Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THẾ HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THẾ HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP

CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THẾ HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP

CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 85.80.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:TS NGUYỄN QUANG TÙNG

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình riêng của tôi 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

Học viên thực hiện

Phạm Thế Hùng

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luân văn thạc sỹ trong khóa đào tạo cao học tại trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn – TS Nguyễn Quang Tùng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và các anh chị em đồng nghiệp

đã có những đóng góp giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn đọc

Học viên thực hiện

Phạm Thế Hùng

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG

PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Học viên: Phạm Thế Hùng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 85.80.201 Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt – Sàn bê tông cốt thép là một phần trong kết cấu nhà bê tông cốt thép, được

sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa Sàn bê tông cốt thép có dạng tấm, chịu uốn

và chịu tải trọng trực tiếp thẳng đứng truyền sang dầm và cột Luận văn này khảo sát ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn Trong đó sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng và nghiên cứu ứng xử của sàn Kết quả phân tích, so sánh ứng xử của sàn bê tông cốt thép khi chưa gia cường tấm CFRP và khi có gia cường tấm CFRP để đánh giá khả năng gia cường sàn bẳng tầm CFRP

Từ khóa: Sàn bê tông cốt thép, tấm CFRP, ứng xử sàn bê tông cốt thép, gia cường sàn

bằng tấm CFRP, Abaqus…

RESEARCH BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE SLAB

REINFORCING WITH CFRP FINITE ELEMENT

Abstract – Reinforced concrete slab is part of reinforced concrete house structure,

widely used in house construction Reinforced concrete slab are shell, bending and to vertical loads transferred to beams and columns This thesis examines the behavior of reinforced concrete slab reinforcing CFRP by finite element method Which uses ABAQUS software to simulate and study the behavior of the slab Results of analysis and comparison of the behavior of reinforced concrete slab without reinforcing CFRP and when reinforcing CFRP to assess the ability to strengthen slab by CFRP

Keywords: reinforced concrete structural slab, CFRP, behavior reinforced concrete

slab, reinforcing slab by CFRP, Abaqus…

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CÔNG TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA 3

1.1.Tổng quan sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép 3

1.1.1 Tình hình chung về sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép ở nước ta 3

1.1.2 Một số nguyên nhân gây hưu hỏng và xuống cấp của các công trình: 4

1.2 Tổng quan về quá trình cải tạo, nâng cấp và chuyển đổi mục đích sử dụng của công trình bê tông cốt thép 9

1.3 Các phương pháp gia cường kết cấu 12

1.3.1 Gia cường bằng phương pháp dán tấm thép 12

1.3.2 Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi thủy tinh GFRP 14

1.3.3 Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi các bon CFRP 14

1.4 Phương pháp gia cường sàn bê tông cốt thép bằng tấm CFRP 15

1.4.1 Thành phần cấu tạo và tính chất cơ lý của tấm CFRP 16

1.5 Kết luận chương 21

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 22

2.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Abaqus 22

2.1.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 22

2.1.2 Phần mềm Abaqus 23

2.2 Quy trình mô phỏng sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phần mềm Abaqus 36

2.2.1 Mô phỏng sàn bê tông cốt thép 36

2.3 KẾT LUẬN 46

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA

CƯỜNG TẤM CFRP 47

3.1.Thông tin mô hình thực hiện nghiên cứu 47

3.2 Phân tích ảnh hưởng của tấm CFRP đến ứng xử của sàn bê tông cốt thép 48

3.2.1 Ảnh hưởng đến sự làm việc chung của sàn bê tông cốt thép 48

3.2.2 Ảnh hưởng đến nội lực sàn bê tông cốt thép 48

3.2 Kết luận chương 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

1 Kết luận 57

2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Hình 1.1 Nhà trung tâm giới thiệu việc làm tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu 4

Hình 1.2 Nhà chung cư xóm Z tỉnh Quảng Bình 4

Hình 1.3 Sự Phá vỡ sự kết dính giữa bêtông và cốt thép 5

Hình 1.4 Sơ đồ rỉ cốt thép do quá trình điện hóa 7

Hình 1.5.Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bêtông khi có mặt ion Cl 7

Hình 1.6 Nứt do co ngót bê tông 8

Hình 1.7 Nứt bê tông do lún 9

Hình 1.8 Khu chung cư Thành Công, Hà Nội 10

Hình 1.9 Mặt tiền Nhà 5 tầng TP Hồ Chí Minh cải tạo, thay đổi công năng 11

Hình 1.10 Sơ đồ kết cấu Nhà 5 tầng TP Hồ Chí Minh được cải tạo, thay đổi 11

Hình 1.11 Gia cường sàn bê tông cố thép bằng phương pháp dán tấm thép 13

Hình 1.12: Các thông số kỹ thuật của một số tấm sợi thủy tinh 14

Hình 1.13: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi các bon và sợi thủy tinh 15

Hình 1.14: Gia cố sàn phẳng tăng khả năng chịu uốn của sàn bằng tấm CFRP 15

Hình 2.1: Phần tử dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính [13] 23

