Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tải trọng lên kết cấu bê tông được tăng cường bằng vật liệu tổng hợp composite theo phương pháp dán trên bề mặt ngoài

TRẦN VĂN THUYẾT NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG LÊN KẾT CẤU BÊ TÔNG ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP COMPOSITE THEO PHƯƠNG PHÁP DÁN TRÊN BỀ MẶT NGOÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ T

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KS TRẦN VĂN THUYẾT

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG LÊN KẾT CẤU BÊ TÔNG ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP COMPOSITE THEO PHƯƠNG PHÁP DÁN TRÊN BỀ MẶT NGOÀI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

- -

KS TRẦN VĂN THUYẾT

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG LÊN KẾT CẤU BÊ TÔNG ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP COMPOSITE THEO PHƯƠNG PHÁP DÁN TRÊN BỀ MẶT NGOÀI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY; MÃ SỐ:60580202 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phan Anh

HẢI PHÒNG - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Phan Anh Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn

là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều có cơ

sở khoa học và đã được chỉ rõ nguồn gốc

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Văn Thuyết

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc tới:

Ban Giám hiệu, Khoa công trình, Viện đào tạo sau đại học và các thầy

cô giáo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã giảng dạy nhiệt tình, tạo điều kiện để tôi hoàn thành chương trình đào tạo, nâng cao kiến thức cơ bản cũng như kiến thức chuyên ngành và hoàn thành luận văn

TS Nguyễn Phan Anh đã tận tình hướng dẫn để luận văn được hoàn thành theo đúng các yêu cầu của đề tài

Các đồng nghiệp, bạn bè và người thân trong gia đình đã giúp đỡ động viên trong suốt thời gian học tập và làm luận văn

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Văn Thuyết

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vẽ vi

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan về các biện pháp tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông bằng vật liệu tổng hợp composite (FRP) 4

1.1 Khái niệm về vật liệu tổng hợp composites (FRP) 4

1.2 Các phương pháp điển hình ứng dụng vật liệu FRP 7

1.2.1 Giới thiệu chung 7

1.2.2 Tăng cường kết cấu bằng phương pháp dán ngoài bề mặt bằng vật liệu FRP … 11

1.2.3 Biện pháp liên kết gần bề mặt (NSM) bằng tấm FRP 17

Chương 2 Những mô hình phá hủy và nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán…21 2.1 Những mô hình phá hủy của kết cấu bê tông được tăng cường bởi tấm FRP dán ngoài bề mặt 21

2.1.1.Mô hình phá hoại do lực uốn và căt 21

2.1.2 Mô hình phá hoại trong kết cấu bê tông gần với mặt liên kết 22

2.1.3 Mô hình phá hoại tại mặt dính bám 22

2.1.4 Mô hình phá hủy liên kết do xuất hiện vết nứt trong dầm 22

2.1.5 Mô hình phá hoại do giàn trong tấm FRP dán 23

2.1.6 Mô hình phá hoại kết hợp 24

2.1.7 Mô hình phá hoại do tác động ngoài 24

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán 24

2.2.1 Giới thiệu chung 25

2.2.2 Phân tích toán học 25

Chương 3 Tính toán kết cấu bê tông được tăng cường bằng phương pháp dán ngoài bởi tấm FRP dưới tác dụng của tải trọng ngoài 39

3.1 Đề xuất ví dụ tính toán 39

3.1.1 Tính toán theo lý thuyết 39

3.1.2 Tính toán theo phần mềm ABAQUS/CAE 40

3.2 Kết quả tính toán 47

3.2.1 Ứng suất trong toàn bộ liên kết 47

3.2.2 Ứng suất trong phần kết cấu bê tông 48

3.2.3 Xác định nội lực trong lớp keo kết dính epoxy 51

3.2.4 Tấm dán tăng cường CFRP 54

3.3 Kết luận chung……… 57

Kết luận và kiến nghị 58

Tài liệu tham khảo 60

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Một số đặc trưng cơ lý điển hỉnh của sợi thủy tinh 6

