Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép và polyme cốt sợi thủy tinh

Nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép và polyme cốt sợi thủy tinh, phân tích hiệu quả ứng dụng trong xây dựng hiện đại.

• Tác giả: Phan Minh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Bá Huế
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ, đồ thị
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP
• 1.1. Giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP
• 1.1.1. Đặc tính của các loại cốt FRP
• 1.1.2. Lịch sử phát triển cốt FRP và vấn đề sử dụng cốt hỗn hợp thép và FRP
• 1.2. Tổng quan về các nghiên cứu dầm bê tông cốt SGFRP
• 1.2.1. Tổng quan về các nghiên cứu thực nghiệm
• 1.2.2. Tổng quan về nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình số
• 1.2.3. Tổng quan nghiên cứu lý thuyết qua các công thức tính toán
• 1.3. Nhận xét rút ra từ tổng quan
• 2. Chương 2: XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP CHỊU UỐN
• 2.1. Các dạng phá hoại của dầm bê tông cốt SGFRP
• 2.2. Tính toán dầm bê tông cốt SGFRP theo phương pháp lặp
• 2.3. Tính toán dầm bê tông cốt SGFRP theo công thức cốt hỗn hợp tương đương
• 2.3.1. Quan hệ ứng suất biến dạng của cốt SGFRP tương đương
• 2.3.2. Xác định các thông số đường quan hệ ứng suất-biến dạng của cốt SGFRP
• 2.3.3. Sự làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương
• 2.3.4. Hàm lượng và mô men giới hạn của dầm bê tông cốt SGFRP
• 2.3.5. Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt SGFRP tương đương
• 2.3.6. Thiết kế dầm bê tông cốt SGFRP tương đương
• 2.3.7. Tính toán độ võng dầm bê tông cốt SGFRP tương đương
• 2.3.8. Tính toán bề rộng vết nứt dầm bê tông cốt SGFRP tương đương
• 2.3.9. Tính toán độ dẻo dầm bê tông cốt SGFRP tương đương
• 2.4. Nhận xét chương 2
• 3. Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP
• 3.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 3.2. Mẫu thí nghiệm
• 3.3. Thí nghiệm gia tải xác định mô men uốn của dầm
• 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm
• 3.3.2. Thiết bị đo biến dạng (Strain gauges)
• 3.3.3. Cốt thép và cốt GFRP
• 3.3.4. Đổ bê tông và bảo dưỡng
• 3.3.5. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông
• 3.3.6. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông
• 3.3.7. Thí nghiệm các định đặc trưng cơ học của cốt thép
• 3.3.8. Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của cốt GFRP
• 3.3.9. Quy trình thí nghiệm
• 3.4. Tổng hợp, đánh giá kết quả thí nghiệm
• 3.4.1. Số liệu thí nghiệm và cách xử lý
• 3.4.2. Sự làm việc của dầm thí nghiệm
• 3.4.3. Giá trị mô men gây nứt Mcr
• 3.4.4. Giá trị mô men khi thép chảy My cho nhóm dầm cốt hỗn hợp
• 3.4.5. Giá trị mô men giới hạn Mu
• 3.4.6. Quan hệ lực và độ võng
• 3.4.7. Quan hệ lực và bề rộng vết nứt
• 3.4.8. Độ dẻo của dầm
• 3.5. Nhận xét chương 3
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép và polyme cốt sợi thủy tinh

Khả năng chịu uốn là yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu dầm. Dầm bê tông cốt thép truyền thống có ưu điểm về độ dẻo và khả năng chịu lực, nhưng dễ bị ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt. Polyme cốt sợi thủy tinh (GFRP) được nghiên cứu như một giải pháp thay thế, với ưu điểm chống ăn mòn và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, GFRP có tính giòn và mô đun đàn hồi thấp, dẫn đến độ võng và vết nứt lớn. Sự kết hợp giữa cốt thép và GFRP tạo thành cốt hỗn hợp SGFRP, giúp cải thiện tính chất cơ học và khả năng chịu uốn của dầm.

1.1. Đặc tính của cốt hỗn hợp SGFRP

Cốt hỗn hợp SGFRP kết hợp ưu điểm của cốt thép và GFRP. Cốt thép cung cấp độ dẻo và khả năng chịu lực, trong khi GFRP chống ăn mòn và giảm trọng lượng. Sự kết hợp này giúp dầm đạt được độ bền và độ ổn định cao hơn. Nghiên cứu chỉ ra rằng tỷ lệ diện tích giữa GFRP và cốt thép ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu uốn và độ võng của dầm.

1.2. Ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng

Kỹ thuật xây dựng hiện đại đang hướng tới sử dụng vật liệu bền vững và hiệu quả. Dầm bê tông cốt SGFRP được ứng dụng trong các công trình ven biển, nơi có điều kiện môi trường khắc nghiệt. Việc sử dụng SGFRP giúp giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ công trình. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để thiết kế và tính toán dầm SGFRP một cách hiệu quả.

II. Nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết

Nghiên cứu về dầm bê tông cốt SGFRP bao gồm cả lý thuyết và thực nghiệm. Phần lý thuyết tập trung vào việc xây dựng các công thức tính toán khả năng chịu uốn, độ võng, và bề rộng vết nứt. Phần thực nghiệm tiến hành thử nghiệm trên các mẫu dầm để kiểm chứng kết quả lý thuyết. Kết quả cho thấy, cốt hỗn hợp SGFRP cải thiện đáng kể tính chất cơ học của dầm so với cốt GFRP thuần túy.

2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết

Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép và bê tông cốt FRP. Các công thức được đề xuất bao gồm tính toán mô men uốn, độ võng, và bề rộng vết nứt. Nghiên cứu cũng xác định tỷ lệ tối ưu giữa diện tích cốt GFRP và cốt thép để đảm bảo khả năng chịu lực và độ ổn định của dầm.

2.2. Kết quả thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu dầm với các tỷ lệ cốt hỗn hợp khác nhau. Kết quả cho thấy, dầm sử dụng cốt SGFRP có độ võng và bề rộng vết nứt nhỏ hơn so với dầm cốt GFRP thuần túy. Đồng thời, độ dẻo của dầm được cải thiện đáng kể, giúp dầm chịu được tải trọng lớn hơn trước khi phá hủy.

III. Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về dầm bê tông cốt SGFRP mang lại giá trị khoa học và thực tiễn cao. Các công thức tính toán và quy trình thiết kế được đề xuất giúp kỹ sư và nhà thiết kế áp dụng hiệu quả loại vật liệu này trong thực tế. Vật liệu xây dựng mới này không chỉ cải thiện khả năng chịu lực mà còn giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ công trình.

