Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép có gia cường afrp

TRẦN THÁI MINH CHÁNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG AFRP Chuyên ngành: xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số ngành: 60.58.20 L

TRẦN THÁI MINH CHÁNH

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ

GIA CƯỜNG AFRP

Chuyên ngành: xây dựng dân dụng và công nghiệp

Mã số ngành: 60.58.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2007

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP HCM, ngày tháng năm 200

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN THÁI MINH CHÁNH Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 24/04/1982 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp MSHV: 02105493 Khóa (Năm trúng tuyển): 2005

1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU

DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG AFRP

2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tiến hành thực nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu AFRP

- So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP

- Phát triển phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép có gia cường bằng tấm FRP theo tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05 – 02 – 2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05 – 11 – 2007

5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH

LỜI CẢM ƠN

Luận văn là kết quả của một quá trình học tập và nghiên cứu Trong khi thực hiện luận văn ngoài sự cố gắng, nổ lực của bản thân là chủ yếu, còn có sự giúp đỡ động viên của nhiều người Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của mọi người Đầu tiên, tôi xin cảm ơn PGS.TS Bùi Công Thành và TS Hồ Hữu Chỉnh đã gợi

ý hướng đề tài nghiên cứu, và tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn Hai thầy đã đưa ra ý tưởng nghiên cứu và tạo điều kiện cho tôi phát triển ý tưởng Kiến thức của hai thầy đã giúp tôi vượt qua những vấn đề khó khăn gặp phải khi thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Quốc Thông, Th.S Kim Huy Hoàng, Th.S Hồ Đức Duy và các bạn sinh viên đã hỗ trợ tôi trong lúc thí nghiệm Cho tôi gửi lời cảm ơn đến phòng thí nghiệm Kết cấu xây dựng và phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, thuộc khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện nghiên cứu này Cuối cùng, không thể nào không biết ơn sự hỗ trợ, khuyến khích, động viên từ gia đình, bạn bè và các thầy cô trong bộ môn Công Trình, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trong thời gian học tập và thời gian thực hiện luận văn này

Học viên TRẦN THÁI MINH CHÁNH

TÓM TẮT

FRP là vật liệu được lựa chọn hàng đầu trong nền công nghiệp ôtô và hàng không không gian, từ trên 15 năm nay vật liệu FRP đang được gia tăng sử dụng trong các công trình xây dựng : FRP dạng thanh, cáp ứng suất trước dùng làm cốt chịu lực trong bê tông, FRP dạng tấm, vải, cuộn dùng để gia cường kết cấu bê tông cốt thép, gỗ Tuy nhiên tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế kết cấu bê tông có gia cường FRP còn rất hạn chế, đặc biệt là Việt Nam Luận văn này có 3 mục tiêu chính :

(1) Tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu quả làm việc của dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm AFRP

(2) Phát triển phương pháp tính toán bán thực nghiệm về khả năng chịu uốn của kết cấu bê tông cốt thép có gia cường AFRP theo hai tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCXDVN 356 : 2005

(3) So sánh và đánh giá kết quả tính toán theo phương pháp đề nghị với kết quả thực nghiệm

Các kết quả của luận văn rất hữu ích cho người kỹ sư thiết kế và là cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo về kết cấu bê tông cốt có gia cường FRP

MỤC LỤC

Nhiệm vụ luận văn thạc sỹ iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Mục lục vi