Tăng cường kết cấu đáy dầm sàn bằng dán bản thép (sử

dụng đồng thời cả keo dán và bu lông) tại Theillout, Pháp

năm 1990

8

1.5 Vết gỉ bản thép dán tăng cường tại mặt bên của dầm cầu

1.6 Vết gỉ ở các bản thép dán phía đầu dầm tại Chiêm Hóa,

1.7 Hiện trạng bản thép dán gia cường tại đáy kết cấu nhịp cầu

1.10 Công tác chuẩn bị bề mặt bê tông cho phương pháp thi

1.17 Hai loại cơ bản của liên kết kiểu NSM FRP 18

2.1 Mô hình phá hoại liên kết do mô men uốn và lực cắt 21

3.4 Phân tích ứng suất trong riêng phần kết cấu bê tông 48

3.5 Biểu đồ chuyển vị (U1) trong kết cấu bê tông 49

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta nằm trọn trong khu vực nhiệt đới ẩm và được phân bố thành 3 vùng khí hậu riêng biệt theo vùng miền Với khí hậu không thuận lợi như vậy

mà nước ta lại có một hệ thống các công trình cầu cũ đặc biệt trên tuyến đường sắt Bắc – Nam khá lớn được xây dựng chủ yếu từ thời Pháp và Mỹ Hệ thống cầu cũ đó đã phải trải qua nhiều cuộc chiến tranh cùng với sự hư hỏng ảnh hưởng theo thời gian do tác động của môi trường Hiện nay trên cả nước

có tới hàng trăm cây cầu BTCT, cầu thép như vậy đang cần duy tu sửa chữa hoặc thay thế xây dựng mới ngay Nhưng do điều kiện kinh tế trong nước còn hạn chế, nước ta không thể tập trung nguồn lực để xây mới các cây cầu nên biện pháp tăng cường, sửa chữa các cầu yếu để duy trì sự làm việc thêm một khoảng thời gian nữa luôn là biện pháp được ưu tiên hàng đầu

Hiện nay có đa dạng các biện pháp tăng cường sửa chữa gia cố cầu đã được áp dụng trong và ngoài nước tùy thuộc vào tình trạng thực tế của từng công trình cầu và của từng địa phương Gần đây, một trong những số ít biện pháp đã và đang được áp dụng thành công ở một số cây cầu ở Việt Nam là

“tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bằng biện pháp dán thêm bản FRPs (fiber reinfoced polymers) lên bề mặt của kết cấu thông qua chất dính bám là keo epoxy

Việc ứng dụng vật liệu FRP vào các công trình xây dựng được bắt đầu trên thể giới từ thập niên 80 của thế kỷ trước Nhiều dự án [1,2,] đã được xây dựng trên thế giới đã chứng minh được sự cần thiết phải ứng dụng vật liệu này vào thi công các công trình sử dụng kết cấu bê tông Công tác tăng cường cho những thành phần cơ bản trong công trình như dầm, cột, sàn, tường, mố

và trụ đã đem lại hiệu quả rất cao Những hiệu quả đó được thể hiện ở việc tăng cường khả năng của kết cấu ở những điểm sau:

- Chịu uốn, cắt và chịu tải trọng trục;

- Chịu tải trọng động đất;

- Giảm sự ăn mòn bởi môi trường;

- Tăng tuổi thọ mỏi;

- Giảm biến dạng của công trình dươi tác dụng của tải trọng thiết kế

và tải trọng khai thác [3];

Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu TCN272-05 hiện hành của nước ta mới chỉ nhắc đến biện pháp dán bản thép lên bề mặt của kết cấu để tăng cường nhưng dưới dạng giới thiệu, tính toán thiết kế và thi công chưa hoàn thiện, vẫn cần phải nghiên cứu bổ sung thêm, chứ chưa đề cập đến biện pháp sử dụng vật liệu FRPs hay vật liệu tổng hợp composites này

