Nghiên cứu gia cường bản bê tông cốt thép bằng tấm FRP dính bám ngoài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TẤN ĐỜI NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM FRP DÍNH BÁM NGỒI Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số : 60.58.02.05 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Phương Hoa Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Phi Lân Phản biện 2: TS Đặng Việt Dũng Luận văn Đã bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 10 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn - Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện khoa Xây dựng Cầu đường trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tên đề tài Nghiên cứu gia cường bê tông cốt thép Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) dính bám ngồi Tính cấp thiết đề tài Kết cấu sàn BTCT sử dụng nhiều cơng trình nhà cửa hạ tầng kỹ thuật xây dựng khác Sau thời gian khai thác suy thối vật liệu bê tơng cốt thép làm giảm khả chịu lực sàn BTCT nên cần thiết phải gia cường để đảm bảo khả chịu tải theo thiết kế Một số hệ sàn BTCT gia tăng yêu cầu tải trọng tác dụng lên sàn nên cần thiết phải gia cường Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu cơng trình sàn BTCT ứng dụng thực tế nước ta như: Phương pháp mở rộng thêm tiết diện, dùng thép gia cường (dán 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 phương pháp gia cường truyền thống, phương pháp sử dụng composite dính bám ngồi để gia cường sàn BTCT có nhiều ưu điểm như: Thi cơng nhanh chóng; compostite vừa tăng cường khả chịu lực sàn vừa bảo vệ BTCT; không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo giữ ngun hình dạng kết cấu cũ, khơng dừng hoạt động thi công, cách điện, chịu nhiệt tốt Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu compostite gia cường sàn BTCT Việt Nam bắt đầu nên cần tiếp tục nghiên cứu phương diện lý thuyết thực nghiệm Trong giới hạn luận văn thạc sỹ ứng dụng học viên chọn đề tài nghiên cứu Nghiên c u gia cường BTCT b ng CFRP dính b m ngồi có tính thời ứng dụng Mục tiêu đề tài Nghiên cứu ứng xử sàn BTCT gia cường sợi carbon (CFRP) dính bám ngồi mơ hình phần tử hữu hạn kiểm chứng kết thực nghiệm thông qua thử tải sàn chịu uốn Đối tượng phạm vi nghiên c u Đối tựơng nghiên c u: Sàn BTCT gia cường CFRP dính bám ngồi Phạm vi nghiên c u: Sàn BTCT nhà dân dụng gia cường CFRP Phương ph p nghiên c u Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Cấu trúc luận văn Luận văn gồm: Chương 1: Tổng quan công tác gia cường kết cấu BTCT vật liệu FRP Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn sàn BTCT gia cường FRP dính bám ngồi Chương 3: Thực nghiệm thử tải sàn BTCT gia cường FRP CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU CFRP 1.1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU CỐT SỢI POLYMER Vật liệu Composite vật liệu chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhằm mục đích tạo vật liệu có tính ưu việt bền hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu Compostie bao gồm có vật liệu cốt, vật liệu đảm bảo việc liên kết cốt lại với tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun khối, liên tục nhằm đảm bảo cho Compostie có đặc tính học cần thiết làm việc hài hòa với 1.1.1 Lịch sử hình thành lợi ích sử dụng vật liệu