Hình 2.2 Phần tử dạng thanh (truss) [13] 24

Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tông [10] 26

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tông [10] 27

Hình 2.5 Quan hệ ứng suất nén – biến dạng không phục hồi 28

Hình 2.6 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do nén 28

Hình 2.7 Quan hệ ứng suất kéo – biến dạng không phục hồi 29

Hình 2.8 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do kéo 29

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái quát hóa của cốt thép 32

Hình 2.10: Kích thước sàn bê tông 37

Hình 2.11 : Cấu tạo cốt thép trong sàn 37

Hình 2.12 : Tạo tấm và hệ lưới CFRP 38

Hình 2.13 : Tạo gối liên kết cho sàn 38

Hình 2.14: Thông số môđun đàn hồi và hệ số poisson 39

Hình 2.15: Thông số dẻo cho mô hình vật liệu bê tông 39

Hình 2.16 : Thông số vật liệu vùng bê tông chịu kéo và bê tông chịu nén 40

Hình 2.17: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép 41

Hình 2.18: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép 42

Hình 2.19 : Gán thuộc tính cho cấu kiên bê tông, cốt thép 42

Hình 2.20 : Gán thuộc tính cho tấm CFRP 43

Hình 2.22 : Thiết lập bước phân tích mô hình 44

Hình 2.23 : Gán điều kiện biên cho mô hình 44

Hình 2.24 : Gán tải trọng cho sàn bê tông cốt thép 45

Hình 2.25: Thiết lập phân chia các phần tử cho mô hình 45

Hình 2.26: Thiết lập chạy mô hình và xem kết quả 45

Hình 3.1: Mô hình công trình triển khai nghiên cứu 48

Hình 3.2 : Sự hình thành vết nứt trong vùng chịu kéo của bê tông 48

Hình 3.4 : Phổ phân bố ứng suất bê tông trong sàn 49

Hình 3.5: Biểu đồ ứng suất theo tải trọng của sàn không gia cố và có gia cố 49

Hình 3.6 : Phổ phân bố biến dạng của bê tông trong sàn 50

Hình 3.7 : Phổ phân bố biến dạng của bê tông trong sàn 50

Hình 3.8 : Phổ phân bố chuyển vị của bê tông trong sàn 51

Hình 3.9: Phổ phân bố chuyển vị của bê tông trong sàn 51

Hình 3.10 : Phổ phân bố ứng suất của cốt thép trong sàn 52

Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất -tải trọng của sàn có gia cố và không có gia cố CFRP 52

Hình 3.12 : Phổ phân bố biến dạng của cốt thép trong sàn 53

Hình 3.13: Biểu đồ biến dạng của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố 53

Hình 3.14: Phổ phân bố chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố 54

Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố 54

Hình 3.16 : Phổ phân bố ứng suất-chuyển vị-biến dạngcủa CFRP khi gia cố 55

Hình 3.17:: Biểu đồ ƯS-BD tấm CFRP trong sàn có gia cố 56

Bảng 1: Hệ số dãn nở nhiệt của tấm các tấm composite 17

Bảng 2: Thông số kỹ thuật của một số loại tấm sợi các bon 18

Bảng 3: So sánh thông số kỹ thuật của tấm sợi Các bon (CFRP) với các loại thép thông dụng trong kết cấu xây dựng hiện nay: 19

Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo 27

Bảng 2.2.Các hình thức tương tác sử dụng cho sàn 35

Bảng 3.3: Kết quả phần tử bê tông 1465, nút 19644 48

Bảng 3.4: Kết quả phần tử thép 47, nút 47 51

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các công trình bê tông cốt thép tồn tại lâu năm và bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng động đất, khí hậu, gió bão, hoá chất ăn mòn, sự cố làm suy giảm độ cứng, kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực hay không còn đảm bảo khả năng sử dụng bình thường nữa Tuy nhiên, việc phá bỏ và xây mới công trình lại khá đắt đỏ, cho nên việc cải tạo, nâng cấp công trình cũ nhằm bảo đảm an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết Ngoài ra, một

số công trình bị hư hỏng do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng và những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác nhau

Nhiều năm trước đây, người ta đã sử dụng phương pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu bằng cách dán bản thép Trong vòng 20 năm gần đây, việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi tổng hợp (tấm composite) từ sợi các-bon CFRP đã thay thế dần các bản thép Vật liệu cốt sợi tổng hợp này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại cường độ cao (chiếm khoảng 70% thể tích) kết hợp với keo epoxy Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trước đây về giải pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu với các tấm composite được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới Tuy nhiên các nghiên cứu

đó chủ yếu tập trung vào phân tích ứng xử và đề xuất phương pháp gia cường cho dầm

bê tông cốt thép Chưa có nhiều nghiên cứu về ứng xử của sàn bê tông cốt thép được

gia cường bởi tấm CFRP Do đó, đề tài: “Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt

thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn” nhằm nghiên

cứu hiệu quả của sàn bê tông cốt thép được gia cường tấm CFRP có ý nghĩa thực tiễn cao và đáp ứng yêu cầu của thực tế hiện nay, đồng thời sẽ là một tài liệu quan trọng giúp cho các đơn vị quản lý và kỹ sư có thể ứng dụng trong công tác gia cố, sửa chữa sàn bê tông cốt thép

2 Mục tiêu nghiên cứu

Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu phổ ứng suất, phổ biến dạng, chuyển vị của sàn phẳng bê tông cốt thép trước và sau khi sử dụng tấm CFRP

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Sàn bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP

4 Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu tổng quan về sự hư hỏng công trình và các phương pháp gia cố, sữa chửa

- Nghiên cứu các tính năng của vật liệu CFRP và phương pháp tính toán kết cấu được gia cường tấm CFRP

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CÔNG TRÌNH VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA

1.1 Tổng quan sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép

1.1.1 Tình hình chung về sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép ở nước ta

Bê tông cốt thép (BTCT) được phát minh và ứng dụng từ đầu thế kỷ 19 và phát triển vượt bậc từ giữa và cuối thế kỷ 19 bởi những kỹ sư người Đức và các nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới Ở Việt Nam, bê tông cốt thép đã được người Pháp đưa vào sử dụng ngay từ những năm cuối của thế kỷ 19 Tuy nhiên phải sau năm

1960, khối lượng công trình BTCT xây dựng mới tăng lên đáng kể và phát triển vượt bậc đến thời điểm bấy giờ

Qua hơn một thế kỷ sử dụng, độ bền (tuổi thọ) thực tế của các công trình bê tông cốt thép được các quốc gia trên thế giới đánh giá và tổng kết như sau:

- Trong môi trường không có tính xâm thực, kết cấu BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm

- Trong môi trường bị xâm thực, hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tông dẫn đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tông và BTCT có thể xuất hiện sau 10- 30 năm

sử dụng Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khả năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công

và biện pháp quản lý, sử dụng công trình )

Hiện nay, bên cạnh các công trình bền vững sau 40-50 năm, hàng loạt các công trình BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử dụng 10 ¸ 15 năm đã bị ăn mòn và phá huỷ trầm trọng, đòi hỏi phải chi phí khoảng 40- 70% giá thành xây mới cho việc sửa chữa bảo vệ chúng Nhiều công trình nhà dân dụng và công nghiệp trên cả nước nói riêng và trên toàn thế giới nói chung đang xuống cấp một cách nhanh chống Nhiều công trình

hư hỏng, suy giảm công năng sử sụng và hiệu quả đầu tư Đơn cử tại thành phố Hà Nội, theo số liệu đánh giá tháng 11/2017 của Sở xây dựng Hà Nội có tới 603 danh mục công trình đã và đang xuống cấp gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống tinh thần và vật chất của dân cư nơi đây Cần có sự vào cuộc, đánh giá hiện trạng công trình và có các biện pháp gia cố, sửa chữa nhằm giảm kinh phí và tăng khả năng sử dụng công trình một các kịp thời và hiệu quả Nhiều địa phương khác trên cả nước như thành phố Huế, Bà Rịa Vũng Tàu, TP Hồ Chí Minh cùng nhiều công trình đã suy giảm khả năng chịu lực có dấu hiệu hư hỏng, xuống cấp