Danh mục các ký hiệu vii

Danh mục các chữ viết tắt viii

Chương 1 : Mở đầu 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 2

1.2.1 Ngoài nước 2

1.2.2 Trong nước 3

1.3 Mục tiêu của luận văn 4

1.4 Nhiệm vụ của luận văn 4

1.5 Cấu trúc luận văn 5

Chương 2 : Khái niệm chung về FRP 7

2.1 Khái niệm 7

2.1.1 Vật liệu FRP 7

2.1.2 Tính chất cơ lý của vật liệu FRP 8

2.1.2.1 Tính chất của các sợi (fibres) .8

2.1.2.2 Các chức năng chính của thành phần nền polyme 10

2.1.2.3 Tính chất của vật liệu FRP 12

2.1.2.4 Chế tạo vật liệu FRP 16

2.2 So sánh FRP và thép 18

2.3 Module đàn hồi 21

2.4 Cường độ 21

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu FRP 22

2.5.1 Độ bền mỏi FRP 22

2.5.2 Từ biến 23

2.5.3 Nhiệt độ 23

2.5.4 Độ ẩm 24

2.5.5 Bức xạ cực tím 24

2.5.6 Môi trường kiềm 25

2.5.7 Cháy 25

2.6 Ưu khuyết điểm của FRP 25

2.7 Qui trình thi công tấm FRP để gia cường/sửa chữa kết cấu bê tông 26

2.8 Ứng dụng FRP trong lĩnh vực xây dựng 29

Chương 3 : Khả năng chịu uốn của kết cấu dầm 41

3.1 Mô hình phân tích ứng xử của bê tông có gia cường FRPs 41

3.1.1 Các giả thiết 41

3.1.2 Các hệ số vật liệu 43

3.2 Phương pháp tính toán gia cường dầm một phương bằng tấm FRPs theo ISIS Canada 43

3.2.1 Các kiểu phá hoại khả dĩ 43

3.2.2 Tính toán 43

3.2.2.1 Cốt đơn 44

3.2.2.2 Cốt kép 51

3.3 Phương pháp tính khả năng chịu uốn của dầm phát triển từ tiêu chuẩn

TCXDVN 356 : 2005 53

3.2.2.1 Cốt đơn 54

3.2.2.2 Cốt kép 59

Chương 4 : Nghiên cứu thực nghiệm 61

4.1 Mục tiêu nghiên cứu 61

4.2 Phương pháp nghiên cứu 61

4.3 Vật liệu thí nghiệm 65

4.4 Tiến hành thí nghiệm 71

4.5 Thí nghiệm uốn dầm 150x150x600 74

4.5.1 Mô tả thí nghiệm 74

4.5.2 Kết quả thí nghiệm 76

4.5.3 Nhận xét 82

4.6 Thí nghiệm uốn dầm 150x200x3900 82

4.6.1 Mô tả thí nghiệm 82

4.6.2 Kết quả thí nghiệm 85

4.7 So sánh đánh giá kết quả phân tích và kết quả thực nghiệm 88

4.7.1 Kết quả tính khả năng chịu uốn của kết cấu dầm bê tông theo ISIS Canada 88

4.7.2 Kết quả tính khả năng chịu uốn theo phương pháp bán thực nghiệm phát triển dựa trên TCXDVN 356:2005 89

4.7.3 Tính toán độ võng của dầm có gia cường FRP phát triển dựa trên tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 90

4.7.4 Tổng hợp kết quả 94

Chương 5 : Kết luận và kiến nghị 97

5.1 Kết luận 97

5.2 Kiến nghị 98

Tài liệu tham khảo ix

Lý lịch trích ngang x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

1 KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC

a = chiều dày lớp bê tông bảo vệ thép chịu kéo mm

a’ = chiều dày lớp bê tông bảo vệ thép chịu nén mm

e = khoảng cách từ mép trên ƯS nén đến mép trên ƯS kéo mm

2 NGOẠI LỰC VÀ NỘI LỰC

3 ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU

σsc,u = ứng suất giới hạn của cốt thép vùng nén N/mm2

σt = ứng suất kéo của bê tông cốt thép N/mm2

εc = biến dạng nén của bê tông tương ứng với σc

εc0 = biến dạng nén tương ứng với fc

εcu = biến dạng cực hạn của bê tông vùng nén

εs = biến dạng của cốt thép

εfrp = biến dạng của tấm FRP

εy = biến dạng chảy dẻo của cốt thép

B = cấp độ bền chịu nén của bê tông N/mm2

Bm = cấp độ bền chịu nén tức thời của bê tông N/mm2

Ec = môđun đàn hồi tiếp tuyến khi chịu nén N/mm2

Ef rp = môđun đàn hồi của tấm FRP N/mm2

Et = môđun đàn hồi tiếp tuyến khi chịu kéo N/mm2

fc = ứng suất nén cực hạn của bê tông N/mm2

fc’ = cường độ chịu nén của bê tông N/mm2 xác định từ thí nghiệm mẫu trụ 100x200mm

