Chương 1: Tổng quan về dầm bê tông ứng lực trước gia cường kháng uốn bằng tấm CFRP bám dính ngoài. Trình bày một số thông tin về vật liệu FRP và tình hình sử dụng, các trường hợp kết cấu cần gia cường, một số tiêu chuẩn tính toán gia cường kháng uốn dầm BT ULT sử dụng tấm CFRP bám dính ngoài. Trong chương này cũng trình bày các nghiên cứu đã thực hiện và những khoảng trống nghiên cứu. Chương 2: Chương trình nghiên cứu thực nghiệm Chương này trình bày các bước thiết kế chương trình nghiên cứu thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của mức độ tải trọng tác dụng tại thời điểm gia cường tấm CFRP, và mức độ ứng suất trước trong dầm đến ứng xử và hiệu quả tăng khả năng chịu lực của dầm.
Đồng thời trong chương này cũng trình bày các thí nghiệm về tính chất cơ lý của vật liệu, và ảnh hưởng của cường độ bê tông đến độ bền bám dính giữa bề mặt bê tông và tấm CFRP được sử dụng trong thí nghiệm dầm. Chương 3: Kết quả thí nghiệm và phân tích Nội dung của Chương 3 tập trung vào hai vấn đề chính: (1) Kết quả thí nghiệm bám dính giữa tấm CFRP và bê tông, đồng thời phân tích ảnh hưởng của cường độ bê tông đến độ bền bám dính giữa tấm CFRP và bê tông; (2) Kết quả thí nghiệm dầm BT ULT chịu uốn gồm: mô hình phá hoại, quan hệ giữa tải trọng độ võng, quan hệ giữa tải trọng và các biến dạng trên tiết diện (bao gồm: bê tông vùng nén, cốt thép chịu kéo, cáp ULT, tấm CFRP). Trên cơ sở đó, phân tích ảnh hưởng của tải trọng tác 8 dụng lên dầm tại thời điểm gia cường, và sự suy giảm ứng suất trong cáp ULT đến ứng xử của dầm BT ULT gia cường bằng tấm CFRP. Chương 4: Nghiên cứu mô phỏng số dầm bê tông ứng lực trước căng trước gia cường tấm CFRP Chương này trình bày nghiên cứu xây dựng mô hình số dầm BT ULT bằng chương trình phần tử hữu hạn, cho phép gia cường tấm CFRP tại thời điểm đang chịu tải.
Mô hình số được kiểm chứng với dầm thí nghiệm được trình bày ở Chương 2 và Chương 3 (dầm đối chứng và dầm gia cường từ đầu) để xác định độ tin cậy. Từ mô hình số đã được kiểm chứng khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến ứng xử của dầm và hiệu quả gia cường của tấm CFRP. Kết luận: Trình bày các kết luận từ nghiên cứu đạt được và đưa ra kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai. TỔNG QUAN VỀ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG TRƯỚC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP Nội dung Chương 1 trình bày sự làm việc của dầm bê tông ứng lực trước, các nguyên nhân gây suy giảm sự làm việc của dầm, và các giải pháp gia cường kháng uốn dầm BT ULT (như: mở rộng tiết diện, phương pháp ứng lực trước căng ngoài, dán bản thép, dám tấm FRP).
Tính toán gia cường dầm BT ULT căng trước bằng tấm CFRP theo các tiêu chuẩn và dạng phá hoại được tóm tắt và phân tích. Tính chất bám dính giữa tấm CFRP và bê tông là một trong những yếu tố quan trọng cũng được tổng hợp. Các nghiên cứu thực nghiệm, và mô phỏng số đã công bố trước đây ở trong và ngoài nước về dầm BT ULT gia cường kháng uốn bằng tấm CFRP cũng được tóm tắt. Trên cơ sở đó, các mặt hạn chế của nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án được làm rõ để làm cơ sở cho việc xây dựng các mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Sự làm việc của dầm bê tông ứng lực trước căng trước và yêu cầu gia cường 1. Sự làm việc của dầm bê tông ứng lực trước căng trước Dầm bê tông ứng lực trước là giải pháp kết cấu tạo ứng suất nén trước theo phương dọc trục của dầm thông qua việc kéo căng cốt thép cường độ cao để tạo thành trạng thái ứng suất ngược với trạng thái ứng suất khi chịu tải. Dầm BT ULT có thể chia thành hai loại là dầm BT ULT căng trước và BT ULT căng sau [6]. Dầm BT ULT căng trước được chế tạo như sau: cốt thép cường độ cao hoặc cáp (gọi chung là thanh căng) được căng kéo trên bệ căng sau đó lắp ván khuôn và đổ bê tông, khi bê tông đủ cường độ thì giải phóng thanh căng khỏi bệ căng, các thanh co ngắn lại và tạo ra ứng suất trước trong bê tông thông qua lực bám dính.
Dầm BT ULT căng trước thường được chế tạo trong các nhà máy và áp dụng với các cấu kiện sản xuất hàng loạt. Dầm BT ULT căng sau được chế tạo như sau: trong quá trình thi công đổ bê tông, các thanh căng được luồn sẵn trong ống gen và bố trí theo quỹ đạo thiết kế, sau đó tiến hành đổ bê tông, khi bê tông đạt cường độ tiến hành neo một đầu bằng đầu neo thép, đầu còn lại được kéo căng và neo lại bằng đầu neo thép.1 trình bày đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng của dầm BT 10 ULT chịu uốn, đồng thời các giai đoạn đặc trưng của trạng thái ứng suất trên tiết diện cũng được ghi chú trên đường cong. Quan hệ tải trọng – độ võng của dầm BT ULT [46] Đối với dầm BT ULT căng trước, trạng thái ứng suất biến dạng được chia thành 3 giai đoạn (giai đoạn đến khi bê tông bị nứt; giai đoạn sau khi bê tông bị nứt; giai đoạn phá hoại), trong đó điểm khác biệt cần chú ý so với dầm bê tông cốt thép (BTCT) thông thường là giai đoạn I. Giai đoạn I có thể chia thành 6 giai đoạn trung gian như sau: - Giai đoạn I1: cốt thép cường độ cao được đặt vào bệ căng.
