Xem mẫu
- KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG
CỐT PHI KIM LOẠI
STUDY ON SHEAR BEHAVIOR OF CONCRETE BEAM WITH
FIBER REINFORCED POLYMER BARS
ThS. PHẠM THỊ THANH THỦY1, PGS.TS NGUYỄN XUÂN HUY1, KS. NGUYỄN QUANG SĨ 2,
TS. NGUYỄN MAI CHÍ TRUNG 3
1
Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Giao thông vận tải
2
Khoa Công trình, Phân Hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Giao thông vận tải
3
Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn
Email: thuyptt1@utc.edu.vn
Tóm tắt: Bài báo tập trung đánh giá hiệu quả gỉ của cốt thép trong bê tông là một trong những
chịu cắt của dầm bê tông cốt thanh FRP có sử dụng yếu tố quan trọng nhất. Việt Nam là nước có đường
kết hợp lưới sợi. Lưới sợi được sử dụng thay thế bờ biển dài, với nhiều công trình xây dựng nằm
cho cốt đai truyền thống. Nghiên cứu thực nghiệm trong môi trường có tính ăn mòn cao. Đây là một
đã tiến hành trên 2 mẫu dầm có và không có lưới vấn đề lớn với các công trình bằng bê tông cốt thép
sợi dệt. Kết quả cho thấy sử dụng lưới sợi thủy tinh (BTCT) do việc ăn mòn cốt thép có thể gây hư hỏng
hoàn toàn phù hợp đối với dầm bê tông cốt thanh nghiêm trọng cho công trình. Một giải pháp hữu hiệu
FRP chịu cắt. Một mô hình mô phỏng phần tử hữu để có thể hạn chế được tình trạng này là sử dụng
hạn cũng đã được xây dựng và kiểm chứng với kết polymer cốt sợi (fiber reinforced polymer – FRP)
quả thí nghiệm. Cuối cùng, khảo sát về ảnh hưởng dạng thanh để làm cốt gia cường trong kết cấu bê
của một số tham số tới ứng xử chịu cắt của dầm cốt tông, thay thế cốt thép thông thường. Thanh FRP là
thanh FRP cũng được tiến hành. một dạng vật liệu composít chứa sợi (thủy tinh, các
bon, aramid,...) được gắn kết bởi chất nền là nhựa
Từ khóa: lưới sợi, FRP, ứng xử cắt, dầm, phá
polymer (như epoxy, vinylester) [1, 2]. Các sợi tạo
hoại.
ra cường độ và độ cứng cho thanh, trong khi chất
Abstract: This paper focus on the contribution of nền có tác dụng bảo vệ và truyền lực giữa các sợi.
textile to the shear performance of concrete beams Ưu điểm nổi bật của vật liệu FRP là có cường độ
reinforced with FRP rebars. Glass textile is used to chịu kéo rất lớn, trọng lượng rất nhẹ, và đặc biệt là
replace the traditional transverse reinforcement. The không chịu ăn mòn. Gần đây, thanh FRP thủy tinh
experimental program includes two rectangular (GFRP) đã bắt đầu sản xuất trong nước và bán ra
concrete beam specimens reinforced with and thị trường. Tiêu chuẩn TCVN 11110:2015 về cốt
without of stirrups.The experimental results indicate composite polyme dùng trong kết cấu bê tông và địa
that the glass textile can substitute the traditional kỹ thuật đã được Bộ Khoa học và Công nghệ công
transverse reinforcement in shear resistance of FRP bố vào tháng 12 năm 2015 vừa qua [3]. Tuy nhiên,
reinforced concrete beam. A finite element model bởi cốt FRP không uốn được tại hiện trường, do đó
was also developed and compared against the test các kỹ sư gặp nhiều khó khăn khi cần bẻ hoặc uốn
results. Finally, the parametric study was conducted ở các góc để làm cốt đai chịu cắt. Đây là một nhược
to quantify various parameters on the shear điểm làm hạn chế sự phổ biến của loại cốt chịu lực
behaviour of concrete beams reinforced with FRP này.
rebars.