Composite Vật liệu Compostie xuất từ lâu sống, khoảng 5000 năm trước Công nguyên người cổ đại biết vận dụng vật liệu Compostie vào sống (ví dụ: Sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo dãn nở q trình nung đồ gốm) Tính ưu việt vật liệu Composite khả chế tạo từ vật liệu thành kết cấu sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật khác mà ta mong muốn, thành phần cốt vật liệu Compostie có độ cứng, độ bền học cao, vật liệu đảm bảo cho thành phần liên kết hài hòa tạo nên kết cấu có khả chịu nhiệt chịu ăn mòn vật liệu điều kiện khắc nghiệt môi trường Một ứng dụng hiệu Compostie Polymer, vật liệu có tính ưu việt áp dụng rộng rãi, tính chất bật nhẹ, độ bền cao, chịu mơi trường, dễ lắp đặt có độ bền riêng đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo nhiệt độ áp suất định dễ triển khai thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho trình sản xuất 1.1.2 C c lĩnh vực ng dụng vật liệu Composite Torayca® sản phẩm vật liệu sợi carbon tập đoàn Toray, bao gồm nhiều sản phẩm đáp ứng nhu cầu đa dạng tăng cường, sửa chữa kết cấu sợi carbon hướng, 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® ứng dụng lĩnh vực sau: Tăng khả chịu tải phận kết cấu cơng trình xây dựng dân dụng, cơng nghiệp, cơng trình cầu, cơng trình thuỷ lợi… Cải thiện khả chống động đất phận kết cấu cột, khối xây vữa khơng có cốt thép… 1.2.VẬT LIỆU FRP FRP có tên tiếng Anh Fiber Reinforced Polymer dạng vật liệu composite chế tạo từ vật liệu sợi, ba loại vật liệu sợi thường sử dụng sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramid Các sản phẩm FRP tương ứng với loại sợi sử dụng tạo thành là: CFRP, GFRP, AFRP [8] Vật liệu FRP có dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn Trong sửa chữa tăng cường kết cấu thường dùng dạng dạng vải So với vật liệu bê tông cốt thép, vật liệu FRP có nhiều ưu điểm nên vật liệu FRP sử dụng rộng rải xây dựng Nhật Bản, Mỹ, châu Âu bắt đầu xuất nước Đông Nam Á Dưới số ưu điểm vật liệu FRP + Cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi cao trọng lượng nhỏ; + Khả chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với chất xâm thực; + Độ bền cao; + Cách điện, chịu nhiệt tốt; + Chịu mỏi cao; + Thi cơng đơn giản tốn nhân cơng, khơng cần máy móc đại; + Khơng cần bão dưỡng chống rỉ q trình khai thác; 1.2.1.Cốt sợi Vật liệu FRP sản xuất từ vật liệu sợi có ba loại vật liệu thường sử dụng sợi Cacbon, sợi thủy tinh sợi aramid Dưới đặc điểm loại cốt sợi a Sợi cacbon Có giá thành đắt so với hai loại sợi thủy tinh sợi aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi thủy tinh Sợi cacbon nhẹ cường độ cao so sánh với sợi thủy tinh aramid Chúng có sức kháng cao với tải trọng động, đặc biệt mỏi từ biến, hệ số giản nở nhiệt thấp Sợi cacbon sản xuất phương pháp nhiệt phân hữu kết tinh nhiệt độ 20000C, sợi xử lý nhiệt theo nhiều trình để tạo sợi bon b Sợi aramid Là sợi hữu tổng hợp có cường độ độ cứng lớn sợi thủy tinh Chúng có tính mỏi từ biến tốt Về mặt sản xuất, sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm Sợi aramid có mơ đuyn đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ Sợi aramid nhẹ sợi thủy tinh khoảng 43% 20% sợi thủy tinh Sợi aramid có loại Kevlar R49, Kevlar R29, Kevlar R c Sợi thủy tinh Có giá thành rẻ so với hai loại sợi cacbon sợi