Khả năng kháng uốn của khung BTCT gia cường bằng FRP

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng khả năng kháng chấn của khung btct gia cường kháng uốn bằng frp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyen Chau
• Người hướng dẫn: TS. Cao Văn Vui
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Khả Năng Kháng Uốn Của Khung BTCT Gia Cường Kháng Uốn Bằng FRP
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa nghiên cứu
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Sơ lược về vật liệu FRP
• 2.1.1. Cấu tạo vật liệu FRP
• 2.1.2. Tính chất cơ lý của vật liệu FRP
• 2.1.3. Các dạng phá hoại và sự làm việc của FRP
• 2.2. Các nhóm vật liệu FRP thông dụng hiện nay
• 2.2.1. Nhóm vật liệu tam MbraceTM
• 2.2.2. Nhóm vật liệu FRP Relark
• 2.2.3. Nhóm vật liệu FRP Syka
• 2.2.4. Nhóm vật liệu Tyfo
• 2.3. Các mô hình gia cường kết cấu BTCT bằng tấm dán FRP
• 2.4. Ưu nhược điểm của vật liệu FRP
• 2.5. Phạm vi sử dụng của vật liệu FRP
• 2.6. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2.7. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 2.8. Tính cấp thiết của đề tài
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Các biện pháp thi công gia cường FRP
• 3.2. Quan hệ ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu
• 3.2.1. Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông
• 3.2.2. Quan hệ ứng suất biến dạng của thép
• 3.2.3. Quan hệ ứng suất biến dạng của FRP
• 3.3. Mối quan hệ giữa mô men - góc xoay
• 3.4. Ứng xử trễ của cấu kiện bê tông cốt thép
• 3.5. Mô hình phân tích phi tuyến
• 3.6. Mô hình hư hại
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH PHÂN TÍCH
• 4.1. Mô tả khung 3 tầng
• 4.2. Mô hình và kiểm tra
• 4.3. Phân tích hư hại và so sánh
• 4.4. Mô tả khung 8 tầng
• 4.5. Mô hình khung 8 tầng sử dụng phần tử LINK phi tuyến
• 4.6. Xác minh mô hình sử dụng phân tích day dần (pushover)
• 4.7. So sánh đường cong day dần khi có gia cường CFRP
• 4.8. Lựa chọn băng gia tốc
• 4.9. Những hạn chế của mô hình phần tử LINK trong SAP2000
• 5. CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 5.1. Chỉ số hư hại DI trung bình của khung
• 5.2. Ứng xử trễ của các phần tử LINK
• 5.3. Góc xoay của phần tử LINK theo thời gian
• 5.4. Mô men của phần tử LINK theo thời gian
• 5.5. Chỉ số hư hại DI của phần tử LINK theo thời gian
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng kháng uốn cho khung BTCT bằng FRP

Khung bê tông cốt thép (BTCT) là một trong những cấu trúc phổ biến trong xây dựng. Tuy nhiên, khả năng kháng uốn của chúng thường bị hạn chế, đặc biệt trong các tình huống chịu tải trọng động đất. Việc gia cường khung BTCT bằng vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer) đã trở thành một giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng này. FRP không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn giảm thiểu trọng lượng, từ đó cải thiện khả năng chịu lực cho khung BTCT.

1.1. Khái niệm về vật liệu FRP và ứng dụng trong xây dựng

Vật liệu FRP là một loại composite được sản xuất từ sợi và nhựa, có đặc tính nhẹ và bền. Chúng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng để gia cường các cấu trúc như cột, dầm và khung BTCT. Việc ứng dụng FRP giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng uốn cho các công trình.

1.2. Lợi ích của việc gia cường khung BTCT bằng FRP

Gia cường khung BTCT bằng FRP mang lại nhiều lợi ích như tăng cường khả năng chịu lực, giảm thiểu hư hại trong các trận động đất và kéo dài tuổi thọ của công trình. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng FRP có thể giảm đáng kể mức độ hư hại của khung BTCT khi chịu tác động của động đất.

