Nghiên cứu gia cường bản bê tông cốt thép bằng tấm FRP dính bám ngoài

Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu công trình sàn BTCT được ứng dụng thực tế ở nước ta như: Phương pháp mở rộng thêm tiết diện, dùng bản thép gia cường dán bản thép, dùng c

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Phương Hoa

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Phi Lân

Phản biện 2: TS Đặng Việt Dũng

Luận văn Đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện khoa Xây dựng Cầu đường trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tên đề tài

Nghiên cứu gia cường bản bê tông cốt thép bằng tấm Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) dính bám ngoài

2 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu sàn BTCT được sử dụng khá nhiều trong các công trình nhà cửa và hạ tầng kỹ thuật xây dựng khác Sau một thời gian khai thác do sự suy thoái của vật liệu bê tông và cốt thép làm giảm khả năng chịu lực của sàn BTCT nên cần thiết phải gia cường để đảm bảo khả năng chịu tải theo thiết kế Một số hệ sàn BTCT do sự gia tăng về yêu cầu tải trọng tác dụng lên sàn nên cũng cần thiết phải gia cường

Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu công trình sàn BTCT được ứng dụng thực tế ở nước ta như: Phương pháp

mở rộng thêm tiết diện, dùng bản thép gia cường (dán bản thép), dùng cáp dự ứng lực căng ngoài, sử dụng loại vật liệu composite sợi cường độ cao FRP (Fiber-Reinforced Polymer)

So sánh với các phương pháp gia cường truyền thống, phương pháp sử dụng tấm composite dính bám ngoài để gia cường sàn BTCT có nhiều ưu điểm như: Thi công nhanh chóng; tấm compostite vừa tăng cường khả năng chịu lực của sàn vừa bảo vệ BTCT; không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, không dừng hoạt động khi thi công, cách điện, chịu nhiệt tốt

Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu compostite gia cường sàn BTCT tại Việt Nam đang mới bắt đầu nên cần được tiếp tục nghiên cứu về cả phương diện lý thuyết và thực nghiệm

Trong giới hạn luận văn thạc sỹ ứng dụng học viên chọn đề

tài nghiên cứu Nghiên c u gia cường bản BTCT b ng tấm CFRP

dính b m ngoài là có tính thời sự và ứng dụng

3 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu ứng xử của sàn BTCT được gia cường bằng tấm sợi carbon (CFRP) dính bám ngoài trên mô hình phần tử hữu hạn và kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm thông qua thử tải sàn chịu uốn

4 Đối tượng và phạm vi nghiên c u

Đối tựơng nghiên c u: Sàn BTCT được gia cường bằng tấm CFRP dính bám ngoài

Phạm vi nghiên c u: Sàn BTCT nhà dân dụng gia cường

bằng tấm CFRP

5 Phương ph p nghiên c u

Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

6 Cấu trúc luận văn

BẰNG VẬT LIỆU CFRP 1.1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU CỐT SỢI POLYMER

Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới

có tính năng ưu việt bền hơn hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu Compostie bao gồm có vật liệu nền và cốt, vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có

tính nguyên khối, liên tục nhằm đảm bảo cho Compostie có được các đặc tính cơ học cần thiết làm việc hài hòa với nhau

1.1.1 Lịch sử hình thành và lợi ích sử dụng vật liệu Composite

Vật liệu Compostie đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu Compostie vào cuộc sống (ví dụ: Sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm)

Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của vật liệu Compostie có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong những ứng dụng hiệu quả nhất đó là Compostie Polymer, đây là vật liệu có tính ưu việt và áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt

có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất

1.1.2 C c lĩnh vực ng dụng của vật liệu Composite

Torayca® là sản phẩm vật liệu sợi carbon của tập đoàn Toray, trong đó bao gồm nhiều sản phẩm đáp ứng các nhu cầu đa dạng trong tăng cường, sửa chữa kết cấu như tấm sợi carbon 1 hướng, tấm sợi carbon đa hướng, sợi carbon cường độ cao, sợi carbon môđun đàn hồi cao,…

