KẾT cấu – CÔNG NGHỆ xây DỰNG PHÂN TÍCH một số yếu tố ẢNH HƯỞNG tới HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG dầm BTCT BẰNG tấm CHẤT dẻo có cốt sợi

KẾT CẤU – CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG DẦM BTCT BẰNG TẤM CHẤT DẺO CÓ CỐT SỢI ThS NGUYỄN HỮU TN, ThS ĐỒN NHƯ HOẠT, ThS TRẦN ĐÌNH HỒNG Trường Cao đẳng Giao thơng Vận tải II Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu tăng cường khả chịu uốn dầm BTCT chất dẻo có cốt sợi Thực tế có số cơng trình cầu áp dụng phương pháp gia cường cho kết tốt, trình áp dụng chưa xét đến ảnh hưởng yếu tố như: Chất lượng bê tông dầm, điều kiện môi trường, khống chế hiệu chỉnh ứng suất vật liệu, chiều dài gia cường có hiệu quả, chiều cao mặt cắt…, yếu tố có tác động khơng nhỏ tới hiệu gia cường dầm Từ khóa: Gia cường cầu, cầu BTCT, vật liệu mới, FRP, tăng cường khả chịu uốn, Tyfo® Đặt vấn đề Trong khoảng thời gian qua ngành cầu Việt Nam đạt thành tựu vượt bậc, nhiều cơng trình cầu nhịp lớn, đại thiết kế xây dựng khắp nước Song, có thực tế dễ thấy hệ thống hạ tầng nước ta chưa đồng bộ, số lượng cầu cũ, cầu yếu nhiều mà chưa thay nâng cấp Điều đặt đòi hỏi thiết nước ta, nước phát triển, ngân sách đầu tư hạn hẹp, cần phải có giải pháp trước mắt để giải vấn đề Đó cải tạo, nâng cấp phận kết cấu nhịp cầu cũ, để tăng sức chịu tải, kéo dài tuổi thọ cầu Gần giải pháp gia cường cho kết cấu BTCT ứng dụng để nâng cấp tải trọng cho cơng trình cầu tỏ hiệu quả, cho phép cầu tiếp tục kéo dài thời gian khai thác cầu mà giá thành thi cơng thấp, dán vật liệu gia cường dạng chất dẻo có cốt sợi (Fiber Reinforced polymer - FRP) Vật liệu FRP dạng vật liệu composite, chế tạo từ cốt liệu sợi kết hợp với chất kết dính (chất nền), có ba loại cốt liệu sợi thường sử dụng sợi carbon CFRP, sợi thủy tinh GFRP sợi aramid AFRP; chất kết dính thường Epoxy, Polyeste vinyl ester Sự kết hợp tạo thành loại vật liệu hồn chỉnh có cường độ chịu kéo cao, trọng lượng nhỏ, cách điện, chịu nhiệt tốt Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 Theo khả vật liệu, lĩnh vực xây dựng nói chung sử dụng vật liệu FRP để gia cường cho kết cấu trường hợp sau: - Tăng cường khả chịu uốn chịu cắt dầm BTCT để sửa chữa gia cường khả chịu tải; - Tăng cường khả chịu uốn sàn BTCT vùng có mơ men dương mơ men âm; - Tăng cường khả chịu uốn chịu nén cột BTCT để gia cường khả chịu tải [4] Trên thực tế có số cơng trình cầu áp dụng phương pháp gia cường cho kết ban đầu tốt Tuy vậy, trình áp dụng kỹ sư chưa xét đến ảnh hưởng nhiều yếu tố tác động tới hiệu gia cường như: Đặc điểm bê tông bề mặt, điều kiện môi trường, quan hệ ứng suất - biến dạng làm việc đồng thời vật liệu FRP với vật liệu kết cấu (bê tông, cốt thép) Dưới số kết nghiên cứu có xét đến ảnh hưởng số yếu tố tác động tới hiệu tăng cường khả kháng uốn cho dầm BTCT, từ áp dụng để tính tốn gia cường cho dầm cầu BTCT DƯL cụ thể Phương pháp tính tốn gia cường khả chịu uốn dầm FRP Ngun tắc tính tốn gia cường dầm FRP phải thực dựa sở ngun tắc tính tốn kết cấu BTCT tiêu chuẩn ACI 318, ACI 440.2R tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05 [1], [2], [7] 2.1 Mơ hình phá hoại Theo [2], [3], [5] khả chịu uốn dầm phụ thuộc vào mơ hình phá hoại, tăng cường khả chịu uốn kết cấu BTCT FRP có dạng phá hoại