Nghiên cứu sử dụng tấm CFRP ( fiber reinforced polymer composites) để gia cường kết cấu dầm thép

Nghiên cứu sử dụng tấm CFRP ( fiber reinforced polymer composites) để gia cường kết cấu dầm thép Nghiên cứu sử dụng tấm CFRP ( fiber reinforced polymer composites) để gia cường kết cấu dầm thép Nghiên cứu sử dụng tấm CFRP ( fiber reinforced polymer composites) để gia cường kết cấu dầm thép Nghiên cứu sử dụng tấm CFRP ( fiber reinforced polymer composites) để gia cường kết cấu dầm thép

Mô hình Abaqus để phân tích ứng xử qua nhiều mô hình có cấu trúc gia cường khác nhau sau đó chọn lọc ra các tham số của vật liệu gia cường đem lại hiệu quả nhất, để áp dụng vào bài toán ứng dụng việc nghiên cứu đề tài này nhằm tạo thêm một cánh thức gia cường đáng tin cậy đồng thời ứng dụng phần mềm nhằm giảm bớt khối lượng trong phòng thí nghiệm

Phần cuối của đề tài, trình bày việc kiểm nghiệm tính chính xác của chương trình thông qua so sánh kết quả từ mô hình phân tích số với kết quả lý thuyết và đề xuất các tham số hiệu quả của vật liệu gia cường CFRP trên kết cấu dầm thép

Luận văn này được bố cục thành các phần chính sau đây:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Ứng dụng Abaqus trong mô phỏng bài toán gia cường cho dầm

thép

- Chương 3: Khảo sát tham số

- Chương 4: Bài toán ứng dụng

- Chương 5: Kết luận kiến nghị

to improve load of strengthened steel beam creating method for calculation

ABAQUS model is used to analyze the numerous models with distinct structure for collecting the most effective data of different matter Then the data is applied in the created algorithm to establish the trusted method for enhancing as long as reducing amount of work in lab

The end of this project targets on the review of the accuracy within the comparison of results those were gathered from theory method and model's data in term of the statistic of the enhanced steel beam with CFRP plate

The graduation thesis is composed of five chapters:

Chapter 1: Overview

Chapter2: Application of ABAQUS in building up the algorithm

Chapter 3: Examine the parameter

Chapter4: Application problem

Chapter5: Conclusion

viii

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CẢM ƠN v

TÓM TẮT vi

ABSTRACT vii

A PROJECT TO PROMOTE STEEL BEAM REINFORCED WITH CARBON FIBER REINFORCED POLYMER vii

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài 4

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 5

1.1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước 5

1.1.2.1 Nghiên cứu trong nước 8

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 14

1.3 Phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu 14

1.4 Vật liệu composite FRP 16

1.4.1 Cấu tạo và đặc trưng vật liệu composite CFRP 16

1.5 Kết luận chương 17

CHƯƠNG 2 19

ỨNG DỤNG ABAQUS TRONG MÔ PHỎNG BÀI TOÁN GIA CƯỜNG CFRP CHO DẦM THÉP 19

2.1 Tổng quan về Abaqus 19

ix

2.2 Mô tả thí nghiệm (Theo Talat Salama and Ahmed [17]) 19

2.2.1 Quy trình thực hiện thí nghiệm 20

2.2.1.1 Chuẩn bị chi tiết mẫu 20

2.2.1.2 Quá trình chuẩn bị gia cường 21

2.2.1.3 Thiết bị đo thông số thí nghiệm 24

2.2.1.4 Tiến hành thí nghiệm 25

2.2.1.5 Kết quả thí nghiệm 25

2.3 Mô phỏng bằng Abaqus và đối chiếu với kết quả thực nghiệm 27

2.3.1 Kỹ thuật lập mô hình 27

2.3.1.1 Các thành phần kết dính và mô hình vật liệu keo 28

2.3.1.2 Giới hạn bề mặt 29

2.3.2 Mô phỏng Abaqus từ kết quả thực nghiệm 30

2.3.2.1 Xây dựng mô hình ba chiều dầm chữ I 30

2.3.2.2 Xây dựng mô hình tấm CFRP 32

2.3.3 Khai báo vật liệu 33

2.3.3.1 Khai báo vật liệu thép 33

2.3.3.2 Vật liệu CFRP 34

2.3.4 Gán vật liệu 37

2.3.4.1 Gán vật liệu cho phần tử dầm 37

2.3.4.2 Gán vật liệu cho phần tử CFRP 37

2.3.4 Ghép các phần tử 38

2.3.5 Chia mắt lưới cho đối tượng 39

2.3.6 Khai báo điều kiện biên 40

2.3.7 Khai báo bề mặt tương tác 41

x

2.3.8 Định nghĩa và gán tải trọng 42

2.4 Phân tích kết quả 43

2.5 Đánh giá kết quả giữa thí nghiệm và mô phỏng Abaqus 43

CHƯƠNG 3 48

PHÂN TÍCH THAM SỐ ẢNH HƯỞNG TRONG DẦM GIA CƯỜNG 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 Đối tượng mô phỏng trong mô hình 3D 48

3.3 Khảo sát tham số bằng Abaqus 51

3.3.1 Khảo sát chiều dài tấm gia cường và vị trí gia cường 51

3.3.1.1 Dầm thép gia cường tấm CFRP mép dưới cánh dưới (dầm 4m) 51

3.1.1.2 Dầm thép gia cường tấm CFRP mép dưới cánh dưới (dầm 6m) 55

3.1.1.3 Dầm thép gia cường tấm CFRP mép dưới cánh dưới (dầm 8m) 57

3.1.1.3 Dầm thép gia cường hai tấm CFRP mép trên cánh dưới –dầm 4 (L=4m) 60

3.1.1.4 Dầm thép gia cường hai tấm CFRP mép trên cánh dưới –dầm 4 (L=8m) 62

3.1.1.5 Dầm thép gia cường CFRP mép dưới và mép trên cánh dưới - dầm 5 (L=4m)63 3.1.1.6 Dầm thép gia cường CFRP mép dưới và mép trên cánh dưới - dầm 5 (L=8m)65 3.1.1.7 Dầm thép gia cường CFRP hai lớp mép dưới cánh dưới-dầm 6 (L=4m) 68

3.1.1.8 Dầm thép gia cường CFRP hai mép dưới cánh dưới-dầm 6 (L=8m) 69

3.1.2 Khảo sát chiều rộng tấm gia cường 71

3.2 Kết luận số liệu khảo sát tham số 72

CHƯƠNG 4 74

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG CẤU KIỆN DẦM CHỮ I 74

4.1 Giới thiệu chương 74

4.2 Phương pháp nghiên cứu 74

xi

4.3 Bài toán ứng dụng 77

4.3.1 Tính toán thiết kế dầm gia cường 77

4.3.2 Tính toán thiết kế dầm không gia cường 82

4.4 Kiểm tra mô phỏng ABAQUS so sánh kết quả với lý thuyết 84

CHƯƠNG V 89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

5.1 Kết luận: 89

5.2 Kiến nghị 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

xii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2 1: Vị trí gia cường tấm CFRP và sơ đồ kết cấu 20

