CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1. DAT VAN DE Trước hiện trạng hư hỏng và xuống cấp của các công trình xây dựng trong những năm gần đây do một số nguyên nhân chính như: thi công không đúng với bản vẽ thiết kế, thiết kế không đủ khả năng chịu lực, sự tác động xâm thực của môi trường xung quanh, hiện tượng từ biến. dẫn đến kết cấu bị suy giảm trầm trọng về khả năng chịu lực so với lúc ban đầu. Đề đảm bảo cho việc duy trì sử dụng, một loạt các phương pháp thay mới cũng như sửa chữa đã được sử dụng.
Tuy nhiên, phương pháp xây mới hoàn toàn là phương án cuối cùng vì nó đòi hỏi kinh phí về phá dỡ và xây mới, hơn nữa đối với công trình dân dụng mang tính chất kinh doanh thì phương án này khó được chủ đầu tư chấp nhận. Do đó, phương pháp sửa chữa, gia cường cải thiện điều kiện về sức kháng cũng như điều chỉnh về tải trọng sử dụng tỏ ra hiệu quả hơn về kinh tế trong điều kiện nước ta hiện nay. Một trong số đó là giải pháp gia cô kết cầu đã có bằng cách sử dụng vật liệu FRP để dán vào bề mặt chịu kéo của cấu kiện.1 Sơ lược về vật liệu FRP Vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon CERP, sợi thủy tinh GFRP và sợi aramid AFRP. Dạng cuộn Dạng chế tạo Dạng thanh Dạng băng sẵn Hình I.I — Các dạng vật liệu FRP Dang tam Các dạng FRP thường dùng trong xây dựng như trong hình 1.1 bao gồm: FRP dạng tắm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, FRP dạng cuộn.
Trong sửa chữa và gia có công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tắm và dạng vải.2 Ứng dụng vật liệu FRP trong gia cường cấu kiện Việc sử dụng vật liệu FRP để cải tạo dam va san bat đầu từ khoảng những năm 1990 với các nghiên cứu tiên phong thực hiện tại phòng thực nghiệm Liên Bang Thụy Sĩ. Kế từ đó cho đến ngày nay, việc ứng dụng vật liệu FRP để gia cường kết cấu đã thu hút nhiều sự quan tâm của ngành kỹ thuật công trình bởi nó có một số ưu điểm nỗi trội như sau: 1.1 Ưu điểm về vật liệu Cường độ chịu kéo của tắm FRP rất cao, có thé hon 3000 Mpa (với cốt thép là 400 Mpa) do đó đối với dầm bọc bên ngoài bằng tắm FRP thì sẽ làm tăng cường độ chịu cắt và cường độ chịu uốn, đối với sàn bê tông cốt thép sẽ làm tăng cường khả năng chịu uốn tại vùng có mô men dương và mô men âm, đối với cột sẽ làm tăng cường khả năng chịu uốn và tăng cường khả năng chịu lực bằng cách bọc vật liệu ERP quanh tiết điện cột. Mô đun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, độ bền theo thời gian, khả năng chống ăn mòn, khả năng cách điện và chịu nhiệt tốt. Khả năng chống ăn mòn của tắm FRP sẽ là hữu ích khi sử dụng trong môi trường có tính xâm thực mạnh.2 — Gia cường FRP cho dẫm và cột Hình 1.5 — Gia cường FRP cho kết cấu sàn bê tông cốt thép 1.2 Ưu điểm về thi công Trọng lượng nhẹ của tắm FRP thì tiết kiệm đáng kê chỉ phí về nhân công, tắm ERP có chiều dài lớn và có thê được cắt theo kích thước tùy vào mục đích sử dụng, tắm FRP thì mỏng, nhẹ và đủ sự linh hoạt để chèn vào sau các đường ống, dây cáp điện.
tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt. Với việc xử lý nhiệt, epoxy có thê đạt được cường độ thiết kế của nó trong vài giờ, kết quả là sự liên kết nhanh chóng tại mặt tiếp xúc của tắm FRP và bề mặt bê tông để giảm tối thiểu thời gian gián đoạn (thời gian thi công), sớm đưa công trình vào sử dụng. Đối với những công trình cầu đã bị xuống cấp cần được gia cuong bang vật liệu FRP thì sự thuận tiện trong quá trình thi công này sẽ góp phần đảm bảo việc lưu thông được thông suốt, hạn chế tối đa sự hình thành các vết nứt dudi tác động thường xuyên của tải trọng động gây ra bởi các loại phương tiện giao thông vận tải.3 Ưu điểm về công năng và tính thâm mỹ của công trình Đối với một công trình hiện hữu khi đã bị xuống cấp, cần thiết phải sửa chữa và gia cố thì việc hạn chế làm thay đổi công năng và tính thâm mỹ của công trình là mục đích và yêu cầu của chủ đầu tư. Do đó, việc lựa chọn vật liệu FRP để cải tạo kết cầu trở thành một giải pháp hàng đầu khi sữa chữa và gia cố công trình vì nó không làm tăng tiết diện của dầm, cột hay sàn hiện hữu.
