sử dụng.
5.4 Phá hủy do từ biến và sự mỏi
Chương này dịch toàn bộ chương 8 của Tài liệu gốc
CHƢƠNG 6 THIẾT KẾ CẤU KIỆN CHỊU CẮT
6.1 Các vấn đề chung
6.2 Cƣờng độ chịu cắt của cấu kiện đặt cốt FRP.
6.3 Cấu tạo chi tiết của đai chịu cắt.
6.4 Cƣờng độ chịu cắt của bản bê tông cốt FRP làm việc hai phƣơng.
Chương này dịch toàn bộ chương 9 của Tài liệu gốc
- 95 -
CHƢƠNG 7 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ KHÁC
7.1 Cốt chịu tác dụng của co ngót và biến thiên nhiệt độ
7.2 Neo cốt FRP
7.3 Chiều dài neo của thanh uốn
7.4 Chiều dài neo của cốt chịu mô men dƣơng
7.5 Mối nối chồng chịu kéo
7.6 Bản đặt trên đất
Chương này dịch từ các chương 10 và 11 của Tài liệu gốc,đồng
thời đưa thêm Phụ lục A của Tài liệu gốc vào do Phụ lục này chỉ
ngắn chưa đầy 1 trang. Lý do ghép 3 chương từ Tài liệu gốc vào
chương này vì đã bỏ qua không dịch rất nhiều viện dẫn và bình
luận, giả thiết như đã nói ở trên.
CHƢƠNG 8 THI CÔNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT FRP
8.1 Chỉ dẫn chung
8.2 Sản phẩm chế tạo ở nhà máy
8.3 Thi công
8.4 Bổ sung các điều khoản của ACI 440.5-06 về thi công
8.5 Giám sát và kiểm tra chất lƣợng
Chương này gồm chương 6 về thi công của Tài liệu gốc (nội dung
khá sơ lược) và tất cả nội dung không trùng lặp của ACI 440.6-08
chuyên về thi công.
CHƢƠNG 9 THÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM
Chương này dịch toàn bộ thí dụ của chương 13 Tài liệu gốc, đương
nhiên chỉ giữ phần công thức và tính toán theo hệ SI, bỏ hoàn toàn
hệ đơn vị Anh-Mĩ. Một số chỗ sai sót trong nguyên gốc đã được sửa
chữa.
Bỏ hẳn chương 12 của Tài liệu gốc liệt kê nguồn tài liệu viện dẫn.
Một số Tiêu chuẩn thông dụng đã được chỉ dẫn ngay trong các
chương nội dung
- 96 -
Phần Phụ lục gồm 5 Phụ lục
PHỤ LỤC A
PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CƢỜNG ĐỘ KÉO VÀ MÔ ĐUN CỦA THANH
FRP
Phụ lục này dịch toàn bộ phương pháp thí nghiệm trong Tiêu chuẩn
ACI 440.1R-03, năm 2003. Mặc dù hiện nay phương pháp này đã
được phương pháp của ASTM thay thế nhưng xét thấy phương pháp
năm 2003 rất dễ thực hiện trong điều kiện nước ta nên vẫn đưa vào
để người đọc tham khảo và vẫn có thể sử dụng được trong trường
hợp không có điều kiện làm theo ASTM..
PHỤ LỤC B
CÁC PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CHẤT FRP DÙNG TRONG BÊ TÔNG
Phụ lục này là Bảng 1.3 của ACI.440.3R-12, liệt kê các phương
pháp thí nghiệm chất FRP theo ASTM và ACI. Do phần lớn các
phương pháp thí nghiệm đều là của ASTM nên không cần dịch các
phương pháp tương tự của ACI có trong ACI.440.3R-12. Như trên
đã nói, chỉ dịch 2 phương pháp B5 và B6 cần thiết mà ASTM không
có.
PHỤ LỤC C
PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM CƢỜNG ĐỘ CỦA THANH FRP UỐN CONG
VÀ CỦA ĐAI TẠI CHỖ UỐN
Phụ lục này dịch toàn bộ phụ lục B5 của ACI.440.3R-12, cần thiết
cho việc xác định cường độ của thanh uốn cong.