sau: - Sự phá hoại bê tông vùng nén trước cốt thép chịu kéo bị chảy; - Sự chảy dẻo thép chịu kéo sau xảy phá hoại vật liệu FRP; 21 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG - Sự chảy dẻo thép vùng chịu kéo sau có phá hoại bê tơng vùng chịu nén (phá hoại đồng thời) Đặc biệt, theo [1] cần thiết phải xét đến dạng phá hoại khác, là: - Sự bóc tách lực cắt kéo tác động lên lớp bê tông bảo vệ; - Sự bóc tách lớp vật liệu gia cường khỏi bề mặt bê tơng Khi tính tốn gia cường, trước tiên cần xác định mơ hình phá hoại dầm, sở để tính ứng suất, biến dạng loại vật liệu, nói chung thiết kế gia cường dầm cần tính tốn cho dầm trạng thái phá hoại đồng thời hợp lý nhất, tức lúc bê tơng chịu nén, cốt thép kéo FRP bị phá hoại lúc 2.2 Tính khả chịu uốn mặt cắt dầm sau gia cường Muốn tính khả chịu uốn dầm sau gia cường cần xác định vị trí trục trung hòa (TTH) Giả sử xét dầm BTCT DƯL tiết diện chữ T gia cường FRP đáy dầm Với giả thiết TTH qua sườn dầm Khi vị trí TTH tính theo cơng thức sau: c= fs As + fps Aps + ffe A f - α1f'c β1(bf - b)hf  hf α1f'cβ1b (1) với hf chiều dày cánh dầm Nếu c < hf chứng tỏ TTH qua cánh dầm, ta cần tính lại c theo dạng mặt cắt hình chữ nhật với bề rộng bề rộng cánh dầm, (1) trở thành: c= fs A s + fps A ps + ffe A f α1f'c β1b f a h a Mn = fsAs(d- ) + fpsAps(dp - ) +α1f'cβ1(bf - b)hf ( - f ) +ψf ffeAf (h- ) 2 2 a a a Mn = fsAs (d - ) + fpsAps (dp - ) + ψf ffeAf (h - ) 2 22 h chiều cao dầm; b chiều rộng sườn dầm; bf chiều rộng cánh dầm; dp khoảng cách từ trọng tâm cốt thép DƯL đến đỉnh dầm; d khoảng cách từ trọng tâm cốt thép thường đến đỉnh dầm; As diện tích cốt thép thường chịu kéo; Aps diện tích cốt thép DƯL; f hệ số chiết giảm cường độ vật liệu FRP lấy 0,85;  hệ số chiết giảm khả chịu uốn dầm Như để tính khả chịu uốn danh định Mn, khả chịu uốn tính tốn Mr dầm sau gia cường cần xác định ứng suất (biến dạng) cốt thép, bê tông vật liệu gia cường FRP, yếu tố xác định dựa vào biểu đồ ứng suất - biến dạng dầm sau gia cường Đối với cốt thép DƯL cấp 270 (có fpu=1860MPa) sau dầm gia cường, ứng suất tính theo công thức (6): 196500 ps  fps   0, 276 1860    0, 007 ps   ps  0, 0086 (6)  ps  0, 0086 Biến dạng cốt thép DƯL sau gia cường tính theo (7):  ps   pe  Pe e (1  )   p(net ) Ec Acg r (7) đó: (4) Khả chịu uốn tính tốn tiết diện dầm: Mr = Mn fps, fs ffe ứng suất cốt thép DƯL, cốt thép thường chịu kéo vật liệu FRP; (3) Trường hợp TTH qua cánh dầm khả chịu uốn danh định dầm sau gia cường là: a Af diện tích FRP tiết diện dầm; (2) Khả chịu uốn danh định dầm sau gia cường TTH qua sườn dầm (c  hf) là: a đó: (5) pe biến dạng ban đầu cốt thép DƯL,  pe  fpe ; Ep fpe, Ep ứng suất ban đầu mô đun đàn hồi cốt thép DƯL; Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Pe lực kéo ban đầu cốt thép DƯL, Pe = Apsfpe; e độ lệch tâm lực kéo ban đầu cốt thép DƯL (Pe); Acg diện tích mặt cắt nguyên dầm; bán kính quán tính tiết diện nguyên, r r = Ig Khi tính c cần giả định trước mơ hình phá hoại, thường giả định bê tơng vùng nén bị phá hoại trước (đạt cực hạn) có c = cu = 0,003, sử dụng trị số để xác định trị số biến dạng khác, trình cho phép kiểm tra xác định xem vật liệu điều khiển trình phá hoại (vật liệu bị phá hoại trước) Một số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu gia cường dầm ; A cg Ig mơ men qn tính nguyên mặt cắt dầm; 3.1 Xét tới ảnh hưởng điều kiện môi trường Ec mô đun đàn hồi bê tơng; Trong tính tốn gia cường kết cấu BTCT sợi FRP, sợi có mơ đun đàn hồi tốt, song bị lão hóa theo thời gian sử dụng, mức độ tăng điều kiện môi trường khắc nghiệt, cần phải quan tâm đến điều kiện mơi trường Có thể phân điều kiện mơi trường thành loại: Môi trường bảo quản, che chắn tốt (mơi trường kín); mơi trường khơng che chắn, song nguy hiểm (mơi trường khơng kín) loại thứ môi trường bị xâm thực mạnh (khắc nghiệt), tùy theo điều kiện môi trường cụ thể để tính tốn gia cường cho hợp lý p(net) biến dạng thực cốt thép DƯL, đại lượng phụ thuộc vào mơ hình phá hoại cấu kiện p(net) tính theo cơng thức (8) vật liệu FRP phá hoại trước phá hoại đồng thời tính theo cơng thức (9) bê tơng vùng nén bị phá hoại trước: dp  c  p( net )  ( fe   bi ) hc (8) dp  c (9) Theo khuyến nghị [1] xét tới ảnh hưởng mơi trường làm việc cách chiết giảm ứng suất biến dạng vật liệu theo điều kiện môi trường cụ thể - ε bi (10) Ứng suất FRP là: ffe = Effe (11) Thực tế cho thấy, nhiều tính tốn khơng xem xét tới vấn đề này, kết tính tốn vơ tình có sai khác đáng kể đó: bi biến dạng ban đầu bê tông đáy dầm, tính theo cơng thức: 3.2 Xét tới ảnh hưởng chất lượng bê tông bề mặt  p( net )  0, 003 c Đối với vật liệu FRP, biến dạng vật liệu là: ε fe = ε cu  bi  h-c c Pe Ec Acg (1  ey b M y )  DL b Ec Ig r (12) đó: MDL mô men uốn tĩnh tải tiêu chuẩn gây mặt cắt xét; Ef mô đun đàn hồi vật liệu FRP; yb khoảng cách từ đáy dầm đến trọng tâm tiết diện; cu biến dạng cực hạn bê tông Lưu ý tính tốn để tìm vị trí TTH, yếu tố ứng suất biến dạng ban đầu vật liệu chưa xác định nên cần tiến hành tính thử dần c hội tụ giá trị, bắt đấu với c = 0,1h, sau tính lặp dần Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 Sự bóc tách lớp bê tông bảo vệ bệ mặt (hoặc lớp vật liệu gia cường) xảy ứng suất lớp vật liệu gia cường vượt khả chịu đựng vật liệu bề mặt (bê tơng), bê tơng bề mặt bị bong, bóc tách làm phá hoại dầm Nhiều nghiên cứu cho thấy, mặt cắt gia cường mặt ngồi vật liệu FRP phá hoại dầm bóc tách vật liệu bề mặt chủ yếu (mặc dù FRP chưa phá hoại) Để tránh dạng phá hoại tượng bóc tách vật liệu bề mặt, biến dạng vật liệu FRP cần nhỏ giới hạn biến dạng mà bóc tách xảy ra, nghĩa người kỹ sư cần phải khống chế ứng suất, biến dạng lớp vật liệu FRP, đơn giản lấy ứng suất biến dạng vật liệu với ứng suất cực hạn nó, điều đề cập đến tiêu chuẩn ACI 440.2R 23 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3.3 Xét tới ứng suất bê tơng vùng chịu nén Theo ACI 318 ứng suất bê tông vùng chịu nén xác định phạm vi hình chữ nhật có bề rộng 1f’c chiều cao a = 1c Trong đó, hệ số 1 lấy trung bình 0,85 c vị trí TTH (xác định theo cơng thức (1) (2)) Hệ số khối ứng suất hình chữ nhật 1 bê tơng bị nén vỡ (đạt cực hạn) xác định sau: 0,85 f'c  28MPa   f' - 28 β1 = 0,85 - 0, 05 c 28MPa < f'c  56MPa  0, 65 f'c > 56MPa  nén bê tông với hệ số 1 theo công thức (13) khơng thích hợp Nhiều nghiên cứu điều đó, chẳng hạn theo Viện Bê tơng Hoa kỳ hệ số 1 1 cần tính tốn hiệu chỉnh lại theo cơng thức sau: 4ε'c - ε c 3ε' ε - ε β1 = α1 = c c c 6ε'c - 2ε c 3β1ε'c (14) đó: , f' c ε' c = (13) ; (15) Ec Ec mô đun đàn hồi bê tông dầm; f’c