Hình 2 2: Làm phẳng bề mặt CFRP 21

Hình 2 3:Thoa keo Epoxy trên bề mặt đã được chuẩn bị 22

Hình 2 4: Dán các tấm gia cường vào dầm thép 22

Hình 2 5: Cùm bề mặt tạo áp lực lên tấm CFRP 23

Hình 2 6: Sơ đồ thí nghiệm, bố trí các thiết bị đo 23

Hình 2 7: Kích thước và vị trí đo biến dạng 24

Hình 2 8: Dầm bị phá hủy khi kết thúc thí nghiệm 25

Hình 2 9: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 1 và dầm 2 26

Hình 2 10: Định nghĩa tải trọng tập trung 28

Hình 2 11: Định nghĩa điều kiện biên vị trí gối cố định 28

Hình 2 12: Định nghĩa điều kiện biên vị trí gối di động 28

Hình 2 13: Ràng buộc hai bề mặt tương tác 30

Hình 2 14: Cửa sổ Create Part 30

Hình 2 15: Mặt cắt ngang dầm chữ I 31

Hình 2 16: Cửa sổ Edit Base Extrusion 32

Hình 2 17: Mô hình ba chiều dầm thép hình 32

Hình 2 18: Cửa sổ Create Part 32

Hình 2 19: Mô hình tấm CFRP 33

Hình 2 20: Mô hình bản kê đặt lực 33

Hình 2 21: Hộp thoại Edit Material 34

Hình 2 22: Hộp thoại Edit Material 34

Hình 2 23: Hộp thoại Damage Evolution 35

xiii

Hình 2 24: Hộp thoại Damage Stabilization 36

Hình 2 25: Hộp thoại Elastic 37

Hình 2 26: Gán vật liệu cho phần tử dầm thép 37

Hình 2 27: Gán vật liệu cà chiều dày tấm CFRP 38

Hình 2 28: Ghép phần tử 38

Hình 2 29: Mô hình dầm gia cường 39

Hình 2 30: Chia ô lưới 39

Hình 2 31: Chia ô lưới các đối tượng 40

Hình 2 32: Định nghĩa điều kiện biên 40

Hình 2 33: Khai báo điều kiện biên 41

Hình 2 34: Liên bề mặt tiếp xúc 42

Hình 2 35: Liên kết chất kết dính 42

Hình 2 36: Khai báo và gán tải trọng 43

Hình 2 37: Kết quả mô hình phân tích 43

Hình 2 38: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị dầm gia cường và không gia cường (kết quả từ phòng thí nghiệm) 44

Hình 2 39: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị dầm gia cường và không gia cường (kết quả từ phòng mô phỏng Abaqus) 45

Hình 2 40: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị giữa trong phòng thí nghiệm và mô phỏng Abaqus 46

Hình 2 41: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị dầm gia cường và không gia cường 46

Hình 3 1: Giá trị biểu đồ momen chịu tải tập trung tương ứng với ba cấp gia cường49 Hình 3 2: Sơ đồ cấu trúc gia cường dầm thép hình chữ I 50

Hình 3 3: Mô hình dầm thép gia cường 52

Hình 3 4: Mô hình dầm thép gia cường CFRP trong môi trường Abaqus 52

xiv

Hình 3 5: Mô hình ứng suất dầm thép gia cường 52

Hình 3 6: Biểu đồ biểu diễn tải trọng và chuyển vị dầm gia cường 60% 53

Hình 3 7: Biểu đồ biểu diễn tải trọng và chuyển vị dầm gia cường 75% 54

Hình 3 8: Biểu đồ biểu diễn tải trọng và chuyển vị dầm gia cường 90% 54

Hình 3 9: Biểu đồ biểu diễn tải trọng và chuyển vị ba dầm gia cường 55

Hình 3 10: Mô hình ứng suất dầm thép gia cường 56

Hình 3 11: Biểu đồ biểu diễn tải trọng và chuyển vị ba dầm gia cường 60% - 75% - 90% 56

Hình 3 12: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm gia cường 60%, 75%, 90%58 Hình 3 13: Mô hình dầm thép gia cường CFRP trong môi trường Abaqus 60

Hình 3 14: Mô hình ứng suất dầm thép gia cường 61

Hình 3 15: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị ba dầm 60%, 75% và 90% 61

Hình 3 16: Mô hình ứng suất dầm thép gia cường 62

Hình 3 17: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị ba dầm gia cường 60%, 75% và 90% 63

Hình 3 18: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 4m (60%,75%,90%) 64

Hình 3 19: Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 4m gia cường mép dưới và mép dưới + mép trên cánh dưới 60% 65

Hình 3 20: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 8m (60%, 75%, 90%) 66

Hình 3 21: Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 8m gia cường mép dưới và mép dưới + mép trên cánh dưới 60% 67

Hình 3 22: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị (60%,75%,90%) 68

Hình 3 23: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm gia cường hai tấm mép dưới và một tấm mép dưới cánh dầm (75%) 69

Hình 3 24: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 8m (60%, 75%, 90%) 70

xv

Hình 3 25: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 4m bề rộng 50%, 75%,

100% 72

Hình 4 1: Mô hình dầm thép đơn giản gia cường tấm CFRP 75

Hình 4 2: Sơ đồ thiết kế dầm đơn giản gia cường CFRP 78

Hình 4 3: Sơ đồ kết cấu dầm đơn giản 83

Hình 4 4: Sơ đồ, mặt cắt dầm không gia cường 84

Hình 4 5: Sơ đồ, mặt cắt dầm gia cường CFRP 84

Hình 4 6: Mô hình dầm thép gia cường CFRP trong môi trường Abaqus 85

Hình 4 7: Biểu đồ ứng suất bằng mô hình 3D 85

Hình 4 8: Biểu quan hệ đồ ứng suất và chuyển vị 86

xvi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: So sánh các thuộc tính điển hình cho vật liệu gia cố 7

Bảng 1 2: Khả năng chịu cắt của các dầm theo kết quả thực nghiệm 8

Bảng 2 1: tổng hợp vị trí tấm gia cường CFRP 20

Bảng 2 2: Kết quả 2 dầm thí nghiệm 26

Bảng 2 3: Bảng kết quả so sánh độ lệch tải trọng theo thí nghiệm 44

Bảng 2 4: Bảng kết quả so sánh độ lệch tải trọng theo Abaqus 46

Bảng 3 1: Tổng hợp cấu trúc phần tử, tấm gia cường CFRP 50

Bảng 3 2: Bảng tổng hợp độ lệch tải khi chiều dài CFRP thay đổi (dầm 3) 59

Bảng 3 3: Tổng hợp cấu trúc phần tử, tấm gia cường CFRP khảo sát bề rộng 71

Bảng 4 1: Tính chất vật liệu của thép và CFRP và hệ số an toàn tương ứng 77

Bảng 4 2: Bảng kết quả so sánh độ lệch tải trọng theo Abaqus 86

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung

Trong sự phát triển chung của thế giới, ngành công nghiệp xây dựng đóng một vai trò rất quan trọng, luôn chiếm một vị thế không thể thiếu trong sự phát triển chung của toàn xã hội, chính vì lẽ đó ngành xây dựng luôn luôn hướng đến một giải pháp tối ưu nhất để hoàn thiện một cánh hiện đại và bền vững nhất

Trong đa số các công trình được xây dựng bằng kết cấu thép như công trình dân dụng và công nghiệp, cầu đường và một số công trình khác, qua thời gian sử dụng của công trình, theo chu kỳ lão hóa của kết cấu như hiện tượng mỏi kết cấu, bị xâm thực, ăn mòn bề mặt kết cấu, tác động đến khả năng suy giảm về chịu lực của kết cấu gây ảnh hưởng lớn đến quá trình sử dụng bình thường của công trình

