Phân tích hiệu quả kỹ thuật giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp - Nguyễn Chí Thanh

Nội dung text: Phân tích hiệu quả kỹ thuật giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp - Nguyễn Chí Thanh

1. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KỸ THUẬT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG VẬT LIỆU CỐT SỢI TỔNG HỢP ThS. Nguyễn Chí Thanh PGS.TS Lê Mạnh Hùng Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam GS.TS. Phạm Ngọc Khánh Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Gia cường kết cấu chịu lực bê tông cốt thép bằng việc dán lớp vật liệu cốt sợi cường độ cao là một trong các giải pháp duy trì và nâng cao sức chịu tải của kết cấu cũ để đáp ứng yêu cầu về khai thác. Để đánh giá tính hiệu quả kỹ thuật của giải pháp này, bài báo giới thiệu một số điểm quan trọng cũng như trình bày một số kết quả khảo sát số và khảo sát thực nghiệm của cấu kiện bê tông cốt thép được gia cường. 1. Giới thiệu Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Ngày nay với sự tồn tại của nhiều công trước đây về giải pháp gia cường sức kháng trình cũ nên việc cải tạo, mở rộng, nâng cấp uốn của kết cấu với các tấm composite cốt sợi công trình cũ là một giải pháp ngày càng quan các-bon được thực hiện ở nhiều nơi trên thế trọng có thể thay thế cho việc xây mới vốn rất giới. Ngày nay thì các tấm gia cường tốn kém về kinh tế. Trọng tâm trong lĩnh vực composite này được sản xuất phổ biến ở Tây này là việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép Âu, Nhật Bản, Nam Mỹ, sau khi đã khai thác để đáp ứng điều kiện So sánh với các phương pháp gia cố truyền cũng như yêu cầu khai thác mới. Các lý do thống, phương pháp sử dụng tấm cho việc này có thể là: composite thể hiện nhiều nhiều lợi thế. Việc thay đổi việc khai thác công trình do sự thi công rất gọn nhẹ, sạch sẽ. Hơn nữa, chiều thay đổi về hệ thống kết cấu hoặc về tải trọng cao kết cấu được giữ nguyên và tĩnh tải gia do sự sai sót về thiết kế cũng như thi tăng là rất nhỏ. Vật liệu cốt sợi phi kim loại công cũng có những điểm hạn chế. So với giải pháp do ăn mòn đối với cốt thép gia cường bằng các tấm thép thì vật liệu này do ảnh hưởng của môi trường (ví dụ như đắt hơn. Việc thi công cũng đòi hỏi người có động đất), kỹ thuật cao và không thích hợp cho kết cấu Khoảng 40 năm trước đây, người ta đã biết chịu nhiệt vì dưới tác dụng của nhiệt độ cao đến việc gia cường sức kháng uốn của kết cấu các keo dính có nhiều vấn đề. bằng phương pháp dán bản thép. Trong vòng Vật liệu liệu composite mới gia cường cho 20 năm gần đây việc sử dụng vật liệu gia kết cấu bê tông có tiềm năng lớn và có thể cường cốt sợi các-bon và thủy tinh đã thay thế đảm nhiệm được cả hai việc: sửa chữa gia dần các bản thép. Các tấm vật liệu tổng hợp cường và làm tăng sức chịu tải của kết cấu. này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại Với ưu điểm nhẹ, cường độ cao, mô đun đàn cường độ cao với khoảng 70% thể tích trong hồi lớn và khả năng chống ăn mòn cao, vật sự dính kết với keo epoxi. Trong các vật liệu liệu composite cốt sợi các-bon và thủy tinh rất liên kết cốt sợi thì vật liệu sợi các-bon (CFRP) thích hợp cho việc gia cường kết cấu bê tông có các đặc tính tốt hơn so với các vật liệu cốt cốt thép. Hơn thế nữa, việc sử dụng các tấm sợi khác như thủy tinh (GFRP ) và polymer composite bọc lên bề mặt cấu kiện còn có thể aramid (AFRP). Vật liệu kết dính được dùng bảo vệ và hạn chế sự gỉ cũng như ăn mòn của cũng giống như đối với bản thép là keo epoxi. các phần cốt thép bên trong lòng bê tông. 12
