CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Hiện nay, bên cạnh nhiều công trình được đầu tư xây dựng mới, nhu cầu cần nâng cấp những công trình hiện hữu nhằm giảm thiểu chi phí nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu về khả năng chịu lực, tính bền vững và công năng sử dụng cũng là vấn đề rất được quan tâm. Trong những năm gần đây, giải pháp sử dụng vật liệu FRP thay thế cho vật liệu truyền thống (thép, bê tông) trong việc gia cường và sửa chữa kết cấu công trình đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tiễn ở nhiều nước và cả Việt Nam. Tuy nhiên, số lượng công trình sử dụng kỹ thuật gia cường này hiện vẫn còn chiếm tỷ lệ rất khiêm tốn. Nguyên nhân chính được nhìn nhận là do hiểu biết về ứng xử vật liệu FRP cũng như kết cấu gia cường vật liệu FRP còn nhiều hạn chế.
Ngoài ra, chất lượng vật liệu FRP còn phụ thuộc nhiều vào công nghệ sản xuất và một phần là do giá thành. Mặc dù vậy, với những đặc tính nổi bật như có khối lượng riêng nhẹ, cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn, không bị nhiễm từ, thi công đơn giản, và khả năng tự nội soi nhờ vào các cảm biến sợi quang được lồng ghép vào bên trong như một dạng cốt chịu lực thông minh, đang nổi lên như một giải pháp gia cường hiệu quả bên cạnh các kỹ thuật truyền thống. Những nghiên cứu về phương pháp kháng cắt của dầm BTCT thông thường hiện nay dựa trên nguyên lý cộng tác dụng của các thành phần tham gia kháng cắt, đó là: (1) Thành phần kháng cắt của bê tông (Vb); (2) Thành phần kháng cắt của thép đai (Vs); và (3) Hiệu ứng chốt chặn hay thành phần tham gia kháng cắt của thép dọc (Vd). Các nghiên cứu hiện nay (Ritter, 1889; Collins, 1978; Schlaich và cộng sự, 1987; ACI 318, 2008; Eurocode 2, 2004) chủ yếu đi sâu phân tích 2 thành phần kháng cắt đầu tiên.
Do sự phức tạp khi xét ảnh hưởng của nhiều yếu tố hoặc/và thiên về an toàn, nên hiệu ứng chốt chặn phần lớn được bỏ qua trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT như ACI 318 (2008) và Eurocode 2 (2004). Tuy vậy, những nghiên cứu thực nghiệm trên dầm BTCT bởi Ashour (1997), Kono và Tanaka (2001) cho thấy hiệu ứng chốt chặn có đóng góp đáng kể vào tổng khả năng kháng cắt của dầm. Theo một số nghiên cứu (Kim và Park, 1996), sự đóng góp của hiệu ứng chốt chặn chiếm khoảng 15% đến 25%. Vì vậy, việc bỏ qua hiệu ứng chốt chặn 2 có thể dẫn đến kết quả tính quá thiên về an toàn và không đảm bảo tính kinh tế.
Thực tế này cho thấy, rất cần có thêm những nghiên cứu về ảnh hưởng hiệu ứng chốt chặn đến khả năng kháng cắt của dầm, nhằm giúp cho việc dự đoán khả năng kháng cắt của dầm được chính xác hơn. Hiện nay, một số phương pháp xác định khả năng kháng cắt bởi hiệu ứng chốt chặn đã được giới thiệu như phương pháp bán thực nghiệm của Dulacska (1972) , phương pháp bán thực nghiệm của CEB FIP Model Code (2010) và phương pháp bán giải tích dùng mô hình dầm trên nền đàn hồi của El-Ariss (2007). Công thức của Dulacska (1972) và CEB FIP Model Code (2010) có xét đến các yếu tố tiết diện và ứng suất kéo trong thép dọc, cường độ bê tông, yêu cầu độ dày của lớp bê tông bảo vệ. Phương pháp của El-Ariss (2007) có xét thêm bề rộng vết nứt ngoài các yếu tố đã nêu.
