Nghiên cứu khả năng chịu lực và ứng xử nút của dầm BTCT có bổ sung sợi tổng hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BAÙCH KHOA
----------

PHAN DUY THANH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ỨNG XỬ
NỨT CỦA DẦM BTCT CÓ BỔ SUNG SỢI TỔNG HỢP

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ NGÀNH : 60.58.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2013


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Hữu Chỉnh……………………
……………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. Nguyễn Minh Long…………………………..

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. Bùi Đúc Vinh…………………………………...

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa , Đại học Quốc Gia
Tp.HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm:
1.

TS. Lê Văn Phước Nhân……………………………………………………….

2.

TS. Ngô Hữu Cường…………………………………………………………….

3.

TS. Hồ Hữu Chỉnh………………………………………………………………

4.

TS. Nguyễn Minh Long…………………………………………………………

5.

TS. Bùi Đức Vinh……………………………………………………………….

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Ban quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Ban quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TPHCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÕNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên

: Phan Duy Thanh

Phái

Ngày, tháng, năm sinh

: 21-09-1987

Nơi sinh : Bình Phước

Chun ngành

: Xây dựng DD&CN

Mã số

Khóa

: 2010

: Nam
: 60.58.20

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ỨNG XỬ NỨT
CỦA DẦM BTCT CÓ BỔ SUNG SỢI TỔNG HỢP.
II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :
Khảo sát thực nghiệm về khả năng chịu lực và ứng xử nứt của dầm BT
và dầm BTCT có bổ sung sợi polyethylene terephthalate (PET) và
polypropylene (PP).
Tính tốn lý thuyết và sử dụng phần mềm ứng dụng phân tích và mơ
phỏng kết cấu để kiểm chứng kết quả thực tế.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

:

02/07/2012

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

:

30/12/2012

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

:

TS. HỒ HỮU CHỈNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Tp.HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. HỒ HỮU CHỈNH

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến người thầy hướng dẫn luận văn,
TS. Hồ Hữu Chỉnh, là người thầy mẫu mực và uyên bác, người cố vấn đầy kinh
nghiệm, đã tận tình hướng dẫn, định hướng khoa học và động viên tinh thần cho tơi
vượt qua những khó khăn trong suốt q trình nghiên cứu. Đạo đức và tri thức của
thầy luôn là tấm gương sáng cho chúng tôi noi theo.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Quản lý khoa học và Sau đại học, Khoa
Kỹ thuật xây dựng, các thầy cô giảng dạy cao học Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ
Chí Minh và tất cả các thầy cơ đã dạy tôi từ trước đến nay về những kiến thức quý báu
mà tôi đã được truyền đạt.
Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè và gia đình đã ln ủng hộ, tạo mọi điều kiện giúp
tơi hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !

Tp.HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2013

Phan Duy Thanh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ỨNG XỬ NỨT CỦA DẦM
BTCT CÓ BỔ SUNG SỢI TỔNG HỢP.

Luận văn này trình bày phương pháp nghiên cứu khảo sát thực nghiệm kết hợp
việc tính tốn lý thuyết và mô phỏng phần tử hữu hạn (PTHH) dựa trên chương trình
tính tốn Ansys để khảo sát ứng xử về độ bền và độ võng nứt của các dầm bê tông cốt
thép thường và dầm bê tông cốt thép có bổ sung cốt sợi tổng hợp PET (polyethylene
terephthalate) ,PP (polypropylene) với hàm lượng sợi kiểm soát lần lượt là 0.5%,
0.75%, 1% và 1.5%.
Kết quả cho thấy là về cường độ chịu nén của bê tơng khi có sợi sẽ giảm ít từ 615% , cường độ chịu kéo tăng từ 2-5%. Nhưng cường độ chịu nén cực hạn của dầm
tăng khá tốt lên đến 50% và độ võng giữa nhịp khi dầm phá hoại tăng 2-3 lần. Độ dẻo
dai của kết cấu khi có bổ sung thêm sợi được cải thiện rất rõ thông qua chỉ số độ dẻo
dai tăng 1.5 đến 2.5 lần so với dầm bê tông cốt thép khơng có sợi bổ sung.
Phân tích phần tử hữu hạn (PTHH) phi tuyến dựa trên chương trình tính tốn
ANSYS được thực hiện nhằm mơ phỏng ứng xử uốn của các dầm. Các đường quan hệ
tải trọng và độ võng (P-∆) từ mơ phỏng PTHH có hiệu chỉnh độ cứng uốn dầm có cốt
sợi bổ sung khá phù hợp với kết quả thí nghiệm và kết quả tính tốn lý thuyết.