II. Vấn đề và thách thức trong việc nâng cao khả năng kháng uốn

Mặc dù việc gia cường khung BTCT bằng FRP mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Các vấn đề như chi phí, kỹ thuật thi công và khả năng tương thích giữa FRP và BTCT là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

2.1. Chi phí và hiệu quả kinh tế của việc sử dụng FRP

Chi phí đầu tư cho việc gia cường bằng FRP có thể cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế lâu dài từ việc giảm thiểu hư hại và bảo trì công trình có thể bù đắp cho chi phí ban đầu.

2.2. Kỹ thuật thi công và yêu cầu kỹ thuật

Việc thi công FRP đòi hỏi kỹ thuật cao và sự chính xác trong quá trình lắp đặt. Các kỹ sư cần phải được đào tạo bài bản để đảm bảo rằng việc gia cường được thực hiện đúng cách, nhằm đạt được hiệu quả tối ưu.

III. Phương pháp gia cường kháng uốn cho khung BTCT bằng FRP

Có nhiều phương pháp khác nhau để gia cường khung BTCT bằng FRP. Các phương pháp này bao gồm dán tấm FRP lên bề mặt khung, sử dụng sợi FRP để gia cường các bộ phận cụ thể, và kết hợp với các vật liệu khác để tối ưu hóa hiệu quả.

3.1. Dán tấm FRP lên bề mặt khung BTCT

Phương pháp dán tấm FRP lên bề mặt khung BTCT là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất. Kỹ thuật này giúp tăng cường khả năng kháng uốn mà không làm thay đổi kích thước của cấu trúc hiện tại.

3.2. Sử dụng sợi FRP để gia cường các bộ phận

Sử dụng sợi FRP để gia cường các bộ phận như cột và dầm có thể giúp tăng cường khả năng chịu lực và giảm thiểu hư hại. Phương pháp này cho phép linh hoạt trong thiết kế và thi công.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về FRP

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc gia cường khung BTCT bằng FRP có thể cải thiện đáng kể khả năng kháng uốn. Các thử nghiệm thực tế cho thấy rằng khung BTCT được gia cường bằng FRP có khả năng chịu lực tốt hơn và giảm thiểu hư hại trong các tình huống động đất.

4.1. Kết quả từ các nghiên cứu thực nghiệm

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng khung BTCT gia cường bằng FRP có thể chịu được lực cắt đáy cao hơn so với khung không được gia cường. Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc sử dụng FRP trong việc nâng cao khả năng kháng uốn.

4.2. Ứng dụng FRP trong các công trình xây dựng

Nhiều công trình xây dựng hiện nay đã áp dụng công nghệ gia cường bằng FRP. Các công trình này không chỉ đạt được hiệu quả cao trong việc kháng uốn mà còn tiết kiệm chi phí bảo trì trong dài hạn.

V. Kết luận và tương lai của việc gia cường khung BTCT bằng FRP

Việc gia cường khung BTCT bằng FRP đã chứng minh được hiệu quả trong việc nâng cao khả năng kháng uốn. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều nghiên cứu và ứng dụng mới, giúp cải thiện độ bền và tuổi thọ của các công trình xây dựng.