3.1. Ứng dụng trong công trình ven biển

Công trình ven biển thường xuyên chịu tác động của môi trường khắc nghiệt. Dầm bê tông cốt SGFRP là giải pháp hiệu quả để chống ăn mòn và tăng độ bền. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở để thiết kế các công trình ven biển sử dụng cốt hỗn hợp SGFRP, giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí bảo trì.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới trong việc sử dụng vật liệu xây dựng tiên tiến. Việc kết hợp các loại cốt khác nhau như cốt sợi thủy tinh và cốt thép có thể được mở rộng sang các loại kết cấu khác như cột, sàn, và vách. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng vật liệu và nâng cao chất lượng công trình.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Sự suy thoái kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) do hiện tượng ăn mòn cốt thép trong môi trường xâm thực mạnh—đặc biệt là vùng ven biển, hải đảo, và các công trình giao thông chịu ion clorua—đặt ra bài toán cấp thiết về mặt kỹ thuật và kinh tế công trình. Thanh polyme cốt sợi thủy tinh (Glass Fiber-Reinforced Polymer - GFRP) với các đặc tính vượt trội như không bị ăn mòn điện hóa, cường độ chịu kéo rất cao (từ 483 MPa đến 1600 MPa) và khối lượng riêng thấp (1,25 đến 2,10 g/cm³, chỉ bằng 1/6 đến 1/4 so với thép 7,90 g/cm³) nổi lên như một giải pháp thay thế tiềm năng. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất của cốt GFRP thuần túy là tính đàn hồi - giòn tuyến tính cho đến khi đứt (không có thềm chảy dẻo) và mô đun đàn hồi thấp ($E_f = 35 \div 51\text{ GPa}$, xấp xỉ 1/4 mô đun cốt thép $E_s = 200\text{ GPa}$). Điều này khiến dầm bê tông cốt GFRP thuần túy có độ võng rất lớn, bề rộng vết nứt mở rộng nhanh và xảy ra phá hoại giòn đột ngột, làm hạn chế nghiêm trọng khả năng đáp ứng trạng thái giới hạn sử dụng (SLS).

Nhằm giải quyết triệt để nghịch lý cơ học trên, giải pháp kết hợp cốt thép và cốt GFRP trong cùng một tiết diện dầm—hình thành hệ cốt hỗn hợp SGFRP (Steel and Glass Fiber Reinforced Polymer)—được đề xuất. Trong hệ kết cấu lai này, cốt thép với mô đun đàn hồi cao ($E_s = 200\text{ GPa}$) được bố trí ở lớp bên trong với chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn nhằm chống ăn mòn, trong khi cốt GFRP chịu lực chính đặt ở lớp ngoài cùng tiếp xúc với môi trường xâm thực.

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) then chốt hiện nay nằm ở chỗ: hầu hết các nghiên cứu quốc tế (như các tiêu chuẩn ACI 440.1R của Hoa Kỳ, CSA-S806 của Canada, hay FIB Model Code của Châu Âu) chỉ tập trung vào cốt FRP đơn lẻ hoặc tiếp cận dầm hỗn hợp bằng cách quy đổi thô sơ về một hàm lượng cốt tương đương (tương đương thép hoặc tương đương FRP). Cách quy đổi này bỏ sót các dạng phá hoại phức tạp, đặc biệt là dạng phá hoại đứt cốt GFRP sau khi cốt thép đã chảy dẻo nhưng bê tông vùng nén chưa bị nghiền nát. Hơn nữa, toàn bộ hệ thống lý thuyết quốc tế đều xây dựng trên triết lý thiết kế và hệ số an toàn riêng của Bắc Mỹ/Châu Âu, chưa tương thích với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông hiện hành của Việt Nam (TCVN 5574:2018) vốn kế thừa phương pháp trạng thái giới hạn của Nga (SNiP).

Luận án thiết lập 4 câu hỏi nghiên cứu và hệ giả thuyết định lượng tương ứng:

• Câu hỏi 1 (RQ1): Cơ chế ứng xử chịu uốn thực tế của dầm bê tông cốt SGFRP diễn ra qua những trạng thái giới hạn nào và làm thế nào để mô hình hóa giải tích quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến?
  • Giả thuyết 1 (H1): Quan hệ ứng suất - biến dạng của hệ cốt hỗn hợp SGFRP có thể mô hình hóa chính xác qua đường song tuyến hai giai đoạn (bilinear), trong đó giai đoạn I đặc trưng cho sự làm việc đồng thời đàn hồi của thép và GFRP, giai đoạn II đặc trưng cho sự tăng cường ứng suất thuần túy của GFRP sau khi thép chảy dẻo.
• Câu hỏi 2 (RQ2): Quy trình giải thuật số lặp từng bước có thể dự đoán chính xác khả năng chịu mô men uốn ($M_u$), quan hệ mô men - độ cong ($M-\phi$) và độ võng ($f$) của dầm theo TCVN 5574:2018 hay không?
  • Giả thuyết 2 (H2): Giải thuật số tích phân phân mảnh vùng nén bê tông kết hợp điều kiện tương thích biến dạng phẳng Bernoulli cho phép kiểm soát sai số khả năng chịu uốn dưới 10% so với thực nghiệm.
• Câu hỏi 3 (RQ3): Tỷ lệ diện tích cốt dọc $\omega = A_f / A_s$ (hoặc $m = A_s / A_f$) ảnh hưởng thế nào đến sự chuyển tiếp giữa phá hoại dẻo và phá hoại giòn, cũng như độ võng và bề rộng vết nứt ($a_{crc}$)?
  • Giả thuyết 3 (H3): Tồn tại một miền giá trị biên tối ưu của tỷ lệ $\omega = A_f / A_s$ đảm bảo đồng thời tiêu chí cường độ cực hạn (ULS), khả năng kiểm soát nứt - võng (SLS) và chỉ số độ dẻo kết cấu ($DF$).
• Câu hỏi 4 (RQ4): Tính chuẩn xác của các công thức giải tích đề xuất khi đối chứng với thực nghiệm chế tạo dầm tại Việt Nam và cơ sở dữ liệu quốc tế?
  • Giả thuyết 4 (H4): Hệ công thức giải tích đóng mở rộng từ TCVN 5574:2018 có độ hội tụ cao và an toàn trong thiết kế thực hành dầm nhịp đơn chịu uốn thuần túy.

Phạm vi nghiên cứu (Scope) tập trung vào dầm bê tông cốt SGFRP tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn, chịu tải trọng tĩnh ngắn hạn tác dụng tại hai điểm uốn thuần túy, sử dụng bê tông có cấp độ bền đến B70 (mác 400). Chương trình thực nghiệm được triển khai đồng bộ tại Phòng thí nghiệm LAS-XD125, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, cung cấp bộ dữ liệu đo kiểm đầy đủ từ biến dạng vi mô (strain gauges) đến chuyển vị vĩ mô (LVDTs).

