Luận văn thạc sĩ evaluation of technical and economic effectiveness of fiber reinforced polymer frp solutions in repairstrengthening of steel bridges in vietnam

Luận văn thạc sĩ phân tích evaluation of technical and economic effectiveness of fiber reinforced polymer frp solutions in, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyen Huu Hoe
• Người hướng dẫn: Associate Prof. Luong Xuan Binh
• Trường học: Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Infrastructure Engineering
• Đề tài: Đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của giải pháp polymer gia cường sợi trong sửa chữa và tăng cường cầu thép tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF CHARTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF NOMENCLATURES AND ABBREVIATIONS
• UNIT OF SI SYSTEM
• ABSTRACT
• THE NECESSARY OF THE STUDY
• THE OBJECTIVE OF THE STUDY
• METHODOLOGY
• THE OBJECT AND SCOPE OF THE STUDY
• THE LAYOUT OF THE THESIS
• 1. CHƯƠNG 1: LITERATURE REVIEW
• 1.1. Since the 1980s, external adhesive fiber materials have been widely used in both Europe and Japan to enhance the bearing capacity of the structure being used
• 1.2. In Europe, FRP materials have been developed to replace structural reinforcement with steel plates
• 1.3. The method of gluing steel plates in the tensile zone is a feasible technique to increase bending resistance for structures
• 1.4. Application of using FRP materials to replace the steel plate method in strengthening structures
• 1.5. Research and development of technical standards and design guidelines for FRP materials
• 1.6. Popular methods for sheet and fabric FRP materials: dry lay-up and wet lay-up
• 1.7. Doctoral dissertation by Nguyen Chi Thanh on reinforced concrete irrigation works using FRP materials
• 1.8. Research by Ghadir Mehramiz and Kambiz Narmashiri on steel beams reinforcement
• 1.9. Limitations of previous studies and focus of this research
• 2. CHƯƠNG 2: OVERVIEW OF TECHNICAL ISSUES OF REPAIRING AND STRENGTHENING STEEL BRIDGE STRUCTURE IN VIETNAM
• 2.1. Typical forms of damages of steel bridge structure in Vietnam
• 2.2. Traditional solutions to repair and reinforce steel bridges
• 2.3. Some methods of reinforcing the steel span structure
• 2.4. Technical requirements of steel bridge repair and reinforcement
• 2.5. Develop criteria for selecting FRP materials for the repair and reinforcement of steel bridges
• 3. CHƯƠNG 3: SOME EXPERIMENTAL RESEARCHES USING FRP MATERIALS IN REPAIRING, STRENGTHENING STEEL STRUCTURE AND ANALYSIS OF TECHNICAL EFFICIENCY OF SOLUTIONS
• 3.1. Experiment 1: Experiment on glue resistance of TYFO WS
• 3.2. Processing experimental data
• 3.3. Comment and conclusion on experimental results
• 3.4. Experiment 2: Bending test of steel samples reinforced with FRP materials
• 3.5. Processing experimental data
• 3.6. Comment and conclusion on experimental results
• 3.7. Conclusion of technical efficiency
• 4. CHƯƠNG 4: EVALUATE THE ECONOMIC EFFICIENCY OF THE SOLUTIONS USING FRP MATERIALS ON REPAIRING STEEL BRIDGE STRUCTURE IN VIETNAM, CASE STUDY LONG BIEN BRIDGE
• 4.1. Causes and deterioration of Long Bien Bridge
• 4.2. Overview of history, operation of Long Bien Bridge
• 4.3. Damaged condition of the Long Bien bridge
• 4.4. Protection and reinforcement measures have been used
• 4.5. Use U-shaped steel plate to cover the collar beam
• 4.6. Use steel plates to compensate for corrosion, puncture with welding or rivets for bonding. Then use special paint to paint on
• 4.7. Replace collar beam by new one
• 4.8. Develop solutions for repairing and strengthening Long Bien Bridge
• 4.9. The advantages of repair and reinforcement with FRP materials
• 4.10. Select FRP materials following the criteria and technical requirements
• 4.11. Calculation and design of reinforcement solutions for Long Bien bridge collar beams using FRP-Tyfo materials
• 4.12. Estimate the unit price for methods of repairing and reinforcement collar beams of Long Bien bridge
• 4.13. Bases for calculation of repair and reinforcement prices
• 4.14. Volume of repair and reinforcement methods
• 4.15. Unit price for methods of repairing and reinforcement collar beams of Long Bien bridge
• 4.16. Analysis, evaluation of economic efficiency

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiệu quả kỹ thuật của giải pháp polymer gia cường sợi

Giải pháp polymer gia cường sợi (FRP) đã trở thành một trong những phương pháp tiên tiến trong việc sửa chữa và tăng cường cầu thép tại Việt Nam. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện độ bền của cầu mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì. Nghiên cứu cho thấy, FRP có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với các vật liệu truyền thống, từ đó kéo dài tuổi thọ của cầu thép.