aramid Sợi thủy tinh sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh Sợi thủy tinh có mơ đuyn đàn hồi trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả chống cháy nhiệt độ lên đến 4000C Sợi thủy tinh có loại E-glass, S-glass, C-glass, AR-glass 1.2.2 Chất dẻo Trong vật liệu FRP chất dẻo có vai trò chất kết dính Các chức chủ yếu chất dẻo nền: + Truyền lực sợi riêng rẽ; + Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị mài mòn; + Bảo vệ sợi, ngăn chặn mài mòn ảnh hưởng mơi trường + Kết dính sợi với nhau; + Phân bố, giữ vị trí sợi vật liệu FRP; + Thích hợp hóa học nhiệt với cốt sợi Trong vật liệu FRP chất dẻo có chức truyền lực sợi, cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Chất dẻo dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng viny lester, epoxy, polyethylen Polyester: Chất dẻo polyester có tính kinh tế sử dụng rộng rãi Trong năm gần đây, gần triệu polyester sử dụng năm Mỹ để sản xuất vật liệu composit Ưu điểm polyester tính nhớt thấp, giá thành thấp, độc Nhược điểm polyester độ co ngót lớn Viny lester: Có tính dẻo độ bền cao polyester Ưu điểm Viny lester có sức kháng ăn mòn tốt có tính chất hóa học vật lý tốt cường độ chịu kéo chịu mỏi cao Viny lester có giá thành cao Epoxy: Được sử dụng rộng rãi polyester viny lester 1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC VẬT LIỆU FRP Vật liệu FRP có cường độ độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố sợi đặc trưng học chất dẻo Hiện sợi cacbon sợi thủy tinh với cấu trúc epoxy sử dụng rộng rãi Sợi cacbon sợi thủy tinh có nhược điểm riêng loại Sợi aramid độ bền thấp, mơi trường nhiệt độ cao làm việc Trong sợi cacbon có mơ đun đàn hồi cao nên sử dụng phổ biến kết cấu xây dựng Đặc trưng học FRP phụ thuộc vào yếu tố đây: + Đặc trưng học sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh); + Đặc trưng học chất (sử dụng Epoxy,Vinylester hay Polyester); + Tỷ lệ sợi chất cấu trúc FRP; + Hướng phân bố sợi chất 1.4 ĐỘ BỀN VẬT LIỆU FRP Độ bền vấn đề quan trọng loại vật liệu sử dụng kết cấu hành Vì việc sử dụng vật liệu FRP cho cơng trình xây dựng mẻ cần phải có hiểu biết ứng xử vật liệu FRP Các nghiên cứu gần cho thấy, độ bền vật liệu FRP phụ thuộc vào điều kiện cụ thể môi trường (môi trường kiềm, độ ẩm, nhiệt độ cao); ảnh hưởng yếu tố theo thời gian (từ biến, tải trọng mỏi) 1.4.1 T c động môi trường a Môi trường kiềm (Alkaline) Nước tồn lỗ rỗng bê tông, mơi trường kiềm gây xuống cấp nhựa (resin) phá hoại bề mặt tiếp xúc FRP kết cấu gia cường b Ảnh hưởng độ ẩm Ảnh hưởng độ ẩm liên quan đến hấp thụ chất nhựa Resin Sự hấp thu độ ẩm vật liệu FRP phụ thuộc vào loại nhựa, thành phần sợi, chiều dày, điều kiện bảo dưỡng điều kiện làm việc khác Nói chung ảnh hưởng ngắn hạng độ ẩm gây giảm cường độ ảnh hưởng đến độ cứng kết cấu Sản phẩm FRP có chất Epoxy nhạy cảm với độ ẩm so với chất polyester hoặcvinylester c Ảnh hưởng nhiệt độ Các tác dụng nhiệt độ phụ thuộc vào phản ứng nhớt nhựa composite Mô đun đàn hồi nhựa giảm nhiệt độ tăng lên Trong thực tế, nhiệt độ vượt nhiệt độ chuyển hóa, hiệu suất vật liệu FRP giảm đáng kể Nói chung, chu kỳ nhiệt làm ảnh hưởng khơng có hại FRP, nhiên họ gây vết nứt nhở hệ thống với nhựa có modulus cao Đối với nhiệt độ điển hình cơng trình dân dụng, sử dụng nơi mà nhiệt độ chuyển hóa ln