Mục tiêu của nghiên cứu này là phân tích ứng xử và đánh giá sự hiệu quả của vật liệu TRC ở hai mức độ là thí nghiệm vật liệu và kết cấu. Kết quả đạt được đã chứng minh được hiệu quả của giải pháp lai gia cường vật liệu cốt lưới sợi dệt trong việc gia cường dầm bê tông cốt thép.
BÊ TÔNG - VẬT LIỆU XÂY DỰNG GIẢI PHÁP LAI GIA CƯỜNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI SỢI DỆT NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP TS LÊ NGUYÊN KHƯƠNG, ThS CAO MINH QUYỀN Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải PGS TS NGUYỄN XUÂN HUY Đại học Giao thông Vận tải GS SI LARBI AMIR Viện nghiên cứu LTDS-ENISE Pháp Tóm tắt: Trong khoảng 30 năm qua, vật liệu composite Fiber-Reinforced Polymer (FRP) với đặc tính học tốt, dễ thi cơng, phát triển sử dụng nhiều việc sửa chữa gia cường kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên, số hạn chế FRP giá thành cao, dễ bị ảnh hưởng nhiệt độ, bong tách lớp kết dính khơng phù hợp với phát triển bền vững, lý khiến vật liệu FRP dần thay loại vật liệu thân thiện bê tông cốt lưới sợi dệt (Textile Reinforced Concrete - TRC) Mục tiêu nghiên cứu phân tích ứng xử đánh giá hiệu vật liệu TRC hai mức độ thí nghiệm vật liệu kết cấu Kết đạt chứng minh hiệu giải pháp lai gia cường vật liệu cốt lưới sợi dệt việc gia cường dầm bê tông cốt thép Từ khóa: TRC, FRP, bê tơng cốt thép, giải pháp lai gia cường Abstract: Over the last thirty years, FiberReinforced Polymer (FRP) composite material with their good mechanical performance as well as the easy implementation, which is developed and used for repairing and strengthening reinforced concrete structures However, FRP also have a number of limitations, for example their very high price, their incompatibility with sustainable development, this makes FRP material to be replaced by an environment friendly material, such as Textile Reinforced Concrete (TRC) The objectives of this study are to analyze the behavior and the effect of TRC-strengthened on material and structural design The results demonstrate the effectiveness of the TRC and hybrid strengthening method for RC beams Keyword: TRC, FRP, reinforced concrete, hybrid strengthning solution 42 Giới thiệu Trong nhiều thập kỷ vừa qua, với phát triển chung khoa học, nhiều loại vật liệu nghiên cứu chế tạo nhằm thỏa mãn yêu cầu sử dụng, chịu lực, độ bền hiệu kinh tế có bê tông cốt lưới sợi dệt (TextileReinforced Concrete - TRC) Những nghiên cứu liên quan tập trung vào đặc tính học, chứng minh chế làm việc chung truyền ứng suất lưới dệt chất kết dính [1], [2] Một vài nghiên cứu kiểm tra tính phù hợp TRC kết cấu thực tế [3], [4], [5] nghiên cứu chi tiết khả gia cường cho cấu kiện chịu uốn TRC [6], [7] Bài báo miêu tả khai thác kết thí nghiệm dựa dầm dài 2m với mục đích nghiên cứu đánh giá tính khả thi cơng nghệ thi cơng số đặc tính học giải pháp sử dụng TRC Năm dầm thí nghiệm chia thành nhóm mẫu thí nghiệm, nhóm mẫu thí nghiệm thực dầm nguyên vẹn (không bị nứt) tương ứng với việc thi công trực tiếp lớp TRC bề mặt chịu kéo dầm với mục tiêu kiểm sốt làm việc dầm trạng thái xuất vết nứt Nhóm mẫu thí nghiệm thứ hai tập trung vào dầm bị hư hại (làm việc đến trạng thái giới hạn chảy thép dọc), dầm gia cường CFRP TRC liên hợp với sợi carbon thủy tinh dán lên lớp chất sử dụng làm chất kết dính với bề mặt kết cấu chịu kéo với mục tiêu nâng cao khả chịu lực giới hạn kết cấu Miêu tả thí nghiệm 2.1 Tính chất vật liệu gia cường Vật liệu bê tông