Chỉ dẫn thiết kế và thi công Kết cấu bê tông cốt sợi thép

Hội đồng nghiên cứu quốc gia (Italia)

Ủy ban cố vấn
Về các kiến nghị kỹ thuật thi công

Chỉ dẫn thiết kế và thi công
Kết cấu bê tông cốt sợi thép

CNR-DT 204/2006.

1


Tài liệu này có bản quyền
Không một phần nào của ấn phẩm này được phép cất giữ trong một hệ thống lưu trữ hoặc truyền bá
dưới bất kỳ hình thức nào hoặc bằng bất kỳ cách nào: điện từ, cơ học, ghi âm nếu như không được sự
cho phép bằng văn bản từ trước của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Italia. Việc sao chép tài liệu này là
được phép cho mục đích cá nhân hoặc phi thương mại.

2


Mục lục

• Lời nói đầu
.1. Sự lắng nghe công chúng
.2. Nội dung và mục đích của chỉ dẫn này
.3. Các tiêu chuẩn tham chiếu
.4. Ký hiệu/biểu tượng
.5. Các tính chất kết cấu và sự ứng xử (làm việc) của các phần tử bê tông cốt sợi thép.

• Vật liệu

.1. Sợi (Fiber)
.1.1.

Chiều dài sợi

.1.2.

Đường kính tương đương

.1.3.

Tỷ lệ co/hệ số co (aspect ratio)

.1.4.

Cường độ chịu kéo của sợi

.1.5.

Mô đun đàn hồi

2.2.Sợi thép
2.3. Sợi các bon và sợi polime
2.4. Ma trận
2.5.Bê tông cốt sợi
2.5.1.Các tính chất ở trạng thái tươi
2.5.1.1.Các tính chất từ biến
2.5.1.2. Tính đồng nhất của hỗn hợp

2.5.1.3. Sự co ngót dẻo
2.5.2. Các tính chất cơ học ở trạng thái đóng rắn (đông cứng)
2.5.2.1.Sự ứng xử (làm việc) khi chịu nén
2.5.2.2. Sự làm việc khi chịu kéo
2.5.2.3. Qui luật (đường cong) chủ yếu về ứng suất- biến dạng
2.5.2.4. Mo đun đàn hồi
2.5.3. Các tính chất vật lý ở trạng thái (đã) đóng rắn
2.5.3.1. Co ngót khi khô
2.5.3.2. Sức chịu (độ bền) đóng băng và tan băng
2.5.3.3 Sự xuyên thấm của ion tấn công.
3


2.5.3.4 Sự cacbonat hóa
2.5.3.5. Sự ăn mòn sợi thép
2.5.3.6. Sức chịu lửa
2.6. Thép

3.Những nhận thức thiết kế cơ bản và các vấn đề đặc biệt
3.1. Khái quát
3.2. Những yêu cầu cơ bản
3.3.Tuổi thọ phục vụ thiết kế
3.4. Những quy tắc thiết kế chính
3.4.1.Khái quát
3.4.2.Các giá trị thiết kế
3.4.3.Tính chất của vật liệu
3.4.4.Độ bền thiết kết
3.5. Các giá trị đặc trưng của cường độ vật liệu
3.6.Các hệ số an toàn cục bộ (hệ số an toàn riêng phần).
3.6.1.Các hệ số an toàn cục bộ đối với vật liệu.

3.6.2. Hệ số cục bộ

cho các mô hình chịu lực (resistance models)

3.7. Những yêu cầu về độ bền

4. Thẩm định Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS)
4.1.Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) cho phần tử (bộ phận) đơn-chiều (mono-dimentional elements)
4.1.1.Khái quát
4.1.2. Uống với lực dọc trục
4.1.3 Cắt
4.1.3.1. Khái quát
4.1.3.2.Phần tử/bộ phận không có cốt thép chịu cắt theo thiết kết và cốt thép dọc theo
truyền thống
4.1.3.3. Phần tử/bộ phận không có cốt thép chịu cắt theo thiết kết nhưng có cốt thép
dọc theo truyền thống

4


4.1.3.4. Phần tử/bộ phận có cả cốt thép chịu cắt và cốt thép dọc theo truyền thống
4.1.3.5.Cốt thép chịu cắt tối thiểu
4.1.4. Xoắn
4.1.4.1. Phần tử/bộ phận không có cốt thép dọc chịu xoắn và cốt đai (cốt ngang) theo
truyền thống.
4.1.4.2. Phần tử/bộ phận có cốt thép dọc chịu xoắn và cốt đai (cốt ngang) theo truyền
thống.
4.2.Phần tử bản/tấm (plate elements)
4.2.1. Phần tử bản/tấm không có cốt thép (theo) truyền thống
4.2.2. Phần tử bản/tấm có cốt thép (theo) truyền thống

4.3. Phần tử bản sàn (slab elements)
4.3.1. Phần tử bản sàn không có cốt thép truyền thống
4.3.2. Phần tử bản sàn có cốt thép truyền thống

5. Trạng thái giới hạn về khả năng phục vụ (SLS)
5.1. Thẩm định ứng suất
5.2. Chiều rộng vết nứt
5.3.Cốt thép tối thiểu để kiểm soát (khống chế) vết nứt

6. Thi công
6.1 Thành phần hỗn hợp
6.2. Chi tiết hóa cốt thép
6.3. Các kích thước tối thiểu
6.3.1.Độ dày tối thiểu của phần tử/bộ phận kết cấu
6.3.2.Giá trị tối thiểu của khoảng cách thanh cốt thép và lớp bê tông bảo vệ
6.4. Đổ/đúc bê tông

7. Sức chịu lửa
8. Thử nghiệm sơ bộ và việc kiểm soát (quá trình) sản xuất
8.1. Thử nghiệm sơ bộ
8.2. Kiểm soát sản xuất đối với các ứng dụng loại A

5


8.3. Kiểm soát sản xuất đối với các ứng dụng loại B.

9. Phụ lục A (về cường độ chịu kéo): nhận biết tham số cấu trúc: constitutitive
parameter)
9.1. Vật liệu ứng xử /làm việc (bị) mềm hóa chịu kéo được nhận biết qua thử nghiệm chịu uốn (câu này

phải xem lại).
9.1.1. Mô hình đàn hồi tuyến tính
9.1.2.Mô hình dẻo-cứng
9.1.3. Viên mẫu cắt khấc/rãnh (theo UNI 11188)
9.1.4. Viên mẫu kết cấu không cắt khấc/rãnh (theo UNI 11188)
9.2. Vật liệu được nhận biết bằng thử nghiệm chịu kéo
9.2.1. . Viên mẫu cắt khấc/rãnh (theo UNI 111039)
9.2.2. Viên mẫu cắt khấc/rãnh.