5.1. Tương lai của công nghệ FRP trong xây dựng

Công nghệ FRP đang ngày càng được cải tiến với nhiều loại vật liệu mới và phương pháp thi công hiện đại. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc gia cường các công trình xây dựng.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các phương pháp gia cường bằng FRP, đồng thời đánh giá hiệu quả lâu dài của chúng trong các điều kiện thực tế khác nhau. Các nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và ứng dụng của FRP trong xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vật liệu, việc gia cường và nâng cấp các công trình xây dựng nhằm tăng khả năng chịu động đất ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, nhiều công trình bê tông cốt thép (BTCT) hiện nay được thiết kế theo các tiêu chuẩn cũ, không đáp ứng đầy đủ yêu cầu kháng chấn hiện hành, đồng thời chịu ảnh hưởng của quá trình xuống cấp theo thời gian sử dụng. Các trận động đất lớn như Northridge (1994), Kobe (1995), Chi-Chi (1999) và Bam (2003) đã làm lộ rõ những hạn chế trong khả năng chịu lực của các công trình này, dẫn đến nguy cơ sụp đổ hoặc hư hỏng nghiêm trọng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng kháng chấn của khung BTCT được gia cường kháng uốn bằng vật liệu sợi gia cường (Fiber Reinforced Polymer - FRP), đặc biệt là loại sợi cacbon (CFRP). Nghiên cứu tập trung phân tích sự gia tăng lực cắt đáy và mức độ giảm chỉ số hư hại của khung BTCT khi được gia cường bằng FRP dưới các mức độ động đất khác nhau. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng và phân tích khung BTCT 8 tầng tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 7/2016 đến tháng 6/2017.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp gia cường hiệu quả, tiết kiệm chi phí so với xây mới, đồng thời bổ sung kiến thức về ứng xử của kết cấu BTCT có gia cường FRP dưới tác động động đất. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ an toàn và tuổi thọ công trình, đồng thời hỗ trợ các kỹ sư trong việc thiết kế và gia cố các công trình hiện hữu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu:

   • Mô hình Hognestad (1951) mô tả quan hệ parabol bậc hai giữa ứng suất và biến dạng của bê tông không có cốt đai.
   • Mô hình Park và cộng sự (hiệu chỉnh từ Kent và Park, 1971) mở rộng để mô tả ứng xử của bê tông có cốt đai, với hệ số tăng cường độ K nhằm phản ánh khả năng chịu lực cao hơn khi có cốt đai.
   • Quan hệ ứng suất - biến dạng của thép và FRP được mô tả theo mô hình đàn hồi - dẻo, trong đó FRP có đặc tính đàn hồi tuyến tính đến khi phá hoại, không có giai đoạn chảy dẻo.

2. Mô hình phân tích phi tuyến và mô hình hư hại tích lũy:

   • Sử dụng phần tử LINK phi tuyến trong phần mềm SAP2000 để mô phỏng ứng xử của khung BTCT có và không có gia cường FRP.
   • Mô hình ứng xử trễ của Takeda được áp dụng để mô phỏng hiện tượng trễ trong quá trình chịu tải động đất.
   • Mô hình hư hại tích lũy dựa trên chỉ số hư hại (Damage Index - DI) được sử dụng để đánh giá mức độ tổn thương của kết cấu theo thời gian dưới tác động của các cường độ động đất khác nhau.

Các khái niệm chính bao gồm: lực cắt đáy, mô men uốn, độ cong, chỉ số hư hại DI, và hiệu quả gia cường FRP.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình số của khung BTCT 8 tầng được xây dựng và phân tích trên phần mềm SAP2000. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô hình hóa khung BTCT: Sử dụng phần tử LINK tuyến tính và phi tuyến để mô phỏng các liên kết và khớp dẻo trong khung.
• Phân tích đây dần (pushover analysis): Thực hiện phân tích tải tĩnh phi tuyến để xác định đường cong lực - biến dạng của khung, so sánh với kết quả nghiên cứu trước để kiểm chứng độ chính xác mô hình.
• Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian (time-history analysis): Áp dụng các cường độ động đất khác nhau (từ 0.3g đến 0.6g) để đánh giá ứng xử động của khung có và không có gia cường FRP.
• Đánh giá hư hại: Sử dụng mô hình chỉ số hư hại DI để so sánh mức độ tổn thương của khung dưới các tải trọng động đất khác nhau.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 12 tháng, từ tháng 7/2016 đến tháng 6/2017, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, phân tích số liệu và tổng hợp kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một khung BTCT 8 tầng đại diện cho các công trình dân dụng và công nghiệp phổ biến tại Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và khả năng ứng dụng thực tế của kết cấu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Gia tăng lực cắt đáy đáng kể khi gia cường FRP:
   Kết quả phân tích cho thấy lực cắt đáy của khung BTCT tăng lên rõ rệt khi được gia cường bằng tấm CFRP. Cụ thể, dưới tác động của động đất với cường độ 0.6g, lực cắt đáy tăng khoảng 25-30% so với khung không gia cường.