2. 2. Phương pháp gia cường kết cấu bằng Bảng 2: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại tấm sợi tổng hợp vật liệu cốt sợi 2.1. Vật liệu cốt sợi tổng hợp Hệ số dãn nở nhiệt (× 10- 2.1.1. Đặc tính cấu tạo 6/°C) a) Chất kết dính: GFRP CFRP AFRP Chất kết dính được sử dụng để gắn kết tấm Theo chiều 6 tới 10 –1 tới 0 –6 tới –2 vật liệu cốt sợi tổng hợp và bề mặt bê tông của dọc, L cấu kiện. Chất kết dính giúp truyền tải trọng Theo chiều 19 tới 23 22 tới 50 60 tới 80 giữa bề mặt bê tông và hệ thống gia cường ngang, T tấm composite. Chất kết dính cũng được sử Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với dụng để gắn các lớp vật liệu composite lại với hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi trong nhau. phạm vi 0,5 tới 0,7 [1]. b) Cốt sợi: c) Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: Các cốt sợi thủy tinh, aramid và các-bon Phụ thuộc vào nhiệt độ, mô đun đàn hồi thường được sử dụng với hệ thống gia cường của vật liệu polymer bị giảm đáng kể do sự bằng vật liệu composite. Các cốt sợi này giúp thay đổi cấu trúc vật liệu của nó. Ở vật liệu cho hệ thống gia cường về mặt cường độ và composite FRP, cốt sợi thể hiện đặc tính nhiệt độ cứng. tốt hơn so với chất kết dính và có thể tiếp tục e) Lớp bảo vệ: chịu một số tải trọng theo phương dọc thớ cho Lớp bảo vệ giúp giữ gìn cốt thép gia cường đến khi nhiệt độ đạt tới giới hạn làm chảy cốt đã được kết dính khỏi các tổn hại tiềm năng sợi. Điều này có thể xảy ra khi nhiệt độ vượt do môi tác động môi trường và cơ học. Lớp quá 1000°C. Cốt sợi thủy tinh có khả năng bảo vệ được ứng dụng điển hình ở bề mặt chịu nhiệt không quá 275°C. Do sự giảm lực ngoài của hệ thống gia cường sau khi thực chuyển đổi giữa các cốt sợi thông qua liên kết hiện việc bảo dưỡng lớp kết dính. Việc bảo vệ tới chất kết dính, đặc tính chịu kéo của vật này có nhiều dạng khác nhau. Chúng bao gồm liệu composite bị giảm. Các kết quả thí keo epoxy, hệ thống kết dính tạo nhám, lớp nghiệm đã cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao bảo vệ chống cháy, hơn nhiều so với nhiệt độ giới hạn của vật liệu 2.1.2. Đặc tính vật lý kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của a) Khối lượng riêng: các vật liệu cốt sợi thủy tinh và carbon tới Vật liệu polymer cốt sợi có khối lượng 20%. Các đặc tính khác bị tác động bởi sự riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3, theo truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, đó nhỏ hơn thép 6 lần. Việc giảm khối lượng chẳng hạn như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp. phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ 2.1.3. Đặc tính cơ học dàng xử lý vật liệu ở công trường. a) Cường độ chịu kéo: Bảng 1: Khối lượng riêng của các loại vật Khi chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi liệu cốt sợi (g/cm3) tổng hợp không thể hiện ứng xử dẻo trước khi bị phá hoại. Ứng xử kéo của vật liệu này được Thép GFRP CFRP AFRP biểu diễn bằng quan hệ ứng suất – biến dạng 7,9 1,2 – 2,1 1,5 – 1,6 1,2 – 1,5 đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, và b) Hệ số dãn nở nhiệt: trong trường hợp này sự phá hoại là đột ngột Các hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu và giòn. Cường độ kéo và độ cứng của vật liệu composite chịu lực một chiều khác nhau theo cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều tham phương dọc và ngang, phụ thuộc vào kiểu loại số. Vì các sợi trong vật liệu tổng hợp là thành cốt sợi, vật liệu kết dính và tỷ lệ cốt sợi. phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều 13
3. sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương Sự bóc tách của lực cắt hoặc kéo của lớp pháp cũng như điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh bê tông bảo vệ và hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này. Sự bóc tách của lớp vật liệu gia cường b) Ứng xử nén: khỏi bề mặt bê tông. Các hệ thống gia cường ngoài bằng vật liệu Sự phá hoại do nén của bê tông được giả cốt sợi tổng hợp không được sử dụng cho mục định là xảy ra nếu biến dạng nén trong bê tông đích gia cường vùng chịu nén. Mô đun đàn đạt tới giá trị biến dạng giới hạn (c = cu = hội nén thường nhỏ hơn so với mô đun đàn 0,003). Sự phá hoại từ lớp gia cường được giả hồi kéo. Các kết quả thí nghiệm trên cùng loại định là xảy ra khi biến dạng của lớp gia cường vật liệu với tỷ lệ thể tích là 55-60% của cốt sợi đạt tới giá trị biến dạng tới hạn trong thiết kế thủy tinh liên tục nằm trong chất kết dính ester (f = fu) trước khi bê tông đạt tới biến dạng hoặc polyester đã cho thấy là mô đun đàn hồi cực hạn. Sự bóc tách của lớp bê tông bảo vệ có giá trị trong khoảng 34000 và 48000 MPa. hoặc của lớp vật liệu gia cường xảy ra nếu lực Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đàn trong lớp gia cường vượt qua khả năng chịu hồi kéo đối với vật liệu GFRP, 85% đối với đựng của liên kết bề mặt. Với mặt cắt được CFRP và 100% đối với AFRP. gia cường lớp ngoài bằng vật liệu cốt sợi tổng 2.2. Các dạng phá hoại hợp, phá hủy do sự bóc tác có thể là chủ yếu Cường độ chịu uốn của mặt cắt phụ thuộc (hình 1b). Để tránh những dạng phá hủy do vào kiểu phá hoại. Các dạng phá hoại sau đây bóc tách bởi các vết nứt xiên, biến dạng có cần được khảo sát đối với mặt cắt cấu kiện hiệu trong cốt liệu gia cường cần nhỏ hơn biến được gia cường bằng lớp vật liệu cốt sợi tổng dạng mà sự bóc tách có thể xảy ra, fd. Theo hợp. ACI 440.2R-08 (2008) thì giá trị này được xác Sự phá hoại của bê tông trong vùng nén định như sau: trước khi cốt thép thường bị chảy, Sự chảy dẻo của thép trong vùng chịu (1.1) kéo ngay sau khi xảy ra sự phá hoại của tấm gia cường, Cũng theo ACI 440.2R-08 (2008), giá trị Sự chảy dẻo của thép trong vùng chịu biến dạng thiết kế của tấm gia cường được đề kéo sau khi có sự phá hoại của bê tông vùng nghị lấy là fd ≤ 0,7fu. Để đảm bảo phá hoại chịu nén, xảy ra theo dạng này, thì chiều dài dính bám phải lớn hơn một giá trị tính toán. a) Ứng xử của cấu kiện bê tông chịu uốn được gia cường b) Sự bóc tách của lớp gia cường do vết c) Sự bóc tách của lớp bê tông và vật liệu nứt uốn hoặc cắt gia cường Hình 1: Các dạng phá hoại điển hình của cấu kiện chịu uốn được gia cường bằng tấm sợi tổng hợp [1] 14
4. 3. Phân tích sức kháng uốn của mặt cắt MC-2 (gia cường 2 lớp ở phía dưới mặt cắt). được gia cường bằng phương pháp số Các thông số về tấm gia cường composite Để đánh giá được hiệu quả của việc gia được lấy từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại cường, trong phần này trình bày một khảo sát SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu sức kháng uốn đối với mặt cắt bê tông cốt kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và thép có kích thước BxH = 100cm x 20cm, độ dãn dài cực hạn 2,0%. Keo dính được sử mác bê tông #200 với cốt thép có giới hạn dụng có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô chảy là 340 MPa được bố trí như trên hình đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0%. 