Gia cường kết cấu sàn bê tông cốt thép bằng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---TRẦN MINH GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2020 DU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRẦN MINH

GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC

CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2020

DUT.LRCC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRẦN MINH

GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC

CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số : 85.80.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.TRƯƠNG HOÀI CHÍNH

Đà Nẵng - Năm 2020

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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 khác

Tác giả luận văn

Trần Minh

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Bố cục đề tài 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 2

1.1 Sự xuống cấp kết cấu bê tông cốt thép 2

1.1.1 Hư hỏng kết cấu BTCT do tác động của ăn mòn 2

1.1.2 Hư hỏng kết cấu BTCT do tác động của khí hậu thời tiết 5

1.1.3 Hư hỏng kết cấu BTCT về nứt do co ngót bê tông 8

1.1.4 Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của tải trọng 8

1.1.5 Tình trạng khai thác công trình và chế độ bảo trì: 10

1.2 Các trường hợp cần gia cường kết cấu bê tông cốt thép 10

1.3 Các phương pháp gia cường truyền thống 11

1.3.1 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng phương pháp mở rộng tiết diện 11

1.3.2 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng công nghệ dán bản thép 12

1.3.3 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng cáp ứng lực trước căng ngoài 14

1.4 Phương pháp gia cường bằng vật liệu mới CFRP 16

1.4.1 Giới thiệu về vật liệu CFRP 16

1.4.2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng vật liệu CFRP 18

1.4.3 Trình tự thi công gia cường kết cấu bằng vật liệu CFRP 20

1.5 Kết luận Chương 1 24

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP 25

2.1 Các tiêu chuẩn áp dụng cho thiết kế gia cường kết cấu BTCT 25

2.2 Thiết kế gia cường kết cấu sàn BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài 25

2.2.1 Nguyên lý tính toán 25

DUT.LRCC

2.2.2 Giả thuyết tính toán: 26

2.3 Thiết kế gia cường kết cấu sàn BTCT bằng tấm sợi cacbon cường độ cao 30

2.3.1 Yêu cầu thiết kế tăng cường sức kháng uốn bằng vật liệu CFRP 30

2.3.2 Tăng cường khả năng chịu uốn cho kết cấu BTCT 32

2.4 Ứng dụng phần mềm thiết kế gia cường sàn BTCT 41

2.5 Bố trí hệ thống quan trắc trong quá trình thi công cáp ƯLT căng ngoài 43

2.6 Kết luận Chương 2 44

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BTCT BẰNG CÁP ƯLT CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON 45

3.1 Giới thiệu chung về công trình Xí nghiệp Toyota Đà Nẵng mở rộng 45

3.2 Phương pháp gia cường kết cấu BTCT 46

3.2.1 Lựa chọn giải pháp gia cường kết cấu BTCT: 46

3.2.2 Kết quả kiểm tra kết cấu với hoạt tải 97,5 kG/m 2 và 600 kG/m 2 47

3.3 Thiết kế gia cường kết cấu sàn BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon 53

3.3.1 Thông số vật liệu: 53

3.3.2 Kết quả thiết kế gia cường kết cấu BTCT bằng ƯLT căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon 54

3.3.3 Thiết bị dùng trong quá trình thi công, thử tải và một số hình ảnh trong quá trình thi công gia cường, thử tải kiểm chứng 59

3.4 Kết quả đo đạc thực nghiệm 66

3.4.1 Tổng quan quá trình thực nghiệm 66

3.4.2 Tải trọng thử nghiệm và qui trình thử 68

3.5 Phân tích kết quả thử tải và biện luận 71

3.5.1 Đánh giá theo độ võng thử tĩnh 73

3.5.2 Đánh giá về ứng suất / biến dạng trong quá trình thử tải: 73

3.5.3 Kết quả quan trắc trong quá trình khai thác 74

3.6 Kết luận chương 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 76 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)

DUT.LRCC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON

Học viên: Trần Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật XD Công trình DD&CN

Mã số: 85.80.201 Khóa: K36.XDD Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Kết cấu dầm sàn bê tông cốt thép được sử dụng khá nhiều trong các công trình dân dụng

và hạ tầng kỹ thuật xây dựng khác Sau một thời gian khai thác vật liệu bê tông và cốt thép

có sự suy thoái của làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu Để khôi phục khả năng chịu tải ban đầu của kết cấu dầm, sàn bê tông cốt thép; điều chỉnh sơ đồ kết cấu hệ khung dầm sàn hoặc gia tăng tải trọng sử dụng lên sàn Có nhiều giải pháp gia cường khả năng chịu tải của kết cấu dầm, sàn bê tông cốt thép như: Mở rộng tiết diện, dùng cáp ứng lực trước căng ngoài,

sử dụng vật liệu compostite cường độ cao dán gia cường ngoài, điều chỉnh sơ đồ chịu lực kết cấu Trong đó phương pháp sử dụng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon cường độ cao để gia cường có ưu điểm thi công dễ dàng nên đang được ứng dụng nhiều hơn Nghiên cứu này trình bày cơ sở thiết kế gia cường kết cấu dầm sàn bằng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon, công nghệ thi công kết cấu bằng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon, kết quả thử tải kiểm chứng sau khi thi công gia cường kết cấu

Từ khóa: Bê tông cốt thép (BTCT), ứng lực trước (ƯLT), Cốt sợi cacbon (CFRP), Gia

cường, Phần tử hữu hạn (PTHH)

Abstract:

STRENGTHNING REINFORCED CONCRETE SLAB BY EXTERNAL

TENSIONING CABLE COMBINE CFRP

Structure of reinforced concrete floor beams is used quite a lot in civil works and other construction technical infrastructure After a period of exploitation of degraded concrete and reinforced materials, it reduces the bearing capacity of the structure To restore the original load bearing capacity of beam structures, reinforced concrete floors; adjust the structure of the girder frame structure or increase the load used on the floor There are many solutions to strengthen the load capacity of beam structure, reinforced concrete floor such as: Expanding the section, using external pre-tensioned tendon, using high-strength composite materials to adhere, adjusting the profile load bearing structure In which the method of using external pre-tensioned tendon combined with high-strength carbon fiber fabric for reinforcement has easy construction advantages, so it is being applied more widely This study presents the basic design of reinforcing the structure of floor beams by external pre-tensioned tendon combined with carbon fiber panels, construction technology by external pre-tensioned tendon combined with carbon fiber panels, results test load verify after structural reinforcement

Keyword: Reinforced concrete, Pre-stressed, Carbon fiber, Reinforced, Finite

element

DUT.LRCC

NSM Near surface mounted (Gắn sát bề mặt)

ACI Viện bê tông Hoa Kỳ

N/X Nước/Xi măng

PTHH Phần tử hữu hạn

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BẢNG

2-1 Giá trị ứng suất cộng thêm có xét đến giới hạn ứng suất lặp 40

3-3 Kết quả quan trắc ứng xử kết cấu trong quá trình thi công 69

3-9 Tổng hợp kết quả quan trắc trong quá trình khai thác 74

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1-6 Sơ đồ biến dạng của khung dưới tác động tải trọng nhiệt độ 5 1-7 Trạng thái chịu lực của khung dọc vào hình thức liên kết cột 6

1-15 Gia cường kết cấu BTCT bằng cách dán bản thép 13 1-16 Gia cường kết cấu BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài 14

1-18 Ứng suất – biến dạng vật liệu cốt sợi cacbon và sợi thủy tinh 17

1-21 Gia cường kết cấu dầm BTCT để tăng khả năng chịu uốn 19 1-22 Gia cường kết cấu dầm, cột BTCT để tăng khả năng chịu cắt 19 1.23 Gia cường kết cấu BTCT bằng sợi cacbon cường độ cao 19

