Sửa chữa và gia cố công trình

Sửa chữa và gia cố công trình bê tông cốt thép bằng phương pháp dán nhờ sử dụng vật liệu FRP Sửa chữa, gia cố công trình bừng cách sử dụng vật liệu FRP Fiber Reinforced Polymer là một phương pháp mới đã được nghiên cứu và áp dụng tại các nước tiên tiến từ những năm 90 của thế kỷ trước. Phương pháp này tận dụng được khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở thành một giải pháp tốt rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố cho công trình bê tông cốt thép. Tuy có hạn chế về mặt giá thành, nhưng phương pháp sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP có rất nhiều ưu điểm như thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo giữa nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao và đặc biệt với các công trình đòi hỏi khả năng chống thấm và ăn mòn cao. I. 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 CFRP, sợi thuỷ tinh GFRP và sợi aramid AFRP. Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, môđun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian... Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm; FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn... Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải. Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thường được sử dụng nhất là của các hãng sản xuất: MBraceTB, Replark®, Sika, Tyfo®... II. Các phương pháp thi công sửa chữa, gia cố kết cấu bằng tấm FRP Mục đích của công tác thi công sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP là đặt tấm FRP vào vị trí cần tăng cường khả năng chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng được khả năng chịu kéo và độ bền của sợi FRP, đồng thời phải đảm bảo cho tấm FRP không bị tách lớp cũng như tách khỏi bề mặt bê tông. Thông thưòng việc thi công tấm FRP gồm các bước: chuẩn bị sửa chữa bề mặt bê tông, sơn lót tăng cường độ bám dính, trét phẳng bề mặt, phủ keo hoặc nhựa dán, đặt tấm dán lên lớp keo, chờ lớp keo khô với thời gian quy định rồi dán các lớp tiếp theo, cuối cùng đợi cấu kiện khô hoàn toàn thì sơn phủ bảo vệ và thẩm mỹ. Hiện nay phổ biến nhất là hai phương pháp thi công đối với loại vật liệu tấm (sheet) và vải (fabric) FRP: dán theo phương pháp khô (dry layup) và dán theo phương pháp ướt (wet lay up). 1. Thi công dán theo phương pháp khô (dry layup) Quá trình thi công dán tấm FRP bằng phương pháp khô có thể chia làm sáu bước: Bước 1: Chuẩn bị bề mặt bê tông Trước khi gia cố lắp đặt tấm FRP thì bề mặt bê tông phải được xử lý kỹ. Sự nguyên vẹn của hệ thống phụ thuộc vào chất lượng và khả năng chịu lực của bê tông đủ để cho liên kết dán của tấm FRP và bê tông được đảm bảo. Các vết nứt, các mảnh vụn sứt mẻ và cốt thép bị gỉ cần phải được chú ý trước khi thi công lắp đặt tấm FRP. Các sứt mẻ và các loại hư hỏng khác cần phải được loại bỏ và được vá lại với các loại vữa sửa chữa phù hợp. Tất cả các vết nứt có bề rộng lớn hơn 0,01in (0,025mm) cần phải được bơm êpoxy để sửa chữa.