Do vậy, đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tải trọng lên kết cấu

bê tông được tăng cường bằng vật liệu tổng hợp composite theo phương pháp dán trên bề mặt ngoài” là một trong những đề tài thiết thực, có ý nghĩa

thực tiễn cao, có thể căn cứ vào đó để làm cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng rộng rãi phương pháp này ở nước ta

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp tăng cường kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép bằng việc sử dụng vật liệu FRP;

- Nghiên cứu các mô hình phá hủy kết cấu khi sử dụng vật liệu FRP dán ngoài mặt kết cấu;

- Ứng dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng xác định nội lực của một ví dụ tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông bằng phương pháp dán trên bề mặt kết cấu tấm FRP

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bê tông được tăng cường bằng vật liệu FRP theo phương pháp dán trên bề mặt

Phạm vi nghiên cứu: mô hình phá hủy của loại kết cấu này, sử dụng phần mềm ABAQUS để xác định nội lực trong kết cấu thông qua một ví dụ

sử dụng kết cấu bê tông chịu tải trọng ngoài được tăng cường bởi tấm FRP bằng biện pháp dán ngoài bề mặt

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu: thu thập tất cả các tài liệu đã có nghiên cứu về nội dung, đối tượng nghiên cứu của phương pháp tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông bằng tấm FRP thông qua biện pháp dán ngoài bề mặt và ưu nhược điểm của nó;

- Phương pháp nghiên cứu mô hình phá hủy của kết cấu;

- Phương pháp tính toán thông qua phần mềm mô phỏng ABAQUS để xác định nội lực của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng ngoài

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ lý thuyết tính toán và cách ứng dụng phần mềm ABAQUS để tính toán;

- Kết quả nghiên cứu là cơ sở để mở rộng phạm vi ứng dụng phương pháp này ở Việt Nam

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG BẰNG VẬT LIỆU TỔNG

HỢP COMPOSITE (FRP) 1.1 Khái niệm về vật liệu tổng hợp composites (FRP)

Hai thành phần cấu tạo cơ bản của vật liệu FRP là các sợi (fiber) và lưới tổng hợp (matrix polymer) Thông thưởng các sợi này là sợi thủy tinh (glass), sợi carbon và sợi aramid được tương ứng với những loại CFRP, AFRP và GFRP

Hình 1.1: Cấu tạo của FRP

Các đặc trưng cơ lý của FRP được thể hiện như sau:

Hình 1.3: Cường độ chịu kéo của FRP[5,6]

Bẳng 1.1 đến 1.3 thể hiện các đặc trưng cơ lý của các loại vật liệu FRP

Bảng 1.1: Một số đặc trưng cơ lý điển hình của sợi thủy tinh

Loại sợi

thủy tinh

Moduyn đàn hồi (GPa)

Khối lượng riêng (kg/cm 3 )

Bảng 1.2: Một số đặc trưng cơ lý điển hình của sợi aramid

Loại sợi aramid

Moduyn đàn hồi (GPa)

Khối lượng riêng (kg/cm3)

Độ dãn dài

Cường độ chịu kéo (MPa))

Bản 1.3: Một số đặc trưng cơ lý điển hình của sợi carbon

Loại

Moduyn đàn hồi (GPa)

Cường độ chịu kéo (GPa)

Nơi sản xuất

Đơn giá trên 1 pound Standard modulus (<265 GPa)

dụng Moduyn đoàn hồi và cường độ chịu kéo của của epoxies tương ứng là 3.3 GPA và 75 MPa

1.2 Các phương pháp điển hình ứng dụng vật liệu FRP

1.2.1 Giới thiệu chung

Để tăng cường khả năng chịu lực của các kết cấu bê tông hiện hữu có một số phương pháp truyền thống được sử dụng như: dán ngoài bề mặt của kết cấu bê tông bằng bản thép [2]; bọc phủ bên ngoài bằng thép hoặc một kết cấu bê tông cốt thép khác (như tăng cường kết cấu móng cọc của cầu Long Biên, Hà Nội); gần đây sử dụng thêm phương pháp tăng cường ngoài bằng kết cấu dự ứng lực để tăng cường khả năng làm việc của kết cấu, giảm những sai sót trong khâu thiết kế hoặc tăng khả năng chịu lực của kết cấu Những biện pháp này tương đối hạn chế bởi giá thành cao, cần huy động các thiệt bị thi công lớn và quan trọng là không kéo dài được nhiều tuổi thọ cho công trình Bên cạnh đó, biện pháp sử dụng kết cấu thép để tăng cường luôn hạn chế bởi