DUT.LRCC

1-28 Sơn phủ chống tia UV sau khi dán vải CFRP 23

2-3 Biểu đồ Momen trên dầm do lực căng cáp gây ra 25

2-6 Biểu đồ Momen trên dầm do lực căng cáp gây ra 26

2-11 Biểu đồ mô men uốn do cáp ƯLT căng ngoài gây ra 28

2-13 Mô hình tính toán biến dạng ban đầu trong vật liệu FRP 35 2-14 Mô hình tính toán biến dạng ban đầu của vật liệu FRP 36

2-17 Hộp thoại định nghĩa trường hợp phân tích phi tuyến trong

SAP 2000

44

2-18 Cảm biến đo chuyển vị và đầu đọc NI9205 + Labview (Mỹ) 43

2-19 Hệ thống đo Sisgeo, Cảm biến đo biến dạng và phần mềm thu

số liệu

44

3-2 Hiện trạng mặt trên tầng 3 cần cải tạo nâng tải trọng khai thác 46

3-7 Biểu đồ momen, lực dọc với hoạt tải sử dụng 600kG/m2 49

DUT.LRCC

3-8 Nội lực trong sàn với hoạt tải sử dụng 600kG/m2 49 3-9 Độ võng kết cấu dầm, sàn với hoạt tải sử dụng 600 kG/m2 49 3-10 Biểu đồ momen, lực dọc với hoạt tải sử dụng 97,5 kG/m2 50 3-11 Độ võng kết cấu dầm, sàn với hoạt tải sử dụng 97,5kG/m2 50 3-12 Biểu đồ kiểm tra khả năng chịu uốn dầm với các hoạt tải 51 3-13 Biểu đồ kiểm tra khả năng chịu uốn sàn với các hoạt tải 51 3-14 Biểu đồ kiểm tra khả năng chịu cắt với các hoạt tải 52

3-19 Mặt bằng gia cường CFRP mặt dưới sàn tầng 3 55 3-20 Mặt bằng gia cường CFRP mặt trên sàn tầng 3 56 3-21 Cáp ƯLT căng ngoài được mô phỏng bằng phần tử calbe 56

3-25 Biểu đồ kiểm tra khả năng chịu uốn dầm sau khi gia cường 58 3-26 Biểu đồ kiểm tra khả năng chịu uốn sàn sau khi gia cường 58

DUT.LRCC

3-36 Cáp ƯLT sau khi tiến hành căng kéo 62 3-37 Gia cường cục bộ tại các vị trí đầu neo bằng CFRP 63

3-40 Kiểm soát kết cấu trong quá trình căng kéo cáp ƯLT 64

3-42 Phạm vi vùng chất tải thử tĩnh sau khi gia cường 67

3-45 Biểu đồ diễn biến độ võng theo thời gian tại các điểm đo 71 3-46 Biểu đồ diễn biến ứng suất theo thời gian tại các điểm đo 72 3-47 Biểu đồ quan trắc ứng suất tại vị trí cáp ƯLT 74

DUT.LRCC

Hiện nay, có nhiều giải pháp gia cường khả năng chịu tải của kết cấu dầm, sàn bê tông cốt thép như: Phương pháp mở rộng tiết diện, dùng bản thép gia cường (dán bản thép), dùng cáp ứng lực trước căng ngoài, sử dụng vật liệu compostite cường độ cao dính bám ngoài

Trong luận văn thạc sỹ ứng dụng học viên chọn đề tài nghiên cứu “Gia cường kết cấu sàn bê tông cốt thép bằng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon” là

có tính thời sự và ứng dụng thực tiễn

2 Mục tiêu đề tài

- Đề xuất giải pháp gia cường kết cấu: Sử dụng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Kết cấu sàn bê tông cốt thép thường

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm hiện trường

5 Bố cục đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan các phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép Chương 2: Cơ sở tính toán thiết kế gia cường kết cấu sàn bê tông cốt thép

Chương 3: Thực nghiệm gia cường kết cấu sàn bê tông cốt thép bằng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG

KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1 Sự xuống cấp kết cấu bê tông cốt thép

Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, bất lợi cho công trình xây dựng nói chung và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng Sự xâm thực mạnh của môi trường gây

ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu chịu lực, không đảm bảo tuổi thọ thiết kế

Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của môi trường xung quanh dưới các tác động khác nhau như tác động cơ học, lý học và hóa học Những tác động này diễn ra trong quá trình xây dựng và suốt thời gian vận hành khai thác làm cho công trình dần dần bị xuống cấp, dẫn đến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng của công trình hoặc mất an toàn về phương diện chịu tải Với những tác động đột xuất có thể gây sự cố nghiêm trọng như động đất, gió bão lớn, cháy nổ … có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần hoặc toàn bộ công trình

1.1.1 Hư hỏng kết cấu BTCT do tác động của ăn mòn

Các công trình xây dựng nói chung từ công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, giao thông vận tải, thủy lợi … đều có khả năng bị tác động của hóa chất ăn mòn với tính chất và mức độ khác nhau Đặc biệt là trong xây dựng công nghiệp hóa chất thường bị tác dụng trực tiếp của các hóa chất ăn mòn

Nguồn gốc của các hóa chất này có thể là các chất được sinh ra trong các quá trình công nghệ khác nhau các chất thải công nghiệp và dân dụng, các hóa chất có nguồn gốc sinh học hoặc các chất có trong không khí và trong các nguồn nước thiên nhiên

Ăn mòn bê tông cốt thép là một hiện tượng vật lý hóa học phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất ăn mòn của môi trường, chất liệu các thành phần của bêtông

a Sự hư hỏng do tác dụng cacbonat hóa trong bê tông

- Sự tập trung hàm lượng dung dịch Canxi hydroxit hoà tan Ca(OH)2 trong các lỗ hổng của kế cấu bê tông là kết quả của quá trình thuỷ hoá xi măng giúp giữ độ pH ở ngưỡng an toàn 12-13 Như đã nói, trong môi trường kiềm, cốt thép hoàn toàn được bảo

vệ khỏi các tác nhân ăn mòn nhờ vào lớp màng mỏng trên bề mặt (dày từ 2-20 nanomét) Tuy nhiên, quá trình carbonat hoá với sự hiện diện của CO2, nước và Ca (OH)2 tạo nên canxi carbonat và trung hoà môi trường kiềm trong bê tông theo phản ứng dưới đây:

DUT.LRCC

Hình 1-1: Quá trình cacbonat hóa trong bê tông

- Sau quá trình trung hoà, khi độ pH trong bê tông giảm xuống dưới mức 9, cơ chế

"tự bảo vệ thụ động" của BTCT không còn tồn tại và cốt thép bắt đầu bị ăn mòn

Hình 1-2: Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

- 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 Sự phát triển của 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

bê tông và cốt thép như hình 1-2

b Sự hư hỏng do xâm nhập của ion clorua

Clorua có thể tồn tại trong hỗn hợp bê tông thông qua nhiều cách Clorua có thể được đúc vào kết cấu thông qua phụ gia CaCl2 (đã ngừng sử dụng), hoặc các ion clorua

có thể tồn tại trong hỗn hợp cát, cốt liệu, nước, một cách vô tình hay cố ý Tuy nhiên, nguyên nhân chính của hiện tượng ăn mòn do clorua trong hầu hết các công trình là do

sự khuếch tán của ion clorua từ môi trường như:

- Kết cấu tiếp xúc trực tiếp với môi trường biển có nhiều muối

- Việc sử dụng muối làm tan băng hoặc các hợp chất hoá học có clorua

Tương tự quá trình carbonat hoá, quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp

