Sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP – Fiber Reinforced Polymer là một phương pháp mới đã được nghiên cứu và áp dụng tại các nước tiên tiến bắt đầu xuất hiện từ những năm 1990. Đây là một trong các giải pháp duy trì và nâng cao sức chịu tải của kết cấu cũ để đáp ứng yêu cầu về khai thác. Để đánh giá tính hiệu quả kỹ thuật của giải pháp này, bài tiểu luận giới thiệu một số điểm quan trọng cũng như trình bày một số kết quả khảo sát thực nghiệm của cấu kiện bê tông cốt thép được gia cường.
Trang 1PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KỸ THUẬT GIẢI PHÁP SỬA CHỮA VÀ GIA CỐ KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG VẬT LIỆU FIBER REINFORCED POLYMER (FRP)
ĐẶT VẤN ĐỀ : Sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP – Fiber
Reinforced Polymer là một phương pháp mới đã được nghiên cứu và áp dụng tại các nước tiên tiến bắt đầu xuất hiện từ những năm 1990 Đây là một trong các giải pháp duy trì và nâng cao sức chịu tải của kết cấu cũ để đáp ứng yêu cầu về khai thác Để đánh giá tính hiệu quả kỹ thuật của giải pháp này, bài tiểu luận giới thiệu một số điểm quan trọng cũng như trình bày một số kết quả khảo sát thực nghiệm của cấu kiện bê tông cốt thép được gia cường.
1 GIỚI THIỆU
Trước hiện trạng hư hỏng nhà ở và xuống cấp của các công trình cầu hiện nay, việc nghiên cứu về sửa chữa, cải tạo, nâng cấp công trình xây dựng là vấn đề rất cần thiết Trọng tâm trong lĩnh vực này là việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép sau khi đã khai thác để đáp ứng điều kiện cũng như yêu cầu khai thác mới Các lý do cho việc này có thể là:
- Thay đổi việc khai thác công trình do sự thay đổi về hệ thống kết cấu hoặc về tải trọng
- Do sự sai sót về thiết kế cũng như thi công
- Do ăn mòn đối với cốt thép
- Do ảnh hưởng của môi trường (ví dụ như động đất),…
Khoảng 40 năm trước đây, người ta đã biết đến việc gia cường sức kháng uốn của kết cấu bằng phương pháp dán bản thép Trong vòng 20 năm gần đây việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi các-bon và thủy tinh đã thay thế dần các bản thép So sánh với các phương pháp gia cố truyền thống, phương pháp sử dụng tấm composite thể hiện nhiều nhiều lợi thế
Trong nội dung bài tiểu luận này học viên sẽ trình bày một giải pháp mới để sửa chữa,
gia cố công trình bê tông cốt thép : Phương pháp sử dụng vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer) trong sửa chữa và gia cố công trình Nội dung bao gồm trình bày sơ lược về vật
liệu FRP, phương pháp sửa chữa và gia cố công trình bằng vật liệu FRP, các mô hình phá hoại của kết cấu được gia cường, các kết quả thí nghiệm trên dầm và sàn bêtông cốt thép và kết quả
áp dụng thức tế trên cầu Ô Sông
2 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU FRP
- Vật liệu FRP - Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu composite được chế tạo
từ các vật liệu sợi, trong đó có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon - CFRP, sợi thủy tinh - GFRP và sợi aramid - AFRP Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian …
- Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn … Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải
- Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thường được sử dụng nhất là của các hãng sản xuất: MBraceTM, Replark®, Sika, Tyfo® …
Trang 2Bảng 1: Khối lượng riêng của vật liệu thép và vật liệu FRP
7.85 1.2 – 2.1 1.5 – 1.6 1.2 – 1.5
Hình 1: Hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu FRP
Hình 2: Quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu FRP và vật liệu thép
Dạng tấm Dạng thanh Dạng băng
Hình 3: Một số hình dạng vật liệu FRP
Trang 33 SỬA CHỮA, GIA CỐ CÔNG TRÌNH BẰNG VẬT LIỆU FRP
Với các tính chất kể trên, đặc biệt là khả năng chịu lực kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn, các dạng tấm FRP, vải FRP, thanh FRP thường được dùng để sửa chữa sự giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết cấu bằng hai cách:
- FRP được dán hoặc bọc bên ngoài cấu kiện (External bonded reinforcement - EBR)
- FRP được dán gần bề mặt cấu kiện (Near surface mounted- NSM)
Hình 4: Phương pháp EBR và NSM Các kết cấu sử dụng FRP để tăng cường khả năng chịu lực hoặc sửa chữa hư hỏng cũng rất đa dạng như : tường cứng BTCT, dầm, cột, sàn bị khoét lỗ, khối xây, tấm sàn, bề mặt sàn
…và các dạng công trình khác như dầm sàn cầu, ống khói, si lô, đường hầm …
3.1 PHƯƠNG PHÁP DÁN HOẶC BỌC FRP BÊN NGOÀI CẤU KIỆN (EBR)
Chúng ta có thể sử dụng vật liệu FRP trong những trường hợp sau đây :
- Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm bê tông cốt thép
- Tăng cường khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép tại vùng có mômen dương và mômen âm; gia cường cho vị trí lỗ sàn được tạo mới do thay đổi mục đích sử dụng công trình
- Tăng khả năng chịu uốn và chịu cắt cho cột bê tông cốt thép
Gia cường trên dầm:
Các tấm FRP được dán theo phương chịu lực phía dưới dầm và vị trí đầu dầm
Hình 5: Cầu kiện dầm bị nứt do lực cắt và mômen
Trang 4Hình 6: Biện pháp dán tầm FRP trên dầm
Hình 7: Quá trình thi công dán vật liệu FRP trên dầm
Trang 5Gia cường trên cột:
Các tấm FRP thường được quấn xung quanh cột thành nhiều để tăng khả năng chịu lực nén và lực cắt
Hình 8: Các tác động gây hư hỏng cột và biện pháp dán tấm FRP trên cột
Hình 9: Gia cố bằng vật liệu FRP trên cấu kiện cột
Trang 6Gia cường trên sàn:
Các tấm FRP thường được dán phía dưới và phía trên sàn theo hai phương để chịu mômen Tấm FRP còn được sử dụng cho trường hợp khoét lỗ mới trên sàn
Hình 10: Sàn bị nứt và suy yếu do tải trọng và khoét lỗ
Hình 11: Giải pháp gia cường tấm FRP cho sàn
Gia cường trên một số cấu kiện khác:
Hình 12: Giải pháp gia cường tấm FRP cho tường
Trang 7Hình 13: Gia cố bằng vật liệu FRP bên ngoài và bên trong ống khói Biện pháp gia cường tấm FRP bằng phương pháp EBR tồn tại một số nhược điểm như:
- Tấm FRP dễ bị biến dạng khi chịu tác dụng va đập
- Khả năng tách lớp giữa bề mặt bêtông- keo- FRP phụ thuộc vào chất lượng thi công
- Chỉ ứng dụng với FRP dạng tấm hoặc dải
3.2 PHƯƠNG PHÁP DÁN FRP GẦN BỀ MẶT CẤU KIỆN (NSM)
Để tránh được những nhược điểm của phương pháp dán tấm FRP lên trên bề mặt của kết cấu, phương pháp NSM đang nổi lên là một phương pháp đầy hiệu quả cần được nghiên cứu Thay vì dán trực tiếp tấm FRP lên bề mặt kết cấu bêtông, trong phương pháp này FRP được đặt vào trong rãnh cắt trên bề mặt của kết cấu bê tông được liên kết với bê tông qua hai lớp chất kết dính nên tăng cường được khả năng tách lớp giữa liên kết