Hơn nữa trong lĩnh vực xây dựng sử dụng kết cấu thép cần có một nghiên cứu

áp dụng một vật liệu mới trong việc gia cường kết cấu thép để tăng thêm khả năng chịu lực của kết cấu, làm giảm trọng lượng bản thân của công trình, đồng thời góp phần thêm một phương thức kết cấu thép có gia cường

Chính vì những vấn đề được nhận định này, nên cần có nhu cầu sửa chữa khắc phục, thiết kế gia cường được đề cập đến trong đề tài nghiên cứu này, bao gồm

cả công trình cầu, các tòa nhà, dàn khoan, thiết bị khai thác mỏ lớn và tháp bằng thép, hiện đang có nhu cầu sửa chữa hoặc thay thế

Việc khắc phục lại sự suy giảm về khả năng chịu lực của kết cấu trong điều kiện tác động bên ngoài làm thay đổi khả năng chịu lực của kết cấu thép theo thời gian như: do nhu cầu tăng tải trọng so với thiết ban đầu, do bị ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường biển hoặc phát sinh từ việc sử dụng, và thiếu sự bảo dưỡng thích hợp Tất cả những yếu tố này, kết hợp với sự hiện diện của tải trọng lặp theo chu kỳ,

có thể dẫn đến khả năng chịu lực kém dần của kết cấu, quá trình này bắt đầu với sự hình thành của các vết nứt nhỏ, mà cuối cùng có thể phát triển thành các vết nứt lớn hơn đủ để gây ra sự phá hoại của kết cấu Vấn đề này, cùng với kinh phí hạn chế có sẵn để thay thế các cấu kiện bị hư hỏng, đã tạo ra một nhu cầu cấp thiết cho các

a) Trước khi gia cường b) sau khi gia cường

Hình 1 1: Gia cường bằng phương pháp hàn bù vào dầm thép gốc

b) Trước khi gia cường b) sau khi gia cường

Hình 1 2: Gia cường bằng thay thế một phần dầm thép gốc Phương pháp gia cường thông thường như ở hình 1.1 để tăng cường lại phần kết cấu đã bị giảm yếu qua quá trình sử dụng, [1],[2],[3],[4] hoặc tăng thêm khả năng chịu lực của kết cấu, người ta sử dụng thêm tấm thép bù vào vị trí đã được tính toán sẵn Hình 1.2 người ta dùng thép mới thay thế lại phần thép của dầm cũ đã bị ăn mòn nhằm khắc phục lại khả năng làm việc của dầm gốc trở lại trạng thái ban đầu

tấm thép hàn

bù Dầm thép gốc

3

Tuy nhiên, mỗi phương pháp này có ưu điểm và hạn chế như sau

Phương pháp hàn bù kết cấu: Phương pháp này khắc phục được những khuyết tật do quá trình ăn mòn, xâm thực gây ra và việc bù phần hư hỏng này thay thế lại sự giảm yếu của kết cấu, việc hàn bù thường phát sinh các ứng suất phụ làm thay đổi tính năng cơ lý của kết cấu, hơn nữa về mặt thẩm mỹ cũng ảnh hưởng, đặc biệt các cấu kiện đòi hỏi có độ thẩm mỹ cao

Phương pháp thay thế phần diện tích hư hỏng: Phương pháp này cũng khắc phục được suy giảm của kết cấu, nhưng việc thay thế phần diện tích hư hỏng này cần phải tốn thời gian như cần phải chống đỡ kết cấu trong quá trình sửa chữa, vì khi cắt bỏ phần bị hư hỏng phải chống tạm lại kết cấu, bên cạnh đó việc hàn thay thế cũng thường phát sinh ứng suất phụ gây thay đổi tính năng cơ lý của kết cấu

Phương pháp sơn chống gỉ: phương pháp này thường chỉ sử dụng đối với các cấu kiện thép bị oxy hóa trong môi trường sử dụng, sơn chống gỉ có tác dụng tăng cường tuổi thọ cho kết cấu thép, không có khả năng gia cường cho cấu kiện

Phương pháp chống xâm thực: phương pháp này thường được sử dụng đối với các kết cấu thép ở trong môi thường có tính axit, việc chống xâm thực cho kết cấu thường sử dụng điện phân để bù lại phần kim loại bị ăn mòn Phương pháp này cũng chỉ có tính bảo trì và kéo dài tuổi thọ cho kết cấu

Qua việc phân tích, đánh giá các phương pháp gia cường kết cấu thép theo phương pháp truyền thống thường dùng cho thấy những những mặt tích cực cũng như những mặt hạn chế của từng phương pháp Chính vì điều này trong công tác gia cường kết cấu thép cần có có một cách thức mới tốt hơn để cải tạo kết cấu thép nhằm tăng khả năng chịu lực lại như ban đầu và tăng thêm khả năng chịu tải trọng của dầm thép gốc Cách thức mới đó không những khắc phục lại khả năng chịu lực như ban đầu mà còn có tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu thép trong quá trình thiết kế, làm giảm tải trọng bản thân, vượt khẩu độ nâng cao hiệu suất làm việc của kết cấu thép

4

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong kết cấu công trình bằng thép, do sự xâm thực đã làm cho nhiều công trình như nhà xưởng, nhà kho, các công trình tháp… xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo tuổi thọ thiết kế Ngoài ra, những thay đổi do yêu cầu sử dụng thường có xu thế bất lợi đối với kết cấu công trình hiện hữu, một số công trình có nhu cầu về không gian kiến trúc như vượt khẩu độ lớn nhưng cần chiều cao dầm thấp, trọng lượng bản thân nhẹ, vì vậy việc thực hiện các giải pháp sửa chữa, nâng cấp, thay mới hoặc tăng khả năng chịu lực của kết cấu Khi đó, sửa chữa, nâng cấp, tăng cường khả năng chịu tải của kết cấu khi thiết kế cần phải được nghiên cứu các giải pháp gia cường nhằm để duy trì, phục hồi, tăng khả năng chịu lực của kết cấu là một yêu cầu cấp thiết

Gần đây, ở nước ta đã bắt đầu tiếp cận một số giải pháp gia cường kết cấu công trình bằng vật liệu sợi Cacbon Fiber Rifot Polyme CFRP trên vật liệu bê tông cốt thép [5] Tuy nhiên đối với kết cấu thép việc sử dụng vật liệu gia cường tấm CFRP hiện nay ở nước ta chưa được nghiên cứu nhiều

Vật liệu Copmosite (CFRP) được xem là một loại vật liệu mới để đưa vào ngành công nghiệp xây dựng, việc ứng dụng vật liệu này trong ngành công nghiệp xây dựng đã mở ra một hướng mới trong lĩnh vực xây dựng ngày càng nâng cao tính hiệu quả

Vật liệu tăng cường (CFRP) gần đây đã được nghiên cứu và sử dụng gia cường cho các kết cấu sử dụng các loại vật liệu khác nhau như kết cấu gỗ [16], kết cấu bê tông cốt thép [5] Dựa vào đặt tính cơ lý của từng loại vật liệu gia cường và vật liệu được gia cường, sự kết hợp của của các loại vật liệu này tạo thành một loại vật tổng hợp có tính ưu việt hơn so với mỗi loại vật liệu ban đầu chưa kết hợp, sự kết hợp này nhằm tận dụng đặc tính ưu thế của từng loại vật liệu tạo nên một loại kết cấu có khả năng làm việc tốt hơn so kết cấu ban đầu