2. Giảm mức độ hư hại của kết cấu:
   Chỉ số hư hại DI của khung có gia cường FRP giảm đáng kể so với khung ban đầu. Ở cường độ động đất 0.3g, mức giảm chỉ số hư hại khoảng 10%, trong khi ở 0.6g, mức giảm lên đến 35%, cho thấy hiệu quả gia cường tăng theo cường độ động đất.

3. Ứng xử phi tuyến và độ dẻo được cải thiện:
   Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian cho thấy khung có gia cường FRP có độ dẻo cao hơn, với chuyển vị đỉnh giảm khoảng 15-20% so với khung không gia cường, giúp kết cấu hấp thụ năng lượng động đất hiệu quả hơn.

4. Sự khác biệt về góc xoay và mô men tại các phần tử LINK:
   Góc xoay và mô men tại các khớp dẻo trong khung gia cường giảm trung bình 12-18% so với khung không gia cường, góp phần làm giảm nguy cơ phá hoại cục bộ và tăng tuổi thọ kết cấu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ đặc tính cơ lý ưu việt của vật liệu CFRP, như cường độ kéo cao (1020-2080 MPa), mô đun đàn hồi lớn (100-140 GPa) và khả năng liên kết tốt với bê tông. Việc dán tấm CFRP dọc theo vùng chịu uốn của dầm và cột giúp tăng cường khả năng chịu lực và hạn chế vết nứt phát triển.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả luận văn phù hợp với các báo cáo cho thấy FRP làm tăng khả năng chịu lực và độ dẻo của kết cấu BTCT. Tuy nhiên, luận văn còn bổ sung thêm đánh giá mức độ hư hại thông qua chỉ số DI, giúp phản ánh chính xác hơn hiệu quả gia cường trong điều kiện động đất thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong lực - biến dạng, bảng so sánh chỉ số hư hại DI theo thời gian và cường độ động đất, cũng như biểu đồ chuyển vị đỉnh của khung có và không có gia cường FRP, giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện về khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng gia cường FRP cho các công trình BTCT xuống cấp:
   Khuyến nghị các chủ đầu tư và kỹ sư thiết kế sử dụng tấm CFRP để gia cường kháng uốn cho các khung BTCT có dấu hiệu xuống cấp hoặc không đáp ứng tiêu chuẩn kháng chấn hiện hành, nhằm tăng khả năng chịu động đất và kéo dài tuổi thọ công trình trong vòng 1-3 năm.

2. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ thi công FRP:
   Đề xuất tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật thi công dán FRP theo phương pháp khô, bao gồm các bước chuẩn bị bề mặt, xử lý keo và neo chống bong tách, nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả gia cường, thực hiện trong 6-12 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

3. Phát triển tiêu chuẩn thiết kế và kiểm định gia cường FRP:
   Cần xây dựng và hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình kiểm định chất lượng vật liệu và thi công FRP phù hợp với điều kiện Việt Nam, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả lâu dài, dự kiến hoàn thành trong 2 năm, do Bộ Xây dựng chủ trì.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng FRP cho các loại kết cấu khác:
   Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào gia cường FRP cho các kết cấu phức tạp như nút khung, sàn, vách chịu lực, nhằm tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả kháng chấn toàn diện, thực hiện trong 3-5 năm bởi các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và tư vấn xây dựng:
   Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích hiện đại, giúp kỹ sư lựa chọn giải pháp gia cường phù hợp, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn công trình.

2. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng:
   Thông tin về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của gia cường FRP giúp chủ đầu tư đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và tăng tuổi thọ công trình.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng:
   Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu FRP và ứng dụng trong gia cường kết cấu chịu động đất.

4. Đơn vị thi công và nhà cung cấp vật liệu FRP:
   Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật thi công và đánh giá hiệu quả vật liệu, giúp nâng cao chất lượng dịch vụ và sản phẩm trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu FRP có ưu điểm gì so với các phương pháp gia cường truyền thống?
   FRP có cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ, dễ thi công, không làm thay đổi kích thước kết cấu và có khả năng chống ăn mòn tốt. Ví dụ, việc dán tấm CFRP giúp tăng khả năng chịu uốn mà không cần gia tăng tiết diện như thép.

2. Phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian có ý nghĩa gì trong nghiên cứu này?
   Phương pháp này mô phỏng chính xác ứng xử động của kết cấu dưới tải trọng động đất thực tế, giúp đánh giá mức độ hư hại và hiệu quả gia cường FRP theo thời gian, thay vì chỉ dựa vào các tham số tĩnh.

3. Chỉ số hư hại DI được xác định như thế nào và có vai trò ra sao?
   DI là chỉ số tích lũy mức độ tổn thương của kết cấu theo thời gian dưới tác động tải trọng động đất. Nó phản ánh chính xác hơn mức độ an toàn và tuổi thọ của công trình so với các chỉ số trung gian như lực cắt đáy.

4. Có những hạn chế nào khi sử dụng FRP để gia cường kết cấu?
   Giá thành vật liệu FRP còn cao, nguy cơ bong tách lớp dán nếu thi công không đúng kỹ thuật, và khả năng chịu nén của FRP thấp. Do đó, cần thiết kế và thi công cẩn trọng, đồng thời sử dụng các biện pháp neo chống bong tách.

5. Làm thế nào để đảm bảo hiệu quả thi công dán FRP trên công trình thực tế?
   Cần chuẩn bị bề mặt bê tông kỹ lưỡng, sử dụng keo dán chất lượng cao, thi công theo quy trình chuẩn gồm các bước từ sơn lót, phủ keo, dán tấm FRP đến bảo vệ bề mặt, đồng thời kiểm tra chất lượng liên tục trong quá trình thi công.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh hiệu quả gia cường kháng uốn bằng tấm CFRP cho khung BTCT 8 tầng, với lực cắt đáy tăng 25-30% và chỉ số hư hại DI giảm đến 35% dưới tác động động đất cường độ cao.
• Phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian và mô hình hư hại tích lũy được áp dụng thành công, cung cấp cái nhìn toàn diện về ứng xử kết cấu.
• Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung kiến thức về ứng xử của kết cấu BTCT có gia cường FRP, đồng thời làm rõ vai trò của chỉ số hư hại trong đánh giá hiệu quả gia cường.
• Đề xuất các giải pháp thi công, đào tạo và phát triển tiêu chuẩn nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi vật liệu FRP trong gia cường kết cấu chịu động đất tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các loại kết cấu khác, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và triển khai ứng dụng thực tế nhằm nâng cao an toàn và bền vững công trình xây dựng.

Quý độc giả và các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả thiết kế và gia cường công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Mo dau. Giới thiệu chung về dé tài, mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu Chương 2: Tông quan. Giới thiệu về vật liệu FRP và các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan dén dé tai. Chương 3: Cơ sở lý thuyết.

Trình bày chỉ tiết lý thuyết tính toán để xác định quan hệ mô men — độ cong của vật liệu BTCT có và không gia cường FRP. Mô hình hư hại tích lũy cũng được trình bày trong chương này. Chương 4: Mô hình phân tích Giới thiệu mô hình khung 3 tầng và 8 tầng dùng trong phân tích số và kiểm tra tinh đúng dan của phương pháp. Chương 5: Phân tích kết quả Từ kết quả co sở lý thuyết, khả năng chịu động đất của khung 8 tang được phân tích.