- As , A’s

= Diện tích thép chịu kéo và thép chịu nén.

-b

= Bề rộng tiết diện dầm .

- d,d’

= Khoảng cách từ mép trên dầm đến trọng tâm thép chịu kéo và
thép chịu nén.

- Ec

= Mô đun đàn hồi tính tốn của bê tơng để tính mơmen qn tính
tương đương Ie

- Ecm

= Mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông .

- Es

= Mô đun đàn hồi của vật liệu thép.

- Eo

= Môđun đàn hồi cơ sở.

- f'c , fyb

= Cường độ chịu nén của vật liệu bê tông, cường độ chịu kéo/nén
của thép thanh.

-h

= Chiều cao tiết diện dầm.

- Ie

= Mơmen qn tính tương đương của tiết diện dầm.

- Icr

= Mơmen qn tính nứt tương ứng của tiết diện dầm .

- Ma

= mô men tại giữa nhịp do các tải trọng P gây ra.

- Mu

= Mômen kháng uốn dẻo của dầm.

- Mcr

= Mômen kháng nứt của phần bê tông trong tiết diện dầm

-n

= Tỷ số modul đàn hồi của cốt thép và bê tông .

-P

= Tải trọng tập trung tác dụng lên dầm.

- Pcr,cal , Pcr,exp

= Tải trọng gây nứt dầm tính tốn và thí nghiệm tương ứng.

- Pu,cal , Pu,exp

= Tải trọng uốn cực hạn tính tốn và thí nghiệm tương ứng.

- PP

= polyethylene terephthalate.

- PET

= polypropylene.

-

= độ võng nứt tính tốn tại tiết diện giữa dầm.

s ,cal


TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên

: Phan Duy Thanh

Sinh ngày

: 21/09/1987

Nơi sinh: Bình Phước

Địa chỉ liên lạc: Khu phố Phú Cường ,Phường Tân Phú,TX- Đồng Xồi,Tỉnh
Bình Phước.
Q TRÌNH ĐÀO TẠO
-

Từ 2005 đến 2010:

Học Đại học tại trường Đại học ĐHDL Văn Lang.

-

Từ 2010 đến 2012:

Học Cao học tại trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ

Chí Minh.
Q TRÌNH CƠNG TÁC
-

Năm 2010 – 2012: Công ty TNHH Một Thành Viên Dịch Vụ Cơng Ích
Quận 4 ,Tp HCM.


MỤC LỤC

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ……………………………………………………....4

1.1 .Tổng quan về kết cấu bêtơng cốt thép có cốt sợi phân tán…………………...4
1.2 . Mục đích nghiên cứu……………………………………………………………...4
1.3 Nội dung nghiên cứu………………………………………………………...4
1.4 Sơ lược về lịch sử phát triển……………………………………………….....5
1.5 Nhiệm vụ và nội dung đề tài……………………………………………….....6
1.6 Cấu trúc luận văn……………………………………………………………7
CHƢƠNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ……………………………………………………......8
2.1 .Giới thiệu chung……………………………………………………………..8
2.2 Giới thiệu một số cơng trình có ứng dụng sơi tổng hợp ……………………9
2.3 Ý nghĩa nghiên cứu……………………………………………………… ….12
CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……………………………………………...13
3.1. Lý thuyết xác định độ bền uốn cực hạn của dầm …… ………………........13
3.1.1 Giả thiết thiết kế……………………………………………………....13
3.1.2. Các thông số đặc trưng cho tiết diện dầm ……………………............13
3.1.3 Tải trọng cực hạn và độ võng nứt của dầm ……………………..........15
3.2. Các bài toán phân tích …………………………………………………......16
3.2.1. Bài tốn 1: So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm……………….16
3.2.2. Bài tốn 2: Tính tốn độ võng nứt của các dầm trong
trường hợp có hiệu chỉnh Ec…………………………………………….............21
CHƢƠNG 4. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM ………………………………......25
4.1. Vật liệu thí nghiệm …………………………………………………………25
4.1.1 Bê tông…………………………………………………………………25
4.1.2 Cốt thép thanh..………………………………………………………..29
4.1.3 Sợi Polyethylene Terephthalate (PET) và Polypropylene (PP)... .….....30
4.2. Mẫu dầm thí nghiệm ……………………………………………………….31
4.3 Q trình đúc mẫu thí nghiệm………………………………………………33
Trang 1