Kết hợp với hệ thống keo epoxy Toray ACE’s Resin System, sản phẩm sợi carbon Torayca® được ứng dụng trong các lĩnh vực

sau:

Tăng khả năng chịu tải của các bộ phận kết cấu của công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, công trình cầu, công trình thuỷ lợi…

Cải thiện khả năng chống động đất của các bộ phận kết cấu như cột, khối xây vữa không có cốt thép…

1.2.VẬT LIỆU FRP

FRP có tên tiếng Anh là Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramid Các sản phẩm FRP tương ứng với các loại sợi sử dụng tạo thành là: CFRP, GFRP, AFRP [8]

Vật liệu FRP có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn Trong sửa chữa và tăng cường kết cấu thường dùng dạng tấm và dạng vải

So với các vật liệu bê tông và cốt thép, vật liệu FRP có nhiều

ưu điểm hơn nên vật liệu FRP được sử dụng rộng rải trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đông Nam Á Dưới đây là một số ưu điểm chính của vật liệu FRP

+ Cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi rất cao và trọng lượng nhỏ;

+ Khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với các chất xâm thực;

+ Độ bền rất cao;

+ Cách điện, chịu nhiệt tốt;

+ Chịu mỏi cao;

+ Thi công đơn giản ít tốn nhân công, không cần máy móc hiện đại;

+ Không cần bão dưỡng chống rỉ trong quá trình khai thác;

1.2.1.Cốt sợi

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường được sử dụng là sợi Cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid Dưới đây là đặc điểm của từng loại cốt sợi

C, sợi được xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi các bon

b Sợi aramid

Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi thủy tinh Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt Về mặt sản xuất, được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm Sợi aramid có mô đuyn đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ Sợi aramid nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% và 20% đối với sợi thủy tinh Sợi aramid có 3 loại chính là Kevlar R

49, Kevlar R29, Kevlar R

c Sợi thủy tinh

Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi cacbon và sợi aramid Sợi thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh Sợi thủy tinh có mô đuyn đàn hồi và trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả năng chống cháy ở nhiệt độ lên đến

4000C Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, C-glass, AR-glass

+ Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;

+ Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường

+ Kết dính các sợi với nhau;

+ Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP;

+ Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi

Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là viny lester, epoxy, polyethylen

Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composit

Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn

Viny lester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester Ưu điểm của Viny lester là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao Viny lester có giá thành cao

Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny lester

1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC VẬT LIỆU FRP

Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền

Hiện nay sợi cacbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy được sử dụng rộng rãi Sợi cacbon và sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại Sợi aramid độ bền thấp, trong môi trường nhiệt độ cao thì làm việc kém Trong khi đó sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây

+ Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP;

+ Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

1.4 ĐỘ BỀN VẬT LIỆU FRP

Độ bền là một trong những vấn đề quan trọng khi một loại vật liệu mới được sử dụng trên một kết cấu hiện hành Vì việc sử dụng vật liệu FRP cho các công trình xây dựng là mới mẻ do đó cần phải có những hiểu biết về các ứng xử của vật liệu FRP Các nghiên cứu gần đây cho thấy, độ bền của vật liệu FRP phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của môi trường (môi trường kiềm, độ ẩm, nhiệt độ cao); ảnh hưởng các yếu tố theo thời gian (từ biến, tải trọng mỏi)

1.4.1 T c động của môi trường

a Môi trường kiềm (Alkaline)

Nước tồn tại trong các lỗ rỗng của bê tông, môi trường kiềm

có thể gây ra sự xuống cấp của nhựa (resin) và phá hoại bề mặt tiếp xúc giữa tấm FRP và kết cấu được gia cường

b Ảnh hưởng của độ ẩm

Ảnh hưởng chính của độ ẩm liên quan đến sự hấp thụ của chất nhựa Resin Sự hấp thu độ ẩm của vật liệu FRP phụ thuộc vào từng loại nhựa, thành phần tấm sợi, chiều dày, điều kiện bảo dưỡng

và các điều kiện làm việc khác Nói chung sự ảnh hưởng ngắn hạng của độ ẩm chỉ gây ra sự giảm cường độ hơn là ảnh hưởng đến độ cứng của kết cấu Sản phẩm FRP có chất nền Epoxy ít nhạy cảm với