ăn mòn cốt thép, ngoại trừ chúng phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển Nói cách khác, clorua đóng vai trò như một chất xúc

DUT.LRCC

tác cho quá trình ăn mòn BTCT Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hoá 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 1-3: Quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông

Ăn mòn cục bộ do sự tập trung của ion Cl- trên bề mặt cốt thép trong BTCT Có bốn cơ chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ bê tông:

- Sức hút mao dẫn;

- Sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt BTCT;

- Thẩm thấu dưới áp căng bề mặt;

- Sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế

Hình 1-4: Bê tông bản bị bong tróc, cốt thép bị rỉ

DUT.LRCC

Hình 1-5: Phản ứng kiểm alkali bê tông

1.1.2.Hư hỏng kết cấu BTCT do tác động của khí hậu thời tiết

Trong môi trường khí hậu thời tiết, kết cấu bê tông cốt thép chịu các tác động khác nhau do sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm… đều góp phần đẩy nhanh tình trạng xuống cấp

a Tác động của sự thay đổi nhiệt độ không khí

Cũng như mọi vật chất khác, kích thước của kết cấu BTCT cũng co giãn theo sự biến đổi của nhiệt độ môi trường Nhiệt độ ngoài trời ở nước ta về mùa đông và mùa hè chênh lệch khá lớn, đặc biệt là ở miền Bắc (từ Huế trở ra) độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mùa có thể đạt tới 35 ÷ 40°C Như vậy nếu một công trình có chiều dài liên tục 60

m với độ chênh lệch nhiệt độ 35°C, hệ số nở nhiệt của bêtông bằng 10°C, chiều dài của công trình có độ chênh lệch co dãn lên tới (hình 1-6) [8]

Δl = α (t – t0) L = 10-5.(35°C).60 = 0,021 m

Hình 1-6: Sơ đồ biến dạng của khung dưới tác động tải trọng nhiệt độ

Nếu bỏ qua biến dạng chịu nén của thanh ngang, chuyển vị của đầu cột biên cách điểm cố định một khoảng 60/2 = 30m là 0,021/2 = 0,0105m Chuyển vị này có thể gây

DUT.LRCC

ra nội lực trong cột 2 khá lớn Phụ thuộc vào cách liên kết của cột với móng và dầm dọc

ta có thể thấy xuất hiện các khe nứt tại cột và dầm hình 1-7 [8]

Hình 1-7: Trạng thái chịu lực của khung dọc vào hình thức liên kết cột

Đối với những kết cấu chịu tác dụng không đều của nhiệt độ tại hai mặt đối diện, tùy thuộc vào sơ đồ kết cấu mà sẽ xuất hiện những biến dạng khác nhau và xuất hiện những vết nứt tại vùng chịu ứng lực kéo Chẳng hạn về mùa hè dưới ánh nắng mặt trời, mặt trên của kết cấu mái khi không có lớp cách nhiệt có thể lên tới 50°C trong lúc mặt dưới trần mái chỉ vào khoảng 30°C hoặc bé hơn Do đó kết cấu mái biến dạng Với kết cấu liên tục có khả năng xuất hiện những khe nứt tại vùng chịu kéo phía dưới dầm gần gối tựa, tại đó có thể hình thành khớp dẻo Các khe nứt này đóng mở tùy theo nhiệt độ trong ngày

b Ảnh hưởng của độ ẩm

Ngoài hiện tượng co ngót trong quá trình thủy hóa, bê tông còn thay đổi thể tích khi lượng nước trong bê tông thay đổi sau khi bêtông đã đóng rắn Như vậy bê tông nếu ngâm trong nước sẽ có hiện tượng trương nở và nếu để khô ráo sẽ bị co ngót Lượng có ngọt của bêtông nặng vào khoảng 400 - 800 microstrains (1 microstrain = 1.109 mm/m) khi co ngót này bị ngăn cản, trong bê tông sẽ xuất hiện ứng lực kéo và do đó có thể xuất hiện các khe nứt khi ứng lực kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông

Ngoài ra độ ẩm còn tạo điều kiện cho các loại rong rêu, nấm mốc hoặc các vi sinh vật phát triển trên bề mặt bê tông Có loại rong rêu, nấm có rễ ăn sâu vào bên trong bê tông làm giảm yếu tác dụng của lớp bảo vệ Có những vi sinh bám vào mặt bê tông tiết

ra những chất có tác động ăn mòn như axit, amoniac… gây ảnh hưởng đến lớp bảo vệ của kết cấu [8]

c.Bê tông chịu tác động của băng giá

Ở nước ta ít khi lạnh đến nhiệt độ dưới 0°C nhưng cũng không loại trừ những trường hợp đặc biệt khi nhiệt độ không khí có thể hạ xuống 0°C tại những vùng núi phía bắc (Sapa) Hơn nữa đối với các công trình đông lạnh, nhiệt độ nhiều khi yêu cầu thấp tới -15°C hoặc thấp hơn Cho dù có lớp bảo ôn nhưng cũng có thể xảy ra trường hợp bê tông phải chịu tác dụng trực tiếp nhiệt độ dưới 0°C Vì vậy đây cũng là trường hợp bất lợi cho các công trình xây dựng Khi nước trong các lỗ rỗng của bê tông bị đóng băng

DUT.LRCC

thể tích tăng lên và gây ra nội lực trong cấu trúc bê tông, có thể gây nứt tách từng mẫu nhỏ và tiến dần từ ngoài vào trong [8]

Mức độ phá hoại của hiện tượng đóng băng, tan băng phụ thuộc vào:

- Tăng lên theo độ rỗng;

- Tăng lên theo độ ẩm bão hòa;

- Tăng lên theo số chu kỳ đóng băng, tan băng;

- Giảm xuống khi tăng bọt khí;

- Tăng lên khi mặt bằng ẩm ướt

d Bê tông chịu tác động của nhiệt độ cao (400 - 1200°C)

Dưới tác động của nhiệt độ cao (400 - 1200°C) cường độ bê tông giảm xuống và thể tích tăng lên Mức độ giảm cường độ bê tông theo nhiệt độ có thể tham khảo tại bảng 1-2 [8]

Bảng 1-2 Cường độ bê tông giảm theo nhiệt độ [8]

Hệ số nở nhiệt độ của bêtông 1.10-5 mm/ºc

Khi bị đốt nóng một phía, mức độ dãn nở thể tích không đều làm cho kết cấu bị biến dạng cong vênh, có thể sinh ra các vết nứt Phía gần ngọn lửa nhiệt độ lên cao gây tách, vỡ bề mặt kết cấu, một số cốt liệu có thể bị nổ, phá vỡ cấu trúc lân cận

Nước trong bê tông nhanh chóng bốc hơi gây nổ cục bộ những mẫu nhỏ bê tông Với nhiệt độ từ 400°C trở lên xi măng biến thành vôi sống làm phân rã kết cấu Cốt thép giảm cường độ và độ dãn nở nhanh hơn bê tông cho nên dễ bị uốn cong vênh và phá hủy độ dính với bê tông

Hình 1-8: Nứt do nhiệt độ

DUT.LRCC

1.1.3 Hư hỏng kết cấu BTCT về nứt do co ngót bê tông

Nứt là hiện tượng hư hỏng do nhiều nguyên nhân gây ra Mọi nguyên nhân đều do nhược điểm chính của bê tông tạo thành Cường độ chịu kéo quá thấp, khoảng 5% của cường độ chịu nén Một đặc điểm đáng lưu ý ở bê tông xi măng có tỷ lệ N/X cao hơn so với bê tông có chất dính kết hữu cơ