2b. Ba mặt cắt với các mức độ gia cường Trong trường hợp chịu uốn, keo dính có khác nhau được nghiên cứu: MC-0 (không cường độ là 123,4 MPa và mô đun đàn hồi là gia cường), MC-1 (gia cường một lớp) và 3,12 GPa. 250 250 MC-0 200 200 MC-1 MC-2 150 150 100 100 Moment (kNm) Moment (kNm) MC-0 50 50 MC-1 MC-2 0 0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 3 4 5 6 7 8 Độ cong (1/m) Chiều cao chịu nén x (cm) Hình 2: Ứng xử của mặt cắt bê tông cốt thép gia cường bằng vật liệu composite Các tính toán được thực hiện cho mặt cắt dưới của mặt cắt đã làm cho vị trí trục trung nứt với giả thiết là bê tông hoàn toàn không hòa dịch chuyển xuống phía dưới theo hướng chịu kéo. Đường cong ứng suất-biến dạng của làm tăng chiều cao vùng chịu nén (Hình 2b). bê tông được xác định theo tiêu chuẩn Model Việc này kéo theo điểm ứng với tải trọng làm Code 2010 [2]. Việc tính toán trạng thái ứng chảy cốt thép thường vùng chịu kéo được dịch suất, biến dạng của mặt cắt dưới tác dụng của chuyển theo hướng tải trọng tăng vì biến dạng tải trọng mô men dựa trên phương pháp lặp của nó trong trường hợp mặt cắt cùng độ cong Newton-Raphson và tích phân ứng suất mặt bị giảm. Các điểm nằm trên một đường thẳng cắt thông qua ứng dụng chương trình BMAP và được thể hiện trên hình 2a và 2b. Cho đến [3]. Hình 2 thể hiện kết quả tính toán được khi cốt thép thường bị chảy, ứng xử của mặt biểu diễn thông qua các quan hệ a) độ cong – cắt là tuyến tính. Khi cốt thép chảy làm cho mô men và b) chiều cao vùng chịu nén của bê biến dạng vùng chịu kéo tăng nhanh kéo theo tông – mô men. độ cong cũng tăng nhanh khi tải trọng tăng. Các đường cong quan hệ trên hình 2a cho Điều này lại làm giảm chiều cao vùng chịu thấy độ cứng kháng uốn của mặt cắt gia cường nén của mặt cắt (đoạn cong trên hình 2b). Sự (MC-1 và MC-2) cao hơn đáng kể so với độ giảm này phụ thuộc vào tỷ lệ hàm lượng cốt cứng của mặt cắt không gia cường (MC-0). thép thường vùng chịu kéo và vật liệu gia Sức kháng uốn của mặt cắt sau khi gia cường cường. Ở mặt cắt không gia cường, do cốt 1 lớp tăng gần gấp 2 lần trong trường hợp này thép thường bị chảy nên chiều cao vùng chịu (tỷ lê mô men 195/100). Khi gia cường 2 lớp nén giảm mạnh, sức chịu tải của mặt cắt thì sức kháng uốn có tăng hơn nữa (tỷ lệ 2,3 không lớn. Với mặt cắt gia cường hai lớp có lần). Việc gia cường đã làm cho chiều cao mặt sự giảm nhẹ về chiều cao vùng chịu nén hơn cắt thay đổi chút ít, nhưng với sự phân bố của so với trường hợp gia cường một lớp. Cho đến hàm lượng vật liệu cường độ cao nhiều ở mặt khi bê tông bị chảy dẻo, chiều cao vùng chịu 15
5. nén lại tăng dần và rồi đến một giới hạn nào có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn đó thì bê tông vùng nén bị phá hủy. Như vậy, hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0%. Trong trường việc gia cường vật liệu composite ở vùng chịu hợp chịu uốn, keo dính có cường độ là 123,4 kéo đã làm tăng đáng kể chiều cao chịu nén MPa và mô đun đàn hồi là 3,12 GPa. Các quan của bê tông và điều này dẫn tới sức kháng uốn hệ chuyển vị tại giữa tấm và tải trọng của các của mặt cắt được tăng lên. Đây chính là điểm bản này được thể hiện trên hình 3. cơ bản thể hiện hiệu quả của việc gia cường Ở đây, bản B01 với chỉ cốt thép thường thể cấu kiện chịu uốn bằng cách dán lớp vật liệu hiện môt miền chảy dẻo rất lớn và có chuyển cường độ cao ở vùng chịu kéo. vị ở trạng thái tới hạn là 38mm. Ở trạng thái 4. Đánh giá hiệu quả của phương pháp này, bản có tỷ lệ chuyển vị tương đối so với gia cường bằng thực nghiệm chiều dài nhịp uốn là 3,8%. Tải trọng lớn nhất Để đánh giá hiệu quả của phương pháp gia mà bản B01 chịu được là khoảng 17 kN. cường, ở phần này trình bày kết quả thí nghiệm Ngược lại, các bản B02, B03 và B04 gần như của bản bê tông cốt thép chịu uốn. Các bản này không có miền chảy dẻo do bị phá