PHỤ LỤC D
PHƢƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM NHANH TÍNH KHÁNG KIỀM CỦA THANH
FRP
- 97 -
Phụ lục này dịch toàn bộ phụ lục B6 của ACI.440.3R-12, cần thiết
cho việc xác định độ lâu bền của thanh FRP.
PHỤ LỤC E
CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA THANH CỐT SỢI THỦY TINH (GFRP)
DO CÔNG TY CỔ PHẦN CỐT SỢI POLYME VIỆT NAM SẢN XUẤT
( Tham khảo )
Phụ lục này giới thiệu một số thông số hình học và cơ lý của các
thanh cốt sợi thủy tinh ( GFRP) do Công ty cổ phần cốt sợi polyme
Việt Nam ( FRP Vietnam JSC ) sản xuất. Các thông tin chi tiết khác
có thể tham khảo thêm qua địa chỉ liên hệ:
Công ty cổ phần cốt sợi polyme Việt Nam,
81 phố Lạc Trung, Vĩnh Tuy, Q. Hai Bà Trưng, Hà Nội.
Tel: +84 4 36 36 18 58
Fax: +84 4 36 36 03 93
IV. NHỮNG ĐIỂM LƢU Ý
4.1 Về phƣơng pháp dịch
Nhƣ đã nêu trên, đây không phải là tài liệu dịch nguyên văn mà có lựa chọn và
sắp xếp lại từ Tài liệu gốc và các Tài liệu khác liên quan, nên gọi là soạn dịch. Việc
lựa chọn phần nào dịch hoặc bỏ là dựa theo sự cân nhắc chủ quan của các soạn giả,
nhƣng có thể nói rằng việc lựa chọn đã đƣợc thực hiện một cách thận trọng, không
để bỏ sót bất cứ điều gì cần thiết, có ý nghĩa cho việc thiết kế và thi công. Chỉ loại
bỏ hoặc rút gọn những vấn đề thuộc về tổng quan, về lịch sử nghiên cứu và phát
triển, về các nguồn tài liệu viện dẫn, các thảo luận, dự định, nghi ngờ chƣa khẳng
định, v.v., ( những điều này có rất nhiều trong Tài liệu gốc ), nhờ đó mà rút gọn
đáng kể khối lƣợng văn bản. Mọi công thức, số liệu, thí dụ tính toán đều chỉ dùng
theo hệ đơn vị SI, bỏ hệ đơn vị Anh-Mĩ, chỉ trừ những số liệu trong Tiêu chuẩn
ASTM thì phải giữ nguyên đơn vị Anh-Mĩ nhƣng có bổ sung thêm đơn vị SI ngay
bên cạnh.
- 98 -
4.2 Về thuật ngữ tiếng Việt.
Tên viết tắt của thanh polyme cốt sợi đƣợc giữ nguyên tên tiếng Anh là FRP vì
từ này đã phổ biến nhƣ một thuật ngữ quốc tế. Các nƣớc không dùng tiếng Anh nhƣ
Pháp vẫn dùng chữ FRP trong các tài liệu của mình. Ngoài ra dùng chữ FRP tiên
lợi khi nói về các loại sợi khác nhau nhƣ polyme cốt sợi thuỷ tinh đƣợc viết là
GFRP, polyme cốt sợi cacbon đƣợc viết là CFRP, v.v.
Các thuật ngữ về vật liệu, về hóa học thì lấy theo Từ điển Khoa học-Công
nghệ Anh Việt, Nhà xuất Bản KHKT, 2006. Các thuật ngữ về cơ học , kết cấu, xây
dựng thì theo các Từ điển về Xây dựng thông dụng ở nƣớc ta, các sách giáo khoa
của các Trƣờng Kỹ thuật về Xây dựng. Với một số trƣờng hợp, khi một từ tiếng
Anh có thể dịch sang vài từ tiếng Việt thì ngƣời dịch sẽ lựa chọn từ thích hợp nhất
với văn cảnh.