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu kết cấu bê tông cốt hỗn hợp thép - FRP trên thế giới đã trải qua hơn hai thập kỷ phát triển với ba trường phái học thuật chính:

Trường phái thực nghiệm tiên phong khởi đầu từ gợi ý của Tan (1997), tiếp nối bởi nghiên cứu kinh điển của Maria Antonietta Aiello và Luciano Ombres (2002) khi thí nghiệm 6 dầm nhịp 2,7 m sử dụng cốt AFRP kết hợp cốt thép ($f_y = 465\text{ MPa}$, cường độ kéo AFRP đạt 1647 MPa, $\omega = 0,88 \div 1,56$). Nhóm tác giả khẳng định việc bổ sung cốt thép làm giảm mạnh độ võng và phân tán vết nứt, song chưa định lượng được ranh giới các dạng phá hoại. Wenjun Qu và cộng sự (2009) thử nghiệm 8 mẫu dầm nhịp 1,8 m cốt thép - GFRP ($E_f = 41\text{ GPa}$), tiếp cận bằng phương pháp quy đổi diện tích cốt hỗn hợp về cốt thép tương đương, nhưng bộc lộ nhược điểm là không nhận diện được pha phá hoại đứt cốt GFRP sau khi thép chảy. Denvid Lau và Hoat Joen Pam (2010) với 12 mẫu dầm nhịp 4,2 m lại quy đổi về hàm lượng cốt FRP tương đương, chứng minh độ dẻo tăng khi bố trí cốt hỗn hợp hàm lượng cao (over-reinforced), song lại bỏ qua dạng phá hoại bê tông vùng nén bị vỡ sớm khi thép chưa kịp chảy. Young-Soo Yoon và cộng sự (2011) khảo sát dầm bê tông cường độ cao 90 MPa với các tổ hợp cốt thép, GFRP và CFRP, đề xuất mô men quán tính hiệu quả $I_e$ nhưng còn hạn chế do mẫu bị phá hoại cắt sớm. Gần đây hơn, WenJie Ge và cộng sự (2011) khảo sát tỷ lệ $\omega = 0,43 \div 0,96$ trên cốt BFRP; Liu Yinghao và Yuan Yong (2012) thử nghiệm bê tông 80 MPa với cốt GFRP cường độ 1301 MPa; Ahmed El Refai và cộng sự (2015) trên 9 mẫu dầm nhịp 3,7 m kết luận dầm hỗn hợp cần hàm lượng cốt dọc vượt 1,4 lần hàm lượng cân bằng; và Xiangjie Ruan và cộng sự (2020) nghiên cứu hiệu ứng bố trí cốt thép và GFRP 1 lớp so với 2 lớp với các tỷ lệ $\omega = 1,0 \div 2,0$.

Trường phái mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEA) ghi nhận các công trình đột phá của R. Hawileh (2015) sử dụng ANSYS (phần tử Solid 65, Link 8, mô hình dính bám COMBIN14); Francesco Bencardino và cộng sự (2016) cùng Renyuan Qin, Ao Zhou, Denvid Lau (2017) phát triển mô hình 2D/3D trên ABAQUS (phần tử C3D8R, T3D2) kiểm chứng dữ liệu thực nghiệm với sai số dưới 10%; và Linh Van Hong Bui, Boochai Stitmannaithum, Tamon Ueda (2018) mô phỏng tiêu tán năng lượng, chỉ ra dầm hỗn hợp GFRP-thép đạt 80% năng lượng hấp thụ của dầm BTCT truyền thống khi $\omega < 0,641$.

Trường phái lý thuyết giải tích bao gồm các mô hình của Hau Yan Leung (2004) dựa trên biểu đồ ứng suất chữ nhật ACI; B. Jia và cộng sự (2014) thiết lập điều kiện hàm lượng cốt cân bằng trên 18 mẫu dầm; WenJie Ge và cộng sự (2015) xác lập công thức bề rộng khe nứt cho cốt BFRP; Lei Pang, Wenjun Qu và cộng sự (2015) khảo sát mối quan hệ giữa chỉ số độ dẻo và tỷ lệ diện tích $\omega$; Ali Kheyroddin và Fahimeh Maleki (2017) ứng dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithms - GA) tối ưu hóa số mũ mô men quán tính Branson trên 120 tập dữ liệu; Saruhan Kartal và Ilker Kalkan (2019) phân tích mô men nứt $M_{cr}$ theo Eurocode 2 và ACI; và Yang Yang và cộng sự (2020) xây dựng miền giới hạn tỷ số độ cứng kéo dọc trục $\alpha_{\min} \div \alpha_{\max}$.

Cuộc tranh luận học thuật trung tâm nằm ở hai quan điểm đối nghịch: (1) Nhóm nghiên cứu quy đổi đơn nhất (Qu et al. 2009; Bencardino et al. 2016) giả định biến dạng hai vật liệu cốt là đồng nhất tuyệt đối và xem hệ thống như một vật liệu cốt thép mở rộng; (2) Nhóm nghiên cứu cấu trúc phân tầng (Qin & Lau 2017; El Refai 2015) xem xét sự tách biệt về độ cứng đàn hồi giữa các lớp cốt nhưng lại không đưa ra được mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng tương đương tổng quát.

Định vị nghiên cứu của luận án: Khắc phục triệt để hạn chế của phương pháp quy đổi đơn nhất, công trình của Phan Minh Tuấn (2021) tiên phong thiết lập mô hình cơ học cốt hỗn hợp tương đương tích hợp đầy đủ hai giai đoạn đàn hồi - chảy dẻo - tăng bền, đồng thời chuyển hóa toàn bộ hệ phương trình cân bằng nội lực sang hệ quy chuẩn thiết kế theo biến dạng phi tuyến của TCVN 5574:2018.

So sánh với hai nghiên cứu quốc tế tiêu biểu:

• So với Ahmed El Refai và cộng sự (2015): Nghiên cứu của El Refai chỉ quy đổi về hàm lượng cốt FRP tương đương và bố trí cốt dọc một lớp (dễ gây ăn mòn cốt thép), trong khi luận án thiết lập sơ đồ phân lớp tối ưu (thép lớp trong, GFRP lớp ngoài) và giải quyết trọn vẹn bài toán phá hoại nén vỡ bê tông trước hoặc sau khi thép chảy dẻo.
• So với Renyuan Qin, Ao Zhou và Denvid Lau (2017): Nghiên cứu của Qin và Lau dừng lại ở các khuyến nghị định tính trên mô hình số ABAQUS ($\omega = 1,0 \div 2,5$), trong khi luận án đưa ra hệ công thức giải tích đóng tường minh cho các giới hạn $\mu_{\min}, \mu_{\max}, \mu_{\max,e}$, liên kết trực tiếp với độ dẻo $DF$ và kiểm soát nứt $a_{crc}$ theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng thuyết dầm Euler-Bernoulli và lý thuyết trạng thái giới hạn phi tuyến của bê tông bằng cách tích hợp mô hình làm việc phi tuyến đồng thời của hai loại vật liệu cốt có đặc tính cơ học trái ngược: thép biến dạng dẻo hoàn hảo và GFRP đàn hồi tuyến tính tuyệt đối.

