CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Bên cạnh những phương pháp truyền thống dùng trong công tác phục hồi và nâng cấp khả năng chịu lực của kết cấu như dán thép tấm lên bề mặt kết cấu, tăng kích thước tiết diện cấu kiện và kết cấu, và tạo thêm ứng suất có lợi bằng phương pháp căng sau, hiện nay, kỹ thuật sử dụng vật liệu nhựa-sợi gia cường (Fiber Reinforced Polymers - FRP) dùng để sửa chữa, gia cường kết cấu đang dần được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm vượt trội về cường độ, trọng lượng riêng của vật liệu và thời gian thi công của kỹ thuật này. Các nghiên cứu trước đây về ứng xử cắt của dầm bê tông cốt thép (BCTC) truyền thống gia cường bằng vật liệu FRP dán bên ngoài (Khalifa và Nanni, 2000, 2002; Deniaud và Cheng, 2001; Pellegrino và Modena, 2006, Monti và Liotta, 2007, Bukhari và cộng sự 2010, Chen và cộng sự, 2012, Pellegrino và Vasic 2013, Nguyen Minh và Rovnak 2015) đã chỉ ra rằng khả năng kháng cắt của dầm gia cường bằng vật liệu FRP bị chi phối bởi một số yếu tố như : (1) kiểu dán gia cường FRP dạng dải hai mặt, dải dạng U hay dọc toàn bộ; (2) hệ neo tấm gia cường; (3) số lớp dán tấm FRP; (4) yếu tố kích thước tiết diện; (5) cường độ bê tông; (6) tỷ số nhịp cắt trên chiều cao dầm; (7) loại vật liệu FRP. So với dầm BTCT truyền thống, cơ chế kháng cắt của dầm bê tông ứng suất trước (BTUST) có sự khác biệt do có sự ảnh hưởng của thành phần lực nén của cáp UST. Thành phần này làm hạn chế sự hình thành, mở rộng vết nứt, làm giòn hóa ứng xử cắt của dầm BTUST và từ đó làm thay đổi đáng kể trường ứng suất cắt trong dầm.
Cho nên việc sử dụng các quy trình thiết kế được xây dựng dựa trên các dữ liệu thực nghiệm từ các dầm BTCT truyền thống gia cường lưới sợi CFRP cho dầm BTUST như hiện nay không phản ánh được đầy đủ bản chất vật lý của vấn đề. Một vài nghiên cứu như của Reed và Peterman (2004); Kim và cộng sự (2012); Kang và Ary (2012); Murphy và công sự (2012); Nguyễn Thị Thu Dung (2015) liên quan đến ứng xử cắt của dầm BTUST gia cường bằng vật liệu FRP, cũng chỉ ra các yếu tố như cường độ bê tông, kiểu dán, hệ neo, khoảng cách dải gia cường làm ảnh hưởng tới khả năng kháng cắt của dầm. Tuy vậy, các kết luận này thật sự vẫn chưa đầy đủ và chưa được tường minh. Hầu hết các nghiên cứu trên chỉ thực 2 hiện trên các dầm sử dụng cáp UST có quỹ đạo thẳng.
Trong khi đó, đa số các thiết kế kết cấu dầm UST trong thực tế đều sử dụng quỹ đạo cáp cong nhằm phát huy tối đa giá trị ứng lực trước của cáp, từ đó giúp nâng cao khả năng chịu lực của dầm. Cho đến thời điểm hiện tại, ảnh hưởng của quỹ đạo cáp UST như thế nào đến hiệu quả gia cường của tấm CFRP vẫn chưa có nghiên cứu nào đề cập. Thực tế này cho thấy sự cần thiết của những nghiên cứu liên quan đến ứng xử của dầm BT UST gia cường tấm CFRP có quỹ đạo cáp UST được mô phỏng gần với thực tế. Ngoài ra, trong hầu hết các nghiên cứu về gia cường kháng cắt hiện nay trên dầm BTCT hay BTUST, sợi các-bon thường được sử dụng do ưu điểm về cường độ và mô-đun đàn hồi.