sự ăn mòn bởi môi trường Hơn nữa, những kỹ thuật thi công này chỉ hạn chế được việc phát triển vết nứt hay sự ăn mòn bề mặt bê tông trong một thời gian ngắn mà không tăng cường thêm được khả năng chịu lực của toàn bộ kết cấu trong nhiều trường hợp cụ thể như tăng cường khả năng chịu lực của dầm và cột bê tông hoặc bê tông cốt thép

Ở trong và ngoài nước đã có một số dự án tăng cường sửa chữa công trình bằng phương pháp truyền thống dán bản thép này như:

Hình 1.4: Tăng cường kết cấu đáy dầm sàn bằng dán bản thép (sử dụng đồng

thời cả keo dán và bu lông) tại Theillout, Pháp năm 1990

Ứng dựng công nghệ tại cầu Bà Rèn Km957+637, Quốc lộ 1A, Quảng Nam, toàn cầu gồm 14 nhịp giản đơn bằng BTCT thường đổ tại chỗ, bản và dầm toàn khối Nhịp dài 18.2m, cầu dài 255.5m, được thi công từ năm 1967-

1970 Sau một thời gian dài đưa vào khai thác và sử dụng cầu đã xuất hiện các vết nứt khá lớn từ 0.8-1.5mm trên hầu hết hệ dầm và bản mặt cầu Năm 1993, cầu đã được phép tiến hành gia cố và sửa chữa bằng phương pháp dán bản thép [2]

Hình 1.5: Vết gỉ bản thép dán tăng cường tại mặt bên của dầm cầu và dưới đáy

một số sự cố xảy ra, cầu đã được tiến hành gia cường bằng phương pháp dán bản thép để tăng khả năng khai thác của cầu

Cầu đường sắt tại Km 983+900 tại Đức Phổ, Quảng Ngãi Cầu gồm 2 nhịp dầm BTCT thường mặt cắt chữ T, đúc bê tông tại chỗ từ khoảng năm

Hình 1.8: Thử tải chất lượng của cầu sau khi dán bản thép

Vật liệu FRP có những ưu điểm nội bật như trọng lượng nhẹ và khả năng chống chịu ăn mòn rất cao Quá trình thi công FRP đơn giản và không cần huy động nhiều thiết bị nặng Nhưng do giá thành của vật liệu FRP cao, nên khi áp dụng cần phải tính toán cân nhắc giữa biện pháp kéo dài thời gian tuổi thọ của kết cấu hoặc thay thế bằng kết cấu mới

1.2.2 Tăng cường kết cấu bằng phương pháp dán ngoài bề mặt bằng vật liệu FRP

Để tăng cường khẳ năng chịu lực kết cấu sẵn có, biện pháp thường được cân nhắc là dán bên ngoài bề mặt kết cấu đó bằng vật liệu FRP FRP ở đây có thể dùng ở dạng tấm (sheet), vải (fabric) và được liên kết với bề mặt của kết cấu bê tông thông qua lớp kéo dán epoxy theo hai phương pháp là dán khô và dán ướt

 Thi công dán theo phương pháp khô bao gồm những bước sau:

- Bước 1: chuẩn bị xử lý kỹ bề mặt bê tông trước khi gia cố lắp đặt tấm FRP Sự làm việc của hệ thống tăng cường này phụ thuộc vào chất lượng

và khả năng chịu lực của bề mặt bê tông đủ để cho hoạt động của liên kết dán

của tấm FRP và bê tông dưới tác dụng của tải trọng ngoài được đảm bảo Các vết nứt, cốt thép bị và các mảnh vụn sứt mẻ phải được xử lý triệt đổ Các sứt

mẻ và các loại hư hỏng khác cần phải được loại bỏ và được bù đắp lại bằng các loại vữa sửa chữa có đặc trương cơ lý phù hợp Mọi vết nứt có bề rộng lớn hơn 0,25 mm cần phải xử lý bằng cách bơm kep epoxy để sửa chữa