Co ngót là hiện tượng thể tích thay đổi do mất độ ẩm (mất nước), nó là một đặc tính của bê tông Tỷ lệ N/X càng cao, sự chênh lệch giữa mức co ngót ở mặt ngoài và bên trong tiết diện càng nhiều, co ngót tạo ra biến dạng khối Tính chất của sơ đồ rất dễ nhận dạng vì quy luật của nó khá ổn định Cốt thép và cốt liệu cản trở sự biến dạng co ngót

Do đó hàm lượng cốt thép trong tiết diện bê tông càng cao, mức độ cản trở co ngót càng lớn, càng dễ gây nứt

Bằng biện pháp cấu tạo và giảm tỷ lệ N/X đến mức thích hợp sẽ làm hạn chế đến mức tối đa hiện tượng nứt do co ngót bê tông

Hình 1-9: Nứt do co ngót

1.1.4 Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của tải trọng

Nguyên nhân quan trọng gây nên tình trạng hư hỏng và đẩy nhanh quá trình xuống cấp của kết cấu bê tông cốt thép là sự tác động của các loại tải trọng

Theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737 – 95 [1], căn cứ vào tính chất tác động mà tải trọng được phân ra:

- Tải trọng thường xuyên;

- Tải trọng tạm thời ngắn hạn và dài hạn;

- Tải trọng đặc biệt

Tuy nhiên trên quan điểm sử dụng có thể phân tải trọng thành hai nhóm:

DUT.LRCC

- Tải trọng hữu ích bao gồm các tải trọng sử dụng như trọng lượng bản thân kết cấu, trọng lượng vật liệu thiết bị, tải trọng do ứng lực trước, do chế độ nhiệt, do thao tác vận hành những tải trong này con người hoàn toàn có thể chế ngự được

- Tải trọng bất lợi bao gồm các tác động thiên nhiên như: Gió bão, lụt lội, động đất … hoặc do những sự cố cháy nổ, bom đạn, những sai lầm trong quá trình thi công hoặc trong vận hành khai thác công trình Những tác động này có thể xảy ra một cách ngẫu nhiên ngoài ý muốn của con người và chỉ có thể đoán định được phần nào về thời gian, tính chất và mức độ tác dụng của chúng Tải trọng đặc biệt nằm trong nhóm tải trọng bất lợi

Biểu hiện hư hỏng của kết cấu BTCT dưới tác dụng cơ học của tải trọng là nứt, vỡ, biến dạng và gãy Do tính đa dạng của kết cấu BTCT với các trạng thái chịu lực khác nhau cho nên tình trạng hư hỏng cũng khác nhau

Những biểu hiện ban đầu của tình trạng xuống cấp của kết cấu BTCT là sự xuất hiện và mở rộng các khe nứt Khác với những khe nứt do co ngót, do nhiệt hoặc do tác động của môi trường ăn mòn, các khe nứt do tác động cơ học của tải trọng thường có quy luật và dễ phát hiện

Một hiện tượng đáng chú ý là hiện tượng mỏi của vật liệu Dưới tác dụng trùng lặp nhiều lần của tải trọng, trong bê tông các khe nứt phát triển làm tăng độ thấm từ đó có thể kéo theo các tác nhân ăn mòn thâm nhập làm suy yếu các đặc trưng cơ lý của bê tông Hiện tượng mỏi gây nên sự suy thoái lực dính tức là lực liên kết giữa tập hợp vữa

và cốt liệu để hình thành cường độ của bê tông Khi lực dính suy thoái, cường độ của bê tông giảm xuống Hơn nữa khi lực dính giữa bê tông và cốt thép suy giảm, sự làm việc đồng thời giữa bê tông và cốt thép không còn đảm bảo làm cho khả năng chịu tải của kết cấu giảm theo

Hình 1-10: Xuất hiện các khe nứt tại dầm

DUT.LRCC

1.1.5 Tình trạng khai thác công trình và chế độ bảo trì:

- Việc sử dụng công trình không đúng với chức năng thiết kế chẳng hạn phòng học biến thành hội trường, hội trường biến thành nhà kho, nhà kho biến thành xưởng sản xuất với các thiết bị với tải trọng lớn … Do đó tải trọng tăng lên, kết cấu không đảm bảo khả năng chịu tải

- Trong quá trình khai thác sử dụng công trình thiếu ý thức bảo vệ, như gây những

va chạm mạnh lên kết cấu công trình, làm đổ các hóa chất ăn mòn, đổ nước thấm vào tường, nên ăn mòn kết cấu đồng thời nước thấm xuống đất nên có thể làm yếu khả năng chịu tải của đất nền, gây lún sụt cho công trình

- Sửa chữa, cải tạo một cách tùy tiện, làm thay đổi sơ đồ kết cấu và tải trọng mà không có biện pháp xử lý, không những gây mất mỹ quan mà còn gây nên tình trạng suy giảm khả năng chịu tải của kết cấu dẫn đến mất an toàn cho người sử dụng

Ngoài ra trong quá trình khai thác công trình mà không có kế hoạch bảo trì định

kỳ làm cho công trình ngày càng xuống cấp và đến một thời điểm nào đó công trình sẽ

bị phá hủy, Như vậy chế độ bảo trì công trình hợp lý là biện pháp kéo dài tuổi thọ cho công trình [8]

Hình 1-11: Bảo trì định kỳ kéo dài tuổi thọ công trình

1.2 Các trường hợp cần gia cường kết cấu bê tông cốt thép

Việc gia cường kết cấu BTCT công trình xây dựng nhằm đảm bảo hai nội dung sau:

- Gia cường đảm bảo khả năng chịu lực: Đối với các công trình có sự giảm sút

về mặt sức kháng, như diện tích cốt thép bị giảm do rỉ, liên kết giữa cốt thép chịu lực và bê tông không được chặt chẽ, tải trọng gia tăng so với thiết kế ban đầu, công trình

có những sai sót trong quá trình thi công làm giảm sức chịu lực của kết cấu,…

- Gia cường đảm bảo điều kiện khai thác: Các công trình mà sau một thời gian

sử dụng không đảm bảo điều kiện làm việc bình thường như bong bật, bào mòn của lớp

bê tông bảo vệ, rò rỉ, xâm thực của nước trong các khe nứt, cốt thép trong bê tông bị phồng rộp do bị xâm thực trong môi trường nước, biến dạng của kết cấu lớn hơn so với yêu cầu, …

DUT.LRCC

1.3 Các phương pháp gia cường truyền thống

1.3.1 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng phương pháp mở rộng tiết diện

Phương pháp tăng cường bằng mở rộng tiết diện: Là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất Với phương pháp này sơ đồ kết cấu và trạng thái chịu lực của kết cấu không thay đổi

Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà có các biện pháp tăng cường tiết diện bê tông, tăng cường tiết diện cốt thép hoặc kết hợp vừa tăng cường tiết diện bê tông vừa tăng cường tiết diện cốt thép

Tăng chiều cao phía biên chiu nén Tăng chiều cao phía biên chiu kéo

Tăng bề rộng và chiều cao tiết diện Tăng tiết diện theo bốn phía

Hình 1-12: Các dạng tăng tiết diện

Hình 1-13: Gia cường cột BTCT bằng cách tăng tiết diện

DUT.LRCC

* Ưu điểm của công nghệ này là:

- Công nghệ thi công đơn giản, giá thành thấp, dễ thi công

- Tăng đáng kể khả năng chịu tải Tùy theo mức độ yêu cầu, có thể tăng chịu tải của kết cấu lên tới 1,5 - 2 lần

