Nghiên cứu gia cường bản BTCT bằng tấm CFRP dính bám ngoài

1. Tên đề tài

Nghiên cứu gia cường bản bê tông cốt thép bằng tấm Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) dính bám ngoài.

2. Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu sàn BTCT được sử dụng khá nhiều trong các công trình nhà cửa và hạ tầng kỹ thuật xây dựng khác. Sau một thời gian khai thác do sự suy thoái của vật liệu bê tông và cốt thép làm giảm khả năng chịu lực của sàn BTCT nên cần thiết phải gia cường để đảm bảo khả năng chịu tải theo thiết kế. Một số hệ sàn BTCT do sự gia tăng về yêu cầu tải trọng tác dụng lên sàn nên cũng cần thiết phải gia cường.

Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu công trình sàn BTCT được ứng dụng thực tế ở nước ta như: Phương pháp mở rộng thêm tiết diện, dùng bản thép gia cường (dán bản thép), dùng cáp dự ứng lực căng ngoài, sử dụng loại vật liệu composite sợi cường độ cao FRP (Fiber-Reinforced Polymer).

So sánh với các phương pháp gia cường truyền thống, phương pháp sử dụng tấm composite dính bám ngoài để gia cường sàn BTCT có nhiều ưu điểm như: Thi công nhanh chóng; tấm compostite vừa tăng cường khả năng chịu lực của sàn vừa bảo vệ BTCT; không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, không dừng hoạt động khi thi công, cách điện, chịu nhiệt tốt.

Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu compostite gia cường sàn BTCT tại Việt Nam đang mới bắt đầu nên cần được tiếp tục nghiên cứu về cả phương diện lý thuyết và thực nghiệm.

Trong giới hạn luận văn thạc sỹ ứng dụng học viên chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu gia cường bản BTCT bằng tấm CFRP dính bám ngoài” là có tính thời sự và ứng dụng.

3. Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu ứng xử của sàn BTCT được gia cường bằng tấm sợi carbon (CFRP) dính bám ngoài trên mô hình phần tử hữu hạn và kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm thông qua thử tải sàn chịu uốn.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tựơng nghiên cứu: Sàn BTCT được gia cường bằng tấm CFRP dính bám ngoài.

Phạm vi nghiên cứu: Sàn BTCT nhà dân dụng gia cường bằng tấm CFRP.

5. Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.

6. Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về công tác gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu FRP.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán sàn BTCT gia cường FRP dính bám ngoài.

Chương 3: Thực nghiệm thử tải sàn BTCT gia cường FRP.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU CFRP

TỔNG QUAN VẬT LIỆU CỐT SỢI POLYMER

Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt bền hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu Compostie bao gồm có vật liệu nền và cốt, vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục nhằm đảm bảo cho Compostie có được các đặc tính cơ học cần thiết làm việc hài hòa với nhau.

Lịch sử hình thành và lợi ích sử dụng vật liệu Composite

Vật liệu Compostie đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu Compostie vào cuộc sống (ví dụ: Sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm).

Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của vật liệu Compostie có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Một trong những ứng dụng hiệu quả nhất đó là Compostie Polymer, đây là vật liệu có tính ưu việt và áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.

Các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu Composite

Torayca® là sản phẩm vật liệu sợi carbon của tập đoàn Toray, trong đó bao gồm nhiều sản phẩm đáp ứng các nhu cầu đa dạng trong tăng cường, sửa chữa kết cấu như tấm sợi carbon 1 hướng, tấm sợi carbon đa hướng, sợi carbon cường độ cao, sợi carbon môđun đàn hồi cao,…

Kết hợp với hệ thống keo epoxy Toray ACE’s Resin System, sản phẩm sợi carbon Torayca® được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:

Tăng khả năng chịu tải của các bộ phận kết cấu của công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, công trình cầu, công trình thuỷ lợi…

Cải thiện khả năng chống động đất của các bộ phận kết cấu như cột, khối xây vữa không có cốt thép….

VẬT LIỆU FRP

FRP có tên tiếng Anh là Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramid. Các sản phẩm FRP tương ứng với các loại sợi sử dụng tạo thành là: CFRP, GFRP, AFRP. [8]

Vật liệu FRP có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn. Trong sửa chữa và tăng cường kết cấu thường dùng dạng tấm và dạng vải.