MỤC LỤC

4.3.1 Công tác chuẩn bị trước khi đúc mẫu ………...……..………………...33
4.3.2 Công tác đổ bê tông…………………………...……..………………...35
4.4. Dụng cụ đo đạc……………………………………………………………..37
4.5. Bố trí thiết bị đo đạc……………………………………………………......38
4.6. Quy trình gia tải…………………………………………………………….40
4.7. Kết quả ứng xử của dầm……………………………………………………41
CHƢƠNG 5. MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN……………………………...47
5.1. Mơ hình dầm bằng phần mềm ANSYS ……………………………..……..47
5.1.1. Mơ hình kích thước PTHH trong ANSYS …………………………..48
5.1.2. Mơ hình hóa vật liệu bê tơng ………………………………………...49
5.1.2.1.Mơ hình phá hoại…………………………………………………...49
5.1.2.1.Mơ hình đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng khi chịu nén…...50
5.1.2.1.Mơ hình đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng khi chịu kéo…...52
5.1.3. Mơ hình hóa cốt thép dọc, thép đai ……………………………….....56
5.2. Mơ phỏng ứng xử dầm cho các mơ hình PTHH ……………………………58
5.2.1. Mơ phỏng mơ hình các dầm trong phân tích thực nghiệm…..…..……58
5.2.1.1.Thơng số tiết diện và đặc trưng vật liệu dầm……………………….58
5.2.1.2.Mơ hình PTHH của dầm…………………...……………………….59
5.2.1.3.Kết quả mơ phỏng ứng xử độ võng của các dầm…………….…….60
5.2.2. Mơ phỏng mơ hình dầm hiệu chỉnh mô đun đàn hồi Ec=0.5Ecm….....63
CHƢƠNG 6. ĐÁNH GIÁ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ …………………………….67
6.1. Đánh giá kết quả các mẫu thí nghiệm ……………………………….……67
6.1.1. Cường độ chịu nén mẫu và modul đàn hồi ……….…………………67
6.1.2. Độ bền chịu kéo nứt tách của bê tơng ………………………………69
6.2. Dự đốn cơng thức thực nghiệm……………………………………………69
6.2.1. Dự đốn cơng thức tính tốn cường độ chịu nén và modul đàn hồi.....70
6.2.2. Dự đốn cơng thức tính toán cường độ kéo nứt tách……………….....73
6.3 Bản chất ứng xử của dầm……………………………………………............74
6.3.1. Ứng xử về độ võng của dầm ……………..……….………………….74

6.3.2. Kiểu phá hoại dầm………………………..……….………………….77
6.3.3. Ứng xử mở rộng vết nứt của dầm ………..……….………………….77
Trang 2


MỤC LỤC

6.4. So Sánh Đánh Giá Dầm Có Bổ Sung Sợi Pet Và Sợi PP……………...........79
6.4.1. Về cường độ chịu nén,modul đàn hối và cường độ kéo nứt tách…….79
6.4.2. Về ứng xử võng của dầm …………………………………………….79
6.5. Phân tích tính chính xác của phương pháp giải tích……………….............80
6.5.1. Kết quả so sánh độ bền uốn cực hạn của các dầm giữa lý thuyết
và thực nghiệm ………..………………………..……….………………….80
6.5.2. Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa lý thuyết và
thực nghiệm ………..………………………..……….……………………..80
6.5.3. Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa lý thuyết và Kim[3]...…..87
6.5.4. Kết quả so sánh độ võng của các dầm giữa thí nghiệm và Kim[3]…..90
CHƢƠNG 7. KẾT LUẬN ………………………………………………………...94
7.1. Kết luận ……...………………….…………………………………………94
7.1.1. Về cường độ chịu nén của bê tông cốt sợi.………………….……….94
7.1.2. Về độ bền chịu kéo của bê tông cốt sợi..………………….…………94
7.1.3. Về bản chất ứng xử uốn của dầm BTCT cốt sợi.………….…………94
7.1.4. Về sự phát triển vết nứt trong dầm BTCT cốt sợi………….…………95
7.1.5. Về độ bền kháng uốn của dầm BTCT cốt sợi …………….…………95
7.1.6. Về khả năng sử dụng sợi tái sinh trong BTCT cốt sợi …….…………95
7.1.7. Về tính chính xác của phương pháp nghiên cứu……..…….…………95
7.2. Hướng phát triển của luận văn………………………….…………………96
CHƢƠNG 8. TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………..97
CHƢƠNG 9. PHỤ LỤC………………………………………………………….100

