Tuy nhiên, một số hạn chế của FRP như giá thành cao, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, bong tách lớp kết dính và không phù hợp với sự phát triển bền vững, đó là các lý do chính khiến[r]
Trang 1GIẢI PHÁP LAI GIA CƯỜNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI SỢI DỆT NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
TS LÊ NGUYÊN KHƯƠNG, ThS CAO MINH QUYỀN
Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải
PGS TS NGUYỄN XUÂN HUY
Đại học Giao thông Vận tải
GS SI LARBI AMIR
Viện nghiên cứu LTDS-ENISE Pháp
Tóm tắt: Trong khoảng 30 năm qua, vật liệu
composite Fiber-Reinforced Polymer (FRP) với đặc
tính cơ học tốt, dễ thi công, được phát triển và sử
dụng nhiều trong việc sửa chữa và gia cường các
kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên, một số hạn chế
của FRP như giá thành cao, dễ bị ảnh hưởng bởi
nhiệt độ, bong tách lớp kết dính và không phù hợp
với sự phát triển bền vững, đó là các lý do chính
khiến vật liệu FRP dần được thay thế bởi loại vật
liệu thân thiện hơn là bê tông cốt lưới sợi dệt
(Textile Reinforced Concrete - TRC) Mục tiêu của
nghiên cứu này là phân tích ứng xử và đánh giá sự
hiệu quả của vật liệu TRC ở hai mức độ là thí
nghiệm vật liệu và kết cấu Kết quả đạt được đã
chứng minh được hiệu quả của giải pháp lai gia
cường vật liệu cốt lưới sợi dệt trong việc gia cường
dầm bê tông cốt thép
Từ khóa: TRC, FRP, bê tông cốt thép, giải pháp
lai gia cường
Abstract: Over the last thirty years,
Fiber-Reinforced Polymer (FRP) composite material with
their good mechanical performance as well as the
easy implementation, which is developed and used
for repairing and strengthening reinforced concrete
structures However, FRP also have a number of
limitations, for example their very high price, their
incompatibility with sustainable development, this
makes FRP material to be replaced by an
environment friendly material, such as Textile
Reinforced Concrete (TRC) The objectives of this
study are to analyze the behavior and the effect of
TRC-strengthened on material and structural
design The results demonstrate the effectiveness of
the TRC and hybrid strengthening method for RC
beams
Keyword: TRC, FRP, reinforced concrete, hybrid
strengthning solution
1 Giới thiệu
Trong nhiều thập kỷ vừa qua, cùng với sự phát triển chung của khoa học, nhiều loại vật liệu mới đã được nghiên cứu và chế tạo nhằm thỏa mãn các yêu cầu về sử dụng, chịu lực, độ bền và hiệu quả kinh tế trong đó có bê tông cốt lưới sợi dệt (Textile-Reinforced Concrete - TRC) Những nghiên cứu chính liên quan đã tập trung vào đặc tính cơ học, chứng minh cơ chế làm việc chung và sự truyền ứng suất giữa lưới dệt và chất kết dính [1], [2] Một vài nghiên cứu đã kiểm tra tính phù hợp của TRC trong các kết cấu thực tế [3], [4], [5] và nghiên cứu chi tiết hơn về khả năng gia cường cho cấu kiện chịu uốn của TRC [6], [7]