So với các vật liệu bê tông và cốt thép, vật liệu FRP có nhiều ưu điểm hơn nên vật liệu FRP được sử dụng rộng rải trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đông Nam Á. Dưới đây là một số ưu điểm chính của vật liệu FRP.

+ Cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi rất cao và trọng lượng nhỏ;

+ Khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với các chất xâm thực;

+ Độ bền rất cao;

+ Cách điện, chịu nhiệt tốt;

+ Chịu mỏi cao;

+ Thi công đơn giản ít tốn nhân công, không cần máy móc hiện đại;

+ Không cần bão dưỡng chống rỉ trong quá trình khai thác;

Cốt sợi

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường được sử dụng là sợi Cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid. Dưới đây là đặc điểm của từng loại cốt sợi.

a. Sợi cacbon

Có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi thủy tinh. Sợi cacbon nhẹ hơn và cường độ cao hơn khi so sánh với các sợi thủy tinh và aramid. Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt là mỏi và từ biến, hệ số giản nở nhiệt thấp. Sợi cacbon được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 2000⁰C, sợi được xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi các bon.

b. Sợi aramid

Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi thủy tinh. Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt. Về mặt sản xuất, được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm. Sợi aramid có mô đuyn đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ. Sợi aramid nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% và 20% đối với sợi thủy tinh. Sợi aramid có 3 loại chính là Kevlar ^R49, Kevlar ^R29, Kevlar ^R.

c. Sợi thủy tinh

Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi cacbon và sợi aramid. Sợi thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh. Sợi thủy tinh có mô đuyn đàn hồi và trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả năng chống cháy ở nhiệt độ lên đến 400⁰C. Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, C-glass, AR-glass.

Chất dẻo nền

Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính. Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền:

+ Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;

+ Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;

+ Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường

+ Kết dính các sợi với nhau;

+ Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP;

+ Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi.

Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là viny lester, epoxy, polyethylen.

Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composit. Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc. Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn.

Viny lester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester. Ưu điểm của Viny lester là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao. Viny lester có giá thành cao.

Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny lester.

1.3. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC VẬT LIỆU FRP

Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền.

Hiện nay sợi cacbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy được sử dụng rộng rãi. Sợi cacbon và sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại. Sợi aramid độ bền thấp, trong môi trường nhiệt độ cao thì làm việc kém. Trong khi đó sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng.

Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây:

+ Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh);

+ Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy,Vinylester hay Polyester);

+ Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP;

+ Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

1.4. ĐỘ BỀN VẬT LIỆU FRP

Độ bền là một trong những vấn đề quan trọng khi một loại vật liệu mới được sử dụng trên một kết cấu hiện hành. Vì việc sử dụng vật liệu FRP cho các công trình xây dựng là mới mẻ do đó cần phải có những hiểu biết về các ứng xử của vật liệu FRP. Các nghiên cứu gần đây cho thấy, độ bền của vật liệu FRP phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của môi trường (môi trường kiềm, độ ẩm, nhiệt độ cao); ảnh hưởng các yếu tố theo thời gian (từ biến, tải trọng mỏi).

1.4.1. Tác động của môi trường

a. Môi trường kiềm (Alkaline)

Nước tồn tại trong các lỗ rỗng của bê tông, môi trường kiềm có thể gây ra sự xuống cấp của nhựa (resin) và phá hoại bề mặt tiếp xúc giữa tấm FRP và kết cấu được gia cường.

b. Ảnh hưởng của độ ẩm

Ảnh hưởng chính của độ ẩm liên quan đến sự hấp thụ của chất nhựa Resin. Sự hấp thu độ ẩm của vật liệu FRP phụ thuộc vào từng loại nhựa, thành phần tấm sợi, chiều dày, điều kiện bảo dưỡng và các điều kiện làm việc khác. Nói chung sự ảnh hưởng ngắn hạng của độ ẩm chỉ gây ra sự giảm cường độ hơn là ảnh hưởng đến độ cứng của kết cấu. Sản phẩm FRP có chất nền Epoxy ít nhạy cảm với độ ẩm hơn so với chất nền của polyester hoặcvinylester.

c. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Các tác dụng chính của nhiệt độ phụ thuộc vào phản ứng nhớt của cả nhựa và composite. Mô đun đàn hồi của nhựa sẽ giảm nếu nhiệt độ tăng lên. Trong thực tế, khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ chuyển hóa, hiệu suất của vật liệu FRP giảm đáng kể. Nói chung, các chu kỳ nhiệt làm ảnh hưởng không có hại trên FRP, tuy nhiên họ có thể gây ra các vết nứt nhở trong hệ thống với nhựa có modulus cao. Đối với nhiệt độ điển hình trong công trình dân dụng, nó có thể sử dụng ở những nơi mà nhiệt độ chuyển hóa luôn cao hơn nhiệt độ hoạt động tối đa của hệ thống kết cấu được gia cường để tránh thiệt hại do cháy gây ra.

