Nghiên Cứu Thực Nghiệm Gia Cường FRP Cho Cột Bê Tông Cốt Thép Bị Cháy

Nghiên cứu thực nghiệm gia cường FRP cho cột bê tông cốt thép bị cháy, mang lại giải pháp hiệu quả cho kỹ thuật xây dựng hiện đại.

• Tác giả: Võ Hoàng Trí
• Người hướng dẫn: TS. Cao Văn Vui
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Thực Nghiệm Gia Cường FRP Cho Cột Bê Tông Cốt Thép Bị Cháy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Gia Cường FRP Cho Cột Bê Tông Bị Cháy

Hỏa hoạn gây suy giảm đáng kể khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép. Thay vì phá bỏ và xây mới, gia cường FRP nổi lên như giải pháp kinh tế và hiệu quả. Phương pháp này sử dụng vật liệu FRP, đặc biệt là sợi carbon, để tăng cường khả năng chịu lực của cột bê tông sau thiệt hại do cháy. Luận văn của Võ Hoàng Trí (2019) đã nghiên cứu thực nghiệm về gia cường FRP cho cột bê tông cốt thép bị cháy, đánh giá hiệu quả của phương pháp này. Việc hiểu rõ ứng xử sau cháy của cột bê tông cốt thép và hiệu quả của biện pháp gia cường là rất quan trọng để bảo đảm an toàn công trình.

1.1. Ưu điểm của Gia Cường FRP so với Giải pháp Thay Thế

Việc thay thế cột bê tông cốt thép bị hư hỏng do cháy tốn kém và mất thời gian. Gia cường FRP giúp tiết kiệm chi phí, giảm thiểu gián đoạn hoạt động của công trình. Hơn nữa, vật liệu FRP có khả năng chống ăn mòn tốt, tăng tuổi thọ của cột bê tông sau sửa chữa. Theo nghiên cứu, gia cường FRP sau hỏa hoạn là lựa chọn tối ưu về cả kinh tế và kỹ thuật.

1.2. Các Loại Vật Liệu FRP Thường Dùng trong Gia Cường

Vật liệu FRP phổ biến bao gồm sợi carbon (CFRP), sợi thủy tinh (GFRP) và sợi aramid. Sợi carbon có tính chất cơ học vượt trội, đặc biệt là độ bền và khả năng chịu lực cao. Sợi thủy tinh có giá thành thấp hơn nhưng độ bền kém hơn. Sợi aramid có khả năng chịu va đập tốt. Lựa chọn loại vật liệu FRP phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của công trình và mức độ thiệt hại do cháy.

II. Thách Thức Đánh Giá Thiệt Hại Do Cháy và Lựa Chọn FRP

Việc đánh giá chính xác mức độ thiệt hại do cháy là yếu tố then chốt để lựa chọn phương án gia cường FRP phù hợp. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao làm thay đổi tính chất vật liệu của bê tông cốt thép, giảm khả năng chịu lực. Cần xác định độ sâu lớp bê tông bị hư hỏng, mức độ ăn mòn của cốt thép để đưa ra giải pháp sửa chữa cột bê tông tối ưu. Ngoài ra, lựa chọn phương pháp thi công và loại vật liệu FRP phù hợp cũng là một thách thức.

2.1. Phương Pháp Đánh Giá Thiệt Hại Sau Cháy Từ Trực Quan Đến Thí Nghiệm

Đánh giá trực quan bao gồm kiểm tra màu sắc bê tông, vết nứt, và độ bong tróc. Các phương pháp thí nghiệm như siêu âm, khoan lấy mẫu giúp xác định độ sâu lớp bê tông bị hư hỏng và thay đổi tính chất vật liệu. Phân tích hóa học có thể đánh giá mức độ ăn mòn cốt thép. Việc kết hợp nhiều phương pháp giúp đánh giá chính xác thiệt hại sau cháy.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Lựa Chọn Vật Liệu FRP Gia Cường

Khả năng chịu lực yêu cầu sau gia cường, môi trường làm việc, chi phí gia cường, và tiêu chuẩn thiết kế là các yếu tố quan trọng. Nếu yêu cầu tăng cường khả năng chịu lực cao, sợi carbon là lựa chọn tốt. Nếu môi trường ẩm ướt, cần chọn vật liệu FRP có khả năng chống ẩm tốt. Cần tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

2.3. Tiêu Chuẩn và Quy Định Về Đánh Giá Thiệt Hại và Gia Cường FRP

Việc tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế và quy định là bắt buộc để đảm bảo chất lượng công trình sau gia cường. Các tiêu chuẩn này quy định về phương pháp đánh giá thiệt hại sau cháy, lựa chọn vật liệu FRP, và phương pháp thi công. Tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành để có thông tin chi tiết.

