Nghiên cứu ứng xử khung phẳng bê tông cốt thép bị hư hỏng và gia cố bằng tấm FRP

• Tác giả: Ngô Hữu Cảnh
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Hữu Cảnh
• Trường học: Đại Học Bách Khoa TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Khung Phẳng Bê Tông Cốt Thép Hư Hỏng Gia Cố Bằng Tấm FRP
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. DẠNG PHÁ HOẠI, CẤU TẠO HÌNH CỦA DẦM BÊ TÔNG CẮT THÉP (BTCT)
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT DÁN BẰNG VẬT LIỆU FRP
• 1.2.1. Tổng quan vật liệu CFRP
• 1.2.2. Kỹ thuật thi công
• 1.3. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ KHUNG BÊ TÔNG CẮT THÉP BẰNG TỜM CFRP. TÍNH TOÁN THEO TIÊU CHUẨN ACI 440
• 1.3.1. Ý nghĩa
• 1.3.2. Vật liệu bê tông
• 1.3.3. Cấu kiện
• 1.3.4. Vật liệu CFRP và keo dán tờm
• 1.3.5. Thông số mẫu thí nghiệm
• 1.3.6. Quy trình thí nghiệm
• 2. THÍ NGHIỆM VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ
• 2.1. Bố trí thí nghiệm và quy trình gia tải
• 2.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
• 2.2.1. Khung KA và KB (Nguyên bản)
• 2.2.2. Biến quan hệ giữa lực, bê tông, thép và chuyển vị của khung KA- TGC
• 2.2.3. Biến quan hệ giữa lực, bê tông, thép và chuyển vị của khung KB- TGC
• 2.3. KHUNG BTCT SAU KHI GIA TẢI XUẤT HIỆN VẾT NỨT
• 2.3.1. Vết nứt khung KA-TGC
• 2.3.2. Vết nứt khung KB-TGC
• 2.4. KHUNG BTCT SAU GIA CƯỜNG CFRP
• 2.4.1. VDX dán CFRP (KA-SGC)
• 2.4.2. VDX dán CFRP (KB-SGC)
• 2.5. BIỂU ĐỒ QUAN HỆ GIỮA LỰC, CẢM BIẾN BT, THÉP VÀ CHUYỂN VỊ
• 2.5.1. Khung KA-SGC
• 2.5.2. Khung KB-SGC
• 2.6. LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 3. TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Nghiên cứu ứng xử của khung phẳng bê tông cốt thép (BTCT) bị hư hỏng và gia cố bằng tấm FRP đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng. Khung BTCT thường phải chịu tải trọng lớn và các yếu tố tác động từ môi trường, dẫn đến tình trạng hư hỏng. Việc gia cố bằng tấm FRP là một giải pháp hiệu quả nhằm cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của khung. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát hành vi của khung phẳng BTCT khi chịu tải trọng dọc và ngang, đồng thời phân tích khả năng phục hồi của khung sau khi gia cố bằng tấm FRP.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát và phân tích ứng xử của khung bê tông trong điều kiện bị hư hỏng. Nghiên cứu sẽ thực hiện các thí nghiệm để đánh giá khả năng chịu tải của khung trước và sau khi gia cố bằng tấm FRP. Thông qua đó, nghiên cứu sẽ cung cấp những hiểu biết về hiệu quả của công nghệ gia cố này và đề xuất các giải pháp cải thiện độ bền cho các công trình xây dựng.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thực hiện các thí nghiệm trên mẫu khung BTCT với các điều kiện tải trọng khác nhau. Mẫu khung sẽ được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 440 và tiến hành gia cố bằng tấm CFRP. Các thí nghiệm sẽ được tiến hành để đo đạc tính năng cơ học của khung, bao gồm khả năng chịu tải, độ biến dạng và hình thái của các vết nứt. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả của việc gia cố bằng tấm FRP.

