CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1.1 Giới thiệu Các công trình bêtông cốt thép thường được thiết kế để phục vụ ôn định trong thời gian dài hàng chục và thậm chí hàng trăm năm. Tuy nhiên, trong quá trình phục vụ, điều kiện sử dụng có thé thay đối dẫn đến việc suy giảm kha năng chịu lực của kết cầu dưới tác dụng của tải trọng. Khi đó, công trình không còn đảm bảo khả năng làm việc tốt như thiết kế ban dau và có thé bi phá hoại. Ngày nay, ở Việt Nam, van dé này thường hay gặp phải và rất tốn kém nếu như những công trình đó được thay mới hoàn toàn.
Từ thực tế như vậy, các kỹ sư thay can thiết phải có phương pháp sửa chữa giúp cho cau kiện phục hồi cũng như nâng cao sức chịu tải để thoả mãn điều kiện khai thác mà không can phá bỏ đi kết cau công trình hiện hữu, sao cho với sự gia cường nhỏ nhất có thê nhưng vân đảm bảo được công trình có hiệu quả làm việc cao nhât. Trong nhiều thập kỷ qua, lĩnh vực sửa chữa và phục hôi công trình xây dựng ngày càng phát triển nhanh chóng trên thế giới. Hiện nay, nhiều phương pháp cải thiện khả năng chịu lực cho các cau kiện xây dựng đã và đang được áp dụng rộng rãi, nhiều loại vật liệu lẫn kỹ thuật mới đã xuất hiện với chủng loại rất đa dạng và phong phú. Một trong những kỹ thuật mới hiện nay mà ở Việt Nam vẫn chưa được ứng dụng pho biến là sử dụng vật liệu composite nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu kiện bêtông cốt thép (BTCT).
Vật liệu composite là loại vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau nhằm tao ra loại vật liệu mới có tính năng tốt hơn các loại vật liệu ban đầu. Hiện tại, người ta đã đưa vào ứng dụng các loại vật liệu composite FRP (Fiber Reinforced Polymer) là các vật liệu tong hop có gia cường lưới sợi ( các loại sợi carbon hay thủy tinh,.) trên nên polymer. Các sản phẩm composite FRP này có những tính năng vượt trội hơn so với các vật liệu kim loại truyền thong nên đã được ứng dụng trong nhiễu ngành công nghiệp khác nhau. Hơn hai thập niên trước đây, các sản phẩm FRP này được chế tạo và ứng dụng lần đầu trong ngành công nghiệp hàng không vì nó HVTH: Cao Nguyên Thi MSHV: 11190727 Trang 12 có khả năng chịu lực cao nhưng lại làm giảm khối lượng máy bay (Hình 1.
Ké từ đó, cá sản phâm FRP xuât hiện rộng rãi và phô biên hon ở các lĩnh vực khác như là san Hình 1.1: Soi carbon được ung dụng trong việc chế tạo máy bay.2: Mui xe BMW M6 làm bằng vat hiệu composite soi carbon. Trong lĩnh vực xây dung, loại vat liệu nay cũng được sử dụng với một số ưu điểm: tăng cường khả năng chịu uốn, chống cat của dầm, sàn hay nâng cao khả năng chịu nén của cột lẫn khả năng chịu tải trọng động của các cầu kiện xây dựng khác nhau. Ngoài ra, việc thi công loại vật liệu nay cũng dé dàng, không làm thay đổi hình dạng ban đầu của kết cầu và nó còn thé hiện được khả năng chống ăn mòn tốt. Hai loại FRP thường dùng là composite sợi thủy tinh GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) va composite sợi carbon CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) dưới dang tam vai dét (lưới sợi) như trên hình 1.5, dạng thanh cứng gia cường hoặc dùng thay thế cốt thép (hình 1.