cao nhiệt độ hoạt động tối đa hệ thống kết cấu gia cường để tránh thiệt hại cháy gây 1.4.2 T c động c c yếu tố dài hạn a Từ biến chùng Đối với hầu hết vật liệu FRP, biến dạng từ biến yếu tố quan trọng nơi có ứng suất cao hay nhiệt độ cao kết hợp hai yếu tố Trong vật liệu FRP đặc tính từ biến chùng phụ thuộc vào tính chất chất nhựa cốt sợi Từ biến giảm 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 cốt sợi.Các sợi FRP làm trì hỗn hình thành vết nứt, ngăn cản mở rộng vết nứt 1.5 TRÌNH TỰ THI CƠNG GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CFRP 1.5.1 Trình tự thi công tổng qu t 10 1.6.1 Sửa chữa hư hỏng bề mặt kết cấu: Các hư hỏng bề mặt kết cấu thường bao gồm: - Sứt vỡ bê tơng lỗi q trình thi - Rỗ bê tông thi công chất lượng - Nứt vỡ bê tơng ăn mòn cốt thép - Nứt bê tông thi công thiếu khả chịu lực 1.6.2 Chuẩn bị bề mặt kết cấu trước d n sợi CFRP Mài phẳng bề mặt Vệ sinh bề mặt Pha trộn keo cắt vải theo thiết kế 1.6.3 Công t c kiểm tra hàng ngày Kiểm tra hàng ngày trình sửa chữa bao gồm: - Nhiệt độ bề mặt bê tông môi trường xung quanh - Độ ẩm tương đối bề mặt bê tông độ ẩm môi trường (đặc biệt cho trường hợp keo Epoxy yêu cầu độ ẩm) - Điều kiện thời tiết nói chung - Chất lượng cơng tác chuẩn bị bề mặt - Kiểm tra chất lượng công tác kiểm tra bề mặt - Kiểm tra chiều rộng vết nứt có tiêm khơng tiêm Epoxy tất bề mặt kết cấu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SÀN BTCT GIA CƯỜNG CFRP DÍNH BÁM NGỒI 2.1 TÍNH TỐN NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU SÀN Kết cấu sàn BTCT thường liên kế với dầm thành hệ không gian dầm-sàn liên kết với cột thành hệ khung không gian dầm-cột-sàn làm việc với Ngày để tính tốn dạng kết cấu thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với 11 phần mềm chuyên dụng SAP2000,MIDAS để phân tích Trình tự tổng qt mơ phân tích nội lực kết cấu khung-sàn-cột phần mềm PTHH sau: Bước 1: Mô hình hóa sơ đồ hình học kết cấu - Xây dựng hệ lưới phụ trợ để mô tả phần tử kết cấu cần - Vẽ/ phát sinh loại phần tử mơ hình kết cấu - Gán liên kết mơ hình kết cấu Phần tử dầm, cột sử dụng loại phần tử (frame) điểm nút để mơ phỏng, phần tử sàn dùng loại phần tử vỏ (shell) điểm nút điểm nút để mô Ngày nhiều phần mềm thương mại cho phép khai báo mơ hình kết cấu theo kiểu nhập tham số mơ hình, phần mềm tự động phát sinh phần tử theo tham số khai báo, sử dụng mơ hình mẫu cho phép phát sinh loại mơ hình thơng thường nhanh chóng Bước 2: Mơ tả vật liệu, mặt cắt phần tử - Định nghĩa mẫu vật liệu dùng mơ hình - Định nghĩa loại mặt cắt phần tử thanh, phần tử tấm/vỏ dùng mơ hình - Gán phần tử cho mặt cắt tương ứng Bước 3: Mô tả tải trọng cho mơ hình - Định nghĩa mẫu tải tải dùng mơ hình - Gán loại/giá trị tải trọng tác dụng lên nút, lên phần tử - Định nghĩa tải trọng di động kết cấu có - Định nghĩa trường hợp tải phân tích - Định nghĩa tổ hợp tải Bước 4: Phân tích nội lực mơ hình - Thực lệnh phân tích mơ hình 12 - Kiểm tra lỗi mơ hình có Bước 5: Khai thác kết phân tích nội lực - Thực lệnh hiển thị biểu đồ biến dạng trường hợp/ tổ hợp tải trọng - Hiện biểu đồ nội lực M,N,Q phần tử mơ hình Bước 6: Thực lệnh thiết kế/ kiểm tra kết cấu Các phần mềm PTHH đại ngày thường có khả thiêt kế/kiểm tra kết cấu Kết thiết kế kết cấu BTCT thường lượng thép chịu uốn, thép chịu cắt phần