Trang 3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về kết cấu bê tơng cốt thép có cốt sợi phân tán :
Kết cấu bê tơng có bổ sung cốt sợi polyme (nhựa tổng hợp),một số nghiên cứu

trước các tác giả đã cho thấy khả năng sử dụng loại cốt liệu sợi polyme trong bê tơng
có khả tăng cường tính dẻo dai của bê tông. Ở phạm vi đề tài này, Học viên tập trung
nghiên cứu về cường độ vật liệu của bê tông khi chịu nén, chịu kéo và độ bền uốn của
mơ hình dầm bê tơng cốt thép có bổ sung cốt sợi polyethylene terephthalate (PET) và
polypropylene (PP) với hàm lượng sợi lần lượt là 0.5%, 0.75%, 1% và 1.5%.
1.2.

Mục đích nghiên cứu :
Mục đích của đề tài này nhằm đựa ra giải pháp kết cấu mới mang tính đột phá

về sự lựa chọn vật liệu sử dụng kết hợp trong Kết Cấu Bê tông cốt thép.
Qua kết quả thu được từ các mẫu với các hàm lượng lần lượt như trên, từ đó
chọn ra hàm lượng tối ưu nhất để ứng dụng trong thực tiễn một cách hợp lý về cả chất
lượng sản phẩm và giá thành tốt nhât.
Ở Việt Nam kết cấu bê tơng cốt thép có gia cường cốt sợi vẫn chưa được sử
dụng và ứng dụng nhiều, nhưng các nước trên thế giới đã sử dụng rất nhiều loại cốt
liệu sợi gia cường trong bê tông nhằm tăng khả năng chịu kéo và hạn chế vết nứt trong
cấu kiện BTCT như sợi thép, sợi thủy tinh. Đưa ra hướng đi mới trong việc sử dụng
cốt liệu sợi nhựa tổng hợp (sử dụng tái chế) là mục đích chính của đề tài.

1.3.

Nội dung nghiên cứu :
Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu như đề xuất ở trên, đề tài sẽ tiến hành

thực hiện các nội dung chính như sau :
a, Phân tích thực nghiệm kết hợp mơ phỏng PTHH dựa trên chương trình tính
tốn ANSYS trên các mẫu dầm thí nghiệm để tìm hiểu ứng xử bản chất của dầm.
b, Sử dụng phương pháp giải tích tính tốn độ bền uốn cực hạn và độ võng nứt
của các tiết diện dầm với các thông số tương tự như trong phân tích thực nghiệm. Kết
quả tính tốn được kiểm chứng với kết quả thực nghiệm và mô phỏng PTHH để đánh
giá tính chính xác của lý thuyết tính tốn.
Trang 4


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

c, Trên cơ sở kết quả ở nội dung (b), tiến hành tính tốn và so sánh độ bền uốn
cực hạn của các tiết diện dầm BTCT có bổ sung sợi PET và PP với kết quả tính tốn
trên dầm BTCT khơng sợi tương ứng.
d, Trên cơ sở kết quả nghiên cứu ở nội dung (a) và (c), tiến hành khảo sát ảnh
hưởng của từng hàm lượng sợi trong dầm BTCT.
1.4.

Sơ lƣợc về lịch sử phát triển :
Đề tài nghiên cứu về bê tơng cốt thép có bổ sung cốt sợi tổng hợp đã được

nhiều nhà khoa học nghiên cứu qua nhiều thập niên :
 Chunxiang Qian và các cộng sự[9] (2000) đã nghiên cứu về các mẫu dầm
BTCT có bổ sung sợi PP và sợi thép với 3 kích cỡ khác nhau,hàm lượng sợi