- Giai đoạn I2: căng cốt thép đến ứng suất thiết kế và cố định thép vào bệ căng, tiến hành đổ bê tông. - Giai đoạn I3: trước khi bê tông đạt cường độ các tổn hao ứng suất ban đầu phát sinh do chùng ứng suất trong cốt thép và chênh lệch nhiệt độ giữa cốt thép và thiết bị căng. - Giai đoạn I4: khi bê tông đạt cường độ, tiến hành cắt thép khỏi bệ căng, dầm bị vồng lên do sự lệch tâm của lực ứng suất trước. Trong giai đoạn phát sinh thêm tổn hao ứng suất do từ biến nhanh ban đầu của bê tông.
- Giai đoạn I5: phát sinh các hao ứng suất do biến dạng co ngót và từ biến của bê tông. 11 - Giai đoạn I6: tải trọng tác dụng, ứng suất kéo trong cốt thép vùng kéo tăng. Khi ứng suất ở lớp bê tông tại vị trí trọng tâm của cốt thép As bị triệt tiêu thì ứng suất trong cốt thép kéo đạt đến giá trị tính toán - Giai đoạn Ia: ứng suất trong bê tông vùng kéo đạt đến giá trị cường độ chịu kéo của bê tông Rbt. Giai đoạn này là cơ sở tính toán cho cấu kiện không được phép hình thành vết nứt.
Yêu cầu gia cường dầm bê tông ứng lực trước Các công trình được làm bằng kết cấu BTCT, hoặc kết cấu BT ULT, hoặc kết hợp cả hai loại đều chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu, chất lượng công trình và độ bền vững theo thời gian. Ảnh hưởng của các yếu tố bắt đầu từ giai đoạn thiết kế, thi công, và đưa vào sử dụng. Trong giai đoạn thiết kế vẫn có thể xảy ra những sai sót trong quá trình tính toán, hoặc trình bày dẫn đến việc kết cấu có thể không đảm bảo khả năng chịu lực đề ra. Trong giai đoạn thi công và khai thác sử dụng của công trình có nhiều yếu tố tác động và có thể ảnh hưởng đến sự làm việc của công trình, tuy nhiên có thể chia thành 02 nhóm chính sau [3]: - Các tác động cơ học: do tải trọng tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió và các tải trọng đặc biệt động đất, cháy, nổ, va chạm, … - Các tác động của các yếu tố môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, môi trường chứa các chất ăn mòn, … Các yếu tố này tác động đồng thời lên công trình từ quá trình hình thành và đưa vào khai thác sử dụng.
Dưới các tác động này theo thời gian công trình có thể bị suy giảm khả năng chịu lực và có thể xuất hiện tình trạng hư hỏng kết cấu. Cấu kiện dầm chịu uốn có thể xuất hiện các hiện tượng như: độ võng lớn, bề rộng vết nứt lớn. Để duy trì khả năng làm việc của dầm hoặc tăng cường khả năng chịu lực của dầm, phương án sửa chữa và gia cường kết cấu là một giải pháp đảm bảo về yêu cầu kỹ thuật và có hiệu quả về mặt kinh tế. Minh họa các yếu tố tác động lên công trình [3] 1.
Vật liệu FRP Vật liệu FRP (Fiber reinforced polymer) là vật liệu được kết hợp từ nhiều loại vật liệu thành phần để tạo thành một vật liệu mới có tính chất cơ lý cao hơn so với các vật liệu thành phần ban đầu. Theo một số cách chế tạo hiện nay, vật liệu FRP được chế tạo bằng cách nhúng sợi có cường độ cao (như: sợi Carbon, sợi thủy tinh, sợi Aramid, sợi Bazan …) trong chất nền gốc polymer (như: Epoxy, Vinyl-ester, hoặc Polyester, …). Do có một số tính chất nổi bật như: trọng lượng riêng thấp (1,2 đến 2,1 T/m3), so với trọng lượng riêng của thép (7,8 T/m3) chỉ bằng khoảng 17% đến 25%, cường độ chịu kéo dọc theo hướng dọc sợi cao, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt thấp, ít bị tác động trong các vùng môi trường có độ ăn mòn cao. a) Sợi Carbon b) Sợi Thủy tinh c) Sợi Aramid Hình 1.
Một số loại sợi chế tạo vật liệu FRP (nguồn Internet) 13 Những thập niên gần đây, với các ưu điểm nổi bật của vật liệu, và chi phí sản xuất giảm nên vật liệu FRP đã được nghiên cứu và ứng dụng vào trong các công trình xây dựng, nổi bật hơn cả là áp dụng trong lĩnh vực sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT, hoặc BT ULT. Vật liệu FRP thường được chế tạo thành dạng tấm, hoặc dạng thanh, hoặc một số hình dạng cho mục đích cụ thể như là bu lông trong liên kết nút dầm cột lắp ghép. Vật liệu FRP dạng tấm được sử dụng dán hoặc bọc ngoài kết cấu thay thế vật liệu thép tấm được ứng dụng trong công tác sửa chữa và gia cường công trình. Nhiều doanh nghiệp tham gia sản xuất loại vật liệu này để cung cấp cho thị trường, thậm chí ở Việt Nam đã có nhà máy sản xuất được đưa vào hoạt Hình 1.