1.4.2. Tác động các yếu tố dài hạn

a. Từ biến và chùng

Đối với hầu hết vật liệu FRP, biến dạng do từ biến là yếu tố quan trọng tại những nơi có ứng suất cao hay nhiệt độ cao hoặc kết hợp cả hai yếu tố này. Trong vật liệu FRP đặc tính từ biến và chùng phụ thuộc vào tính chất của chất nhựa và cốt sợi. Từ biến có thể được giảm bằng cách kiểm soát ứng suất sử dụng thấp.

b. Hiệu ứng mỏi

Trong hệ thống gia cường vật liệu FRP hiệu ứng mỏi phụ thuộc vào thành phần chất nền và cốt sợi.Các tấm sợi FRP có thể làm trì hoãn sự hình thành vết nứt, ngăn cản sự mở rộng của vết nứt.

1.5. TRÌNH TỰ THI CÔNG GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CFRP

1.5.1. Trình tự thi công tổng quát

1.5.2. Yêu cầu vật liệu

– Các tiêu chuẩn thí nghiệm cho vật liệu CFRP bao gồm: Thí nghiệm cường độ kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ dãn dài của vật liệu composite (keo Epoxy và sợi làm việc đồng thời) theo tiêu chuẩn ASTM D3039;

– Vải sợi các bon CFRP theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08 của Mỹ [4], tiêu chuẩn BD90/05 hoặc JIS-K7073 và các chỉ tiêu kỹ thuật tối thiểu của sợi Carbon cường độ cao.

1.6. CHỈ DẪN CÁC BƯỚC CÔNG NGHỆ THI CÔNG, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ VÀ NGHIỆM THU KẾT CẤU

1.6.1. Sửa chữa hư hỏng bề mặt kết cấu:

Các hư hỏng trên bề mặt kết cấu thường bao gồm:

• Sứt vỡ bê tông do lỗi trong quá trình thi côn
• Rỗ bê tông do thi công kém chất lượng
• Nứt vỡ bê tông do ăn mòn cốt thép
• Nứt bê tông do thi công hoặc thiếu khả năng chịu lực

1.6.2. Chuẩn bị bề mặt kết cấu trước khi dán sợi CFRP 

Mài phẳng bề mặt

Vệ sinh bề mặt

Pha trộn keo và cắt vải theo thiết kế

1.6.3. Công tác kiểm tra hàng ngày 

Kiểm tra hàng ngày trong quá trình sửa chữa bao gồm:

– Nhiệt độ bề mặt bê tông và môi trường xung quanh

– Độ ẩm tương đối trên bề mặt bê tông và độ ẩm môi trường (đặc biệt cho trường hợp keo Epoxy yêu cầu độ ẩm)

– Điều kiện thời tiết nói chung

– Chất lượng công tác chuẩn bị bề mặt

– Kiểm tra chất lượng công tác kiểm tra bề mặt

– Kiểm tra chiều rộng của các vết nứt có tiêm hoặc không tiêm Epoxy trên tất cả bề mặt kết cấu

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SÀN BTCT GIA CƯỜNG CFRP DÍNH BÁM NGOÀI

2.1. TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU SÀN

Kết cấu sàn BTCT thường liên kế với dầm thành hệ không gian dầm-sàn hoặc liên kết với cả cột thành hệ khung không gian dầm-cột-sàn cùng làm việc với nhau. Ngày nay để tính toán các dạng kết cấu này thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng với các phần mềm chuyên dụng như SAP2000,MIDAS… để phân tích. Trình tự tổng quát mô phỏng và phân tích nội lực trong kết cấu khung-sàn-cột bằng phần mềm PTHH như sau:

Bước 1: Mô hình hóa sơ đồ hình học kết cấu

– Xây dựng hệ lưới phụ trợ để mô tả các phần tử kết cấu nếu cần

– Vẽ/ phát sinh các loại phần tử của mô hình kết cấu

– Gán các liên kết mô hình kết cấu.