Một số nghiên cứu sử dụng vật liệu CFRP đã ứng dụng kết hợp gia cường với vật liệu thép để tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu Một số các lý do được đưa ra cho sự gia tăng sử dụng CFRP trong các ứng dụng trong kết cấu như: độ bền

đã từng ứng dụng trong việc gia cường ngành công nghiệp hàng không như sử dụng

nó để gia cường cho các kết cấu có sử dụng hợp kim nhôm, thép nhằm giảm trọng lượng bản thân, hay các vật liệu có cường độ thấp hơn vật liệu gia cường [4]

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

1.1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước

- Nghiên cứu gần đây trên thế giới như đăng trên “Tạp chí Nghiên cứu cấu kiện thép số 78 (2012) 131-143” của tác giả JG Tenga và cộng sự [7] về việc sử dụng tấm CFRP cho việc tăng khả năng chịu lực của kết cấu thép đã chỉ ra những vật liệu có tiềm năng trong ứng dụng này Những nghiên cứu này đã được áp dụng đối với hầu hết các đối tượng được gia cường Tuy nhiên, những nghiên cứu này vẫn còn hạn chế trong một số trường hợp, chưa nghiên cứu kỹ như vấn đề ảnh hưởng của từ tính, nhiệt độ môi trường… làm thay đổi đặc tính của chất kết dính Kết quả của những nghiên cứu này không được mở rộng trực tiếp với các tình huống thực tế hơn

Một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy việc cải thiện đáng kể về khả năng chịu nén và biến dạng dọc trục của cấu kiện trước và sau gia cường tấm CFRP, biện pháp gia cường bằng cách dán bọc xung quanh cấu kiện bằng tấm CFRP bằng keo Epoxy và một cấu kiện nguyên gốc, sau đó tiến hành thí nghiệm để so sánh kết quả của hai mẫu thí nghiệm, đánh giá sự phát triển khả năng chịu tải nén dọc trục Kết quả chịu nén giữa cấu kiện gia cường lớn hơn khoảng 39% cấu kiện chưa gia cường

- Tác giả S.T Smith và J.G Teng [8] đã nghiên cứu cả hai thành phần ứng suất tiếp và ứng suất pháp truyền ngang qua bề dày lớp kết dính và tập trung lớn nhất ở mặt tiếp giáp đầu tấm gia cường Ngoài ra 2 tác giả L.D Lorenzis và D Fernando [10] cũng đã nghiên cứu mô hình phân tích ứng suất mặt tiếp giáp của vật liệu gia

6

cường trên nền của cấu kiện gốc, xét đến sự bong tróc tấm gia cường nơi đầu dầm dựa trên nền tảng quy luật phá hoại về ứng suất và năng lượng kéo đứt gãy có liên quan đến đặc trưng vật liệu bề mặt tiếp giáp cũng như vết nứt mặt tiếp giáp

- Tác giả P R Jagtap và cộng sự [9] Trên tờ tạp chí Tạp chí Quốc tế xu hướng mới nhất trong Kỹ thuật và Công nghệ (IJLTET) đã đưa ra sự cần thiết của tăng cường kết cấu thép với CFRP

- Tác giả Kambiz Narmashiri và cộng sự [11], trên tờ Tạp chí Quốc tế về Khoa học cơ học, trang 1360-1371, ngày 18 tháng 8 năm 2010, bài báo này đã nghiên cứu việc sử dụng bulong neo phần cuối tấm CFRP vào dầm thép chữ I Kết quả qua hực nghiệm và mô phỏng cho thấy khả năng tăng cường độ so với dầm chưa được gia cường là 24% và các bulong lên kết gần nhau đem lại hiệu quả tốt hơn

- Tác giả Kambiz Narmashiri và công sự [12], đăng trên tờ Tạp chí Quốc tế

về Khoa học cơ học, trang 1620-1627, ngày 4 tháng 4 năm 2011, bài báo này nghiên cứu trên tám dầm thép hình chữ I giống nhau và được gia cường ở vị trí mép dưới cánh dưới dầm chữ I, các tấm gia cường CFRP có độ dày thay đổi 1.2mm, 1.4mm, 2mm và 4mm Kết quả phân tích giữa thực nghiệm và phân tích số cho thấy khi độ dày của tấm gia cường CFRP khác nhau làm ảnh hưởng đến các chế độ phá hoại của dầm cũng khác nhau

Đặc điểm cơ bản của vật liệu CFRP

Hiệu suất của bất kỳ vật liệu kỹ thuật nào trong một ứng dụng cụ thể đều phụ thuộc vào tính chất cơ học, độ bền và chi phí, phần này tập trung vào các tính chất

cơ học của FRP, bao gồm đáp ứng các tính chất khác như: khả năng mỏi của vật liệu, ứng suất, biến dạng, và liên kết Các tính chất cơ học của FRP phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm:

• Tỷ lệ tương đối của các sợi và vật liệu nền;

• Tính chất cơ học của vật liệu cấu thành;

• Cấu trúc của các sợi trong một cấu trúc;

• Phương pháp sản xuất

7

Các tấm FRP được hình thành bằng cách nhúng các sợi dài liên tục trong một lớp nhựa polyme nhựa kết hợp các sợi với nhau, các sợi thông thường được sử dụng trong tấm FRP bao gồm cacbon, thuỷ tinh, aramid và bazan trong khi các loại nhựa thông thường là nhựa epoxy, polyester và nhựa vinyl este Các vật liệu composite FRP được sử dụng rộng rãi nhất là hỗn hợp polyme bằng sợi thủy tinh (GFRP) và vật liệu composite bằng sợi carbon tăng cường bằng sợi cacbon (CFRP), vật liệu polymer aramid tăng cường sợi polyme (AFRP) và composit polyme tăng cường chất bazan (BFRP) ít thường xuyên hơn đã sử dụng

Hình 1 3: Các loại tấm cấu trúc xơ khác nhau [Iternet] (từ Aramid bên trái, Bazan,

Carbon, xơ dừa) Vật liệu FRP bao gồm một số sợi liên tục, phi kim loại, được liên kết lại với nhau tạo thành tấm, thông thường phần số lượng sợi trong dãi FRP khoảng 50-70%

và trong các tấm FRP khoảng 25-35%, các sợi là thành phần chịu ứng suất chính, trong khi nhựa chuyển các áp lực trong sợi và bảo vệ chúng [13] Sự kết hợp giữa các sợi FRP và nhựa polyme tạo thành một loại vật liệu có các đặc tính cơ học như được thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1 1: So sánh các thuộc tính điển hình cho vật liệu gia cố [13]

Độ bền kéo (Mpa) 483 690 - 517 1207 -1200 2410 -1200

8

Môđun đàn hồi (Gpa) 200 - 30 55 - 147 250 - 50 74

Độ giãn dài cuối cùng (%) >10 2- 4.5 1-1.5 2-2.6

Các đặc tính vật liệu FRP tương đối hiệu quả về khả năng chịu lực khi chúng được sử dụng vật liệu này để gia cường cho các loại kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu thép, đặc biệt gia cường để tham gia chịu kéo rất tốt

