Nghiên cứu thực nghiệm uốn dầm bê tông cốt thanh sợi thủy tinh

 83 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 
 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG 
CỐT THANH SỢI THỦY TINH 
Phạm Thị Loan 
Khoa Xây dựng 
Email: loanpt80@dhhp.edu.vn 
 Trịnh Duy Thành 
Khoa Xây dựng 
Email: thanh@dhhp.edu.vn 
Ngày nhận bài: 21/7/2017 
Ngày PB đánh giá: 10/11/2017 
Ngày duyệt đăng: 18/11/2017 
TÓM TẮT 
Việc ứng dụng cốt thanh sợi thủy tinh (GFRP) thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông đã 
được nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng cho kết cấu công trình. Sự làm việc của kết cấu có 
cốt GFRP khác với sự làm việc của cốt thép thông thường nên cần có những nghiên cứu thực 
nghiệm để kiểm chứng lý thuyết tính toán. Nghiên cứu làm rõ sự làm việc của cấu kiện chịu 
uốn thông qua nghiên cứu thực nghiệm để góp phần vào sự phát triển ứng dụng thanh sợi thủy 
tinh rộng rãi hơn trong lĩnh vực xây dựng của Việt Nam. 
Từ khóa:cấu kiện dầm; chịu uốn; thanh sợi thủy tinh; cốt thép; bê tông. 
EXPERIMENTAL STUDY ON FLEXURAL BEHAVIOR OF GFRP 
REINFORCED CONCRETE BEAMS 
ABSTRACT 
Using glass fiber reinforced polymer (GFRP) as internal reinforcement has been 
investigated and become popular in the construction field worldwide. Structural behavior of 
GFRP reinforced concrete beams is different from that of concrete beam with reinforcements. 
Therefore, experimental studies have a significant role in order to illuminate the theory. This 
study brings an incisive view to flexural behavior of concrete beams with GFRP as 
reinforcements. The results of the investigation contribute to the development of widely 
applying GFRP to the construction field in Vietnam. 
Key words: beam; flexural behavior; glass fiber reinforced polymer; reinforcement; 
concrete. 
1. GIỚI THIỆU 
Giữa thế kỷ 19 bê tông cốt thép 
(BTCT) đã được phát minh và ảnh hưởng lớn 
đến sự phát triển của các dạng kết cấu. Từ 
đó, BTCT trở thành một dạng vật liệu phổ 
biến, phần lớn các kết cấu công trình được 
 84 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 
tạo nên từ vật liệu phức hợp này. Kết cấu 
BTCT kết hợp được rất nhiều ưu điểm của cả 
2 loại vật liệu là bê tông và cốt thép như khả 
năng chịu nén, chịu uốn, chịu lửa rất tốt 
[1]. Tuy nhiên, kết cấu BTCT sau một thời 
gian khai thác và sử dụng chịu tải trọng công 
trình các vết nứt xuất hiện với bề rộng và mật 
độ lớn dẫn đến cốt thép bị ăn mòn làm cho 
kết cấu bị suy giảm khả năng chịu lực. Vì 
vậy, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ 
thuật con người luôn tìm kiếm những vật liệu 
xây dựng mới, các kết cấu mới để thay thế 
dần dần kết cấu BTCT. 
Trong đó sợi thủy tinh là một vật liệu 
mới có nhiều đặc tính ưu việt như cường độ 
chịu kéo lớn hơn thép nhiều lần, trọng 
lượng nhẹ lại không bị gỉ, ăn mòn [2]. Việc 
ứng dụng cốt thanh sợi thủy tinh (GFRP) 
thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông đã 
được nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng 
cho kết cấu công trình. Sự làm việc của kết 
cấu có cốt GFRP khác với sự làm việc của 
cốt thép thông thường do sợi thủy tinh là 
vật liệu không đẳng hướng, không có sự 
chảy dẻo... nên cần có những nghiên cứu 
thực nghiệm để kiểm tính lý thuyết tính 
toán. Việc nghiên cứu về cấu kiện dầm sử 
dụng cốt thanh sợi thủy tinh đã được nhiều 
nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện 
[3,7]. Kết quả cho thấy, dầm bê tông cốt 
GFRP có ứng xử chịu uốn đáp ứng các yêu 
cầu thiết kế đồng thời cho phép độ rộng vết 
nứt lớn hơn do tính không bị ăn mòn của 
thanh GFRP. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc 
sử dụng cốt GFRP thay thế cốt thép hiện 
vẫn còn là một bước chuyển biến mới và số 
nghiên cứu thực nghiệm trong nước về ứng 
xử của thanh GFRP trong các cấu kiện kết 
cấu còn khá hạn chế [8]. Vì vậy, nghiên 
cứu ứng xử chịu uốn của bê tông cốt thanh 
sợi thủy tinh bằng thực nghiệm là một 
nghiên cứu có ý nghĩa và cần thiết cho việc 
phát triển ứng dụng thanh GFRP trong lĩnh 
vực kết cấu công trình. 