Bài báo này miêu tả và khai thác kết quả thí nghiệm dựa trên 5 dầm dài 2m với mục đích nghiên cứu và đánh giá tính khả thi về công nghệ thi công cùng một số đặc tính cơ học của giải pháp sử dụng TRC Năm dầm thí nghiệm được chia thành 2 nhóm mẫu thí nghiệm, trong đó nhóm mẫu thí nghiệm đầu tiên được thực hiện trên 2 dầm nguyên vẹn (không
bị nứt) tương ứng với việc thi công trực tiếp lớp TRC trên bề mặt chịu kéo của dầm với mục tiêu chính là kiểm soát sự làm việc của dầm ở trạng thái xuất hiện vết nứt Nhóm mẫu thí nghiệm thứ hai tập trung vào 3 dầm đã bị hư hại (làm việc đến trạng thái giới hạn chảy của các thanh thép dọc), các dầm này được gia cường bằng các tấm CFRP hoặc TRC liên hợp với các thanh bằng sợi carbon hoặc thủy tinh và dán lên lớp chất nền được sử dụng làm chất kết dính với bề mặt kết cấu chịu kéo với mục tiêu nâng cao khả năng chịu lực giới hạn của kết cấu
2 Miêu tả thí nghiệm
2.1 Tính chất của vật liệu gia cường
Vật liệu bê tông cốt lưới sợi dệt (TRC) Vữa
gia cường nhãn hiệu Emaco R315 do công ty BASF
Trang 2sản xuất
dệt gia
lưới hìn
3x5mm
(cho cư
polyeste
Th
Với
bao gồm
trong vữ
lớp vải d
thanh cá
T T
Lớp
hoặc tha
hiện trên
t được sử dụ cường là m
nh chữ nhật
Các sợi dọ ường độ và
er (vải nhân
hủy tinh AR
giải pháp g
m 3 lớp vải
ữa Trong kh
dệt kháng kiề
ác bon (TRC
` Thanh thủy tin Thanh các bo
lưới sợi dệt anh carbon c
n hình 1 Tín
ụng cho các một lưới sợi
t và “mở”,
ọc (hướng t
độ bền) và tạo để may
Số lượn bản tron 16
gia cường th dệt kháng
i với giải ph
ềm được sử C+JC) hoặc
nh
n
Hình
t đan cùng
có hình dạng
nh ổn định c
thí nghiệm n dệt (đan dọ kích thước tải) là thủy t
à sợi ngang
y quần áo)
Bảng 1 Đ
ng sợi cơ
g 1 bó sợi
600
hông thườn kiềm được háp lai gia cư
ử dụng cùng
c kết hợp gi
Bảng 2 Đ
Đường kính (
2
2
1 Ví dụ lớp lư
các thanh th như trong v của TRC và c
này Vải ọc) Mắt
ô lưới tinh AR
g là vải Bảng 1
t N n v t p
Đặc tính kĩ thuậ
Độ mịn bó sợ 25000
g, TRC
c nhúng ường, 2 với các iữa các
b p đ n c
Đặc tính kĩ thu
(mm)
lưới sợi dệt đa
hủy tinh
ví dụ thể các giải
p k (
thể hiện đầy Nhằm tối ưu ngoài được việc xâm tán thêm vào Ph phương pháp
ật của thủy tin
0
bon và thủy phương chịu được xử lý nhám bề mặ
cơ học và hìn
uật của các th
E (MP 2500 14000
an cùng các th
pháp lai đượ kéo trực tiếp (hình 2)
y đủ các đặ
u hóa khả nă thiết kế để t
n của các s hương pháp
p đặt ướt (we
h AR
ường kính sợi bản (µm)
700
y tinh (TRC
u lực chính (quét bề mặ
t của chúng
nh học của c
anh
Pa)
00
00
anh thủy tinh
ợc xác định t của Contam
ặc tính của ăng của TRC tạo điều kiệ sợi vải trước gia cường s
et lay up me
cơ Chiề
+JVC) đặt của lưới s
ặt bằng silic Bảng 2 thể các thanh
Cường độ c
7 22
theo phương mine và các đ
a thủy tinh A
C, một lớp p
n thuận lợi c
c khi vữa đư
sử dụng TRC thod)
ều dài bó sợi (mm)
1102
vuông góc sợi Các tha ca) để tăng
ể hiện đặc trư
hịu kéo (MPa)
700
240
g án thí nghi đồng nghiệp
AR phủ cho ược
C là
với anh
độ ưng
)
iệm [8]
Trang 3cư
80
2.2
CFRP Cá
ường bằng c
ường độ chị
000 MPa
2 Mô tả mẫu
Hình 2.