1.1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Tình hình trong nước ta hiện nay có nhiều tác giả và nhiều công ty đã nghiên cứu việc áp dụng vật liệu CFRP trong lĩnh vực xây dựng, cầu đường, thủy lợi và đã

có một số ứng dụng ngoài thực tiển, hầu hết chủ yếu áp dụng gia cường trên kết bê tông cốt thép

Tác giả Nguyễn Hùng Phong trên tờ Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 đã nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng cắt cho dầm bê tông cốt thép bằng tấm sợi tủy tinh [14]

Bài báo trình bày về một nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu cắt cho các dầm bê tông cốt thép Bốn dầm giống nhau được chế tạo, trong đó, ba dầm được gia cường bằng tấm sợi thủy tinh với các hình thức gia cường khác nhau

Bảng 1 2: Khả năng chịu cắt của các dầm theo kết quả thực nghiệm [14]

Tên

dầm Đặc điểm gia cường tấm GFRP

Hàm lượng tấm GFRP f (%)

Khả năng chịu cắt của dầm (Vu = P/2)

Khả năng chịu cắt của tấm GFRP

Hình 1 4: Sơ đồ thí nghiệm mẫu [4]

10

Hình 1 5: Quan hệ tải trọng – độ võng của các dầm [14]

Hình 1.5 Thể hiện đường cong quan hệ tải trọng và độ võng của các dầm trong quá trình thí nghiệm, giá trị của tải trọng thể hiện khả năng chịu cắt của dầm, các dầm được gia cường D2, D3, D4 có khả năng chịu cắt tăng đáng kể so với dầm D1, khả năng chịu cắt của các dầm được tóm tắt trong bảng 1.2, ta thấy mặc dù hai dầm D3 và D4 có hàm lượng tấm GFRP lớn hơn so với dầm D2 nhưng khả năng chịu cắt của hai dầm này lại nhỏ hơn so với dầm D2 vì chúng bị phá hoại sớm do các chi tiết cấu tạo trong quá trình gia tải

Trong nghiên cứu của tác giả [14] cho thấy kết quả thí nghiệm của tấm sợi thủy tinh làm gia tăng đáng kể khả năng chịu cắt và làm tăng độ cứng, độ dẻo của dầm

Bên cạnh các nghiên cứu về vật liệu FRP tăng cường kết cấu còn có những công ty đã ứng dụng thi công trong việc gia cường kết cấu:

- Trong đó có công ty Fyfe Asia đã áp dụng loại vật liệu FRP vào gia cường công trình xây dựng ở Việt Nam, công nghệ dán tấm Composite FRP được các đơn

vị thi công lựa chọn của hãng Fyfe, sau khi phối hợp với một số chuyên gia kết cấu

và một số tư vấn tiến hành nghiên cứu một cách đầy đủ Công nghệ này được sử dụng cho nhiều loại kết cấu khác nhau, gia cường với nhiều hình dạng kết cấu và với nhiều mục đích khác nhau, như công trình tòa nhà Intan Buidling ở Thành Phố

11

Hồ Chí Minh; công việc mà họ thực hiện là gia cường dầm sàn tầng lững và lầu 1 bằng vật liệu CFRP; mục đích là nhằm tăng khả năng chịu tải sàn từ 500KG/m2 lên thành 1000KG/m2, đáp ứng nhu cầu công năng mới trong quá trình sử dụng Công trình Khách Sạn Movenpick ở Thành Phố Hồ Chí Minh: nội dụng thực hiện là gia cường mặt trên sàn tầng lầu 1 bằng vật liệu CFRP, mục đích là thay đổi công năng của khu vực sàn hiện hữu thành Business Center

Một công hình điển hình tiếp trong việc gia cường là nhà máy dệt Duy Thanh thuộc khu công nghiệp Tân Bình Thành Phố Hồ Chí Minh, do nhu cầu mở rộng kinh doanh, Công Ty TNHH Duy Thanh họ đã xây dựng thêm một nhà máy 3 tầng mới

để chứa nhiều máy móc tăng năng suất sản xuất Trước khi hoàn thành, các vết nứt

đã được tìm thấy trên bề mặt của sàn bê tông cốt thép và được phát triển cùng nhịp của dầm bê tông cốt thép Sau đó, tư vấn giám sát của chủ đầu tư đã xác định ra rằng cốt thép lớp trên đã không định vị đúng miền bị dịch chuyển xuống miền dưới trong quá trình đúc bê tông sàn Do đó lượng thép cần thiết cho chịu lực momen âm bị thiếu Các yêu cầu đối với việc tăng cường sàn bê tông trở nên rõ ràng hơn khi tải trọng của các thiết bị đã được đặt lên Với các vấn đề kết cấu sàn bê tông cốt thép trên đang gây chậm trễ cho việc lắp đặt các thiết bị, tất cả các phương pháp thông thường để tăng cường sàn bê tông cốt thép theo phương pháp truyền thống đã được xem xét nhưng không được chấp nhận Với sự giới thiệu của hệ thống TyFo ® Fibrwrap ® Composite, đơn vị tư vấn dự án quyết định công ty Fyfe Asia của Singapore để thi công xử lý sự cố trên Với tính cấp thiết cao của giải pháp, công ty Fyfe Asia đưa ra giải pháp tăng cường dầm sàn BTCT sau khi đánh giá tình hình thực tế, đề xuất với kế hoạch thi công đã được phê duyệt trong một khoảng thời gian ngắn bốn ngày Vật liệu tấm sợi carbon CFRP trong hệ thống TyFo® Fibrwrap® Composite đã được đề xuất nhằm cải thiện khả năng chịu uốn của dầm sàn bê tông cốt thép

Đề xuất nhằm gia cường dầm sàn bê tông cốt thép bằng cách sử dụng tấm CFRP đã được tư vấn của chủ đầu tư nhà máy sẵn sàng chấp nhận, việc gia cường

sử dụng tấm CFRP được hoàn thành trong vòng một thời gian ngắn và không làm

12

bất kỳ sự chậm trễ nào trong việc lắp đặt các thiết bị tại nhà máy mới xây dựng này Qua thời gian khai thác nhà máy đến nay, kết cấu dầm sàn bê tông cốt thép gia cường bằng vật liệu CFRP ổn định và đảm bảo khả năng chịu lực

Ở hình 1.6 để tăng cường khả năng chịu lực của sàn bê tông cốt thép, người ta dán thêm một lớp CFRP trên bề mặt sàn bằng lớp keo bám dính được ép sát giữa tấm CFRP lên bề mặt sàn thông qua lớp bám dính, sau khi dán tấm CFRP lên bề mặt sàn đạt cường độ sau đó tiến hành hoàn thiện mặt nền sàn và đưa vào khai thác sử dụng Việc gia cường bằng phương pháp này rất nhanh và tiết kiệm thời gian khả năng tăng cường độ cao

Hình 1 6: Sử dụng tấm CFRP dán tăng cường kết cấu [Internet]

- Để gia cường khả năng chống cắt cho dầm Cầu Chà Là có 2 nhịp với tổng chiều dài là 31,2m; dầm cầu ứng suất trước dạng chữ I, công trình này các yếu tố hư hỏng chính là: nứt vách dầm trên toàn bộ chiều dài dầm; tại gần gối vết nứt lớn hơn

và có nhiều vết nứt trên một mặt cắt, xuất hiện một số vết nứt vuông góc với trục dầm do mômen gây ra, mối nối dọc hư hỏng nặng, khe co giãn hư hỏng Cầu Chà Là được thay bản mặt cầu bằng bản mặt bê tông liên tục nhiệt, chạy trực tiếp để khắc phục triệt để sự hư hỏng của mối nối dọc, khe co giãn giữa các nhịp, bổ sung dầm ngang và căng cáp dự ứng lực cho dầm ngang, gia cường dầm chủ bằng tấm CFRP (Tyfo SCH41) gồm gia cường mômen, gia cường cắt và gia cường nách dầm để chống lại ứng suất do lực cắt của hoạt tải gây ra