Sửa chữa gia cố cơng trình bê tơng cốt thép phương pháp dán nhờ sử dụng vật liệu FRP Sửa chữa, gia cố cơng trình bừng cách sử dụng vật liệu FRP - Fiber Reinforced Polymer phương pháp nghiên cứu áp dụng nước tiên tiến từ năm 90 kỷ trước Phương pháp tận dụng khả chịu lực cao vật liệu với tiện lợi thi công trở thành giải pháp tốt đáng ý chọn lựa để sửa chữa, gia cố cho cơng trình bê tơng cốt thép Tuy có hạn chế mặt giá thành, phương pháp sửa chữa, gia cố cơng trình cách sử dụng vật liệu FRP có nhiều ưu điểm thi cơng đơn giản, nhanh chóng, khơng cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao đặc biệt với cơng trình đòi hỏi khả chống thấm ăn mòn cao I Sơ lược vật liệu FRP - Vật liệu FRP - Fiber Reinforced Polymer dạng vật liệu Composite chế tạo từ vật liệu sợi, có ba loại vật liệu sợi thường sử dụng sợi carbon CFRP, sợi thuỷ tinh GFRP sợi aramid AFRP Đặc tính loại sợi có cường độ chịu kéo cao, môđun đàn hồi lớn, trọng lượng nhỏ, khả chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian - Các dạng FRP dùng xây dựng thường có dạng như: FRP dạng tấm; FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn Trong sửa chữa gia cố cơng trình xây dựng thường dùng loại FRP dạng dạng vải - Trong xây dựng, loại vật liệu FRP thường sử dụng hãng sản xuất: MBraceTB, Replark®, Sika, Tyfo® II Các phương pháp thi công sửa chữa, gia cố kết cấu FRP Mục đích cơng tác thi cơng sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cốt thép FRP đặt FRP vào vị trí cần tăng cường khả chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng khả chịu kéo độ bền sợi FRP, đồng thời phải đảm bảo cho FRP không bị tách lớp tách khỏi bề mặt bê tông Thông thưòng việc thi cơng FRP gồm bước: chuẩn bị sửa chữa bề mặt bê tơng, sơn lót tăng cường độ bám dính, trét phẳng bề mặt, phủ keo nhựa dán, đặt dán lên lớp keo, chờ lớp keo khô với thời gian quy định dán lớp tiếp theo, cuối đợi cấu kiện khô hồn tồn sơn phủ bảo vệ thẩm mỹ Hiện phổ biến hai phương pháp thi công loại vật liệu (sheet) vải (fabric) FRP: dán theo phương pháp khô (dry lay-up) dán theo phương pháp ướt (wet lay -up) Thi cơng dán theo phương pháp khơ (dry lay-up) Q trình thi cơng dán FRP phương pháp khơ chia làm sáu bước: Bước 1: Chuẩn bị bề mặt bê tông Trước gia cố lắp đặt FRP bề mặt bê tơng phải xử lý kỹ Sự nguyên vẹn hệ thống phụ thuộc vào chất lượng khả chịu lực bê tông đủ liên kết dán FRP bê tông đảm bảo Các vết nứt, mảnh vụn sứt mẻ cốt thép bị gỉ cần phải ý trước thi công lắp đặt FRP Các sứt mẻ loại hư hỏng khác cần phải loại bỏ vá lại với loại vữa sửa chữa phù hợp Tất vết nứt có bề rộng lớn 0,01in (0,025mm) cần phải bơm êpoxy để sửa chữa Bước 2: Sơn lót kết cấu cần gia cố Sơn lót bề mặt bê tông cần gia cố cách dùng cọ lăn ngắn trung bình Bước 3: Phủ bột trét làm phẳng bề mặt Bột trét trét bay cầm tay Bột trét sử dụng để làm phẳng bề mặt lấp khuyết tật; việc bao phủ hồn tồn khơng cần thiết Bột trét trét lên bề mặt sơn lót ướt khơng cần đợi sơn khô Bước 4: Phủ lớp keo thứ Keo quét lên bề mặt sơn lót làm phẳng cọ lăn Thơng thường nên lăn lớp keo dày khoảng 15mil đến 20mil tuỳ thuộc vào loại keo Lượng keo sử dụng phụ thuộc vào loại FRP sử dụng Bước 5: Dán FRP Tấm FRP cần đo cắt trước đặt lên bề mặt cần gia cố Tấm FRP đặt lên bề mặt bê tông ấn nhẹ nhàng vào lớp keo dán Trước lột lớp giấy dán mặt sau, dùng lăn cao su lăn theo hướng sợi cho keo dễ dàng ngấm vào sợi riêng lẻ Cọ lăn không lăn theo hướng vng góc với hướng sợi để tránh sợi bị hỏng