1.1. Tại sao nên sử dụng giải pháp polymer trong sửa chữa cầu thép

Việc sử dụng giải pháp polymer trong sửa chữa cầu thép mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, FRP có trọng lượng nhẹ, dễ dàng thi công và không làm tăng tải trọng lên cầu. Thứ hai, khả năng chống ăn mòn của FRP giúp bảo vệ cấu trúc thép khỏi các tác động của môi trường, từ đó giảm thiểu chi phí bảo trì.

1.2. Các nghiên cứu trước đây về hiệu quả của FRP

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng polymer gia cường sợi có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của cầu thép. Ví dụ, nghiên cứu của Ghadir Mehramiz và Kambiz Narmashiri (2014) đã chứng minh rằng FRP có thể tăng cường khả năng chịu kéo và chịu uốn của các cấu kiện thép.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sửa chữa cầu thép tại Việt Nam

Cầu thép tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều vấn đề nghiêm trọng như ăn mòn, nứt gãy và giảm khả năng chịu lực. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến an toàn giao thông mà còn gây tốn kém cho việc bảo trì. Việc tìm kiếm giải pháp hiệu quả để khắc phục những thách thức này là rất cần thiết.

2.1. Nguyên nhân gây hư hỏng cầu thép

Nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng cầu thép bao gồm tác động của thời tiết, ô nhiễm môi trường và quá trình sử dụng lâu dài. Những yếu tố này làm giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của cầu, đòi hỏi phải có các biện pháp sửa chữa kịp thời.

2.2. Những thách thức trong việc áp dụng công nghệ mới

Mặc dù công nghệ polymer gia cường sợi đã được chứng minh là hiệu quả, nhưng việc áp dụng nó tại Việt Nam vẫn gặp nhiều thách thức. Thiếu hụt kiến thức và kinh nghiệm trong thi công, cũng như chi phí đầu tư ban đầu cao là những rào cản lớn.

III. Phương pháp áp dụng giải pháp polymer gia cường sợi trong sửa chữa cầu thép

Để áp dụng hiệu quả giải pháp polymer, cần có một quy trình rõ ràng từ việc đánh giá tình trạng cầu đến thiết kế và thi công. Việc lựa chọn vật liệu FRP phù hợp và thực hiện các bước thi công chính xác là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

3.1. Quy trình đánh giá tình trạng cầu

Quy trình đánh giá tình trạng cầu bao gồm việc kiểm tra các dấu hiệu hư hỏng như nứt, ăn mòn và biến dạng. Các chuyên gia cần sử dụng các thiết bị hiện đại để xác định mức độ hư hỏng và đưa ra giải pháp sửa chữa phù hợp.

3.2. Thiết kế và thi công giải pháp FRP

Thiết kế giải pháp FRP cần dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu cụ thể của từng cầu. Sau khi thiết kế, quy trình thi công cần được thực hiện bởi các đội ngũ có kinh nghiệm để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của giải pháp.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về FRP tại Long Biên Bridge

Cầu Long Biên là một trong những cầu thép nổi tiếng tại Việt Nam, đang cần được sửa chữa và tăng cường. Việc áp dụng giải pháp polymer gia cường sợi tại đây đã cho thấy những kết quả khả quan, giúp cải thiện khả năng chịu lực và kéo dài tuổi thọ của cầu.

4.1. Tình trạng hiện tại của cầu Long Biên

Cầu Long Biên hiện đang gặp phải nhiều vấn đề như ăn mòn và nứt gãy. Việc đánh giá tình trạng cầu cho thấy cần thiết phải áp dụng các biện pháp sửa chữa kịp thời để đảm bảo an toàn giao thông.

4.2. Kết quả từ việc áp dụng FRP

Kết quả từ việc áp dụng giải pháp polymer cho thấy khả năng chịu lực của cầu đã được cải thiện đáng kể. Các thử nghiệm cho thấy FRP có thể tăng cường khả năng chịu kéo và uốn, từ đó giúp cầu hoạt động an toàn hơn.

V. Kết luận và tương lai của giải pháp polymer gia cường sợi tại Việt Nam

Giải pháp polymer gia cường sợi đã chứng minh được hiệu quả trong việc sửa chữa và tăng cường cầu thép tại Việt Nam. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho ngành xây dựng cầu đường, đặc biệt là trong bối cảnh cầu thép đang ngày càng xuống cấp.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ FRP

Công nghệ FRP có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng và độ bền của cầu thép. Việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu chi phí bảo trì.