tử tương ứng với tiêu chuẩn thiết kế tổ hợp tải trọng lựa chọn trước Thường phải sử dụng lệnh sau: - Lựa chọn tổ hợp tải thiết kế - Lựa chọn qui trình thiết kế - Thực lệnh thiết kế - Khai thác kết thiết kế 2.2 TÍNH TỐN SỨC KHÁNG UỐN SÀN BTCT GIA CƯỜNG CFRP [4] 2.2.1 C c giả thuyết tính to n: - Biến dạng nhỏ - Khơng có trượt tương đối vật liệu gia cố ngồi FRP bê tơng - Vật liệu gia cố FRP có mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng tuyến tính - Bỏ qua biến dạng cắt - Khơng tính đến khả chịu kéo bê tông - Giá trị biến dạng phá hoại lớn bê tông 0,003 2.2.2 Tính to n gia cường s c kh ng uốn 13 Bước 1: C c thơng số hình học b: bề rộng mặt chịu nén cấu kiện (mm) d: khoảng cách từ thớ chịu nén cực hạn tới trọng tâm cốt thép chịu kéo (mm) df: chiều cao có hiệu vật liệu FRP tăng cường chịu uốn (mm) Af: diện tích vật liệu FRP gia cố bên (mm2) c: khoảng cách từ mép thớ chịu nén cực hạn đến trục trung hòa (mm)  c : giá trị biến dạng bê tông (mm/mm)  s : giá trị biến dạng bê tông giai đoạn khai thác (mm/mm)  bi : giá trị biến dạng ban đầu thời điểm lắp đặt FRP (mm/mm)  fe : giá trị biến dạng có hiệu vật liệu FRP đạt thời điểm phá hoại (mm/mm) fc: ứng suất nén bê tông (Mpa) fs: ứng suất cốt thép thường (Mpa) ffe: ứng suất có hiệu vật liệu FRP; giá trị ứng suất đạt mặt cắt bị phá hoại (Mpa) 14  : tỷ số chiều cao khối ứng suất hình chữ nhật tương đương với chiều cao trục trung hòa  : hệ số nhân với f ,c để tính tốn giá trị tương đương ứng suất bê tông phân bố dạng hình chữ nhật Es: mơđun đàn hồi thép (Mpa) Ec: môđun đàn hồi bê tông (Mpa) f ,c : cường độ nén quy định 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 to n theo phương ph p phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) phương pháp số để giải tốn mơ tả phương trình vi phân riêng phần với điều kiện biên cụ thể Cơ sở phương pháp làm rời rạc hóa miền liên tục phức tạp toán Các miền liên tục chia thành nhiều miền (phần tử) Các miền liên kết với điểm nút Trên miền này, dạng biến phân tương đương với toán giải xấp xỉ dựa hàm xấp xỉ phần tử, thoả mãn điều kiện biên với cân liên tục phần tử Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) sử dụng để giải gần tốn phương trình vi phân phần (PTVPTP) phương trình tích phân Lời giải gần đưa dựa việc loại bỏ phương trình vi phân cách hoàn toàn (những vấn đề trạng thái ổn định), chuyển PTVPTP sang phương trình vi phân thường tương đương mà sau giải cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, Trên giới có nhiều phần mềm PTHH tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP2000, CASTEM 15 2000, SAMCEF,ABAQUS, Mơ hình tính tốn sử dụng phương pháp chuyển vị: F  K.U đó: F: Ngoạ lực tác dụng; K: Độ cứng; : Chuyển vị 2.2.2 Mơ hình kết cấu sàn BTCT gia cường CFRP b ng phần mềm SAP2000 V14 a Số lıệu tính tốn - 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 d10mm) b Số lıệu t ı tr ng - Tính tốn mơ kết cấu với tải trọng tập trung P=10T vị trí sàn - Kích thước cột 350x200, dầm 300x200, sàn dày 100mm - Ơ sàn kích thước 4x3,5m - Gia cường kết cấu sàn BTCT lớp CFRP với thông số sau: + Sợi cấu tạo FRP: Carbon + Giới hạn đứt bền: fu = 1000 Mpa + Mô đun đàn hồi FRP: 95000 Mpa c Mô hình hóa tính tốn kết cấu - Mơ mơ hình hình học: Mơ lưới phần tử hữu hạn phù hợp với cấu tạo kiến trúc