4.3 Về các tài liệu viện dẫn
Bản dự thảo có sử dụng và viện dẫn một số tài liệu Quy phạm, Tiêu chuẩn của
Hoa Kỳ nhƣ ACI 318-05 “ Quy phạm Xây dựng đối với kết cấu bê tông và Bình
luận” và các Tiêu chuẩn của ASTM về vật liệu và về thí nghiệm. Do điều kiện
không cho phép nên ở đây không thể trích dịch ngay các điều khoản của các tiêu
chuẩn viện dẫn này để sử dụng, vì nhƣ vậy sẽ làm tăng lên rất lớn khối lƣợng của
Bản Chỉ dẫn. Ngƣời kĩ sƣ thiết kế kết cấu loại này phải mặc nhiên đã có hiểu biết
về Tiêu chuẩn ACI 318-05 là Quy phạm thiết kế kết cấu bê tông đã ít nhiều quen
thuộc ở Việt Nam, hoặc ít ra đã có sách hƣớng dẫn về vấn đề này (hiện đang có bán
ở Việt Nam). Còn về phƣơng pháp thí nghiệm thì đƣơng nhiên nhà sản xuất phải có
đủ các tiêu chuẩn của ASTM để áp dụng, không cần dịch và đƣa ra ở đây.
4.4 Những vấn đề cần giải quyết về nội dung khoa học của Bản Chỉ dẫn
Cũng nhƣ với mọi Tiêu chuẩn dịch từ nƣớc ngoài, vấn đề đầu tiên đặt ra là Tiêu
chuẩn đó có phù hợp với nƣớc ta không, rồi một loạt các câu hỏi: - Tại sao?, - Làm
nhƣ thế nào? đặt ra đối với bản Tiêu chuẩn dịch. Bản Chỉ dẫn này đƣợc ban hành
chắc sẽ có một số câu hỏi đặt ra:
Vật liệu sản xuất ở nƣớc ta theo các công nghệ khác nhau (Nga, Trung quốc) có
thể thiết kế đƣợc theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ không ?
- 99 -
Nhiệt độ, độ ẩm ở nƣớc ta khác của Hoa Kỳ, liệu các hệ số tính toán xét đến môi
trƣờng có áp dụng đƣợc không ?
Vấn đề kinh tế của vật liệu này, sử dụng có tiết kiệm hơn dùng thép không ?
Chƣa rõ các chi tiết cấu tạo của cấu kiện
- …vân vân.
Đây là những câu hỏi nằm ngoài phạm vi một tài liệu soạn dịch. Trong tài liệu
soạn dịch này, chúng tôi không thêm thắt bất cứ điều gì ngoài văn bản gốc. Các câu
hỏi trên chỉ có thể đƣợc giải đáp bằng các thí nghiệm, các nghiên cứu tiếp theo của
Nhà máy sản xuất, của Công ty NUCETECH, của các cơ sở sản xuất và nghiên cứu
khác có nhu cầu sử dụng loại hình vật liệu mới này. Bản chỉ dẫn này là cơ sở tiền
đề cho việc ứng dụng kết cấu bê tông cốt sợi FRP trong các công trình xây dựng.
Để có dữ liệu cho việc tính toán thiết kế, Nhà sản xuất cốt sợi FRP của Công ty
NUCETECH đã tiến hành thí nghiệm trên các sản phẩm của mình để tìm ra các tính
năng, đặc trƣng vật liệu ( Cƣờng độ chịu kéo, cƣờng độ chịu cắt, mô đun đàn hồi,
suất biến dạng cực hạn...). Nhìn chung các chỉ số đặc trƣng này không sai khác
nhiều so với các chỉ số đặc trƣng của các sản phẩm tƣơng tự đã đƣợc đề cập đến
trong các tài liệu gốc do Viện Bê tông Hoa Kỳ ban hành. Qua thời gian ứng dụng
trên các công trình thực tế, hy vọng sẽ rút đƣợc kinh nghiệm về thi công và sản
xuất, và khi đó các điều quy định mới về thiết kế - thi công sẽ đƣợc bổ sung liên tục
cho Bản chỉ dẫn này.
