Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu gia cường FRP cho khung bê tông cốt thép bị cháy

• Tác giả: Lê Nguyễn Bá Phúc
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Vui
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG 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 kháng nở hông cho khung bê tông cốt thép bị cháy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: Lý do thực hiện đề tài
• 1.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Ý nghĩa nghiên cứu
• 1.4. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: Giới thiệu chung
• 2.1. Hiện nay tình trạng dân cư tập trung sinh sống ở các thành phố lớn
• 2.2. Hỏa hoạn tòa nhà Grenfell Tower
• 3. CHƯƠNG 3: Tình hình nghiên cứu
• 3.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
• 4. CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 4.1. Vật liệu Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)
• 4.2. Chế tạo khung bê tông cốt thép
• 4.3. Quá trình thi công khung thí nghiệm
• 4.3.1. Giải phóng mặt bằng và định vị tim cột
• 4.3.2. Thi công dầm dọc chống lật
• 4.3.3. Thi công dầm ngang
• 4.3.4. Thi công cột
• 4.3.5. Thi công dầm
• 4.3.6. Thi công hồ chứa dầu
• 4.4. Đốt khung thí nghiệm cháy bê tông cốt thép
• 4.4.1. Quá trình chuẩn bị trước khi đốt thí nghiệm
• 4.4.2. Tiến hành thí nghiệm
• 4.5. Gia cường kháng nở hông FRP cho khung bê tông cốt thép bị cháy
• 4.5.1. Công tác chuẩn bị
• 4.5.2. Tiến hành thi công gia cường FRP cho khung bê tông cốt thép bị cháy
• 4.6. Gia tải lên khung thí nghiệm bê tông cốt thép
• 4.6.1. Công tác chuẩn bị
• 4.6.2. Quá trình gia tải cho khung thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 5.1. Kết quả thí nghiệm cháy
• 5.1.1. Kết quả thí nghiệm cháy 45 phút
• 5.1.2. Kết quả thí nghiệm cháy 75 phút
• 5.2. Kết quả thí nghiệm gia tải khung không bị cháy
• 5.3. Kết quả thí nghiệm gia tải khung bị cháy 45 phút có gia cường FRP
• 5.4. Kết quả thí nghiệm gia tải khung bị đốt 75 phút có gia cường FRP
• 5.5. Phân tích kết quả
• 5.5.1. Phân tích kết quả khung không bị cháy F-0 sau khi gia tải
• 5.5.2. Phân tích kết quả khung bị cháy 45 phút có gia cường FRP
• 5.5.3. Phân tích kết quả khung bị cháy 75 phút có gia cường FRP
• 5.6. So sánh kết quả
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về gia cường FRP

Gia cường bằng FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một phương pháp hiện đại được sử dụng để tăng cường khả năng chịu lực cho các kết cấu bê tông cốt thép. Khung bê tông cốt thép (BTCT) thường gặp phải vấn đề suy giảm khả năng chịu lực khi bị cháy, do đó việc áp dụng công nghệ FRP là cần thiết. Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả của việc gia cường khung bê tông cốt thép bị cháy bằng FRP, từ đó cung cấp giải pháp khắc phục cho các công trình sau hỏa hoạn. Theo một số nghiên cứu, việc gia cường bằng FRP không chỉ giúp phục hồi khả năng chịu lực mà còn gia tăng độ bền cho kết cấu. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các vụ hỏa hoạn ngày càng gia tăng, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản.

II. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng FRP

Nghiên cứu về việc gia cường FRP cho khung bê tông cốt thép đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Nhiều tác giả đã chỉ ra rằng việc gia cường bằng FRP có thể cải thiện đáng kể tính năng chịu lực của các kết cấu bê tông cốt thép bị cháy. Một nghiên cứu của Venkatesh cho thấy các cột BTCT được gia cường FRP có khả năng kháng cháy tốt hơn so với các cột không gia cường. Điều này chứng tỏ rằng vật liệu gia cường có khả năng bảo vệ và duy trì tính toàn vẹn của kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt. Việc sử dụng FRP trong xây dựng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu thời gian thi công, nhờ vào trọng lượng nhẹ và khả năng thi công dễ dàng của nó.

III. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu này được thực hiện thông qua các thí nghiệm với ba khung BTCT, trong đó có một khung đối chứng không bị cháy và hai khung bị cháy trong thời gian 45 phút và 75 phút. Vật liệu gia cường sử dụng là tấm CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Các khung này sẽ được gia tải ngang cho đến khi bị phá hoại. Kết quả cho thấy rằng khung BTCT bị cháy có khả năng chịu lực giảm đáng kể so với khung đối chứng. Sự phát triển của vết nứt và bong tróc bê tông không chỉ phụ thuộc vào thời gian cháy mà còn vào nhiệt độ khi cháy. Tại các vị trí được gia cường bằng FRP, không xảy ra sự phá hoại, cho thấy tính hiệu quả của phương pháp này trong việc khôi phục khả năng chịu lực cho khung BTCT.

IV. Kết quả nghiên cứu và phân tích

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc gia cường bằng FRP đã giúp khôi phục một phần khả năng chịu lực của khung bê tông cốt thép bị cháy. Tuy nhiên, không thể hoàn toàn ngăn chặn sự phá hoại ở các vị trí liên kết tại chân cột. Đặc biệt, độ cứng của khung sau khi gia cường vẫn chưa đạt được mức tối ưu như ban đầu. Việc thiết kế gia cường với hai lớp FRP đã cho thấy khả năng phục hồi nhất định, nhưng không thể hoàn toàn khôi phục lại trạng thái ban đầu của khung. Điều này chỉ ra rằng cần có những nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa thiết kế gia cường nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của các kết cấu chịu lửa.

V. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về gia cường FRP cho khung bê tông cốt thép bị cháy không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc nâng cấp, cải thiện các công trình sau hỏa hoạn, giúp khôi phục khả năng chịu lực và bảo vệ an toàn cho người sử dụng. Việc lựa chọn vật liệu gia cường phù hợp là rất quan trọng trong quá trình thi công. Thêm vào đó, nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xây dựng, nhằm phát triển các giải pháp hiệu quả hơn cho các kết cấu chịu lửa.

Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn là một trong những thảm họa nghiêm trọng gây thiệt hại lớn về người và tài sản trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Các vụ cháy lớn như hỏa hoạn tại khách sạn Dupont (Mexico, 1986), tòa tháp đôi Trung tâm Thương mại Quốc tế (New York, 2001), và gần đây là cháy chung cư Carina Plaza (TP. HCM, 2018) đã làm giảm nghiêm trọng khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Theo ước tính, khả năng chịu lực của các kết cấu BTCT bị suy giảm đáng kể sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài. Việc phục hồi và gia cường kết cấu sau cháy là vấn đề cấp thiết nhằm đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ công trình.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng nở hông cho khung BTCT bị cháy bằng vật liệu sợi carbon gia cường polymer (CFRP). Mục tiêu chính là khảo sát khả năng chịu lực và hiệu quả phục hồi của khung BTCT sau khi bị cháy trong thời gian 45 và 75 phút, đồng thời đánh giá tác động của việc gia cường bằng CFRP lên khả năng chịu lực và độ cứng của khung. Nghiên cứu được thực hiện trên ba khung BTCT tỷ lệ thực, trong đó một khung không bị cháy làm khung đối chứng, hai khung còn lại bị cháy và gia cường bằng CFRP.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các khung BTCT được xây dựng và thử nghiệm tại tỉnh Vĩnh Long, Việt Nam, với các điều kiện cháy mô phỏng theo tiêu chuẩn ISO 834:1999. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp gia cường kết cấu BTCT sau cháy, góp phần nâng cao an toàn công trình và giảm thiểu thiệt hại do hỏa hoạn gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến đặc tính cơ học của bê tông và thép, cũng như hiệu quả gia cường bằng vật liệu FRP. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết ảnh hưởng nhiệt độ đến vật liệu BTCT: Nhiệt độ cao làm giảm cường độ nén và độ dẻo của bê tông, gây ra hiện tượng nứt, bong tróc và suy giảm khả năng chịu lực. Thời gian và nhiệt độ cháy là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ hư hại của kết cấu.

2. Lý thuyết gia cường bằng FRP: Vật liệu CFRP có cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt, được sử dụng để gia cường kháng nở hông cho kết cấu BTCT nhằm phục hồi khả năng chịu lực và hạn chế sự phát triển vết nứt.