5.2. Khuyến nghị cho các dự án tương lai

Các dự án sửa chữa cầu thép trong tương lai nên xem xét áp dụng giải pháp polymer như một lựa chọn ưu tiên. Việc đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ này cho các kỹ sư và nhà thầu là rất cần thiết để đảm bảo thành công trong việc áp dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hàng trăm cây cầu thép thuộc hệ thống giao thông vận tải đường bộ và đường sắt tại Việt Nam đã trải qua nhiều thập kỷ khai thác và đang đối mặt với tình trạng xuống cấp nghiêm trọng. Tác động bất lợi của khí hậu nhiệt đới gió mùa có độ ẩm cao cùng sự gia tăng liên tục của lưu lượng và tải trọng trục đã gây ra hiện tượng rỉ sét, ăn mòn kim loại, nứt cục bộ và suy giảm từ 5% đến hơn 20% diện tích mặt cắt ngang chịu lực của các cấu kiện thép. Trong bối cảnh nguồn ngân sách đầu tư công còn hạn chế, giải pháp thay thế mới toàn bộ kết cấu dầm đòi hỏi chi phí hàng chục tỷ đồng cho mỗi công trình và gây đình trệ giao thông kéo dài. Đồng thời, các biện pháp sửa chữa truyền thống như hàn táp bản thép bổ sung hoặc liên kết đinh tán bộc lộ nhiều nhược điểm lớn: làm gia tăng từ 15% đến 25% tĩnh tải bản thân, khó thi công trong không gian chật hẹp, dễ phát sinh biến tính nhiệt và tiếp tục bị ăn mòn điện hóa.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cấp bách trên bằng cách đánh giá toàn diện hiệu quả kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của giải pháp ứng dụng vật liệu polyme cốt sợi composite (FRP - Fiber Reinforced Polymer) kết hợp hệ keo epoxy chuyên dụng trong sửa chữa, gia cường kết cấu dầm cầu thép. Mục tiêu cụ thể là xây dựng bộ tiêu chí tuyển chọn vật liệu FRP tương thích, kiểm chứng thực nghiệm khả năng tăng cường độ dính bám bề mặt và sức kháng uốn, đồng thời thiết lập phương pháp tính toán số lớp sợi tối ưu cho dầm ngang cầu Long Biên (Hà Nội). Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở định lượng chứng minh giải pháp dán FRP giúp nâng cao từ 11.09% đến hơn 303.1% khả năng chịu tải của cấu kiện thép, bảo đảm duy trì 100% hoạt động chạy tàu liên tục và tối ưu hóa chi phí vận hành bảo trì trong vòng đời 50 năm của công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết cơ học kết cấu composite theo tiêu chuẩn chỉ dẫn thiết kế quốc tế ACI 440R và nguyên lý quy đổi tiết diện dầm liên hợp tương đương dựa trên tiêu chuẩn ACI 318-85. Hệ thống lý thuyết tiếp xúc và cơ học phá hủy liên diện kim loại - polyme được vận dụng để phân tích quy luật truyền ứng suất cắt qua lớp keo dán trung gian.

Các khái niệm then chốt bao gồm:

1. Vật liệu FRP: Hệ vật liệu tổ hợp gồm sợi carbon đơn hướng Tyfo SCH-41 có cường độ kéo cao và sợi thủy tinh Tyfo SEH-25A có tính năng cách điện, ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn điện hóa galvanic giữa sợi carbon và thép nền.
2. Cường độ dính bám kéo nhổ liên diện: Đại lượng phản ánh ứng suất tới hạn làm việc của lớp chất kết dính gốc nhựa epoxy Tyfo WS và chất thấm bão hòa Tyfo S liên kết trực tiếp trên bề mặt kim loại.
3. Mô men kháng uốn và giới hạn chảy của thép: Đặc trưng hình học và cơ lý của thép kết cấu mác Q345 với giới hạn chảy danh định đạt 345 N/mm2.
4. Trạng thái ứng suất liên hợp tương đương: Mô hình toán học mô tả sự làm việc đồng thời của hệ kết cấu thép - FRP thông qua mô men quán tính quy đổi và mô men tĩnh của tiết diện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ chuỗi thí nghiệm cơ học vật lý chuyên sâu trên hệ thống máy kéo nén vạn năng đa năng HFM 500 KN tại phòng thí nghiệm chuyên ngành, kết hợp với số liệu đo đạc trắc đạc hình học và khảo sát mức độ rỉ sét thực tế tại dầm ngang cầu Long Biên.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm cơ học phá hủy và phương pháp giải tích quy đổi tiết diện đàn hồi. Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế bao gồm hai chương trình độc lập:

• Thí nghiệm kéo nhổ xác định cường độ bám dính của keo: Sử dụng 12 mẫu thép trụ tròn đường kính 60 mm, chiều dày 20 mm bằng thép Q345, chia thành 2 nhóm đối chứng (6 mẫu không tạo nhám bề mặt và 6 mẫu được xử lý phun cát hạt mài áp lực cao).
• Thí nghiệm uốn kiểm tra sức chịu tải của dầm: Sử dụng tổng cộng 14 mẫu thử, gồm 4 dầm thép dày kích thước 600 x 100 x 20 mm (1 dầm nguyên bản đối chứng và 3 dầm gia cường tổ hợp 1 lớp sợi thủy tinh cùng 2 lớp sợi carbon) và 10 dầm thép mỏng kích thước 600 x 60 x 5 mm (chia thành các nhóm gia cường 2 lớp và 3 lớp carbon).