Hình 1.1 Nhà trung tâm giới thiệu việc làm tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu

Hình 1.2 Nhà chung cư xóm Z tỉnh Quảng Bình

1.1.2 Một số nguyên nhân gây hưu hỏng và xuống cấp của các công trình:

Ở môi trường khí hậu nước ta hiện nay, các tác nhân chủ yếu của môi trường làm ăn mòn bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông làm hư hỏng và xuống cấp công trình là tác nhân về vật lý và hóa học

Tác nhân về cơ học (mài mòn bề mặt, phá vỡ, nổ ), vật lý (nhiệt độ, gió, đông cứng- tan chảy của nước, cháy ), hóa học (các tác nhân acid, nhiễm mặn ), tải trọng thay đổi

Khi kết cấu bê tông cốt thép bị xâm thực bởi các yếu tố môi trường như gió, nhiệt độ, các axit trong môi trường xung quanh hay các tác nhân khác thì mối liên kết giữa bê

5

tông và cốt thép quyết định đến sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép Khi một trong hai thành phần của kết cấu bị hư hại thì ảnh hưởng tới phần còn lại và ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép nói chung

a Nguyên nhân ăn mòn trong bê tông

- Ăn mòn diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi măng (chủ yếu là hydroxyt canxi và aluminat canxi ngập nước) bị hòa tan, đặc biệt hydroxyt canxi tan mạnh nhất, do đó loại ăn mòn này gọi là quá trình khử kiềm

- Ăn mòn do axit cabonic : Sự tập trung hàm lượng dung dịch canxi hydroxit hòa tan Ca(OH)2 trong các lỗ hỏng kết cấu BTCT là kết quả của quá trình thủy hóa xi măng giúp giữ độ pH ở ngưỡng an toàn 12-13 Quá trình carbonat hóa với sự hiện diện của

CO2, nước và Ca(OH)2 tạo nên canxi cacbonat và trung hòa môi trường kiềm trong bêtông: CO2 H O2  Ca OH 2  CaCO3 2H O2 Sau quá trình trung hòa làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép (lớp màng dày 2-20 nanomét), đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép, dẫn đến phá hủy kết cấu Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông, vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bêtông và cốt thép (Hình 1.3) Tốc độ của quá trình carbonat hóa phụ thuộc vào tác động của các tác nhân từ môi trường ngoài như: độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng

CO2 và tính chất cơ lý của bêtông như độ kiềm và độ thẩm thấu, điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hóa hoạt động mạnh là khi độ ẩm không khí ở mức 60-75% Hơn nữa, tốc độ quá trình carbonat hóa tăng dần khi hàm lượng CO2 trong không khí và nhiệt độ tăng dần, mặt khác hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để tăng độ kiềm và làm chậm quá trình carbonat hóa

Hình 1.3 Sự Phá vỡ sự kết dính giữa bêtông và cốt thép

- Ăn mòn của các axit khác: Trong số những axit vô cơ thường gặp (trừ axit cacbonic) tác dụng lên đá xi măng và bêtông như axit clohydric, axit sunfuric, axit nitơric và các axit hữu cơ như axit axctic, axit lactic khi bị tác dụng của axit này đá sẽ bị phân hủy

- Sự ăn mòn của dung dịch muối Magiê: Muối magiê cơ bản là hai loại muối MgCl2 và MgSO4 Sự ăn mòn của loại muối này chủ yếu do chúng tương tác với hydroxyt canxi

có trong đá xi măng Phản ứng chính diễn ra giữa Ca(OH)2 có trong đá xi măng với muối Magiê như sau:

- Ăn mòn do dung dịch kiềm: Khi bê tông ở trong dung dịch kiềm loãng, sau đó tiếp xúc với không khí, trong bêtông sẽ bị cabonat hóa sinh ra các muối cabonat (Na2CO4) kết tinh phá vỡ kết cấu bêtông Trong dung dịch kiềm đặc, tuy độ hòa tan Ca(OH)2 có giảm đi rõ rệt, nhưng lượng OHsinh ra lại làm cho các oxit và silicat bị hòa tan, từ

b Nguyên nhân gây ra ăn mòn cốt thép trong bêtông

- Ăn mòn cốt thép trong bêtông diễn ra dưới dạng ăn mòn điện hóa Ở dạng ăn mòn này các nguyên tử sắt trong cốt thép tách ra khỏi mạng lưới tinh thế và trở thành ion mạch điện trong dung dịch, dưới tác dụng của ion OHtrong môi trường tạo ra các sản phẩm gỉ Fe2O4.Fe(OH)2.Fe(OH)3, Fe(OH)2.H2O Các sản phẩm này tích tụ trên bề mặt cốt thép với thể tích gấp 4-6 lần so với thành phần ban đầu, chính vì vậy gây ra nội ứng xuất phá hoại cấu trúc bêtông dọc theo vị trí đặt thép, làm cho tác nhân gây xâm thực và gây ra hiên tượng ăn mòn cốt thép trong bêtông tăng nhanh Quá trình gỉ chỉ

có thể xảy ra nếu như bêtông đủ khả năng dẫn điện nhờ một lượng ngậm nước nhất định vì lúc này có sự phân cực cách biệt giữa catôt và anôt (Hình 1.4)

7

Hình 1.4 Sơ đồ rỉ cốt thép do quá trình điện hóa

Sự xâm nhập của ion Cl: Quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép (trừ trường hợp phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển), clorua đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hóa ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13) (Hình 1.5) Có 4 cơ chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ bêtông: sự hút mao dẫn, sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt BTCT, thẩm thấu dưới áp lực căng bề mặt và sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế

Hình 1.5.Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bêtông khi có mặt ion Cl

c Do sai sót trong quá trình khảo sát thiết kế, thi công và sử dụng:

Trong quá trình khảo sát thiết kế Người thực hiện việc khảo sát và thiết kế chưa tính toán đảm bảo đúng khả năng làm việc của kết cấu đến môi trường xung quanh như sai sót trong quá trình khảo sát địa chất, địa tầng gây sụt lún cục bộ trong quá trình thiết kế có sai sót trong tải trọng tính toán, sai sót trong bố trí khả năng chịu lực

của kết cấu

Trong quá trình thi công và sử dụng Đơn vị thi công không đảm bảo đúng yêu cầu của thiết kế, trong khi đó quá trình sử dụng công trìnhvượt quá tải trọng tính toán cho phép của kết cấu gây ảnh hưởng đến khả năng làm việc của kết cấu như:

- Nứt do co ngót bê tông (do không đảm bảo điều kiện thi công bê tông và dưỡng hộ

bê tông) Các vết nứt do co ngót xảy ra do nước bốc hơi quá nhanh khỏi bề mặt bê tông Điều này làm cho phần mặt trên của tấm sàn bê tông khô nhanh hơn phần đáy Do đó hai mặt của sàn biến dạng khác nhau, làm sản sinh ra lực kéo lẫn nhau Hiện tượng này dễ xảy ra khi trời nắng, gió hoặc độ ẩm thấp

Hình 1.6 Nứt do co ngót bê tông

- Nứt bê tông do lún (khi khảo sát thiết kế chưa tính đầy đủ các trường hợp xảy ra) Khi nền móng của công trình dịch chuyển sẽ gây ra hiện tượng nứt sàn, nứt tường Thường thì nứt do lún móng là trường hợp nghiêm trọng Đây có thể là kết quả của việc lu lèn nền đất chưa đủ độ chặt Một nguyên nhân khác dẫn đến lún là do xói mòn đất nền Cũng có thể là do đất nền quá yếu mà bạn lại không chú ý, và bỏ qua điều này Ở những công trình nhà dân dụng có móng nông, và có cây cối lớn xung quanh, thì các rễ cây có thể là nguyên nhân gây nứt

1970 – 1980 ngoài loại nhà ở chung cư , trụ sở cớ quan hành chính với kết cấu tường gạch chịu lực đã phát triển thêm loại hình nhà ở chung cư , trụ sở cơ quan hành chính với kết cấu bê tông lắp ghép có chiều cao tối đa là 5 tầng; giai đoạn 1980-1990 phát triển thêm loại hình nhà ở chung cư, trụ sở cơ quan hành chính với kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực với chiều cao tối đa 6 tầng

Đến nay, cả nước hiện còn gần 1.690 chung cư cũ, trụ sở hành chính cũ, tập trung nhiều nhất ở hai đô thị trung tâm là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Hà Nội có khoảng 1.155 nhà chung cư, trụ sở hành chính cao 4-6 tầng và 10 khu thấp từ 1-3 tầng Trong đó, có hơn 980 chung cư, trụ sở hành chính được xây dựng trước năm 1990 và tập trung tại các quận nội thành cũ Tổng diện tích các chung cư này lên tới 1,7 triệu m2 và cần được cải tạo xây dựng lại Ngoài ra còn các khu nhà tập thể đơn lẻ, quy mô nhỏ, khu nhà cơ quan hành chính nhà nước sử dụng quản lý nằm rải rác, xen kẽ trong các khu phố Sau nhiều năm sử dụng, do sự gia tăng dân số cùng với sự thiếu quan tâm trong công tác quản lý dẫn đến quy hoạch, kiến trúc và chất lượng công trình nhà ở các khu chung, các công trình trụ sở hành chính nhà nước cũng như một số công trình công cộng, công trình dân cư cũ đã bị biến dạng và xuống cấp nghiêm trọng

Quy hoạch toàn khu và hình thức kiến trúc công trình bị thay đổi do tình trạng xây dựng lấn chiếm, cơi nới tự do, tùy tiện; Hệ thống hạ tầng đã bị quá tải và xuống cấp trầm trọng gây ô nhiễm, mất vệ sinh môi trường, thiếu điều kiện sinh hoạt… cần được sớm thực hiện cải tạo và xây mới để đảm bảo chất lượng cuộc sống và diện mạo cảnh quan đô thị Tuy nhiên, sau 10 năm nỗ lực thực hiện chương trình này, Hà Nội cũng chỉ mới cải tạo, xây dựng lại được 14 nhà chung cư, trụ sở cũ TP Hồ Chí Minh

có trên 530 chung cư được xây dựng từ trước năm 1975

Việc cải tạo, xây dựng lại các khu chung cư, nhà ở tập thể cũng như các trụ sở hành chính cũ trên cả nước đặc biệt tại hai thành phố lớn là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh còn hạn chế Vẫn còn nhiều khu chung cư, nhà ở cũ đã hư hỏng, xuống cấp nặng vẫn chưa được cải tạo, xây dựng lại do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan, rất cần những giải pháp tháo gỡ một cách hiệu quả trong thời gian tới

Thời gian qua, Nhà nước và các bộ ngành liên quan, chính quyền đô thị đã ban hành rất nhiều văn bản quy định của pháp luật nhằm hỗ trợ hành lang pháp lý và hướng dẫn thực hiện đẩy mạnh công tác cải tạo nhà chung cư cũ Tuy nhiên các giải pháp vẫn chưa được đặt ra

Trước tình hình đó, việc lựa chọn thay đổi dây chuyền công nghệ, kiến trúc không gian, cải tạo các chung cư cũ, trụ sở hành chính, các nhà ở tập thể và cả nhà công cộng, nhà ở riêng lẻ khu dân cư cũ cần được được cải tạo để đáp ứng việc thay đổi về: Dây chuyền công nghệ, không gian kiến trúc, thay đổi về tải trọng