Phần tử dầm, cột sử dụng loại phần tử thanh (frame) 2 điểm nút để mô phỏng, phần tử sàn thì dùng loại phần tử vỏ (shell) 3 điểm nút hoặc 4 điểm nút để mô phỏng.

Ngày ngay nhiều phần mềm thương mại cho phép khai báo mô hình kết cấu theo kiểu nhập các tham số mô hình, phần mềm sẽ tự động phát sinh các phần tử theo các tham số đã khai báo, hoặc sử dụng các mô hình mẫu cho phép phát sinh các loại mô hình thông thường rất nhanh chóng.

Bước 2: Mô tả vật liệu, mặt cắt các phần tử

– Định nghĩa các mẫu vật liệu dùng trong mô hình

– Định nghĩa các loại mặt cắt phần tử thanh, phần tử tấm/vỏ dùng trong mô hình.

– Gán các phần tử cho các mặt cắt tương ứng

Bước 3: Mô tả tải trọng cho mô hình

– Định nghĩa mẫu tải tải dùng trong mô hình

– Gán các loại/giá trị tải trọng tác dụng lên nút, lên phần tử

– Định nghĩa tải trọng di động trên kết cấu nếu có

– Định nghĩa các trường hợp tải phân tích

– Định nghĩa các tổ hợp tải

Bước 4: Phân tích nội lực mô hình

– Thực hiện lệnh phân tích mô hình

– Kiểm tra lỗi mô hình nếu có

Bước 5: Khai thác kết quả phân tích nội lực

– Thực hiện lệnh hiển thị biểu đồ biến dạng các trường hợp/ tổ hợp tải trọng.

– Hiện biểu đồ nội lực M,N,Q trong các phần tử mô hình

Bước 6: Thực hiện lệnh thiết kế/ kiểm tra kết cấu

Các phần mềm PTHH hiện đại ngày nay thường có khả năng thiêt kế/kiểm tra kết cấu. Kết quả thiết kế kết cấu BTCT thường là lượng thép chịu uốn, thép chịu cắt trong các phần tử tương ứng với tiêu chuẩn thiết kế và tổ hợp tải trọng lựa chọn trước. Thường phải sử dụng các lệnh sau:

– Lựa chọn tổ hợp tải thiết kế

– Lựa chọn qui trình thiết kế

– Thực hiện lệnh thiết kế

– Khai thác các kết quả thiết kế

2.2. TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN SÀN BTCT GIA CƯỜNG CFRP [4]

2.2.1. Các giả thuyết tính toán:

• Biến dạng nhỏ.
• Không có sự trượt tương đối giữa vật liệu gia cố ngoài FRP và bê tông.
• Vật liệu gia cố FRP có mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng là tuyến tính.
• Bỏ qua biến dạng cắt.
• Không tính đến khả năng chịu kéo của bê tông.
• Giá trị biến dạng phá hoại lớn nhất của bê tông là 0,003.

2.2.2. Tính toán gia cường sức kháng uốn

Bước 1: Các thông số hình học

b: bề rộng mặt chịu nén của cấu kiện (mm)

d: khoảng cách từ thớ chịu nén cực hạn tới trọng tâm của cốt thép chịu kéo (mm)

d_f: chiều cao có hiệu của vật liệu FRP tăng cường chịu uốn (mm)

A_f: diện tích của vật liệu FRP gia cố bên ngoài (mm²)

c: khoảng cách từ mép thớ chịu nén cực hạn đến trục trung hòa (mm)

^: giá trị biến dạng của bê tông (mm/mm)

^: giá trị biến dạng trong bê tông tại giai đoạn khai thác (mm/mm)

^: giá trị biến dạng ban đầu tại thời điểm lắp đặt FRP (mm/mm)

^: giá trị biến dạng có hiệu của vật liệu FRP đạt được tại thời điểm phá hoại (mm/mm)

f_c: ứng suất nén của bê tông (Mpa)

f_s: ứng suất trong cốt thép thường (Mpa)

f_fe: ứng suất có hiệu của vật liệu FRP; giá trị ứng suất đạt được tại mặt cắt bị phá hoại (Mpa)