2.1 Quy trình thực hiện thí nghiệm

Quy trình thực hiện thí nghiệm bao gồm các bước chuẩn bị mẫu, áp dụng tải trọng và ghi nhận các thông số cần thiết. Mẫu khung sẽ được đặt trong một thiết bị thí nghiệm chuyên dụng, nơi tải trọng sẽ được áp dụng từ từ cho đến khi khung bị phá hỏng. Sau đó, mẫu sẽ được gia cố bằng tấm CFRP và tiếp tục thí nghiệm để so sánh với mẫu ban đầu. Các kết quả thu được sẽ được phân tích và đánh giá để đưa ra kết luận về hiệu quả của phương pháp gia cố này.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khung BTCT sau khi được gia cố bằng tấm CFRP có khả năng phục hồi và cải thiện đáng kể về khả năng chịu tải. Các vết nứt trên khung được giảm thiểu và độ bền của khung tăng lên rõ rệt. Phân tích số liệu cho thấy rằng việc sử dụng tấm FRP không chỉ giúp khôi phục khả năng chịu lực mà còn làm tăng độ ổn định cho cấu trúc. Kết quả này khẳng định giá trị thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ gia cố bằng tấm FRP trong các công trình xây dựng.

3.1 Đánh giá hiệu quả gia cố

Đánh giá hiệu quả gia cố cho thấy rằng tấm CFRP có khả năng chịu kéo cao và khả năng bám dính tốt với bề mặt bê tông. Điều này giúp tăng cường khả năng chịu lực cho khung BTCT, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp khi cấu trúc bị tổn thương. Việc sử dụng tấm FRP trong gia cố không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn tiết kiệm chi phí và thời gian thi công.

IV. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng tấm FRP trong gia cố khung phẳng BTCT mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện khả năng chịu lực và phục hồi cấu trúc. Kết quả thí nghiệm đã chứng minh rằng khung BTCT có thể phục hồi gần như hoàn toàn sau khi được gia cố, mở ra hướng đi mới cho việc bảo trì và nâng cấp các công trình xây dựng. Những phát hiện này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn quan trọng trong ngành xây dựng.

4.1 Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các loại vật liệu FRP khác nhau và các phương pháp gia cố kết hợp để tối ưu hóa khả năng chịu lực cho các cấu trúc phức tạp. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng cần mở rộng ra các loại hình công trình khác nhau để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của công nghệ này trong thực tế.

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng, bê tông cốt thép (BTCT) là vật liệu chủ đạo được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Theo ước tính, các công trình BTCT chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số công trình xây dựng tại Việt Nam, đặc biệt tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, các kết cấu BTCT chịu tác động của tải trọng và môi trường dẫn đến hiện tượng phá hoại, giảm khả năng chịu lực, đặc biệt là tại các nút liên kết và khung phẳng. Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp gia cường, sửa chữa nhằm nâng cao tuổi thọ và khả năng chịu lực của kết cấu BTCT là rất cần thiết.

Luận văn này tập trung khảo sát thực nghiệm ứng xử của khung phẳng BTCT chịu tải trọng dọc và ngang đến khi phá hủy hoàn toàn, sau đó tiến hành gia cường bằng tấm sợi carbon CFRP kết hợp với keo Epoxy để phục hồi khả năng chịu lực. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường CFRP trong việc phục hồi và nâng cao khả năng chịu lực của khung BTCT sau phá hủy, đồng thời phân tích các đặc tính như quan hệ tải trọng - biến dạng, hình thái và sự phát triển vết nứt, khả năng hấp thụ năng lượng của khung.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng kỹ thuật gia cường CFRP cho các công trình BTCT hiện hữu, góp phần nâng cao độ bền, an toàn và tuổi thọ công trình, đồng thời giảm thiểu chi phí sửa chữa và bảo trì.

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 bê tông cốt thép và lý thuyết vật liệu composite CFRP.

1. Lý thuyết kết cấu bê tông cốt thép (BTCT): BTCT là vật liệu composite gồm bê tông chịu nén và thép chịu kéo, được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-08 nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu. Các khái niệm chính bao gồm: tải trọng dọc và ngang, mô hình ứng xử phi tuyến của bê tông và thép, sự hình thành và phát triển vết nứt, cũng như khả năng hấp thụ năng lượng của khung.

2. Lý thuyết vật liệu CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer): CFRP là vật liệu composite có tính năng chịu kéo cao, độ bền lớn và khả năng chống ăn mòn tốt. Các khái niệm quan trọng gồm: tính chất cơ học của tấm CFRP (độ dày, mô đun đàn hồi, cường độ kéo), cơ chế liên kết giữa CFRP và bê tông qua keo Epoxy, hiện tượng bong tách tấm CFRP và ảnh hưởng của các vết nứt trên hiệu quả gia cường.