Khung lý thuyết thiết lập mối quan hệ ứng suất - biến dạng tương đương cho cốt hỗn hợp SGFRP ($\sigma_{sf} - \varepsilon_{sf}$) thông qua phương trình:

$$\sigma_{sf} = \frac{\sigma_s A_s + \sigma_f A_f}{A_s + A_f} = \frac{\sigma_s + \omega \sigma_f}{1 + \omega}$$

Trong đó $\omega = A_f / A_s$. Quan hệ ứng suất - biến dạng này được chia thành hai nhánh tường minh:

• Giai đoạn I ($\varepsilon_{sf} \le \varepsilon_{s,el} = R_s / E_s$): Cả thép và GFRP cùng làm việc đàn hồi. Mô đun đàn hồi tương đương giai đoạn I: $$E_I = \frac{E_s + \omega E_f}{1 + \omega}$$ Cường độ chảy quy đổi của cốt hỗn hợp: $$R_{sf,y} = \frac{R_s + \omega \varepsilon_{s,el} E_f}{1 + \omega}$$
• Giai đoạn II ($\varepsilon_{s,el} < \varepsilon_{sf} \le \varepsilon_{sfu} = \varepsilon_{fu}$): Cốt thép đã chảy dẻo ($\sigma_s = R_s$), toàn bộ gia số ứng suất do cốt GFRP gánh nhận. Mô đun đàn hồi quy đổi giai đoạn II: $$E_{II} = \frac{\omega E_f}{1 + \omega}$$ Cường độ chịu kéo giới hạn quy đổi cực hạn: $$R_{sf,u} = \frac{R_s + \omega R_f}{1 + \omega}$$

Hệ thống định đề và mệnh đề lý thuyết được xây dựng:

• Mệnh đề 1: Tồn tại ba hình thái phá hoại uốn của dầm SGFRP tương ứng với chiều cao vùng nén quy đổi $\xi = x / h_0$:
  1. Phá hoại giòn nén ($\xi > \xi_{R,y}$): Bê tông vùng nén bị nghiền nát trước khi cốt thép chảy dẻo và GFRP đứt.
  2. Phá hoại dẻo ($\xi_{R,e} \le \xi \le \xi_{R,y}$): Cốt thép chảy dẻo trước, dầm thể hiện tính dẻo rõ rệt, biến dạng tăng nhanh trước khi bê tông vùng nén đạt biến dạng cực hạn $\varepsilon_{b2}$.
  3. Phá hoại giòn kéo ($\xi < \xi_{R,e}$): Cốt thép chảy dẻo và tiếp sau đó cốt GFRP bị đứt đột ngột trước khi bê tông vùng nén bị phá hoại do nén.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đồng bộ ba lý thuyết nền tảng: (1) Lý thuyết cơ học biến dạng phi tuyến của bê tông theo TCVN 5574:2018; (2) Lý thuyết đàn dẻo của vật liệu tổ hợp composite-kim loại; (3) Lý thuyết trạng thái giới hạn nứt và võng đàn-nhớt.

Luận án thiết lập các giá trị chiều cao tương đối giới hạn của vùng bê tông chịu nén:

• Giới hạn dưới đảm bảo cốt thép đạt giới hạn chảy ($\xi_{R,y}$): $$\xi_{R,y} = \frac{\varepsilon_{b2}}{\varepsilon_{b2} + \frac{R_s}{E_s}}$$
• Giới hạn trên hiệu quả đảm bảo cốt GFRP không bị kéo đứt đột ngột ($\xi_{R,e}$): $$\xi_{R,e} = \frac{\varepsilon_{b2}}{\varepsilon_{b2} + \varepsilon_{fu}}$$

Từ các điều kiện biên này, luận án thiết lập biểu đồ hàm lượng cốt thép tối thiểu $\mu_{\min}$, tối đa $\mu_{\max}$, và tối đa hiệu quả $\mu_{\max,e}$, định hình không gian tham số giải tích hoàn chỉnh cho việc thiết kế cấu kiện chịu uốn.

Điều kiện biên áp dụng: Cấu kiện dầm tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn, bê tông cấp độ bền $\le \text{B70}$, làm việc dưới tác dụng của tải trọng tĩnh ngắn hạn trong giai đoạn khai thác tiêu chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án áp dụng thế giới quan thực chứng (Positivism) kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích toán học, giải thuật số lặp phi tuyến và kiểm chứng thực nghiệm đa tầng.

Thiết kế nghiên cứu thực nghiệm đa mức độ (multi-level design) được xây dựng với hệ thống mẫu dầm tỷ lệ thực $b \times h = 150 \times 250\text{ mm}$, chiều dài toàn phần $L = 2200\text{ mm}$, nhịp tính toán $L_0 = 1900\text{ mm}$. Sơ đồ gia tải 4 điểm tạo vùng uốn thuần túy dài 500 mm ở giữa nhịp. Chương trình thí nghiệm phân chia thành 5 nhóm dầm đại diện (từ D1 đến D5, mỗi nhóm gồm 2 dầm lặp D-1 và D-2 để kiểm soát tính lặp lại):

• Nhóm D1: Dầm cốt hỗn hợp SGFRP bố trí 2 lớp (lớp trong 2Ф10 thép gai, lớp ngoài 2Ф10 GFRP).
• Nhóm D2: Dầm cốt hỗn hợp SGFRP bố trí 2 lớp (lớp trong 2Ф12 thép gai, lớp ngoài 2Ф10 GFRP).
• Nhóm D3: Dầm cốt hỗn hợp SGFRP bố trí 2 lớp (lớp trong 2Ф14 thép gai, lớp ngoài 2Ф10 GFRP).
• Nhóm D4: Dầm cốt hỗn hợp SGFRP bố trí 1 lớp hỗn hợp cùng cốt thép và GFRP.
• Nhóm D5: Dầm đối chứng cốt GFRP thuần túy (2Ф10 GFRP).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập dữ liệu tuân thủ các tiêu chuẩn thí nghiệm khắt khe:

• Đặc trưng bê tông: Bê tông mác 400 được kiểm định cường độ chịu nén trên mẫu lập phương $150 \times 150 \times 150\text{ mm}$ ($R_{bm} = 40,2\text{ MPa}$), mẫu lăng trụ $150 \times 150 \times 600\text{ mm}$ xác định mô đun đàn hồi $E_b = 32,5\text{ GPa}$, và mẫu trụ lăng trụ xác định $f'_c$.
• Đặc trưng cốt thép: Thí nghiệm kéo mẫu thép xác định giới hạn chảy thực tế $f_y = 390 \div 420\text{ MPa}$, mô đun $E_s = 2,05 \times 10^5\text{ MPa}$, độ giãn dài cực hạn $\delta > 18%$.
• Đặc trưng cốt GFRP: Thí nghiệm kéo theo tiêu chuẩn ASTM D7205 xác định cường độ kéo đứt $R_{fu} = 980\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_f = 46,5\text{ GPa}$, không có biến dạng chảy.
• Hệ thống quan trắc: Sử dụng cảm biến đo biến dạng điện trở (strain gauges dán trực tiếp lên thanh thép, thanh GFRP và thớ nén bê tông trên cùng), hệ thống LVDTs đo độ võng tại gối và giữa nhịp, kính lúp quang học chuyên dụng có độ chính xác 0,01 mm đo bề rộng và theo dõi sự phân bố của khe nứt.

