Tổng quan nghiên cứu

Gia cường công trình xây dựng hiện nay là một trong những vấn đề cấp thiết nhằm nâng cao tuổi thọ và khả năng chịu tải của các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Theo ước tính, việc sử dụng vật liệu composite như tấm sợi carbon (CFRP) đã trở thành giải pháp ưu việt trong việc gia cố và phục hồi kết cấu, đặc biệt trong các công trình có nhu cầu nâng cấp chịu lực do hư hỏng hoặc thay đổi công năng. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào các phần tử riêng lẻ như dầm, cột, hoặc nút khung, còn thiếu các nghiên cứu toàn diện về khung BTCT chịu tải trọng kết hợp theo cả phương đứng và ngang.

Luận văn này nhằm khảo sát thực nghiệm ứng xử và hiệu quả phục hồi khả năng chịu tải đứng và ngang của khung BTCT mặt tường có lỗ, chịu tải trọng kết hợp, được gia cố bằng tấm CFRP. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu khung BTCT tại phòng thí nghiệm, mô phỏng các điều kiện thực tế tại một số công trình ở Việt Nam, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2018 đến 2019. Mục tiêu cụ thể là thiết kế quy trình gia cố, khảo sát ứng xử phá hoại, và đánh giá hiệu quả gia cố bằng CFRP đối với khả năng chịu lực của khung BTCT.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm cho việc áp dụng vật liệu CFRP trong gia cố các công trình BTCT hiện hữu, góp phần nâng cao độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống chịu tải trọng động và tĩnh, đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian thi công so với các phương pháp truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết kết cấu BTCT chịu tải trọng kết hợp và lý thuyết ứng dụng vật liệu composite CFRP trong gia cố kết cấu. Mô hình nghiên cứu tập trung vào khung BTCT mặt tường có lỗ, chịu tải trọng đứng và ngang kết hợp, với các khái niệm chính bao gồm:

  • Khung BTCT mặt tường có lỗ: cấu trúc chịu tải trọng phức tạp, dễ xuất hiện các vị trí tập trung ứng suất tại các lỗ và nút khung.
  • Tấm sợi carbon CFRP: vật liệu composite có tính năng cơ học cao, độ bền kéo lớn (4900 N/mm²), biến dạng chịu kéo trên 2.1%, được sử dụng để gia cố bề mặt kết cấu.
  • Hiệu quả gia cố: khả năng phục hồi và nâng cao tải trọng tối đa của khung BTCT sau khi gia cố bằng CFRP.
  • Phá hoại giòn và dẻo: các kiểu phá hoại thường gặp trong kết cấu BTCT gia cố CFRP, bao gồm hiện tượng bong tách tấm CFRP tại mép và các vết nứt bê tông.

Ngoài ra, luận văn tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế như ACI 440 và CSA để phân tích và đánh giá hiệu quả gia cố.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu khung BTCT mặt tường có lỗ được chế tạo và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM. Cỡ mẫu gồm 4 mẫu khung: 2 mẫu nguyên bản (KG-N, KB-N) và 2 mẫu gia cố bằng tấm CFRP (KG-S, KB-S). Mỗi mẫu có kích thước chiều cao 3.2 m, chiều rộng 1 m, với các chi tiết dầm, cột được gia cố bằng thép CB400-V và CB240-T theo tiêu chuẩn.