Do đó mục tiêu hướng đến của 
nghiên cứu là làm rõ ứng xử chịu uốn của 
cấu kiện dầm bê tông cốt thanh sợi thủy 
tinh và góp phần thúc đẩy phát triển ứng 
dụng kết cấu bê tông cốt thanh sợi thủy tinh 
rộng rãi hơn trong lĩnh vực xây dựng trong 
điều kiện Việt Nam. 
2. Ý NGHĨA 
Tiêu chuẩn thiết kế dầm bê tông cốt 
thanh sợi thủy tinh 440.1R.2006 [9] phù 
hợp với điều kiện vật liệu của Việt Nam 
thông qua kết quả thí nghiệm. Bên cạnh ý 
nghĩa lý luận đó, nghiên cứu đã làm rõ sự 
khác biệt trong ứng xử chịu uốn của cấu 
kiện dầm so với dầm bê tông cốt thép 
thường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa 
quan trọng trong việc ứng dụng thanh 
GFRP đối với các cấu kiện làm việc không 
đòi hỏi yêu cầu về độ dẻo. 
3. THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG 
CỐT THANH SỢI THỦY TINH 
3.1. Thiết kế cấu kiện dầm thí nghiệm 
Dầm thí nghiệm được thu nhỏ theo tỉ lệ 
1/4 so với dầm nguyên mẫu thông thường, có 
kích thước nhịp dầm 1,4m; kích thước tiết 
diện với chiều rộng là 100mm và chiều cao là 
180mm. Thiết kế dầm bê tông cốt thanh 
GFRP theo ACI 440.1R.2006 [9]. Các thông 
số về vật liệu và kết quả tính toán như các 
bảng sau: 
 85 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 
Bảng 1. Đặc trưng thanh GFRP và bê tông B20 
Bê tông B20 Thép GFRP8 
f'c (Mpa) Ec (Mpa) f*fu (Mpa) e*fu Ef (Gpa) ffu (Mpa) efu 
20 24 594 0,02 46 415 0,14 
Bảng 2. Bố trí thanh GFRP cho dầm 
Lớp Ký hiệu thanh Mẫu S1 Mẫu S2 Mẫu S3 
Lớp trên (thanh) GFRP8 2 2 2 
Lớp dưới (thanh) GFRP8 2 3 4 
Bảng 3. Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP 
Mẫu 
b 
(mm) 
h 
(mm) 
Af 
 (mm
2
) 
ρfb ρf 
ff 
(Mpa) 
β1 
a 
(mm) 
Mn 
(kNm) 
S1 100 180 66,32 0,0047 0,0041 444,19 0,85 11,92 4,39 
S2 100 180 99,48 0,0047 0,0062 357,21 0,85 17,87 5,55 
S3 100 180 132,64 0,0047 0,0082 305,43 0,85 23,83 6,04 
 DẦM S1 MẶT CẮT 1-1 
Hình 1. Cấu tạo thép dầm S1 
 DẦM S2 MẶT CẮT 2-2 
Hình 2. Cấu tạo thép dầm S2 
 86 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 
 DẦM S3 MẶT CẮT 3-3 
Hình 3. Cấu tạo thép dầm S3 
3.2. Chế tạo dầm thí nghiệm 
Mỗi một loại dầm S1, S2; S3 được chế 
tạo 3 mẫu thí nghiệm. Các mẫu dầm này 
được chế tạo tại Xưởng thực hành – Trường 
Đại học Hải Phòng theo trình tự thi công như 
các hình ảnh sau: 
 Buộc cốt thép dầm Cốp pha dầm 
Cố định cốt thép và cốp pha Trộn bê tông 
Đổ và đầm bê tông Dầm hoàn thiện 
 87 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 
3.3. Thiết bị đo biến dạng và độ võng 
Cấu kiện dầm thí nghiệm là dầm đơn 
giản, do vậy chọn tiết diện dưới điểm đặt 
lực (tiết diện giữa nhịp dầm) là tiết diện có 
độ võng và biến dạng lớn nhất trên toàn 
dầm để tiến hành đo độ võng và biến dạng. 