: tỷ số của chiều cao của khối ứng suất hình chữ nhật tương đương với chiều cao của trục trung hòa

: hệ số nhân với f để tính toán giá trị tương đương của ứng suất bê tông được phân bố dạng hình chữ nhật

E_s: môđun đàn hồi của thép (Mpa)

E_c: môđun đàn hồi của bê tông (Mpa)

f: cường độ nén quy định của bê tông (Mpa)

2.2. MÔ PHỎNG SỐ SÀN BTCT GIA CƯỜNG CFRP BẰNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN[12;13]

2.2.1. Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử. Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn,…

Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP2000, CASTEM 2000, SAMCEF,ABAQUS, …

Mô hình tính toán sử dụng phương pháp chuyển vị:

trong đó: F: Ngoại lực tác dụng;

K: Độ cứng;

U: Chuyển vị.

2.2.2. Mô hình kết cấu sàn BTCT gia cường CFRP bằng phần mềm SAP2000 V14

a. Số lıệu tính toán

– Cường độ bê tông f’c: 25.0 MPa.

– Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép cột, dầm 30mm, sàn 15mm.

– Thép CI: Rs = Rsc = 225Mpa (cho đường kính d<10mm).

– Thép CII: Rs = Rsc = 280Mpa (cho đường kính d>10mm).

b. Số lıệu về tảı trọng

– Tính toán mô phỏng kết cấu với tải trọng tập trung P=10T vị trí giữa sàn.

– Kích thước cột 350×200, dầm 300×200, sàn dày 100mm.

– Ô sàn kích thước 4×3,5m.

– Gia cường kết cấu sàn BTCT bằng một lớp CFRP với các thông số sau:

+ Sợi cấu tạo FRP: Carbon.

+ Giới hạn đứt bền: fu = 1000 Mpa.

+ Mô đun đàn hồi của FRP: 95000 Mpa.

c. Mô hình hóa và tính toán kết cấu

– Mô phỏng mô hình hình học: Mô phỏng lưới phần tử hữu hạn phù hợp với cấu tạo kiến trúc và các bản vẽ kết cấu đã chọn. Kích thước mặt cắt các dầm, cột, sàn.

– Các cấu kiện cột, sàn được mô phỏng bằng phần tử frame.

– Sàn được mô phỏng bằng phần tử Solids.

– Tấm gia cường CFRP được mô phỏng bằng phần tử Shell

– Khi tính kết cấu phần trên, xem liên kết dưới chân các cột là ngàm cứng.

CHƯƠNG 3

THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG SÀN BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÁN TẤM SỢI CFRP VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ

3.1. GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH KHÁCH SẠN HOLIDAY BEACH:

Tên dự án: Khách sạn Holiday Beach

Địa điểm: 300 Võ Nguyên Giáp, Quận Ngũ Hành Sơn, TP. Đà Nẵng.

Khách sạn Holiday Beach kết cấu dạng khung-dầm sàn BTCT và BTCT DƯL. Kết cấu móng sử dụng cọc khoan nhồi sử dụng bê tông B30. Kết cấu dầm sàn sử dụng bê tông B35. Kết cấu cột và vách sử dụng bê tông B30 và B40. Riêng dầm sàn tầng chuyển sử dụng bê tông B45. Cáp dự ứng lực sử dụng loại 12,7mm.

Quá trình khảo sát hiện trạng công trình sử dụng bao gồm các thiết bị tương ứng, thích hợp, đáp ứng yêu cầu theo tiêu chuẩn hiện hành và các quy trình công nghệ.

• Để có cơ sở chẩn đoán nguyên nhân sự cố và thiết kế biện pháp sửa chữa/gia cường phù hợp, cần tiến hành đo vẽ, khảo sát đánh giá hiện trạng.
• Đo vẽ chiều dài vết nứt bằng thước thép.
• Đo vẽ chiều rộng vết nứt bằng kính lúp và thước chuẩn.
• Siêu âm xác định chiều sâu vết nứt: Sau khi khảo sát các vị trí vết nứt tại công trình, lựa chọn các vị trí vết nứt rộng để siêu âm xác định chiều sâu vết nứt.