Bê tông cốt lưới sợi (Textile Reinforced
Keywords: textile reinforced concrete (TRC), Concrete, TRC) là một loại vật liệu mới, đang thu
FRP, shear behaviour, beam, failure. hút sự quan tâm của nhiều trung tâm nghiên cứu
lớn do khả năng áp dụng bền vững cho kết cấu
1. Đặt vấn đề
công trình. TRC là bê tông hạt mịn có cốt dạng lưới
Tuổi thọ của công trình xây dựng phụ thuộc vào được dệt từ sợi các bon hay sợi thuỷ tinh kháng
nhiều yếu tố, trong đó độ bền của bê tông và tốc độ kiềm. Lưới sợi là vật liệu có nhiều ưu điểm đặc biệt
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2022 3
- KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
như có cường độ cao, trọng lượng nhẹ và có độ phân tích một số tham số ảnh hướng đến ứng xử
bền với môi trường rất cao [3]. TRC đã được áp chịu cắt của dầm bê tông cốt phi kim loại sử dụng
dụng rất hiệu quả để tăng cường kết cấu bê tông cốt dọc là thanh FRP và cốt đai là lưới sợi dệt.
cũ, chế tạo cấu kiện bê tông mới, đặc biệt là kết cấu P
đúc sẵn. Ở Việt Nam hiện nay, TRC đã bắt đầu
được nghiên cứu, tập trung chính vào việc sử dụng
để tăng cường khả năng uốn và chịu cắt cho dầm,
bản BTCT [4, 5, 6], tăng cường khả năng chịu nén
cho kết cấu cột BTCT [7, 8]. Bên cạnh đó, TRC
cũng đang được nghiên cứu để ứng dụng cho kết Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm
cấu bản bê tông dự ứng lực căng trước [9]. So với
2. Thí nghiệm dầm chịu cắt
cốt thanh FRP, cốt lưới dệt d thi công, d uốn cong
2.1 Sơ đồ thí nghiệm
để h nh thành cốt đai chịu cắt hơn so với thanh
FRP. Ngoài ra, do có khả năng chịu kéo và mô đun Hai mẫu dầm thí nghiệm có chiều dài 1,8m, mặt
đàn hồi lớn hơn so với thanh FRP nên việc áp ứng cắt ngang 200mm x 300mm. Dầm sử dụng bê tông
dụng cốt lưới sợi làm cốt đai chịu cắt cho dầm bê hạt mịn có cường độ chịu nén 52 MPa, cốt thanh
tông là rất tiềm năng. FRP có mô đun đàn hồi 43 GPa, cường độ chịu kéo
800 MPa. Sơ đồ bố trí thanh FRP được thể hiện
Bài báo này trình bày phân tích về ứng xử chịu
trên hình 2 trong đó mẫu 1 không có cốt đai, mẫu 2
cắt của dầm bê tông cốt thanh FRP sử dụng lưới
sử dụng 1 lớp lưới dệt đóng vai trò cốt đai. Loại lưới
sợi như là cốt đai chịu cắt. Đầu tiên, nghiên cứu
sợi sử dụng là lưới thủy tinh có mô đun đàn hồi 120
thực nghiệm được tiến hành với 2 mẫu dầm có tỉ số
GPa, cường độ chịu kéo tấm sợi là 1800 MPa.
chiều dài chịu cắt trên chiều cao hữu hiệu (a/d)
bằng 2,8 nhằm đánh giá hiệu quả trong việc sử Sơ đồ thí nghiệm theo dạng uốn 3 điểm. Mẫu
dụng lưới sợi làm cốt đai. Sau đó, mô h nh mô được gia tải theo chuyển vị tăng dần cho đến khi
phỏng phần tử hữu hạn (PTHH) được thiết lập phá hoại. Trong quá trình thí nghiệm, các LVDT
nhằm kiểm chứng kết quả thí nghiệm cũng như được bố trí để đo chuyển vị.