từ 0-0,95% khối lượng BT. Các kết quả cho thấy rằng có sự tác động của sợi
làm tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu không cao, nhưng làm tăng
tăng sự dẻo dai của kết cấu là rất lớn.
 P.S. Song và S. Hwang[6] (2005) nghiên cứu về đặc trưng cường độ của
BTCT có bổ sung sợi nylon và sợi PP, với hàm lượng sợi thí nghiệm khoảng
0.6kg/m3 BT. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng cường độ chịu nén, độ bền
và modul nén vỡ được cải thiện 6.3%, 6.7% và 4.3%. Độ bền và nứt được
cải thiện nhiều hơn so với BT thường.
 Ochi T, Okubo và Fukui K[20] (2007) nghiên cứu phát triển sợi PET tái chế
và ứng dụng của nó như sợi gia cố trong BTCT. Họ mơ tả cách sản xuất sợi
PET từ những chai nhựa tái chế, sử dụng những phương pháp trộn sợi với
hàm lượng tối đa là 3%.
 Benardino F và các cộng sự[16] (2010) đã nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng
cốt sợi trong Bêtông nhằm cải thiện đặc tính nứt gãy của chúng. Ơng và các
cộng sự tiến hành thí nghiệm nén các mẫu vng 150x150x150mm và mẫu
dầm nhỏ kích thước 150x150x600mm với hàm lượng sợi thép hoặc sợi PP
từ 1%-2%. Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng với việc bổ sung sợi trong
BT làm cho cấu trúc ổn định hơn, độ bền khi chịu lực của kết cấu tăng đáng
kể so với bêtơng khơng có sợi bổ sung.

Trang 5


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

 Fernando Fraternali và các cộng sự[5] (2011) nghiên cứu thực nghiệm các
thuộc tính cơ học của BTCT có bổ sung sợi PET tái chế. Cơng việc của họ
là thí nghiệm về độ dẻo dai, cường độ chịu nén và sự xuất hiện vết nứt đầu
tiên trong bêtơng sợi PET và PP. Tất cả các mẫu thí nghiệm với hàm lượng
sợi 1%, kết quả cho thấy rằng cường độ chịu nén của bêtơng tăng ít và cải

thiện tốt độ dẻo dai của cấu kiện.
1.5.

Nhiệm vụ và nội dung đề tài :
Dựa trên những nghiên cứu tiền đề trên, các mục tiêu nghiên cứu được đề xuất

trong luận văn này như sau:
Khảo sát thực nghiệm về khả năng chịu lực và ứng xử nứt của dầm BT
và dầm BTCT có bổ sung sợi polyethylene terephthalate (PET) và
polypropylene (PP).
Tính toán lý thuyết và sử dụng phần mềm ứng dụng phân tích và mơ
phỏng kết cấu để kiểm chứng kết quả thực tế.
Các nội dung mà đề tài dự kiến thực hiện gồm có:
Tiến hành khảo sát thực nghiệm 7 mẫu dầm lớn (200x300x2000) gồm : 1
mẫu dầm BTCT đối chứng (không sợi), 3 mẫu dầm BTCT cốt sợi PP và
3 mẫu dầm BTCT cốt sợi PET với hàm lượng sợi lần lượt là 0,5% ,
0,75%, 1% và 1.5%.
Đo đạc và thiết lập mối quan hệ giữa lực và chuyển vị (P- ∆), quan hệ
giữa lực và bề rộng vết nứt (P-w), quan hệ giữa lực và biến dạng của bê
tông (P- ), quan hệ giữa lực và biến dạng của sợi PET và PP.
So sánh đánh giá với kết quả thực nghiệm trước đó.
Thực hiện mơ phỏng bằng phần mềm ANSYS V 12.0.

Trang 6


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.6.

Cấu trúc luận văn :
Chương 1 : Tổng quan
Chương 2 : Đặt vấn đề .
Chương 3 : Cơ sở lý thuyết.
Chương 4 : Phân tích thực nghiệm .
Chương 5 : Mô phỏng Phần tử hữu hạn.
Chương 6 : Đánh giá ,phân tích kết quả.
Chương 7 : Kết luận.
Chương 8 : Tài liệu tham khảo.
Chương 9 : Phụ lục.

Trang 7


CHƢƠNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ

CHƢƠNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ
2.1.

Giới thiệu chung :
Bê tông cốt thép là loại vật liệu được sử dụng hết sức phổ biến và rộng rãi trong

nghành xây dựng hiện nay, hầu hết các cơng trình đều được làm bằng bê tơng cốt thép
và một số ít được làm bằng thép. Bê tông là vật liệu chịu nén rất tốt, tuổi thọ rất bền
vững và đặc biệt là giá thành rẻ do tận dụng dụng được các ngun liệu sẵn có. Tuy
nhiên bê tơng có nhược điểm là khả năng chịu kéo thấp và dễ bị nứt do co ngót, bê
tơng kết hợp với cốt thép tạo nên một loại vật liệu hết gần như là hoàn hảo do khả
ngăn chịu kéo rất tốt của thép bổ sung cho bê tông. Trong những kết quả nghiên cứu
gần đây cho thấy rằng bê tông cốt thép kết hợp với cốt sợi polyme cắt ngắn có thể cải
thiện đáng kể những khuyết điểm của bê tông ở trên và tăng cường độ dẻo dai của cấu