3.2. THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM SÀN CÔNG TRÌNH KHÁCH SẠN HOLIDAY BEACH, PHÂN TÍCH LÝ THUYẾN SÀN THỰC NGHIỆM

3.2.1. Phương pháp tăng cường kết cấu sử dụng sợi CFRP

Việc tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông cốt thép nói chung là tăng khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông hiện hữu đã xuất hiện hư hỏng, suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Việc tăng cường được tiến hành bằng vật liệu CFRP dính kết với kết cấu bê tông thông qua sự dính bám của keo epoxy.[2]

Trong tăng cường khả năng chịu lực cắt đối với các kết cấu dầm hay cột, vật liệu FRP được gắn với các mặt của kết cấu bê tông với hướng của các thớ song song với hướng ứng suất kéo chủ để làm việc tương tự như cốt thép đai. Vật liệu CFRP sử dụng hiệu quả nhất là khi được bọc lại hoàn toàn để tăng toàn diện khả năng chịu cắt. Phương pháp này có thể áp dụng rộng rãi trong các loại kết cấu cơ bản của kết cấu BTCT như dầm, cột, sàn và tường.

Ưu điểm là vật liệu CFRP có cường độ cao, trọng lượng nhỏ nên không tăng tĩnh tải, chống ăn mòn tốt, ngoài ra kết cấu được tăng cường sẽ đạt được cải thiện một số đặc tính sau: Tăng khả năng chịu uốn, cắt và chịu lực dọc trục, Tăng khả năng chống động đất, Giảm những tác động bởi môi trường, Tăng độ cứng và giảm độ biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thiết kế và sử dụng …. Tuy nhiên giải pháp này còn có nhược điểm như một số thông số của vật liệu chưa được nghiên cứu đầy đủ.

3.2.2. Cơ sở thực hiện tính toán thiết kế sữa chữa gia cường: Từ kết quả khảo sát hiện trạng và phân tích kết cấu

1. Căn cứ vào kết quả khảo sát chi tiết hiện trạng dầm sàn tầng mái, phát hiện xuất vết nứt phân bố phạm vi giữa ô sàn, một số vị trí mặt trên sàn, vết nứt phấn bố chiều dài dầm.

2. Cần xử lý các vết nứt hiện tại để chất đầy tải không mở rộng thêm, ảnh hưởng quá trình sử dụng lâu dài kết cấu.

3. Căn cứ vào khảo sát nứt hiện trạng của công trình, Để đảm bảo độ toàn vẹn kết cấu, độ cứng tổng thể và bảo vệ cốt thép lâu dài cần xử lý toàn bộ các vết nứt xuất hiện trên công trình. Tuy kết quả đánh giá chỉ một số vị trí sàn, dầm chưa đạt cường độ do xét đến chiếc giảm do xuất hiện vết nứt (chiều sâu nứt trung bình lấy 60mm). Lựa chọn biện pháp xử lý.

+ Bơm trám tất cả các khe nứt phát hiện bằng Sikadur 752 chuyên dụng trám khe nứt kết cấu bê tông với các vết nứt có bề rộng >=0.15mm.

+ Quyét keo epoxy và dán vải FRP đảm bảo 2 mục tiêu là bảo vệ và tăng cường sức kháng, vừa nhanh vừa thỏa mãn hai mục tiêu kép trên.

Tổng quan thiết kế gia cường cho các cấu kiện dầm sàn tầng mái:

D-10(200×400) (Trục A-D); D10A,B(200X400); D10C,D(200X300); D9A(200X400); D8A(200X400)(Trục C-D); D5A,B(200X400)(Trục C-D’); D6(200X400)(Trục C-D’); D4(200X400)(Trục C-D’); D3(200X400) (Trục B-C’); D-B05(400X400)(Trục 2-4); D-C(400X400)(Trục 2-4);

Thiết kế bảo vệ bề mặt dầm: Tại sườn các dầm sau đều được dán 1 lớp CFRP để bảo vệ bề mặt sườn dầm:

D-10(200×400)(Trục A-D); D10A,B(200X400); D10C,D(200X300); D9A(200X400); D8A(200X400)(Trục C-D); D7A,B(200X400)(Trục C-D); D5A,B(200X400)(Trục C-D’);D6(200X400)(Trục C-D’); D4(200X400)(Trục C-D’); D3(200X400)(Trục B-C’); D-B05(400X400)(Trục 2-4); D-C(400X400)(Trục 2-4).