10. Phụ lục B (các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng)
10.1. Thử nghiệm chịu uốn trên vật liệu ứng xử mềm hóa (softening behaviour material)

11. Phụ lục C (về các thử nghiệm đặc trưng cơ học cho vật liệu ứng xử cứng
hóa: hardening behaviour materials)
11.1. Thử nghiệm kéo
11.1.1. Chuẩn bị viên mẫu
11.1.2. Thiết bị thử nghiệm
11.1.3. Đặt tải trọng
11.2. Thử nghiệm chịu uốn

12. Phụ lục D (Cường độ vật liệu: tính toán các giá trị đặc trưng cho thiết kế kết
cấu)
13. Phụ lục E (xác định bằng thực nghiệm hệ số hư hỏng do hỏa hoạn/cháy).

6


1. Lời nói đầu
Tài liệu này đóng góp vào loạt ấn phẩm do Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Italia xuất bản trong khoảng
thời gian mấy năm qua liên quan tới việc sử dụng kết cấu bằng vật liệu compoite, với cuốn đầu tiên

chính là Những chỉ dẫn n.200 trong năm 2004. Những tài liệu đã được xuất bản, cho đến nay đã đề
cập/giải quyết những vấn đề sau đây: mạ phủ (bọc ngoài/plating) bê tông cốt thép và bê tông ứng suất
trước cũng như kết cấu/công trình thể xây thông qua việc sử dụng vật liệu composit gia cường (đặt cốt)
bằng sợi thép dài (FRP) (CNR-DT 200/2004), bọc phủ kết cấu gỗ (CNR-DT 201/2005), cũng như các kết
cấu bằng kim loại (CNR-DT 202/2005), và cuối cùng là, việc sử dụng các thanh (bars) FRP làm cốt cho kết
cấu bê tông (CNR-DT 203/2006).
Đối tượng của tài liệu này là việc sử dụng với mục đích chịu lực (structural use) của một vật liệu
composit có sự khác biệt hoàn toàn : Bê tông cốt sợi (Fiber Reinforced Concrete)/FRC. Nó không có một
chất gốc/matrix polime giống như Polime cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer/FRP), nhưng lại là một chất
gốc kết dính để người ta đưa thêm những sợi ngắn vào đó. Những sợi này có thể bằng thép, vật liệu
polime, cũng như các vật liệu vô cơ khác như cacbon, thủy tinh và các vật liệu tự nhiên. Thêm vào đó
một loại thép cốt bình thường cũng như các thanh (thép) ứng suất trước dùng làm cốt cũng có thể có
mặt. Việc cho thêm sợi vào bê tông đem lại một cường độ còn dư có ý nghĩa sau khi (kết cấu) bị nứt.
Tính chất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, kể cả tỷ lệ co (tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính tương
đương, của sợi được sử dụng), hàm lượng % theo thể tích của sợi cũng như các tính chất cơ lý của
chúng.
Kết cấu FRC đã dần dần trở nên được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới qua mấy năm vừa rồi. Điều này
đã dẫn tới việc cần thiết phải đưa ra các chỉ dẫn kỹ thuật liên quan.
Những tài liệu quốc tế có ý nghĩa nhất đề cập đến FRC là những tài liệu sau đây:
-RILIEM, 2000, “Phương pháp thử nghiệm và thiết kế cho bê tông cốt sợi thép: thử nghiệm dầm”,
Khuyến cáo RILIEM TC 162-TDF, Vật liệu và Kết cấu, 33: 3-5;
-RILIEM, 2000, “Phương pháp thử nghiệm và thiết kế cho bê tông cốt sợi thép: Phương pháp thiết kế
xichma-epxilon

”, Khuyến cáo RILIEM TC 162-TDF, Vật liệu và Kết cấu, 33: 75-81;

-RILIEM, 2001, “Phương pháp thử nghiệm và thiết kế cho bê tông cốt sợi thép: thử nghiệm kéo một trục
cho bê tông cốt sợi thép”, Khuyến cáo RILIEM TC 162-TDF, Vật liệu và Kết cấu, 34: 3-6;
-RILIEM, 2002, “Phương pháp thử nghiệm và thiết kế cho bê tông cốt sợi thép: thiết kế bê tông cốt sợi
thép sử dụng phương pháp xich ma-w: nguyên tắc và việc áp dụng”, Khuyến cáo RILIEM TC 162-TDF, Vật

liệu và Kết cấu, 35: 262-278;
-ACI Committee 544, 1999, “Đo đạc các tính chất của Bê tông Cốt sợi”, ACI 544.2R-98, American
Concrete Institute, ACI Farmington Hills, MI;

7


-ACI Committee 544, 1996, “Những xem xét thiết kế đối với Bê tông cốt sợi”, ACI 544.4R-88, American
Concrete Institute, ACI Farmington Hills, MI;
-ACI Committee 544, 1996, “Báo cáo tổng quan về Bê tông cốt sợi”, ACI 544.1R-96, American Concrete
Institute, ACI Farmington Hills, MI;
-JCI, 1984, “Phương pháp thử nghiệm cường độ chịu uốn và độ bền uốn của bê tông cốt sợi:, JCI
Standard SF-4, Tiêu chuẩn JCI về phương pháp thử nghiệm bê tông cốt sợi, Viện bê tông Nhật Bản.
Một số trong số những ví dụ liên quan và thú vị nhất của việc ứng dụng FRC bao gồm:
-

Tấm mặt trước chịu tải trọng (front panels);

-

Bản sàn nhà;

-

Lớp bọc phủ đường hầm truyền thống và theo từng đoạn (segmental);

-

Dầm;

-

Mối nối chịu lực (mối nối kết cấu)- nhằm giảm bớt lượng phần trăm cốt thép theo truyền thống.