Bước 6: Phủ lớp keo thứ hai Lớp keo thứ hai phủ lên sau 30 phút kể từ đựt lăn FRP Đến lúc lớp keo rút hết vào FRP.Lớp keo thứ hai quét lên FRP cọ lăn cỡ trung với chiều dày khoảng 15mil đến 20mil Thi công dán FRP theo kiểu ướt (wet lay-up) Phương pháp dán FRP theo kiểu ướt trình tự giống với phướng pháp khô Tuy nhiên phương pháp ướt khác biệt bước thoa keo nhúng nhựa FRP Khi dán FRP phương pháp ướt ta sử dụng vải FRP dạng khô chưa tẩm nhựa Tấm FRP khơ tẩm đẫm nhựa đến bão hồ dán lên bề mặt bê tông xử lý kỹ Ưu điểm phương pháp dán ướt sử dụng cho cấu kiện có kích thước lớn (cột đường kính lớn, mặt đáy sàn, dán bọc ba mặt dầm), liên kết FRP đảm bảo có trường hợp bị phá hoại liên kết Tuy nhiên, dùng phương pháp dán ướt sử dụng lượng keo dán lớn nên thời gian đợi kéo dài Quá trình thoa keo tẩm nhựa cho FRP sử dụng máy tẩm nhựa vải FRP có bề rộng lớn dùng phương pháp thủ cơng tay FRP có bề rộng nhỏ Các bước tiến hành tương tự phương pháp thi công dán khô III Khả chịu uốn dầm bê tông cốt thép gia cố FRP Phương pháp tính dựa theo ACI 318 - 85 (1999) Q trình tính tốn thiết kế khả chịul lực dầm bê tông cốt thép gia cố FRP sau: Bước thứ Tnh toán sơ chọn số lớp FRP cần thiết Khả chịu uốn dầm bê tông cốt thép cũ: As f y a  фMn= фAsfy  d −  với a = ф = 0,9 2 0,85 f c' b  Nếu фMn ≥ Mu khơng cần gia cố, фMn < Mu cần phải gia cố Diện tích FRP cần thiết để gia cố: Af = T M u − φM n với T = φ 0,85 f fu 0,9d Tính tốn số lớp FRP: nf = Af ; chọn nf số nguyên wf t f Bước thứ hai: Tính tốn biến dạng ban đầu đáy dầm thời điểm thi công dán FRP Xác định trạng thái làm việc bê tông thời điểm thi công dán FRP Trong trường hợp Mcr < Mip bê tông làm việc trạng thái nứt (cracked) M cr ≥ Mip bê tơng làm việc trạng thái khơng nứt (uncracked) Momen nứt dầm bê tông: f c' Sm = Mcr = frSm với fr = 7,5 lg h/2 Biến dạng ban đầu bê tông mặt dầm trạng thái nứt: ε bi = với kd = ((E / Ec ) A ) M ip (h − hd ) l cr E c + 2b( E s / E c ) As d − ( E s / E c ) As b Es (kd )  kd  As (d - kd)2 lcr = b +bkd   + Ec 12   Biến dạng ban đầu dầm bê tông dự ứng lực trạng thái không nứt: Εbi = M ip C b l g Ec − Pe Ac E c  ecb 1 +  rg2      Bước thứ ba: Xác định mơ hình phá hoại dầm bê tông cốt thép gia cố FRP h−c  , dầm phá hoại theo mơ hình bê tơng bị vỡ (crushing concrete) Nếu εfu + εbi > εcu   c  h−c  , dầm phá hoại theo mơ hình FRP bị đứt (FRP rupture) Nếu εfu + εbi < εcu   c  Ta giả định giá trị c= 0,15d để tính tốn xác định mơ hình phá hoại dầm Giá trị xác xác định bước tính sau 3.1 Trường hợp thứ nhất: Khi dầm FRP bị phá hoại theo mơ hình bê tơng bị vỡ (crushng concrete) Khi kết cấu bê tơng bị phá hoại theo mơ hình bê tông bị vỡ (crushng concrete), biến dạng bê tông trạng thái phá hoại đạt giá trị biến dạng lớn cho phép ε c = εcu Mà theo ACI 318 -85 (1999) giá trị ε cu lấy 0,003 Dựa vào biểu đồ biến dạng ta xác định giá trị: h−c  Biến dạng cốt thép chịu kéo: εs = εcu   c   c − d'   Biến dạng cốt thép chịu nén:εs = εcu   c  h−c  - εbi Biến dạng FRP tính sau: εs = εcu   c  Bởi bê tông trạng thái biến dạng lớn cho phép nên phần hình chữ nhật ứng suất chịu nén bê tơng lấy theo ACI 318-85 (1999) mục 10.2.7.3 Khi giá trị γ = 0,85 β1 0,85 – 0,05 f c' − 400 với điều kiện 0,65 ≤ β1≤ 0,85 1000 Ứng suất