HVTH: Cao Nguyên Thi MSHV: 11190727 Hình 1.3: Soi thuy tinh (trái) va sợi carbon (phai) (b) Hình 1.5: Sw dụng CFRP dé gia cường kết cầu sàn (a), dam (b), cột (c) HVTH: Cao Nguyén Thi MSHV: 11190727 Trang l4 Tóm lại, vật liệu composite FRP mang lại lợi ích cao bởi những tính năng ưu viét của nó so với các vật liệu kim loại truyền thống khi được sử dụng trong lĩnh vực phục hồi hay sửa chữa công trình. Nhờ vậy mà vật liệu FRP rất thích hợp để ứng dụng vào ngành xây dựng nước ta, hiện đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy nhiên, ứng dụng của loại vật liệu này trong nước vẫn còn hạn chế, số lượng công trình có sử dụng FRP để sửa chữa chưa nhiều, hơn nữa, các nghiên cứu khoa học về việc ứng dụng FRP tại Việt Nam cũng rất ít. Do đó, rất cần thiết có thêm nhiều nghiên cứu về việc áp dụng FRP cho các cau kiện xây dựng nhằm góp phan hiểu rõ cũng như đưa ra được các giải pháp thi công phù hợp khi sử dụng loại vật liệu này trong ngành xây dựng nước ta hiện nay.
Chính vì những lý do trên mà đề tài nghiên cứu này mong muốn được đóng góp một số kết quả hữu ích cho công tác sữa chữa công trình trong nước. Phạm vi của dé tài sẽ tập trung vào việc dùng tam vải dệt CFRP quấn hay bó xung quanh thân các cau kiện cột bêtông như là một kỹ thuật gia cường hiệu quả. Thông qua việc hạn chế nở hông, ứng suất gây ra bién dạng bên sẽ được hạn chế bởi lớp vật liệu CFRP gia cường bên ngoài, làm chậm sự phá hoại của bêtông và từ đó sẽ tăng cường giới hạn chịu nén của bêtông. Một số nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả gia cường của FRP phụ thuộc vào dạng hình học của tiết diện cột, số lớp lưới FRP gia cường và cường độ chịu nén của bêtông.
Tuy nhiên, ảnh hưởng của yếu tô vùng diện tích gia cường hiệu quả cũng như cách thức bố trí lưới FRP xung quanh thân cột chưa được đề cập đến trong các báo cáo trước đây. Do đó, mục tiêu của dé tài là khảo sát về yếu tố ảnh hưởng này bên cạnh việc mở rộng hơn các kêt quả nghiên cứu hiện hữu.2 Các nghiên cứu trong nước trước đây Viện Thủy Công [1] đã nghiên cứu về tác dụng gia cường của tam composite FRP qua việc phân tích ứng xử chịu tải của dầm bêtông cốt thép chịu uốn với sự tham gia của vật liệu gia cường composite với các mức độ gia cường khác nhau được mô tả như HVTH: Cao Nguyên Thi MSHV: 11190727 ITrangl5 ở hình 1. Các tham số ảnh hưởng xét đến là mức độ gia cường (thể hiện qua số lớp sợi composite FRP gia cường) và cường độ bêtông. $ 6: We 120/200 P ppi BDI Š 2614 ® 6: 120/200 - AE 2014 N Ẩ < `.
10002614 3 i? ISOx 14 : X24 14 Ỉ a / 3000 \ k Mat cat ngang ae ee : BD 3,45 CVI BD 2 Hình 1.6: Mô tả thí nghiệm chịu tai của dam BTCT được gia cường bằng tam FRP [1] Kết quả thu được trên sáu mẫu dầm với các mức độ gia cường khác nhau (0,1,2.4,5 lớp FRP) cho thay giá tri lực chiu tai giới han tang tương ứng với mức độ gia cường, sự có mặt của lớp gia cường làm phân bố lại nội lực trong dầm và làm tăng chiều cao vùng chịu nén của cầu kiện. Trạng thái phá hoại của dầm thay đối so với thông thường, vị trí phá hoại dịch chuyển về phía đầu dầm nơi mà lực cắt đủ lớn. Trong trường hợp này, sức chiu tải cua dầm được quyết định bởi sức chịu uốn cắt đồng thời và nói chung là nhỏ hơn sức chịu tải do uốn thuần túy [1]. Bên cạnh nghiên cứu của viện thủy công, tác giả Ngô Quang Tường (Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM) cũng đưa ra lý thuyết thực hiện các bước thi công và tính toán thiết kế khả năng chịu lực của dầm bêtông cốt thép gia có bằng FRP [15].