-

Các bộ phận mái thành mỏng không có cốt thép rối rắm/lộn xộn theo truyền thống;

-

Kết cấu được thiết kế để chịu tác động của những tải trọng gây mỏi chẳng hạn như những bể chứa
(vessels) và đường ống chịu áp lực cao, ray đường sắt, cột, vv..

-

Kết cấu che chắn /trú ẩn.

Mục đích chính của bê tông cốt thép sợi là trong thi công kết cấu siêu tĩnh, nơi mà cường độ chịu kéo dư
thừa có thể tăng cường (cải thiện) khả năng chịu tải của kết cấu cũng như độ dẻo dai của nó.
Độ bền dai (toughness) được tăng cường nhờ việc đưa những sợi cốt ngắn vào hỗn hợp bê tông có có
thể dẫn tới việc sử dụng ngày càng tăng loại bê tông tính năng cao (high performance concrete), thậm
chí là cả với những ứng dụng ở mức đặc biệt tới hạn do độ giòn của kết cấu (không có sợi) là loại kết cấu
tiêu biểu cho những vật liệu không dùng đến sợi.
Mục đích của những chỉ dẫn này là thảo ra một hồ sơ/tài liệu cho việc thiết kế, thi công và kiểm tra kết
cấu FRC, theo các quy chuẩn xây dựng (building codes). Cách tiếp cận được đề xuất là dựa vào cách tiếp
cận đối với việc thiết kế theo trạng thái tới hạn, với việc lập dàn ý theo cách “những nguyên tắc” và
“những yêu cầu” như đã được vạch ra trong Eurocodes. Trong tài liệu này, những nguyên tắc đó được
biểu thị bằng biểu tượng/kí hiệu “P”.
Những chỉ dẫn này không có dự định dùng để ràng buộc với quy chuẩn (Codes) mà đúng hơn là muốn
đại diện cho một sự hỗ trợ đối với mọi kỹ thuật viên để chắt lọc (thông tin) qua một lượng lớn những tài

liệu xuất hiện (đang có sẵn) hiện thời.
Tài liệu này cũng có một Phụ lục đề cập đến một số chủ đề lý thuyết chi tiết hơn, được kể đến một cách
tóm tắt trong các Chỉ dẫn (Guidelines), do bản chất luôn đổi mới của chúng, với mục đích làm cho chúng
trở nên nổi tiếng (được nhiều người biết đến) hơn.
Tài liệu kỹ thuật này đã được biên soạn bởi một Nhóm nhiệm vụ mà thành viên của Nhóm này bao gồm:
8


GS. Ascione Lugi: Trường đại học Salerno
TS.Berardi Valentino Paolo: Trường đại học Salerno;
GS. Diprisco Macro: Đại học bách khoa Milano;
TS. Failla Claudio
GS. Grimaldi Antonio
GS. Meda Alberto
TS. Rinaldi Zila
GS. Plizzari Giovani
GS. Savpia Macro
Điều phối viên”
GS. Grimaldi Antonio
Tổng Điều phối viên:
GS. Ascione Lugi
Ban thư ký kỹ thuật:
GS. Feo Luciano, GS. Rosati Luciano.
1.1.Sự lắng nghe công chúng
Sau khi xuất bản, tài liệu này CNR-DT 204/2006 là đối tượng để lắng nghe công chúng. Tiếp theo việc
lắng nghe công chúng, một số sửa đổi và/hoặc kết hợp (bố cục lại) đã được thực hiện cho tài liệu, kể cả
việc chỉnh lại cho đúng việc đánh máy (lỗi in ấn/typos), bổ sung đối tượng chưa được đề cập đến trong
phiên bản gốc (đầu tiên), và loại bỏ những thứ khác được coi là không có liên quan.
Tài liệu kỹ thuật này đã được phê duyệt là phiên bản cuối cùng (không sửa nữa) vào ngày 28/11/2007,
kể cả những sửa đổi thu được từ việc lắng nghe công chúng, bởi “Ủy ban cố vấn về các Kiến nghị kỹ

thuật cho thi công”, mà những thành viên của Ủy ban đó gồm:
----------(Phần này ko quan trọng, bỏ qua).
1.2.Nội dung và mục đích của chỉ dẫn này
9


(1) Đối tương của tài liệu này là Kết cấu bê tông cốt sợi (FRC);
(2) P bê tông cốt sợi là một loại vật liệu composite được đặc trưng bởi một chất kết dinh là ximang và
sợi phân tán (không liên tục). Chất kết dính cỏ thể làm bằng bê tông hoặc vữa, loại thông thường hoặc
loại có tính năng cao. Sợi có thể làm bằng thép, polime, cacbon, thủy tinh hoặc vật liệu tự nhiên.
(3) P Một hàm lượng sợi tối thiểu phải được bảo đảm cho mục đích sử dụng kết cấu (chịu lực) như đã
quy định (chỉ rõ) trong Chương 2.
(4) Các loại sợi kim loại, polime và cacbon đều được đề cập tới một cách riêng biệt trong tài liệu hiện
thời này. Tuy nhiên các quy tắc thiết kế (này) cũng có thể được làm theo đối với FRC được sản xuất với
các loại sợi khác như thủy tinh/vật liệu tự nhiên, cũng như sự ứng xử (làm việc) về mặt kết cấu của
chúng thì tương tự với các bộ phận bê tông tương tự được xem xét trong tài liệu này.
(5) Tính chất của (vật liệu) composite thì phụ thuộc vào các đặc trưng của những vật liệu thành phần
cũng như liều lượng của các vật liệu thành phần đó. Các yếu tố khác bao gồm kích thước hình học và các
tính chất cơ học của sợi, sự liên kết/bám dính giữa sợi và hỗn hợp (chất kết dinh) bê tông, và các tính
chất cơ học của hỗn hợp bê tông. Sợi trong FRC có thể làm giảm hiện tượng nứt và/hoặc làm tăng đáng
kể năng lượng được hấp thụ trong quá trình nứt bê tông.
(6) Một khi đã đúc, bê tông cốt sợi đạt được những thuộc tính mà chúng cũng phụ thuộc vào những yếu
tố gắn liền với công nghệ thi công cũng như các kích thước khuôn khổ kết cấu. Những yếu tố này bao
gồm sự phân tán của sợi trong hỗn hợp, hình dạng và kích thước của kết cấu, tính bất đẳng hướng có
thể có do sự định hướng sợi có liên quan tới hướng đổ bê tông cho kết cấu.
1.3. Các tiêu chuẩn tham chiếu
Việc tham khảo được thực hiện với các tài liệu sau đây:
CEN EN 1992-1-1, 2004: Eurocode 2 – Thiết kế kết cấu bê tông – Phần 1-1: những nguyên tắc chung và
nguyên tắc đối với Nhà;
CEN EN 14721 (2005): Sản phẩm bê tông đúc sẵn – Phương pháp thử cho bê tông sợi kim loại - đo bê