Hệ thống này ứng dụng với hai loại tiết diện điển hình của FRP là thanh và tấm NSM FRP cơ ưu điểm vượt trội so với phương pháp dán trực tiếp FRP lên bề mặt bê tông ở những điểm sau:
- Tăng diện tích liên kết do sử dụng hai lớp chất kết dính với hai bề mặt của bê tông
- Tăng cường khả năng chống đứt, gãy liên kết
- Giảm thiểu khả năng tách lớp sớm của liên kết
- Bảo vệ FRP khỏi những phá hoại bên ngoài như tác động của lực va chạm
- Giảm công tác chuẩn bị bề mặt bêtông cần liên kết
Trang 8Hình 14: Gia cường thanh FRP trên cấu kiện tường
Hình 15: Gia cường thanh FRP trên cấu kiện dầm
4 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP SỬA CHỮA, GIA CỐ CÔNG TRÌNH BẰNG VẬT LIỆU FRP
4.1 Ưu điểm:
Ưu điểm của phương pháp sửa chữa, gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP được thể hiện rõ ở hai mặt đó là ưu điểm của vật liệu FRP và ưu điểm của phương pháp thi công lắp đặt tấm FRP
Nhờ tận dụng được các tính chất ưu việt của vật liệu FRP như khả năng chịu lực và môđun đàn hồi rất cao, khối lượng nhẹ, có tính chống ăn mòn cao, cách điện, cách nhiệt tốt và đặc biệt có khả năng đồng nhất làm việc với các kết cấu làm bằng bêtông, bêtông cốt thép,
Trang 9thép, gỗ … đã giúp cho phương pháp sửa chữa, gia cố kết cấu bằng tấm FRP trở thành một giải pháp chọn lựa tốt khi chọn phương án sửa chữa, gia cố công trình Mặt khác, do vật liệu FRP được sản xuất đa dạng về chủng loại sợi và được dệt theo nhiều dạng khác nhau nên có thể dễ dạng chọn lựa chủng loại FRP giúp tiết kiệm được vật liệu
Ngoài ra, phương pháp thi công lắp đặt tấm FRP cũng rất dễ dàng, không đòi hỏi phải cần thiết nhiều nhân công, máy móc thiết bị Quá trình thi công diễn ra nhanh chóng, ít bị chú
ý nên giải quyết được vấn đề thi công sửa chữa khi công trình vẫn đang hoạt động Khối lượng gia cố cũng rất nhỏ, không đáng kể, công trình nhanh đi vào hoạt động sau khi sửa chữa, gia
cố
Ngoài các ưu điểm trên, phương pháp sửa chữa, gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP còn làm cho cấu kiện cần sửa chữa, gia cố không tăng kích thước tiết diện, không làm thay đổi đến mỹ quan công trình, không ảnh hưởng đến công năng sử dụng của công trình Kết hợp ưu điểm của vật liệu và ưu điểm của phương pháp thi công đã làm cho phương pháp sửa chữa, gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP vượt trội hơn các phương pháp khác và trở thành một giải pháp hàng đầu khi sửa chữa, gia cố công trình
4.2 Nhược điểm:
Hiện nay, vật liệu FRP vẫn còn có giá thành cao nên chi phí khi sử dụng phương pháp dán tấm FRP sử dụng trong công tác sửa chữa, gia cố các công trình xây dựng dân dụng vẫn còn tương đối cao hơn các phương pháp bọc ngoài bằng bê tông cốt thép hoặc thép Tuy nhiên, trong các trường hợp sửa chữa, gia cố cầu lại có kinh phí thấp hơn so với phương pháp ứng lực Một khuyết điểm đáng chú ý khi sử dụng phương pháp dán tấm FRP sửa chữa, gia cố cho các cấu kiện bê tông cốt thép là vấn đề phá hoại của liên kết keo dán và bị phá hoại bởi tia UV Tuy nhiên, các khuyết điểm trên có thể được khắc phục Trong thời gian tới giá thành của vật liệu FRP sẽ giảm xuống do sự cải tiến trong công nghệ sản xuất và nhu cầu sử dụng ngày càng tăng Để ngăn ngừa và giảm thiểu vấn đề phá hoại liên kết chúng ta có thể tiến hành xử lý