độ ẩm hơn so với chất nền của polyester hoặcvinylester

c Ảnh hưởng của nhiệt độ

Các tác dụng chính của nhiệt độ phụ thuộc vào phản ứng nhớt của cả nhựa và composite Mô đun đàn hồi của nhựa sẽ giảm nếu nhiệt độ tăng lên Trong thực tế, khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ chuyển hóa, hiệu suất của vật liệu FRP giảm đáng kể Nói chung, các chu kỳ nhiệt làm ảnh hưởng không có hại trên FRP, tuy nhiên họ có thể gây ra các vết nứt nhở trong hệ thống với nhựa có modulus cao Đối với nhiệt độ điển hình trong công trình dân dụng, nó có thể sử dụng ở những nơi mà nhiệt độ chuyển hóa luôn cao hơn nhiệt độ hoạt động tối đa của hệ thống kết cấu được gia cường để tránh thiệt hại do cháy gây ra

1.4.2 T c động c c yếu tố dài hạn

a Từ biến và chùng

Đối với hầu hết vật liệu FRP, biến dạng do từ biến là yếu tố quan trọng tại những nơi có ứng suất cao hay nhiệt độ cao hoặc kết hợp cả hai yếu tố này Trong vật liệu FRP đặc tính từ biến và chùng phụ thuộc vào tính chất của chất nhựa và cốt sợi Từ biến có thể được giảm bằng cách kiểm soát ứng suất sử dụng thấp

b Hiệu ứng mỏi

Trong hệ thống gia cường vật liệu FRP hiệu ứng mỏi phụ thuộc vào thành phần chất nền và cốt sợi.Các tấm sợi FRP có thể làm trì hoãn sự hình thành vết nứt, ngăn cản sự mở rộng của vết nứt

1.5 TRÌNH TỰ THI CÔNG GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CFRP

1.5.1 Trình tự thi công tổng qu t

1.5.2 Yêu cầu vật liệu

- Các tiêu chuẩn thí nghiệm cho vật liệu CFRP bao gồm: Thí nghiệm cường độ kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ dãn dài của vật liệu composite (keo Epoxy và sợi làm việc đồng thời) theo tiêu chuẩn ASTM D3039;

- Vải sợi các bon CFRP theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08 của

Mỹ [4], tiêu chuẩn BD90/05 hoặc JIS-K7073 và các chỉ tiêu kỹ thuật tối thiểu của sợi Carbon cường độ cao

1.6 CHỈ DẪN CÁC BƯỚC CÔNG NGHỆ THI CÔNG, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ VÀ NGHIỆM THU KẾT CẤU

1.6.1 Sửa chữa hư hỏng bề mặt kết cấu:

Các hư hỏng trên bề mặt kết cấu thường bao gồm:

- Sứt vỡ bê tông do lỗi trong quá trình thi côn

- Rỗ bê tông do thi công kém chất lượng

- Nứt vỡ bê tông do ăn mòn cốt thép

- Nứt bê tông do thi công hoặc thiếu khả năng chịu lực

1.6.2 Chuẩn bị bề mặt kết cấu trước khi d n sợi CFRP

Mài phẳng bề mặt

Vệ sinh bề mặt

Pha trộn keo và cắt vải theo thiết kế

1.6.3 Công t c kiểm tra hàng ngày

Kiểm tra hàng ngày trong quá trình sửa chữa bao gồm:

- Nhiệt độ bề mặt bê tông và môi trường xung quanh

- Độ ẩm tương đối trên bề mặt bê tông và độ ẩm môi trường (đặc biệt cho trường hợp keo Epoxy yêu cầu độ ẩm)