3.2.3. Số liệu phục vụ tính toán thiết kế sữa chữa gia cường

Bê tông M400

+ Cường độ chịu nén khi tính toán theo TTGH thứ nhất: Rb=17MPa

+ Cường độ chịu kéo tính toán theo TTGH thứ nhất: Rbt=1,2MPa

+ Cường độ chịu nén khi tính toán theo TTGH thứ hai: Rb,ser=22MPa

+ Cường độ chịu kéo khi tính toán theo TTGH thứ hai: Rbt,ser=1,8MPa

+ Môđun đàn hồi: Ec=32500Mpa.

Thép AIII:

+ Cường độ chịu kéo, nén khi tính toán theo TTGH thứ nhất: Rs=Rsc=365

+ Cường độ chịu kéo, nén khi tính toán theo TTGH thứ hai: Rsn=Rs,ser=390 MPa

+ Môđun đàn hồi của thép: Es=200000 Mpa.

+ Môđun đàn hồi: Ec= 31799 Mpa

Thông số FRP:

+ Cấu trúc FRP: Dệt.

+ Sợi cấu tạo FRP: Carbon.

+ Giới hạn đứt bền: fu = 1500 Mpa.

+ Mô đun đàn hồi của FRP: 95000 Mpa.

3.3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN

3.3.1. Tổng quan về quá trình thử nghiệm

– Việc thử tĩnh kiểm chứng kết cấu dầm sàn mái BTCT khách sạn Holiday sau khi sửa chữa vết nứt và gia cường kết cấu nhằm kiểm tra hiệu quả các biện pháp gia cường sàn và đánh giá khả năng chịu tải thực tế của kết cấu.

3.3.2.Tải trọng thử nghiệm và qui trình thử

Qui trình thử nghiệm và đánh giá: TCVN 9344:2012 Kết cấu bê tông cốt thép – Đánh giá độ bền của các bộ phận kết cấu chịu uốn trên công trình bằng phương pháp thí nghiệm chất tải tĩnh.

• Cường độ tải trọng thử:

+ Tĩnh tải tác dụng lên sàn: 200 kg/m2.

+ Hoạt tải thiết kế: 260 kg/m2 (Hệ số vượt tải 1.5).

+ Tải trọng thí nghiệm ô sàn: 200+260=460 kg/m2.

+ Tải trọng thử nghiệm mỗi cấp tải là 115 kg/m2. Tuy nhiên do thực tế tại công trường nên tải trọng thử cấp 1: 80kg/m2, cấp 2: 90kg/m2. Kết quả thử tải sẽ được ngoại suy các giá trị đo đạc theo tải trọng trong đề cương phê duyệt (460kg/m2).

• Trình thự thực hiện:

+ Xác định cường độ tải trọng thử đối với ô sàn tầng mái : Với mục đích đánh giá khả năng chịu tải thực tế của ô sàn tầng mái khối khách sạn sau khi đã sửa chữa và gia cường, nên kiến nghị cường độ tải thử bằng với tổng tải trọng thiết kế.

+ Lắp đặt hệ giàn giáo an toàn cho thử tĩnh ô sàn theo qui định. Kết cấu giàn giáo an toàn đủ chịu tĩnh tải ô sàn và tải trọng thử nghiệm lớn nhất.

+ Lắp đặt các điểm đo ứng suất dầm, sàn, độ võng dầm, sàn.

+ Kiểm tra sự hoạt động bình thường của hệ thống thiết bị. Ghi số liệu ban đầu tại các cảm biến (hoặc zero).

+ Chất tải cấp đầu tiên lên ô sàn.

3.3.3. Một số kết quả thử tải

+ Tổng hợp kết quả thử tải với tải trọng thí nghiệm:

+ Độ võng dầm lớn nhất với cấp gia tải lớn nhất (170kg/m2): 0.12 mm.

+ Ứng suất kéo thớ lớn nhất: 0.33 MPa (ST3).

a. Đánh giá kết quả thử tải

Căn cứ tiêu chuẩn TCVN 9344:2012 thiết lập các tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng dầm sàn dựa trên kết quả thử tải như sau:

• Độ võng lớn nhất ứng với cấp tải lớn nhất (170kg/m2) tại điểm đo V1:

0.09 mm < 3.125 mm. Đạt yêu cầu.

• Độ võng lớn nhất ứng với cấp tải lớn nhất (170kg/m2) tại điểm đo V2:

0.12 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.