4 CÁC HỆ SỐ KHÁC

Φb = hệ số tin cậy của bê tông

Φfrp = hệ số tin cậy của tấm FRP

Φs = hệ số tin cậy của cốt thép

α = hệ số tương quan cường vùng bê tông chịu nén giữa phương pháp ISIS Canada và tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACI American Concrete Institute

AFRP Aramid Fibre Reinforced Polymer

CFRP Carbon Fibre Reinforced Polymer

CSA Canada Standards Association

GFRP Glass Fibre Reinforced Polymer

ISIS Intelligent Sensing for Innovative Structures

SFRC Steel Fibre Reinforced Concrete

TCXDVN Tiêu Chuẩn Xây Dựng Việt Nam

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu

Lịch sử loài người đã sử dụng nhiều loại chủng loại vật liệu xây dựng : đá và gỗ

đã dùng hàng ngàn năm ; thép và bê tông đã dùng trên 200 năm Các kiến trúc đô thị hiện đại phần lớn sử dụng vật liệu bê tông cốt thép Bê tông rất dễ phát sinh vết nứt, cường độ chịu kéo, chịu uốn, khả năng chống va đập kém và thường có khuynh hướng phá hoại giòn, cốt thép dễ bị ăn mòn trong môi trường có tính acid dẫn đến các công trình ngày càng suy yếu, khủng hoảng công trình toàn cầu đang được đặt

ra Việc tìm kiếm các giải pháp công nghệ hay vật liệu mới, tiên tiến nhằm gia cưòng, nâng cấp kết cấu bê tông cốt thép là vấn đề quan trọng, chiếm tỉ trọng không nhỏ trong vốn xây dựng cơ bản hàng năm Một trong những loại vật liệu mới có nhiều tính năng ưu việt, thích hơp cho gia cường kết cấu bê tông cốt thép là vật liệu FRP

Giải pháp nghiên cứu khắc phục các nhược điểm của bê tông cốt thép, sữa chữa gia cường các kết cấu bê tông cốt thép như tạo ứng suất nén trước vùng chịu kéo của bê tông, sản xuất các loại bê tông cường độ cao Từ năm 1967 ý tưởng gia cường dầm bê tông cốt thép bằng cách gắn các tấm ”tăng cứng ” bằng thép vào vùng chịu kéo của dầm Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm là thép rất

dễ bị ăn mòn bởi sự tác động của môi trường nhất là những vùng ven sông, ven biển, vùng có khí hậu nóng ẩm, những vùng mà công trình phải tiếp xúc với băng tuyết Mặt khác nếu sử dụng tấm thép để gia cường thì bề dày của tấm thép có thể lớn khoảng 1-2 cm nên rất dễ xảy ra hiện tượng tách vỡ giữa tấm thép và kết cấu cần gia cường Vì vậy để khắc phục nhược điểm này, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã bắt tay vào tìm kiếm một loại vật liệu mới có thể khắc phục các nhược điểm của tấm thép Và người ta đã nghĩ tới việc dùng vật liệu phi kim loại FRP (Fibre Reinforced Polymer) mà trước đây nó là vật liệu được lựa chọn hàng đầu trong nền công nghiệp ô tô và hàng không không gian Từ trên 15 năm nay, vật liệu FRP đang