Phương pháp chọn mẫu là mẫu đại diện cho các kết cấu mặt tường có lỗ phổ biến trong công trình dân dụng và công nghiệp. Các mẫu được gia cố bằng tấm CFRP dán bằng keo epoxy Carbotex Impreg và Epoxy SL 1400, đảm bảo độ bám dính và truyền lực hiệu quả.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm tải trọng kết hợp đứng và ngang theo chu kỳ, với tải trọng ngang theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2012.
  • Đo đạc biến dạng bê tông, thép và CFRP bằng cảm biến chuyên dụng.
  • Ghi nhận tải trọng, chuyển vị và hiện tượng phá hoại qua hệ thống Data logger và quan sát trực tiếp.
  • So sánh kết quả giữa mẫu nguyên bản và mẫu gia cố để đánh giá hiệu quả gia cố.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ thiết kế mẫu, gia công, thử nghiệm đến phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng phục hồi và nâng cao tải trọng chịu lực: Mẫu khung BTCT gia cố bằng tấm CFRP (KG-S, KB-S) cho thấy tải trọng tối đa tăng từ 13% đến 46% so với mẫu nguyên bản (KG-N, KB-N). Cụ thể, tải trọng ngang tối đa của mẫu KG-S đạt khoảng 350 kN, tăng 24% so với KG-N.

  2. Hiện tượng phá hoại và phân bố vết nứt: Vết nứt bê tông không xuất hiện bên trong vùng dán tấm CFRP mà tập trung tại mép ngoài của tấm, cho thấy hiệu quả ngăn ngừa phá hoại bên trong kết cấu. Hiện tượng bong tách tấm CFRP chỉ xảy ra ở mép, không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực tổng thể.

  3. Biến dạng và độ dẻo dai của khung: Khung gia cố CFRP có độ dẻo dai tăng lên đáng kể, với biến dạng ngang trung bình tăng khoảng 4-10% so với mẫu không gia cố, giúp khung chịu được tải trọng động và tải trọng chu kỳ tốt hơn.

  4. Tương quan lực và chuyển vị: Phân tích quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cho thấy khung gia cố CFRP có độ cứng tăng khoảng 22-29%, đồng thời giảm hiện tượng biến dạng dẻo tập trung tại các nút khung.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng tải trọng và độ bền là do tấm CFRP có độ bền kéo cao và khả năng truyền lực hiệu quả, giúp phân phối lại ứng suất tại các vị trí tập trung tải trọng. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào dầm hoặc cột riêng lẻ, nghiên cứu này mở rộng phạm vi sang khung BTCT mặt tường có lỗ, phản ánh thực tế công trình phức tạp hơn.

Kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả gia cố CFRP trong việc nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu BTCT. Việc không xuất hiện vết nứt bên trong vùng dán CFRP chứng tỏ khả năng bảo vệ kết cấu khỏi phá hoại giòn, đồng thời tăng độ bền mỏi khi chịu tải trọng chu kỳ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tải trọng - chuyển vị, bảng so sánh tải trọng tối đa và biến dạng giữa các mẫu, cũng như hình ảnh hiện tượng phá hoại tại mép tấm CFRP để minh họa rõ ràng hiệu quả gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi tấm CFRP trong gia cố khung BTCT mặt tường có lỗ: Khuyến nghị các đơn vị thi công và thiết kế sử dụng tấm CFRP để gia cố các công trình BTCT có dấu hiệu hư hỏng hoặc cần nâng cao khả năng chịu tải, nhằm tăng tải trọng tối đa và độ bền công trình trong vòng 6-12 tháng.

  2. Xây dựng quy trình thi công chuẩn cho việc dán tấm CFRP: Đề xuất phát triển quy trình thi công chi tiết, bao gồm chuẩn bị bề mặt, lựa chọn keo dán phù hợp và kiểm soát chất lượng dán tấm CFRP, nhằm đảm bảo hiệu quả gia cố tối ưu, áp dụng ngay trong các dự án cải tạo công trình.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và cán bộ quản lý công trình về công nghệ CFRP: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vật liệu CFRP và kỹ thuật gia cố kết cấu, giúp nâng cao năng lực thi công và giám sát, đảm bảo chất lượng công trình trong vòng 3-6 tháng.