III. Phương Pháp Gia Cường FRP Tăng Khả Năng Chịu Lực Sau Cháy

Gia cường FRP cho cột bê tông cốt thép bị cháy bao gồm các bước: làm sạch bề mặt bê tông, sửa chữa các vết nứt lớn, và dán vật liệu FRP. Số lớp FRP và loại sợi (sợi carbon, sợi thủy tinh, ...) được tính toán dựa trên mức độ thiệt hại do cháy và yêu cầu tăng cường khả năng chịu lực. Kỹ thuật thi công đúng quy trình đảm bảo sự liên kết tốt giữa FRP và bê tông.

3.1. Quy Trình Thi Công Gia Cường FRP Chi Tiết Từ Chuẩn Bị Đến Hoàn Thiện

Quy trình bao gồm: đánh giá thiệt hại do cháy, chuẩn bị bề mặt bê tông (làm sạch, trám vá), trộn keo epoxy, cắt vật liệu FRP theo kích thước, dán FRP lên bề mặt, lăn ép để loại bỏ bọt khí, và bảo dưỡng. Tuân thủ nghiêm ngặt hướng dẫn của nhà sản xuất vật liệu FRP để đảm bảo chất lượng.

3.2. Các Kỹ Thuật Dán FRP Quấn Toàn Phần Dán Dải Neo Cơ Học

Quấn toàn phần (full wrapping) tăng cường khả năng chịu lực và độ dẻo của cột bê tông. Dán dải (strip wrapping) tập trung vào các vị trí chịu lực cao. Neo cơ học (mechanical anchorage) tăng cường sự liên kết giữa FRP và bê tông. Lựa chọn kỹ thuật phù hợp dựa trên yêu cầu cụ thể.

3.3. Kiểm Tra và Đánh Giá Chất Lượng Lớp Gia Cường FRP Sau Thi Công

Kiểm tra bằng mắt thường để phát hiện bọt khí, lớp keo không đều. Sử dụng thiết bị siêu âm để kiểm tra độ bám dính. Thí nghiệm kéo mẫu để đánh giá cường độ. Đảm bảo chất lượng lớp gia cường FRP trước khi đưa công trình vào sử dụng.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Gia Cường FRP Cho Cột Sau Cháy

Nghiên cứu của Võ Hoàng Trí (2019) cho thấy gia cường FRP giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu lực và độ dẻo của cột bê tông cốt thép bị cháy. Mẫu gia cường FRP có tải trọng phá hoại cao hơn so với mẫu không gia cường. Ứng dụng FRP là giải pháp hiệu quả để phục hồi cột bê tông sau hỏa hoạn.

4.1. So Sánh Khả Năng Chịu Tải Của Cột Gia Cường và Cột Không Gia Cường Sau Cháy

Dữ liệu từ thí nghiệm nén cho thấy gia cường FRP làm tăng khả năng chịu tải dọc trục của cột bê tông cốt thép bị cháy. Mức tăng phụ thuộc vào số lớp FRP và thời gian cháy. Kết quả nghiên cứu cho thấy gia cường FRP là giải pháp hiệu quả.

4.2. Ảnh Hưởng của Số Lớp FRP Đến Khả Năng Chịu Lực và Độ Dẻo

Số lớp FRP càng nhiều, khả năng chịu lực càng cao, nhưng đồng thời độ dẻo có thể giảm. Cần cân nhắc giữa hai yếu tố này để lựa chọn số lớp FRP phù hợp. Nghiên cứu của Võ Hoàng Trí (2019) cho thấy gia cường 2 lớp FRP tăng 66% và 3 lớp tăng 96% so với mẫu đối chứng.

4.3. Phân Tích Dạng Phá Hoại Của Cột Sau Gia Cường FRP Cải Thiện Như Thế Nào

Gia cường FRP thay đổi dạng phá hoại của cột bê tông cốt thép. Thay vì phá hoại giòn, cột gia cường FRP có xu hướng phá hoại dẻo hơn, giúp kéo dài thời gian chịu tải và giảm nguy cơ sụp đổ đột ngột.

V. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về FRP Sau Cháy

Gia cường FRP là giải pháp hiệu quả để phục hồi và tăng cường cột bê tông cốt thép bị cháy. Nghiên cứu cần tập trung vào tối ưu hóa vật liệu FRP, phương pháp thi công, và mô hình tính toán để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí gia cường. Ứng dụng FRP ngày càng phổ biến trong lĩnh vực xây dựng và sửa chữa công trình.

5.1. Tổng Kết Ưu Điểm và Hạn Chế của Phương Pháp Gia Cường FRP

Ưu điểm: tăng cường khả năng chịu lực, thi công nhanh chóng, giảm thiểu hư hỏng, kéo dài tuổi thọ. Hạn chế: chi phí gia cường cao, yêu cầu kỹ thuật thi công cao, cần đánh giá chính xác thiệt hại sau cháy.

5.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Vật Liệu FRP Mới Mô Hình Mô Phỏng

Nghiên cứu vật liệu FRP có khả năng chịu nhiệt cao hơn, mô hình mô phỏng ứng xử sau cháy chính xác hơn, và phương pháp thi công tiết kiệm chi phí hơn. Phần mềm mô phỏng như Ansys và Abaqus có thể được sử dụng để mô phỏng quá trình chịu lực của cột bê tông cốt thép sau gia cường FRP.

5.3. Đề Xuất Tiêu Chuẩn Thiết Kế và Thi Công Gia Cường FRP Chi Tiết

Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và phương pháp thi công gia cường FRP chi tiết, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Tiêu chuẩn này sẽ giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả của các công trình sau sửa chữa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu chương trình bày vật liệu dùng cho thí nghiệm gồm có bê tông, cốt thép, CFRP. Việc mô tả trình tự chế tạo mẫu thí nghiệm và chi tiết cấu tạo mẫu được trình bày ngay sau đó. Tiếp đến, chương này còn mô tả chi tiết trình tự thực hiện thí nghiệm cháy, thí nghiệm gia cường CFRP và cuối cùng là thí nghiệm nén. Ở mỗi thí nghiệm sẽ mô tả dụng cụ dùng trong thí nghiệm, trình tự thực hiện thí nghiệm và những lưu ý khi thực hiện thí nghiệm.

Chương 4 trình bày kết quả của các chương trình thí nghiệm. Với thí nghiệm cháy, luận văn đưa ra nhận xét về ứng xử của cột BTCT sau khi cháy thông qua việc quan sát màu sắc và vết nứt hình thành trên bề mặt mẫu. Đồng thời nhận xét về nhiệt độ trung bình theo thời gian trong lò thí nghiệm cháy với từng nhóm mẫu. Kết quả thí nghiệm nén sẽ đánh giá sự thay đổi dạng phá hoại của mẫu cột BTCT sau khi được gia cường CFRP.

Đồng thời đưa ra kết luận về mối quan hệ tải trọng-chuyển vị ứng với 2 nhóm mẫu: mẫu không cháy làm đối chứng và mẫu gia cường CFRP sau khi cháy. Từ đó so sánh khả năng chịu tải dọc trục của từng nhóm mẫu làm cơ sở đánh giả hiệu quả gia cường CFRP cho cột BTCT bị cháy. Chương cuối cùng là kết luận đưa ra thông qua các kết quả thí nghiệm và đề xuất kiến nghị cho những đề tài mới 4 sau này. Phần tài liệu tham khảo cuối luận văn trích dẫn các tài liệu liên quan được trình bày trong luận văn.

TỔNG QUAN Giới thiệu chung Hỏa hoạn luôn là nỗi lo lắng kinh hoàng của nhiều người, đặc biệt là ở những chung cư cao tầng hay trung tâm thương mại vì hỏa hoạn sẽ gây ra thiệt hại lớn về người và của. Ngoài ra, hỏa hoạn còn làm ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu. Trên thế giới, nhiều đám cháy lớn đã xảy ra và gây hậu quả nặng nề. Năm 2017, một trận hỏa hoạn xảy ra ở tòa nhà Plasco cao 17 tầng tại Tehran, Iran làm cả tòa nhà sụp đổ, khiến 25 người thiệt mạng và gần 200 người bị thương (Hình 2.