tông sợi trong bê tông tươi và bê tông đã đóng rắn.
CEN EN 14651 (2005): Phương pháp thử nghiệm cho bê tông sợi kim loại – đo cường độ chịu kéo khi uốn
(giới hạn tỷ lệ (LOP), dư);
UNI 11188, 2004: Thiết kế, sản xuất và kiểm tra các bộ phận kết cấu cốt sợi thép.
UNI 11039, 2003: Bê tông dùng cốt sợi thép; (1a) Phần I: Định nghĩa, phân loại và ký hiệu; (1b) Phần II:
Phương pháp thử nghiệm để xác định cường độ tại vết nứt đầu tiên và các chỉ số độ dẻo;
UNI EN 12390, 2002: Thử nghiệm trên bê tông đã đóng rắn;
UNI EN 206-1, 2001: Bê tông: đặc điểm kỹ thuật, tính năng, sản xuất và sự tuân thủ;

10


UNI 9502, 2001: Đánh giá sức chịu lửa theo phân tích của các bộ phận kết cấu bê tông cốt thép và bê
tông ứng suất trước.
1.4. Biểu tượng/Ký hiệu:
Ý nghĩa của những biểu tượng chính được sử dụng trong tài liệu này được ghi lại dưới đây:
Những kí hiệu chính:
Khối lượng ( .) ám chỉ/muốn nói đến bê tông
Giá trị thiết kế của khối lượng (.)
Giá trị thực nghiệm của khối lượng (.)
Khối lượng (.) ám chỉ tới bê tông cốt sợi
Giá trị đặc trưng của khối lượng (.)
Giá trị trung bình của khối lượng (.)
Khối lượng (.) dưới dạng độ bền (sức chịu đựng)
Khối lượng (.) ám chỉ thép
Khối lượng (.) theo đòi hỏi
Giá trị tới hạn của khối lượng (.)
Những chữ Roman in hoa có chỉ số
Diện tích tiết diện ngang bê tông, thực của cốt thép
Diện tích của một sợi đơn lẻ

Diện tích của cốt thép dọc (trục)
Diện tích của cốt thép ngang
Sự suy giảm cường độ chịu nén do cháy (hỏa hoạn)
Sự suy giảm cường độ chịu uốn một trục do cháy (hỏa hoạn)
Tải trọng
Nhiệt độ
Tỷ lệ phần trăm thể tích (phần thể tích) của sợi
Giá trị thiết kế của khả năng chịu tải trọng cắt của bộ phận kết cấu
Sự đóng góp của sợi vào giá trị thiết kế về khả năng chịu tải trọng cắt

11


Sự đóng góp của thép đai vào giá trị thiết kế về khả năng chịu tải trọng cắt
Những chữ Roman in thường có chỉ số
Bề rộng của một sợi có tiết diện hình chữ nhật
Chiều sâu hiệu quả của tiết diện ngang
Kích thước cốt liệu tối đa
Đường kính sợi (tương đương)
Cường độ FRC khi chịu nén (viên mẫu hình trụ và lăng trụ)
Cường độ chịu kéo của FRC
Cường độ chịu kéo của FRC khi uốn
Cường độ dư khi chịu kéo (theo khả năng phục vụ) của FRC
Cường độ dư khi chịu kéo tới hạn của FRC
Cường độ của chất kết dính bê tông (matrix) khi chịu nén (viên mẫu hình trụ và lăng trụ)
Cường độ chịu kéo của chất kết dính bê tông
Cường độ chịu kéo của chất kết dính bê tông khi uốn
Cường độ chảy dẻo của cốt thép dọc
Cường độ chảy dẻo thiết kế của cốt thép dọc
Cường độ chảy dẻo thiết kế của thép đai

Chiều sâu tiết diện ngang
Chiều dày sợi đối với tiết diện chữ nhật
Khoảng dãn cách giữa các thanh cốt thép
Chiều dài đặc trưng của bộ phận kết cấu
Chiều dài sợi
Chiều dài phát triển sợi
Khối lượng sợi
Khoảng cách giữa các thanh thép đai
Khoảng cách trung bình của vết nứt
Chiều dày bộ phận kết cấu

12


CTOD – Chuyển vị mở mũi vết nứt (crack tip opening displacement)
Khoảng cách của trục trung hòa tính từ biên cực hạn (exteme edge) trong vùng nén.
Khoảng cách của trục trung hòa tính từ biên cực hạn (exteme edge) trong vùng kéo.
Các chữ cái Hy lạp in thường có chỉ số
Biến dạng kéo trong FRC
Biến dạng nén trong FRC
Biến dạng kéo trong các thanh thép
Đường kính thanh thép
Hệ số an toàn riêng phần (cục bộ) cho FRC khi chịu nén
Hệ số an toàn riêng phần (cục bộ) cho FRC khi chịu kéo
Hệ số an toàn riêng phần (cục bộ) cho mô hình cơ học
Hệ số an toàn riêng phần (cục bộ) cho thanh cốt thép
Tỷ trọng khối lượng sợi

1.5.Các tính chất kết câu và sự làm việc của bộ phận bê tông cốt sợi
(1)P Các tính chất cơ học của một hỗn hợp (ma trận) kết dính bị thay đổi khi đưa thêm sợi vào. Sự làm

việc về chịu kéo sau khi nứt được cải thiện do sự lan truyền vết nứt đã khác hẳn (trái ngược với trước).
Một khi bê tông đã bị nứt, sợi tăng cường một cách đáng kể sức chịu đựng sau khi nứt mà việc này
không thể nào thấy được trong một loại bê tông không có sợi.
Sự ứng xử (làm việc) mềm hóa (softening behaviour), điển hình đối với một thử nghiệm một trục, có thể
được thay đổi một cách đáng kể bằng cách đưa (cho thêm) cốt sợi.
Đối với các tỷ lệ thể tích sợi mà nhỏ ( xấp xỉ dưới 2%), mối quan hệ cấu trúc tải trọng-chuyển vị của FRC
vẫn thể hiện một nhánh giảm xuống (sự làm việc mềm hóa), nhưng nó được đặc trưng bởi cả hai đường
cong, một là cường độ dư cũng như một độ dẻo đáng kể (Hình 1a). Với các tỷ lệ thể tích sợi cao hơn (xấp
xỉ trên 2%), thì sự làm việc sau khi nứt có thể trở nên cứng hóa, do sự xuất hiện của vết nứt nhiều
đường (multiple craking) (Hình 1b).