  4. Nghiên cứu tiếp tục về ứng xử lâu dài và tác động tải trọng động: Khuyến nghị các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục khảo sát ứng xử của khung BTCT gia cố CFRP dưới tải trọng động, tải trọng chu kỳ và điều kiện môi trường khắc nghiệt để hoàn thiện cơ sở dữ liệu và tiêu chuẩn thiết kế trong 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp gia cố phù hợp, tối ưu hóa chi phí và nâng cao độ bền công trình.

  2. Nhà thầu thi công công trình: Tham khảo quy trình thi công và các lưu ý kỹ thuật khi sử dụng tấm CFRP, từ đó nâng cao chất lượng thi công và rút ngắn thời gian thi công.

  3. Cán bộ quản lý dự án và bảo trì công trình: Hiểu rõ hiệu quả và giới hạn của phương pháp gia cố CFRP để lập kế hoạch bảo trì, nâng cấp công trình một cách khoa học và hiệu quả.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng vật liệu composite trong gia cố kết cấu, đồng thời cung cấp cơ sở thực nghiệm và lý thuyết cho các nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tấm CFRP có thể gia cố được những loại kết cấu nào?
    Tấm CFRP phù hợp để gia cố các kết cấu BTCT như dầm, cột, khung mặt tường có lỗ, đặc biệt là những kết cấu bị hư hỏng hoặc cần nâng cao khả năng chịu tải. Ví dụ, trong nghiên cứu này, khung BTCT mặt tường có lỗ được gia cố thành công với tải trọng tăng 24-46%.

  2. Hiệu quả gia cố bằng CFRP kéo dài trong bao lâu?
    Theo báo cáo của ngành và các nghiên cứu thực nghiệm, hiệu quả gia cố CFRP có thể duy trì lâu dài nếu thi công đúng quy trình và bảo dưỡng hợp lý, thường trên 10 năm trong điều kiện môi trường bình thường.

  3. Có hiện tượng phá hoại nào đặc biệt khi sử dụng CFRP không?
    Hiện tượng phá hoại chủ yếu là bong tách tấm CFRP tại mép ngoài, không xuất hiện vết nứt bên trong vùng dán, giúp bảo vệ kết cấu bên trong. Đây là điểm khác biệt so với các phương pháp gia cố truyền thống.

  4. Quy trình thi công gia cố CFRP gồm những bước nào?
    Quy trình gồm chuẩn bị bề mặt (mài, làm sạch), dán keo epoxy, dán tấm CFRP, ép chặt và bảo dưỡng keo. Thời gian làm việc keo khoảng 30 phút, khô cứng sau 3 giờ ở nhiệt độ 25°C.

  5. Chi phí gia cố bằng CFRP so với phương pháp truyền thống thế nào?
    Mặc dù chi phí vật liệu CFRP cao hơn thép truyền thống, nhưng tổng chi phí thi công giảm do thời gian thi công nhanh, giảm thiểu phá dỡ và ảnh hưởng đến công trình, đồng thời tăng tuổi thọ công trình, mang lại hiệu quả kinh tế lâu dài.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã khảo sát thành công ứng xử và hiệu quả gia cố khung BTCT mặt tường có lỗ bằng tấm CFRP chịu tải trọng đứng và ngang kết hợp.
  • Tấm CFRP không chỉ phục hồi mà còn nâng cao tải trọng tối đa của khung từ 13% đến 46%, đồng thời tăng độ dẻo dai và độ bền mỏi.
  • Hiện tượng phá hoại chủ yếu xảy ra tại mép tấm CFRP, không ảnh hưởng đến vùng dán, đảm bảo an toàn kết cấu.
  • Quy trình thi công và vật liệu được đề xuất phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, có thể áp dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm đào tạo kỹ thuật, hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế và nghiên cứu ứng xử lâu dài dưới tải trọng động.

Call-to-action: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý công trình nên cân nhắc áp dụng công nghệ gia cố CFRP để nâng cao hiệu quả và tuổi thọ công trình, đồng thời phối hợp nghiên cứu tiếp tục để phát triển giải pháp tối ưu hơn trong tương lai.