kiện bê tông cốt thép. Polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP),
polyethylen (PE), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl chloride (PVC), nylon, aramid,
và polyesters là những loại sợi đều có thể sử dụng để bổ sung trong cấu kiện bê tơng.
Trong đó, sợi PET và PP là một trong những sợi được sử dụng rộng rãi nhất trong
lĩnh vực ứng dụng xây dựng như các lớp lót đường hầm bê tông, trong loại bê tông
chống tải trọng nổ, các lớp phủ và hành lang đường.
Ngày nay, hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất đều làm cho môi trường ngày càng bị
ơ nhiễm nặng nề hơn, trong đó ngành xây dựng cũng làm ảnh hưởng đến môi trường
rất nhiều. Việc khai thác, sử dụng các vật liệu tự nhiên làm cho tài nguyên ngày càng
cạn kiệt, ô nhiễm và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Trong bối cảnh đó, các
nghiên cứu để tìm ra những loại vật liệu hiện đại và đặc biệt là các loại vật liệu tái chế
dùng để gia cường và gia cố trong bê tông cốt thép như: các loại sợi từ polyme, thủy
tinh, cellulose, chất thải cao su.
Một số vật liệu tái sinh như sợi polyme, thủy tinh, cellulose, cao su… có trọng
lượng nhẹ, độ bền cao, chịu nhiệt tốt. Từ những ưu điểm đó ta có thể khai thác và ứng
dụng để gia cố trong cấu kiện bê tông cốt thép với những sợi được chế tạo từ polyme
tái sinh.

Trang 8


CHƢƠNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ

Độ dẻo dai của kết cấu được cải thiện đặc biệt là ở những khu vực có ảnh
hưởng nhiều của địa chấn, nơi các tịa nhà và cơ sở hạ tầng cần được thiết kế kháng
chấn thật tốt khi chịu ảnh hưởng của gió và động đất tác dụng .
Qua những nghiên cứu những loại sợi gia cường trong bê tông, đặc biệt là sợi
PET và PP, một số đánh giá về công nghệ FRC được học giả Brandt trình bày.
Meddah và Bencheikh nghiên cứu về bê tơng cốt thép có bổ sung các sợi tái sinh PP
và các loại sợi kim loại khác nhau, trong khi đó học giả Song et al[6] nghiên cứu về

sức bền của bê tông sợi nylon và sợi PP. Bê tơng gia cố các loại sợi khác nhau có
cùng hàm lượng sợi 0,5% được học giả Yao et al so sánh về độ bền kéo, nén và các
đặc tính chịu uốn. Bencardino et al[16] đề cập đến sự phá hoại đứt, gãy của cấu kiện
bê tông cốt thép với hàm lượng 1% và 2% sợi thép hoặc sợi PP.
Từ những bài báo đã đề cập, tác giả đề xuất việc tính tốn thí nghiệm về cường
độ chịu nén, chịu kéo và độ dẻo dai của kết cấu BTCT có bổ sung cốt sợi PP và PET
với hàm lượng đề xuất từ 0,5% ,0,75%, 1% và 1.5%.
2.2.

Giới thiệu một số công trình có ứng dụng sợi tổng hợp :

Hình 2.1 : Vải địa kỹ thuật sử dụng trong làm đường.

Trang 9


CHƢƠNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hình 2.2 :Thi cơng vải địa kỹ thuật trong gia cố nền.

Hình 2.3 :Sử dụng lưới địa kỹ thuật trong thi công tường chắn.

Trang 10


CHƢƠNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hình 2.4 :Sử dụng vải địa kỹ thuật thi cơng đập thủy lợi.

Hình 2.5: Sử dụng FRP gia cường cột Cầu vượt Aotea Quay , Wellington, New

Zealand (Consultech, 1996).