cường độ chịu nén bê tông dầm; Tuy nhiên, thực tế có trường hợp bê tơng chưa đạt tới trạng thái cực hạn mà cốt thép chịu kéo chảy dẻo, lúc biến dạng bê tông vùng nén chưa đạt đến giá trị cực hạn (cu) nên ứng suất chịu c biến dạng bê tông vùng chịu nén Hoặc theo quan điểm tác giả Todeschini (1964) thì: -1 4[(ε'c / εc ) - tan (ε'c / εc )] 0, 9ln[1+ (ε c / ε'c ) ] 1 = β1(εc / ε'c ) εc / ε'c ln[1+ (εc / ε'c ) ]  Thực tế cho thấy, để đơn giản nhiều tác giả không hiệu chỉnh hai giá trị α1 1 mà thường cố định chúng tính tốn gia cường, điều vơ tình làm cho khả chịu uốn dầm gia cường có sai lệch đáng kể Điều kiện khơng kín 40 35 30 25 20 15 10 Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo loại vật liệu GFRP Điều kiện khơng kín 25 %M 20 15 10 Số lớp gia cường Hình Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo điều kiện môi trường với loại vật liệu GFRP 24 Số lớp gia cường Hình Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo điều kiện môi trường với loại vật liệu AFRP Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo loại vật liệu CFRP Điều kiện khắc nghiệt Điều kiện kín Điều kiện khơng kín 70 60 %M 50 40 30 20 10 Số lớp gia cường Điều kiện khắc nghiệt Điều kiện kín 30 Điều kiện kín 45 3.4 Phân tích ảnh hưởng số yếu tố tới hiệu gia cường dầm Để xét tới ảnh hưởng điều kiện môi trường tới hiệu gia cường dầm ta tiến hành phân tích mẫu dầm chữ T có chiều dài L=33m, chiều cao H=1,5m (dầm TH1) gia cường vật liệu FRP rộng 500mm, dày 0,5mm/lớp với số lớp gia cường biến đổi từ đến lớp, theo loại vật liệu gia cường GFRP, CFRP AFRP, hiệu tăng cường khả chịu uốn (%M) thể hình đến hình Điều kiện khắc nghiệt Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo loại vật liệu AFRP Để làm sáng tỏ vấn đề trên, mục phân tích số kết cấu dầm thu kết thú vị (16)  %M β1 = - Hình Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo điều kiện môi trường với loại vật liệu CFRP Các biểu đồ hình đến hình cho thấy điều kiện mơi trường có ảnh hưởng tới hiệu gia cường, đặc biệt nhóm GFRP AFRP Tuy nhiên số lớp gia cường tăng lên khắc phục ảnh hưởng lớp nằm phía ngồi góp phần bảo vệ lớp bên trong, riêng với Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2015 KẾT CẤU – CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG nhóm sợi CFRP hiệu gia cường bị ảnh hưởng điều kiện mơi trường có mơ đun đàn hồi cao chế tạo xử lý nhiệt theo nhiều trình, nhiên giá thành cao Loại AFRP Loại CFRP %M Để phân tích ảnh hưởng chất lượng bê tơng, đặc biệt bê tông bề mặt tới hiệu gia cường dầm, ta tiến hành khảo sát kết cấu dầm có H=1,5m, L=33m (dầm TH2) điều kiện mơi trường kín gia cường lớp vật AFRP rộng 500mm, dày 0,28mm/lớp, kết tăng cường khả chịu uốn (%M) thể hình Loại GFRP Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo loại vật liệu GFRP, AFRP, CFRP 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Số lớp gia cường Hình Hiệu tăng cường khả chịu uốn dầm không xét ảnh hưởng chất lượng bê tông 60 50 40 30 20 10 10 15 20 25 30 35 40 f'c(Mpa) bề mặt điều kiện môi trường Hiệu gia cường M% 50 60 70 80 Hình Hiệu tăng cường khả chịu uốn theo chất lượng bê tơng dầm Đồ thị hình cho thấy hiệu gia cường tốt bê tông dầm có cường độ cao ngược lại bê tơng có cường độ thấp 15MPa hiệu khơng cao (