- Bước 2: dùng cọ lăn ngắn hoặc trung bình để sơn lót toàn bộ phần bề mặt kết cấu cần gia cố

- Bước 3: sử dụng các bay cầm tay để phủ bột trét làm phẳng bề mặt kết cấu cần xử lý Bột trét được sử dụng để bịt tất cả các khuyết tật và làm phẳng bề mặt của kết cấu; việc bao phủ chỉ cần thiết cho những phần bề mặt cần xử lý chứ không cần xử lý trên toàn bộ bề mặt Bề mặt son lót không cần quan trọng đang là trạng thái khô hay ướt, bột trét đều có thể được sử dụng ngay

- Bước 4: Sử dụng một lượng keo phù hợp với từng loại FRP sử dụng dán Tiến hành phủ lớp keo thứ nhất, keo được quét lên bề mặt đã được sơn lót và được tạo phẳng bởi cọ lăn

- Bước 5: Kích thước tấm FRP cần phải được tính toán thiết kế trước và tiến hành đo và cắt sẵn trước khi đặt lên bề mặt cần gia

cố Tấm FRP được đặt lên bề mặt bê tông và ấn nhẹ nhàng vào lớp keo dán Trước khi lột lớp giấy dán mặt sau, dùng con lăn bằng cao su lăn theo hướng sợi cho keo dễ dàng ngậm vào các sợi riêng rẽ Cọ lăn không bao giờ được lăn theo hướng vuông góc với hướng sợi để tránh sợi có thể bị hỏng

- Bước 6: phủ lớp keo thứ hai, sẽ được phủ lên sau 30 phút kể từ khi đặt và lăn tấm FRPs Vào lúc này lớp keo đầu tiên đã bị hút hết vào tấm FRPs

 Thi công dán tấm FRPs theo kiểu dán ướt thì về trình tự tương đối giống với phương pháp dán khô, chỉ có sự khác biệt trong bước thoa keo nhúng nhựa tấm FRPs

Hình 1.9: Trình tự thi công theo phương pháp dán ướt

Ta chỉ sử dụng tấm vải FRPs dạng khô chưa tẩm nhựa Tấm FRPs khô

sẽ được thấm đẫm nhựa đến khi bão hòa và được dán lên bề mặt bê tông đã được xử lý kỹ

Ưu điểm của phương pháp dán ướt là có thể sử dụng cho cấu kiện có kích thước lớn như cột trụ có đường kính lớn, mặt đáy sàn, dán mặt dầm Liên kết giữa lớp FRPs với bề mặt bê tông cũng như liên kết giữa các tấm FRP được đảm bảo hơn, sẽ ít có trường hợp bị phá hoại liên kết Tuy

nhiên, khi dùng phương pháp dán ướt, một lượng keo dán tương đối lớn sẽ được sử dụng nên thời gian đợi cho tấm FRP khô keo sẽ lâu, làm cho thời gian thi công kéo dài hơn

Hình 1.10: Công tác chuẩn bị bề mặt bê tông cho phương pháp thi công dán

ướt

Trong cả hai phương pháp này (trừ trường hợp dàn bọc bên ngoài bề mặt cột), thì khả năng chịu lực cao của tấm FRPs sẽ luôn tham gia vào hoạt động của kết cấu bê tông Những phương pháp này sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu cắt và uốn của dầm

Hình 1.11: Dán tấm FRP

Hình 1.12: Dùng cọ lăn xử lý liên kết

Hình 1.13: Hoàn thành liên kết

Từ hình 1.14 - 1.16 mô tả phương pháp dán khô [7]