Hình 1.8 Khu chung cư Thành Công, Hà Nội

11

Hình 1.9 Mặt tiền Nhà 5 tầng TP Hồ Chí Minh cải tạo, thay đổi công năng

Hình 1.10 Sơ đồ kết cấu Nhà 5 tầng TP Hồ Chí Minh được cải tạo, thay đổi

Việc thay đổi công năng, sơ đồ kết cấu công trình cũ là xu thế tất yếu để đảm bảo

sự làm việc hiệu quả, làm giảm chi phí đầu tư cho mục đích sử dụng mới

Tuy nhiên việc thay đổi công năng sử dụng của công trình cần đảm bảo khả năng chịu lực của cấu kiện, gia cố các vị trí hợp lý làm tăng khả năng chịu lực của tiết diện,

cấu kiện sau khi thay đổi sơ đồ làm việc của kết cấu

Hiện nay, nhiều đơn vị thực hiện dịch vụ tư vấn và thi công cải tạo công trình bê tông cốt thép đã được thành lập đáp ứng nhu cầu cấp thiết của thực tế, đảm bảo về nhu cầu về công năng sử dụng và kinh phí thực hiện cải tạo dự án Tuy nhiên việc thay đổi công năng sử dụng của công trình vẫn đang còn khó khăn, chỉ đảm bảo một phần nhu

cầu thiết thực của công trình

Vì vậy, vấn đề đặt ra cần có giải pháp gia cường, cải tạo kết cấu một cách hiện đại, nhiều ưu điểm hơn, vượt trội hơn để đáp ứng đầy đủ các nhu cầu ngày càng cao

của công trình

1.3 Các phương pháp gia cường kết cấu

Hiện nay, có nhiều phương pháp để gia cường kết cấu bê tông cốt thép như bổ sung một lớp bê tông đổ tại chỗ ở vùng chịu nén hoặc bê tông cốt thép có hàm lượng cốt thép cao ở vùng chịu kéo của mặt cắt kết cấu để gia tăng cánh tay đòn hay khoảng cách giữa trọng tâm vùng bê tông chịu nén và trọng tâm cốt thép vùng chịu kéo Điều này sẽ mang lại một khả năng chịu lực uốn lớn hơn cho kết cấu Ngoài ra, phương pháp này thường kết hợp với việc bổ sung thêm cốt thép và phun vữa bê tông bảo vệ ở vùng chịu kéo Tuy nhiên, giải pháp này dẫn tới việc làm tăng đáng kể trọng lượng cũng như chiều cao của kết cấu Việc thi công cũng không được sạch sẽ và tạo tiếng ồn cũng như tác động tới môi trường Một phương pháp nổi bật nữa là việc sử dụng cáp

dự ứng lực ngoài Theo đó, một số ụ neo được làm mới và gắn vào kết cấu cần gia cường Các cáp dự ứng lực ngoài được kéo và neo vào các ụ neo này Việc gia cường bằng phương pháp sử dụng dự ứng lực ngoài thường áp dụng cho các cấu kiện có kích thước lớn, ví dụ như dầm cầu, sàn nhà khẩu độ lớn, và được thực hiện ở vùng chịu kéo

do lực dọc và mô men

Để khắc phục những hạn chế trên thì phương pháp gia cường bằng phương pháp dán tấm thép, phương pháp gia cường bằng tấm sợi thủy tinh GFRP, gia cường bằng tấm sợi các bon CFRP dần được thay thế Với phương pháp thi công đơn giản, vật liệu

gọn nhẹ và hiệu quả gia cường cao

1.3.1 Gia cường bằng phương pháp dán tấm thép

Việc gia cường, sửa chữa, tăng khả năng kháng uốn bằng phương pháp dán tấm thép đã được thực hiện từ cách đây khoảng 40 năm trước Phương pháp này được sử dụng trong điều kiện mặt bằng thi công rộng rãi và khi khả năng kháng uốn của kết cấu bị suy giảm do một số nguyên nhân, tác động từ biên ngoài

Cấu tạo và vật liệu sử dụng chính: Sử sụng tấm thép để gia cường kết hợp keo epoxy làm chất liệu kết dính, khoan neo tấm thép vào kết cấu chịu uốn nhằm định vị

và tăng khả năng làm việc của tấm thép Khi thực hiện cần đáp ứng các điều kiện sau:

- Tại các vị trí cần dán thép tấm, bề mặt bê tông phải mài thật phẳng để lớp thép tấm

có thể tiếp xúc đa diện tích bề mặt khi dán

13

- Hạn chế tối đa số lượng lỗ khoan neo giữ tấm thép vào bê tông Vì càng khoan nhiều, sàn bê tông hiện trạng càng bị giảm yếu

Hình 1.11 Gia cường sàn bê tông cố thép bằng phương pháp dán tấm thép

Ưu điểm: Thích hợp cho việc gia cường các cấu kiện chịu uốn, có hiệu quả kỹ thuật cao,không làm tăng chiều cao kiến trúc của kết cấu, không làm thu hẹp tĩnh không của công trình

Nhược điểm: Việc thi công phức tạp, đòi hỏi rất nhiều kỹ thuật thi công chính xác, giá thành thi công cao Tăng tĩnh tải lên hệ kết cấu, lớp thép ngoài dễ bị rỉ

1.3.2 Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi thủy tinh GFRP

Trong vòng 20 năm gần đây, việc gia cường kết cấu bằng dán tấm thép được thay thế dần bằng phương phương pháp dán tấm thủy tinh GFRP (glass fiber reinforced polymer)

Cấu tạo và các vật liệu chính: Tấm thủy tinh GFRP được cấu tạo từ nền epoxy và cốt sợi thủy tinh tạo nên tấm composite có lớp kết dính tạo nhám và lớp hỗn hợp chống cháy Bó sợi thuỷ tinh sau khi được tẩm chất kết dính sẽ chạy qua lò gia nhiệt tại đây quá trình đóng rắn hay phản ứng khâu mạch của chất kết kính sẽ sảy ra tạo thành polyme Sản phẩm được làm nguội và cắt thành cây có chiều dài 11.7m hoặc thành những cuộn tròn có chiều dài 100m tuỳ theo yêu cầu

Ưu điểm: Tấm sợi thủy tinh có khả năng Chống ăn mòn trong các môi trường nước biển và môi trường Axit, Kiềm Có độ bền kéo cao Độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp Không có từ tính

Nhược điểm: Tấm sợi thủy tinh không thể uốn tại công trường, thi công phức tạp, khả năng chịu nhiệt thấp

Hình 1.12: Các thông số kỹ thuật của một số tấm sợi thủy tinh

1.3.3 Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi các bon CFRP

Trong những năm gần đây thì việc gia cường bằng phương pháp dán tấm các bon CFRP cho thấy nhiều ưu điểm nổi trội so với phương truyền thống (sử dụng thép tấm, tấm sợi thủy tinh, tăng tiết diện kết cấu….) Phương pháp mới này tận dụng được ưu điểm khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở thành một giải pháp rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố cho các công trình

bê tông cốt thép

Hình 1.13: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi các bon và sợi thủy tinh