ác đặc tính
arbon (CFR
u kéo: 700
u thí nghiệm
Mẫu thí nghi
chính của P) là chiều d MPa; Mô đ
m
Hìn
iệm kéo (hình
tấm dán gi dày: 0.4 mm đun đàn hồ
nh 3 Đặc trưn
học, thiết bị đ
ia m;
ồi:
Thé
được s chế sự
độ bê t
ng hình học củ
đo, tải trọng) q
ép và bê t
sử dụng là lo
ự chênh lệch tông tại 28 ng
ủa các dầm
uy luật ứng xử
tông Thép
oại bê tông tr
h giữa các lô gày là 30 MP
ử
loại E500
rộn sẵn, điều
ô khác nhau
Pa
Bê tông
u này hạn
u Cường
Trang 4dài 2.3 m
giá khả
được gia
Tên d
Dầm
Dầm
Dầm
D (T
Dầm
Thiế
TRC + J
dầm (đã
tại 4 điể
Một tải t
đến khi
Tron
đường c
tiên ở tr
của dầm
hư hại;
nhân rộn
cuối cùn
cường b
dầm đượ
tham ch
h nghĩa mẫu
m với khoảng năng của cố
a tải trước k
dầm và ký hiệu
m 1 (B_0)
m 2 (TRC)
m 3 (CFRP)
Dầm 4 RC+JC)
m 5 (TRC +
JVC)
ết bị đo Vật
JVC) và CF
hư hại) Các
ểm Khoảng
trọng tĩnh đ mẫu thử phá
ng trường hợ
cong tải trọng rạng thái đà
m, trong đó kh
pha thứ 2 l
ng của chún
ng là sự chả bởi TRC hay
ợc cải thiện hiếu (không
u thí nghiệm
g cách 2 gối
ốt thép, 3 dầ
hi được gia
Vật liệu gi
Không gia TRC (3 lướ
AR CFR TRC (2 lướ AR) + 2 than
JC TRC (2 lướ AR) + (JVC) tinh kết hợp
t liệu gia cư
RP được đặ
c mẫu thử đư cách giữa c ược đặt các
á hoại Để đo
ợp dầm khô
g - chuyển v
n hồi, thể h hông có vật
là sự lan tru
ng dọc theo
ảy của thép
y CFRP, khả
rõ rệt khi lự gia cường
Dầm có tổn
tựa là 2 m Đ
ầm bê tông c cường bằng
Bảng 3 Đ
a cường
a cường
ới thủy tinh R)
RP
ới thủy tinh
nh các bon
C
ới thủy tinh thanh thủy
p các bon
ờng lai (TRC
ặt tại mặt dư ược kiểm tra các gối tựa
ch nhau 60
o chuyển vị t
Hình 4 Đ
ng bị hư hạ
vị có 3 pha: p hiện sự nguy liệu của dầm uyền vết nứ chiều dài dầ Khi dầm đư
ả năng chịu
ực tới hạn c ) và các d
ng chiều
Để đánh cốt thép
g CFRP,
T c g g
Định nghĩa cá
Độ cứng d trục EA (M
- 1.8 4.8 3.5 3.3
C + JC;
ưới của
a tải uốn
là 2 m
cm cho thay đổi
l ở
2
t đ g
Đường cong tả
ại trước, pha đầu yên vẹn
m nào bị
ứt và sự ầm; pha ược gia tải của của dầm dầm gia
c l 1 v h t T c p t
TRC + JC v chiều dài 1.9 gối tựa trong giải pháp đượ
c mẫu thí ngh
dọc
Chưa
hư hạ
Đã bị hại
iên tục, một
ở chính giữa
2.3 Kết quả
Đường c thấy sự khác đầu không b gia cường
i trọng - chuyể
cường bằng ượt là 78k 143.63kN C với các than hợp lý giúp tăng lên đá TRC+JC và cường bằng pháp gia cườ tải trọng giới
và TRC + JV
95 m và đượ quá trình thí
ợc sử dụng c
iệm
bị
ại
hư
10 x 15
LVDT với ch dầm
thí nghiệm
cong tải trọn
c nhau về kh
ị hư hại và c
ển vị
TRC, TRC+J
kN, 98.58kN húng ta thấy
nh carbon v cho khả năn
ng kể, 23%
TRC+JVC
phương phá ờng bằng CF hạn có thấp
VC Các tấm
ợc cắt đi để đ
í nghiệm Bả cho nghiên c
thước vật liệu
-
10 x 150 (m 0.4 x 150 (m
10 x 150 (m
8 2 (các b
50 (mm) + 4
+ 122 (thủy