- Do kích thước tiết diện tăng lên, độ cứng của kết cấu tăng theo do đó sẽ giảm được biến dạng

* Nhược điểm của công nghệ này là:

- Ván khuôn lắp ghép cồng kềnh

- Cần nhiều thời gian thi công và sử dụng nhiều nhân công

- Phải phá bỏ một phần kết cấu cũ để tạo dính bám, liên kết với phần kế cấu cũ

- Liên kết không đồng bộ giữa bê tông cũ và mới về cường độ và modun đàn hồi dẫn đến hiệu quả làm việc không đạt được mục đích mong muốn

- Mức độ co ngót khác nhau giữa bê tông cũ và lớp bê tông mới dễ sinh ra vết nứt sau thi công

- Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện

- Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho công trình

- Thay đổi kiến trúc tổng thể của kết cấu

1.3.2 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng công nghệ dán bản thép

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là dán các bản thép ngoài bổ sung lên bề mặt bê tông của kết cấu cũ để sửa chữa hoặc tăng cường kết cấu cũ Thông thường các bản thép được dán thêm vào ở vùng chịu kéo của mặt cắt (phía đáy dầm trong dầm giản đơn), nhưng cũng có trường hợp dán cả ở phần chịu nén của mặt cắt hoặc dán theo chiều xiên để chịu lực cắt

Mục đích chính của công nghệ này là:

- Khôi phục lại hoặc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu

- Bổ sung các cốt thép đã bố trí không đủ hoặc sát vị trí cần thiết

Chất lượng của biện pháp này phụ thuộc vào:

- Chất lượng vật liệu keo

- Công nghệ dán và ép

Công nghệ yêu cầu phải đáp ứng được hai mặt:

- Một là phải có loại vật liệu chuyên dùng cho sửa chữa với đặc tính là cường độ phát triển rất nhanh và có thể đạt được cường độ sử dụng sau 3-4 giờ Đồng thời phải thỏa mãn một số yêu cầu khác như: Lực bám dính tốt với bê tông cũ và với cốt thép, bền vững với tải trọng lặp, rung động, va chạm, có thời gian đông kết ngắn hoặc rất ngắn, nhưng có độ linh động cần thiết cho thi công và thời gian đủ để thi công, những yêu cầu

đó được thỏa mãn bằng vật liệu polymer PEX

- Hai là phải có các giải pháp thi công sửa chữa phù hợp với từng điều kiện thực

tế

DUT.LRCC

Để đảm bảo chất lượng, bê tông của kết cấu cầu phải đủ khả năng chống cắt trượt,

bề mặt bê tông trước khi dán keo phải sạch và khô ráo Khi áp bản thép vào bê tông phải tạo được lực ép dàn đều keo và làm cho bản thép áp sát theo dạng bề mặt bê tông Công nghệ được triển khai qua các bước dưới đây:

- Tiến hành xác định các phần bê tông bị hư hỏng, xác định hiện trạng gỉ cốt thép Trên cơ sở khảo sát, tính toán để phục hồi khả năng làm việc như thiết kế cũ hay gia cường để nâng cao khả năng chịu lực từ đó xác định loại và kích thước bản thép

- Bước tiếp theo cần xác định những chỗ bê tông hư hỏng, tiến hành đục phá bỏ Quá trình phá bỏ bê tông cần thực hiện theo các yêu cầu như đề cập ở trên

- Xác định những chỗ cốt thép bị gỉ, tiến hành tẩy sạch gỉ, nếu chỗ nào cốt thép bị giảm tiết diện do ăn mòn thì cần phải có biện pháp bổ xung, tăng cường

- Dọc theo chiều dài của bụng dầm, cần xác định các vị trí chôn cấy bulông và tiến hành khoan lỗ vào bê tông Sau đó làm sạch bề mặt các lỗ khoan, quét lớp tăng cường bám dính polymer PEX lên lỗ khoan và phần bulông chôn trong bê tông

Hình 1-15: Gia cường kết cấu BTCT bằng cách dán bản thép

* Ưu điểm của công nghệ này là:

- Thi công đơn giản, dễ thực hiện, giá thành thấp nhanh chóng đưa công trình vào

sử dụng, không ảnh hưởng nhiều đến tính chất làm việc liên tục của công trình

- Thích hợp cho việc gia cường kết cấu 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

- Phương pháp này có khả năng nâng cao đáng kể khả năng chịu tải, chịu lực của cột lên được 2,0 – 2,5 lần

- Hiệu quả trong hạn chế độ mở rộng vết nứt trong kết cấu bê tông

* Nhược điểm của công nghệ này là:

- Lắp đặt các tấm thép khó khăn, cần nhiều nhân công thực hiện

- Bản thép cần phải điều chỉnh chế tạo và gia công trước phức tạp

DUT.LRCC

- Khó khăn trong cẩu lắp, thi công tại những khu vực chật hẹp

- Khoan và bắt bulông vào bê tông có thể phát sinh sự cố như làm giảm tiết diện chịu lực của kết cấu

- Công việc hàn thép tấm có thể xảy ra hiểm họa cháy nổ

- Khó khăn trong việc quản lý chất lượng

- Chất lượng, tuổi thọ phụ thuộc rất nhiều vào hiện trạng kết cấu nhịp cũ

- Phải sơn bảo vệ bản thép định kỳ chống rỉ

1.3.3 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng cáp ứng lực trước căng ngoài

Là Phương pháp bổ sung các bó cáp ứng lực trước căng ngoài nhằm tạo ra một ứng lực nén trước trong bê tông để tăng khả năng chống nứt cho kết cấu bê tông Việc áp dụng cáp ứng lực trước căng ngoài là để tạo ra được những tác động ngược lại với tác động ban đầu của ngoại lực nhằm nâng cao khả năng chịu tải của kết cấu

* Ưu điểm của công nghệ này là:

- Khả năng tạo ra trạng thái phân bổ lại nội lực trên kết cấu do ứng lực trước gây nên hay nói cách khác là quy luật biến dạng xảy ra ngay trên vật liệu già nua đã mất mát quá nhiều tính chất khôi phục của biến dạng đàn hồi vì thế khả năng chịu lực của kết cấu cũ sẽ được nâng lên một cách có hiệu quả

- Hiệu quả trong việc tăng cường chống nứt cho kết cấu bê tông

- Có khả năng điều chỉnh lực căng trong quá trình khai thác

- Thích hợp cho việc gia cường vùng chịu kéo, đặc biệt cho kết cấu chịu uốn, hiệu quả kỹ thuật rất cao

Hình 1-16: Gia cường kết cấu BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài

DUT.LRCC

* Nhược điểm của công nghệ này là:

- Việc thi công đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao cũng như các tính toán chính xác, cáp ƯLT căng ngoài đòi hỏi phải được bảo vệ và kiểm soát an toàn trong quá trình khai thác, đôi khi khó khăn trong việc thiết kế các ụ neo cũng như các ụ chuyển hướng Thi công đòi hỏi phải có không gian căng kéo cáp

- Hiệu quả giải pháp tăng cường bằng cáp ƯLT căng ngoài phụ thuộc vào việc kiểm soát các mất mát ứng suất, công việc này đòi hỏi nhân công thực hiện có trình độ cao

- Phải có biện pháp bảo vệ lâu dài và thường xuyên các bó cáp ƯLT lộ ra bên ngoài kết cấu

- Việc bố trí cáp ứng lực trước căng ngoài nhằm tạo ra nội lực trong kết cấu ngược với nội lực trong quá trình khai thác.Tuy nhiên khi đó lại tạo ra ứng suất kéo ở thớ chịu nén khi chịu lực trong quá trình khai thác của bản thân kết cấu nên dễ gây nứt đối với thớ này