Hình 2. Cấu tạo các mẫu dầm và sơ đồ thí nghiệm
2.2 Kết quả thí nghiệm FRP, các vết nứt chủ yếu là vết nứt vuông góc trục
Dạng phá hoại của các mẫu dầm được thể hiện dầm do uốn. Vết nứt đầu tiên xuất hiện từ giữa
tại hình 3. Với mẫu 1 (hình 3a) là mẫu chỉ có cốt dọc dầm, lan dần từ dưới lên. Bốn vết nứt thẳng góc
4 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2022
- KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
khác cũng xuất hiện sau đó, nằm đối xứng ở hai nứt uốn cũng xuất hiện trước tiên nhưng chỉ
bên. Tuy nhiên, khi lực cắt tăng lên- vết nứt nghiêng phân bố chủ yếu ở sát cạnh dưới dầm, sau đó
đầu tiên xuất hiện và gây ra phá hoại dầm. Vết nứt chuyển hướng với các góc nghiêng khác nhau.
nối liền điểm đặt lực tới vị trí gối phải của dầm. Số lượng các vết nứt nghiêng do cắt phân bố
Trong khi đó, đối với mẫu 2 (hình 3b), với đối xứng 2 bên dầm và vết nứt gây phá hoại
sự có mặt của 1 lớp lưới dệt - số lượng vết nứt cũng là vết nứt nối giữa điểm đặt lực và gối của
nhiều hơn, ngắn hơn, gần nhau hơn. Các vết dầm.
a) Mẫu 1
b) Mẫu 2
Hình 3. Dạng phá hoại của các mẫu thí nghiệm
Mối quan hệ giữa lực tác dụng với chuyển vị tác dụng bằng 84 kN, với chuyển vị ở giữa dầm là
thẳng đứng tại giữa dầm được thể hiện trên hình 4. 4,3 mm. Sau đó, đường cong đổi chiều, mẫu bị phá
Như ta thấy, ứng xử của 2 mẫu là giống hệt nhau ở hoại do vết nứt cắt lan dài, mở rộng như đã quan sát
giai đoạn đầu tiên - giai đoạn đàn hồi. Đến thời điểm ở hình 3. Cũng như mẫu 1, sau khi vết nứt nghiêng
khoảng hơn 30 kN, giai đoạn đàn hồi kết thúc cùng do cắt xuất hiện, độ cứng của dầm bị suy giảm. Tuy
lúc xuất hiện vết nứt đầu tiên do uốn. Đối với mẫu 1, nhiên, độ nghiêng của đường cong không thay đổi
đường cong nghiêng dần thể hiện sự suy giảm độ nhiều như mẫu 1, nghĩa là tốc độ suy giảm chậm
cứng khá nhanh. Tại thời điểm lực tác dụng khoảng hơn. Rõ ràng lớp lưới sợi đã giúp lực cắt được
70kN, đường cong xuất hiện điểm gấp khúc đột ngột, truyền đi tốt hơn, không gây ra sự thay đổi đột ngột.
tương ứng sự xuất hiện của vết nứt do cắt đầu tiên. Với sự xuất hiện rất chậm, phân bố đều của các vết
Kể từ thời điểm đó, độ cứng dầm tiếp tục giảm với nứt nghiêng, mẫu chỉ bị phá hoại khi lực tác dụng đạt
tốc độ nhanh hơn trước khi đạt giới hạn tại giá trị lực tới 151 kN, tương ứng chuyển vị gần 11 mm.
160
140
120
100
Lực ([kN)
80
60
Mẫu 1
40 Mẫu 2
20
0
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
Chuyển vị (mm)
Hình 4. Đường cong lực tác dụng - chuyển vị giữa dầm
3. Mô hình mô phỏng PTHH ATENA. Mô h nh không gian 3D được sử dụng để mô
3.1 Xây dựng mô hình phỏng ứng xử chịu cắt của dầm bê tông có cốt dọc là
Với mục tiêu kiểm chứng kết quả thí nghiệm, một các thanh FRP và cốt đai là lưới sợi. Để phản ánh chi
mô h nh PTHH được xây dựng dựa trên phần mềm tiết sự làm việc của các cấu kiện, mô hình phần tử bê
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2022 5
- KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
tông được lựa chọn là các phần tử khối bậc cao dạng rời rạc. Khi sử dụng dạng phần tử này, liên kết giữa các
hình hộp để cho kết quả chính xác nhất có thể. Trong nút của phần tử bê tông và các nút cốt sợi dệt được tạo
khi đó, FRP và lưới sợi được mô hình hoá bằng phần ra tự động. Dính bám giữa thanh FRP, lưới sợi và bê
tử cốt chịu lực (reinforcement) có dạng thanh một chiều tông được giả thiết là tuyệt đối.