Hình 1.14: Gia cố sàn phẳng tăng khả năng chịu uốn của sàn bằng tấm CFRP

Ưu điểm: Phương pháp gia cường bằng phương pháp dán tấm các bon CFRP có rất nhiều ưu điểm như cường độ chịu lực cũng như mô đun đàn hồi cao hơn so với tấm sợi thủy tinh, thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng ván khuôn (cốp pha), đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao, đặc biệt là hạn chế tối đa ảnh hưởng của việc thi công gia cố tới sinh hoạt bình thường của chủ công trình

Nhược điểm: Việc gia cường đòi hỏi độ chính xác cao, không phù hợp với cấu kiện chịu nhiệt, giá thành đắt hơn so với các phương pháp khác

1.4 Phương pháp gia cường sàn bê tông cốt thép bằng tấm CFRP

1.4.1 Thành phần cấu tạo và tính chất cơ lý của tấm CFRP

a Thành phần cấu tạo[9]

CFRP là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó

có vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi Carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Bao gồm:

Nhựa nền: Chất kết dính được sử dụng để gắn kết tấm vật liệu CFRP và bề mặt

bê tông của cấu kiện Chất kết dính cung cấp đường dẫn tải trọng cắt giữa bề mặt bê tông và hệ thống gia cường tấm vật liệu composite Chất kết dính cũng được sử dụng

để gắn các lớp vật liệu CFRPlại với nhau Vật liệu kết dính được dùng là keo epoxy, polyester không no hoặc tương tự Để đóng rắn nhựa nền các chất xúc tác được sử dụng theo hàm lượng phù hợp

Cốt sợi: CFRP là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi Carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cường về mặt cường độ và độ cứng Lớp áo bảo vệ: Lớp áo bảo vệ giúp giữ gìn cốt vật liệu gia cường đã được kết dính khỏi các tổn hại tiềm năng do tác động môi trường và cơ học Lớp bảo vệ được

sử dụng ở bề mặt ngoài của hệ thống gia cường; Chúng bao gồm keo epoxy hoặc tương tự, hệ thống kết dính, lớp bảo vệ chống cháy, tạo màu sắc thẩm mỹ,

Tính chất vật lý[9]

Khối lượng riêng: Tấm CFRP có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,5 tới 1,6 g/cm3, theo đó nhỏ hơn thép từ 4 đến 6 lần tùy thuộc vào loại cốt sợi hoặc chất độn Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công trường

CFRP nói chung là loại vật liệu có trọng lượng nhẹ, cường độ chịu kéo cao và không bị ăn mòn Chúng bao gồm các dạng cuộn sợi, dạng thanh, vải dệt sẵn định hình cho việc chịu lực và mỗi dạng lại có nhiều mức cường độ chịu kéo khác nhau từ thấp đến siêu cao

Sợi Carbon rất bền và có khả năng chống chịu tốt trong điều kiện môi trường nóng ẩm nhờ vào khả năng không hấp thụ độ ẩm

Đối với tác động dài hạn, sợi Carbon cũng cho thấy khả năng kháng mỏi rất tốt Với tác dụng nhiệt, sợi Carbon có hệ số giản nở là âm và rất bé theo chiều dọc, do đó tạo ra được độ ổn định tuyệt vời trong quá trình làm việc

17

Hệ số dãn nở nhiệt: Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực mỗi chiều khác nhau theo phương dọc và ngang tùy thuộc vào kiểu loại cốt sợi, cách dệt, loại nhựa nền và tỷ lệ cốt sợi

Bảng 1: Hệ số dãn nở nhiệt của tấm các tấm composite

Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: Phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết

dính Tg, mô đun đàn hồi của vật liệu polymer bị giảm đáng kể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó Giá trị của Tg phụ thuộc vào dạng chất dính kết nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 60°C tới 82°C Các kết quả thí nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều so với nhiệt độ giới hạn Tg của vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của các vật liệu cốt sợi thủy tinh cũng như của các vật liệu cốt sợi các bon tới 20% Các đặc tính khác bị tác động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm ở nhiệt độ thấp

Lực dính bám mặt tiếp xúc giữa bê tông và vật liệu composite là rất quan trọng

Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của vật liệu kết dính Tg, các đặc tính cơ hợp của vật liệu CFRP bị giảm nhiều và mất khả năng chuyển đổi ứng suất từ bê tông sang tấm CFRP

Ứng xử nén: Mô đun đàn hồi nén thường nhỏ hơn so với mô đun đàn hồi kéo Các kết quả thí nghiệm với CFRP hàm lượng 55-60% trên nền nhựa polyester cho

thấy mô đun đàn hồi có giá trị trong khoảng từ 34000 Mpa đến 48000 MPa Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 85% đối với CFRP

Bảng 2: Thông số kỹ thuật của một số loại tấm sợi các bon

Mật độ sợi

Các bon

(g/m2)

Độ dày (mm)

Cường độ chịu kéo (Mpa)

Mô đun đàn hồi E (Gpa) Độ giãn dài (%)

19

Bảng 3: So sánh thông số kỹ thuật của tấm sợi Các bon (CFRP) với các loại

thép thông dụng trong kết cấu xây dựng hiện nay:

Thép XD mác CB400-V

Thép hình mác XCT38

Cáp

dự ứng lực

Độ giãn dài khi kéo đứt (%) ~1.6 >=14 >=19 ~5.7

Mô đun đàn hồi (Gpa) 240 210 210 198

- Độ bền: Vật liệu CFRP có các bó sợi chịu tải không đổi theo thời gian có thể bị phá hoại sau một khoảng thời gian được gọi là độ bền Loại phá hoại này gọi là nứt Khi độ bền giới hạn ứng suất kéo tăng lên thì sức chịu đựng thời gian của tấm CFRP càng giảm đi Độ bền của CFRP cũng giảm đi trong các điều kiện môi trường bất lợi như nhiệt độ cao, tiếp xúc với tia cực tím, độ kiềm cao, chu kỳ ẩm ướt và khô hoặc chu

kỳ đóng băng và tan băng

1.4.2 Phương pháp thi công gia cường sàn bê tông bằng tấm CFRP[4]

Thông thường việc gia cường bằng tấm CFRP gồm các bước: chuẩn bị sửa chữa

bề mặt bê tông, sơn lót tăng cường độ bám dính, trét phẳng bề mặt, phủ keo hoặc nhựa dán, đặt tấm dán lên lớp keo, chờ lớp keo khô với thời gian quy định rồi dán các lớp tiếp theo, cuối cùng đợi cấu kiện khô hoàn toàn thì sơn phủ bảo vệ và thẩm mỹ