Vị trí đồng hồ đo độ võng và 
sensor đo biến dạng của tiết diện giữa 
nhịp dầm được thể hiện như Hình 5. 
Như vậy, dùng 01 đồng hồ đo độ võng 
và 04 sensor biến dạng cho một dầm 
thí nghiệm 
Hình 5. Sơ đồ vị trí đồng hồ đo độ võng và các sensor đo biến dạng 
3.4. Qui trình thí nghiệm. 
Sau khi các dầm được đúc ngày 
10/4/2017, được dưỡng hộ trong điều kiện 
tự nhiên tại Xưởng thực hành, trường Đại 
học Hải Phòng. Ngày 12/5/2017 các dầm 
được chuyển tới Nhà Xưởng thí nghiệm. 
Theo tiêu chuẩn TCVN 9374:2012 
“Cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép đúc sẵn 
– Phương pháp thí nghiệm gia tải tĩnh để đánh 
giá độ bền, độ cứng và khả năng chống 
nứt”[10], tiến hành thí nghiệm các dầm bằng 
phương thức gia tải tĩnh. Căn cứ khả năng 
chịu lực theo tính toán của các dầm, việc gia 
tải cho các dầm được cho trong bảng. 
Bảng 4. Tải trọng thí nghiệm 
Dầm thí nghiệm Pmax(kN) 
S1 11 
S2 14 
S3 15 
4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 
THÍ NGHIỆM 
4.1. Dạng phá hoại 
Kết quả dạng phá hoại của các dầm 
thí nghiệm dựa vào quan sát sự hình thành 
và phát triển các khe nứt trên dầm, sự nén 
bê tông miền trên và biến dạng của cốt 
thép miền dưới khi tải trọng được tăng dần 
tới giá trị lớn nhất theo thiết kế. Trong 
phạm vi nghiên cứu của đề tài, dầm được 
coi bị phá hoại khi xảy ra một trong hai 
tình huống sau: 
- Bê tông miền trên bị ép vỡ. 
- Cốt thép miền dưới bị kéo đứt. 
SG
S1
S2
S3
S4
LVDT
 88 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 
(a) Dầm S1 
(b) Dầm S2 
 89 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 
Dầm S1 phá hoại do đứt thanh GFRP 
trong miền bê tông chịu kéo, trong khi bê 
tông vùng nén cũng bắt đầu bị ép vỡ như 
Hình (a). Dầm S2 và S3 có dạng phá hoại 
tương tự nhau do miền bê tông chịu nén bị 
ép vỡ. Các vết nứt thẳng góc chủ yếu tập 
trung gần khu vực điểm đặt tải, các vết nứt 
lan rộng vào phía gối tựa có xu hướng 
xiên theo chiều hội tụ về điểm đặt lực như 
Hình (b, c). 
Có thể nhận thấy, vùng bê tông mặt 
dưới của các dầm cốt thanh GFRP các vết 
nứt của vùng bê tông chịu kéo có bề rộng 
tương đối nhỏ. Tuy nhiên, vùng bê tông mặt 
trên của các dầm S khi ở trạng thái phá hoại 
cuối cùng bị ép vỡ nhiều và sâu. 
4.2. Biến dạng của bê tông 
a) Dầm S1 b) Dầm S2 
(c) Dầm S3 
Hình 6. Dạng phá hoại của các dầm 
 90 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG 
c) Dầm S3 
Hình 7. Biến dạng của bê tông theo chiều cao tiết diện của các dầm 
Biến dạng vùng nén của dầm S2 như 
trên Hình (b) là tương đối nhỏ so với dầm 
S1 và S3 (Hình a, c) do dầm S1 được uốn 
tới khi phá hoại đứt thép chịu kéo và S3 
được thiết kế với khả năng chịu uốn lớn 
hơn S2. 
4.3. Quan hệ lực - độ võng của dầm 
Căn cứ số đọc từ đồng hồ đo độ 
võng và tải trọng gia tải tăng dần theo thời 
gian, kết quả độ võng của các dầm được 
thể hiện trong quan hệ lực - độ võng như 
trong Hình 8. 