Ở hình 1.7 thể hiện việc dán sợi tăng cường chống cắt dầm chủ cầu, hiệu quả

13

của việc sửa chữa và gia cường trên cầu Chà Là là hệ dầm đã tạo thành một khối vững chắc, không có các biến dạng đột biến như trước khi chưa sửa chữa; giá trị của biến dạng và độ võng động đã giảm từ 50% đến 60% Theo đánh giá, hiệu quả mang lại như trên là nhờ ba yếu tố: thay bản mặt cầu dày từ 14cm đến 16cm; làm dầm ngang và căng cáp dự ứng lực ngang; gia cường dầm bằng CFRP

Hình 1 7: Dán tấm CFRP tăng cường chống cắt dầm chủ của cầu [Internet]

Qua việc áp dụng công nghệ gia cường kết cấu này vào hai công trình thực tiễn ở Việt Nam đã hoàn thành và đưa công trình vào khai thác sử dụng, cho thấy hiệu quả của giải pháp sử dụng vật liệu CFRP để gia cường kết cấu đã đem lại hiệu quả đáng khả quan

Trong luận văn này, việc nghiên cứu sự kết hợp đồng thời giữa tấm gia cường CFRP với dầm thép, cách thức gia cường cho kết cấu thép, khảo sát tham số gia tấm gia cường để rút ra được các tham số đem lại hiệu quả nhất trong công tác gia cường, đề xuất quy trình tính toán thiết kế dầm thép gia cường tấm CFRP

Thiết lập các mô hình phân tích số được sử dụng để xác định hiệu quả của các tấm CFRP gia cường trên kết cấu dầm, so sánh đánh giá kết quả thu được từ mô hình số và thí nghiệm, các tham số gia cường hiệu quả thu được để làm cơ sở số liệu

14

đầu trong bài toán ứng dụng gia cường tấm CFRP trên kết cấu dầm thép

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là:

- Nghiên cứu phương pháp gia cường tấm CFRP trên dầm thép chữ I và sử dụng tấm gia cường phù hợp nhằm tăng cường khả năng kháng uốn của cấu kiện

- Phân tích và tính toán để dự đoán sự phát triển khả năng kháng uốn của dầm gia cường tấm CFRP và dầm chưa được gia cường

- Xây dựng mô hình trong môi trường mô phỏng 3D nhằm xác định hiệu quả của từng mô hình nhằm đưa ra tham số tối ưu nhất trong việc gia cường tấm CFRP trên cấu kiện dầm thép chữ I

- Đối với vật liệu gia cường cho kết cấu sử dụng tấm CFRP ở Việt Nam đa số các đề tài sử dụng trong lĩnh vực bê tông, còn đối với thép theo học viên đây là đề tài đầu tiên được nghiên cứu gia cường tấm CFRP trên trên kết cấu dầm thép

- Một trong những vấn đề quan tâm trong việc nghiên cứu ứng xử dầm thép gia cường tấm CFRP là khảo sát sự làm việc đồng thời giữa vật liệu gia cường CFRP và liên kết gia cường với dầm thép thông qua lớp keo bám dính

Do đó, mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng chịu lực của dầm thép được gia cường tấm CFRP, so sánh sự tăng cường độ của dầm sau khi gia cường tấm CFRP nhằm phục vụ hiệu quả trong công tác thiết kế gia cường kết cấu thép của công trình xây dựng

1.3 Phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu bao gồm:

Khảo sát thực nghiệm quá trình gia cường tấm CFRP trên dầm thép chữ I, vị trí tấm gia cường được dán mép dưới của cánh dưới dầm

Phạm vi nghiên cứu này bao gồm: Dùng mô hình phân tích số để đối chứng với kết quả thực nghiệm và dùng mô hình này để kiểm tra làm việc đồng thời vật liệu gia cường CFRP trên kết cấu dầm thép

Phân tích, tính toán, xác định điều kiện các giới hạn để bố trí vật liệu gia cường hiệu quả nhất đưa ra một quy trình tính toán cho dầm thép chữ I gia cường

15

vật liệu CFRP

- Nội dung nghiên cứu:

Nghiên cường độ chịu uốn của dầm không gia cường và dầm gia cường, so sánh khả năng tăng cường độ của hai dầm

Nghiên cứu tham số để đưa ra các kết quả tham số tối ưu trong việc gia cường tấm CFRP

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng và phân tích ứng xử dầm thép gia cường tấm CFRP cũng được áp dụng trong phần nghiên cứu này

Vận dụng kết quả khảo sát tham số ứng dụng cho bài toán thực hành và đề xuất quy trình tính toán dầm thép gia cường tấm CFRP

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu:

Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mô phỏng Abaqus, phân tích các thông tin khoa học liên quan được công bố qua các tài liệu như sách, báo, các tiêu chuẩn thiết

kế trong và ngoài nước

Khảo sát hai loại dầm thép nhịp đơn giản gia cường tấm CFRP chịu tải trọng tập trung ở vị trí giữa dầm và chịu hai tải trọng tập trung,sử dụng một dầm thép hình chữ I có chiều dài L được gối trên một đầu gối cố định và một đầu gối di

động, dầm có chiều rộng là b, chiều cao là h, được dán bởi tấm gia cường CFRP bằng chất bám dính keo Epoxy

Hình 1 8: Sơ đồ kết cấu dầm gia cường chịu uốn 4 điểm

Ở hình 1.8 là sơ đồ kết cấu dầm gia cường sử dụng trong việc nghiên cứu

16

kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng Abaqus và thực nghiệm

Hình 1 9: Sơ đồ kết cấu dầm gia cường chịu uốn ba điểm

Hình 1.9 là sơ đồ kết cấu sử dụng trong việc nghiên mô phỏng bằng phần mềm Abaqus để khảo sát tham số tấm gia cường CFRP

1.4 Vật liệu composite FRP

1.4.1 Cấu tạo và đặc trưng vật liệu composite CFRP

Vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một dạng vật liệu composite

được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon CFRP, sợi thủy tinh GFRP và sợi aramid AFRP Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian

a)Dạng tấm b) Dạng cuộn c)dạng chế tạo sẵn d)Dạng thanh e) Dạng băng

Hình 1 10: Các dạng vật liệu Composite FRP [Internet]

Các dạng CFRP ở hình 1.10 dùng trong xây dựng thường có các dạng như: CFRP dạng tấm, CFRP dạng thanh, CFRP dạng cáp, CFRP dạng vải, dạng cuộn … Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm

và dạng vải

17

Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thường được sử dụng nhất là của các hăng sản xuất: MBrace, Tyfo, Sika, S&P …

Hình 1 11: Cấu tạo vật liệu FRP [13]

Vật liệu composite FRP đã được thử nghiệm trong những điều kiện khắc nghiệt để chứng thực độ bền theo thời gian [13] Vật liệu composite FRP còn có khả năng tăng cường kháng chấn rất hiệu quả và đã được chứng minh trong trận động đất lớn tại Đài Loan, Los Angeles, Salvador, Nhật Bản, Indoniesia và Trung Quốc