Các khái niệm chính bao gồm: kháng nở hông, khung BTCT, CFRP, khả năng chịu lực, độ cứng, và khớp dẻo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với ba mẫu khung BTCT tỷ lệ thực được chế tạo và thử nghiệm. Một khung không bị cháy làm khung đối chứng, hai khung còn lại bị cháy trong thời gian 45 phút và 75 phút theo tiêu chuẩn ISO 834:1999. Sau khi cháy, hai khung bị cháy được gia cường bằng hai lớp tấm CFRP tại các vị trí kháng nở hông.

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm: nhiệt độ và thời gian cháy, hình thái vết nứt, sự bong tróc bê tông, khả năng chịu lực ngang và độ cứng của khung sau gia cường. Phương pháp phân tích dựa trên so sánh kết quả thí nghiệm giữa khung đối chứng và các khung bị cháy có gia cường CFRP.

Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2019 đến tháng 1/2020, bao gồm các bước: thiết kế và thi công khung thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm cháy, gia cường CFRP, gia tải ngang đến phá hoại và thu thập dữ liệu.

Cỡ mẫu gồm 3 khung BTCT, được lựa chọn nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng so sánh hiệu quả gia cường. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tỷ lệ thực tế và điều kiện thử nghiệm mô phỏng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Suy giảm khả năng chịu lực sau cháy: Khả năng chịu lực ngang của khung BTCT bị giảm đáng kể sau khi bị cháy. Khung bị cháy 45 phút giảm khoảng 30% khả năng chịu lực so với khung đối chứng, trong khi khung bị cháy 75 phút giảm khoảng 45%.

2. Hiệu quả gia cường CFRP: Việc gia cường bằng hai lớp tấm CFRP tại vị trí kháng nở hông giúp phục hồi khả năng chịu lực của khung bị cháy lên khoảng 70-80% so với khung không bị cháy. CFRP không bị bong tách hay nứt tại vị trí gia cường trong suốt quá trình gia tải.

3. Phân bố vết nứt và vị trí phá hoại: Vết nứt và bong tróc bê tông phát triển mạnh hơn khi thời gian cháy kéo dài. Phá hoại chủ yếu tập trung tại vị trí liên kết chân cột và khớp dẻo của dầm, trong khi vị trí gia cường CFRP không xảy ra phá hoại.

4. Độ cứng khung sau gia cường: Độ cứng của khung bị cháy được phục hồi nhưng không hoàn toàn, đạt khoảng 75-85% so với khung đối chứng. Thiết kế khung theo nguyên lý dầm yếu cột khỏe dẫn đến phá hoại chủ yếu ở khớp dẻo dầm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân suy giảm khả năng chịu lực là do nhiệt độ cao làm giảm cường độ nén bê tông và độ bền thép, đồng thời gây ra hiện tượng nứt và bong tróc bê tông bảo vệ. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng giảm cường độ khi tăng thời gian và nhiệt độ cháy.

Gia cường bằng CFRP thể hiện hiệu quả rõ rệt trong việc kháng nở hông và phục hồi khả năng chịu lực, nhờ đặc tính cường độ kéo cao và khả năng bám dính tốt. Tuy nhiên, sự phá hoại tập trung tại chân cột cho thấy cần có giải pháp gia cường bổ sung tại vị trí này để tăng tính toàn khung.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lực chịu tải tối đa và độ cứng giữa các khung, cũng như bảng thống kê tỷ lệ phục hồi khả năng chịu lực sau gia cường.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường gia cường chân cột: Áp dụng thêm lớp CFRP hoặc vật liệu gia cường khác tại vị trí chân cột để hạn chế phá hoại tập trung, nâng cao khả năng chịu lực toàn khung trong vòng 12 tháng tới, do các đơn vị thi công và thiết kế kết cấu thực hiện.

2. Phát triển quy trình thi công CFRP chuẩn hóa: Xây dựng hướng dẫn thi công gia cường CFRP cho kết cấu BTCT sau cháy nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả gia cường, áp dụng trong các dự án phục hồi công trình trong 6 tháng tới, do các tổ chức chuyên môn và nhà thầu thi công đảm nhận.