Data và phân tích

Song song với thực nghiệm, luận án phát triển thuật toán số lặp từng bước (Iterative Numerical Algorithm) viết trên nền tảng tính toán khoa học:

1. Tiết diện bê tông vùng nén được chia thành $n$ dải phần tử hữu hạn ($h_i = h/n$).
2. Với mỗi bước tăng biến dạng thớ nén ngoài cùng $\varepsilon_{b}$, thiết lập quá trình lặp đúng dần để xác định vị trí trục trung hòa $x$ thỏa mãn điều kiện cân bằng lực dọc: $$\Sigma N = C_b(\varepsilon_b, x) - T_s(\varepsilon_s) - T_f(\varepsilon_f) = 0$$
3. Trong đó, ứng suất bê tông được tích phân phi tuyến theo biểu đồ biến dạng của TCVN 5574:2018: $$\sigma_{bi} = R_b \left[ 1 - \left(1 - \frac{\varepsilon_{bi}}{\varepsilon_{b0}}\right)^2 \right] \quad \text{khi } \varepsilon_{bi} \le \varepsilon_{b0}$$
4. Sau khi cân bằng lực hội tụ (dung sai $\le 10^{-4}\text{ kN}$), mô men uốn kháng uốn $M_j$, độ cong $\phi_j = \varepsilon_b / x$, và độ võng $f = S \cdot \phi_j \cdot L^2$ được truy xuất tự động.

Thuật toán số được kiểm chứng chéo (cross-validation) trên cơ sở dữ liệu của 30 dầm thực nghiệm quốc tế đã công bố từ các nhóm tác giả Aiello & Ombres (2002), Qu et al. (2009), Lau & Pam (2010), Yoon et al. (2011), Ge et al. (2011), Hawileh (2015), Ruan et al. (2020), cho hệ số tương quan $R^2 = 0,968$ và độ lệch chuẩn tương đối dưới 6,5%.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Khắc phục hoàn toàn dạng phá hoại giòn của dầm GFRP: Thực nghiệm chứng minh dầm đối chứng GFRP thuần túy (D5) bị phá hoại giòn đột ngột với độ võng tức thời tại thời điểm gãy lớn ($f_u = 38,2\text{ mm}$), vết nứt mở rộng nhanh ($a_{crc} > 1,2\text{ mm}$). Ngược lại, các dầm cốt hỗn hợp SGFRP (D1, D2, D3) đều thể hiện pha chảy dẻo rõ nét; sau khi cốt thép chảy dẻo, dầm tiếp tục chịu tải tăng dần nhờ sự tăng cường ứng suất tuyến tính của cốt GFRP cho đến khi bê tông vùng nén đạt $\varepsilon_{b2} = 0,0035$.
2. Cải thiện vượt bậc khả năng kiểm soát võng và nứt (SLS): Dưới cùng cấp tải trọng tiêu chuẩn khai thác ($P = 40\text{ kN}$), độ võng của dầm hỗn hợp SGFRP nhóm D1 giảm 42,5% và nhóm D3 giảm 58,1% so với dầm GFRP thuần túy D5. Bề rộng khe nứt $a_{crc}$ ở dầm SGFRP giảm từ 2,1 đến 2,8 lần so với dầm D5, khoảng cách giữa các khe nứt ngắn lại ($L_{sf}$ giảm 35%), thể hiện sự dính bám vượt trội và khả năng khống chế nứt của mạng cốt hỗn hợp.
3. Xác lập khoảng tỷ lệ diện tích cốt dọc tối ưu $\omega = A_f / A_s$: Dữ liệu thực nghiệm và khảo sát tham số số học khẳng định:
   • Khi $\omega < 0,5$: Dầm hoạt động gần như dầm BTCT truyền thống, không tận dụng được thế mạnh cường độ cao của GFRP.
   • Khi $\omega > 2,0$: Tính dẻo của dầm suy giảm nghiêm trọng ($DF < 2,0$), ứng xử uốn tiến dần về dầm GFRP giòn thuần túy.
   • Khoảng tỷ lệ tối ưu được luận án đề xuất là $\omega = A_f / A_s \in [0,6; 1,5]$ (tương ứng $m = A_s / A_f \in [0,67; 1,67]$), đảm bảo chỉ số độ dẻo $DF \ge 2,5$, độ võng và vết nứt thỏa mãn TCVN 5574:2018, đồng thời phát huy tối đa 75–85% cường độ kéo của thanh GFRP.
4. Độ chính xác vượt trội của hệ công thức giải tích đề xuất: So sánh giữa mô men uốn giới hạn tính toán $M_{u,LT}$ và thực nghiệm $M_{u,TN}$ trên toàn bộ các dầm D1–D4 cho sai số trung bình chỉ $4,2 \div 7,8%$, mô men nứt $M_{cr}$ sai số dưới 8,5%, chứng minh độ tin cậy tuyệt đối của phương pháp cốt hỗn hợp tương đương.
5. Ưu thế kết cấu của phương án bố trí cốt phân lớp (2 lớp): Dầm bố trí 2 lớp (thép lớp trong, GFRP lớp ngoài - nhóm D1) có khả năng kiểm soát vết nứt tốt hơn 18,4% và giữ mô men uốn giới hạn cao hơn 6,2% so với dầm bố trí hỗn hợp trên cùng 1 lớp (nhóm D4) có cùng hàm lượng cốt.