được gia tăng trong lĩnh vực xây dựng do các yếu tố sau : Không bị ăn mòn điện hóa ; tỉ số cường độ/trọng lượng cao ; không bị điện từ ảnh hưởng ; thi công dễ dàng và nhanh chóng ; đáp ứng tính chất cơ học theo yêu cầu ; tính dẫn nhiệt thấp Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu FRP tại Việt Nam đang ở mức độ khảo sát Kết quả khảo sát thực nghiệm và lý thuyết tính toán bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP nói chung và AFRP nói riêng tương thích với các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông hiện hành, ISIS Canada và TCXDVN 356 :2005, có giá trị thực tiễn cao và hữu ích cho người kỹ sư thiết kế

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Ngoài nước

Trên thế giới nhiều nhà khoa học đã thực hiện nghiên cứu về gia cường vật liệu FRP cho kết cấu bê tông cốt thép ở nhiều cấu kiện khác nhau, bao gồm khảo sát thực nghiệm, phát triển mô hình phá hủy và kiến nghị phương pháp tính toán

Vào những năm 1950, lần đầu tiên sợi thủy tinh xuất hiện trên thị trường [2], nó

đã mở ra những triển vọng mới trong việc sử dụng kết hợp giữa vật liệu này với nền chất keo trong kết cấu chịu lực Trong suốt thời kỳ chiến tranh lạnh, có rất nhiều tiến bộ trong việc ứng dụng vật liệu FRP trong ngành hàng không vũ trụ [2] Hơn nữa cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày càng có nhiều loại keo dán chất lượng cao, nhiều loại cốt sợi mới ra đời có tính năng ưu việt hơn sợi thủy tinh như sợi carbon, sợi Aramid và chúng nhanh chóng xâm nhập vào thị trường trên nhiều lĩnh vực trong đó có xây dựng FRP nhanh chóng chiếm ưu thế vì các tính chất ưu việt của nó

Những năm thập 1970, công nghiệp sản xuất vật liệu FRP đã phát triển nhanh chóng, giá thành đã giảm nhiều, người ta bắt đầu đưa vào ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác như cơ khí chế tạo ô tô, tàu thuyền, các dụng cụ thể thao như dụng cụ chơi golf, cần câu cá, vợt tennis [2]

Năm 1987, giáo sư Meier làm việc tại EMPA Dubendorf lần đầu tiên đưa ra biện pháp gia cường bằng cách dán tấm FRP vào các kết cấu dầm và sàn bê tông cốt thép [27] Với những kết quả khả quan ban đầu, ông tiếp tục mở rộng gia cường cho cột

và các kết cấu khác Hiệp hội các nhà xây dựng Nhật Bản đã sớm nhận ra vật liệu FRP là lời giải cho các vấn đề gia cường các công trình trong vùng ảnh hưởng động đất [27] Và Nhật Bản là một trong những nước đầu tiên ứng dụng vật liệu FRP vào xây dựng Hiện nay ở Nhật có hơn 1000 công trình sử dụng vật liệu FRP để gia cường Quan trọng hơn, FRP được xem là loại vật liệu chọn dùng để gia cường cho các kết cấu chịu động đất hiện nay và trong tương lai [2]

Việc ứng dụng vật liệu FRP vào trong xây dựng ở Mỹ chậm hơn so với châu Âu

và Nhật Bản do tính thận trọng của các nhà khoa học nước này [2] Viện bê tông Hoa Kỳ đã phát hành một tập tài liệu hướng dẫn tổng quát về cách sử dụng loại vật liệu này (ACI 440.2R-02) Một hội nghị quốc tế về nhà ở và văn phòng ICBO (International Conference of Building Officials) đã đưa ra một tiêu chuẩn tính toán [27] Hiệp hội kỹ thuật dân dụng Mỹ ASCE (American Society of Civil Engineers)

và hiệp hội các nhà xây dựng Mỹ TMS (The Masonry Society) cũng đưa ra một bản hướng dẫn sử dụng vật liệu này Tổ chức DOT’S và Caltrans (Mỹ) đã ra quy trình thi công sửa chữa gia cường cho các cây cầu và làm mới sàn mặt cầu bằng tấm và các thanh FRP [27]