Hình 8. Quan hệ lực – độ võng của các 
dầm bê tông cốt thanh GFRP 
Kết quả cho thấy với các dầm bê 
tông cốt thanh GFRP thì cho thấy quan hệ 
giữa lực và độ võng có xu hướng thiên về 
quan hệ tuyến tính mà không có vùng 
chảy dẻo. 
5. KẾT LUẬN 
Trên cơ sở nội dung nghiên cứu của đề 
tài thông qua các kết quả của bài toán thiết 
kế, bài toán thực nghiệm có thể đưa ra một số 
kết luận sau: 
1. Qui trình thiết kế dầm bê tông 
thanh cốt GFRP theo tiêu chuẩn 
440.1R.2006 có tính ứng dụng thực hành 
cao trong điều kiện Việt Nam. Qui trình 
thiết kế này phù hợp với sự làm việc thực 
của cấu kiện. 
2. Thanh GFRP có cường độ chịu kéo 
cao hơn 3-4 lần so với thép thông thường 
song thép GFRP không có thềm chảy nên 
trong thiết kế khả năng chịu uốn sử dụng hệ 
số giảm cường độ (0,55-0,65) để tránh sự phá 
hoại giòn cho cấu kiện. Do đó, sự làm việc 
chịu uốn của dầm bê tông cốt thanh GFRP 
 91 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 26, tháng 1/2018 
coi là hoàn toàn tuyến tính, không có miền 
chảy dẻo. 
3. Sử dụng thanh thép GFRP để thay 
thế thép thường đem lại hiệu quả tiết kiệm 
diện tích cốt thép không lớn song đặc biệt ưu 
việt trong việc giảm trọng lượng cấu kiện, do 
thép GFRP có trọng lượng chỉ khoảng (1/6 -
1/4) so với thép thường. 
4. Việc sử dụng kết hợp thanh GFRP 
với thép để chế tạo các cấu kiện bê tông cốt 
thép trong kết cấu công trình là hoàn toàn 
khả thi. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. P. Q. Minh, N. T. Phong, and N. Đ. Cống (2006), Kết cấu bê tông cốt thép - Phần cấu kiện 
cơ bàn, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. 
2. J. P. Busel (2012), Fiber Reinforced Polymer (FRP) Composites Rebar, American 
Composites Manufacturers Asociation 
3. D. S. Kumar and R. Rajkumar (2016), 'Experimantal investigation on flexural behavior of 
concrete beam with glass fiber reinforced polymer rebar as internal reinforcement', Int. J. 
Chem. Sci., vol. 14, pp. 319-329 
4. D. H. Tavares, J. S. Giongo, and P. Paultre (2008), 'Behavior of reinforced concrete beams 
reinforced with GFRP bars', IBRACON Struct. Mater., vol. 1, no. 3, pp. 285-295 
5. M. B. and A. C. C. Barris, L. Torres, A. Turon (2009), 'An Experimental Study of the 
Flexural Behavior of Gfrp Rc Beams and Comparison With Prediction Models', Int. J. 
Compos. Mater., vol. 91, no. 13, pp. 286-295 
6. S. H. Alsayed (1998), 'Flexural Behavior of Concrete Beams Reinforced with GFRP Bars', 
Int. J. Cem. Concr. Compos., vol. 20, no. 7, pp. 1-11 
7. O. C. and R. M. B. Benmokrane (1996), 'Flexural Response of Concrete Beams 
Reinforced with FRP Reinforcing Bars', ACI Struct. J., vol. 91, no. 2, pp. 46-55 
8. P. M. Tuấn, D. V. Hai, and P. M. Phương (2015), 'Nghiên cứu tính toán dầm bê tông cốt 
sợi thủy tinh GFRP trên tiết diện thẳng góc', Người Xây dựng, pp. 17-19 
9. J. P. Busel, L. C. Bank, V. L. Brown (2006), T. I. Campbell, A. Z. Fam, and M. W. Lee, 
Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars 
Reported by ACI Committee 440 
10. Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây Dựng (2012), Cấu kiện bê tông và bê tông 
cốt thép đúc sẵn - Phương pháp thí nghiệm gia tải để đánh giá độ bền, độ cứng và khả 
năng chống nứt. TCVN 9347:2012