- Điều kiện thời tiết nói chung

- Chất lượng công tác chuẩn bị bề mặt

- Kiểm tra chất lượng công tác kiểm tra bề mặt

- Kiểm tra chiều rộng của các vết nứt có tiêm hoặc không tiêm Epoxy trên tất cả bề mặt kết cấu

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SÀN BTCT GIA CƯỜNG

CFRP DÍNH BÁM NGOÀI 2.1 TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU SÀN

Kết cấu sàn BTCT thường liên kế với dầm thành hệ không gian dầm-sàn hoặc liên kết với cả cột thành hệ khung không gian dầm-cột-sàn cùng làm việc với nhau Ngày nay để tính toán các dạng kết cấu này thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng với

các phần mềm chuyên dụng như SAP2000,MIDAS để phân tích Trình tự tổng quát mô phỏng và phân tích nội lực trong kết cấu khung-sàn-cột bằng phần mềm PTHH như sau:

Bước 1: Mô hình hóa sơ đồ hình học kết cấu

- Xây dựng hệ lưới phụ trợ để mô tả các phần tử kết cấu nếu cần

- Vẽ/ phát sinh các loại phần tử của mô hình kết cấu

- Gán các liên kết mô hình kết cấu

Phần tử dầm, cột sử dụng loại phần tử thanh (frame) 2 điểm nút để mô phỏng, phần tử sàn thì dùng loại phần tử vỏ (shell) 3 điểm nút hoặc 4 điểm nút để mô phỏng

Ngày ngay nhiều phần mềm thương mại cho phép khai báo

mô hình kết cấu theo kiểu nhập các tham số mô hình, phần mềm sẽ tự động phát sinh các phần tử theo các tham số đã khai báo, hoặc sử dụng các mô hình mẫu cho phép phát sinh các loại mô hình thông thường rất nhanh chóng

Bước 2: Mô tả vật liệu, mặt cắt các phần tử

- Định nghĩa các mẫu vật liệu dùng trong mô hình

- Định nghĩa các loại mặt cắt phần tử thanh, phần tử tấm/vỏ dùng trong mô hình

- Gán các phần tử cho các mặt cắt tương ứng

Bước 3: Mô tả tải trọng cho mô hình

- Định nghĩa mẫu tải tải dùng trong mô hình

- Gán các loại/giá trị tải trọng tác dụng lên nút, lên phần tử

- Định nghĩa tải trọng di động trên kết cấu nếu có

- Định nghĩa các trường hợp tải phân tích

- Định nghĩa các tổ hợp tải

Bước 4: Phân tích nội lực mô hình

- Thực hiện lệnh phân tích mô hình

- Kiểm tra lỗi mô hình nếu có

Bước 5: Khai thác kết quả phân tích nội lực

- Thực hiện lệnh hiển thị biểu đồ biến dạng các trường hợp/

tổ hợp tải trọng

- Hiện biểu đồ nội lực M,N,Q trong các phần tử mô hình

Bước 6: Thực hiện lệnh thiết kế/ kiểm tra kết cấu

Các phần mềm PTHH hiện đại ngày nay thường có khả năng thiêt kế/kiểm tra kết cấu Kết quả thiết kế kết cấu BTCT thường là lượng thép chịu uốn, thép chịu cắt trong các phần tử tương ứng với tiêu chuẩn thiết kế và tổ hợp tải trọng lựa chọn trước Thường phải sử dụng các lệnh sau:

- Lựa chọn tổ hợp tải thiết kế

- Lựa chọn qui trình thiết kế

- Thực hiện lệnh thiết kế

- Khai thác các kết quả thiết kế

2.2 TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN SÀN BTCT GIA CƯỜNG CFRP [4]

- Không tính đến khả năng chịu kéo của bê tông

- Giá trị biến dạng phá hoại lớn nhất của bê tông là 0,003

2.2.2 Tính to n gia cường s c kh ng uốn