Hiện nay phổ biến nhất là hai phương pháp thi công đối với loại vật liệu tấm (sheet) và vải (fabric) CFRP: dán theo phương pháp khô (dry lay-up) và dán theo phương pháp ướt (wet lay -up)

a Thi công dán theo phương pháp khô (dry lay-up)

Quá trình thi công dán tấm CFRP bằng phương pháp khô có thể chia làm sáu bước:

Bước 2: Tiến hành phân chia, định vị khoảng cách dán các tấm CFRP riêng biệt,

tiến hành lăn keo lót trên bề mặt cần gia cố

Bước 3: Làm phẳng bề mặt kết cấu

Bột trét được trét bằng các bay cầm tay Bột trét được sử dụng để làm phẳng bề mặt và lấp các khuyết tật; việc bao phủ hoàn toàn thì không cần thiết Bột trét có thể trét lên bề mặt sơn lót còn ướt không cần đợi sơn khô

Bước 4: Phủ lớp keo thứ nhất

Keo được quét lên bề mặt đã được sơn lót và làm phẳng bằng cọ lăn Thông thường nên lăn lớp keo dày khoảng 15mm đến 20mm tuỳ thuộc vào loại keo Lượng keo sử dụng cũng phụ thuộc vào từng loại CFRP được sử dụng

Bước 5: Dán tấm CFRP

Tấm CFRP cần được đo và cắt trước khi đặt lên bề mặt cần gia cố Tấm CFRP được đặt lên bề mặt bê tông và được 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 ngấm vào các sợi riêng lẻ 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

Lớp keo thứ hai có thể được phủ lên sau 30 phút kể từ khi đựt và lăn tấm CFRP Đến lúc này lớp keo đầu tiên đã rút hết vào tấm CFRP Lớp keo thứ hai được quét lên tấm CFRP bằng cọ lăn cỡ trung với chiều dày khoảng 15mm đến 20mm

b Thi công dán tấm CFRP theo kiểu ướt (wet lay-up)

Phương pháp dán tấm CFRP theo kiểu ướt về trình tự rất giống với phướng pháp khô Tuy nhiên phương pháp ướt khác biệt trong bước thoa keo nhúng tấm nhựa CFRP

Khi dán tấm CFRP bằng phương pháp ướt ta chỉ sử dụng tấm vải CFRP dạng khô chưa tẩm nhựa Tấm CFRP khô sẽ được tẩm đẫm nhựa đến khi bão hoà và được dán lên bề mặt bê tông đã được xử lý kỹ

21

Ưu điểm của phương pháp dán ướt là có thể sử dụng cho cấu kiện có kích thước lớn (cột đường kính lớn, mặt đáy sàn, dán bọc ba mặt dầm), liên kết giữa các tấm CFRP được đảm bảo hơn sẽ ít có trường hợp bị phá hoại liên kết Tuy nhiên, khi dùng phương pháp dán ướt sẽ sử dụng một lượng keo dán rất lớn nên thời gian đợi kéo dài hơn Quá trình thoa keo tẩm nhựa cho tấm CFRP có thể sử dụng máy tẩm nhựa đối với tấm vải CFRP có bề rộng lớn hoặc có thể dùng phương pháp thủ công bằng tay đối với tấm CFRP có bề rộng nhỏ Các bước tiến hành tương tự như phương pháp thi công

dán khô

1.5 Kết luận chương

Với thực trạng hư hỏng, xuống cấp công trình bê tông cốt thép như hiện nay và khả năng đáp ứng hiệu quả về kinh tế trong quá trình đầu tư và sử dụng công trình, việc gia cố, sửa chữa công trình là thực sự cần thiết

Bằng những ưu điểm vượt trội của phương pháp gia cường bằng tấm các bon CFRP như cường độ chịu tải lớn, khối lượng nhẹ hơn các vật liệu truyền thống, không làm thay đổi kết cấu chịu lực, thi công không làm ảnh hưởng đến các công trình xung quanh Nên việc gia cường bằng phương pháp dán tấm các bon CFRP là phù hợp với

xu thế hiện nay trên toàn thế giới

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Về mặt toán học, PPPTHH được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình

vi phân từng phần và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển phương trình vi phân từng phần sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn…

PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm Trong PPPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học, nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp hoặc khi những yêu cầu

về độ chính xác thay đổi trong toàn miền Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thời tiết

2.1.2 Phần mềm Abaqus

ABAQUS là một bộ phần mềm lớn dùng để mô phỏng kết cấu công trình, dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể

mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao

su, vật liệu phức hợp, bê tông cốt thép,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất, chuyển vị), còn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn

đề trong lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu: ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt: ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Environment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập

mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới… ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và xử lý kết quả

Các loại phần tử trong Abaqus

Loại phần tử trong mô phỏng

Phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần mềm Abaqus được sử dụng để rời rạc mô hình Phần tử C3D8R là dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính được gán cho cho các phần tử bê tông của sàn, phần tử CFRP, phần tử gối

Hình 2.1: Phần tử dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính [13]

Các thanh cốt thép dọc có thể được mô hình hóa bằng mô hình dạng khối (Solid), dạng dầm (Beam), dạng thanh (Truss) hoặc có thể mô phỏng các lưới thép bằng phần

tử bề mặt (Surface) Việc sử dụng mô hình phần tử dạng khối không được chọn trong nghiên cứu này do nó làm tăng khối lượng tính toán và có thể máy tính không thể xử

lý được Hơn nữa, thanh cốt thép có độ cứng chống uốn khá nhỏ, chủ yếu làm việc kéo nén dọc trục, vì vậy phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để mô phỏng cốt thép chịu lực Trong nghiên cứu này lực chọn phần tử dạng thanh T3D2 để mô phỏng cốt thép Cụ thể hơn, lựa chọn phần tử dây (wire) trong Abaqus để mô phỏng cho cốt thép dọc và cốt thép trong sàn Các cốt thép này được nhúng vào phần tử bê tông thông qua ràng buộc nhúng (Embedded) được cung cấp trong phần mềm Abaqus, với giả thiết độ bám dính bề mặt với phần tử bê tông là tuyệt đối Số liệu đầu vào của dạng phần tử này là diện tích mặt cắt ngang và không cần định nghĩa cụ thể tiết diện hình học của mặt cắt