V- KẾT LUẬN
1. Bản “Chỉ dẫn thiết kế và thi công kết cấu bê tông có cốt là các thanh FRP”
đƣợc soạn dịch từ Tài liệu gốc Guide for the Design and Construction of Structural
Concrete Reinforced with FRP Bars ACI 440.1R-06 và các Tiêu chuẩn chuyên sâu
khác. Việc soạn dịch có mục đích phục vụ thiết thực cho công tác thiết kế và thi
công bằng một cuốn Chỉ dẫn duy nhất. Từ đó đã làm theo nguyên tắc không dịch
nguyên văn, lƣợc bỏ những phần hàn lâm phục vụ cho nghiên cứu, lƣợc bỏ những
phần trùng lặp và đã nhập 4 cuốn tiêu chuẩn của Hoa Kỳ vào trong cùng bản chỉ
dẫn này.
- 100 -
2- Kiến nghị cấp có thẩm quyền duyệt để ban hành, trƣớc hết ở cấp Công ty
để tạo điều kiện đƣa sản phẩm của Công ty vào thực tiễn xây dựng. Qua quá trình
sử dụng sẽ đúc kết đƣợc kinh nghiệm, tích lũy đƣợc dữ liệu thí nghiệm để bổ sung
cho Bản chỉ dẫn, tiến tới có thể hoàn chỉnh nâng cấp thành Tiêu chuẩn ngành và
Tiêu chuẩn Việt Nam.
- 101 -
LỜI CÁM ƠN
Công ty cổ phần đầu tƣ và phát triển công nghệ Đại học Xây Dựng
(NUCETECH) xin chân thành cám ơn GS.TS Đoàn Định Kiến, ngƣời đã dày công
nghiên cứu và chủ biên tài liệu này; Chân thành cám ơn Th.S Đinh Chính Đạo và
Th.S Nguyễn Văn Khánh đã dành nhiều thời gian trực tiếp hiệu đính toàn bộ tài
liệu; và đặc biệt, phiên bản đầu tiên này đƣợc ra mắt là nhờ có sự ủng hộ của Lãnh
đạo Trƣờng Đại học Xây Dựng; cùng với sự đóng ý kiến hoặc tham gia biên soạn
của các chuyên gia trong các Khoa, Viện trong Trƣờng và các cơ quan chuyên
ngành; cụ thể là các chuyên gia:
01. GS. TS Vũ Công Ngữ
02. GS.TS Phạm Văn Hội
03. GS.TS Phan Quang Minh
04. PGS. TS Phan Ý Thuận
05. PGS. TS Đinh Quang Cƣờng
06. PGS. TS Lê Bá Huế
07. PGS. TS Nguyễn Quang Viên
08. Th.S Trần Nhật Thành
09. Th.S Đỗ Đức Thắng
10. Th.S Võ Mạnh Tùng
11. TS. Nguyễn Hùng Phong
12. Th.S Phan Minh Tuấn
13. KS Lê Huy Nhƣ
14. TS. Bùi Đức Hải
15. KS. Vƣơng Minh Đức,
16. Th.S Đinh Lê Khánh Quốc , Tổng Công ty Xây dựng số 1 (TP HCM )
Do vật liệu Cốt sợi thanh Polyme ( FRP) là một dạng vật liệu mới và lần đầu
tiên áp dụng vào Việt nam nên Bản chỉ dẫn này có thể còn nhiều khiếm khuyết,
trong quá trình vận dụng sẽ không tránh khỏi những vƣớng mắc. Công ty Cổ phần
đầu tƣ phát triển công nghệ Đại học xây dựng( Nucetech) cùng tập thể các tác giả
- 102 -
mong muốn nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ các nhà khoa học, các kỹ sƣ , các nhà
sản xuất và toàn thể độc giả để hoàn thiện dần tài liệu này cho các lần xuất bản tiếp
theo.
Mọi ý kiến đóng góp xin đƣợc gửi về :
Công ty cổ phần đầu tƣ và phát triển công nghệ Đại học xây dựng (
NUCETECH )
Địa chỉ : Số 55 Đƣờng Giải phóng, quận Hai Bà Trƣng , thành phố Hà Nội
E-Mail : [email protected]
Website: www.nucetech.vn