Nhiều tiêu chuẩn, tài liệu đáng tin cậy đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới đưa ra cho gia cường FRP như ISIS Canada (Canada), ACI 440.02R-02 (Mỹ), TR55 (Anh), Recommendations for upgrading of concrete structures with use of continous fibre sheet của JSCE (Nhật)

1.2.2 Trong nước

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông bằng vật liệu FRP còn rất mới mẻ Do trang thiết bị nghiên cứu, tài liệu tham khảo và trình độ hiểu biết về công nghệ ứng dụng vật liệu FRP vào xây dựng còn hạn chế, nên số bài báo, đề tài nghiên cứu về vật liệu này còn khá ít Các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở mức độ

tính chất cơ lý, độ bền hóa học của vật liệu ; hầu như chưa có hướng dẫn tính toán

về gia cường bê tông cốt thép bằng FRP

Một số nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong những năm gần đây :

- Tạ Thanh Bình, Gia cường dầm sàn BTCT chịu uốn bằng tấm polyme sợi carbon (CFRP), Tạp chí Xây Dựng – Số 5/2002-Trang 28-60 [28]

- Phạm Huy Bình, Riadh Al-Mahaidi, Đoàn Định Kiến, Tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông bằng phương pháp dán tấm nhựa composite, Tạp chí Xây Dựng - Số 10/2002-Trang 30-32 [30]

- Đoàn Huỳnh Thuận (2004), Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong dầm bê tông cốt thép có gia cường bằng tấm CFRP, Luận văn thạc sỹ [26]

- Đặng Văn Tài (2004), Phân tích và tính toán cột BTCT có gia cường bằng tấm FRP, Luận văn thạc sỹ [27]

1.3 Mục tiêu của luận văn

Luận văn có ba mục tiêu chính :

(1) Tìm hiểu một cách ”đầy đủ ” về vật liệu AFRP

(2) Từ kết quả thực nghiệm, phân tích so sánh và đánh giá trên cơ sở ứng suất, chuyển vị và biến dạng của kết cấu dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP

(3) Phát triển hệ thống phương pháp tính toán bán thưc nghiệm của dầm bê tông cốt thép có gia cường vật liệu AFRP theo tiêu chuẩn thiết kế bêtông cốt thép TCXDVN 356 :2005

1.4 Nhiệm vụ của luận văn

Luận văn có các nhiệm vụ chủ yếu sau :

- Tiến hành thí nghiệm các mẫu bê tông để xác định các tính chất chủ yếu : cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn

- Tiến hành thí nghiệm các mẫu AFRP để xác định các tính chất chủ yếu : cường

độ chịu kéo, môđun đàn hồi

- Giới thiệu mô hình phân tích sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép có gia cường AFRP Khảo sát thực nghiệm kết cấu dầm bê tông cốt thép có và không có gia cường AFRP Đánh giá tính hợp lý giữa mô hình phân tích và kết quả thực nghiệm

- Đề nghị phương pháp tính toán bán thực nghiệm về khả năng chịu uốn của kết cấu bê tông cốt thép có gia cường AFRP theo các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện hành TCXDVN 356 : 2005

- So sánh kết quả tính toán theo phương pháp đề nghị và phương pháp ISIS Canada

1.5 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm năm chương

Chương 1 trong phần đầu tác giả giới thiệu lý do chọn đề tài, đối tượng và phạm

vi nghiên cứu, đó là kết cấu dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP, ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu Tiếp theo tác giả tổng hợp, phân tích và đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến vật liệu FRP Cuối cùng tác giả trình bày mục tiêu, nhiệm vụ và cấu trúc của luận văn