Implications đa chiều

• Đóng góp lý thuyết: Bổ sung vào lý thuyết kết cấu bê tông phi kim mô hình cơ học song tuyến tính tương đương SGFRP, xác lập chuẩn mực mới trong việc phân loại ba trạng thái phá hoại uốn.
• Đổi mới phương pháp luận: Xây dựng quy trình tích hợp giữa giải thuật số lặp phi tuyến và công thức giải tích đóng, có thể chuyển giao trực tiếp vào việc lập trình các phần mềm thiết kế kết cấu chuyên dụng.
• Ứng dụng thực tiễn: Cung cấp cẩm nang tính toán chi tiết cho kỹ sư kết cấu trong việc thiết kế các công trình cảng biển, cầu vượt biển, kè chắn sóng, đê kè ven biển miền Trung và các công trình ngầm xâm thực mặn tại Việt Nam.
• Khuyến nghị chính sách và quy chuẩn: Tạo tiền đề khoa học vững chắc để Bộ Xây dựng và Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (IBST) biên soạn phụ lục tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê tông cốt sợi polyme kết hợp cốt thép trong các lần soát xét TCVN 5574 tiếp theo.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả đột phá, luận án thẳng thắn ghi nhận 4 giới hạn nghiên cứu:

1. Cấp độ bền bê tông: Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên bê tông mác 400 (cấp độ bền B30/B35); các cấp độ bền siêu cao (UHPC, B80–B120) chưa được kiểm chứng trực tiếp.
2. Chế độ tải trọng: Mới dừng lại ở tải trọng tĩnh ngắn hạn tác dụng đơn kỳ; chưa khảo sát ứng xử mỏi (fatigue), tải trọng động đất chu kỳ (cyclic loading) và biến dạng từ biến/co ngót dài hạn (creep and shrinkage) của cốt SGFRP.
3. Hình học cấu kiện: Giới hạn ở dầm tiết diện chữ nhật nhịp đơn đặt cốt đơn; chưa mở rộng cho dầm chữ T, dầm liên tục nhiều nhịp chịu mô men âm tại gối tựa.
4. Cơ chế dính bám - trượt: Giả thiết độ dính bám hoàn hảo giữa bê tông và cốt GFRP/thép được áp dụng trong mô hình giải tích; hiện tượng trượt cục bộ tại khe nứt lớn chưa được mô hình hóa riêng biệt.

Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo (Future Research Agenda):

• Mở rộng nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm liên tục nhiều nhịp cốt hỗn hợp SGFRP xét đến hiện tượng phân phối lại nội lực (moment redistribution).
• Khảo sát độ bền lâu dài, suy giảm cường độ dính bám dưới tác động đồng thời của tải trọng mỏi và môi trường sương muối biển gia tốc.
• Nghiên cứu ứng xử chịu cắt, chịu xoắn và tương tác uốn - cắt của dầm bê tông cốt hỗn hợp khi sử dụng cốt đai GFRP/thép lai.
• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (Machine Learning/Deep Neural Networks) trên tập dữ liệu lớn để tối ưu hóa đa mục tiêu: Chi phí vòng đời (LCC) - Độ dẻo - Khả năng chịu lực.

Tác động và ảnh hưởng

Về mặt học thuật, công trình đóng góp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực đầu tiên tại Việt Nam về dầm SGFRP, được kỳ vọng sẽ trở thành tài liệu tham khảo cốt lõi cho các nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp.

Về mặt chuyển đổi công nghiệp, việc ứng dụng cốt hỗn hợp SGFRP giúp ngành xây dựng ven biển giảm thiểu tới 60–70% chi phí duy tu, sửa chữa do ăn mòn cốt thép trong vòng đời 50–100 năm của công trình. Các nhà thầu và đơn vị sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn (precast concrete) có thể ứng dụng ngay công nghệ này để sản xuất cọc cừ, tấm kè biển, dầm cầu cảng có tuổi thọ siêu bền.

Về mặt xã hội và môi trường, việc giảm thiểu sử dụng thép xây dựng và kéo dài tuổi thọ công trình giúp cắt giảm hàng triệu tấn phát thải CO₂ từ ngành công nghiệp luyện kim, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu Net Zero Carbon của quốc gia.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận hệ thống lý thuyết giải tích hoàn chỉnh, thuật toán số lặp phi tuyến và bộ dữ liệu thực nghiệm đo đạc chi tiết để phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.
• Kỹ sư kết cấu và Đơn vị tư vấn thiết kế: Nhận được quy trình và các công thức thiết kế đóng, biểu đồ tra cứu hàm lượng $\mu_{\min}, \mu_{\max}, \mu_{\max,e}$ tương thích 100% với TCVN 5574:2018 để áp dụng vào các dự án thực tế mà không cần mò mẫm tiêu chuẩn nước ngoài.
• Chủ đầu tư công trình biển và Cơ quan quản lý hạ tầng: Sở hữu giải pháp công nghệ vật liệu bền vững, nâng cao tuổi thọ công trình từ 30 năm lên trên 75 năm trong môi trường biển, tiết kiệm hàng nghìn tỷ đồng chi phí bảo trì.
• Hội đồng Tiêu chuẩn Quốc gia: Có căn cứ khoa học và số liệu thực nghiệm tin cậy để xúc tiến xây dựng Tiêu chuẩn Quốc gia về thiết kế kết cấu bê tông cốt sợi composite hỗn hợp.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Trả lời: Đó là việc xây dựng thành công mô hình cơ học vật liệu cốt hỗn hợp tương đương với đường cong ứng suất - biến dạng song tuyến hai giai đoạn ($\sigma_{sf} - \varepsilon_{sf}$) tích hợp trực tiếp vào hệ phương trình giải tích phi tuyến của TCVN 5574:2018, giúp nhận diện và giải quyết chính xác dạng phá hoại dẻo hữu hiệu ($\xi_{R,e} \le \xi \le \xi_{R,y}$) mà các mô hình quy đổi đơn nhất quốc tế bỏ sót.
2. Đổi mới phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây thế nào? Trả lời: So với Wenjun Qu (2009) quy đổi về thép và Ahmed El Refai (2015) quy đổi về FRP, luận án không dùng phép quy đổi tương đương hình học giản đơn mà phát triển giải thuật số chia dải vi phân kết hợp điều kiện biên biến dạng thực tế của từng thớ vật liệu, đạt độ chính xác cao với sai số dự báo $M_u < 8%$.
3. Phát hiện nào gây bất ngờ và có ý nghĩa kỹ thuật lớn nhất? Trả lời: Phát hiện về sự duy trì độ cứng sau chảy dẻo (post-yielding stiffness): Khi cốt thép đã chảy dẻo, cốt GFRP không chỉ giữ cho dầm không bị sụp đổ đột ngột mà còn tạo ra một "thềm tăng tải thứ hai" ổn định, cho phép dầm hấp thụ năng lượng biến dạng lớn trước khi bê tông vỡ nén, phá tan định kiến học thuật cho rằng cốt GFRP chỉ gây phá hoại giòn nguy hiểm.
4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) không? Trả lời: Toàn bộ quy trình chế tạo mẫu, tỷ lệ cấp phối bê tông mác 400, sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng vi mô, giải thuật lặp và bảng số liệu thí nghiệm gốc đều được trình bày minh bạch, chi tiết trong Chương 3 và Phụ lục, cho phép các phòng thí nghiệm độc lập tái lập hoàn toàn kết quả.
5. Lộ trình nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo ra sao? Trả lời: Lộ trình tập trung vào 4 trọng tâm: (1) Chuẩn hóa tiêu chuẩn thiết kế dầm SGFRP cho TCVN; (2) Mở rộng thí nghiệm mỏi và tải trọng động đất; (3) Tối ưu hóa cấu kiện chịu uốn - cắt kết hợp; (4) Phát triển phần mềm tự động hóa thiết kế tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật cho công trình biển đảo Việt Nam.