13


Hình 1-1. Tải trọng (P) – chuyển vị ( ) từ một thử nghiệm chịu kéo 1 trục trên bê tông cốt sợi được đặc
trưng bởi một tỷ lệ % thấp của sợi (a) và một tỷ lệ % cốt sợi cao (b).
(2) P Các tính chất của FRC, được sử dụng cho một mục đích kết cấu cụ thể, phải được xác định và thẩm
định một cách phù hợp. Có hai cách thức khác nhau đặc trưng hóa FRC: một cách là dựa vào các tính
chất danh định, trong khi đó, cách còn lại là dựa vào các tính chất về kết cấu.
(3)P Các tính chất danh định của FRC cần được thiết lập bằng cách thực hiện những thử nghiệm đã được
bình thường hóa dưới những điều kiện có kiểm soát theo các quy trình trong phòng thí nghiệm tiêu
chuẩn.
(4) P Các tính chất về kết cấu của FRC phải được tham khảo/đối chiếu với vật liệu đang được sử dụng
trong thực tế và cần được đánh giá thông qua các thử nghiệm ở cùng quy mô (tỷ lệ) tương tự của kết
cấu. Những thử nghiệm này cần được thực hiện trong cùng môi trường như của kết cấu thực và hướng
của các tải trọng được áp đặt vào có liên quan tới hướng đổ bê tông cũng nên tương tự như trên kết cấu
thực.

2. Vật liệu
2.1. Sợi

(1) P Sợi thì được đặc trưng bởi cả tính chất của vật liệu cũng như các tham số hình học, bao gồm chiều
dài, đường kính tương đương, tỷ lệ co (aspect ratio) và hình dạng (thẳng, sợi có móc/ngoặc,vv..).
2.1.1. Chiều dài sợi
(1) P Chiều dài sợi lf, là khoảng cách giữa các đầu mút bên ngoài của sợi đó.
Chiều dài được phát triển của sợi ld , là độ dài của đường trục của sợi đó.
Chiều dài của sợi cần được đo đạc theo quy chuẩn tham chiếu cụ thể.
2.1.2. Đường kính tương đương
14


(1) P Đường kính tương đương, df, là đường kính của một đường tròn có một diện tích tương đương với
diện tích tiết diện ngang trung bình của sợi đó.
(2) Đối với các tiết diện ngang hình tròn có đường kính lớn hơn 0.3mm, thì đường kính tương đương cúa
sợi phải được đo bằng một thước đo micrometer, trong hai hướng, một cách xấp xỉ ở các góc vuông, với
một độ chính xác phù hợp với quy chuẩn tham chiếu cụ thể. Đường kính tương đương này được cho bởi
giá trị trung bình của hai đường kính đo được (theo 2 hướng như đã nói).
(3) Với những sợi có đường kính nhỏ thua 0.3mm, đường kính tương đương phải được đo với một thiết
bị quang học, với một độ chính xác phù hợp với quy chuẩn tham chiếu cụ thể.
(3) Với những tiết diện hình elip, đường kính tương đương phải được đánh giá bắt đầu từ việc đo đạc
theo 2 trục, sử dụng một thước đo micrometer, với một độ chính xác phù hợp với quy chuẩn tham chiếu
cụ thể. Lúc đó đường kính tương đương được cho bởi giá trị trung bình của hai độ dài đo được theo 2
trục.
(4) Đối với tiết diện hình chữ nhật, chiều rộng, bf, và chiều dày, hf, phải được đo theo quy chuẩn tham
chiếu cụ thể. Lúc đó đường kính tương đương được xác định theo công thức (1.1):

(6) Một cách có thể thay thế, và trong trường hợp cụ thể với sợi có tiết diện bất quy tắc, đường kính
tương đương có thể được đánh giá bằng công thức (2.1) sau đây:

Trong đó m là khối lượng, ld là chiều dài phát triển, và

là tỷ trọng của sợi.

2.1.3. Tỷ lệ co (aspect ratio):
(1) P Tỷ lệ co thì được định nghĩa bằng tỷ lệ giữa chiều dài, lf, với đường kính tương đương của sợi đó,
gọi là df.
2.1.4. Cường đọ chịu kéo của sợi
(1) P Cường độ chịu kéo của sợi là ứng suất tương ứng với lực kéo tối đa mà sợi đó có thể mang (chịu
đựng).
(2) Cường độ chịu kéo phải được tính toán, theo quy chuẩn tham chiếu cụ thể, bằng cách chia lực tối đa
cho diện tích tương đương của tiết diện ngang, được xác định là diện tích của vòng tròn có đường kính
tương đương (bằng) df .
Giá trị tham chiếu của cường độ chịu kéo được cho trong bảng 2-1 và bảng 2-2 đối với một số dạng sợi
khác nhau.
15


2.1.5.Mô đun đàn hồi
(1) Mô đun đàn hồi của sợi phải được đánh giá theo quy chuẩn tham chiếu cụ thể.
Giá trị tham chiếu của đun đàn hồi được cho trong bảng 2-2 đối với một số dạng sợi khác nhau.
2.2. Sợi thép
(1) Những sợi thép là sợi có chiều dài, lf, biến thiên trong phạm vi 6mm tới 70mm, và một đường kính
tương đương, df, thay đổi trong phạm vi 0.15mm tới 1.20mm.
(2) Những sợi thép này có thể được phân loại trên cơ sở của quá trình sản xuất, hình dạng, cũng như vật
liệu.
1. Quá trình sản xuất:
-sợi kéo nguội (Type A)
- tấm cắt ra (Type B);
-quá trình khác (Type C)
2. Hình dạng:
- thẳng