hu trình đo ±
ng - độ võn
hả năng giữ các dầm bị h
JC, TRC+JV
N, 121.4kN,
y giải pháp l và/hoặc thủy
ng chịu lực
% và 27% t Ứng xử củ
áp lai là tươn FRP mặc dù
p hơn
m gia cường
đi qua giữa
ng 3 tóm tắt
ứu này
u gia cường
mm) mm)
mm) + bon)
2 (các bon)
y tinh)
± 100 được
g (hình 4) c
ữa các dầm b
hư hại và đư
VC và CFRP 125.88kN
ai kết hợp T
y tinh được của dầm đư tương ứng
a các dầm
ng quan với g
ù khả năng c
có các các
đặt
cho ban ược
lần
và TRC đặt ược với gia giải chịu
Trang 53
đư
[9]
tôn
ph
các
TR
đư
SE
ph
cơ
cư
thé
hạ
chấ
tuy
sợ
AC
đư
hìn
“sm
Mô hình hó
Các mô hì
ược thiết lập b
để mô phỏn
ng cốt thép đ
Trong ngh
ần tử hai ch
c phần tử bê
RC Các tha
ược mô hình
EG2 Mô hìn
ỏng tính chấ
ơ bản của m
ường độ kéo
ép, các biến
n của vật liệ
ất đàn hồi
-yến tính, sau
ợi dệt bị phá
CIER_UNI d
ược sử dụng
nh bê tông I
meared fixed
óa
nh PTHH sử bằng phần m
ng ứng xử c
đã đề cập tớ
Hình
iên cứu này iều có 4 nút
ê tông thườn anh cốt thép
h hóa bằng
h đàn hồi d
ất vật liệu củ
mô hình bao
o chảy, cườ dạng tương
ệu Lưới sợi
- giòn Ứng
u khi đạt ứn hoại ngay l
o Menegotto
g để mô phỏ
NSA dạng d
d crack” do V
(a)
Hình 6 Dạng
E 0 Độ cứn
ε tm Biến dạ
ε rupt Biến dạ
ử dụng phần mềm mã nguồ chịu uốn của
ới ở trên Do
h 5 Mô hình p
y, phần tử tuyến tính, đ
ng và bê tông
p và lưới sợ
mô hình ph
ẻo được sử
a cốt thép, c
o gồm mô đ ờng độ cực ứng với mỗi dệt là loại vậ suất kéo tă
ng suất kéo
ập tức Mô
o và Pinto ỏng cốt thép dải đường n Viện Khoa h
(b)
g đường quan
Bảng 4
Định
ng (module Yo
g độ chịu nén
g độ chịu kéo ạng nứt theo p ạng nứt theo p
n tử hai chiề
ồn mở Cast3M năm dầm b
o tính chất đố
phần tử hữu hạ
QUA4, dạn được gán ch
g hạt mịn củ
ợi dệt có th hần tử than
ử dụng để m các đặc trưn đun đàn hồ hạn của cố
i trạng thái tớ
ật liệu có tín ăng gần như cực đại, lướ hình cốt thé [10] đề xuấ
và TRC M
ứt trung bìn học ứng dụn
n hệ ứng
suất-4 Tham số đầ
nghĩa oung)
phương kéo phương nén
ều
M
bê
ối
xứng v được m phỏng n của kết uốn và
ạn (1/2 dầm) d
ng
ho
ủa
hể
nh
mô
ng
ồi,
ốt
ới
nh
ư
ới
ép
ất
Mô
nh
ng
INSA d được d tông th vào qu cường dạng n
nén ε ru
nén đư
G f , đồn
thước p theo kí hủy tổn đổi, đả tham s thường tổng hợ ứng su phương
-biến dạng của
ầu vào của mô
Bê 2
về kết cấu và
mô phỏng, th này không ch
t cấu mà còn
cơ chế phá h
dầm gia cường
de Lyon ph dùng để mô hường và bê
an trọng của
độ chịu né nứt khi chịu k
upt Các biến ược tính toá
ng thời có x phần tử Sự ích thước ph
ng thể của đ
ảm bảo tính
số đầu vào
g, bê tông h
ợp bảng 4 v uất-biến dạng
g chịu lực ch
(c)
a (a) thép, (b)
ô hình bê tông
ê tông thường 28.E3 MPa
32 MPa 1.6 MPa 5.E-03 1.51E-2
à tải trọng n
ể hiện ở hìn
hỉ đánh giá đư
n cho phép p hoại của dầm
g bằng TRC