Kết luận

1. Luận án đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ học chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP, lấp đầy khoảng trống học thuật về sự thiếu hụt quy trình tính toán dầm SGFRP theo hệ tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2018.
2. Thiết lập thành công mô hình giải tích ứng suất - biến dạng tương đương song tuyến tính cho cốt SGFRP, xác định chính xác ba miền phá hoại cơ học thông qua các chỉ số chiều cao vùng nén giới hạn $\xi_{R,y}$ và $\xi_{R,e}$.
3. Xây dựng bộ công thức giải tích hoàn chỉnh dự đoán mô men nứt $M_{cr}$, mô men chảy $M_y$, mô men giới hạn $M_u$, độ võng $f$, bề rộng khe nứt $a_{crc}$ và chỉ số độ dẻo $DF$, được kiểm chứng chuẩn xác qua 30 mẫu dầm quốc tế và chuỗi thực nghiệm chuyên sâu tại phòng thí nghiệm LAS-XD125.
4. Định lượng hóa miền tỷ lệ diện tích cốt dọc tối ưu $\omega = A_f / A_s \in [0,6; 1,5]$, đảm bảo hài hòa tuyệt đối giữa yêu cầu an toàn chịu lực (ULS), điều kiện sử dụng bình thường (SLS) và hiệu quả kinh tế.
5. Mở ra 3 hướng nghiên cứu ứng dụng mũi nhọn: kết cấu bê tông cốt composite hỗn hợp chịu tải trọng động lực học, tối ưu hóa vòng đời công trình hạ tầng biển đảo, và hoàn thiện khung pháp lý tiêu chuẩn xây dựng quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP 1.1 Giới thiệu về vật liệu thanh polyme cốt sợi FRP Kết cấu bê tông thường được tăng cường bằng cốt thép thường và thép dự ứng lực. Cốt thép được bảo vệ chống ăn mòn bởi tính kiềm của bê tông, giúp công trình có độ bền và sử dụng được lâu dài. Đối với nhiều công trình chịu môi trường khắc nghiệt, như công trình biển, công trình cầu đường, và gara để xe tiếp xúc với muối cho thấy, sự kết hợp của độ ẩm, nhiệt độ và clorua làm giảm tính kiềm của bê tông dẫn đến sự ăn mòn cốt thép [8]. Quá trình ăn mòn này gây ra sự suy giảm cường độ của bê tông và dẫn đến mất khả năng sử dụng.

Thanh polyme cốt sợi FRP (Fiber-reinforced polymer) là sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi các sợi thủy tinh (GFRP), sợi cacbon (CFRP), sợi bazan (BFRP) hay sợi aramid liên tục (AFRP), được dính kết và bao bọc bởi một chất nhựa tổng hợp polyme tạo nên cốt chịu lực. Thanh FRP được biết đến như là một sự thay thế cho cốt thép cho kết cấu bê tông [8]. Các loại cốt FRP khác nhau được thể hiện trong hình 1.1 Các loại thanh FRP [8] 1.1 Đặc tính của các loại cốt FRP Thanh polyme cốt sợi (FRP) thường có các tính chất cơ học khác với thanh thép gai truyền thống. Cấu tạo của các loại FRP khác nhau được mô tả như dưới đây: 1.1 Sợi Bazan Sợi bazan là một loại vật liệu, được sản xuất bởi sự tan chảy của đá bazan 6 quarried [45].

Đá nóng chảy sau đó được đùn ép qua các đầu phun nhỏ để tạo ra các sợi bazan liên tục. Các sợi bazan không yêu cầu bất kỳ chất phụ gia nào khác trong quá trình sản xuất, nên tiết kiệm chi phí bổ sung. Sợi bazan có cường độ chịu kéo cao hơn so với sợi thủy tinh loại E, và có biến dạng cực hạn lớn hơn sợi carbon. Chúng cũng có khả năng chống chịu hóa chất tốt, chịu tải va đập và chống cháy tốt, với mức độ độc hại thấp hơn.2 Sợi Carbon Sợi carbon có thể được phân loại thành sợi polyacrylonitrile (PAN) và sợi gốc.

Sợi PAN có các đặc trưng là có cường độ cao (2500÷4000 MPa) và mô đun đàn hồi lớn (350÷650 GPa). Sợi gốc được làm từ than đá hoặc dầu mỏ. Chúng rẻ hơn so với sợi PAN, với độ bền và mô đun thấp hơn. Có hai loại sợi Pitch, loại mô đun đàn hồi bình thường và loại mô đun cao.

Sợi tổng hợp carbon rất đắt tiền và nhạy cảm với các điều kiện xử lý như chịu kéo và nhiệt độ trong quá trình sản xuất, và giòn hơn so với sợi thủy tinh và sợi aramid.3 Sợi Aramid Sợi aramid (polyimide thơm) được sản xuất đầu tiên ở Đức dưới tên Kevlar. Sợi Aramid cung cấp khả năng chống va chạm tuyệt vời, cường độ chịu kéo cao (hình 1.2) và mô đun cao hơn khoảng 50% so với sợi thủy tinh. Mật độ sợi aramid rất thấp so với sợi carbon và sợi thủy tinh. Hơn nữa, sợi aramid là vật liệu cách điện và cách nhiệt rất tốt.

Tuy vậy, cường độ chịu nén của sợi aramid lại rất thấp.4 Sợi thủy tinh Sợi thủy tinh loại E, loại Z, loại A, loại C và loại S là các loại sợi thủy tinh phổ biến nhất [21]. Sợi thủy tinh là vật liệu cách điện và cách nhiệt. Sợi thủy tinh thường có giá thành thấp, cường độ chịu kéo cao (xem hình 1. Do đặc tính kinh tế của quá trình sản xuất sợi thủy tinh, sản phẩm này là loại sợi được sử dụng phổ biến nhất trong các loại FRP.

Đây cũng chính là lý do đề tài chọn loại thanh làm từ cốt sợi thủy tinh để nghiên cứu. 7 3000 CFRP AFRP S-GFRP Thép 2000 E-GFRP 1000 Keo epoxy 0 1 2 3 4 5 6 Hình 1.2 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng của các loại sợi và cốt thép [52] 1.1 Khối lượng riêng Thanh FRP có khối lượng riêng từ 1,25 đến 2,1 g/cm3, tức là khoảng 1/6÷1/4 khối lượng riêng của thép (xem bảng 1. Trọng lượng nhỏ làm giảm chi phí vận chuyển và làm thao tác bốc xếp trên công trường được dễ dàng. Khối lượng riêng điển hình của thanh thép và thanh FRP (g/cm3) [8] Thép GFRP CFRP AFRP 7,90 1,25 đến 2,10 1,50 đến 1,60 1,25 đến 1,40 1.2 Hệ số giãn nở nhiệt Hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP biến đổi theo phương dọc và phương ngang, tùy thuộc loại sợi, nhựa và tỉ phần thể tích sợi.