- có gờ/gân (có móc, có gợn/nếp)
3. Vật liệu:
-thép với hàm lượng cacbon thấp (C nhỏ thua hoặc bằng 0.20, Type 1);
-thép với hàm lượng cacbon cao (C lớn hơn 0.20, Type 2)
-thép không rỉ (Type 3).
Dựa vào các tính chất cơ học, sợi có thể được chia nhỏ hơn thành 3 loại khác nhau (R1, R2, R3) như
trong Bảng 2-1.
Bảng 2-1. Loại sợi thép chia theo cường độ

16


Trong Bảng 2-1, Rm e Rp0.2 là cường độ chịu kéo tương ứng với lực tối đa và một sự dịch chuyển (a shift)
từ sự làm việc tỷ lệ với biến dạng dương không hồi phục tương đương với 0.2% của độ dài cơ sở của
đồng hồ đo biến dạng (strain-gauge).
(3) Mô đun đàn hồi của sợi thép có thể được giả thiết tương đương với 200 Gpa đối với thép có hàm
lượng cacbon thấp và cao, và tương đương với 170 Gpa đối với thép không rỉ.
2.3. Sợi polime và sợi cacbon
(1) Sợi polime làm bằng acrylic, aramid, nylon, polyester, polyethylene, polipropylene, và sợi cacbon đều
được bày bán nhiều trên thị trường.
(2) Những loại sợi này có thể được sử dụng để cải thiện:
1 Các tính chất dẻo ngắn hạn;
2 độ bền lâu và sức kháng (chịu đựng) các chu kỳ đóng băng và tan băng
3 sức chịu tác động và mài mòn;
4 sức chịu đựng sau khi nứt của các loại chất/ma trận kết dính;
5 Sức chịu lửa.
(3) Sợi có thể được phân loại thành sợi nhỏ (micro-fibers), với chiều dài bằng mm, và sợi lớn (macrofibers với chiều dài lên tới 80mm. Giá trị điển hình của các tỷ lệ co (tỷ lê chiều dài/đường kính) thay đổi
trong phạm vi từ 100 tới 500.
(4) Các tính chất chính của sợi polime và cacbon mà có sẵn để bán trên thị trường, được chỉ ra trong
bảng 2-2.

17


18


2.4. Hỗn hợp chất gốc (matrix)
(1) P Hỗn hợp kết dinh FRC bao gồm các vật liệu kết dính (bê tông hoặc vữa)
(2) Để thu được một sự phân tán sợi tốt cũng như một độ công tác (workability) phù hợp, hỗn hợp chất
gốc (matrix) phải được thiết kế đúng, chẳng hạn như bằng cách tăng hàm lượng hạt cốt liệu nhỏ.
(3) Các tính chất vật lý và cơ học của chất gốc là bê tông hoặc vữa được định nghĩa theo tiêu chuẩn tham
chiếu cụ thể.
2.5. Bê tông cốt sợi
(1)P Các tính chất vật lý và cơ học của vật liệu composite phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần của các thành
phần cũng như các tính chất của mỗi thành phần tham gia (chất gốc kết dính và sợi).
(2) Việc đưa thêm sợi vào có thể tăng cường (cải thiện) độ dẻo dai, độ bền lâu, sức chịu tác động (tính
đàn hồi/co giãn), sức chịu mỏi và mài mòn của chất gốc kết dính (bê tông hoặc vữa).
(3) Các tính chất cơ học của sợi được dùng làm cốt phải được xác định trực tiếp trên các viên mẫu thông
qua các thử nghiệm đã được tiêu chuẩn hóa.
(2) P Phần thể tích tối thiểu của sợi cho các ứng dụng kết cấu không được nhỏ thua 0.3%.
(4) Không có các thử nghiệm cụ thể, tất cả các tính chất cơ học, không được chỉ rõ, có thể được giả thiết
là tương tự như các tính chất đó của bê tông thông thường.
2.5.1. Các tính chất ở trạng thái tươi (mới trộn)
2.5.1.1 Tính chất từ biến
(1)P Các tính chất từ biến của bê tông cốt sợi phụ thuộc vào sự đồng nhất (đặc chặt) của chất gốc cũng
như bản chất của sợi, liều lượng và kích thước hình học.
(2) Việc sử dụng hàm lượng sợi điển hình cho các ứng dụng vào kết cấu làm giảm độ công tác của hỗn
hợp, đặc biệt là những loại sợi có hình dạng phức tạp và tỷ lệ độ co lớn (câu này hình như thứa dấu
phẩy). Việc điều chỉnh phù hợp tỷ lệ thành phần hỗn hợp có thể được thực hiện nơi nào cần thiết:

•

Bằng cách tăng tỷ lệ thành phần cốt liệu mịn và/hoặc bằng cách giảm bớt kích thước cốt liệu tối đa’

•

Bằng cách sử dụng loại và hàm lượng phụ gia siêu dẻo phù hợp.

2.5.1.2. Tính đồng nhất của hỗn hợp
(1)P Sự phân bố sợi trong hỗn hợp cần phải đồng đều. Để đạt được điều kiện này, phải có có sự chú ý
đặc biệt để tránh sự kết tụ sợi (balling/vê viên). Dù rằng hàm lượng kết tụ này được hạn chế, sự có mặt
của chúng có thể tạo thành một số vật cản và làm cho việc bơm vữa trở nên khó khăn.
(2) Tính đồng nhất của hỗn hợp có thể được đo đạc bằng cách kiểm tra hàm lượng sợi trong một số mẫu
được lấy ra trong quá trình đổ bê tông phù hợp với tiêu chuẩn EN 14721.