Các mô hình nghiên cứu tập trung vào phân tích ứng xử của khung BTCT trước và sau khi gia cường CFRP, bao gồm mô hình tải trọng - biến dạng, sự phát triển vết nứt và phân bố ứng suất trong khung.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hai khung phẳng BTCT kích thước tiêu chuẩn, được gia tải dọc và ngang đến khi phá hủy. Sau đó, khung bị hư hỏng được phục hồi bằng keo Epoxy và gia cường bằng tấm CFRP dán tại các nút liên kết.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Đo đạc tải trọng, biến dạng, chuyển vị và quan sát hình thái vết nứt trong quá trình gia tải.
• Sử dụng cảm biến biến dạng gắn trên thép và bê tông để thu thập dữ liệu ứng suất.
• So sánh hiệu quả chịu lực và khả năng hấp thụ năng lượng của khung trước và sau gia cường.
• Phân tích số liệu bằng phương pháp thống kê và mô hình hóa phi tuyến.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2019, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị mẫu, tiến hành thí nghiệm, xử lý số liệu và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng chịu lực của khung BTCT trước gia cường: Khung nguyên bản chịu được tải trọng lớn nhất khoảng 320 kN với chuyển vị lớn nhất 46 mm trước khi xuất hiện phá hoại. Vết nứt chủ yếu xuất hiện tại các nút liên kết giữa dầm và cột, với hình thái nứt xiên và nứt ngang phát triển rõ rệt.

2. Hiệu quả phục hồi sau gia cường CFRP: Sau khi phục hồi bằng keo Epoxy và gia cường CFRP, khung có khả năng chịu lực gần như phục hồi hoàn toàn, đạt khoảng 95% tải trọng tối đa ban đầu. Khả năng hấp thụ năng lượng tăng lên khoảng 20%, cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền và độ dẻo dai.

3. Sự phát triển và hình thái vết nứt: Vết nứt sau gia cường có xu hướng giảm về độ rộng và mật độ, đồng thời tấm CFRP giúp hạn chế sự lan rộng của vết nứt mới. Quan sát qua cảm biến biến dạng cho thấy ứng suất trong thép và bê tông được phân bố đều hơn, giảm tập trung ứng suất tại các nút.

4. So sánh ứng xử tải trọng - biến dạng: Biểu đồ tải trọng - chuyển vị cho thấy khung gia cường có độ cứng lớn hơn khoảng 15% so với khung nguyên bản, đồng thời duy trì khả năng chịu tải trong giai đoạn biến dạng lớn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện khả năng chịu lực và độ bền sau gia cường là do tấm CFRP có mô đun đàn hồi cao và cường độ kéo lớn, giúp truyền tải lực hiệu quả qua các nút liên kết bị hư hỏng. Keo Epoxy đóng vai trò quan trọng trong việc phục hồi liên kết giữa các vết nứt, tạo điều kiện cho CFRP phát huy tối đa hiệu quả gia cường.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào gia cường các thành phần riêng lẻ như dầm, cột, hoặc liên kết dầm-cột, nghiên cứu này mở rộng phạm vi ở cấp độ khung phẳng, cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về ứng xử kết cấu sau gia cường. Kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của CFRP trong sửa chữa kết cấu BTCT, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm về khả năng phục hồi tải trọng và sự phát triển vết nứt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tải trọng - chuyển vị, biểu đồ ứng suất biến dạng của thép và bê tông, cùng bảng tổng hợp các chỉ số cơ học trước và sau gia cường để minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng kỹ thuật gia cường CFRP cho các công trình BTCT hiện hữu: Khuyến nghị các chủ đầu tư và đơn vị thi công sử dụng tấm CFRP kết hợp keo Epoxy để sửa chữa và nâng cấp các khung BTCT bị hư hỏng, đặc biệt tại các nút liên kết chịu tải trọng lớn, nhằm tăng tuổi thọ và đảm bảo an toàn công trình trong vòng 1-2 năm tới.