Hình 1 12: Quan hệ ứng suất và phần trăm biến dạng vật liệu FRP [13]

Ở hình 1.12 biểu đồ thể hiện ứng suất chịu kéo, nén của các loại vật liệu FRP, đánh giá về khả năng chịu kéo, nén dối với từng loại sợi, trong các loại sợi trên sợi cacbon có khả năng chịu kéo tốt nhất

1.5 Kết luận chương

18

Thông qua việc mô tả trong phần nghiên cứu sơ lược đã giới thiệu chương này đã chỉ ra một số tác nhân dẫn đến sự suy giảm khả năng chịu lực của cấu kiện thép trong công trình xây dựng, ưu điểm và nhược điểm của một số phương pháp gia cường kết cấu thép cổ điển, giới thiệu ưu điểm vật liệu CFRP về đặc tính cường

độ, sự kết hợp làm việc giữa dầm thép và vật liệu gia cường CFRP đáp ứng cho công tác thiết kế, sơ lược các nghiên cứu nước ngoài về về sự làm việc, và khả năng tăng sức chịu tải của dầm thép có tấm gia cường CFRP Qua đó, nhận thấy được tính cấp thiết và thực tiễn của đề tài, trong việc nghiên cứu sử dụng tấm CFRP để tăng cường khả năng chịu tải của dầm thép là một vất đề cần quan tâm nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm ứng dụng vào thực tiển một cách rộng rãi

mà còn mô phỏng được bài toán về dẫn nhiệt, truyền sóng, điện tử, môi trường thổ nhưỡng, phân tích cơ học trong môi trường điện áp

Môi trường trong Abaqus thân thiện với người sử dụng, sử dụng tương đối đơn giản, những vấn đề phức tạp nhất cũng có thể rất dễ dàng thiết lập mô hình, ví

dụ như công trình có nhiều bộ phận khác nhau có các đặc trưng vật liệu khác nhau

có thể thông qua định nghĩa từng bộ phận và từng loại mô hình vật liệu sau đó gán

và ghép lại với nhau thành một mô hình hoàn chỉnh Abaqus có khả năng lựa chọn các giá trị tham số trong quá trình phân tích và không ngừng điều chỉnh tham số để thu về hiệu quả cao nhất

2.2 Mô tả thí nghiệm (Theo Talat Salama and Ahmed [15])

Trong toàn bộ thí nghiệm này học viên đã nêu lại kết quả thực nghiệm của tác giả Dr Talat Salama and Mr Ahmed Abd-El-Meguid [15] Phạm vi nghiên cứu này chỉ giới hạn trong việc gia cường dầm thép tăng khả năng chịu uốn, không có tăng cường khả năng chịu lực cắt Dầm thép cho công việc thử nghiệm đã được lựa chọn

để có đủ khả năng chịu lực cắt xuyên suốt quá trình gia tải Trọng tâm chính là tăng khả năng chịu tải của dầm bằng cách sử dụng các cấu trúc của tấm gia cường CFRP Chỉ thực hiện tăng cường trong phòng thí nghiệm

20

2.2.1 Quy trình thực hiện thí nghiệm

2.2.1.1 Chuẩn bị chi tiết mẫu

Sử dụng 2 dầm thép hình chữ I được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm như hình 2.1, để khảo sát hiệu quả sử dụng qua các cấu trúc gia cường khác nhau của tấm gia cường CFRP để tăng cường độ và độ cứng của dầm Kích thước dầm mẫu chưa được gia cường là và dầm gia cường có cùng kích thước tiết diện, thông qua thí nghiệm hai dầm này dùng để so sánh kết quả về khả năng tăng sức chịu tải của dầm được gia cường

Bảng 2 1: Tổng hợp vị trí và kích thước tấm gia cường CFRP [15]

Tên dầm Cấu trúc gia cường CFRP

Chiều dài CFRP (mm)

Chiều rộng CFRP (mm) Dầm 1

(Dầm mẫu) Không gia cường - -

Dầm 2 Một dải dưới mặt dưới của cánh dưới 3200 100

Bảng 2 2: Tính chất cơ học của CFRP với nhà sản xuất (Fyfe, 2006) [15]

21

Vật liệu CFRP sử dụng trong thí nghiệm này được lấy từ công ty FYFE, chất kết dính Epoxy được sử dụng với độ dính kết cao, dầm thép chữ I cán nóng sử dụng thép CT3, Epoxy là một chất kết dính acrylic hai thành phần, liên kết nhiều loại vật liệu bằng kim loại và polyme được gia cố bằng sợi Nó cung cấp cường độ và va đập cao ngay ở trong môi trường thấp, đồng thời là chất cách điện giữa tấm CFRP và thép để ngăn chặn sự ăn mòn do dòng điện trong quá trình điện phân

2.2.1.2 Quá trình chuẩn bị gia cường

Quá trình chuẩn bị gia cường gồm việc chuẩn bị bề mặt, lắp ghép các tấm CFRP và thiết bị đo biến dạng, định vị tấm gia cường trên dầm thử nghiệm, và đặt LVDT (biến áp biến đổi tuyến tính) ở điểm giữa Tất cả các thiết bị đo lường sau đó

đã được kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu, để lắp các tấm CFRP mặt dưới cánh dưới phải được chuẩn bị bằng các phương pháp mài mòn Epoxy đã được thoa đều trên bề mặt bằng cách sử dụng dụng cụ súng thoa keo

Trình tự thực biện công việc gia cường được thực hiện như sau:

Tấm CFRP sau khi đã được cắt tành từng tấm chiều dài và chiều rộng theo yêu cầu, tiến hành làm phẳng bề mặt tấm CFRP như ở hình 2.2, sử dụng máy chuyên dụng để làm nhẵn bề mặt, đồng thời vệ sinh sạch bề mặt dán cánh dưới của dầm chữ I

Hình 2 2: Làm phẳng bề mặt CFRP [15]

Sau khi bề mặt tiếp giáp đã chuẩn bị xong, các vị trí dán đã được vạch sẵn trên dầm chữ I, tiến hành thoa keo lên bề mặt tấm CFRP (keo Epoxy hai thành phần) như ở

22

hình 2.3, quá trình thoa keo đảm bảo cho trên bề mặt dán được đều, tránh trường hợp keo không đủ tiếp xúc

Hình 2 3:Thoa keo Epoxy trên bề mặt đã được chuẩn bị [15]

Khi bề mặt thoa keo đã phủ đều trên tấm dán CFRP tiến hành dán theo vị trí

23

Hình 2 5: Cùm bề mặt tạo áp lực lên tấm CFRP [15]

Khi thời gian hoàn thành việc gia cường, tiến hành lắp đặt dầm vào vị trí khung giá để lắp đặt thiết bị đo biến dạng ở hình 2.6

Hình 2 6: Sơ đồ thí nghiệm, bố trí các thiết bị đo [15]

Các thiết bị đo được bố trí cụ thể như ở hình 2.6 và hình 2.7, gồm các Strain Gages đo biến dạng

24

Hình 2 7: Kích thước và vị trí đo biến dạng [15]

2.2.1.3 Thiết bị đo thông số thí nghiệm

Một số đầu ra được yêu cầu cho thử nghiệm: là thiết bị đo biến dạng, thiết bị đọc tải trọng