cốt thép chịu kéo: fs = Esεs ≤ fy Ứng suất cốt thép chịu nén: fs = Esεs ≤ fy Ứng suất FRP: ff = Esεs Khi giá trị giả định ban đầu c xác định kiếm tra lại theo công thức: c= As f s − As' f s' + A f f f 0,85 f c' β1b Sau xác định giá trị c theo công th ức ta cần kiểm tra lại điều kiện phá hoại dầm theo mơ hình phá hoại bê tông vỡ (crushing concrete) phá hoại FRP bị đứt (FRP rupture).Nếu giá trị c tìm theo cơng thức đảm bảo điều kiện mơ hình phá hoại bê tơng vỡ (crushing concrete) sử dụng c cho bước tính sau Còn khơng thoả mãn chuyển sang tính tốn theo mơ hình phá hoại FRP bị đứt (FRP rupture) 3.2 Trường hợp thú hai: Khi dầm FRP bị phá hoại theo mơ hình FRP bị đứt (FRP rupture) Q trình tính tốn trường hợp dầm phá hoại theo mơ hình FRP bị đứt (FRP rupture) tương tự trường hợp Khi biến dạng FRP đạt giá trị biến dạng lớn cho phép Giá trị xác định theo loại vật liệu FRP nhà sản xuất cung cấp Dựa vào εf = εfu ta có: Biến dạng FRP: εf = εfu = εb – εbi  c   Biến dạng bê tông:εf = (εfu+εbi)  h−c d −c  Biến dạng cốt thép chịu kéo: εs = (εfu+εbi)  h−c c−d   Biến dạng cốt thép chịu nén: εs = (εfu+εbi)  h−c Ứng suất cốt thép chịu nén chịu kéo xác định theo công thức (5.20) (5.21).Đối với bê tông biến dạng chưa đạt đến giá trị cho phép lớn nên phần ứng suất chịu nén bê tông lấy theo Whitney (dùng ACI 318-85(1999) khơng thích hợp Khi để xác định tổng lực nén phần bê tông xác định dựa theo công thức Todeschini (1964).Khi ta có: [ (ε c / ε c' ) − tan −1 (ε c / ε c' ) β1=2(ε c / ε c' ) In(1 + (ε c / ε c' ) ) ] 0,90 In(1 + (ε c / ε c' ) ) γ= β1 (ε c / ε c' ) Dùng phương pháp cân lực ta xác định chiều cao giả định c sau: ' Với ε c = 1,71 f c' ' giá trị tan-1 ( ε c / ε c ) tính radian Ec Dùng phương pháp cân lực ta xác định chiều cao giả định c sau: c= As f s − As' f s' + A f f f γf c' β1b Sau tính tốn giá trị c theo cơng thức ta phải kiểm tra điều kiện phá hoại dầm Nếu đảm bảo điều kiện dầm phá hoại theo mơ hình FRP bị đứt (FRP rupture) ta tiếp tục tính tốn tìm giá trị c cách lấy giá trị trung bình c vừa tìm giá trị c giả định ban đầu làm giá trị c giả định để tiếp tục tính tốn lại để tìm giá trị c Giá trị c cần tìm xác định gần với giá trị c giả định với sai số cho phép dùng cho bước tính sau 4.Bước thứ tư: Xác định khả chịu lực dàm bê tông cốt thép gia cố FRP Khả chịu lực dầm bê tông cốt thép gia cố FRP tính tốn theo cơng thức sau: β1c  β c    ' ' β c  + As f s  − d '  + 0,85 A f f f  h −  Mn=Asfs  d −       Khả chịu lực dầm фMn phải lớn mômen uốn tính tốn Mu (có hệ số) Giá trị ф xác định sau: 0,90 Khiε s ≥ 2ε sy  ε  φ = 0,50 + 0,20 s Khiε sy < ε s < 2ε sy ε sy  0,70 Khiε ≤ ε y  Bước thứ năm: Kiểm tra khả làm việc kất cấu dán FRP chịu tải Chiều cao trục bị nứt kd xác định từ công thức: Ef (kd ) b E s − As (d − kd ) − A f (h − kd ) = Ec Ec ứng suất kéo cốt thép trạng thái chịu mômen Ms(không nhân hệ số) phải thoả mãn điều kiện: [M fs = s ] + ε bi A f E f ( h − kd ) ( d − kd ) E s As E s (d − kd / 3)(d − kd ) + ≤ 0,80 f y + As' E s (kd / − d ' )(kd − d ' ) + + A f E f (h − kd / 3)(h − kd ) Ứng suất nén cốt thép phải thoả mãn điều kiện: f s' = f kd − d ' ≤ 0,40 f y d − kd Ứng suất bê tông phải thoả mãn điều kiện:  E  kd f c = f s  c  ≤ 0,5 f c' E d − kd  c Ứng