Hình 5. Lưới PTHH của mô hình dầm phi kim loại
3.2 Kết quả mô phỏng và so sánh với thí nghiệm nghiệm (hình 3b), sự phân bố vết nứt cũng
Mẫu dầm số 2 ở phần thực nghiệm được như dạng phá hoại của dầm là khá tương
sử dụng để mô phỏng và đối chiếu kết quả. đồng. Các vết nứt chủ đạo là vết nứt nghiêng
Hình 6 thể hiện dạng phá hoại của mẫu trong tương ứng với dạng phá hoại do cắt xuất hiện
mô hình mô phỏng. So sánh với kết quả thí cùng vị trí trên dầm.
Hình 6. Dạng phá hoại của mẫu 2
Đường cong quan hệ giữa lực tác dụng và với kết quả thí nghiệm ở giá trị tải trọng lớn nhất chỉ
chuyển vị thẳng đứng tại giữa dầm cũng được kiểm vào khoảng 9%. Các kết quả trên cho thấy mô hình
chứng (hình 7). Như ta thấy, đường cong mô phỏng được xây dựng là đáng tin cậy, có khả năng mô
bám khá sát đường cong thực nghiệm trên cả phỏng chính xác ứng xử chịu cắt của dầm bê tông
phương diện độ cứng lẫn tải trọng tới hạn. Sai số so cốt phi kim loại.
Hình 7. So sánh mối quan hệ lực ngang - chuyển vị đỉnh của mẫu 2
4. Khảo sát tham số 4.1 Hàm lượng lưới sợi
Dựa trên mô h nh được đã được kiểm chứng ở Nghiên cứu thực nghiệm đã tiến hành đánh giá
phần 3, ảnh hưởng của một số tham số tới khả khả năng sử dụng 1 lớp lưới sợi làm cốt đai (tương
năng chịu cắt của dầm bê tông cốt phi kim loại sẽ ứng hàm lượng 0,1%). Các giá trị hàm lượng cốt
được phân tích dưới đây. sợi khác từ 0,05% đến 0,3%. được đánh giá ở hình
6 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2022
- KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
8. Hoàn toàn logic, sức kháng cắt của dầm được các mẫu không có nhiều khác biệt. Tuy nhiên, số
tăng lên khi hàm lượng sợi làm cốt đai tăng lên. Cụ lượng vết nứt nghiêng (do cắt) giảm đi khi hàm
thể, sức kháng cắt của dầm có hàm lượng sợi 0,3% lượng sợi tăng lên. Điều đó khẳng định rằng sự phá
có giá trị tăng 30% so với dầm có hàm lượng sợi hoại cắt của dầm đã chậm lại khi sử dụng lưới sợi
0,05%. Về mặt tổng thể, sự phân bố vết nứt giữa làm cốt đai.
Tỉ lệ 0.05% Tỉ lệ 0.1%
Tỉ lệ 0.2% Tỉ lệ 0.3%
Hình 8. Ảnh hưởng của hàm lượng lưới sợi
4.2 Tỷ lệ cánh tay đòn chịu lực với chiều cao hữu hiệu khảo sát xác định rằng khi tỉ lệ cánh tay đòn chịu lực
Tỉ lệ cánh tay đòn chịu lực với chiều cao hữu với chiều cao hữu hiệu thay đổi từ 1,5 lên 2; 2,3 và
hiệu (a/d) là một chỉ số rất quan trọng đối với ứng 2,8, thì sức kháng cắt của dầm giảm tương ứng
xử chịu cắt của dầm. Hình 9 cho ta thấy sự khác 27,9%, 31,5% và 42,5%. Bên cạnh đó, số lượng vết
nhau về ứng xử giữa 4 dầm có tỉ lệ cánh tay đòn nứt do cắt cũng tỉ lệ thuận với giá trị cánh tay đòn
chịu lực với chiều cao hữu hiệu khác nhau. Kết quả chịu lực với chiều cao hữu hiệu.
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2022 7
- KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
a/d= 1,5 a/d= 2
a/d= 2,3 a/d= 2,8
Hình 9. Ảnh hưởng của tỉ lệ cánh tay đòn chịu lực với chiều cao hữu hiệu
5. Kết luận 3. TCVN 11110:2015 (2015), Cốt composit Polyme
dùng trong kết cấu bê tông và địa kỹ thuật.