Trình tự gia cường kết cấu BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài:

- Công tác chuẩn bị: Trước khi thi công, tất cả các thiết bị căng kéo cáp và cáp cường độ cao phải mang kiểm tra Khi hệ thống thiết bị căng kéo ƯLT đảm bảo các thông số thi công và phải được cấp chứng chỉ thì mới được thi công Ngoài ra, để đảm bảo an toàn cho thiết bị, an toàn lao động… ta cần phải chuẩn bị, kiểm tra lần cuối trước khi đưa thiết bị vào thi công, đảm bảo rằng hệ thống thiết bị không có một sự cố bất thường nào

- Chuẩn bị nguồn điện: Đối với những bộ nguồn thuỷ lực có nguồn động lực là động cơ điện hoặc bộ phân phối điều khiển bằng điện, ta cần phải chuẩn bị sẵn sàng nguồn điện cho bộ nguồn thuỷ lực Ngoài ra nguồn điện còn phục vụ cho nhu cầu chiếu sáng khu vực thi công và vận hành thiết bị

- Thi công lắp đặt lắp gối đỡ, đầu neo: Các đầu neo và gối đỡ được chế tạo sẵn tại xưởng

- Lắp đặt cáp ứng lực trước và neo cáp vào đầu neo:

+ Các tao cáp ứng lực trước được căng thẳng sau khi cắt đúng theo chiều dài thiết

kế Tiến hành luồng các tao cáp vào vị trí gối đỡ và đầu neo

+ Các tao cáp cần bảo quản khỏi bị rỉ do ẩm ướt của không khí Không được làm dính dầu mỡ, đất cát, không được làm xây sát biến dạng bó cáp

- Tiến hành căng kéo: Các bước căng kéo được tiến hành theo các cấp tải sau + Dùng kích đơn kéo từng tao cáp

+ Bước 1: Căng so dây, lực căng so dây là lực nhỏ thường bằng 0,1Pk dừng lại hồi kích về 0 và kiểm tra (nếu không có sai sót) đánh dấu điểm đo độ dãn dài của cáp, ghi chép số liệu thu được và chuyển sang bước 2

+ Bước 2: Căng từ 0,2Pk; 0,4Pk; 0,6 Pk; 0,8Pk; 1,0Pk (đóng nêm) Ở mỗi cấp tải trọng dừng lại 5 phút và đo độ giản dài của cáp

DUT.LRCC

+ Mỗi cấp lực căng kiểm tra đối chiếu số đọc lực căng trên đồng hồ áp lực kích đã được kiểm chuẩn và kiểm tra độ giản dài tương ứng với các cấp lực bằng dụng cụ đo thước kẹp hiện số độ chính xác 0,01mm

+ Nếu có hiện tượng bê tông có dấu hiệu bị phá hoại tại đầu neo hay gối đỡ thì phải dừng ngay

1.4 Phương pháp gia cường bằng vật liệu mới CFRP

Phương pháp gia cường kết cấu bằng vật liệu CFRP: Trước đây khoảng 40 năm người ta đã biết đến việc gia cường sức kháng uốn của kết cấu bằng phương pháp dán bản thép Do kết cấu thép dễ bị rỉ nên sau một thời gian khai thác, lực bám dính suy giảm, dẫn đến kết cấu làm việc không được an toàn Khoảng 20 năm gần đây, việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi các bon và thủy tinh đã thay thế dần các bản thép Các tấm vật liệu tổng hợp này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại cường độ cao (chiếm khoảng 70% thể tích) kết hợp với 15 keo epoxy

1.4.1 Giới thiệu về vật liệu CFRP

Sợi cacbon (Cacbon fiber - CF) được sáng chế vào năm 1879 bởi Thomas Edison

và được coi là loại sợi tổng hợp cổ nhất của loài người, nhưng lại có giá trị rât lớn đen

sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại Ban đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi cacbon làm dây tóc của bóng đèn Mặc dù lúc đó sợi sợi cacbon không giống như sợi carbon ngày nay, nhưng chúng lại có sức chịu đựng đáng kể với nhiệt độ, điều này khiến cho sợi cacbon trở thành ý tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện, về sau, đến tận những năm 1950, Rayon đã khám phá ra khả năng kéo giãn của sợi cacbon để tạo ra vật liệu có khả năng chịu kéo cao

Hình 1-17: Cấu trúc vật liệu FRP (Gibson, 1994) Trong các vật liệu cốt sợi thì vật liệu sợi cacbon có các đặc tính tốt hơn

về cường độ chịu lực cũng như mô đun đàn hồi so với các vật liệu cốt sợi khác như thủy tinh và aramid (hình 1-18)

DUT.LRCC

Hình 1-18: Ứng suất – biến dạng vật liệu cốt sợi cacbon và sợi thủy tinh Sợi cacbon đã được thương mại từ 1960 trong ngành hàng không, vũ trụ và các yêu cầu ưng dụng vật liệu nhẹ Hiện nay, sợi cacbon được ứng dụng rộng rãi trong hàng không, giải trí, công nghiệp, giao thông và vật liệu composite Composite làm từ sợi cacbon tối ưu về độ bền, đọ cứng, nhẹ và chống nứt cao, chịu được nhiệt độ cao và trơ với hóa chất

Sợi Cacbon chịu lực được cấu tạo bởi rất nhiều sợi cacbon được xoắn với nhau, có thể được sử dụng bởi sợi độc lập hoặc dệt thành vải Sợi carbon kết họp với chất kết dính tạo thành vật liệu CRFP

Vật liệu CFRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của CFRP 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 dựng

Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây:

- Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi carbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh)

- Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester)

- Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP

- Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

Hình 1-19: Hướng phân bố của cốt sợi

DUT.LRCC

Dạng tấm Dạng cuộn

Dạng chế tạo sẵn Dạng thanh Dạng băng Hình 1-20: Các loại sản phẩm của vật liệu FRP

1.4.2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng vật liệu CFRP

So với các phương pháp gia cường truyền thống, sử dụng tấm sợi cacbon cường

độ cao có nhiều ưu điểm như sau:

- Vật liệu composite có ưu điểm là nhẹ, không bị rỉ và có cường độ chịu kéo cao;

- Thi công nhanh chóng theo một số hình dạng tạo thành các tấm composite có thể uốn cuộn phù hợp với các bề mặt của cấu kiện;

- Không yêu cầu cần thiết bị thi công nặng và đặc biệt Có thể thi công nơi diện tích nhỏ hẹp;

- Chiều cao kết cấu được giữ nguyên và tĩnh tải gia tăng không bị ảnh hưởng;

- Tăng cường cho trụ chịu nén uốn đồng thời;

- Tăng cường khả năng chịu nén của trụ bằng việc kìm chế nở hông;

- Tăng độ dẻo cho cấu kiện dưới tác dụng của tải trọng lặp, tải trọng động;

- Không bị ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn cho kết cấu;

- Giảm thời gian ngừng khai thác công trình trong quá trình thi công;

- Có thể hoàn thiện bề mặt bằng nhiều loại vật liệu khác nhau;

- Có thể áp dụng được tại những vị trí yêu cầu độ ẩm cao hoặc dưới nước

* Nhược điểm của công nghệ này là:

- Hiệu quả của giải pháp tăng cường bằng vật liệu CFRP phụ thuộc chính vào vật liệu chất kết dính epoxy và quy trình kiểm soát chất lượng trong thi công;

DUT.LRCC

- Việc kiểm soát chất lượng thi công phải được nhà cung cấp vật liệu CFRP chấp thuận trước khi đưa công trình vào sử dụng;