Quy trình chọn mẫu được thực hiện theo phương pháp lấy mẫu đối chứng phân tầng (stratified comparative sampling) nhằm phân lập rõ rệt ảnh hưởng của yếu tố công nghệ xử lý bề mặt và độ dày thành thép đến cơ chế phá hoại của liên kết composite. Phương pháp phân tích giải tích quy đổi được lựa chọn vì cho phép mô phỏng chính xác sự dịch chuyển của trục trung hòa và phân bố lại ứng suất thực tế giữa thép và FRP khi tải trọng vượt qua ngưỡng đàn hồi, khắc phục hoàn toàn nhược điểm thiếu kiểm chứng hiện trường của các mô hình mô phỏng số đơn thuần. Toàn bộ lộ trình thực nghiệm và tính toán thiết kế được triển khai hoàn chỉnh trong khung thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm kéo nhổ xác định lực dính kết của hệ keo epoxy Tyfo WS kết hợp sợi thủy tinh SEH-25A và sợi carbon SCH-41 cho thấy công nghệ xử lý bề mặt đóng vai trò quyết định. Nhóm mẫu thép không phun cát tạo nhám đạt cường độ bám dính trung bình chỉ 8.97 N/mm2 (dao động từ 8.09 N/mm2 đến 9.85 N/mm2 với lực phá hoại cực hạn từ 22,862 N đến 27,841 N). Trong khi đó, nhóm mẫu được làm sạch và tạo nhám bằng phương pháp phun cát đạt cường độ dính bám trung bình lên tới 17.26 N/mm2 (dao động từ 15.59 N/mm2 đến 18.74 N/mm2 với lực kéo phá hoại cực hạn từ 44,084 N đến 52,972 N). Xử lý bề mặt bằng phun cát giúp tăng cường độ dính bám nhổ thêm 92.42% (chênh lệch tuyệt đối 8.29 N/mm2), tức tăng gần gấp đôi khả năng truyền lực qua liên diện.

Thử nghiệm uốn dầm thép dày (chiều dày 20 mm, khoảng cách hai gối tựa 440 mm) chỉ ra rằng mẫu dầm đối chứng không gia cường đạt tải trọng chịu uốn phá hoại là 39,733 N. Khi được dán gia cường 1 lớp sợi thủy tinh và 2 lớp sợi carbon, tải trọng chịu uốn trung bình của dầm tăng lên mức 44,140 N (các giá trị mẫu thử đạt lần lượt 42,332 N, 46,188 N và 43,901 N), tương đương mức tăng trưởng 11.09% sức chịu tải (tăng tuyệt đối 4,407 N). Khi thép nền làm việc vượt qua 45.86% giới hạn chảy, các lớp sợi FRP phát huy 28.00% năng lực chịu ứng suất kéo, giúp hạn chế hiệu quả sự phát triển độ võng dư.

Thử nghiệm uốn trên dầm thép mỏng (chiều dày 5 mm, khoảng cách hai gối tựa 200 mm) mang lại bước đột phá về khả năng tăng cường độ chịu uốn. Dầm mỏng không gia cường có tải trọng phá hoại trung bình là 2,195 N. Khi được dán 2 lớp sợi carbon SCH-41, tải trọng phá hoại trung bình đạt 5,240 N, tăng 238.7% so với dầm gốc (thép đạt 99.88% giới hạn chảy, FRP đóng góp 23.27% sức chịu tải). Khi tăng cường lên 3 lớp sợi carbon SCH-41, tải trọng phá hoại trung bình đạt 6,653 N, tăng 303.1% so với dầm đối chứng (thép đạt 89.56% giới hạn chảy, FRP đóng góp 25.33% khả năng chịu tải).

Phân tích kinh tế kỹ thuật trên case study dầm ngang cầu Long Biên với các mức độ rỉ sét tổn hao diện tích 5%, 10% và 20% khẳng định giải pháp dán FRP vừa khôi phục hoàn toàn mô men kháng uốn ban đầu, vừa giúp loại bỏ hoàn toàn chi phí định kỳ 4 năm một lần cho công tác cạo rỉ sơn lại so với phương án dán bản thép truyền thống.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gia cường vượt trội của giải pháp xuất phát từ khả năng tạo ngàm liên kết cơ học vi mô khi hạt mài áp lực cao loại bỏ lớp oxit sắt và tạo nhám bề mặt thép nền, giúp keo epoxy Tyfo WS thẩm thấu sâu vào các mao dẫn kim loại. Lớp sợi thủy tinh SEH-25A đóng vai trò lớp đệm cách ly điện môi tuyệt hảo, triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ ăn mòn điện hóa giữa các nguyên tử carbon và phân tử sắt trong điều kiện độ ẩm cao.