Chương 2 nêu lên khái niệm về vật liệu FRP, giới thiệu ưu điểm, tính chất cơ lý

và phạm vi ứng dụng của vật liệu FRP Giới thiệu các quy trình sản xuất vật liệu FRP, quy trình thi công vật liệu FRP trong sản xuất Cuối chương là phần tóm tắt giới thiệu các công trình lớn đã ứng dụng vật liệu FRP

Chương 3 trình bày về khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có gia cường FRP Trong đó, tác giả giới thiệu mô hình ứng xử, phân tích sự làm việc khi chịu uốn của kết cấu dầm có gia cường vật liệu FRP theo tiêu chuẩn ISIS Canada Đồng thời tác giả giới thiệu phương pháp tính toán khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có gia cường vật liệu FRP theo ISIS Canada, và kiến nghị phương pháp tính

toán bán thực nghiệm được phát triển dựa trên tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép hiện hành TCXDVN 356 : 2005

Chương 4 là phần nghiên cứu thực nghiệm về kết cấu dầm bê tông cốt thép có gia cường bằng AFRP Đây cũng là phần chính của luận văn Trong phần đầu của chương 4, tác giả nói rõ mục tiêu, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, vật liệu và máy móc, dụng cụ thí nghiệm Sau đó tác giả tiên hành thí nghiệm các mẫu dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP 0,1,2 lớp Kết quả thí nghiệm được phân tích và đánh giá

Chương 5 trình bày các kết luận rút ra được từ nghiên cứu đồng thời nêu lên các kiến nghị cho những nghiên cứu tiếp theo

Strain (%)

0 1000

Hình 2.15 Biểu đồ ứng suất – biến dạng của các loại FRPs [2]

™ So sánh định lượng

Loại sợi

Cường độ kéo max, (MPa)

Module đàn hồi, E (Gpa)

Độ giản dài khi kéo đứt, DL/Lo

fu

(%)Glass 517 - 1207 30 - 55 2 – 4,5Carbon 1200 - 2410 147 - 165 1 – 1,5Aramid 1200 - 2068 50 - 74 2 – 2,6Thép 483 - 690 200 >10

Bảng 2.2 Dựa trên số liệu kỹ thuật của 2001 sản phẩm FRP dạng thanh [2]

FRP System Loại sợi Trọng lượng

[g/cm2]

Chiều dày [mm] Cường độ kéo [MPa] Module đàn hồi [GPa]

Độ giản dài khi kéo đứt[%] Fyfe Co LLC [www.fyfeco.com]

Carbon Aramid GlassCường độ chịu kéo

Cao Khá cao Khá tốt Khá tốt Rất nhẹ Khá tốt Vừa

Cao Vừa Vừa Vừa Vừa Vừa Rẻ

Bảng 2.4 Bảng so sánh định tính [22]

+ Cường độ sợi σf ult

+ Cường độ vật liệu nền σm, ult

+ Hàm lượng sợi V f

- Các biến dạng phá hoại tương ứng

™ Trường hợp 1 : εm,ult <εf,ult (không thường gặp với FRP)

• Nếu lớn : V f σfrp,ult =σf,ult V f (2.2)

• Nếu nhỏ :V f σfrp,ult =σ'f V f +σm,ult(1−V f) (2.3)

™ Trường hợp 2 : εm,ult >εf,ult

Hình 2.17 Biểu đồ ứng suất - biến dạng trường hợp εm,ult >εf,ult

• Nếu nhỏ :V f σfrp,ult =σm,ult(1−V f ) (2.4)

m f ult f ult frp, =σ , V +σ' 1−V

σ

Hầu hêt FRP dùng trong kỹ thuật xây dựng có V f lớn hơn 0,1 [2]

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu FRP

2.5.1 Độ bền mỏi FRP [2]

- Sự mỏi : sự suy yếu hay phá hoại của vật liệu hay cấu kiện sau khi chịu nhiều chu kỳ lặp chất tải và dỡ tải

