Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam, việc gia tăng số lượng công trình xây dựng mới đi kèm với nhu cầu nâng cấp, sửa chữa các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã xuống cấp là vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, nhiều công trình hiện hữu đang đối mặt với nguy cơ hư hỏng do tác động của môi trường và quá trình sử dụng lâu dài. Việc thay thế hoàn toàn các công trình cũ đòi hỏi nguồn kinh phí lớn, gây áp lực tài chính đáng kể. Do đó, giải pháp gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu nhựa polymer gia cường sợi (Fiber Reinforced Polymers - FRP) được xem là phương án hiệu quả, vừa nâng cao khả năng chịu lực, vừa kéo dài tuổi thọ công trình với chi phí hợp lý.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP dạng U, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với phần tử liên kết mặt để mô phỏng và phân tích. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như cường độ bê tông (từ 30 đến 90 MPa), hàm lượng thép đai, thép dọc, và hàm lượng tấm FRP đến khả năng kháng cắt và dạng phá hoại của dầm. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình bám dính – trượt giữa bê tông và tấm FRP chính xác, đồng thời kiểm chứng mô hình qua dữ liệu thực nghiệm đa dạng, từ đó đề xuất giải pháp gia cường tối ưu cho kết cấu BTCT.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu thí nghiệm kéo trượt tấm CFRP trên bê tông với nhiều cấp độ cường độ khác nhau, cùng với mô phỏng số trên phần mềm Abaqus. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện rõ qua việc cung cấp công cụ tính toán và mô phỏng chính xác, hỗ trợ thiết kế và thi công gia cường kết cấu BTCT bằng tấm FRP, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và độ bền công trình.

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 ứng xử bám dính – trượt giữa tấm FRP và bê tông, trong đó có:

  • Mô hình bám dính – trượt Popovic (1973): Mô hình hàm dạng song tuyến tính mô tả quan hệ ứng suất tiếp tuyến và độ trượt, được nhiều nghiên cứu thực nghiệm sử dụng làm cơ sở.
  • Mô hình phần tử liên kết mặt (Cohesive Zone Model): Áp dụng trong phần tử hữu hạn để mô phỏng sự tách rời và trượt giữa các bề mặt tiếp xúc, giúp mô phỏng chính xác quá trình phá hoại bám dính.
  • Các khái niệm chính: Ứng suất tiếp tuyến tối đa ($\tau_{max}$), độ trượt tương ứng với ứng suất tối đa ($s_0$), độ trượt tới hạn ($s_f$), mô đun đàn hồi của tấm FRP ($E_f$), keo ($E_a$) và bê tông ($E_c$), cùng các tham số hình học như bề rộng tấm FRP ($b_f$) và bê tông ($b_c$).

Ngoài ra, luận văn còn tham khảo các mô hình bám dính – trượt hiện có như của Neubauer, Nakaba, Dai, Lu, và các hướng dẫn kỹ thuật của CNR-DT 200 và CEB-FIB MC để xây dựng mô hình tổng quát và mô hình rút gọn phù hợp với điều kiện thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thực nghiệm kéo trượt tấm CFRP trên bê tông với cường độ từ 30 đến 90 MPa, được thực hiện trên nhiều mẫu thử với kích thước và điều kiện chuẩn bị bề mặt khác nhau. Tổng số mẫu thí nghiệm khoảng vài chục, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus, áp dụng mô hình phần tử liên kết mặt để mô phỏng quá trình bám dính – trượt giữa tấm FRP và bê tông. Quá trình mô phỏng bao gồm:

  • Xây dựng mô hình vật liệu cho bê tông, thép và tấm FRP dựa trên các đặc tính cơ học thu thập được.
  • Thiết lập điều kiện biên và tải trọng tương ứng với thí nghiệm thực tế.
  • Phân tích quan hệ lực – chuyển vị, biến dạng trong tấm FRP và kiểu phá hoại của mẫu.
  • Kiểm chứng mô hình bằng so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm từ 10 mẫu dầm BTCT gia cường tấm FRP dạng U.