Tuy vậy, hầu hết các nghiên cứu như đã kể trên đều cho thấy rằng hiệu quả sử dụng loại sợi này trong vấn đề kháng cắt chưa thật sự cao trong nhiều trường hợp. Kết quả từ các nghiên cứu này cho thấy biến dạng lớn nhất đo được trong các dải hoặc tấm CFRP chỉ tối đa xung quanh số 4‰; con số này rõ ràng là rất bé so với biến dạng kéo đứt 1% của nó. Việc sử dụng tấm sợi thủy tinh (GFRP) ngoài việc giúp giảm giá thành (giá thành của sợi thủy tinh chỉ bằng 1/2 so với sợi các-bon) còn có thể giúp nâng cao hiệu quả sử dụng của tấm trong vấn đề gia cường kháng cắt cho dầm BT UST. Đề tài tiến hành khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của quỹ đạo cáp đến hiệu quả gia cường kháng cắt của tấm CFRP đối với dầm BTUST.
Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 9 mẫu dầm BTUST tiết diện chữ T có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố quỹ đạo cáp (thẳng và cong), kiểu dán tấm (dạng dải rời rạc và tấm liên tục), phương pháp neo (neo dải ngang và neo dải ngang kết hợp kim neo hình chốt quạt). Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được như sau: (1) khảo sát và phân tích ảnh hưởng của quỹ đạo cáp đến sự làm việc của tấm gia cường kháng cắt CFRP dạng dải U; (2) phân tích ảnh hưởng của hệ thống neo kiểu dải ngang và dạng dải ngang kết hợp chốt quạt đến hiệu quả gia cường kháng cắt của tấm CFRP và GFRP dạng dải U trong dầm BTUST có quỹ đạo cáp cong; và (3) kiểm chứng mức độ chính xác của các công thức tính biến dạng của tấm gia cường và công thức dự đoán khả năng kháng cắt của tấm trên dầm BTUST gia cường bằng tấm CFRP và GFRP. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2. Sơ lược về vật liệu FRP Vật liệu FRP là một dạng vật liệu composite được cấu tạo từ 2 thành phần chính gồm chất kết dính và sợi.
Chất kết dính được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau (epoxy, polyester, vinylester), phổ biến nhất hiện nay là epoxy do chúng có nhiều ưu điểm như: độ bền cao, khả năng kháng hóa chất tốt, dễ thi công trong điều kiện thường. Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là : bị lão hóa nhanh khi tiếp xúc trực tiếp với tia cực tím (tia UV), khó phân hủy gây ô nhiểm môi trường. Thành phần chính tạo nên đặt tính cơ lý của FRP đó là sợi. Các loại sợi sử dụng phổ biến nhất hiện nay gồm có sợi thủy tinh (glass fibers), sợi aramid (aramid fibers) và sợi carbon (carbon fibers).
Tùy vào loại sợi, vật liệu FRP được phân loại thành vật liệu gia cường sợi thủy tinh (GFRP), vật liệu gia cường sợi aramid (AFRP) và vật liệu gia cường sợi carbon (CFRP). Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng tấm, thanh, cáp, vải Cường độ của tấm phụ thuộc rất nhiều vào quá trình thi công cũng như nhà sản xuất. Một số đặc tính cơ lý điển hình của tấm FRP được thể hiện trong Bảng 2.1 Hình ảnh mô phỏng cấu tạo vật liệu FRP(www.2 So sánh đặc tính cơ học của các loại chất nền (http://www.3 Các dạng FRP được sử dụng hiện nay: (a) tấm; (b) thanh; (c) bản (nguồn: www.1 Một số đặc tính cơ lý điển hình tấm FRP (http://www.com) Tensile Typical Tensile Str Specific Material type Modulus Density (Mpa) Modulus (Gpa) (g/cc) Carbon HS 3500 160-270 1.8 180-240 Carbon UHM 2000 440+ 2 200+ Aramid LM 3600 60 1.4 Quan hệ ứng suất - biến dạng của thành phần vật liệu FRP. Một số tiêu chí đánh giá đặc tính của các loại sợi chính trong FRP được thể hiện trong Bảng 2.2 So sánh đặc tính cơ lý giữa các loại sợi gia cường (http://www.com) Property Aramid Carbon Glass High Tensile Strength B A B High tensile Modulus B A C High compressive strength C A B High compressive modulus B A C High flexural strength C A B High flexural modulus B A C High impact strength A C B High interlaminar shear strength B A A High in-plane shear strength B A A Low density A B C High fatigue resistance B A C High fire resistance A C A High thermal insulation A C B High electrical insulation B C A Low thermal expansion A A A Low cost C C A 6 Hình 2.5 Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu FRP (http://www.com) Ưu nhược điểm của vật liệu gia cường FRP được thể hiện trong Bảng 2.3 Ưu nhược điểm vật liệu FRP Ưu điểm Nhược điểm - Cường độ chịu kéo cao.