Hình 1.14: Dán tấm FRP

Hình 1.15: Bước phủ lớp keo thứ hai

Hình 1.16: Hoàn thiện liên kết

1.2.3 Biện pháp liên kết gần bề mặt (NSM) bằng tấm FRP

Để tránh hiện tượng bong, tuột liên kết dán tấm FRP trên bề mặt kết cấu bê tông [8,9], trong 5 năm gần đây, hệ thống tăng cường khả năng chịu

lực của kết cấu bê tông bằng phương pháp dán gần bề mặt (near surface mounted – NSM) đã được nghiên cứu nhiều và bắt đầu đưa vào ứng dụng mặc

dù vẫn còn rất hạn chế Trong hệ thống này, thay cho việc dán trực tiếp tấm FRP lên bề mặt bê tông, họ sẽ tiến hành cắt tạo khe rãnh trên bề mặt bê tông với độ sâu khe rãnh bằng chính bề rộng của bản FRP Phương pháp NSM FRP này có hai loại điển hình là: dạng thanh FRP và dạng dải FRP như hình 1.17

Hình 1.17: Hai loại cơ bản của liên kết kiểu NSM FRP

Có đa dạng các loại FRP dạng thanh và dạng dải được sử dụng trong hệ thống NSM như mô tả trong hình 1.18

Dạng thanh FRP thông thường có tiết diện tròn, trừ một số trường hợp

có dạng vuông hoặc chữ nhật Dạng thanh FRP này làm việc giống như thanh cốt thép gai

Phương pháp dán gần bề mặt NSM FRP có nhiều ưu điểm hơn phương pháp dán trực tiếp trên bề mặt của kết cấu bê tông như:

- Tăng diện tích dán

- Tăng cường khả năng phá hoại dòn

- Giảm phá hoại do tuột liên liên bởi trong phương pháp này, tấm FRP được dán trên cả hai mặt

- Bảo vệ tấm FRP khỏi những tác động trực tiếp lên bề mặt bởi tải trọng ngoài

- Giảm diện tích liên kết trên bề mặt của bê tông

Hình 1.19: So sánh về diện tích bề mặt dán

Epoxy

TÊm CFRP

Hình 1.20: Trình tự thi công theo phương pháp NSM FRP

Concrete crushing

Shear crack

Chương 2

NHỮNG MÔ HÌNH PHÁ HỦY VÀ NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ

THUYẾT TÍNH TOÁN 2.1 Những mô hình phá hủy của kết cấu bê tông được tăng cường bởi tấm FRP dán ngoài bề mặt

Trong quá trình chịu lực đồng thời, sự liên kết giữa kết cấu bê tông và tấm FTP được tăng cường sẽ xảy ra phá hoại theo thời gian và do tác động ngoài Sự phá hoại này chủ yếu liên quan tới mômen uốn, lực cắt tại các mặt cắt chịu lực nguy hiểm hoặc xảy ra phá hoài giòn của tấm FRP

2.1.1 Mô hình phá hoại do lực uốn và cắt

Hình 2.1: Mô hình phá hoại liên kết do mô men uốn và lực cắt

Nguyên nhân phá hoại do mô men uốn: Khi lực truyền qua kết cấu xuống tấm FRP dán, lúc này tấm FRP bị giãn ra, lực đạt tới một giá trị nhất định sẽ làm tấm FRP bị giãn, các vết nứt ở thớ dưới kết cấu bắt đầu xuất hiện Khi tăng tiếp tải trọng lên, các vết nứt phía trên dầm xuất hiện là do tải trọng tác dụng lên dầm vượt quá cường độ chịu nén của bê tông, gây ra hiện tượng nứt vỡ cục bộ cho bê tông [3]

Nguyên nhân phá hoại do cắt: khi tấm FRP dán lên bề mặt và kết cấu

bê tông cùng làm việc đồng nhất Vùng liên kết chặt chẽ giữa tấm FRP và kết

Vùng bê tông

bị nén

Vết nứt do cắt

cấu không bị phá hoại, tuy nhiên do lực cắt tại vị trí đầu dầm lớn làm cho bản thân kết cấu tự nứt vỡ dẫn đến hiện tượng vết nứt kéo dài trên kết cấu gây phá hoại