Năm 2018, tại tỉnh Kemerovo, vùng Siberia, Nga, đã xảy ra vụ cháy trung tâm thương mại làm 64 người chết (Hình 2. Tại Việt Nam, vụ hỏa hoạn trung tâm thương mại quốc tế ITC ở quận 1, thành phố Hồ Chí Minh, vào năm 2002, đã thiêu rụi phần lớn tòa nhà ITC, cướp đi sinh mạng 60 người, làm 70 người khác bị thương, gây thiệt hại tài sản hơn 30 tỷ đồng (Hình 2. (a) Cháy tòa nhà Plasco (b) Cháy trung tâm (c) Cháy trung tâm thương mại Nga thương mại ITC Hình 2. Hỏa hoạn tại tòa nhà cao tầng và trung tâm thương mại [1-2-3].

Cột là một trong những cấu kiện chịu lực quan trọng nhất trong hệ kết cấu nhà nhưng cột cũng dễ bị tổn thương nhất khi hỏa hoạn xảy ra. Khả năng chịu lực của cột 6 sẽ bị giảm đáng kể khi tiếp xúc với lửa. Vì thế, công trình bị cháy sẽ đứng trước hai lựa chọn: đập phá xây mới hoặc gia cường kết cấu. So với biện pháp đập phá xây mới, biện pháp gia cường là một giải pháp thường được lựa chọn vì lý do kinh tế.

Hiện nay, sự phát triển của khoa học vật liệu đã cho ra đời những sản phẩm ưu việt như Fiber Reinforced Polymer (FRP). Việc sử dụng loại vật liệu này trong công tác gia cường kết cấu BTCT đã được áp dụng hầu hết ở các nước trên thế giới. Trong số các loại composite làm vật liệu gia cường, CFRP được sử dụng rất phổ biến. Phương pháp gia cường bằng vật liệu CFRP tận dụng được những ưu điểm của loại vật liệu này như cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn dưới tác động của yếu tố môi trường, v.

Bên cạnh ưu điểm về đặc tính cơ học, gia cường bằng CFRP còn cho thấy những tiện lợi trong quá trình thi công gia cường như đơn giản, tiết kiệm thời gian và không cần dùng đến nhiều máy móc thiết bị. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Các nghiên cứu xem xét ứng xử của cấu kiện BTCT bị cháy hoặc nghiên cứu phương pháp gia cường sau cháy đã nhận được sự quan tâm bởi cộng đồng khoa học trong và ngoài nước. Ở nước ngoài Năm 2008, Jau và Huang [4] đã nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của các cột BTCT sau khi cháy. Chương trình thí nghiệm được tiến hành trên 6 mẫu cột BTCT tiết diện 3004502700 mm với tỉ lệ cốt thép là 2% và 3%.

Trong đó, ba mẫu có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 50 mm và ba mẫu còn lại là 70 mm. Các mẫu được đốt trong thời gian là 2 giờ và 4 giờ. Sau đó tiến hành thí nghiệm nén các mẫu. Từ kết quả thí nghiệm tác giả rút ra các kết luận.

Đầu tiên, cấu tạo cốt thép có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải còn lại của cột. Với cùng một thời gian cháy, mẫu có kích thước lõi thép lớn hơn thì cường độ còn lại cao hơn. Thứ hai, các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt mặt là thời gian cháy, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và tỉ lệ 7 cốt thép. Thứ ba, nhiệt độ trong cột vẫn tăng dù cột không còn chịu tác dụng của lửa nữa.

Cuối cùng, việc nghiên cứu cường độ còn lại của cột cho thấy rằng: (a) với thời gian cháy càng lâu thì cường độ còn lại càng ít, (b) với tỉ lệ cốt thép càng nhỏ thì cường độ còn lại càng ít, và (c) lớp bê tông bảo vệ càng dày thì cường độ còn lại càng ít. Sau đó một năm, Chen và cộng sự [5] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm về sự ảnh hưởng của thời gian đốt đối với cột BTCT. Chín cột BTCT có kích thước 4503003000 mm với tỉ lệ cốt thép dọc 1.3% tiếp xúc với lửa trong 2 và 4 giờ. Một tháng sau khi làm mát, các mẫu thử đã được thí nghiệm nén mẫu.

Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu tải giảm khi tăng thời gian tiếp xúc với lửa. Sự suy giảm khả năng chịu tải này sau khi tăng thời gian tiếp xúc với lửa có thể bị chậm lại do sự phục hồi cường độ của các thanh cốt thép sau khi làm mát. Năm 2010, Rodrigues và cộng sự [6] đã tiến hành một chương trình nghiên cứu ứng xử của các cột bê tông cốt sợi trong lửa. Tỷ lệ giữa cốt thép và sợi thép là khác nhau trong các mẫu thử nhưng tổng tỉ lệ cốt thép và sợi thép là như nhau.