Hình 2.1 Phần tử dạng thanh (truss) [13]

Các mô hình vật liệu dùng trong mô phỏng cấu kiện BTCT

+ Mô hình vật liệu bê tông

Có rất nhiều mô hình có thể sử dụng để mô phỏng vật liệu bê tông, trong đó thường gặp 3 mô hình: mô hình phá hoại dẻo, mô hình vết nứt rời rạc, mô hình vết nứt giòn…

Mô hình vết nứt giòn được sử dụng khi vật liệu có tính chất cơ học thay đổi khi xuất hiện vết nứt do kéo Ứng xử của vật liệu dưới tác dụng chịu nén lúc này được giả định là đàn hồi tuyến tính Mô hình này được lựa chọn cách thức xuất hiện vết nứt rời rạc để đại diện cho ứng xử giòn không liên tục (vết nứt rời rạc xuất hiện ở những vị trí khác nhau) trong vật liệu Vì vậy mô hình này phù hợp cho các loại vật liệu có tính chất giòn như đá

Mô hình vết nứt rời rạc thường được sử dụng để tính toán phi tuyến dưới tác dụng của tải trọng tĩnh Mô hình này chủ yếu sử dụng cho kết cấu bê tông và cốt thép thường Mô hình cho phép xác định được phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của các

2 1

25

tác động Sự phá hoại bê tông trong mô hình vết nứt rời rạc là xuất hiện vết nứt ở vùng chịu kéo bê tông hoặc vở bê tông ở vùng chịu nén Mô hình được xây dựng bao gồm

cả những ứng xử quan trọng như vết nứt, biến dạng dẻo… Vết nứt đã xuất hiện vị trí

và hướng của nó được lưu lại để xét cho các tính toán tiếp theo, nói cách khác tiết diện xuất hiện vết nứt sẽ được tính toán với độ cứng và cường độ tương ứng với tiết diện thu hẹp do vết nứt

Mô hình phá hoại dẻo: kết hợp cả tính đàn hồi và kéo đẳng hướng và ứng xử dẻo khi nén để thể hiện tính phi tuyến của vật liệu bê tông Định nghĩa này trái ngược lại với vết nứt giòn Mô hình phá hoại dẻo người dùng có thể khai báo được giai đoạn cứng hóa và mềm hóa khi chịu nén như ứng xử phi tuyến trong thực tế của vật liệu bê tông Vì vậy, mô hình phá hoại dẻo thường được sử dụng trong mô phỏng tính toán cấu kiện bê tông cốt thép Mô hình phá hoại dẻo có những ưu nhược riêng:

+ Ưu điểm mô hình này: có thể sử dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau và cho nhiều loại tải trọng khác nhau (tải trọng tĩnh, tải trọng động, tải trọng theo chu kỳ) + Nhược điểm mô hình: Mô hình mô phỏng ứng xử vật liệu bê tông cốt thép thông qua ứng xử vật liệu bê tông, cốt thép và các hệ số mô hình phá hoại dẻo Nếu chúng ta không kiểm soát thông số đầu vào một cách chính xác rất dể xảy ra sự sai lệch về kết quả mô phỏng tính toán

Trong luận văn này, sử dụng mô hình phá hoại dẻo của bê tông Concrete Damage Plasticity (CDP) trong phần mềm Abaqus để mô phỏng ứng xử của bê tông trong kết cấu

Mô hình phá hoại dẻo được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê tông: vết nứt phát triển tại vùng kéo và vật liệu bị ép vỡ trong vùng nén Trong mô hình, ứng

xử nén dọc trục và kéo dọc trục bê tông là hai tính chất quan trọng trong mô hình phá hoại dẻo

Quan hệ ứng suất - biến dạng trong miền kéo:

Trong mô hình phá hoại dẻo, để mô phỏng ứng xử trong miền kéo bê tông trong ABAQUS Chúng ta chia nhỏ miền phá hủy trong quan hệ ứng suất biến dạng được diễn tả bằng hình 2-3 Thông số đầu vào mô hình: Môđun đàn hồi (E0), ứng suất kéo(σt), biến dạng không phục hồi do kéo ( ck

t

ε ) phụ thuộc cấp độ bền của bê tông Biến dạng không phục hồi do kéo (ε ) được tính toán dựa vào tổng biến dạng theo cktcông thức sau:

0

    

  : biến dạng kéo trong miền đàn hồi của bê tông

- t: tổng biến dạng kéo của bê tông

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tông [10]

Khi dỡ tải, ABAQUS tự động tính toán giá trị biến dạng dẻo do kéo của bê tông dựa vào quan hệ:

Định nghĩa quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền nén, thông số đầu vào: ứng suất nén(σc), biến dạng không phục hồi do nén (εchc ) được xác định dựa trên tổng biến dạng và biến dạng trong miền đàn hồi theo công thức:

0

    Với:

  ; biến dạng nén trong miền đàn hồi của bê tông

- c: tổng biến dạng nén của bê tông

Đường cong cơ bản quan hệ ứng suất và biến dạng của bê tông chịu nén được minh họa trong hình sau:

Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tông [10]

Khi dỡ tải, ABAQUS tự động tính toán giá trị biến dạng dẻo do nén của bê tông dựa vào quan hệ:

Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo

0

b c



Trong luận văn này sử dụng mô hình phá hoại dẻo của bê tông là Concrete Damaged Plasticity Model (CDP) để mô phỏng trạng thái làm việc của vật liệu ở cả vùng kéo và vùng nén, mô hình này có khả năng dự đoán cả ứng xử nén và kéo của bê tông dưới áp lực giam giữ Trong phần mềm Abaqus trạng thái phá hoại dẻo được khai báo qua các thông số như sau:

Môđun đàn hồi ban đầu: E0 = 212000 (Mpa)

Hệ số poisson: 0,2

Quan hệ ứng suất nén, biến dạng không phục hồi:

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất nén – biến dạng không phục hồi

Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do nén:

Hình 2.5 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do nén

Quan hệ ứng suất kéo, biến dạng không phục hồi:

29

Hình 2.6 Quan hệ ứng suất kéo – biến dạng không phục hồi

Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do kéo:

Hình 2.7 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do kéo

Khai báo vật liệu bê tông trong phần mềm ABaqus