hoại đột có kích thước làm việc là B x L x H= 60cm x ngột bởi sự bong bật của lớp gia cường. Các 100cm x 6cm, được chế tạo bởi bê tông mác đường cong quan hệ giữa chuyển vị và tải #200, cốt thép có cường độ chảy là 340 MPa trọng có cùng một dạng và giá trị tải trọng tới (hình 3). Bản B01 không gia cường, các bản còn hạn cũng như chuyển vị tới hạn tương đối gần lại B02, B03 và B04 được gia cường bằng tấm nhau. Ở đây, giá trị trung bình của tải trọng tới cốt sợi từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại hạn là xấp xỉ 50 kN, của chuyển vị là 11mm. SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu Như vậy ở thử nghiệm này, kết cấu bản được kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và độ gia cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ bằng ba dãn dài cực hạn 2,0%. Keo dính được sử dụng lần so với kết cấu không gia cường (300%). m m m m 0 m m 5 0 0 1 0 6 / 6 2 6 Hình 3: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa dầm 5. Kết luận thuật cao. Sự tăng cường vật liệu cường độ Với những ưu điểm về vật liệu như cường cao này ở những vùng chịu kéo làm tăng chiều độ chịu tải lớn, khối lượng nhẹ so với các vật cao chịu nén của mặt cắt bê tông, kéo theo sự liệu truyền thống, và về sự thuận tiện trong tăng về sức chịu tải uốn của cấu kiện. Khảo việc thi công, phương pháp gia cường kết cấu sát số và thực nghiệm đều cho thấy, việc gia chịu lực bê tông cốt thép bằng việc dán vật cường bằng tấm vật liệu composite cũng làm liệu cốt sợi tổng hợp thể hiện sự hiệu quả kỹ tăng đáng kể độ cứng của cấu kiện sau khi gia 16
6. cường. Vì vật liệu gia cường có giới hạn biến Ngoài các dạng phá hoại thông thường của dạng phá hoại cao, nên sự phá hoại của mặt mặt cắt do sự đứt của cốt liệu chịu kéo hoặc cắt chịu lực chủ yếu xảy ra do bê tông vùng sự phá hoại nén của bê tông, thì ở phương chịu nén vượt quá khả năng chịu lực. Sự pháp gia cường này cũng có thể có sự phá chuyển đổi từ dạng phá hoại dẻo do cốt thép hoại do bóc tách của lớp gia cường khi chiều thường sang phá hoại dòn ở bê tông vùng chịu dài lớp gia cường không đủ lớn. Việc nghiên nén đã khai thác được tối đa sự chịu lực của cứu đánh giá ảnh hưởng của mức độ gia bê tông, và do đó hiệu quả gia tăng sức chịu cường, chiều dài gia cường, sự dính bám giữa tải của kết cấu là cao (300% cho trường hợp bê tông và lớp vật liệu gia cường cùng với sự kết cấu được thí nghiệm trong khuôn khổ bài làm việc chung của bê tông vùng chịu kéo là báo này). rất cần thiết. Tài liệu tham khảo [1] ACI: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, Report by ACI Committee 440, American Concrete Institute, July 2008. [2] MC2010: Model Code 2010, First complete draft, Volume 1 & 2, fib Bulletin 55, 03- 2010. [3] N.L. Tran, C.A. Graubner: Numerical Detimination of Bending Stiffness of Reinforced Concrete Elements under Repeated Loading, Darmstadt Concrete, Annual Journal on Concrete and Concrete Structures, Vol. 25, Darmstadt 2010. Abstract: TECHNICAL EFFECTIVENESS ANALYSIS OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES STRENGTHENED WITH FRP PLATES Using FRP plates to cover the surface of reinforced concrete structures is one of the various strengthening methods, which can recorver and also make the load-bearing of structures stronger to adapt the new requirement of exploitation. To determine the technical effectiveness of this method, this paper introduces some important points of the method and also presents results of numerical as well as experimental analysises of reinforced concrete elements strengthed with FRP plates. 17