kỹ bề mặt bê tông, tính toán thiết kế và bố trí các dạng neo chống lại hiện tượng tách lớp khi dán Việc khắc phục phá hoại của tia UV có thể được ngăn chặn bằng các sơn lên bề mặt tấm FRP một lớp sơn đặc biệt chống lại sự phá hoại của tia UV
5 MỘT SỐ MÔ HÌNH PHÁ HOẠI CỦA KẾT CẤU TĂNG CƯỜNG BỞI FRP
- Phá hoại do cắt và uốn là những dạng phá hoại điển hình trong hầu hết các loại dầm bêtông cốt thép
Hiện tượng này xảy ra khi ứng suất cắt hoặc uốn có trong bê tông lớn hơn khả năng giới hạn của bê tông Phá hoại này xảy ra khi ứng suất tại vùng liên kết giữa bê tông và FRP quá lớn, nó gây ra sự tuột bản FRP ra khỏi bề mặt Bê tông Phá hoại chỉ xảy tại lớp kết dính epoxy hoặc tại lớp bê tông liên kết
Trang 10Hình 16: Mô hình phá hoại do uốn và cắt trong dầm
- Phá hoại do vết nứt trung gian
Phá hoại này xảy ra khi vết nứt do ứng suất cắt hoặc uốn tiến sát tới tấm FRP và nó sẽ gây ra đứt liên kết giữa bê tông và FRP Mô hình phá hoại này chỉ xảy ra ở trong hoặc gần vùng có mômen lớn nhất Sự đứt liên kết sẽ bắt đầu từ đầu vết nứt và lan truyền về phía đầu tự
do của FRP
Hình 17: Vết nứt trung gian gây ra đứt liên kết
- Phá hoại do đứt liên kết giữa bê tông và FRP
- Phá hoại do đứt tấm FRP
Phá hoại xảy ra khi ứng suất chống đứt của FRP đạt tới trạng thái giới hạn và gây ra hiện tượng phá hoại giòn Tại điểm đứt gãy, tấm FRP sẽ không thể chịu được tác dụng của bất kỳ lực nào
Hình 18: Mô hình phá hoại do đứt liên kết giữa bê tông và FRP
Trang 11Hình 19: Mô hình phá hoại do đứt tấm FRP
6 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRÊN SÀN [4]
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường, ở phần này trình bày kết quả thí nghiệm của bản bê tông cốt thép chịu uốn Các bản này có kích thước làm việc là B x L x H= 60cm x 100cm x 6cm, được chế tạo bởi bê tông mác #200, cốt thép có cường độ chảy là 340 MPa (hình 3) Bản B01 không gia cường, các bản còn lại B02, B03 và B04 được gia cường bằng tấm cốt sợi từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và độ dãn dài cực hạn 2,0% Keo dính được sử dụng có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0% Trong trường hợp chịu uốn, keo dính có cường độ là 123,4 MPa và mô đun đàn hồi là 3,12 GPa Các quan hệ chuyển vị tại giữa tấm và tải trọng của các bản này được thể hiện trên hình
Ở đây, bản B01 với chỉ cốt thép thường thể hiện môt miền chảy dẻo rất lớn và có chuyển
vị ở trạng thái tới hạn là 38mm Ở trạng thái này, bản có tỷ lệ chuyển vị tương đối so với chiều dài nhịp uốn là 3,8% Tải trọng lớn nhất mà bản B01 chịu được là khoảng 17 kN Ngược lại, các bản B02, B03 và B04 gần như không có miền chảy dẻo do bị phá hoại đột ngột bởi sự bong bật của lớp gia cường Các đường cong quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng có cùng một dạng và giá trị tải trọng tới hạn cũng như chuyển vị tới hạn tương đối gần nhau Ở đây, giá trị trung bình của tải trọng tới hạn là xấp xỉ 50 kN, của chuyển vị là 11mm Như vậy ở thử nghiệm này, kết cấu bản được gia cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ bằng ba lần so với kết cấu không gia cường (300%)