- Không thích hợp cho kết cấu chịu nhiệt vì dưới tác dụng của nhiệt độ cao các keo dính có nhiều vấn đề

Hình 1-21: Gia cường kết cấu dầm BTCT để tăng khả năng chịu uốn

Hình 1-22: Gia cường kết cấu dầm, cột BTCT để tăng khả năng chịu cắt

Hình 1-23: Gia cường kết cấu BTCT bằng sợi cacbon cường độ cao

DUT.LRCC

1.4.3 Trình tự thi công gia cường kết cấu bằng vật liệu CFRP

a Bước 1: Chuẩn bị bề mặt kết cấu trước khi dán CFRP [9]

- Sửa chữa hư hỏng bề mặt kết cấu (nếu có):

+ Các vị trí sứt, vỡ, rổ trong bê tông cần phải được đục bỏ, vệ sinh và trám vá bằng vật liệu bê tông không co ngót có cường độ tối thiểu f’c = 28MPa Các yêu cầu kỹ thuật sửa chữa hư hỏng bê tông cần tuân thủ tiêu chuẩn ACI 546R-14 [15] Trước khi trám vá cần xử lý rỉ cho cốt thép (nếu có) Phần tiếp giáp giữa bê tông cũ và bê tông mới cần sử dụng vữa kết nối (chất kết dính) để đảm bảo sự dính bám tốt giữa 2 phần bê tông cũ và mới

+ Tất cả các vết nứt trên bề mặt bê tông có chiều rộng lớn hơn 0,25 mm phải được

xử lý bằng bơm keo Epoxy theo tiêu chuẩn ACI 224.1R [14] Các vết nứt nhỏ hơn nếu ảnh hưởng đến sự ăn mòn của cốt thép cần được bơm nhựa hoặc phủ bằng sợi Carbon, sợi thủy tinh để ngăn chặn sự ăn mòn của cốt thép hiện có Vật liệu CFRP chỉ được thi công sau 24 giờ bơm keo Epoxy

- Mài phẳng bề mặt :

+ Tất cả các bề mặt dán cần được mài phẳng bằng thiết bị mài chuyên dụng (máy mài cầm tay) Đặc biệt các vị trí bất thường, không đồng đều, và những chỗ lồi lõm cần được xử lý bằng mài phẳng để đảm bảo độ bằng phẳng theo yêu cầu Đối với các bề mặt thông thường độ sâu mài tối thiểu là 1,0 mm đối với bề mặt bê tông có cường độ ≥ 25 MPa và 2mm đối với bề mặt bê tông có cường độ ≥ 17MPa (thông thường độ mài sâu yêu cầu từ 1mm ~ 3mm)

+ Đối với các vị trí không thể mài phẳng theo yêu cầu cần được lấp đầy bằng vữa gốc keo epoxy hoặc vữa xi măng polymer với cường độ tối thiểu lớn hơn hoặc bằng cường độ của bê tông hiện hữu

- Vệ sinh bề mặt :

+ Vệ sinh bề mặt được tiến hành sau khi đã nghiệm thu công tác mài phẳng, xử lý

bo tròn các cạnh góc nhọn và xử lý các vết nứt Công tác làm sạch sẽ loại bỏ bất kỳ bụi,

mỡ, dầu, các hợp chất hữu cơ khác Làm sạch có thể được thực hiện với biện pháp thổi khí áp lực cao, máy hút bụi, phun nước áp lực cao, hoặc các biện pháp tương đương khác, biện pháp hút chân không làm sạch có thể sử dụng trong các điều kiện yêu cầu cao

về môi trường Nếu sử dụng biện pháp phun nước áp lực cao để rửa bề mặt, bề mặt phải được để khô hoàn toàn trước khi thi công vật liệu CFRP

* Các chú ý :

+ Việc xử lý các hư hỏng, khuyết tật của bê tông tối thiểu 7 ngày trước khi thi công

bề mặt trước khi dán sợi CFRP, trừ khi được bảo dưỡng và sử dụng phụ gia đông cứng nhanh được kiểm chứng bởi các thí nghiệm

+ Bất kỳ bề mặt thô, không bằng phẳng phải được xử lý mài phẳng

b Bước 2 : Pha trộn keo và cắt vải theo thiết kế [9]

35oC

+ Tỷ lệ pha trộn keo được ghi rõ trên nhãn của cặp keo A hoặc B theo tỷ lệ về thể tích hoặc theo tỷ lệ về khối lượng

+ Quá trình pha trộn keo có thể dùng mô tơ hoặc thủ công khuấy đều trong khoảng

5 đến 10 phút cho đến khi hỗn hợp được trộn đều Thiết bị dùng để khuấy phải đảm bảo

đủ độ cứng không phai màu hoặc gây bẩn cho keo Thông thường thời gian trộn là 5 phút trong trường hợp tốc độ trộn là 400-600 vòng trên phút

Hình 1-25: Quá trình pha trộn treo

DUT.LRCC

- Cắt vải :

+ Dùng kéo cắt giấy thông thường để cắt vải sợi

+ Khi đo khổ vải để cắt chú ý không cắt bằng khổ sợi thiết kế (bằng bề mặt kết cấu hiện hữu) mà cắt hụt khoảng 1cm đến 2cm Vì quá trình lăn keo và dán sợi sợi sẽ dãn ra

đủ bề mặt thiết kế

+ Khi cắt chú ý đến các thớ của sợi tránh cắt qua thớ dọc sợi

+ Sợi sau khi cắt phải được bảo vệ chống bụi bẩn ; bảo quản chống nhăn, gẫy + Nên sử dụng các ống nhựa để cuộn lại các khổ vải đã cắt Đường kính ngoài tối thiểu của ống từ 125mm đến 150mm

c Bước 3 : Chi tiết thi công dán vải CFRP [9]

- Trát keo lớp lót trên bề mặt kết cấu và tẩm keo cho sợi :

+ Sử dụng con lăn hoặc bay trát lớp keo lót Epoxy trên bề mặt kết cấu (tối thiểu 2 lớp) Đợi cho lớp keo lót đạt trạng thái bắt đầu dính bám (sờ tay), tối thiểu từ 30 ~ 60 phút Định mức quét keo lót 0,2 kg/m2

+ Có thể trám vá, tạo phẳng cho các bề mặt không bằng phẳng bằng keo Epoxy

Hình 1-26: Quá trình thi công trát keo

- Dán sợi :

+ Thấm đậm (bão hòa) vải sợi bằng keo Epoxy theo khuyến cáo của nhà sản xuất Việc này có thể thực hiện bằng tay cho các công trình nhỏ, hoặc có thể sử dụng máy + Dán lớp vải sợi bão hòa keo vào bề mặt bê tông bằng tay, dùng con lăn ép để đảm bảo tất cả mọi khoảng trống và khí được loại bỏ

+ Khoảng trống giữa các dải vải sợi chạy song song với sợi cơ bản không được vượt quá 1/2 in bề rộng trừ khi có chỉ dẫn khác trong bản vẽ thiết kế Chiều dài phần gối lên nhau giữa các dải vải sợi theo phương của sợi cơ bản yêu cầu tối thiểu 6 in trong mọi trường hợp trừ có các yêu cầu cụ thể khác trong hồ sơ thiết kế

+ Tiến hành phết lớp keo Epoxy và dán lớp vải sợi bão hòa keo tiếp theo một cách liên tục hoặc nối ghép, cho đến khi đảm bảo đủ số lớp theo thiết kế

DUT.LRCC

+ Sau khi dán lớp sau cùng, các cạnh và đường nối của các mép vải có thể để trơn nhẵn hoặc có thể trang trí để giấu các viền cạnh