Dữ liệu thực nghiệm uốn có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng (P - v) và biểu đồ quan hệ tải trọng - biến dạng (P - ε). Các đường cong phân tích chỉ ra rằng dầm gia cường FRP duy trì trạng thái làm việc đàn hồi kéo dài hơn đáng kể so với dầm thép trần, đồng thời độ dốc của đường biểu diễn P - v biểu thị độ cứng uốn của dầm được cải thiện rõ nét. Bảng tính toán ứng suất cực đại phân tách ứng suất pháp trong thép (σt) và ứng suất kéo trong sợi composite (σs) làm sáng tỏ cơ chế san sẻ tải trọng: FRP tiếp nhận tải trọng kéo lớn nhất ở vùng thớ ngoài cùng của tiết diện chịu uốn.

So sánh với các nghiên cứu mô phỏng trước đây vốn chỉ xem xét liên kết dính bám hoàn hảo, kết quả thực nghiệm này phản ánh sát thực tế công trường khi kể đến sự suy giảm độ dính bám cục bộ. Giải pháp FRP vượt trội hơn hẳn phương pháp dán bản thép truyền thống nhờ việc không làm tăng tĩnh tải công trình, không gây tập trung ứng suất tại các lỗ khoan bu lông và loại bỏ nguy cơ mỏi nứt đường hàn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ban hành quy trình bắt buộc về chuẩn bị bề mặt kim loại bằng công nghệ phun cát đạt cấp độ sạch tiêu chuẩn SA 2.5 trước khi dán keo epoxy, thiết lập mục tiêu cường độ dính bám kéo nhổ liên diện đạt tối thiểu 15.0 N/mm2; thời gian hoàn thành trong vòng 6 tháng do Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải chủ trì biên soạn.
2. Ứng dụng ngay giải pháp dán composite tổ hợp (1 lớp sợi thủy tinh SEH-25A và từ 2 đến 3 lớp sợi carbon SCH-41) để gia cường các dầm ngang bị ăn mòn rỉ sét từ 5% đến 20% tại cầu Long Biên, bảo đảm duy trì 100% lưu lượng chạy tàu mà không cần phong tỏa tuyến; tiến độ triển khai thí điểm trong 12 tháng do Tổng công ty Đường sắt Việt Nam phối hợp thực hiện.
3. Thiết lập hệ thống định mức kinh tế kỹ thuật và đơn giá chuyên ngành cho công tác dán vật liệu composite FRP trên cầu thép, hướng tới mục tiêu cắt giảm từ 15% đến 20% tổng chi phí đầu tư so với phương án thay thế kết cấu dầm mới; lộ trình ban hành trong 18 tháng do Cục Đường sắt Việt Nam và Bộ Giao thông Vận tải phê duyệt.
4. Áp dụng đồng bộ lớp sơn phủ bảo vệ chuyên dụng Tyfo U Coating kháng tia cực tím (UV) và chống xâm thực môi trường bên ngoài các lớp FRP, kéo dài tuổi thọ khai thác của hệ liên kết dán lên trên 30 năm; yêu cầu các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công đưa vào hồ sơ kỹ thuật ngay từ quý 1 năm sau.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư thiết kế kết cấu cầu và chuyên gia giám định công trình: Khai thác trực tiếp các công thức giải tích tính đổi tiết diện tương đương và bảng tra số lớp sợi FRP để thiết kế gia cố các cấu kiện cầu thép bị ăn mòn từ 5% đến 20%.
2. Các nhà thầu thi công sửa chữa và bảo trì công trình hạ tầng: Nắm bắt chuẩn xác định mức tiêu hao vật tư composite (SCH-41, SEH-25A), kỹ thuật phun cát áp lực cao và quy trình bão hòa keo epoxy Tyfo S để tối ưu hóa biện pháp tổ chức thi công tại hiện trường.
3. Các cơ quan quản lý nhà nước và chủ đầu tư dự án đường sắt, đường bộ: Sử dụng cơ sở dữ liệu so sánh chi phí vòng đời 50 năm để lập kế hoạch phân bổ nguồn vốn bảo trì hàng năm, chuyển dịch từ các giải pháp chắp vá truyền thống sang công nghệ vật liệu mới hiệu quả cao.
4. Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông: Kế thừa toàn bộ hệ thống số liệu thực nghiệm của 14 mẫu dầm uốn và 12 mẫu kéo nhổ để phát triển các mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến 3D hoặc mở rộng nghiên cứu sang độ bền mỏi dưới tải trọng lặp chu kỳ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao bắt buộc phải xử lý bề mặt thép bằng phương pháp phun cát trước khi dán sợi FRP? Xử lý bề mặt bằng phun cát tạo độ nhám sâu và loại bỏ triệt để rỉ sét, giúp tăng cường độ dính bám nhổ của keo epoxy từ 8.97 N/mm2 lên 17.26 N/mm2 (mức tăng 92.42%). Nếu chỉ làm sạch cơ học thông thường, diện tích tiếp xúc thực tế giảm mạnh, dẫn đến nguy cơ bong tách giòn tại bề mặt tiếp xúc khi chịu rung động động học của phương tiện.