Thông qua chỉ số hư hại DI để đánh giá hư hại của khung BTCT có và không có gia cường FRP. Chương 6: Kết luận và kiến nghị Kết luận và kiến nghị dựa trên cơ sở những kết quả phân tích thu được. Chương 2 TONG QUAN 2.1 Sơ lược về vật liệu FRP 2.1 Cấu tạo vật liệu FRP Vật liệu FRP là một loại vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, sử dụng các chất kết dính để liên kết với các cau kiện. Trong đó các sợi đóng vai trò chịu lực chủ yếu.

Chất kết dính như nhựa Expoxy, nhựa Vinyl esters và nhựa Polyesters đóng vai trò liên kết giữ 6n định cho các sợi va phân phối tải trọng cho các sợi làm việc cùng nhau. Kiểu vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi thủy tinh (GFRP), sợi các bon (CFRP) và sợi aramid (AFRP). a) Soi thuy tinh (Glass fiber) Là loại sợi được chế tạo từ dung dịch thủy tinh long nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1600°C, dung dịch thủy tinh có thành phan từ cát, kaolin, limeston.Sau khi thôi dung dịch thủy tinh nóng chảy qua những 16 nhỏ trên khuôn làm bang bạch kim và làm nguội cho đến khi tạo thành các sợi nhỏ, mảnh. Những sợi thủy tỉnh này sau đó được làm sạch và phủ lớp chất hóa học dé bảo vệ.

Sau đó người fa mang những sợi thủy tỉnh nhỏ mảnh này se xoắn thành những sợi chỉ và lại dệt những sợi chỉ nay với nhau thành những tam vai sợi thủy tinh. Soi thủy tinh có giá thành thấp hơn sợi cacbon và cường độ kéo cũng thấp hơn nhưng van được sử dụng trong vai trường hop cho cau kiện muốn tăng độ dẻo. b) Soi cacbon (Cacbon fiber) La mot san pham của quá trình các bon hóa, một loại sợi tiền ché từ các cao phân tử polymer nhân tạo. Các sợi tiền chế được kéo qua trong lò khí trơ có nhiệt độ khoảng 2000°C.

Tùy theo nhiệt độ và lực kéo căng khi gia công mà sẽ quyết định cường độ và độ cứng của sợi. Với nhiệt độ cao trong lò, các tạp chất sẽ bị đốt cháy chỉ còn lại thuần túy các bon, những sợi này sau đó sẽ được làm sạch và phủ lớp hóa chất để bảo vệ. Sau đó đem đi se xoắn tạo thành những sợi chỉ và dệt thành những tam vải. Soi các bon rat mảnh, vì vậy với mỗi tam các bon chỉ có chiêu dày khoảng 0.

Soi các bon sau khi được tâm nhựa đường thì có cường độ kéo rất cao, có thể cao hơn thép từ 5 đến 10 lần. c) Soi Aramid (Aramid fiber) Là một loại sợi cực kỳ bên chắc, được lam từ hợp chất cao phân tử aromatic polyamide. Mặc dù rất bền nhưng nó vẫn có vài nhược điểm khi gia cường sữa chửa cho kết cấu BTCT. Trước tiên, soi Aramid có tính hút 4m nên nó chi có thể làm việc ở môi trường khô ráo.

Hơn nữa, loại sợi này có tính tự mài mòn, đặc biệt dưới tải trọng lặp, các sợi này sẽ cọ sát vào nhau và bào mòn lẫn nhau, làm cho bản thân sợi càng nhỏ, mỏng va yếu đi. Mặc khác, sợi aramid rất khó cắt khi gia cường, buộc phải sử dụng các dụng cụ chuyên dụng. Tuy nhiên, nó sẽ phát huy tác dụng rất cao nêu như gia cường cho các kết câu có yêu cau chong nô, va đập. đ) Vat liệu nhựa kêt dinh Người ta thương dùng keo Expoxy là hợp chất của 2 polymer thành phần, mà trong quá trình lưu hóa và khô cứng thì chuỗi phân tử này càng cứng chắc.