2.1.2 Mô hình phá hoại trong kết cấu bê tông gần với mặt liên kết

Hình 2.2: Mô hình phá hoại trong lớp bê tông thớ dưới

Nguyên nhân phá hoại: khi hết cấu khi chịu tải trọng tác dụng sẽ căng thớ dưới làm giãn tấm FRP Sự liên kết chặt chẽ giữa tấm FRP và kết cấu bê tông làm cho khi vật liệu bị giãn sẽ bóc tách 1 phần bê tông ra khỏi kết cấu gây nên sự phá hoại

2.1.3 Mô hình phá hoại tại mặt dính bám

Nguyên nhân là do lực tác dụng lên kết cấu làm căng thớ dưới kết cấu

và đồng thời làm giãn tấm FRP Sự liên kết chặt chẽ giữa tấm FRP và kết cấu

bê tông là khá chắc chắn và ổn định Do vậy, sự phá hoại này có thể kết luận

là chất lượng thi công lớp dính bám không đạt yêu cầu

Hình 2.3: Mô hình phá hủy tại bề mặt liên kết

2.1.4 Mô hình phá hủy liên kết do xuất hiện vết nứt trong dầm

High-stress zone

Crack propagation

Vùng ứng suất cao

High-stress zone

Crack propagationVùng chịu nén cao

FRP rupture

Trong kết cấu tăng cường xuất hiện các vết nứt xiên hoặc đứng do lực cắt hay uốn vượt quá giới hạn cho phép, vết nứt này sẽ lan truyền dọc theo mặt phẳng liên kết giữa kết cấu bê tông và tấm FRP tiến về phía đầu tự do Hiện tượng này sẽ làm cho tấm FRP bị bong ra khỏi mặt phẳng liên kết

Hình 2.4: Phá hoại liên kết do sự lan truyền vết nứt

2.1.5 Mô hình phá hoại do giòn trong tấm FRP dán

Hình 2.5: Mô hình phá hoại giòn

Nguyên nhân phá hoại: do tải trọng tác dụng vào kết cấu tăng cường theo thời gian làm giãn tấm FRP Tấm FRP bị dão ra, kèm theo xuất hiện các vết nứt trên bề mặt thớ bị giãn của bê tông do bê tông có khả năng chịu kéo

Crack propagation

High-stress zone

crack

Vết nứt xiên

Sự lan truyền vết nứt Vùng ứng suất cao

crack High-stress

kém, khi này tấm FRP tiếp tục đóng vai trò như một cốt thép tăng cường ngoài Sự đứt gãy tấm FRP xảy ra do tấm FRP này chịu lực cắt quá khả năng cho phép

2.1.6 Mô hình phá hoại kết hợp

Trong một vài nghiên cứu cũng như trong thực tế, liên kết tăng cường cho kết cấu bằng dán tấm FRP không chỉ bị phá hoại bởi đơn lẻ các mô hình trên, mà đôi khi nó còn bị phá hoại bởi tổng hợp tất cả các yếu tố trên

Hình 2.6: Mô hình phá hoại kết hợp

2.1.7 Mô hình phá hoại do tác động ngoài

Trong thực tế, tấm FRP được bọc, phủ hay dán bên ngoài bề mặt của kết cấu bê tông thông qua keo dán Một trong những nhược điểm khi sử dụng vật liệu FRP là FRP chịu nhiệt kém và những va đập trực tiếp lên bề mặt ngoài của tấm FRP làm bị rách làm cho tấm FRP không làm việc trong trạng thái bình thường được nữa Do vậy, cần tránh sử dụng tấm FRP trong những môi trường có nhiệt độ ngoài cao và thường xuyên chịu va đập trực tiếp như bọc dán bên ngoài trụ cầu cạn hoặc cột tường những công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp

CDC crack

propagation

direction

Critical diagonal crack