Mặt khác quá trình thi công diễn ra nhanh chóng, ít bị chú ý nên giải quyết được bài toán hiệu quả trong hoạt động sản xuất kinh doanh. Tuy nhiên, bên cạnh một số ưu điểm vượt trội đã nêu thì vật liệu FRP còn tồn tại một số nhược điểm nhỏ như sau: 1.4 Nhược điểm về giá thành Hiện nay, vật liệu FRP vẫn còn có giá thành cao nên chi phí khi sử dụng phương pháp dán tắm FRP sử dụng trong công tác sửa chữa, gia cố các công trình xây dựng dân dụng vẫn còn tương đối cao hơn các phương pháp gia tăng kích thước tiết diện bằng bê tông cốt thép hoặc bọc ngoài bằng tắm thép. Tuy nhiên, một khi có nhiều nghiên cứu tương thích tốt giữa lý thuyết và thực nghiệm thì sẽ dẫn đến sự tin tưởng trong việc sử dụng, kết hợp với sự cải tiến trong công nghệ sản xuất sẽ hạ giá thành sản phẩm, tiết kiệm chỉ phí trong việc hồi phục chức năng của dầm.5 Nhược điểm về sự tách lớp giữa bề mặt bê tông và tắm FRP Đây là nhược điểm trong quá trình thi công và hoàn toàn khắc phục được bằng cách tiến hành xử lý kỹ bề mặt bê tông, tính toán thiết kế và bố trí các dạng neo chống lại hiện tượng bong tách (debonding) khi dán.3 Tính cần thiết của nghiên cứu Trên thế giới, hiện nay việc ứng dụng vật liệu FRP trong công tác gia cường và sửa chữa kết cầu đã trở nên phổ biến và đang được áp dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật bởi vì một số đặc tính ưu việt của nó như tác giả đề cập. Bên cạnh đó, một nguyên nhân mà các nhà nghiên cứu hết sức quan tâm trong quá trình thực nghiệm cũng như mô phỏng số, đó là việc sử dụng tắm FRP trong công tác gia cường kết cấu dầm bê tông cốt thép sẽ làm cho độ cứng tổng thê của kết cấu tăng lên dẫn đến dạng phá hoại đột ngột do ứng suất cắt bề mặt lớn tập trung tại cuối tắm FRP, kết quả là sự bong liên kết tại mặt tiếp xúc giữa tắm FRP và bề mặt bê tông, xé toạt ra dọc theo phương cốt thép chịu kéo trước khi kết cấu đạt đến tải trọng cực hạn.
Đề khắc phục nhược điểm này, nhiều nghiên cứu khảo sát thực nghiệm về hình dạng và chủng loại neo chống cắt gia cường đã được tiến hành. Kết quả của các nghiên cứu thê hiện rằng, việc sử dụng tắm neo chống cắt gia cường hình chữ L và chữ U sẽ làm giảm đáng kể sự phá hoại do việc bong liên kết tại cuối tắm FRP (Jumaat and Alam [23]; Bahn et al [24]). Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm trước đó thì chưa xác định được kích thước tối ưu nhất của tắm neo gia cường chống cắt tại cuối tắm FRP, kích thước của các tắm neo này thì được chọn ngẫu nhiên. Mặt khác, các đề tài nghiên cứu về ứng xử của kết cấu dầm bê tông cốt thép có gia cường tắm neo chống cắt tại cuối tắm ERP dựa trên phân tích số thì cũng còn hạn chế.
Do đó, luận văn này sẽ khảo sát tính hiệu quả khi chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có gia cường tắm FRP và tắm thép neo chống trượt tại cuối tam FERP sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm và cũng để thể hiện rằng việc tối ưu hóa chiều dài neo tắm thép chống trượt có thể được xác định từ phần mềm phân tích phần tử hữu hạn.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Các công trình nghiên cứu về vật liệu FRP và kết cầu có gia cường tắm FRP đã bắt đầu từ những năm 1990. Thực tế kết quả thu được rất khả quan nên phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều quốc gia. Trong đó, có những nghiên cứu tiêu biểu như: Umezu et al [1], (1997) đã tiến hành thực nghiệm với 26 dầm tựa đơn nhằm xác định hiệu quả sử dụng tắm vải sợi CFRP và AFRP, phương thức dán 4 mặt được sử dụng cho toàn bộ các dầm. Hầu hết các mẫu thử bị phá hoại do sự bong tách ở lớp bê tông bảo vệ và tam FRP tai vị trí xung quanh các vết nứt.
Tải trọng lớn nhất đạt được vào thời điểm vết nứt xiên xâm nhập vào vùng phía trên của dầm và tạo nên hư hỏng không sửa chữa được đối với cơ chế kháng cắt của bê tông. Lực cắt dự đoán do FRP chịu được phân tích bằng mô hình giàn ảo, dựa trên ứng suất trung bình của FRP và bằng độ bền chịu kéo cực hạn của FRP nhân với hệ số giảm có giá trị từ 0.2 xác định từ thực nghiệm. Damian Kachlakev et al [2], (2001) đã sử dụng ANSYS để mô hình kết cấu bê tông cốt thép gia cường bằng tắm FRP. Các mục tiêu của mô phỏng này là xem xét đến ứng xử của kết cầu cầu “Horsetail Creek Bridge” với việc có hoặc không có sự gia cường tắm FRP dé di dén thành lập một phương pháp trong việc ứng dụng ANSYS để mô hình dầm bê tông cốt thép thông thường và dầm cầu bê tông cốt thép có gia cường tắm FRP.
Anthony [3], (2004) nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép thông thường và dầm bê tông ứng lực trước sử dụng phân tích phần tử hữu hạn. Kết quả thu được bao gồm: ứng xử khi vết nứt xuất hiện đầu tiên, ứng xử sau vết nứt đầu tiên, ứng xử của thép khi vượt qua giới hạn chảy, trạng thái tới hạn về cường độ, ứng xử độ võng khi tải trọng dầm tăng lên. Balamuralikrishnan and Antony [4], (2009) nghiên cứu thực nghiệm dựa trên ứng xử khi chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có gia cường tắm CFRP.