- Carbon FRPs có độ bền mỏi rất tốt

- Glass FRPs có khả năng chịu mỏi trung bình

- Aramid FRPs nhạy với tải trọng mỏi

Number of Cycles to Failure

High Modulus Carbon FRP Intermediate Modulus Carbon FRP Low Modulus Carbon FRP E-Glass FRP

101 102 103 104 105 106 107 1080

Hình 2.18 Biểu đồ ứng suất và số chu kỳ lặp [2]

2.5.2 Từ biến [2]

- Từ biến: trạng thái gia tăng biến dạng do tác dụng của một ứng suất không đổi liên tục

- Sợi tương đối ít nhạy cảm với từ biến

- Nền polyme là vật liệu đàn – nhớt và sẽ từ biến

- Với FRP đơn hướng chịu tải theo phương sợi sự phá hoại do từ biến không xảy

ra nếu giới hạn ứng suất dài hạn [2]:

• Đối với GFRP : 20% σfrb, ult

• Đối với AFRP : 30% σfrb, ult

• Đối với CFRP : 50% σfrb, ult

2.5.3 Nhiệt độ [2]

- Nhiệt độ cao gây hại tính chất cơ học và lực bám dính của FRP chủ yếu do làm hư hỏng vật liệu nền polyme

→

- Nhiệt độ làm việc do đó phải bị giới hạn

• Epoxy: 20oC nhỏ hơn nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg), thường nhỏ hơn 100oC

• Vinylester/polyester: 20oC nhỏ hơn nhiệt độ “xoắn do nhiệt” (heat distortion temperature)

- Vùng nhiệt độ thấp thường không cần quan tâm

- Các ảnh hưởng khác của nhiệt độ

• Nhiệt độ tăng thì từ biến sẽ tăng

• Nhiệt độ tăng thì sự hút ẩm và xâm nhập hóa chất sẽ tăng

• FRP dễ bị tăng ứng suất nhiệt do sự giãn nở nhiệt khác nhau

• FRP dễ bị hư hỏng do nhiệt độ thay đổi theo chu kỳ

2.5.4 Độ ẩm [2]

- Polyme hút nước tăng dần khi ở môi trường ẩm ướt

+ tiếp tục cho đến khi đạt độ ẩm bảo hòa

- Sợi Aramid → UV (ultra – violet) làm suy giảm tính chất cơ học

- Sợi Carbon và sợi Glass → không nhạy với bức xạ UV

- Vật liệu nền polyme →suy giảm nhẹ và bị bạc màu

- Chọn biện pháp chống UV thêm phụ gia vào polyme nền, dùng gel phủ bề mặt, sơn

→

2.5.6 Môi trường kiềm [2]

- Thanh FRP ngày càng trở nên phổ biến làm cốt chịu lực trong các kết cấu bê tông

- Độ pH trong bê tông thông thường khoảng 12 đến 13,5

- Tất cả polyme bị hóa mềm ở nhiệt độ cao

- Các vấn đề quan tâm khi FRP bị cháy:

• Giảm cường độ

• Giảm độ cứng

• Suy yếu liên kết neo dính

• Làm cháy lan rộng

• Tạo ra khói độc hại

- Nghiên cứu chống cháy cho FRP đang phát triển

2.6 Ưu khuyết điểm của FRP

™ Ưu điểm

- Không bị ăn mòn điện hóa (tính bền vững)

- Tỷ số cường độ /trọng lượng cao

- Không bị điện từ ảnh hưởng

- Thi công dễ dàng và nhanh chóng

- Đáp ứng tính chất cơ học theo yêu cầu (tính linh hoạt)

- Tính dẫn nhiệt thấp

™ Khuyết điểm

- Giá thành vật liệu cao, tuy nhiên giá FRP đang ngày càng giảm

- Bị phá hoại bởi nhiệt độ cao

- Lý thuyết tính toán đang phát triển

2.7 Qui trình thi công tấm FRP để gia cường/sửa chữa kết cấu bê tông [22]

¾ Chuẩn bị bề mặt kết cấu bê tông

- Cạo bỏ lớp vữa trát và làm sạch bề mặt bê tông

- Làm phẳng các mặt vùng bê tông lồi lõm

- Bo tròn các góc cạnh kết cấu với bán kính tối thiểu 10 mm

Hình 2.19 Bề mặt cột sử lý trước khi dán [22]

