Luận án tiến sĩ: Ứng dụng vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh trong kết cấu bản mặt cầu đường ô tô

• Tác giả: Nguyễn Văn Ngôn
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Viết Trung
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 0.6. Cấu trúc của luận án
• 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU
• 1.1. Khái quát về vật liệu cốt sợi polyme (FRP)
• 1.2. Ưu, nhược điểm của thanh GFRP. Lịch sử phát triển
• 1.3. Các tính chất cơ lý đặc trưng của vật liệu GFRP
• 1.3.1. Các tính chất vật lý
• 1.3.2. Các tính chất cơ học
• 1.3.3. Ứng xử phụ thuộc thời gian
• 1.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao và lửa
• 1.4. Các vật liệu thành phần của thanh GFRP và phương pháp chế tạo
• 1.4.1. Thành phần vật liệu thanh GFRP
• 1.4.2. Phương pháp chế tạo vật liệu thanh GFRP
• 1.5. Độ bền của thanh GFRP
• 1.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của thanh GFRP
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu về độ bền
• 1.6. Khái quát các nghiên cứu và ứng dụng cốt thanh GFRP
• 1.7. Khái quát về các tiêu chuẩn, chỉ dẫn thiết kế hiện hành
• 1.8. Một số nghiên cứu về ứng xử uốn của kết cấu bê tông cốt thanh GFRP
• 1.9. Một số nghiên cứu sử dụng cốt thanh FRP cho kết cấu bản mặt cầu
• 1.10. Ứng dụng của cốt thanh FRP. Định hướng nghiên cứu
• 1.11. Nhận xét về các kết quả nghiên cứu đã có
• 1.12. Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu
• 1.13. Kết luận chương 1
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH
• 2.1. Các giả thiết và tính chất thiết kế của thanh GFRP
• 2.2. Các tính chất thiết kế của thanh GFRP
• 2.3. Lý thuyết thiết kế kết cấu bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo hướng dẫn của AASHTO LRFD
• 2.3.1. Các trạng thái giới hạn
• 2.3.2. Các nghiên cứu thiết kế
• 2.3.2.1. Thiết kế chịu uốn
• 2.3.2.2. Thiết kế chịu cắt
• 2.3.2.3. Bố trí chi tiết cốt
• 2.3.2.4. Triển khai và mối nối cốt
• 2.4. Trình tự thiết kế bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo AASHTO LRFD 2018
• 2.5. Phương pháp thiết kế bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo Tiêu chuẩn Thiết kế cầu của Canada (CAN/CSA S6
• 2.6. Tính toán bản mặt cầu sử dụng phương pháp thiết kế uốn
• 2.7. Cơ sở thiết kế bản mặt cầu sử dụng phương pháp kinh nghiệm
• 2.8. Đánh giá các công thức dùng trong tính toán khả năng chịu tải của kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt GFRP
• 2.8.1. Khái quát về các công thức dự báo
• 2.8.2. Đánh giá các công thức dự báo
• 2.9. So sánh thiết kế kết cấu bản mặt cầu khi sử dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép
• 2.10. Kết luận chương 2
• 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH
• 3.1. Các cơ sở tiến hành thí nghiệm
• 3.2. Mục đích của thí nghiệm
• 3.3. Lựa chọn mô hình thí nghiệm
• 3.4. Công tác chuẩn bị thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm
• 3.5. Mẫu thí nghiệm
• 3.6. Bố trí các thiết bị đo đạc
• 3.7. Phương pháp tiến hành thí nghiệm
• 3.8. Trình tự thí nghiệm
• 3.9. Kết quả thí nghiệm và phân tích
• 3.9.1. Cường độ bê tông
• 3.9.2. Mô hình phá hoại và dạng vết nứt
• 3.9.3. Biến dạng của bê tông và cốt
• 3.9.4. Ứng xử võng - Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng
• 3.10. Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm
• 3.11. So sánh kết quả thực nghiệm với các công thức lý thuyết
• 3.12. Phân tích ứng xử của kết cấu bản thí nghiệm bằng phương pháp PTHH
• 3.13. Kết luận chương 3
• 4. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH
• 4.1. Nghiên cứu so sánh các các phương pháp thiết kế bản mặt cầu
• 4.2. Tính toán thiết kế bản mặt cầu cốt GFRP theo các phương pháp
• 4.3. So sánh khối lượng vật liệu tính theo hai phương pháp
• 4.4. Phân tích hiệu quả ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép trong kết cấu bản mặt cầu
• 4.4.1. Số liệu tính toán
• 4.4.2. Tính toán nội lực
• 4.4.3. Tính toán khối lượng vật liệu cốt
• 4.4.4. So sánh chi phí vật liệu cốt
• 4.5. Phân tích hiệu quả ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép khi xét đến chi phí vòng đời
• 4.5.1. Phân tích chi phí vòng đời
• 4.6. Một số kiến nghị khi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823: 2017 đối với kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP
• 4.6.1. Các nội dung tương ứng với Phần 5 - kết cấu bê tông [2]
• 4.6.2. Các nội dung về kết cấu bản mặt cầu [2]
• 4.7. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Những kết quả đạt được của luận án
• 5.2. Những đóng góp mới của luận án
• 5.3. Hạn chế của đề tài
• 5.4. Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh GFRP

Vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP) là một loại vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, đặc biệt là trong kết cấu bản mặt cầu. GFRP có ưu điểm vượt trội về độ bền, khả năng chịu lực, và khả năng chống ăn mòn so với cốt thép truyền thống. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng GFRP có thể tối ưu hóa hiệu suất của công trình giao thông bằng cách giảm thiểu chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của cầu. Tuy nhiên, việc ứng dụng GFRP trong bản mặt cầu đường ô tô vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc thiết kế và tính toán khả năng chịu lực.

1.1. Ưu điểm và nhược điểm của GFRP

Vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP) có nhiều ưu điểm như khả năng chống ăn mòn cao, trọng lượng nhẹ, và độ bền cơ học tốt. Tuy nhiên, GFRP cũng có một số nhược điểm như giá thành cao và khả năng chịu nhiệt kém. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GFRP có thể thay thế cốt thép trong kết cấu bản mặt cầu, nhưng cần phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực của công trình.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của GFRP

Vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP) đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1970. Ban đầu, GFRP được sử dụng trong các công trình nhỏ như cầu đi bộ và tường chắn. Theo thời gian, GFRP đã được ứng dụng rộng rãi hơn trong các công trình giao thông lớn như bản mặt cầu đường ô tô. Các tiêu chuẩn thiết kế như AASHTO LRFD và CAN/CSA S6 đã đưa ra các hướng dẫn cụ thể để ứng dụng GFRP trong kết cấu bản mặt cầu.

II. Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu bản mặt cầu sử dụng GFRP

Thiết kế kết cấu bản mặt cầu sử dụng vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP) đòi hỏi phải tuân thủ các tiêu chuẩn và hướng dẫn cụ thể. Các tiêu chuẩn như AASHTO LRFD và CAN/CSA S6 đã đưa ra các phương pháp thiết kế chịu uốn và chịu cắt cho bản mặt cầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng GFRP có thể cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của công trình giao thông, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì.

2.1. Phương pháp thiết kế chịu uốn

Phương pháp thiết kế chịu uốn cho kết cấu bản mặt cầu sử dụng vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP) được hướng dẫn bởi AASHTO LRFD. Phương pháp này tập trung vào việc tính toán khả năng chịu lực và độ võng của bản mặt cầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GFRP có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền và khả năng chịu lực của công trình giao thông.

2.2. Phương pháp thiết kế chịu cắt

Phương pháp thiết kế chịu cắt cho kết cấu bản mặt cầu sử dụng vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP) cũng được hướng dẫn bởi AASHTO LRFD. Phương pháp này tập trung vào việc tính toán khả năng chịu cắt và độ bền của bản mặt cầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GFRP có thể cải thiện khả năng chịu cắt của công trình giao thông, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì.

III. Nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng GFRP trong bản mặt cầu

Các nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành để đánh giá khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu bản mặt cầu sử dụng vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP). Kết quả nghiên cứu cho thấy GFRP có thể cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của công trình giao thông, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì. Các nghiên cứu cũng đã đề xuất các phương pháp thiết kế và tính toán để tối ưu hóa hiệu suất của bản mặt cầu sử dụng GFRP.

3.1. Kết quả thực nghiệm và phân tích

Các nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành để đánh giá khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu bản mặt cầu sử dụng vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP). Kết quả nghiên cứu cho thấy GFRP có thể cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của công trình giao thông, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì. Các nghiên cứu cũng đã đề xuất các phương pháp thiết kế và tính toán để tối ưu hóa hiệu suất của bản mặt cầu sử dụng GFRP.

3.2. Ứng dụng thực tế của GFRP trong bản mặt cầu

Vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (GFRP) đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình giao thông như bản mặt cầu đường ô tô. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng GFRP có thể cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của công trình giao thông, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì. Các tiêu chuẩn thiết kế như AASHTO LRFD và CAN/CSA S6 đã đưa ra các hướng dẫn cụ thể để ứng dụng GFRP trong kết cấu bản mặt cầu.