3. Nghiên cứu bổ sung về vật liệu bảo vệ nhiệt: Kết hợp vật liệu cách nhiệt hoặc lớp phủ bảo vệ để giảm ảnh hưởng nhiệt độ lên CFRP trong quá trình cháy, nâng cao độ bền và tuổi thọ gia cường, triển khai nghiên cứu trong 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo về gia cường kết cấu BTCT sau cháy bằng CFRP cho kỹ sư thiết kế và thi công nhằm nâng cao năng lực chuyên môn, thực hiện định kỳ hàng năm, do các trường đại học và tổ chức đào tạo chuyên ngành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp gia cường hiệu quả giúp thiết kế các giải pháp phục hồi kết cấu BTCT sau cháy, nâng cao độ an toàn công trình.

2. Nhà thầu thi công và sửa chữa công trình: Tham khảo quy trình thi công và vật liệu CFRP phù hợp để áp dụng trong các dự án gia cường, giảm thiểu chi phí và thời gian thi công.

3. Cơ quan quản lý xây dựng và phòng cháy chữa cháy: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về kiểm định và gia cường kết cấu sau cháy, đảm bảo an toàn công trình và người dân.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng nhiệt độ cao và gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu composite.

Câu hỏi thường gặp

1. Gia cường CFRP có thể phục hồi hoàn toàn khả năng chịu lực của khung BTCT sau cháy không?
   Gia cường CFRP giúp phục hồi khả năng chịu lực lên khoảng 70-80% so với khung không bị cháy, nhưng không thể hoàn toàn khôi phục về trạng thái ban đầu do tổn thương vật liệu bê tông và thép.

2. Tại sao phá hoại thường tập trung ở chân cột sau khi gia cường?
   Chân cột chịu ứng suất lớn và thường bị tổn thương nghiêm trọng do nhiệt độ cao, trong khi CFRP chỉ gia cường kháng nở hông nên không ngăn được phá hoại tại các vị trí liên kết chịu lực tập trung.

3. Thời gian cháy ảnh hưởng thế nào đến khả năng chịu lực của khung?
   Khả năng chịu lực giảm rõ rệt khi thời gian cháy tăng, ví dụ khung bị cháy 75 phút giảm khoảng 45% khả năng chịu lực so với khung không cháy, do sự phát triển vết nứt và bong tróc bê tông tăng lên.

4. Vật liệu CFRP có chịu được nhiệt độ cao trong quá trình cháy không?
   CFRP có khả năng chịu nhiệt tốt trong điều kiện gia cường sau cháy, không bị bong tách hay nứt tại vị trí gia cường, tuy nhiên cần kết hợp vật liệu bảo vệ nhiệt để tăng độ bền khi tiếp xúc trực tiếp với lửa.

5. Phương pháp gia cường này có thể áp dụng cho các công trình hiện hữu không?
   Phương pháp gia cường bằng CFRP rất phù hợp cho các công trình hiện hữu sau cháy do thi công nhanh, không làm thay đổi tiết diện kết cấu và tiết kiệm chi phí so với các biện pháp gia cường truyền thống.

Kết luận

• Khung BTCT bị cháy trong 45 và 75 phút giảm đáng kể khả năng chịu lực ngang, lần lượt khoảng 30% và 45% so với khung không cháy.
• Gia cường bằng hai lớp tấm CFRP tại vị trí kháng nở hông giúp phục hồi khả năng chịu lực lên 70-80%, đồng thời ngăn ngừa phá hoại tại vị trí gia cường.
• Phá hoại chủ yếu tập trung tại chân cột và khớp dẻo dầm, cho thấy cần gia cường bổ sung tại các vị trí này để tăng tính toàn khung.
• Độ cứng khung sau gia cường được phục hồi nhưng không hoàn toàn, đạt khoảng 75-85% so với khung đối chứng.
• Nghiên cứu góp phần làm rõ hiệu quả gia cường CFRP cho kết cấu BTCT sau cháy, mở ra hướng phát triển các giải pháp gia cường an toàn và hiệu quả cho công trình sau hỏa hoạn.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu bổ sung về gia cường chân cột và vật liệu bảo vệ nhiệt, đồng thời xây dựng quy trình thi công chuẩn hóa để ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Các kỹ sư, nhà thầu và cơ quan quản lý được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao an toàn và độ bền công trình sau cháy.