¾ Tạo lớp nhựa lót

- Dùng ru lô sơn lót nhựa epoxy lên mặt ngoài của cột/dầm bê tông đã làm sạch

Hình 2.20 Quét epoxy lên bề mặt cấu kiện [22]

¾ Tẩm nhựa lên vải

- Tẩm nhựa epoxy lên tấm FRP bằng ru lô

Hình 2.21 Quét epoxy lên tấm FRP [22]

- Dưỡng hộ khoảng 1-3 ngày ở nhiệt độ bình thường

Hình 2.23 Dưỡng hộ sau khi dán [22]

™ Kết cấu toàn bộ bằng FRP

Hình 2.25 Kết cấu cầu nhịp nhỏ toàn bộ bằng FRP ở Mỹ [2]

Hình 2.26 Thí nghiệm một panel bản mặt cầu bằng FRP[2]

™ Kết cấu bê tông ứng lực trước bằng vật liệu FRP

Cầu Taylor

- Khánh thành ngày 8 tháng 10 năm 1998, nằm ở Headingley, Manitoba

- Cầu gồm 2 làn xe, nhịp dài 165,1 m

- Hệ thống cảm biến truyền tính hiệu “cầu thông minh”

• Cảm biến sợi quang

• Cảm biến đo biến dạng

- có thể ghi nhận ứng sử dài hạn, so sánh FRP với vật liệu truyền thống

Hình 2.27 Cầu Taylor [2]

Hình 2.28 Cầu Taylor đang thi công [2]

Hình 2.29 Cốt FRP chiu uốn của cầu Taylor [2]

Hình 2.30 Đổ bê tông sàn mặt cầu [2]

Hình 2.31 Cầu Joffre [2]

Hình 2.32 Thi công lưới CFRP của bản mặt cầu [2]

Hình 2.33 Các bộ phận của cầu Joffre [2]

Hình 2.35 Đặt GFRP của bản mặt cầu [2]

Cầu Morristown

- Thông xe năm 2002, nằm ở Morristown, Vermont

- Nhịp dài 43m

- Dùng ISOROD GFRP trong bản mặt cầu

Hình 2.36 Cốt CFRP của bản mặt cầu lắp đặt trước khi đổ bê tông [2]

Hình 2.37 Cốt GFRP của bản mặt cầu [2]

™ Sửa chữa và gia cường

Kết cấu suy yếu do :

• Ảnh hưởng của môi trường

Hình 2.38 Sự ảnh hưởng của môi trường đến kết cấu [22]

• Nâng cấp tải trọng, nâng cấp tiêu chuẩn thiết kế

Hình 2.39 Tải trọng trước và sau thiết kế [22]

• Gia tăng mật độ giao thông

Hình 2.40 Mật độ xe trước và sau thiết kế [22]

- Sau khi đánh giá hiện trạng kết cấu

ƒ Xác định tình trạng của bê tông

ƒ Nhận rõ nguyên nhân hư hỏng

ƒ Xác minh khả năng chịu tải hiện thời

⇒Đánh giá tính khả thi của biện pháp gia cường FRPs

Hình 2.41 Tấm CFRP bọc ngoài để tăng khả năng chống cắt của dầm bê tông cốt

thép[2]

Hình 2.42 Tấm CFRP bọc ngoài để tăng sức chịu nén của cột BTCT (ép ngang)[2]

Hình 2.43 Tấm GFRP bọc ngoài để gia cường đầu nối của một kết cấu nhôm [2]

Hình 2.44 Thí nghiệm một tường xây gia cường tấm GFRP bọc ngoài [2]