át triển và phỏng ứng
ê tông hạt m
a mô hình là
n f c, cường
kéo ε tm và bi
n dạng nứt k
n dựa trên n xét tới sự ả thay đổi các hần tử giúp đơn vị thể t sát thực củ định nghĩa ứ hạt mịn, cốt
và bảng 5 D
g của thép, T hính được th
)
TRC và (c) bê g
TRC 23.E3 M
29 MP 1.6 MP 4.E-03 1.3E-2
nên chỉ một
nh 5 Các mô ược khả năng phân tích ứng
m được gia cư
ứng dụng [
xử phi tuyế mịn Các tham
độ cứng ba
độ chịu ké iến dạng nứt khi chịu kéo năng lượng ảnh hưởng
c giá trị biến cho năng lư ích vật liệu
ủa mô hình ứng xử của thép, lưới s Dạng đường TRC và bê t
ể hiện trên h
bê tông
C MPa
Pa
Pa
3
2
nửa dầm
ô hình mô
g chịu lực
g xử chịu ường
[11], [12]
n của bê
m số đầu
n đầu E 0,
o f t, biến
t khi chịu
o và chịu phá hủy của kích dạng này ượng phá
là không [13] Các
a bê tông sợi được quan hệ tông theo hình 6
Trang 6dọc theo
tử thanh
lưới vải d
Khi
cường đ
khi phá
nứt của
sự tham
cường
việc vớ
mô phỏ
Hình
gia cườn
dễ dàng
với thí n
điểm và
[14]
Đườ
cho thấy
thực ngh
Thép TRC (AR)
i sợi được m
o chiều dài c
h được tính b
dệt theo phư xét tới ứng
độ chịu lực hủy không
bê tông mà
m gia chịu lự
Trong mô h
i nhau thôn
ng, liên kết
Hình 7 Ản
h 7 là kết qu
ng bằng TRC
g nhận thấy
ghiệm nhất
công bố củ
ờng cong lực
y sự tương đ hiệm của cả
E (GPa
210
70
mô hình bằng
ủa dầm (hìn bằng diện tíc ương chịu lực
g xử phi tu
c của dầm ở chỉ phụ thuộ
à còn phụ th
ực của cốt th ình đang xé
ng qua biến giữa các p
h hưởng của h
uả thí nghiệm
C theo 3 giá
C k = 0.25 c
Điều này ph
ủa Si Larbi v
c - chuyển v đồng giữa kế
ả dầm không
Bảng 5 Th
500 1000
g các phần t
h 5) Diện tíc
ch tương đươ
c chính
uyến của k
ở trạng thá
ộc vào năng huộc rất nh hép và lưới
ét, các phần
n dạng nút
phần tử bê t
hệ số kết dính
m và mô hì
trị của C k C cho kết quả
hù hợp với cá
và các đồng
ị giữa dầm
ết quả mô ph
g gia cường
ham số đầu và
2.38E
0 0.016
ử thanh
ch phần ơng của
ết cấu,
ái trước
g lượng iều vào sợi gia
n tử làm Trong tông và
c x t 1 t s đ n [ q t l
h giữa lưới sợi
nh dầm Chúng ta gần sát
ác quan
g nghiệp
(hình 8) hỏng và B_0 và
d đ h x n k n t v
ào của mô hình
ε sh
-3 3.5E-3
6 0.025
cốt thép, lướ
xử trượt, tu thực tế, thé 100% công tính kết dính
số làm việc được nghiên nghiệm trướ [14] Trong
quả C k của trong mô ph
ực kéo của
i và bê tông hạ
dầm gia cườ điểm bê tông hoại, giá trị tả xấp xỉ bằng n nghiệm và m khác biệt giữ nghiệm được tuyệt đối giữa vật liệu TRC t
h thép
σ su (MP
3 550 1102
ới sợi là hoà
ột của cốt
p và cốt lướ suất do nhi
h thực tế đó hiệu quả củ
n cứu và xé
ớc khi đưa v nghiên cứu cốt lưới sợ hỏng được lưới sợi
ạt mịn trong m
ờng bằng TR
g bị nứt, cốt
ải trọng giữa nhau, chuyển
ô phỏng cũn
ữa kết quả
c giải thích d
a bê tông - cố trong mô hình
0 0.