- Strain Gages

Các máy đo biến dạng được sử dụng trong thí nghiệm này có điện trở 350.0 ± 0.3% ohms, đủ để đo cường độ thép và CFRP Thiết bị đo độ bền cao là thích hợp hơn vì nó làm giảm tỷ lệ tạo nhiệt bằng cho cùng một điện áp, áp dụng qua thiết bị

đo

Thiết bị đo biến dạng là một thiết bị rất nhạy cảm có khả năng ghi nhận các hiệu ứng rất nhỏ, vì vậy cần phải chú ý rất nhiều đến chi tiết để đảm bảo ổn định, lắp đặt không bị cong vênh Các máy đo biến dạng được dán bằng keo vào bề mặt dầm

và vị trí cần đo

Các bước dán dụng cụ Strain gages bao gồm: chuẩn bị bề mặt, liên kết Strain gages bằng keo dán, và kết nối Strain gages vào hệ thống thu thập dữ liệu hình 2.7

- Thiết bị đo tải trọng và chuyển vị

Thiết bị đo tải trọng là một thiết bị điện tử dùng để đo lực, nó chuyển đổi các lực tương ứng thành tín hiệu điện và thu thập vào máy thu dữ liệu Thiết bị đo này dung để xuất kết quả vẽ biểu đồ tải trọng và chuyển vị

- Hệ thống thu thập dữ liệu

Hệ thống thu thập dữ liệu được sử dụng là máy đo VISHAY 5100B, đặc điểm

25

quan trọng nhất của thiết bị này là nó quét và số hóa 20 cổng đầu vào trong vòng 1ms Thiết bị thu thập dữ liệu này cũng cung cấp dữ liệu ổn định, chính xác cao cho hiệu suất tĩnh nhanh Số kênh tối đa cần thiết trong bất kỳ thử nghiệm nào thường là

19 cổng, thiết bị này được gắn dây đo đến hệ thống thu thập dữ liệu

2.2.1.4 Tiến hành thí nghiệm

Sau khi dầm được đặt trong khung thử nghiệm và được gắn tất cả các thiết bị

đo, bắt đầu tiến hành thí nghiệm, quá trình gia tải và giám sát quá trình thu thập số liệu từ các thiết bị đo được máy ghi và thu kết quả, đảm bảo tất cả các dữ liệu được

đo liên tục, quá trình gia tải ở mức độ chậm và đều, đảm bảo trải trọng tác dụng ở trạng thái tĩnh cho đến giai đoạn phá hủy của dầm như hình 2.8, thí nghiệm kết thúc khi đồng hồ đo áp lực báo áp lực giảm dần

Hình 2 8: Dầm bị phá hủy khi kết thúc thí nghiệm [15]

2.2.1.5 Kết quả thí nghiệm

Dựa vào các thiết bị đo được đặt trên hai dầm thí nghiệm, kết quả được biểu thị qua đồ thị tải trọng và giới hạn chuyển vị ở gia đoạn đàn hồi chuyển sang trạng thái dẻo theo TCVN 5574-2012 là L/200 [6], các số liệu được lập thành bảng tổng hợp dưới đây

Độ lệch tải Chuyển vị

(mm)

Tải trọng (kN)

Chuyển vị (mm)

Tải trọng (kN)

Đàn hồi Dẻo

Hình 2.9 kết quả cho thấy sau khi thí nghiệm 2 dầm trong giai đoạn đàn hồi, dầm thứ nhất không được gia cường có giá trị 100KN ở mức chuyển vị 27mm, dầm thứ hai gia cường tấm CFRP cùng độ chuyển vị tải trọng là 113KN, giai đoạn dẻo ở cùng mức chuyển vị dầm thứ nhất 119KN, dầm thứ hai 193KN có độ lệch tải trọng

là 62%

Qua việc khảo sát thí nghiệm của hai dầm thép hình chữ I, trong đó một dầm gốc không gia cường, một dầm còn lại được gia cường theo cấu trúc gia cường như

Dựa vào những đặt điểm tính năng đa dạng và thân thiện trong việc xây dựng

mô hình, nên học viên đã sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng phân tích kết cấu

so sánh đối chứng với kết quả thực nghiệm đã được mô tả trên

Chi tiết mô hình:

Bước đầu tạo mô hình từ các mô hình thực nghiệm dựa vào kích thước hình học của dầm cùng với cấu trúc tấm gia cường CFRP, lớp keo dính được định nghĩa trên trên mô hình, đồng thời xác định vị trí gia cường trên mỗi phần tử khác của dầm khác nhau

Các loại đặc tính cơ học của từng loại vật liệu được định nghĩa và gán tương ứng với từng lớp cấu tạo

Tải được sử dụng như là tải trọng đơn vị đặt tập trung ở vị trí bản kê gắn liên kết bề mặt tiếp xúc với dầm trong mô hình như hình 2.10

28

Hình 2 10: Định nghĩa tải trọng tập trung

Hình 2 11: Định nghĩa điều kiện biên vị trí gối cố định

Hình 2 12: Định nghĩa điều kiện biên vị trí gối di động

2.3.1.1 Các thành phần kết dính và mô hình vật liệu keo

29

ABAQUS đưa ra một mô hình phá hoại cho phép dự đoán sự phát phá hoại đối với các vật liệu dòn-dẻo với vật liệu ứng xử đẳng hướng, chẳng hạn như tấm gia cường CFRP

Mô hình này chủ yếu được sử dụng với các vật liệu gia cố sợi vì chúng thường có cùng tính chất ứng xử như vậy

Trong môi trường ABAQUS cung cấp một số thư viện các phần tử cố kết để

mô phỏng ứng xử của các mối nối keo, các giao diện trong vật liệu composite, và các trường hợp khác qua các giao diện thích hợp Thành phần gắn kết COH3D8 đại diện cho epoxy được sử dụng để gắn kết tấm gia cường CFRP với dầm thép

Mô hình hóa các thành phần gắn kết bao gồm việc lựa chọn loại phần tử thích hợp và xác định ứng xử cơ học của các phần tử để chọn phương pháp gắn kết thích hợp, đối với mô hình này, việc khai báo các lớp trong vật liệu Composite thường liên quan đến sự liên kết với dầm qua vật liệu keo trung gian rất mỏng, ở đây

ta có thể bỏ qua độ dày của vật liệu keo

Mô hình hóa với các thành phần gắn kết bao gồm các bước: Bước đầu tiên là chọn loại nguyên tố thích hợp, bao gồm các phần tử cố kết trong mô hình phần tử hữu hạn, kết nối chúng với các thành phần khác và tìm hiểu các vấn đề mô hình hóa điển hình phát sinh trong quá trình mô hình bằng các phần tử gắn kết Bước thứ hai

là xác định hình dạng ban đầu của các phần tử cố kết Thứ ba, ứng xử cơ học của các thành phần gắn kết có thể được xác định bởi mô hình cấu thành liên tục, mô hình cấu tạo dựa trên các thành phần tiếp xúc với nhau nhưng không liên kết

2.3.1.2 Giới hạn bề mặt

Hình 2.13 Khai báo điều kiện tương tác giữu hai bề mặt được giới hạn đã được xác định trước, sau đó một bề mặt được chọn làm bề mặt chủ, còn mặt kia được chọn làm bề mặt phụ và phụ thuộc theo sự biến dạng của bề mặt chủ