suất FRP phải thoả mãn điều kiện:  E f  h − kd  f f = f s  − ε bi E f ≤ 0,33C D C E f fu  E s  d − kd Giá trị CD = 1,00 CE = 0,65 ~1,00 sợi Cacbon (Carbon Fibre) Giá trị CD = 0,30 CE = 0,60 ~ 1,00 sợi Thuỷ tinh (Glass Fibre) IV Khả chịu lực cột bê tơng cốt thép gia cố FRP Để tính tốn khả chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố FRP chịu nén tâm theo ACI 318-95 (1999) người ta dựa theo cơng thức tính tốn khả chịu nén bê tơng bị bó FRP Saadatmanesh (1994) công thức Saaman (1998) Cơng thức tính tốn khả chịu nén bê tơng bị bó FRP tổng qt cho hai loại tiến diện tròn chữ nhật theo hai tác giả sau: Tính tốn khả chịu nén bê tơng bị bó FRP theo Saaman (1998) Cơng thức tính tốn khả chịu nén bê tơng bị bó FRP Saaman (1998) dạng tổng quát sau: f’α = f’c + 3,38fr0,7(ksi) Đối với tiết diện tròn: f r = f fu t wf D Đối với tiết diện chữ nhật: f = max{ f rx , f ry } ; với giá trị frx, fry theo công thức: f rx = t wf Ae ρ fx f fu ; ρ fu = Ac tx f ry = t wf Ae ρ fu f fu ; ρ fu = Ac ty với Ae diện tích tiết diện chịu tác dụng bó FRP tiết diện chữ nhật, theo Sheikh Uzumeri (1980) ta tính Ae theo cơng thức sau:  w x2 + w y2 Ae = txty -   ta có: f   - Asc – (4 – π) r2   ε fu E f ; γf= 1,1 vật liệu CFRP γ f = 1,8 vật liệu GFRP Giá γf trị εfu lấy 0,3% ~ 0,55% tức 0,003 ~ 0,005 theo Restrepol De Vino (1996) Khả chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố FRP chịu nén tâm Theo ACI 318-95 (1999) ta có cơng thức tính tốn khả chịu lực bê tơng khơng bị bó chịu nén tâm theo công thức sau đây: Pn = 0,85f’c (Ac – As) + Asfy Cơng thức tính tốn khả chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố FRP chịu nén tâm sau: Pn = 0,85f’c (Ac – Ae - As) + Asfy + 0,85f’ccAe + Asfy V Kết luận Phương pháp sửa chữa, gia cố cơng trình bê tơng cốt thép dán FRP sử dụng rộng rãi Nhật Bản, Mỹ, châu Âu bắt đầu xuất nước Đông Nam Á Qua nghiên cứu, nhận thấy rõ ưu điểm phương pháp sửa chữa, gia cố dán FRP mặt: vật liệu FRP có cường độ độ bền cao, khối lượng riêng thấp, thi cơng dễ dàng nhanh chóng, tốn nhân cơng, khơng cần máy móc đặc biệt, thi cơng điều kiện mặt chật hẹp, không ảnh hưởng đến xung quanh nên tiến hành thi cơng cơng trình tiếp tục hoạt động, khối lượng gia cố thấp, không làm thay đổi kiến trúc cơng cơng trình, đảm bảo tính mỹ thuật cao, khơng cần bảo trì Phương pháp sửa chữa, gia cố cơng trình bê tơng cốt thép dán FRP xâm nhập vào thị trường xây dựng Việt Nam sửa chữa đài nước có từ trước năm 1975 TP HCM Chúng tin phương pháp sửa chữa vật liệu FRP có chỗ đứng cao người hiểu rõ tính chất ưu việt phương pháp TS Ngô Quang Tường (Nguồn tin: T/C Tư vấn Thiết kế, số 1/2007) ... cơng trình tiếp tục hoạt động, khối lượng gia cố thấp, không làm thay đổi kiến trúc cơng cơng trình, đảm bảo tính mỹ thuật cao, khơng cần bảo trì Phương pháp sửa chữa, gia cố cơng trình bê tơng cốt... chịu lực cột bê tơng cốt thép gia cố FRP chịu nén tâm sau: Pn = 0,85f’c (Ac – Ae - As) + Asfy + 0,85f’ccAe + Asfy V Kết luận Phương pháp sửa chữa, gia cố cơng trình bê tơng cốt thép dán FRP sử... tính sau 4.Bước thứ tư: Xác định khả chịu lực dàm bê tông cốt thép gia cố FRP Khả chịu lực dầm bê tơng cốt thép gia cố FRP tính tốn theo công thức sau: β1c  β c    ' ' β c  + As f s  −