2. Sợi carbon dán trực tiếp lên bề mặt thép có gây ra hiện tượng ăn mòn điện hóa hay không? Tiếp xúc trực tiếp giữa carbon và sắt trong môi trường ẩm sẽ hình thành cặp pin galvanic gây ăn mòn kim loại nhanh chóng. Luận văn đã giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách bố trí 1 lớp sợi thủy tinh SEH-25A tẩm epoxy cách điện ở giữa bản thép và các lớp sợi carbon SCH-41, ngăn chặn 100% phản ứng điện hóa phát sinh.

3. Mức độ gia cường khả năng chịu uốn của dầm thép bằng sợi FRP đạt hiệu quả ra sao? Kết quả thử nghiệm uốn trên máy HFM 500 KN chứng minh dầm thép mỏng dán 2 lớp carbon tăng 238.7% tải trọng chịu uốn (đạt 5,240 N), dán 3 lớp carbon tăng 303.1% (đạt 6,653 N). Đối với dầm thép dày 20 mm, sức kháng uốn tăng 11.09%, đồng thời giúp tiết diện duy trì khả năng làm việc đàn hồi tốt hơn.

4. Giải pháp dán FRP mang lại lợi thế kinh tế nào nổi bật so với thay mới dầm ngang cầu Long Biên? Phương án dán FRP sử dụng thiết bị gọn nhẹ, thi công trực tiếp trong các khoảng giãn cách chạy tàu nên bảo đảm 100% biểu đồ chạy tàu liên tục. Phân tích chi phí vòng đời 50 năm chỉ ra rằng giải pháp này triệt tiêu chi phí định kỳ sơn bảo dưỡng 4 năm/lần và giảm thiểu chi phí cẩu lắp nặng so với việc thay dầm mới.

5. Căn cứ nào để xác định chính xác số lượng lớp sợi FRP cần dán cho cấu kiện thép bị hư hại? Số lớp sợi được tính toán dựa trên mức độ suy giảm diện tích mặt cắt ngang của dầm (tương ứng với các mức độ ăn mòn 5%, 10% và 20%). Nguyên tắc thiết kế đòi hỏi tổng lực kéo do các lớp sợi FRP đảm nhận phải bù đắp chính xác phần mô men kháng uốn bị thiếu hụt của tiết diện thép rỉ sét so với thiết kế ban đầu.

Kết luận

• Xác lập cơ sở khoa học định lượng chứng minh công nghệ phun cát tạo nhám làm tăng 92.42% cường độ dính bám của keo epoxy trên bề mặt kết cấu thép, đạt trung bình 17.26 N/mm2.
• Chứng minh thực nghiệm năng lực nâng cao sức kháng uốn của vật liệu FRP, giúp tăng từ 11.09% khả năng chịu tải đối với dầm dày đến 303.1% đối với dầm mỏng thông qua tổ hợp sợi thủy tinh SEH-25A và sợi carbon SCH-41.
• Xây dựng thành công phương pháp tính toán xác định số lớp FRP tối ưu để khôi phục hoàn toàn khả năng chịu lực cho các dầm ngang cầu Long Biên bị suy giảm tiết diện ở các mức 5%, 10% và 20%.
• Đưa ra bức tranh so sánh kinh tế kỹ thuật toàn diện, chứng minh tính ưu việt vượt trội của giải pháp composite trong chu kỳ vòng đời 50 năm so với giải pháp thay dầm và dán bản thép truyền thống.
• Đóng góp giải pháp thi công không phong tỏa giao thông, bảo tồn nguyên vẹn giá trị kiến trúc lịch sử của các công trình cầu thép di sản và bảo vệ môi trường sinh thái.

Kế hoạch hành động tiếp theo trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới là triển khai thí nghiệm kiểm chứng tải trọng mỏi chu kỳ cao trên mô hình kết cấu nhịp thực tế và hoàn thiện quy chuẩn thi công nghiệm thu chuyên ngành. Các đơn vị quản lý, tư vấn và thi công hạ tầng giao thông hãy chủ động ứng dụng ngay giải pháp vật liệu composite FRP tiên tiến này để nâng cao tuổi thọ công trình, bảo đảm an toàn khai thác và tối ưu hóa nguồn lực đầu tư quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY VIETNAM JAPAN UNIVERSITY NGUYEN HUU HOE EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC EFFECTIVENESS OF FIBER REINFORCED POLYMER (FRP) SOLUTIONS IN REPAIRING/STRENGTHENING OF STEEL BRIDGES IN VIETNAM MAJOR: INFRASTRUCTURE ENGINEERING CODE: RESEARCH SUPERVISOR: Associate Prof. LUONG XUAN BINH Hanoi, 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] i ACKNOWLEDGEMENT At the very beginning, I would like to express my deepest gratitude to Vietnam National University - Vietnam Japan University (VJU) that gave me the chance to learning and studying. VJU gives me a modern international and professional environment. The studying opportunity which I had at Vietnam Japan University was a great chance for learning and professional development.

Therefore, I consider myself a very lucky individual as I was provided with an opportunity to be a part of it. I am also grateful for having a chance to meet so many wonderful people and professionals who led me through this studying and researching period. The studying time at VJU is a really valuable time for me. I express my deepest thanks and gratefulness to Assoc.