Các phương pháp trên chưa xét đến ảnh hưởng của cốt đai đến mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng chốt chặn. Đối với dầm BTCT gia cường tấm FRP, ảnh hưởng của tấm FRP gia cường đến hiệu ứng chốt chặn cũng chưa được xét đến. Thực tế, cốt đai và tấm FRP gia cường làm gia tăng cường độ kéo chẻ (splitting tensile strength) của bê tông, và cường độ này được biết là ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng chốt chặn của cốt dọc. Ngoài ra, ảnh hưởng của sự tương tác giữa cốt đai và tấm FRP gia cường đến hiệu ứng chốt chặn ra sao vẫn còn chưa được làm rõ.
Đề tài khảo sát và phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng chốt chặn và sự đóng góp của nó đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm GFRP theo dạng U. Để đạt được mục tiêu trên, một chương trình thực nghiệm dựa trên 12 mẫu dầm cỡ lớn với kích thước tiết diện khác nhau chịu tác dụng của lực cắt và 6 mẫu được thiết kế để thí nghiệm cắt trực tiếp được thực hiện. Trong đó, các tham số được khảo sát bao gồm hàm lượng tấm FRP gia cường, hàm lượng cốt dọc, và sự thay đổi của yếu tố tỷ lệ mô hình. Ngoài ra, dựa trên các nghiên cứu đã có liên quan đến việc dự đoán khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP, đề tài tiến hành xác định một cách định lượng sự đóng góp của hiệu ứng chốt chặn vào khả năng kháng cắt của dầm.
3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan về vật liệu FRP 2.1 Cấu tạo vật liệu FRP Vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymers - Nhựa polymer gia cường sợi) là vật liệu dạng composite, có cấu tạo từ 2 thành phần chính là chất kết dính và sợi. Chất kết dính gồm nhựa Epoxy, nhựa Vinyl esters và nhựa Polyesters. Kiểu sợi gồm sợi thủy tinh (G), sợi Carbon (C) và sợi Aramid (A). Tùy từng kiểu sợi gia cường mà có các loại vật liệu FRP tương ứng như GFRP, CFRP và AFRP.
Trong gia cố và sửa chữa kết cấu xây dựng, vật liệu FRP dạng tấm, dạng vải và dạng thanh được sử dụng phổ biến nhất.1: Một số hình dạng vật liệu FRP 2.2 Tính chất cơ lý của vật liệu FRP Vật liệu FRP có ứng xử đàn hồi, không có giai đoạn chảy dẻo trước khi bị phá hủy. Cường độ chịu kéo và độ dẻo dai của vật liệu FRP phụ thuộc chủ yếu vào kiểu sợi, hướng sợi và chất lượng sợi. Tính chất cơ lý của vật liệu FRP được thể hiện trong Bảng 2.1: Tính chất cơ lý vật liệu FRP (ACI 440.2R-08) Vật liệu TT Tính chất cơ lý GFRP CFRP AFRP 3 1 Khối lượng riêng (T/m ) 1,2 - 2,1 1,5 - 1,6 1,2 - 1,5 2 Hệ số giãn nở do nhiệt 2.2 Chiều ngang (×10-6/ 0C) 19 -23 22 - 50 60 - 80 3 Tính chất cơ học 4 Vật liệu TT Tính chất cơ lý GFRP CFRP AFRP 3.1 Mô đun đàn hồi (GPa) 20 - 40 100 - 140 48 - 68 3.3 Biến dạng cực hạn (%) 1,5 - 3,0 1,0 - 1,5 2,0 - 3,0 2.3 Ưu điểm và nhược điểm của vật liệu FRP a. Ưu điểm Về tính chất cơ lý, vật liệu FRP có cường độ chịu kéo theo hướng sợi cao và khối lượng nhẹ so với vật liệu truyền thống, có khả năng chống ăn mòn khi tiếp xúc với môi trường bên ngoài, độ bền mỏi cao, không ảnh hưởng từ tính, tính dẫn điện và dẫn nhiệt thấp.