2 0.
àn hảo, khô thép trong
ới sợi khôn iều nguyên óng vai trò q
ủa cốt lưới
ét tới trong c vào mô hình này, hệ số
ợi được xét nhân với c
mô phỏng dầm
RC Có thể t thép chảy và
a mô phỏng
vị của các đ
g khá phù hợ
mô phỏng
do các giả th
ốt thép và sự
h phần tử hữ
su
05
05
ông xét tới ứ
bê tông T
g làm việc nhân trong quan trọng sợi vì thế c các kết quả
h hóa [8], [1
ố làm việc h tới Hệ số n cường độ c
m TRC
thấy, ở các t
à thời điểm p
và thực ngh đường cong th
ợp với nhau
và kết quả huyết về liên
ự đồng nhất
ữu hạn
ứng rên hết
đó
Hệ cần thí 12], iệu này chịu
thời phá iệm hực
Sự thí kết của
Trang 7là
cư
của
dầ
tru
dầ
TR
3)
tới
(C
Hình 8 S
Vùng nứt t
ời điểm độ v
dạng nứt p
ường bằng T
a dầm gia c
m không gia
Trong giới
ng làm rõ ph
m B_0 và T
RC+JVC (viế
được mô ph
cường độ
FRP so với T
So sánh kết qu
Hì
thể hiện trên õng giữa dầ hân bố điển
RC Tại cùn cường tập t
a cường
hạn của bài hương án và TRC Các d
ết theo ký hiệ
hỏng theo ng chịu kéo TRC) và hệ
uả mô hình và
ình 9 Vùng vế
n kết quả mô
ầm là 30mm
n hình khi d
ng một độ võ trung và nhỏ
báo, nhóm t
à kết quả mô dầm CFRP,
ệu đã định n guyên lý tươ khác nhau
số kết dính l
à kết quả thí ng
ết nứt xuất hiệ
ô hình hóa tạ (hình 9) Đâ
ầm được gi õng, vùng nứ
ỏ hơn so vớ
tác giả chỉ tậ
ô hình với ha TRC+JC v nghĩa ở bản ơng tự, có xé của vật liệ lớn hơn tron
ghiệm hai dầm
ện trong mô hì
ại
ây
ia
ứt
ới
ập
ai
và
ng
ét
ệu
ng
trường với TR
4 Kết
Sử trong g
đề cập trong đ lai dệt
và TRC hiệu qu Kết khả thi
m không gia c
ình tại chuyển
hợp lai gia c C)
t luận
dụng vật liệ gia cường cá
p trong nghiê
đó các thanh với lưới sợi C+JVC) giúp
uả trong gia c
t quả thí ngh của việc sử
ường và gia c
n vị 30mm
cường (TRC
ệu bê tông c
ác dầm bê tô
ên cứu Giải
h thủy tinh và TRC (hai trư
p nâng cao k cường của T hiệm cũng ch
ử dụng TRC
cường bằng TR
C+JC và TRC
cốt lưới sợi ông cốt thép
i pháp lai g
à thanh carb ường hợp T khả năng chị TRC
hứng minh đ nhằm nâng
RC
C+JVC so
dệt TRC
đã được
ia cường bon được TRC + JC
ịu kéo và được tính
g cao khả