Luong Xuan Binh for his careful and precious guidance which were extremely valuable for my study both theoretically and practically. I choose this moment to acknowledge his contribution gratefully. I would like to express my deepest gratitude and special thanks to Prof. Miyajima in Kanazawa University who in spite of being extraordinarily busy with his duties, took time out to hear, guide and keep me on the correct path and allowing me to carry out my research at his lab and extending during the internship.

It is my radiant sentiment to place on record my best regards, deepest sense of gratitude to Prof. Nguyen Dinh Duc, Prof. Hironori Kato, Prof. Dao Nhu Mai, Dr.

Phan Le Binh, Dr. Nguyen Tien Dung, and all professors, lecturers from the program of Infrastructures Engineering for their useful orientations and their willing advices to help me complete this thesis. Sincerely yours, Nguyen Huu Hoe LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ii TABLE OF CONTENTS Page LIST OF FIGURES. iv LIST OF CHARTS .v LIST OF TABLES.

vi LIST OF NOMENCLATURES AND ABBREVIATIONS. vii UNIT OF SI SYSTEM. The necessary of the study. The objective of the study.

The object and scope of the study. The layout of the thesis .3 Chapter 1 : LITERATURE REVIEW .4 Chapter 2 : OVERVIEW OF TECHNICAL ISSUES OF REPAIRING AND STRENGTHENING STEEL BRIDGE STRUCTURE IN VIETNAM. Typical forms of damages of steel bridge structure in Vietnam. Traditional solutions to repair and reinforce steel bridges.

Some methods of reinforcing the steel span structure. Technical requirements of steel bridge repair and reinforcement. Develop criteria for selecting FRP materials for the repair and reinforcement of steel bridges .14 Chapter 3 : SOME EXPERIMENTAL RESEARCHES USING FRP MATERIALS IN REPAIRING, STRENGTHENING STEEL STRUCTURE AND ANALYSIS OF TECHNICAL EFFICIENCY OF SOLUTIONS. Experiment 1: Experiment on glue resistance of TYFO WS.

Processing experimental data. Comment and conclusion on experimental results. Experiment 2: Bending test of steel samples reinforced with FRP materials .28 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Processing experimental data.

Comment and conclusion on experimental results. Conclusion of technical efficiency .42 Chapter 4 : EVALUATE THE ECONOMIC EFFICIENCY OF THE SOLUTIONS USING FRP MATERIALS ON REPAIRING STEEL BRIDGE STRUCTURE IN VIETNAM, CASE STUDY LONG BIEN BRIDGE. Causes and deterioration of Long Bien Bridge. Overview of history, operation of Long Bien Bridge.

Damaged condition of the Long Bien bridge. Protection and reinforcement measures have been used. Use U-shaped steel plate to cover the collar beam. Use steel plates to compensate for corrosion, puncture with welding or rivets for bonding.

Then use special paint to paint on. Replace collar beam by new one. Develop solutions for repairing and strengthening Long Bien Bridge. The advantages of repair and reinforcement with FRP materials.

Select FRP materials following the criteria and technical requirements:. Calculation and design of reinforcement solutions for Long Bien bridge collar beams using FRP-Tyfo materials. Estimate the unit price for methods of repairing and reinforcement collar beams of Long Bien bridge. Bases for calculation of repair and reinforcement prices.