19


(3) Những vùng có sự phân bố sợi không đồng nhất càng khuếch tán (rải ra nhiều nơi) thì các tính chất
của bê tông cốt sợi càng khác nhau so với các tính chất danh nghĩa.
(4) Phải có sự chú ý đặc biệt tới hiện tượng cacbonat hóa, đặc biệt là khi sử dụng một chất gốc/hỗn hợp
bao gồm vữa và sợi.
2.5.1.3. Sự co ngót dẻo (plastic shringkage)
(1)P Kích thước vết nứt do co ngót dẻo được giảm xuống nhờ có sợi.
(2) Sợi nhỏ polime (polypropylene) là phù hợp hơn cho mục đích này.
2.5.2. Sự ứng xử (làm việc) khi chịu nén
(1)P Nói chung sợi làm giảm độ giòn của matrix, nhưng chúng không có ảnh hưởng đáng kể tới sự làm
việc khi chịu nén.
(2) Trong thực tế, quy luật cấu trúc (constitutive law) của bê tông cốt sợi có thể được giả thiết tương
đương với quy luật đó của bê tông thông thường.

2.5.2.2. Sự làm việc khi chịu kéo
(1)P Sợi cải thiện sự làm việc khi chịu kéo của hỗn hợp khi đã bị nứt, như được chỉ ra dưới dạng sơ đồ
trong Hình 2-1.

HÌnh 2-1. Sự làm việc khi chịu kéo

20


(2) Với hàm lượng sợi thấp (có tỷ lệ thành phần thể tích xấp xỉ, thấp hơn 2%), sự làm việc là mềm hóa
(softening)
(3) Với hàm lượng sợi lớn (có tỷ lệ thành phần thể tích cao hơn 2%), cường độ có thể cao hơn so với
cường độ của riêng bê tông, vì một sự làm việc cứng hóa (hardening) gắn liền với hiện tượng nứt nhiều
đường (multi-cracking) có thể xẩy ra (Hình 2-1).
(4) Cường độ chịu uốn một trục ở vết nứt đầu tiên của bê tông cốt sợi, fFt, có thể được giả thiết tương
đương với cường độ đó của riêng bê tông, fct. Đối với vật liệu ứng xử mềm hóa, cường độ, , fFt , có thể
được giả thiết tương đương với ứng suất tối đa (Hình 2-1).
(5) Cường độ chịu kéo một trục dư của vật liệu, fFtu (Hình 2-1), chịu ảnh hưởng đáng kể bởi tỷ lệ thể tích
của sợi, Vf, bởi tỷ số co (chiều dài/đường kính), lf/df, cũng như sự dính kết giữa bê tông và cốt thép, đối
với cả hai trường hợp (sự làm việc mềm hóa và cứng hóa).
Lời tuyên bố này có thể được rút ra một cách dễ dàng từ sự cân bằng theo hướng ở góc vuông có bề
mặt đứt gãy, giả thiết rằng sợi song song với hướng này và đánh giá lực đặc trưng kéo giật (Q) theo công
thức:
…(2.1)
Trong đó:
-nf là số lượng sợi trên một đơn vị diện tích đứt gãy;
-df là đường kính tương đương của sợi;
-lb = lf/4 là độ dài liên kết truyền thống của từng sợi;
-

m

là ứng suất liên kết tiếp tuyến trung bình;
là một hệ số tính đến sự định hướng thực của các sợi thép;

-Vf là tỷ lệ thể tích của các sợi;
-Af là diện tích tiết diện ngang của một sợi đơn lẻ.
Phương trình (1.1) đem lại một giá trị xấp xỉ, vì nó không đưa vào tính toán các yếu tố khác, ví dụ như,
hình dạng sợi, bề mặt chung giữa sợi và bê tông, hướng đổ bê tông, kỹ thuật trộn và đầm bê tông tươi
mà những thứ này ảnh hưởng tới sự phân bố và định hướng của sợi trong bê tông.
(6) Kết quả là, một cách tiếp cận theo tính năng, có khả năng nhận biết bằng thực nghiệm, đường cong
chịu uốn theo cấu trúc bằng việc dùng các thử nghiệm phù hợp trên viên mẫu bê tông cốt sợi được đề
xuất.
Quy luật mở ứng suất – vết nứt,

, có thể được xác định thông qua các thử nghiệm uốn hoặc

kéo một trục.

21


Thử nghiệm kéo một trục cung cấp một cách trực tiếp quy luật

và có thể được thực hiện theo

UNI 11188.
Đối với vật liệu ứng xử mềm hóa, việc thực hiện thử nghiệm này là không đơn giản. Vì thế thử nghiệm
uốn có thể được thực hiện theo UNI 11039 (Hình 2-2).
Trong trường hợp này, ứng suất danh định được đánh giá với giả thiết về sự ứng xử (làm việc) đàn hồi

của viên mẫu (với sự tham khảo ở HÌnh 2-2:

).

HÌnh 2-2. Thử nghiệm uốn 4 điểm như được đề xuất trong UNI 11039.

(7) Quy luật

, rút ra được từ một thử nghiệm uốn và được thực hiện bằng cách sử dụng những

quy trình được báo cáo trong Phụ lục A, có thể được sử dụng một cách trực tiếp để phân tích bộ phận
kết cấu chịu uốn.
Với những bộ phận chịu kéo đơn giản, cường độ phải được giảm xuống thông qua một hệ số tương
đương với 0.7.
Khi một viên mẫu được cắt khấc/có khía (notched) có một sự ứng xử cứng hóa sinh ra từ một thử
nghiệm chịu uốn, thử nghiệm này phải được lặp lại trên một viên mẫu không cắt khấc (có khía) nhằm
thẩm định lại độ dẻo dai (ductility) thực tế.
Thử nghiệm uốn trên một viên mẫu không cắt khấc cũng cần được thực hiện trên các cấu kiện thành
mỏng (thin walled elements) chịu uốn nhằm đưa vào tính toán những biến số đáng kể chẳng hạn như
hướng đổ bê tông, kỹ thuật trộn hỗn hợp, và hiệu ứng thành tường/wall effect (Phụ lục A).
(8) Cường độ sau khi nứt có thể được định rõ trên cơ sở các giá trị điểm, fi, tương ứng với giá trị danh
nghĩa đã quy định của sự mở rộng vết nứt, hoặc dựa trên các giá trị trung bình, feqi, được tính toán cho
các khoảng cách mở vết nứt đã chỉ định (Hình 2-3). Khi một viên mẫu cắt khấc được xem xét, sự mở
22


rộng vết nứt có thể được giả thiết theo cách truyền thống là tương đương với sự chuyển vị giữa 2 điểm
ở đỉnh khía (notch tip), CTOD.