Trang 11


CHƢƠNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hình 2.6: Sử dụng FRP gia cường kết cấu (Taljsten, 2006).
2.3. Ý nghĩa nghiên cứu :
 Ý nghĩa khoa học :
Hầu như tại Việt Nam chưa có cơng trình nào nghiên cứu về khả năng ứng dụng
các loại sợi nhựa tổng hợp trong kết cấu bê tông cốt thép. Nghiên cứu về cường độ bền
chịu nén, chịu kéo, độ dẻo dai và ứng xử nứt của dầm có bổ sung sợi PET và PP nhằm
xác định rõ các tính năng này. Một số đề tài trên thế giới cũng đã phân tích thực
nghiệm và đưa ra những kết luận về việc bổ sung sợi nhựa và nhựa tái sinh trong dầm
bê tông cốt thép. Đề tài sẽ tiến hành thí nghiệm và so sánh kết quả với các đề tài đã
nghiên cứu và đưa ra kết luận chính xác hơn.
 Ý nghĩa thực tiễn :
Do tình trạng chất thải nhựa trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng hiện
nay là rất lớn, hầu như những đồ dùng làm từ nhựa là rất nhiều như : nhựa Nylon,
nhựa PP(polypropylene), nhựa PET (polyethylene terephthalate) …và nhiều loại khác.
Nhựa là loại vật liệu tồn tại rất lâu trong mơi trường tự nhiên (hàng nghìn năm) ,và để
lại nhiều hậu quả ô nhiễm cao đến môi trường. Các loại sợi nhựa có đặc tính như : độ
bền chịu kéo cơ học cao, trơ với mơi trường hóa. Vì vậy hướng nghiên cứu đề tài về
khả năng ứng dụng những loại nhựa này trong kết cấu bê tông cốt thép một cách hiệu
quả nhằm mở ra một hướng mới để sử dụng các loại vật liệu nhựa tái sinh trong xây
dựng.

Trang 12

CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Lý thuyết xác định độ bền uốn cực hạn của dầm :
3.1.1. Giả thiết thiết kế:
i, Giả thiết dầm chịu chỉ uốn, phá hoại cắt không được xem xét, vì thế sự mất
ổn định cục bộ khơng thể xảy ra trong những phần tử thép.
Ngoài ra phương pháp cũng được căn cứ trên giả thiết sẳn có trong tiêu chuẩn
thiết kế dầm đó là:
ii, Phần tử thép được giả thiết chịu ứng suất toàn phần f y (ứng suất chảy dẻo)
trong khi chịu kéo và nén khi thiết kế cường độ, và phần tử bê tông được giả thiết chịu
ứng suất nén đều bằng 0.85 f c' (cường độ chịu nén) suốt chiều cao vùng chịu nén.
iii, Bê tông trong miền kéo có cường độ khơng đáng kể vì thế được bỏ qua.
iv, Sự trượt xảy ra không đáng kể giữa phần tử thép và bê tông (giả thiết tương
tác tồn phần)
v, Tiết diện phẳng cịn lại vẩn phẳng sau khi biến dạng.
3.1.2. Các thông số đặc trƣng của tiết diện dầm :

Hình 3.1. Các thơng tính tốn số đặc trưng của dầm .

Trang 13


CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Cốt thép chịu kéo có diện tích là As .
- Cốt thép chịu nén có diện tích là As’ .
- Khoảng cách từ mép trên tiết diện dầm đến trọng tâm thép chịu kéo d.
- Diện tích vùng bê tơng chịu nén là bxkd .
3.1.2.1. Mơmen qn tính khơng nứt (Ig) của tiết diện dầm:

Mơmen qn tính khơng nứt (Ig) đối với trọng tâm của tiết diện dầm là:
Ig

b h3
12

(3-1)

Với : - b, h lần lượt là bề rộng và chiều cao tiết diện dầm
3.1.2.2. Mơmen qn tính nứt (Icr) của tiết diện dầm:
Khi bê tơng bị nứt, trục trung hịa đàn hồi ENA (Elastic neutral axis) không thực
sự trùng với trọng tâm của tiết diện dầm. Tuy nhiên để đơn giản mà sai số khơng lớn,
có thể giả thiết ENA trùng với trọng tâm của dầm. Khi đó mơmen qn tính nứt (Icr)
của tiết diện dầm được tính như sau :
I cr

b

kd
3

3

nAs d

kd

2

n 1 A ' s kd d '

2

(3-2)

Trong đó :
kd

rd '
2dB 1
d

1 r

2

(3-3)

1 r /B

Với :
n

Es
;
Ec

B

b

;
nAs

- Es : modul đàn hồi của cốt thép.
- Ec :modul đàn hồi của bê tông.

Trang 14

r

n 1 A' s
. (3-4)
nAs


CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1.3 Tính tốn tải trọng cực hạn và độ võng nứt của dầm :
Sơ đồ tính tốn ở nghiên cứu này là dầm đơn giản có tiết diện như mơ tả ở Hình
3.2, dầm chịu hai tải tập trung P cách đều các gối tựa các khoảng cách bằng L1:

Hình 3.2. Sơ đồ tính tốn uốn dầm.