Tùy theo yêu cầu sử dụng mà người ta chế tạo những loại keo có những đặc tính phù hợp. Có loại keo có cường độ cao, nhưng don, dé vở, độ bám dính thấp hoặ loại keo có cường độ kéo thấp nhưng cường độ bám dính lại cao. Thông thường trong lĩnh vực sử dụng FRP dé gia cường sữa chửa cho kết cấu, người ta chỉ quan tâm đến yếu tố bám dính của keo vì nó làm giúp FRP phát huy hết khả năng của vật liệu. Thành phan hóa học của keo Expoxy giúp cho nó không dễ bay hoi và không bắt lửa.

Trong qua trình chế tạo, keo Expoxy được làm trơ hóa, giúp cho nó dễ sử dụng sau này. e) Cac dạng FRP thưởng dùng ˆ- Dạng tắm Dạng cuộn Dạng chế tạo Dạng thanh Dạng băng sản Hình 2.1 Các dang vật liệu FRP [1]. Các dạng FRP thường dùng trong xây dựng như trong (Hình 2.1) bao gồm: FRP dạng tâm, thanh, cáp, cuộn. Trong sửa chữa và gia cố công trình thường có 2 dạng cơ bản: dạng chế tạo tại hiện trường thi công và dạng chế tạo sẵn trong nhà máy và sau đó được lắp ráp tại công trường.

Dạng vật liệu FRP chế tạo sẵn trong nhà máy có những kích thước và kiểu dáng đã được chuẩn hóa, nên có thể sản xuất hàng loạt, giúp tiết kiệm thời gian thi công trên công trường. Tuy nhiên nhược điểm của nó là khó thi công cho những kết cấu có kích thước đặc biệt, hoặc kết cầu có sự thay đôi kích thước hình dáng trên công trình. Dạng chế tao sẵn có thé là tam, thanh. có thể bố trí gia cường bên ngoài hay bên trong bê tông như cốt thép.

Dạng vật liệu FRP chế tạo tại công trường tốn nhiều thời gian hơn, vì phương pháp chế tạo tùy thuộc vào từng hoàn cảnh cụ thé trên công trình. Tuy nhiên nó có khả năng thích ứng tốt với những kết cau phức tap, có sự thay đổi hình dáng, vị trí, kích thước. Những loại sản phẩm FRP chế tạo tại công trường chỉ có thé gia cường bên ngoài bê tông như dán gia cường vào vùng chịu kéo.2 Tinh chất co ly của vat liệu FRP Vật liệu FRP có ứng xu đàn hồi, không có giai đoạn chảy dẻo trước khi bị phá hủy. Cường độ chịu kéo và độ dẻo dai của vật liệu phụ thuộc chủ yếu vào kiểu sợi, hướng sợi và chât lượng sợi.

Ưng xử kéo của vật liệu này được biêu diễn băng quan hệ ứng suất — biến dạng tuyến tính đến khi phá hoại. Cường độ kéo và độ cứng của vật liệu này phụ thuộc vào nhiều tham số. Vì các sợi trong vật liệu tong hop FRP là thành phan chiu luc chinh nén kiéu cét soi, chiéu sap xép của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp chế tạo cũng ảnh hưởng đến đặc tính của vật liệu này. Tính chất cơ lý của vật liệu FRP được thé hiện trong (Bảng 2.1 Tính chất cơ lý của vật liệu FRP [2].