cốt lưới sợi dệt (TRC) Vữa gia cường nhãn hiệu Emaco R315 cơng ty BASF Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2018 BÊ TÔNG - VẬT LIỆU XÂY Y DỰNG sản xuấtt sử dụ ụng cho thí nghiệm n Vải dệt gia cường m lưới sợi dệt (đan dọ ọc) Mắt lưới hìn nh chữ nhậtt “mở”, kích thước lưới 3x5mm Các sợi dọ ọc (hướng tải) t thủy ttinh AR (cho cư ường độ độ bền) sợi ngang g vải polyeste er (vải nhân tạo để may y quần áo) Bảng thể t đầy y đủ đặặc tính a thủy tinh AR A Nhằm N tối ưu u hóa khả năăng TRC C, lớp phủ p n thiết kế để ttạo điều kiện thuận lợi cho c việc v xâm tán n ssợi vải trước c vữa đư ược thêm t vào Ph hương pháp gia cường sử s dụng TRC C phương p pháp p đặt ướt (weet lay up method) Bảng Đ Đặc tính kĩ thuậ ật thủy tinh AR Số lượn ng sợi bó sợi Th hủy tinh AR Độ mịn bó sợ ợi (tex) 16 600 Đư ường kính sợi Chiề ều dài bó sợi (µm) (mm) 700 1102 25000 Với giải pháp gia g cường th hông thườn g, TRC m lớp vải dệt kháng kiềm đượcc nhúng bao gồm vữ ữa Trong với giải ph háp lai gia cư ường, lớp vải d dệt kháng kiề ềm sử dụng với cá ác bon (TRC C+JC) c kết hợp giiữa bon b thủy y tinh (TRC +JVC) đặt vng góc với phương p chịu u lực lưới sợi s Các tha anh đ xử lý (quét bề mặặt silic ca) để tăng độ nhám n bề mặt chúng Bảng thể ể đặc trư ưng c học hìn nh học ccác Bảng Đ Đặc tính kĩ thu uật E (MP Pa) ` Đường kính ((mm) Cường độ chịu kéo (MPa)) T Thanh thủy tin nh 2500 00 700 T Thanh bon 14000 00 22 240 Hình Ví dụ lớp lư lưới sợi dệt đa an thủy tinh Lớp lưới sợi dệtt đan th hủy tinh tha anh carbon có c hình dạng vví dụ thể n hình Tín nh ổn định c TRC ccác giải Tạp chíí KHCN Xâyy dựng - số 3/2018 pháp p lai đượ ợc xác định ttheo phương g án thí nghiiệm kéo k trực tiếp Contam mine đồng đ nghiệp [8] (hình ( 2) 43 BÊ Ê TÔNG - VẬT LIỆU U XÂY DỰN NG Hình Mẫu thí nghiiệm kéo (hình học, thiết bị đo, đ tải trọng) quy luật ứng xử CFRP Cá ác đặc tính dán giia cư ường carbon (CFRP) chiều dày: d 0.4 mm m; cư ường độ chịu kéo: 700 MPa; Mô đun đ đàn hồ ồi: 80000 MPa ép bê tông t Thép loại E500 Bê tông Thé sử s dụng lo oại bê tông trrộn sẵn, điều u hạn chế ự chênh lệch h lôô khác u Cường độ bê tông t 28 ng gày 30 MP Pa Mô tả mẫu u thí nghiệm m 2.2 Hìn nh Đặc trưn ng hình học củ dầm 44 Tạp chí KHCN Xâyy dựng - số ố 3/2018 BÊ TÔNG - VẬT LIỆU XÂY Y DỰNG Định h nghĩa mẫu u thí nghiệm Dầm có tổn ng chiều dài 2.3 m với khoảng g cách gối tựa m Đ Để đánh giá khả cố ốt thép, dầ ầm bê tông ccốt thép gia a tải trước gia cường g CFRP, TRC T + JC v TRC + JV VC Các m gia cường có chiều c dài 1.9 95 m đượ ợc cắt để đ qua gối g tựa trình thíí nghiệm Bảng tóm tắt giải g pháp đượ ợc sử dụng ccho nghiên cứu Bảng Đ Định nghĩa mẫu thí nghiệm Tên d dầm ký hiệu Dầm m (B_0) Dầm m (TRC) Dầm m (CFRP) D Dầm (TRC+JC) Dầm m (TRC + JVC) Vật liệu gia cường Không gia a cường TRC (3 lướ ới thủy tinh AR R) CFR RP TRC (2 lướ ới thủy tinh AR) + than nh bon JC C TRC (2 lướ ới thủy tinh AR) + (JVC) thủy p bon tinh kết hợp Độ cứng dọc d trục EA (M MN) 1.8 Ghi Kích tthước vật liệu u gia cường - Chưa bị ại hư hạ 10 x 150 (m mm) 4.8 0.4 x 150 (m mm) 3.5 10 x 150 (m mm) + (các bon) b Đã bị hư hại 3.3 Thiế ết bị đo Vậtt liệu gia cường lai (TRC C + JC; 10 x 1550 (mm) + 4 2 (các bon) + 122 (thủy y tinh) liên tục, LVDT với chhu trình đo ± 100 đặt TRC + JJVC) CFRP đặ ặt mặt dư ưới dầm dầm (đã hư hại) Cácc mẫu thử đư ược kiểm tra a tải uốn 2.3 Kết thí nghiệm điể ểm Khoảng cách c gối tựa m Đường cong c tải trọnng - độ võng (hình 4) cho c thấy t khác