Tải trọng gây nứt ( Pcr ,cal ) và tải trọng cực hạn tính tốn (Pu,cal) theo sơ

đồ này có thể tính bằng cơng thức đơn giản:
Pcr ,cal

M cr

L1

(3-5)

Pu ,cal

Mu
L1

(3-6)



Độ võng nứt tại tiết diện giữa dầm (

s ,cal

) ứng với tải trọng làm việc

bình thường, tương ứng các mức tải trọng P ≤ Pu,cal /1.5, được ước tính dựa trên lý
thuyết uốn đàn hồi:
s ,cal

Ma
(3L2 4 L12 )
24 Ec I e

(3-7)

Với Ie là mơ men qn tính tương đương của tiết diện dầm, được xác định bằng

cách dựa trên công thức ACI 318M-08 [2] như sau:
Ie

M cr
Ma

3

Ig

1

M cr
Ma

3

I cr

Trong đó :
Trang 15

(3-8)


CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Ma là mô men tại giữa nhịp do các tải trọng P gây ra, ở sơ đồ này Ma = L1P.
- Ig là mô men qn tính khơng nứt của tiết diện dầm,tính theo cơng thức (3-1).
- Icr là mơ men qn tính nứt của tiết diện dầm, tính theo cơng thức (3-2).
- Mcr là mô men kháng nứt của phần bê tông trong tiết diện dầm [2]:

M cr

fr

bh 2
6

(3-9)

3.2. Các bài toán phân tích :
Các bài tốn phân tích được xác định trên cơ sở từ công thức (3-5) đến (3-9) với
hệ số độ tin cậy cậy cường độ tính tốn của vật liệu bê tông và cốt thép thanh
c

=

b

= 1. Kết quả tính tốn được lập trên phần mềm Excel, do đó đảm bảo được

tính chính xác của kết quả tính tốn. Các trường hợp phân tích được thể hiện thơng qua
các bài toán bên dưới như sau:
3.2.1. Bài toán 1: So sánh kết quả tính tốn lý thuyết [2]và kết quả thực nghiệm
 Xác định cường độ mô men kháng uốn dẻo, tải trọng cực hạn, tải trọng gây nứt
và độ võng của dầm với các thơng số Hình 3.3

Hình 3.3. Tiết diện mẫu dầm đối chứng .
Trong đó :
-

L = 2000 mm ; L1 = 750 mm ; L2 = 500 mm ; As = 4.62 cm2 ; As’ = 2.26 cm2
f y = 390 Mpa ; f 'c theo từng mẫu trong bảng 4.2

b = 200 mm ; h = 300 mm , a = 50 mm , d = 25 mm.

Trang 16


CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Kết quả tính tốn cường độ mômen kháng uốn dẻo, tải trọng gây nứt, tải trọng

cực hạn theo [3] được cho trong Bảng 3.1
Bảng 3.1. Bảng kết quả so sánh lý thuyết [2] và thực nghiệm
Tính tốn lý thuyết
Mẫu dầm
NF
0.5%PP
0.75%PP
1.0%PP
0.5%PET
1.0%PET
1.5%PET

(Mcr,cal)
(kN.m)
6.78
7.05
6.66
6.96
6.99

7.2
7.41

(Pcr,cal)
(kN)
10.4
10.846
10.246
10.7
10.75
11.08
11.4

(Pu,cal)
(kN)
135.2
135.35
133
134.35
135.53
135.55
135.6

Kết quả thực nghiệm
(Pcr,exp)
(kN)
10
10
10
15

15
15
10

(Pu,exp)
(kN)
120
125
127
130
165
180
178

Chênh lệch LT và TN
(∆Pcr /Pcr)
(%)
4.00
8.46
2.46
28.67
28.33
26.13
14.00

(∆Pu /Pu)
(%)
11.24
7.65
4.51

3.24
21.74
32.79
31.27

 Kết quả tính tốn độ võng của các dầm được tính theo (3-7) được cho trong
Hình 3.4 - 3.10.

Hình 3.4. Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm NF với Ec=Ecm .

Trang 17


CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 3.5. Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.5%PP với Ec=Ecm .

Hình 3.6. Quan hệ (P-∆) lý thuyết so với thí nghiệm của dầm 0.75%PP với Ec=Ecm .

Trang 18