Mục tiêu của thí nghiệm này là nghiên cứu khả năng thay thế các thanh cốt thép dọc trên các cột BTCT bằng các sợi thép. Hơn nữa, các sợi polypropylene cũng được sử dụng trên bê tông để tăng cường kháng cháy và tránh bị vỡ bê tông. Sợi polypropylene dưới tác dụng của lửa sẽ tạo ra một mạng lưới vi mô để thoát hơi nước. Qua đó tác giả đưa ra nhận xét việc sử dụng sợi polypropylene và thép trong bê tông cải thiện ứng xử của các cột trong lửa.

Vì vậy, việc sử dụng các sợi polypropylene có thể kiểm soát sự sụp đổ của bê tông trong khi các thanh thép cung cấp độ dẻo cao sau khi nứt bê tông. Bên cạnh đó, việc thay thế thanh cốt thép bằng sợi thép có thể lên đến một tỉ lệ nhất định mà từ đó khả năng kháng cháy của cột bắt đầu giảm. Nói cách khác, cột luôn cần một lượng cốt thép nhất định để chống cháy. Do đó, việc thay thế thanh cốt thép bằng sợi thép không phải là một giải pháp tốt.

Năm 2011, Yaqub và Bailey [7] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm để điều tra khả năng gia cường tấm FRP đối với các cột BTCT tròn bị hư hỏng do nhiệt. Các cột có cùng đường kính là 200 mm và cao 1000 mm. Đối tượng thí nghiệm bao gồm 8 các cột không bị gia nhiệt, gia nhiệt, sau khi gia nhiệt và được gia cường bằng vữa, sau gia nhiệt và được gia cường bằng tấm sợi thủy tinh hoặc tấm sợi carbon, sau khi gia nhiệt bị hư hỏng nghiêm trọng và gia cường bằng cả vữa và tấm sợi thủy tinh hoặc tấm sợi carbon. Tất cả các cột đã được thử nghiệm nén để xác định độ bền, độ cứng và độ dẻo.

Kết quả là việc gia cường với một lớp sợi thủy tinh hoặc sợi carbon đối với các cột tròn bị hư hỏng do nhiệt có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ chịu nén và độ dẻo của cột. Điều đó chứng minh được khả năng chịu tải của các cột sau khi gia nhiệt có thể được khôi phục lên đến mức ban đầu hoặc lớn hơn so với các cột không gia nhiệt. Chi tiết kết luận của tác giả như sau. Cường độ của các cột BTCT tròn đã giảm tới 42% sau khi gia nhiệt đến 500 0C.

Ngoài ra, việc giảm độ cứng còn lại của cột bị hư hỏng do nhiệt lớn hơn mức giảm cường độ nén. Do đó, cần cân nhắc kỹ hơn về sự biến dạng và phân phối ứng suất của các cấu kiện bê tông sau cháy. Bên cạnh đó, cường độ của cột sau khi gia nhiệt được gia cường bằng tấm GFRP Tyfo SHE- 51A tăng 29% so với cường độ ban đầu của các cột không gia nhiệt và cao hơn 122% so với cột được gia nhiệt. Hơn nữa, cường độ của các cột hư hại nghiêm trọng do nhiệt được gia cường bằng vữa đã tăng 15% so với cột sau khi gia nhiệt mà không bị hư hỏng.

Cường độ của các cột bị hư hại nghiêm trọng do nhiệt sau khi được gia cường bằng vữa và tấm sợi GFRP Tyfo SHE-51A tăng 65% so với trước khi gia cường và tăng 10% so với cột không gia nhiệt. Cường độ của các cột bị hư hại nghiêm trong do nhiệt sau khi được gia cường bằng vữa và tấm sợi CFRP Tyfo SCH-41 tăng 80% so với trước khi gia cường và tăng 20% so với cột không gia nhiệt. Cột sau khi gia nhiệt được gia cường bằng một lớp CFRP Weber.tec force C-240 sẽ khôi phục lại cường độ như các cột không gia nhiệt. Bên cạnh đó, tấm sợi CFRP hoặc GFRP rất hiệu quả trong việc cải thiện cường độ nén của các cột tròn bị hư hỏng do nhiệt.

Điều này là do các cột sau khi được gia nhiệt trở nên 'mềm' và xuất hiện độ giãn nở nhiều hơn so với các cột không gia nhiệt. Do đó, hiệu ứng bó hông của tấm sợi GFRP hoặc CFRP càng hiệu quả hơn trong các cột được gia nhiệt.