Hình 2-3. Định nghĩa điểm và cường độ dư trung bình.

(9) Hai quy luật cấu trúc mở rộng vết nứt - ứng suất đã đơn giản hóa có thể rút ra được trên cơ sở kết
quả thử nghiệm chịu uốn: một sự ứng xử sau nứt tuyến tính (cứng hóa hoặc mềm hóa) hoặc một sự ứng
xử cứng đàn hồi, như đã được chỉ ra theo kiểu sơ đồ ở HÌnh 2-4. Trong trường hợp thứ hai, fFts đại diện
cho cường độ dư theo khả năng phục vụ, được định nghĩa dưới dạng cường độ sau vết nứt (sau nứt) đối
với việc mở rộng vết nứt xét theo (trạng thái giới hạn về) khả năng phục vụ, trong khi đó thì fFtu đại diện
cho cường độ dư cực hạn (ultimate).

Hình 2-4. Các quy luật cấu trúc đã đơn giản hóa: sự mở rộng vết nứt –khi kéo

23


(10) Các ứng suất, fFts e fFtu, đặc trưng 2 mô hình này có thể được đánh giá thông qua quy trình đã được
báo cáo trong Phụ lục A.
(11) Khi xem xét một loại vật liệu ứng xử mềm hóa, giá trị mở rộng vết nứt cực hạn,

, của quy luật cấu

trúc không thể nào lớn hơn được giá trị tối đa bằng 3mm đối với bộ phận chịu uốn, và bằng 1.5mm, đối
với bộ phận chịu kéo.
(12) Khi vật liệu ứng xử mềm hóa được xem xét, và sự nứt nhiều (multi-cracking) xẩy ra, việc nhận biết
sự mở rộng vết nứt là không cần thiết vì một quy luật ứng suất – biến dạng có thể được sử dụng trực
tiếp, như được chỉ rõ sau này.
(13) Các phương pháp thay thế phức tạp hơn, được đề xuất trong tài liệu, có thể được sử dụng miễn là
chúng có hiệu lực (được phê chuẩn).
2.5.2.3. Quy luật cấu trúc ứng suất – biến dạng
Các quy luật cấu trúc được đề xuất trước đây được biểu thị theo ứng suất và biến dạng
(1) Khi xem xét vật liệu ứng xử mềm hóa, định nghĩa về quy luật ứng suất – biến dạng là dựa trên sự
nhận biết về chiều rộng mở rộng vết nứt (crack opening width) cũng như chiều dài đặc trưng tương ứng

lcs của bộ phận kết cấu. Vì thế, biến dạng có thể được giả thiết là tương đương với:
(2.2)
Chiều dài đặc trưng lcs có thể được đánh giá với sự có mặt của một (loại) cốt thép truyền thống thông
qua các phương trình (2.3) và (2.4) sau đây:

Trong đó:
-

srm là giá tri khoảng cách trung bình giữa các vết nứt;

-

y là khoảng cách giữa trục trung hòa và phía (mặt) chịu kéo cực hạn của tiết diện ngang, được đánh
giá trong giai đoạn bị nứt đàn hồi không có cường độ chịu kéo của sợi được dùng làm cốt;

-

là một hệ số kích thước tương đương với 1.0 khi lf/df <50, tương đương với 50. lf/df khi 50≤ lf/df ≤
100 và tương đương với ½ khi lf/df > 100;

-

df là đường kính sợi;

-

lf là chiều dài sợi;

-

Ø là đường kính thanh thép (khi các thanh/sợi khác nhau được sử dụng trong một tiết diện, giá trị
trung bình chất tải mang đặt lên tiết diện ngang của từng thanh có thể được sử dụng. Câu này Tây
viết lủng củng quá, khó dịch, Huy – 21/1/2014).

-

k1 bằng 0.8 với thanh có liên kết cao (gờ/gân/móc), 1.6 đối với thanh trơn/nhẵn;
24


-

k2 bằng 0.5 với trường hợp uốn thuần túy hoặc phức hợp khi y≤ h, bằng 1.0 khi chịu kéo nếu y >h;

-

h là chiều cao tiết diện;

-

là tỷ lệ cốt hình quạt (geometric reinforcement ratio) trong phạm vi tiết diện chịu kéo hiệu quả,
được định nghĩa bằng khoảng cách y.

Trong trường hợp tiết diện không có cốt thép (theo) truyền thống, chịu uốn, các lực kéo-uốn và uốn-nén
pháp tuyến được phối hợp có lực tổng hợp nằm ngoài tiết diện, y=h được giả thiết.
(2) Những phương thức được kể ra ở trên, hữu ích cho việc thu được chiều dài đặc trưng, được kết nối
với mô hình dầm tiết diện phẳng . Với một mô hình hình ảnh khác, (ví dụ như, phương pháp phần tử
hữu hạn), những phương thức này phải được xác định lại.
(3) Khi xem xét một vật liệu ứng xử cứng hóa, sự nứt nhiều đường xẩy ra. Vì thế, một biến dạng trung
bình có thể thu được một cách trực tiếp từ các thử nghiệm thực nghiệm, hữu ích trong việc nhận biết

các tham số cấu trúc. Giá trị biến dạng cực hạn được giả thiết tương đương với 1%.
(4) Cuối cùng, sự ứng xử ứng suất - biến dạng khi kéo có thể được giả thiết như đã chỉ ra ở HÌnh 2-5, sử
dụng các tham số được báo cáo trong Phụ lục A.

HÌnh 2-5. Quy luật ứng suất – biến dạng.
(5) Mô hình đơn giản hóa (Hình 2-6), tương ứng với quy luật mở rộng vết nứt khi chịu kéo được chỉ ra ở
Hình 2-4, có thể được sử dụng.
Hình thứ nhất là dựa vào cường độ dư tương đương theo (trạng thái giới hạn) khả năng phục vụ và (giới
hạn) cực hạn.
Hình thứ 2, mô hình dẻo cứng, là dựa vào một giá trị phù hợp của cường độ dư theo (trạng thái) cực
hạn.
Những quy luật này chỉ liên quan đến cường độ dư sau khi nứt (residual post-cracking strengths).
25