„ Vật liệu TT Tính chất cơ lý GERP CFRP AFRP | Khối lượng riêng (T/m?) 1.5 Hệ số giãn nở vì nhiệt theo 2 ị 6 - 10 (-1)-0 (-6) — (-2) chiêu dọc (10°/°C) Hệ số giãn nở vì nhiệt theo 3 19—23 22 - 50 60 - 80 chiêu ngang (10°°/°C) 4 Môdun dan hồi (GPa) 20 - 40 100 — 140 48 — 68 5 Cường độ kéo (MPa) 520-1400 | 1020-2080 | 700-1720 6 Bién dang cuc han (%) 1.0 Do thành phan cấu tạo của FRP khác han so với cốt thép dẫn đến đặc tính co lý của FRP cũng khác biệt. FRP là vật liệu không đăng hướng, có trọng lượng riêng khá nhẹ so với thép, dễ bị phá hủy bởi các tỉa cực tím bên ngoài. Có hệ số giãn nở do nhiệt khác nhau theo phương dọc và phương ngang, phụ thuộc vào kiểu loại cốt sợi, vật liệu kết dính và tỉ lệ cốt sợi.1 cho ta thấy khả năng biến dạng của CFRP nhỏ hơn GFRP và AFRP nhưng cường độ kéo của CFRP rất lớn, nên nó rất tốt trong gia cường kháng uốn cho kết cấu. Nhìn chung, mô đun đàn hồi của FRP không cao, trong 3 loại thì GFRP có mô đun thấp nhất, sau đó đến AFRP rồi đến CFRP.

Tuy có cường độ chịu kéo cao, nhưng về mặt chịu nén, FRP khá thấp, với dạng sợi vải thì hầu như không có chiu nén, chi một số vật liệu FRP dạng thanh thì có chịu nén.2 Các dạng phá hoại và sự làm việc của FRP 2.1 Cac dạng pha hoại Cac dạng phá hoại sau đây can phải khảo sát đôi với mặt cat cau kiện cân được gia cường vật liệu FRP. - Su phá hoại của bê tông trong vùng nén trước khi cốt thép thường bị chảy đẻo. - Su chảy dẻo của cốt thép thường trong vùng chịu kéo sau khi xảy ra sự phá hoại của tam gia cường. - Su chảy dẻo của cốt thép trong vùng chịu kéo sau khi xảy ra sự phá hoại bê tông trong vùng chịu nén.

- Su bong tách của lớp bê tông bảo vệ. - Su bong tách của lớp gia cường khỏi bê tông. Sự phá hoại do nén của bê tông được giả định xảy ra nếu biến dạng nén trong bê tông đạt đến biến dạng cực hạn (ec = £ø). Sự phá hoại của lớp gia cường được giả định là xảy ra khi sự biến dạng của tâm gia cường đạt đến biến dạng trong thiết kế (e7 = ef) .2 Su lam viéc cua FRP Khi sử dụng tam FRP dé gia cường cho dâm ở vùng chịu kéo sẽ làm cho dam tăng khả năng chịu tải, mà không làm gia tăng độ võng.

Mặt khác, khi dùng tam FRP để gia cường cho vùng chịu kéo của bê tông sẽ làm hạn chế vết nứt của bê tong, tạo điều kiện cho BTCT làm việc cùng nhau tốt hơn, giúp cho cốt thép tiễn đến giới hạn dẻo trong khi bê tông chưa bị phá hoại. Trong kết cau cột BTCT thì cốt thép đóng vai trò chịu mô men uốn là chủ yếu. Đặc biệt khi cột chịu tải trọng động như động đất, 210 giat, xe x0. trong cột sẽ xuât hiện m6 men uôn một phía và nén một phía.

Vêt nut sẽ xuât hiện ở vùng chịu kéo của bê tông. khi có sự đối chiều của tải trọng thì phía chịu nén của cột lại phải chịu kéo và xuất hiện vết nứt. Như vậy, tiết diện cột càng lúc càng bị thu hẹp sau mỗi lần lặp của tải trọng.