Timeline nghiên cứu kéo dài hơn một năm, bao gồm giai đoạn thiết kế thí nghiệm, thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng số và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng suất bám dính: Kết quả thực nghiệm cho thấy ứng suất tiếp tuyến tối đa ($\tau_{max}$) tăng theo cường độ bê tông, từ khoảng 3 MPa với bê tông 30 MPa lên đến gần 6 MPa với bê tông 90 MPa, tương ứng với mức tăng khoảng 100%. Độ trượt tương ứng với ứng suất tối đa ($s_0$) cũng tăng nhẹ theo cường độ bê tông, thể hiện qua các mẫu thử.

  2. Hiệu quả mô hình bám dính – trượt đề xuất: Mô hình tổng quát và mô hình rút gọn được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm cho độ chính xác cao, sai số trung bình so với thực nghiệm dưới 10% đối với ứng suất bám dính và độ trượt. So sánh với các mô hình hiện có như của Dai (2005) và Lu (2005) cho thấy mô hình đề xuất có khả năng dự đoán tốt hơn trong phạm vi cường độ bê tông rộng và các điều kiện hình học khác nhau.

  3. Ứng xử kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP dạng U: Mô phỏng số cho thấy tải trọng tới hạn của dầm tăng trung bình 25-40% khi sử dụng tấm FRP dạng U so với dầm không gia cường. Kiểu phá hoại chủ yếu là bóc tách tấm FRP hoặc đứt tấm, phụ thuộc vào hàm lượng thép đai và cường độ bê tông. Biến dạng lớn nhất trong tấm FRP đạt khoảng 0.0025 – 0.003, phù hợp với giới hạn chịu kéo của vật liệu.

  4. Ảnh hưởng của hàm lượng thép và tấm FRP: Tăng hàm lượng thép đai và thép dọc làm tăng sức kháng cắt của dầm, tuy nhiên khi hàm lượng thép đai vượt quá một ngưỡng nhất định, hiệu quả gia cường của tấm FRP giảm do dạng phá hoại chuyển sang đứt tấm FRP sớm hơn. Hàm lượng tấm FRP tăng cũng làm tăng tải trọng tới hạn nhưng không tuyến tính, với mức tăng tải trọng khoảng 15-30% khi tăng số lớp FRP từ 1 lên 3.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng ứng suất bám dính theo cường độ bê tông là do khả năng chịu lực nén và kéo chẻ của bê tông tăng, giúp cải thiện liên kết giữa bê tông và tấm FRP. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm với phạm vi cường độ rộng hơn.

Mô hình bám dính – trượt đề xuất có ưu điểm là đơn giản, dễ áp dụng và bao quát được ảnh hưởng của nhiều tham số như mô đun đàn hồi của keo, tấm FRP, cường độ bê tông và yếu tố hình học. Việc sử dụng phần tử liên kết mặt trong mô phỏng số giúp mô phỏng chính xác quá trình phá hoại, thể hiện rõ qua biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị và phân bố biến dạng trong tấm FRP.

So sánh với các mô hình hiện có, mô hình đề xuất cho phép dự đoán chính xác hơn trong điều kiện thực tế đa dạng, đặc biệt khi xét đến ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố vật liệu và hình học. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế và thi công gia cường kết cấu BTCT bằng tấm FRP.

Ứng xử kháng cắt của dầm gia cường dạng U được cải thiện rõ rệt, giúp kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì. Tuy nhiên, cần lưu ý đến sự cân bằng giữa hàm lượng thép và tấm FRP để tránh dạng phá hoại không mong muốn, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình bám dính – trượt đề xuất trong thiết kế kết cấu BTCT gia cường FRP: Khuyến nghị các kỹ sư sử dụng mô hình này để tính toán chính xác ứng xử bám dính, từ đó tối ưu hóa thiết kế gia cường, nâng cao độ bền và độ an toàn của công trình trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ mô phỏng phần tử hữu hạn: Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư xây dựng về phương pháp mô phỏng số sử dụng phần tử liên kết mặt trên phần mềm Abaqus, nhằm nâng cao năng lực phân tích và dự báo ứng xử kết cấu, thực hiện trong 6-12 tháng.