- Không tiếp xúc trực tiếp với tia UV - Chống ăn mòn. - Không chịu được nhiệt độ cao. - Không bị nhiễm từ. - Chất lượng chịu ảnh hưởng của thi - Trọng lượng nhẹ.
- Dẫn điện kém. - Không áp dụng cho trường hợp như: - Dễ thi công. môi trường bị thẩm thấu, môi trường đóng tan băng, bề mặt bê tông có cường độ quá thấp. - Chưa có hiểu biết một cách toàn diện về vật liệu này Với nhiều ưu điểm, kỹ thuật sử dụng vật liệu FRP đã và đang được nghiên cứu, hoàn thiện và được áp dụng rộng rãi trong thiết kế và gia cố sửa chữa công trình.
Một số công trình được sử dụng vật liệu FRP: 7 Hình 2.6 Sửa chữa gia cố cột.7 Sửa chữa gia cố sàn.8 Sửa chữa gia cố dầm. Tình hình nghiên cứu khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP Deniaud và Cheng (2001) nghiên cứu sự tương tác của bê tông, thép đai và loại tấm FRP đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT dạng T gia cường trên 8 mẫu dầm T 140×400×600×3700 mm có cường đô ̣ chiụ nén của bê tông 44. Dầm được gia cường 3 loại tấm FRP khác nhau: tấm GFRP 1 phương, tấm CFRP 1 phương, tấm GFRP 3 phương (Tri-axial glass fibres). Các dầm trên được chia làm 3 nhóm gồm SN, S2 và S4 tương ứng với dầm không có thép đai, dầm có khoảng cách đai 200mm và 400mm.
Các dầm được gia cường tấm FRP dạng U và có góc hướng sợi của tấm so với trục dầm là (00, 450, 900, 600 , -600). Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng khả năng kháng cắt dầm gia cường tấm FRP tăng từ 77.3% so với dầm không gia cường. 8 Khalifa và Nanni (2002) thí nghiệm trên 12 mẫu dầm BTCT kích thước 305×150×3050mm. Các dầm được chia làm 2 nhóm (SW và SO) để khảo sát các tham số: tỷ số nhịp cắt (a/d); hướng sợi gia cường; và dạng gia cường.
Nhóm SW gồm 4 mẫu dầm cường độ chịu nén bê tông 19. Nhóm SO gồm 8 mẫu dầm cường độ chịu nén của bê tông là 27. Trong mỗi nhóm SW và SO chia làm 2 nhóm nhỏ SW3, SW4, SO3, SO4 với tỷ lệ nhịp cắt (a/d = 3 và 4). Các mẫu dầm được gia cường với hướng sợi so với trục dầm (00 và 900) và có dạng gia cường khác nhau (dạng U và dạng dán 2 mặt bên).
Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng tấm thì khả năng kháng cắt tăng ít. Khi gia cường góc hướng sợi 00 làm tăng khả năng kháng cắt theo hướng dọc trục. Ngoài ra, tác giả còn kiến nghị khảo sát thêm các tham số ảnh hưởng đến khả năng kháng cắt của dầm như hàm lượng cốt dọc và cường độ bê tông.