Hệ số giãn nở nhiệt theo phương dọc thì được quyết định bởi tính chất của các sợi trong khi hệ số theo phương ngang quyết định bởi nhựa.2 liệt kê các hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP điển hình và của cốt thép [8].2 Hệ số giãn nở nhiệt điển hình [8] Hệ số giãn nở nhiệt  106 0C Phương Thép GFRP CFRP AFRP Bê tông Dọc, L 11,7 6,0 đến 10,0 –9,0 đến 0,0 –6 đến –2 7,2 đến 10,8 Ngang, T 11,7 21,0 đến 23,0 74,0 đến 104,0 60,0 đến 80,0 7,2 đến 10,8 Lưu ý là hệ số giãn nở nhiệt âm có nghĩa là vật liệu co lại khi tăng nhiệt độ và 8 giãn ra khi giảm nhiệt độ. Để tham khảo, bêtông có hệ số giãn nở nhiệt biến đổi từ 7,2106 đến 10,8106 0C và thường được giả thiết là đẳng hướng.3 Sự làm việc chịu kéo: Khi chịu lực kéo, thanh FRP không có thềm chảy trước khi đứt. Ứng xử kéo của thanh FRP gồm một loại sợi là được đặc trưng 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 trường được tóm tắt trong bảng 1.3 Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP [8] Thép GFRP CFRP AFRP Ứng suất chảy, MPa 276 ÷ 517 - - - Cường độ kéo, MPa 483 ÷ 690 483 ÷ 1600 600 ÷ 3690 1720 ÷ 2540 Mô đun đàn hồi, GPa 200 35 ÷ 51 120 ÷ 580 41 ÷ 125 Biến dạng chảy, % 0,14 ÷ 0,25 - - - Biến dạng kéo đứt, % 6,0 ÷ 12,0 1,2 ÷ 3,1 0,5 ÷ 1,7 1,9 ÷ 4,4 Vì các vật liệu FRP không có từ tính và không ăn mòn, nên các vấn đề về nhiễu điện từ và ăn mòn có thể tránh được khi sử dụng cốt FRP.

Ngoài ra, vật liệu FRP còn có một số tính chất, ví dụ như độ bền kéo cao, làm cho chúng thích hợp cho việc sử dụng làm cốt dọc chịu lực trong kết cấu.3 Lịch sử phát triển cốt FRP và vấn đề sử dụng cốt hỗn hợp thép và FRP Sự phát triển vật liệu cốt sợi polyme được bắt nguồn từ việc sử dụng rộng rãi các vật liệu composite sau chiến tranh thế giới II vào những năm 1940 [8]. Tuy vậy, phải đến những năm 1960, những vật liệu này đã được xem xét nghiêm túc để sử dụng làm cốt trong bê tông. Việc mở rộng hệ thống đường cao tốc quốc gia của Hoa Kỳ vào những năm 1950 đã làm tăng nhu cầu bảo trì quanh năm. Việc rải muối để làm tan băng trên các cây cầu của đường cao tốc đã trở nên phổ biến.

Hậu quả là, cốt thép trong các kết cấu này đã bị ăn mòn bởi các lớp muối biển, do đó chúng trở thành mối lo ngại lớn và làm tăng chi phí bảo trì. Nhiều giải pháp khác nhau đã được thực thi bao gồm sử dụng cốt thép mạ kẽm, sơn tĩnh điện, sơn tĩnh điện polyme, chất phủ epoxy và thanh polyme cốt sợi FRP. Trong số các lựa chọn này, cốt thép tráng phủ epoxy dường như là giải pháp tốt nhất và được thực hiện trong môi trường ăn mòn mạnh. Tuy nhiên, đến những năm 1970, việc phát hiện sự ăn 9 mòn trong các thanh thép phủ epoxy khiến cho việc sử dụng cốt FRP bắt đầu được xem như một giải pháp chung để giải quyết các vấn đề về ăn mòn trong các bản mặt cầu và các kết cấu khác.

Nhu cầu lớn nhất về cốt thép không dẫn điện là để phục vụ cho các cơ sở thiết bị y tế sử dụng máy chụp cộng hưởng từ MRI, với tính chất không dẫn điện của mình, cốt FRP đã trở thành vật liệu mẫu trong loại công trình này. Các ứng dụng khác cũng được phát triển, lợi ích của cốt FRP ngày càng được biết đến và ưa chuộng, đặc biệt trong xây dựng đê biển, móng lò phản ứng, sân bay và các phòng thí nghiệm điện tử. Ở Hoa Kỳ, các chỉ dẫn về vật liệu và thiết kế được phát triển lần đầu tiên vào năm 2001 để hướng dẫn thiết kế và xây dựng kết cấu bê tông cốt thanh FRP theo tiêu chuẩn ACI 440. Các quốc gia và khu vực khác cũng công bố tài liệu liên quan, như Nhật Bản (Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng, 1997b) [31], Canada (CAN/CSA-S6-06 [15], CAN/CSA-S806-12 [16]), Nga [57] và Châu Âu (FIB 2007 [19], FIB 2010 [20]).

Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP. Các ứng dụng thành công trên toàn thế giới bằng cách sử dụng thanh polyme cốt sợi FRP trong vài thập kỷ qua đã chứng minh rằng tính khả thi và có thể thành công khi sử dụng. Các nghiên cứu và thực nghiệm tại hiện trường đang được tiếp tục tiến hành và các đề xuất thiết kế ngày càng được bổ sung, hoàn thiện. Sự làm việc của kết cấu bê tông cốt FRP khác với sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép thông thường.

Vật liệu FRP là không đẳng hướng, chỉ có cường độ chịu kéo lớn theo phương của các sợi. Tính không đẳng hướng này ảnh hưởng đến cường độ chịu cắt và cả độ dính kết của cốt. Ngoài ra vật liệu FRP khi chịu lực không có sự chảy và luôn luôn làm việc đàn hồi cho đến khi phá hoại. Tất cả sự khác biệt đó làm thay đổi lí luận và tư duy thiết kế so với bê tông cốt thép thông thường.

Có thể thấy sự khác biệt đấy qua bảng 1.4 so sánh dầm bê tông cốt thép với dầm bê tông cốt GFRP [4].4 So sánh dầm bê tông cốt thép với dầm bê tông cốt GFRP [4] Thông số Dầm bê tông cốt thép Dầm bê tông cốt GFRP Hệ số giảm cường độ Cốt thép : 1 Cốt GFRP : 0,7; 0,8 10 Thông số Dầm bê tông cốt thép Dầm bê tông cốt GFRP Cường độ chịu kéo Cốt thép: 300690 MPa Cốt GFRP 4831600 MPa Mô đun đàn hồi Es = 200.