Có thé nói tác dụng gia cường của các sản phẩm FRP ở Việt Nam chưa được nghiên cứu nhiều, hiện chỉ dừng lại ở một số thí nghiệm trên dầm BTCT và chưa có các khảo sát khi áp dụng cho các câu kiện cột. HVTH: Cao Nguyên Thi MSHV: 11190727 Trang l6 1.3 Các nghiên cứu ngoài nước trước đây Trong hon hai thập kỷ nay, sản phẩm FRP đã được nhiều nước tiên tiến trên thé giới nghiên cứu va sử dụng cho công tác sửa chữa, gia cỗ công trình. Trong đó, nhiều công trình nghiên cứu và khảo sát việc sử dụng CFRP dé gia cố, sửa chữa các cau kiện cột BTCT thông qua các thí nghiệm bó cột bêtông băng vật liệu composite sợi thủy tinh (GFRP) hoặc composite sợi carbon (CFRP). Các nghiên cứu điển hình cần phải dé cập đến là của các tác giả như: Riad Benzaid, Lam va Teng, Wu va Wang, R.
Và một sô tác gia khác. Dựa trên việc phân tích các kết quả thí nghiệm về sức chịu tải và biến dạng của các mẫu cột bêtông tiết diện 100x100x300 mm được gia cường bang GFRP khi chịu nén đọc trục, Riad Benzaid [2,3] nhận thấy: + Số lớp gia cường và bán kính ở góc của tiết diệt cột là các tham số chính ảnh hưởng đến ứng xử của các mẫu thử khi chịu tải. Hiệu quả gia cường được nâng cao ứng với sự gia tăng giá trị của các tham số này. Cụ thể, mức độ gia tăng tải trọng lớn nhất đạt được ứng với các mẫu cột được quan hai lớp lưới GFRP và các góc bo 0,8, 16 mm lần lượt là 6%, 20% và 36%.
Trong khi đó, các mẫu cột được quan một lớp GFRP và các góc bo tương tự thì giá trị nhận được thấp hơn, chỉ đạt 2%, 9% và 16% (Hình 1. Bên cạnh đó, khi số lớp CFRP tăng thì biến dạng tới hạn dọc trục cũng tăng mạnh. Mức độ gia tăng này là 316% đối với mẫu S1R3 và 532% đối với mẫu S2R3. Qua kết qua này, Riad Benzaid kết luận rang một bán kính lớn ở góc của tiết diện cột sẽ mang lại hiệu quả cao do hạn chế được hiện tượng tập trung ứng suất Ở các góc cột.
HVTH: Cao Nguyên Thi MSHV: 11190727 Trang |7 Bảng 1.1: Một số kết quả thu được sau thí nghiệm của Riad Benzaid [2.3] Mau SORI SIRI S2RI SIR2 S2R2 SIR3 S2R3 Loc/feo 1.: cường độ chịu nén lớn nhất của mẫu gia cường f¿„: cường độ chịu nén lớn nhất của mẫu chưa gia cường Eno: biễn dang dọc trục ứng với giá tri Ứng suất lớn nhất của mẫu gia cường Eco: biến dạng dọc trục ứng với giá trỊ ứng suất lớn nhất của mẫu chưa gia cường SO, S1, S2: các mẫu dán 0, 1,2 lớp GFRP RI, R2, R3: các góc bo: 0, 8, 16 mm.7: Các mẫu thí nghiệm của Riad Benzaid [2,3] HVTH: Cao Nguyên Thi MSHV: 11190727 ——#— R1 =OÔrmam G%ain ~—©—R2=£mm ——- R3 = 16 mm Number of layers TM xử Số lớp GFRP (Number of layers); Mức độ gia tăng cường độ chịu nén (Gain) Hình 1.