Hình 20: Cấu tạo và kích thước sàn trong thí nghiệm
Trang 12Hình 22: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa tấm sàn Hình 21: Hình ảnh thí nghiệm sàn ở trạng thái phá hoại
Trang 137 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRÊN DẦM [5]
Tiến hành thí nghiệm trên 6 dầm bê tông cốt thép được gia cường với các mức độ khác nhau Các thông số của chương trình thí nghiệm được trình bày trong bảng 2
Bảng 2: Các thông số của chương trình thí nghiệm Dầm
số
Mặt cắt
(cm2) Cốt dọc Cốt đai tông bảo vệBề dày bê Kiểu gia cường Số lớp gia cường
Sức kháng uốn của dầm bê tông được gia cường bằng tấm composite được nghiên cứu với mẫu thí nghiệm dầm có mặt cắt hình chữ nhật kích thước 150mm x 250mm và chiều dài nhịp uốn là 3,0m Tất cả các dầm được chế tạo cùng một loại công thức bê tông Cường độ nén trung bình mẫu bê tông hình trụ là khoảng 37 N/mm2 Dầm đầu tiên không sử dụng bản gia cường composite và được dùng để làm dầm đối chứng cho các dầm khác Tất cả các dầm đều
sử dụng cùng một loại cốt thép có cường độ 290 MPa Đường kính của thép dọc chủ là 14mm,
và của thép đai là 6mm Cốt đai được bố trí dày hơn ở 1/3 dầm với bước đai 120mm, ở giữa dầm với bước đai là 200mm Bề dày lớp bê tông bảo vệ là 20mm Việc mô tả kích thước của dầm cũng như việc bố trí cốt thép và các điểm đo được thể hiện trên hình 23
Các tấm gia cường composite được lấy từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại SEH-25A có
bề dày 0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và độ dãn dài cực hạn 2,0% Keo dính được sử dụng có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0% Trong trường hợp chịu uốn, keo dính có cường độ là 123,4 MPa và
mô đun đàn hồi là 3,12 GPa
Trang 14Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị tại giữa dầm và tải trọng của các dầm được tổng hợp trong hình 24 Dầm D01 (không được gia cường) có miền chảy dẻo lớn ở mức tải khoảng 50
kN Biến dạng của dầm tăng nhanh chóng sau khi gia tải ở mức này vì cốt thép miền chịu kéo
đã bị chảy dẻo Với các dầm được gia cường, tải trọng tới hạn được gia tăng lên rất nhiều và trong trường hợp gia cường ở mức cao như 4 hoặc 5 lớp vật liệu composite (tương ứng với dầm D05 và D06) thì sức chịu tải đạt khoảng 200% so với dầm không gia cường So với dầm D05, việc thêm một lớp gia cường của dầm D06 không làm cải thiện được nhiều sức chịu tải của dầm, vì bê tông dầm đã đạt đến trạng thái phá hủy
Các dầm D02 và D03 có miền chảy dẻo ít vì các dầm này bị phá huỷ do sự bong bật của tấm gia cường phía đầu dầm Ở dầm được gia cường 3,4 và 5 lớp vật liệu composite có miền dẻo lớn hơn và có dạng gần với dầm bê tông cốt thép thường không được gia cường Quan sát
từ thí nghiệm cho thấy, các dầm này bị phá huỷ do mô men uốn lớn ở giữa dầm
Hình 24: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm
Hình 25: Sự gia tăng sức chịu tải dầm với các mức độ gia cường khác nhau