2. Xây dựng quy trình chuẩn thi công và kiểm tra chất lượng: Đề xuất phát triển quy trình thi công dán tấm CFRP chuẩn, bao gồm công tác chuẩn bị bề mặt, dán tấm và neo giữ, kiểm tra độ bám dính, nhằm đảm bảo hiệu quả gia cường tối ưu. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thi công chuyên nghiệp và cơ quan quản lý xây dựng trong 6 tháng đầu năm.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật gia cường CFRP cho kỹ sư thiết kế, giám sát và thi công để nâng cao nhận thức và kỹ năng thực hiện, đảm bảo áp dụng đúng kỹ thuật và an toàn. Thời gian thực hiện trong 1 năm.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng và phát triển vật liệu mới: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu CFRP và keo Epoxy, cũng như mở rộng khảo sát ứng xử kết cấu ở các dạng khung phức tạp hơn, nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình ứng xử khung BTCT gia cường CFRP, giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp gia cường phù hợp, tối ưu hóa kết cấu và đảm bảo an toàn.

2. Đơn vị thi công và sửa chữa công trình: Các nhà thầu thi công có thể áp dụng quy trình gia cường CFRP được nghiên cứu để nâng cao chất lượng sửa chữa, giảm thời gian thi công và chi phí bảo trì.

3. Cơ quan quản lý xây dựng và kiểm định: Thông tin về hiệu quả gia cường và các chỉ tiêu kỹ thuật giúp cơ quan quản lý xây dựng xây dựng tiêu chuẩn, quy định và hướng dẫn kiểm định chất lượng công trình sau sửa chữa.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu composite, kỹ thuật gia cường và phân tích kết cấu BTCT, đồng thời hỗ trợ đào tạo chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Gia cường CFRP có thể áp dụng cho những loại kết cấu BTCT nào?
   Gia cường CFRP phù hợp với nhiều loại kết cấu BTCT như dầm, cột, sàn, khung phẳng, đặc biệt hiệu quả tại các vị trí liên kết chịu tải trọng lớn hoặc bị hư hỏng do nứt. Ví dụ, trong nghiên cứu này, khung phẳng một nhịp được gia cường thành công.

2. Tấm CFRP có độ bền và tuổi thọ như thế nào khi sử dụng ngoài trời?
   Tấm CFRP có khả năng chống ăn mòn và chịu được tác động môi trường tốt, tuổi thọ có thể lên đến hàng chục năm nếu được thi công đúng kỹ thuật và bảo dưỡng định kỳ. Keo Epoxy cũng góp phần bảo vệ liên kết bền vững.

3. Quy trình thi công gia cường CFRP gồm những bước chính nào?
   Quy trình gồm chuẩn bị bề mặt bê tông (mài phẳng, làm sạch), trám vá vết nứt bằng keo Epoxy, dán tấm CFRP theo lớp, neo giữ tấm và phủ lớp bảo vệ. Mỗi bước cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ bám dính và hiệu quả gia cường.

4. Chi phí gia cường CFRP so với phương pháp truyền thống như thế nào?
   Mặc dù chi phí vật liệu CFRP và keo Epoxy cao hơn vật liệu truyền thống, nhưng thời gian thi công nhanh, giảm chi phí nhân công và hạn chế gián đoạn công trình giúp tổng chi phí hiệu quả hơn trong dài hạn.

5. Có những hạn chế nào khi sử dụng CFRP để gia cường kết cấu BTCT?
   Hạn chế bao gồm yêu cầu kỹ thuật thi công cao, cần chuẩn bị bề mặt kỹ lưỡng, khả năng chịu nhiệt hạn chế và hiện tượng bong tách tấm CFRP nếu không thi công đúng quy trình. Do đó, cần đào tạo kỹ thuật viên và giám sát chặt chẽ.

Kết luận

• Nghiên cứu đã khảo sát thực nghiệm ứng xử của khung phẳng BTCT chịu tải trọng dọc và ngang đến phá hủy, sau đó gia cường bằng tấm CFRP và keo Epoxy.
• Kết quả cho thấy khung sau gia cường phục hồi gần như hoàn toàn khả năng chịu lực, tăng khả năng hấp thụ năng lượng và giảm phát triển vết nứt.
• Phương pháp gia cường CFRP là giải pháp hiệu quả, kinh tế và thi công nhanh cho các công trình BTCT hiện hữu.
• Luận văn góp phần bổ sung dữ liệu thực nghiệm cấp độ khung phẳng, mở rộng phạm vi nghiên cứu so với các công trình trước đây.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng, đào tạo và nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng kỹ thuật gia cường CFRP trong xây dựng.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thi công và quản lý công trình nên áp dụng quy trình gia cường CFRP đã được nghiên cứu, đồng thời phối hợp với các viện nghiên cứu để phát triển kỹ thuật và vật liệu mới.