Về phương diện thi công, vật liệu FRP có khả năng thi công trong điều kiện hạn chế về mặt bằng, thi công nhanh chóng, không đòi hỏi nhiều nhân công và máy móc phức tạp, ít làm gián đoạn đến hoạt động công trình, không làm thay đổi đáng kể kích thước, hình dáng và công năng sử dụng của công trình. Nhược điểm Vật liệu FRP không có giai đoạn chảy dẻo trước khi bị phá hủy, mô-đun đàn hồi thấp, hệ số giãn nở vì nhiệt theo phương vuông góc với sợi cao, có thể bị ảnh hưởng do tiếp xúc bức xạ mặt trời.4 Ứng dụng tấm FRP trong gia cố và sửa chữa công trình Trong gia cố và sửa chữa công trình, tấm FRP được sử dụng dán trên bề mặt của dầm, sàn, tường và cột để tăng cường khả năng chịu uốn, chịu cắt, chống nở hông (confinement effect) của cấu kiện.5 Phương pháp thi công tấm FRP gia cường Tấm FRP gia cường thông thường được thi công theo phương pháp dán khô (tấm FRP chế tạo định hình tại nhà máy) và phương pháp thi công dán ướt (vải FRP chưa tẩm nhựa), các bước thi công chính như sau: Bước 1: Chuẩn bị bề mặt bê tông: Vệ sinh, sửa chữa bề mặt bê tông thật cẩn thận, vị trí xuất hiện nứt phải bơm nhựa epoxy phủ kín. Bước 2: Sơn lót kết cấu cần gia cố. 5 Bước 3: Phủ bột trét làm phẳng bề mặt.
Bước 4: Phủ lớp keo dán. Bước 5: Tẩm nhựa vào tấm vải FRP đến khi bão hòa (đối với phương pháp dán ướt). Bước 6: Dán tấm FRP đã được tẩm nhựa lên bề mặt bê tông. Bước 7: Neo giữ tấm FRP đến khi lớp keo khô.
Bước 8: Sơn phủ bề mặt tạo lớp bảo vệ và thẩm mỹ.2 Sơ lược về các phương pháp tính toán kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP Hiện nay, phương pháp xác định khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP dựa trên nguyên lý cộng tác dụng giữa khả năng kháng cắt của dầm BTCT thông thường và khả năng kháng cắt của tấm FRP. Trong đó, khả năng kháng cắt của tấm FRP được tính toán giống như thép đai và có xét đến sự tương tác của tấm đối với dầm. Một số các phương pháp xác định khả năng kháng cắt của dầm dựa trên nguyên lý cộng tác dụng được trình bày dưới đây.1 Khả năng kháng cắt của dầm BTCT truyền thống 2.1 Mô hình dàn Ritter (1899) và Mörsch (1920) Ritter (1899) đề xuất mô hình dàn để xác định khả năng kháng cắt cho dầm BTCT. Mô hình này cho rằng, sau khi xuất hiện vết nứt do ứng suất kéo xiên gây ra, dầm BTCT có ứng xử tương tự như kết cấu dàn với thanh đứng của dàn làm việc như thép đai, thanh cánh dưới làm việc như thép dọc, thanh cánh trên làm việc như vùng bê tông chịu nén, thanh xiên nối điểm trên và dưới của 02 thép đai liên tục, làm việc như vùng bê tông chịu nén xiên.
Mô hình giả thuyết sau khi dầm xuất hiện vết nứt, vùng bê tông chịu nén xiên nghiêng một góc 450 so với trục dầm và không chịu ứng suất kéo. Thanh chống xiên Thanh kéo đứng Thanh kéo ngang Hình 2.2: Mô hình dàn của Ritter (1899) 6 Trên cơ sở nghiên cứu mô hình dàn của Ritter (1899), Mörsch (1920) cho rằng, thanh nén xiên không đại diện cho những vùng bê tông chịu nén xiên rời rạc mà đại diện cho những vùng bê tông chịu nén xiên liên tục theo trục dầm và không bắt buộc đi từ điểm trên đến điểm dưới của hai thép đai liên tục, đó là sự khác biệt so với mô hình dàn Ritter (1899).