+ Định mức thấm ước và dán vải CFRP vào mặt bê tông đã quét keo lót 1,2 kg/m2 cho 1 lớp vải CFRP

Hình 1-27: Thi công dán vải CFRP

- Kiểm tra bề mặt sau khi dán sợi :

+ Việc kiểm tra kết cấu sau khi sửa chữa, tăng cường bằng vật liệu CFRP sẽ được tiến hành sau ít nhất 24 giờ sau khi hoàn tất công tác dán sợi Công việc kiểm tra sẽ được tiến hành bằng phương pháp trực quan

- Hoàn thiện bề mặt sau khi dán sợi: Quét sơn có khả năng chống tia UV để bảo

vệ CFRP

Hình 1-28: Sơn phủ chống tia UV sau khi dán vải CFRP

DUT.LRCC

1.5 Kết luận Chương 1

Qua phần trình bày trên đã cho thấy tổng quan về sự xuống cấp của kết cấu bê tông,

bê tông cốt thép sau khi đưa vào khai thác một thời gian, các phương pháp gia cường kết cấu 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 ứng lực trước căng ngoài, sử dụng loại vật liệu composite sợi cường độ cao FRP (Fiber-Reinforced Polymer), phân tích ưu nhược điểm và công nghệ thi công của các biện pháp gia cường kết cấu BTCT Tùy theo mục đích của việc gia cường kết cấu BTCT là để kéo dài tuổi thọ kết cấu hay để khôi phục lại khả năng chịu lực như ban đầu của kết cấu, hoặc tăng tải trọng trong quá trình khai thác mà lựa chọn loại vật liệu, thiết bị và phương pháp để gia cường kết cấu BTCT

Trong Chương 2 đề tài sẽ trình bày rõ hơn Cơ sở lý thuyết gia cường kết cấu BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài kết hợp tấm sợi Cacbon CFRP

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP

2.1 Các tiêu chuẩn áp dụng cho thiết kế gia cường kết cấu BTCT

- Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 [2]

- Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép: TCVN 5574-2018 [1]

- TCCS 15:2016/TCĐBVN Sửa chữa tăng cường cấu kiện cầu bê tông cốt thép bằng vật liệu FRP dính bám ngoài [5]

- ACI 440.2R-02 Chỉ dẫn thiết kế và thi công hệ CFRP kết dính ngoài đối với việc tăng cường kết cấu bê tông [12]

- Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT ACI-318-08 [13]

2.2 Thiết kế gia cường kết cấu sàn BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài

2.2.1 Nguyên lý tính toán

- Phương pháp này nhằm mục đích sử dụng lực căng của cáp ứng lực trước căng ngoài nhằm giảm độ võng cho kết cấu BTCT và tăng khả năng chịu lực Cốt thép ƯLT căng ngoài được đặt bên ngoài kết cấu dầm sàn, chúng truyền lực nén lên dầm sàn thông qua các vị trí neo, gối đỡ

- Cốt thép ƯLT căng ngoài được bảo vệ trong ống HDPE có bơm sáp để bảo vệ chống gỉ Giải pháp này tăng cường hiệu quả năng lực chịu tải và được sử dụng rộng rãi nhờ công tác thi công đơn giản, nhanh chóng

Hình 2-1: Sơ đồ bố trí cáp ứng lực trước căng ngoài

- Tăng cường kết cấu dầm, sàn BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài theo sơ đồ tuyến cáp căng gãy khúc tại 2 vị chuyển hướng: Sơ đồ bố trí cáp như sau

Hình 2-2: Biểu đồ Momen trên dầm khi chưa căng cáp

Hình 2-3: Biểu đồ Momen trên dầm do lực căng cáp gây ra

Hình 2-4: Biểu đồ Momen trên dầm sau khi căng cáp

- Tăng cường kết cấu dầm, sàn BTCT bằng cáp ƯLT căng ngoài theo sơ đồ tuyến cáp căng gãy khúc tại 1 vị chuyển hướng, Sơ đồ bố trí cáp như sau:

Hình 2-5 Biểu đồ Momen trên dầm khi chưa căng cáp

Hình 2-6: Biểu đồ Momen trên dầm do lực căng cáp gây ra

Hình 2-7: Biểu đồ Momen trên dầm sau khi căng cáp

2.2.2.Giả thuyết tính toán:

Cáp ƯLT căng ngoài bổ sung chỉ được xét là 1 tải trọng có lợi (gây ra nội lực trái dấu với nội lực do hoạt tải) ƯLT căng ngoài không được xét như là thành phần của tiết diện dầm, sàn BTCT vì nó không cùng biến dạng với dầm, sàn (trừ ở các điểm liên kết chặt)

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên giả thiết vật liệu làm việc đàn hồi, liên kết giữa ụ chuyển hướng và dầm là liên kết khớp, bỏ qua biến dạng dọc của ụ chuyển hướng Cáp ƯLT căng ngoài tác dụng trong sửa chữa không chịu mất mát do co ngót Khi

có tác dụng cáp ƯLT căng ngoài vào thời kỳ sửa chữa, do từ biến không phát triển nên không làm mất mát ứng suất của cáp ƯLT căng ngoài

a Tính momen do cáp ƯLT căng ngoài:

Xét một kết cấu dầm, sàn có chiều dài nhịp L được tăng cường cáp ƯLT căng ngoài với sơ đồ gãy khúc như sau A - M - B - C Do kết cấu đối xứng nên ta chỉ xét một

P S

P S L/2

L/2

DUT.LRCC

nửa, C là mặt cắt giữa nhịp: Điểm A: vị trí ụ neo đầu dầm, Điểm B: vị trí ụ chuyển hướng, Điểm C: giữa mặt cắt

Hình 2-8: Sơ đồ bố trí cáp ƯLT căng ngoài

Hình 2-9: Sơ đồ tính mô men do cáp ƯLT căng ngoài Quy định về dấu:

+ Mô men tác động theo chiều kim đồng hồ là (+)

+ Mô men tác động theo ngược chiều kim đồng hồ là (-)

C

, = 0 −

90

G B

1

cos1cos

1

sinsin

2tan

2

−

=+

−

=+

P N

C

DUT.LRCC

Theo hình 2.9, DƯL căng ngoài tác động ở A gây ra cho các tiết diện của kết cấu

mô men MN và MQ, sự tác động của nó ở B gây ra mô men bổ sung MN Ta vẽ biểu đồ

mô men của MN, MQ, MN rồi cộng lại sẽ có mô men tổng cộng ∑M Sơ đồ mô men tổng cộng sẽ cho ta mô men ƯLT căng ngoài với các tiết diện

MN - Mô men gây ra do N tác động suốt chiều dài của kết cấu và bằng:

MQ - Mô men gây ra do Q tác động suốt chiều dài của kết cấu

Từ A đến B nó biến thiên theo x:

+ Tại B:

0 ) )(

cos ( sin

cos ).

).(

sin ( ).

P: Lực căng trong cáp ƯLT căng ngoài;

: Góc xiên của cáp ƯLT căng ngoài so với trục trung hòa;

N: Phân lực dọc trục của P;

Q: Phân lực thẳng đứng của P;

ex: Khoảng cách từ điểm cáp ƯLT căng ngoài cắt tiết diện Fx đến trục trung hòa

Ở FA, ex = e1; ở FB, ex = e2

Hình 2-11: Biểu đồ mô men uốn do cáp ƯLT căng ngoài gây ra

b Xác định diện tích cáp ứng lực trước cần tăng cường

Mô men tối thiểu do cáp ƯLT căng ngoài cần được tăng cường để dầm đảm bảo

về mặt cường độ tại mặt cắt chịu mô men uốn lớn nhất