• Độ võng lớn nhất ứng với cấp tải lớn nhất (170kg/m2) tại điểm đo V3:

0.32 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.

Như vậy về độ cứng (độ võng) của kết cấu thử đạt yêu cầu chịu được tải trọng thử ở cấp lớn nhất ứng với tải trọng là 170kg/m2.

b. Đánh giá về ứng suất trong quá trình thử tải

Như vậy, về ứng suất kéo của kết cấu thử đạt yêu cầu chịu được tải trọng thử ở cấp lớn nhất ứng với tải trọng thử nghiệm 170kg/m2. (đánh giá theo tiêu chuẩn ACI-318-08).

c. Đánh giá theo kết quả phân tích trên mô hình lý thuyết

Xây dựng một phân hình phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm SAP2000 v14 để mô phỏng các ứng xử của kết cấu theo tiến trình thí nghiệm để kiểm chứng với các số liệu đo thực tế . Kết quả phân tích nội lực kết cấu dầm, sàn

Qua kết quả đo đạc, phân tích và tính toán khi thử tải kiểm chứng, Các giá trị về độ võng, ứng suất thu được tương đối nhỏ, phù hợp với tính toán trên mô hình lý thuyết trên mô hình PTHH bằng phần mềm SAP2000.

d. Ngoại suy kết quả thử tải với tải trọng theo thiết kế (460kg/m2)

Căn cứ theo kết quả thử tải với tải trọng thử là 170(Kg/m2) như đã trình bày ở trên. Tiến hành ngoại suy trong trường hợp tải trọng sử dụng lớn nhất là 460(Kg/m2) với giả thuyết ứng xử kết cấu nằm trong giai đoạn đàn hồi.

• Kết quả về độ võng, ứng suất:

Căn cứ tiêu chuẩn TCVN 9344:2012, ACI-318-08, TCVN 5574-2012 thiết lập các tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng dầm sàn tầng mái như trên thì kết quả khi tải trọng thử Ptn=100%Psd như sau:

• Độ võng lớn nhất ứng tại điểm đo V1 với tải trọng thử 460Kg/m2:

0.09 mm < 3.125 mm. Đạt yêu cầu.

• Độ võng lớn nhất ứng tại điểm đo V2 với tải trọng thử 460Kg/m2:

0.12 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.

• Độ võng lớn nhất ứng tại điểm đo V3 với tải trọng thử 460Kg/m2:

0.32 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.

• Ứng suất kéo lớn nhất với tải trọng thử 460Kg/m2:

0.89MPa < 3.45MPa. Đạt yêu cầu.

Như vậy về độ cứng (độ võng), ứng suất kéo của kết cấu đạt yêu cầu ứng với tải trọng thử nghiệm là Ptn=100%Psd =460(Kg/m2)

Kết cấu dầm sàn tầng mái của Dự án khách sạn HOLIDAY BEACH sau khi gia cường đảm bảo độ cứng chống biến dạng chịu tải trọng thử nghiệm theo TCVN 9344-2012 tương ứng với tổng tải trọng theo thiết kế (460kg/m2).

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Dựa vào kết quả nghiên cứu, thiết kế và thử tải kiểm chứng sau khi gia cường kết cấu bằng vật liệu CFRP của công trình khách sạn Holiday dẫn đến một số kết luận sau:

+ Sử dụng hệ thống tấm CFRP (Vải sợi các bon+keo epoxy) dính bám ngoài để gia cường kết cấu dầm-sàn BTCT khá thuận lợi, thi công nhanh chóng và hiệu quả.

+ Sức kháng uốn sau khi gia cường có thể thiết kế tăng từ 20%-50% tùy theo sự phân bố và tính chất vật liệu CFRP và BTCT hiện hữu.

+ Kết quả đo đạc độ võng, ứng suất sàn thử tải kiểm chứng ở mức tải sử dụng cho thấy kết cấu sau khi gia cường khá an toàn cả về ứng suất và độ võng. Sự làm việc hệ keo epoxy với BTCT cũ khá tốt, không có hiện tượng tách lớp ở cấp tải trọng cao nhất.

+ Nếu sử dụng mô hình kết cấu và vật liệu phù hợp cho BTCT, CFRP cho kết quả phân tích lỹ thuyết cũng khá phù hợp với kết quả đo đạc thực tế.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\NGUYEN TAN DOI\SAU BAO VE