vẽ kết cấu chọn Kích thước mặt cắt dầm, cột, sàn - Các cấu kiện cột, sàn mô phần tử frame 16 - Sàn mô phần tử Solids - Tấm gia cường CFRP mô phần tử Shell - Khi tính kết cấu phần trên, xem liên kết chân cột ngàm cứng CHƯƠNG THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG SÀN BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÁN TẤM SỢI CFRP VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 3.1 GIỚI THIỆU CƠNG 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 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 vách sử dụng bê tông B30 B40 Riêng dầm sàn tầng chuyển sử dụng bê tông B45 Cáp dự ứng lực sử dụng loại 12,7mm Q trình khảo sát trạng cơng trình sử dụng bao gồm thiết bị tương ứng, thích hợp, đáp ứng yêu cầu theo tiêu chuẩn hành quy trình cơng nghệ - Để có sở chẩn đoán nguyên nhân cố thiết kế biện pháp sửa chữa/gia cường phù hợp, cần tiến hành đo vẽ, khảo sát đánh giá trạng - Đo vẽ chiều dài vết nứt thước thép - Đo vẽ chiều rộng vết nứt kính lúp thước chuẩn - Siêu âm xác định chiều sâu vết nứt: Sau khảo sát vị trí vết nứt cơng trình, lựa chọn vị trí vết nứt rộng để 17 siêu âm xác định chiều sâu vết nứt 3.2 THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM SÀN CƠNG TRÌNH KHÁCH SẠN HOLIDAY BEACH, PHÂN TÍCH LÝ THUYẾN SÀN THỰC NGHIỆM 3.2.1 Phương ph p tăng cường kết cấu sử dụng sợi CFRP Việc tăng cường khả chịu lực kết cấu bê tơng cốt thép nói chung tăng khả chịu lực cho kết cấu bê tông hữu xuất hư hỏng, suy giảm khả chịu lực kết cấu Việc tăng cường tiến hành vật liệu CFRP dính kết với kết cấu bê tơng thơng qua dính bám keo epoxy.[2] Trong tăng cường khả chịu lực cắt kết cấu dầm hay cột, vật liệu FRP gắn với mặt kết cấu bê tông với hướng thớ song song với hướng ứng suất kéo chủ để làm việc tương tự cốt thép đai Vật liệu CFRP sử dụng hiệu bọc lại hoàn toàn để tăng toàn diện khả chịu cắt Phương pháp áp dụng rộng rãi loại kết cấu kết cấu BTCT dầm, cột, sàn tường Ưu điểm vật liệu CFRP có cường độ cao, trọng lượng nhỏ nên không tăng tĩnh tải, chống ăn mòn tốt, ngồi kết cấu tăng cường đạt cải thiện số đặc tính sau: Tăng khả chịu uốn, cắt chịu lực dọc trục, Tăng khả chống động đất, Giảm tác động môi trường, Tăng độ cứng giảm độ biến dạng kết cấu tác dụng tải trọng thiết kế sử dụng … Tuy nhiên giải pháp có nhược điểm số thơng số vật liệu chưa nghiên cứu đầy đủ 3.2.2 Cơ sở thực tính to n thiết kế sữa chữa gia cường: Từ kết khảo s t trạng phân tích kết cấu Căn vào kết khảo sát chi tiết trạng dầm sàn 18 tầng mái, phát xuất vết nứt phân bố phạm vi sàn, số vị trí mặt sàn, vết nứt phấn bố chiều dài dầm Cần xử lý vết nứt để chất đầy tải khơng mở rộng thêm, ảnh hưởng q trình sử dụng lâu dài kết cấu Căn vào khảo sát nứt trạng cơng trình, Để đảm bảo độ toàn vẹn kết cấu, độ cứng tổng thể bảo vệ cốt thép lâu dài cần xử lý tồn vết nứt xuất cơng trình Tuy kết đánh giá số vị trí sàn, dầm chưa đạt cường độ xét đến giảm xuất vết nứt (chiều sâu nứt trung bình lấy 60mm) Lựa chọn biện pháp xử lý + Bơm trám tất khe nứt phát Sikadur 752 chuyên dụng trám khe nứt kết cấu bê tơng với vết nứt có bề rộng >=0.15mm + Quyét keo epoxy dán vải FRP đảm bảo mục tiêu bảo vệ tăng cường sức kháng, vừa nhanh vừa thỏa mãn hai mục tiêu kép Tổng quan thiết kế gia cường cho cấu kiện dầm sàn tầng mái: D-10(200x400) (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’); DB05(400X400)(Trục 2-4); D-C(400X400)(Trục 2-4); Thiết kế bảo vệ bề mặt dầm: Tại sườn dầm sau dán lớp CFRP để bảo vệ bề mặt sườn dầm: D-10(200x400)(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 CD’);D6(200X400)(Trục C-D’); D4(200X400)(Trục C-D’); 19 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 to n thiết kế sữa chữa gia cường Bê tông M400 + Cường độ chịu nén tính tốn theo TTGH thứ nhất: Rb=17MPa + Cường độ chịu kéo tính tốn theo TTGH thứ nhất: Rbt=1,2MPa + Cường độ chịu nén tính tốn theo TTGH thứ hai: Rb,ser=22MPa + Cường độ chịu kéo tính tốn theo TTGH thứ hai: Rbt,ser=1,8MPa + Môđun đàn hồi: Ec=32500Mpa : + Cường độ chịu kéo, nén tính tốn theo TTGH thứ nhất: Rs=Rsc=365 + Cường độ chịu kéo, nén tính tốn theo TTGH thứ hai: Rsn=Rs,ser=390 MPa + Môđun đàn hồi thép: Es=200000 Mpa + Môđun đàn hồi: Ec= 31799 Mpa ông số FRP: + Cấu trúc FRP: Dệt + Sợi cấu tạo FRP: Carbon + Giới hạn đứt bền: fu = 1500 Mpa + Mô đun đàn hồi FRP: 95000 Mpa 3.3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN 3.3.1 Tổng quan qu trình thử nghiệm - Việc thử tĩnh kiểm chứng kết cấu dầm sàn mái BTCT 20 khách sạn Holiday sau sửa chữa vết nứt gia cường kết cấu nhằm kiểm tra hiệu biện pháp gia cường sàn đánh giá khả chịu tải thực tế kết cấu 3.3.2.Tải trọng thử nghiệm qui trình thử Qui trình thử nghiệm đánh giá: TCVN 9344:2012 Kết cấu bê tông cốt thép - Đánh giá độ bền phận kết cấu chịu uốn cơng trình 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 sàn: 200+260=460 kg/m2 + Tải trọng thử nghiệm cấp tải 115 kg/m2 Tuy nhiên thực tế công trường nên tải trọng thử cấp 1: 80kg/m2, cấp 2: 90kg/m2 Kết thử tải ngoại suy giá trị đo đạc theo tải trọng đề cương phê duyệt (460kg/m2) - Trình thự thực hiện: + Xác định cường độ tải trọng thử ô sàn tầng mái : Với mục đích đánh giá khả chịu tải thực tế ô sàn tầng mái khối khách sạn sau sửa chữa gia cường, nên kiến nghị cường độ tải thử với tổng tải trọng thiết kế + Lắp đặt hệ giàn giáo an tồn cho thử tĩnh sàn theo qui định Kết cấu giàn giáo an tồn đủ chịu tĩnh tải sàn tải trọng thử nghiệm lớn + Lắp đặt điểm đo ứng suất dầm, sàn, độ võng dầm, sàn + Kiểm tra hoạt động bình thường hệ thống thiết bị Ghi số liệu ban đầu cảm biến (hoặc zero) + Chất tải cấp lên ô sàn 3.3.3 Một số kết thử tải + Tổng hợp kết thử tải với tải trọng thí nghiệm: 21 + Độ võng dầm lớn với cấp gia tải lớn (170kg/m2): 0.12 mm + Ứng suất kéo thớ lớn nhất: 0.33 MPa (ST3) a Đánh giá kết qu thử t i Căn tiêu chuẩn TCVN 9344:2012 thiết lập tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng dầm sàn dựa kết thử tải sau: Tham số đ nh giá Chiều dài nhịp Đơn vị tính TCVN 9344-2012 Độ võng lớn L=5000, h=400 mm ymax=L2/20.000h=3.125 tải trọng thử L=4000, h=400 mm ymax=L2/20.000h=2.667 Độ võng lớn ứng với cấp tải lớn (170kg/m2) điểm đo V1: 0.09 mm < 3.125 mm Đạt yêu cầu - Độ võng lớn ứng với cấp tải lớn (170kg/m2) điểm đo V2: 0.12 mm < 2.667 mm Đạt yêu cầu - Độ võng lớn ứng với cấp tải lớn (170kg/m2) điểm đo V3: 0.32 mm < 2.667 mm Đạt yêu cầu N độ cứng (độ võng) kết cấu t đạt yêu cầu c ịu tải trọng t cấ lớn n ất ứng với tải trọng 170kg/m2 - b Đánh giá ứng suất trình thử t i Tham số đ nh giá Ứng suất kéo bê Đơn tính MPa vị ACI-318-08 0.63*sqrt(30) Đ nh giá 22 tông trạng thái giới