Volume of repair and reinforcement methods. Unit price for methods of repairing and reinforcement collar beams of Long Bien bridge. Analysis, evaluation of economic efficiency .80 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iv LIST OF FIGURES Page Figure 2.1 Repair the crack in steel structures .2 Corrosion in steel structures.3 Flatting steel structures .1 Model of pulling test on compressed tractor multimeter HFM .2 Simulation image of Tyfo WS foundation adhesion structure .3 Creating test samples for pulling test .4 Sample after maintenance .5 Sample of test before pulling .6 Pull the sample on the machine .7 Experimental samples were split when pulled .8 Model of bending reinforced thick steel beams .9 Model of bending reinforced thin steel beams with two layers .10 Model of bending reinforced thin steel beams with three layers .11 Thick beams and thin beams after maintenance .12 Bending steel beams on compressors with .13 Model of bending steel beams .1 Picture of Long Bien Bridge .2 Rail way of Long Bien Bridge .3 Horizontal/collar beam of Long Bien Bridge .4 Damaged image of the upper flange .5 Describe damage on the upper flange .6 The damage of web of beam of Long Bien Bridge.7 Description of web’s damage.8 Description of lower flange’s damage .9 U-shape steel structure .10 Method of steel plate and protective coating .11 Construction method to replace collar beams .12 Original I section and force components .13 Cross section severely damaged by 20% and forces .14 Cross section damaged by 10% and forces .15 Cross section damaged by 5% and forces .16 The figure shows the size of the collar beam.17 The area reinforced by gluing stell plates method .18 The area reinforced by FRP material method .69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] v LIST OF CHARTS Page Chart 3.1 Experiment to determine the pulling force -Sample 1 .2 Experiment to determine the pulling force -Sample 2 .3 Experiment to determine the pulling force -Sample 3 .4 Experiment to determine the pulling force -Sample 4 .5 Experiment to determine the pulling force -Sample 5 .6 Experiment to determine the pulling force -Sample 6 .7 Load and deformation relationship of bending test .8 Force and deflection relationship of thin beams .37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vi LIST OF TABLES Table 2.1 Criteria of FRP material .1 Record the test results of pulling test samples without sand blasting .2 Record the test results of pulling test .3 Experimental data of thick steel beam bending test .4 Maximum stress sheet of steel and FRP sheets .5 Compare the load value of beams at the same deflection .6 Table of data for calculation of thin beams reinforced with FRP sheet .7 Calculate the maximum stress on thin steel beams .8 The maximum stress table on thin beams is reinforced with 2 layers .9 The maximum stress table on thin beams is reinforced with 3 layers .1 Parameters of Tyfo SCH - 41.2 Parameters of Epoxy Tyfo S .3 Calculation for number of FRP layer (Group I-20%) .4 Calculation for number of FRP layer (Group II-10%) .5 Calculation for number of FRP layer (Group III-5%) .6 Price of materials, labours, equipments .7 Calculate the weigh of horizontal/collar beam .8 Volume of steel plate use for a reinforced collar beam .9 Volume of FRP materials use for a reinforced collar beam .10 Unit price for production and manufacturing collar beams .11 Unit price for dismantling, removing horizontal/collar beam .12 Unit price for install horizontal/collar beam .13 Unit price of paint steel by normal paint .14 Unit price for replace horizontal/collar beam and painting .15 Unit price for attach/glue steel plates.16 Unit price for reinforced collar beam by gluing steel plate method .17 Unit price for cleaning steel surface before attachment .18 Unit price for sticking glass fiber on the steel .19 Unit price for sticking carbon fiber .20 Unit price for painting surface of FRP layer with Tyfo U Coating .21 Unit Price for reinforcement using FRP (for one collar beam) .22 The cost of methods within 50 years .77 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vii LIST OF NOMENCLATURES AND ABBREVIATIONS A cross-sectional area b width of rectangle d diameter section E Young module of elasticity FRP fiber reinforcement Polymer J moment of inertia h height L length M bending moment P load effect S static moment Y coordinates of the point of stress versus the neutral axis ε deformation σ stress σch the yield stress of steel σgh the yield stress of FRP n number of FRP layer. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] viii UNIT OF SI SYSTEM Intensity of force mega pascal MPa Length millimeter mm Area squared millimeter mm2 Density gram to cubed centimeter g/cm3 Force newton N Moment of mass cubed millimeter mm3 Moment of inertia millimeter to the power of four mm4 o Temperature Celsius C Stress newton to millimeter square N/mm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ABSTRACT Through the experience results, the thesis has useful comments on the quality of the processing of steel structure surface to the adhesion effect between epoxy glue and reinforced structure.

This is an important basis to build instructions on construction technology steps to apply FRP materials on steel structures. Experimental research has also evaluated the effect of reinforcing the bearing capacity of FRP materials for steel structures. Through a survey of the deterioration and degradation of Long Bien Bridge, the thesis has proposed a solution to apply FRP materials to repair, reinforce collar beams within the range of train operation of Long Bien bridge. Find out some advantages and disadvantages of using the FRP material method and other traditional methods have been used.

The thesis has proposed a set of criteria to select FRP materials suitable for repairing and strengthening requirements of steel structures in Long Bien Bridge project in particular and steel bridges in Vietnam in general. Research proposed a method of calculation to determine the number of layers of FRP material to reinforce bending capacity for the collar beam’s section of Long Bien Bridge (corresponding to the level of damages 20%, 10%, and 5%). Based on norms, documents, announcements of Vietnam, research has estimated the unit price for three methods of reinforcement, repair for a horizontal/collar beam (replacing collar beams, gluing steel plates and using FRP material). Thereby, comparing the effectiveness of the method of using FRP with the other methods.

Through the calculation of unit prices and comparative analysis, research point out the economic efficiency of the solution using FRP materials, especially if considering the more effective aspects, and other advantages of FRP such as: do not have to stop operation, protecting human health and protect the environment. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. The necessary of the study In Vietnam, hundreds of steel bridges are being degraded and damaged due to many different reasons. It does not ensure conditions for operation and using.

They need to be repaired, upgraded and even replaced the structure. The new replacement method requires huge financial resources that are difficult to meet. Therefore, the repair and reinforcement solution is often considered the most optimal solution. There have been many methods of reinforcement and repair that are proposed, including methods of using FRP materials (carbon fiber, glass fiber and aramid fiber combined with Epoxy glue).

For Vietnam, this is still a new technology solution applied in the last 10 years and is mainly used for repairing and reinforcing reinforced concrete structures. This technology solution has good economic and technical efficiency for reinforced concrete structures.