Nghiên cứu về ứng xử chịu cắt của dầm bê tông
cốt thanh FRP kết hợp với lưới sợi đã được trình 4. Nguy n Xuân Huy, Lê Minh Cường, Nguy n Thị
bày ở bài báo này. Kết quả từ nghiên cứu thực Nhung (2019). “Phân tích sự phá hoại chọc thủng của
nghiệm cho thấy việc sử dụng lưới sợi làm cốt đai là bản bê tông cốt thép được gia cường bằng bê tông
hoàn toàn khả thi và có tiềm năng ứng dụng trong cốt lưới dệt”- Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số
69, pp. 41-47.
thực tế. Với một lớp lưới sợi dệt làm cốt đai, sức
kháng cắt của dầm tăng gần gấp đôi so với dầm 5. Lê Nguyên Khương, Cao Minh Quyền, Nguy n Xuân
không có lưới sợi và làm giảm thiểu số lượng cũng Huy, Si Larbi Amir (2018). "Giải pháp lai gia cường bê
như sự phát tán của vết nứt. Bên cạnh đó, một mô tông cốt lưới sợi dệt nhằm nâng cao khả năng chịu
hình mô phỏng PTHH dựa trên phần mềm ATENA lực của dầm bê tông cốt thép" - Tạp chí Khoa học
đã được xây dựng nhằm kiểm chứng kết quả thí Công Nghệ Xây dựng, ISSN 1859-1566, số 3/2018,
pp.42-49.
nghiệm cũng như làm rõ hơn các tham số ảnh
hưởng tới khả năng chịu cắt của loại dầm này. Mô 6. Nguy n Huy Cường (2021). “Nghiên cứu tăng cường
h nh đã chứng minh được độ chính xác tin cậy khi dầm bê tông cốt thép bằng bê tông cốt lưới dệt”-
mô phỏng chính xác ứng xử của dầm. Các phân Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Giao thông
tích khảo sát cho thấy sức kháng cắt của dầm có vận tải.
hàm lượng sợi 0,3% có giá trị tăng 30% so với dầm 7. Ngô Đăng Quang, Nguy n Huy Cường, Nguy n Duy
có hàm lượng sợi 0,05%. Khi tỉ lệ cánh tay đòn chịu Tiến (2020), Nghiên cứu thực nghiệm và tính toán cột
lực với chiều cao hữu hiệu thay đổi từ 1,5 lên 2; 2,3 bê tông cốt thép chịu nén đúng tâm được tăng cường
và 2,8, thì sức kháng cắt của dầm giảm tương ứng bằng bê tông cốt lưới dệt các bon, Tạp chí Khoa học
27,9%, 31,5% và 42,5%. GTVT, Tập 71 số 5 (tháng 6/2020), tr 486-499.
Lời cảm ơn 8. Ngo Dang Quang, Nguyen Huy Cuong, Mai Dinh Loc,
Vu Van Hiep (2020), Experimental and numerical
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Giáo dục và evaluation of concentrically loaded reinforced
Đào tạo trong khuôn khổ đề tài mã số B2021-DQN- concrete columns strengthening by textile reinforced
02. concrete jacketing, Civil Engineering Journal.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 9. Nguyen Huy Cuong, Ngo Dang Quang (2020),
Experimental study on flexural behavior of
1. Nguy n Hùng Phong (2014), Nghiên cứu thực
prestressed and non-prestressed textile reinforced
nghiệm sự làm việc của dầm bê tông có cốt polyme
concrete plates, Transport and Communications
sợi thủy tinh hàm lượng thấp, Tạp chí Xây dựng, số
Science Journal, Vol. 71, Issue 1 (01/2020), 37-45.
9/2014, tr.61-65.
Ngày nhận bài: 8/3/2022.
2. Nguy n Hùng Phong (2014), Một số vấn đề về thiết kế
Ngày nhận bài sửa: 19/4/2022.
cấu kiện chịu uốn bằng bê tông cốt thanh polyme cốt
sợi thủy tinh, Tạp chí Xây dựng, số 8/2014, tr.43-48. Ngày chấp nhận đăng: 19/4/2022.
8 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2022
nguon tai.lieu . vn