hạn sử dụng Ứng suất kéo lớn trình thử tĩnh =3.45 MPa 0.33 Đạt N vậy, ứng suất k o kết cấu t đạt yêu cầu c ịu tải trọng t cấ lớn n ất ứng với tải trọng t ng iệm 170kg/m2 (đán giá t eo tiêu c uẩn C -318-08) c Đánh giá theo kết qu phân tích mơ hình lý thuyết Xây dựng phân hình phần tử hữu hạn (FEM) phần mềm SAP2000 v14 để mô ứng xử kết cấu theo tiến trình thí nghiệm để kiểm chứng với số liệu đo thực tế Kết phân tích nội lực kết cấu dầm, sàn Thông số so s nh Độ võng lớn ứng với cấp tải lớn Ứng suất kéo ứng với cấp tải lớn Kết phân tích Đơn vị tính Kết đo đạc mm 0.12 0.15 K=Sđo/Stính=0.80 MPa 0.33 0.37 K=Sđo/Stính=0.89 Sai khác (%) lý thuyết Qua kết đo đạc, ân tíc tín tốn k i t tải kiểm c ứng, Các giá trị độ võng, ứng suất t u tương đối n ỏ, ù ợ với tín tốn mơ ìn lý t uyết mơ ìn P HH ần mềm S P2000 d Ngoại suy kết qu thử t i với t i tr ng theo thiết kế (460kg/m2) Căn theo kết thử tải với tải trọng thử 170(Kg/m2) trình bày Tiến hành ngoại suy trường hợp tải trọng sử dụng lớn 460(Kg/m2) với giả thuyết ứng xử kết cấu nằm giai đoạn đàn hồi 23 - Kết độ võng, ứng suất: Căn tiêu chuẩn TCVN 9344:2012, ACI-318-08, TCVN 5574-2012 thiết lập tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng dầm sàn tầng mái kết tải trọng thử Ptn=100%Psd sau: - Độ võng lớn ứng điểm đo V1 với tải trọng thử 460Kg/m2: 0.09 mm < 3.125 mm Đạt yêu cầu - Độ võng lớn ứng điểm đo V2 với tải trọng thử 460Kg/m2: 0.12 mm < 2.667 mm Đạt yêu cầu - Độ võng lớn ứng điểm đo V3 với tải trọng thử 460Kg/m2: 0.32 mm < 2.667 mm Đạt yêu cầu - Ứng suất kéo lớn với tải trọng thử 460Kg/m2: 0.89MPa < 3.45MPa Đạt yêu cầu N độ cứng (độ võng), ứng suất k o kết cấu đạt yêu cầu ứng với tải trọng t ng iệm Ptn=100%Psd =460(Kg/m2) Kết cấu dầm sàn tầng mái Dự án k ác sạn HOL D Y BE CH sau k i gia cường đảm bảo độ cứng c ống biến dạng c ịu tải trọng t ng iệm t eo CVN 9344-2012 tương ứng với tổng tải trọng t eo t iết kế (460kg/m2) 24 KẾT LUẬN CHƯƠNG Dựa vào kết nghiên cứu, thiết kế thử tải kiểm chứng sau gia cường kết cấu vật liệu CFRP cơng trình khách sạn Holiday dẫn đến số kết luận sau: + Sử dụng hệ thống CFRP (Vải sợi bon+keo epoxy) dính bám ngồi để gia cường kết cấu dầm-sàn BTCT thuận lợi, thi công nhanh chóng hiệu + Sức kháng uốn sau gia cường thiết kế tăng từ 20%-50% tùy theo phân bố tính chất vật liệu CFRP BTCT hữu + Kết đo đạc độ võng, ứng suất sàn thử tải kiểm chứng mức tải sử dụng cho thấy kết cấu sau gia cường an toàn ứng suất độ võng Sự làm việc hệ keo epoxy với BTCT cũ tốt, khơng có tượng tách lớp cấp tải trọng cao + Nếu sử dụng mô hình kết cấu vật liệu phù hợp cho BTCT, CFRP cho kết phân tích lỹ thuyết phù hợp với kết đo đạc thực tế ... viên chọn đề tài nghiên cứu Nghiên c u gia cường BTCT b ng CFRP dính b m ngồi có tính thời ứng dụng Mục tiêu đề tài Nghiên cứu ứng xử sàn BTCT gia cường sợi carbon (CFRP) dính bám ngồi mơ hình... sàn chịu uốn Đối tượng phạm vi nghiên c u Đối tựơng nghiên c u: Sàn BTCT gia cường CFRP dính bám Phạm vi nghiên c u: Sàn BTCT nhà dân dụng gia cường CFRP Phương ph p nghiên c u Lý thuyết kết hợp... gia cường kết cấu BTCT vật liệu FRP Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn sàn BTCT gia cường FRP dính bám ngồi Chương 3: Thực nghiệm thử tải sàn BTCT gia cường FRP CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC GIA