  3. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng tương tác các yếu tố vật liệu: Tiếp tục nghiên cứu sâu về ảnh hưởng đồng thời của cường độ bê tông, độ cứng keo, hàm lượng thép và tấm FRP đến ứng xử kháng cắt, nhằm hoàn thiện mô hình và hướng dẫn thiết kế, thực hiện trong 2-3 năm.

  4. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công gia cường bằng tấm FRP: Dựa trên kết quả nghiên cứu, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với điều kiện Việt Nam, giúp chuẩn hóa quy trình thi công, kiểm soát chất lượng và đảm bảo hiệu quả gia cường, triển khai trong 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp mô hình và phương pháp tính toán ứng xử bám dính – trượt giữa bê tông và tấm FRP, giúp thiết kế gia cường chính xác, tối ưu hóa vật liệu và chi phí.

  2. Chuyên gia thi công và giám sát công trình: Thông tin về ảnh hưởng các yếu tố vật liệu và kỹ thuật thi công hỗ trợ kiểm soát chất lượng, lựa chọn vật liệu phù hợp và đảm bảo an toàn trong quá trình gia cường.

  3. Nhà nghiên cứu và học viên ngành xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết, dữ liệu thực nghiệm và mô hình mô phỏng số hiện đại, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về vật liệu FRP và kết cấu BTCT.

  4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn: Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình thi công và kiểm định chất lượng gia cường kết cấu BTCT bằng tấm FRP, phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu ứng xử bám dính – trượt giữa tấm FRP và bê tông?
    Ứng xử này quyết định hiệu quả gia cường của tấm FRP, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu BTCT gia cường. Hiểu rõ cơ chế này giúp thiết kế và thi công chính xác, tránh phá hoại sớm.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chi tiết quá trình phá hoại, phân bố ứng suất và biến dạng trong kết cấu với kích thước thực tế, giảm chi phí và thời gian so với thí nghiệm thực tế.

  3. Mô hình bám dính – trượt đề xuất có điểm gì nổi bật?
    Mô hình kết hợp ảnh hưởng của cường độ bê tông, độ cứng của tấm FRP và keo, cùng yếu tố hình học, cho độ chính xác cao và dễ áp dụng trong thiết kế, vượt trội hơn các mô hình truyền thống chỉ xét đơn yếu tố.

  4. Ảnh hưởng của hàm lượng thép đai đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường như thế nào?
    Hàm lượng thép đai tăng giúp tăng sức kháng cắt, nhưng khi vượt ngưỡng, có thể làm giảm hiệu quả gia cường của tấm FRP do dạng phá hoại chuyển sang đứt tấm FRP sớm hơn.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công?
    Kết quả mô hình và mô phỏng có thể được tích hợp vào phần mềm thiết kế kết cấu, đồng thời xây dựng hướng dẫn thi công và kiểm tra chất lượng, giúp kỹ sư và nhà thầu thực hiện gia cường hiệu quả, an toàn.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình bám dính – trượt mới giữa tấm FRP và bê tông, có độ chính xác cao, phù hợp với nhiều điều kiện vật liệu và hình học.
  • Mô phỏng số bằng phần tử liên kết mặt trên phần mềm Abaqus cho kết quả tương đồng với thực nghiệm, chứng minh tính khả thi của phương pháp.
  • Ứng xử kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP dạng U được cải thiện rõ rệt, với tải trọng tới hạn tăng trung bình 25-40%.
  • Các yếu tố như cường độ bê tông, hàm lượng thép và tấm FRP ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả gia cường và dạng phá hoại của dầm.
  • Đề xuất áp dụng mô hình và phương pháp nghiên cứu vào thiết kế, thi công và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng và độ bền công trình BTCT gia cường FRP.

Tiếp theo, cần triển khai đào tạo kỹ thuật mô phỏng và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp để ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng. Quý độc giả và chuyên gia được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả gia cường kết cấu BTCT trong thực tế.