c khhả giữ ữa dầm ban b đầu đ không bị hư hại ccác dầm bị hư h hại đư ược gia g cường Một tải ttrọng tĩnh đặt ch 60 cm mẫu thử phá hoại Để đo o chuyển vị tthay đổi Hình Đ Đường cong tải trọng - chuyể ển vị Tron ng trường hợ ợp dầm không bị hư hạ ại trước, đường ccong tải trọng g - chuyển vị v có pha: p pha trrạng thái đàn hồi, thể h nguyyên vẹn dầm m, kh hơng có vật liệu dầm m bị hư hại; pha thứ l lan tru uyền vết nứ ứt nhân rộn ng chún ng dọc theo chiều dài dầ ầm; pha cuối cùn ng chả ảy thép Khi dầm đư ược gia cường b TRC hayy CFRP, khả ả chịu tải dầm đượ ợc cải thiện rõ rệt lự ực tới hạn ccủa dầm tham ch hiếu (không gia cường) d dầm gia Tạp chíí KHCN Xâyy dựng - số 3/2018 cường c TRC, TRC+JJC, TRC+JV VC CFRP 78k kN, 98.58kN N, 121.4kN, 125.88kN 143.63kN Chúng ta thấyy giải pháp lai kết hợp TRC T với v than nh carbon vvà/hoặc thủy y tinh đặt hợp h lý giúp cho khả nănng chịu lực dầm đư ược tăng t lên đáng kể, 23% % 27% tương t ứng với TRC+JC T TRC+JVC Ứng xử dầm gia cường c phương phááp lai tươn ng quan với giải g pháp p gia cườ ờng CF FRP ù khả chịu c tải t trọng giới hạn có thấpp 45 BÊ Ê TÔNG - VẬT LIỆU U XÂY DỰN NG Mơ hình hó óa Các mơ hình PTHH sử dụng phần n tử hai chiề ều ược thiết lập b phần mềm m mã nguồ ồn mở Cast3M M đư [9] để mô phỏn ng ứng xử chịu c uốn năm dầm b bê tôn ng cốt thép đ đề cập tớ ới Do o tính chất đố ối v kết cấu tải trọng nnên nửa dầm xứng mơ m phỏng, thể hìnnh Các mơ hình mơ n khơng ch hỉ đánh giá đư ược khả g chịu lực kếtt cấu mà n cho phép pphân tích ứng g xử chịu uốn chế phá hoại h dầm m gia cư ường Hình h Mơ hình phần p tử hữu hạ ạn (1/2 dầm) dầm d gia cường g TRC Trong nghiên cứu nàyy, phần tử QUA4, dạn ng phần tử hai chiều có nút tuyến tính, đ gán ch ho c phần tử bê ê tông thườn ng bê tông g hạt mịn củ TR RC Các tha anh cốt thép p lưới sợ ợi dệt có th hể đư ược mơ hình h hóa mơ hình ph hần tử than nh SE EG2 Mơ hình đàn hồi dẻo sử dụng để m mơ tính chấ ất vật liệu cốt thép, c đặc trưn ng m mô hình bao o gồm mơ đun đ đàn hồ ồi, cư ường độ kéo o chảy, cườ ờng độ cực hạn cố ốt thé ép, biến dạng tương ứng với mỗii trạng thái tớ ới hạn vật liệ ệu Lưới sợi dệt loại vậ ật liệu có tín nh chấ ất đàn hồi - giòn Ứng suất kéo tă ăng gần yến tính, sau u đạt ứn ng suất kéo cực đại, lướ ới sợ ợi dệt bị phá hoại Mơ hình cốt thé ép AC CIER_UNI Menegotto o Pinto [10] đề xuấ ất đư ược sử dụng g để mô phỏ ỏng cốt thép TRC M Mơ hìn nh bê tơng INSA dạng dải d đường nứt trung bìn nh “sm meared fixed d crack” Viện V Khoa học h ứng dụn ng (a) INSA de d Lyon phát triển ứng dụng [11], [ [12] dùng d để mô ứng xử phi tuyến bê tông th hường bê ê tông hạt m mịn Các tham m số đầu vào quan trọng a mơ hình độ cứng ban đầu E0, cường độ chịu nén fc, cường độ chịu kéo ft, biến dạng nứt n chịu kéo k εtm biiến dạng nứtt chịu nén εruupt Các biến n dạng nứt kkhi chịu kéo o chịu nén đư ược tính tốn dựa nnăng lượng phá hủy Gf, đồn ng thời có xét x tới ảảnh hưởng kích thước phần p tử Sự thay đổi cácc giá trị biến dạng theo kíích thước ph hần tử giúp cho lư ượng phá hủy tổn ng thể đơn đ vị thể t ích vật liệu không đổi, đả ảm bảo tính sát thực củủa mơ hình [13] Các tham số s đầu vào định nghĩa ứ a bê tông ứng xử thường g, bê tông hạt h mịn, cốt thép, lưới sợi s tổng hợ ợp bảng v bảng D Dạng đường quan hệ ứng su uất-biến dạng g thép, T TRC bê tông t theo phương g chịu lực ch hính th ể hình h (b) (c)) Hình Dạng g đường quan n hệ ứng suất biến dạng a (a) thép, (b) TRC (c) bê tông Bảng 4 Tham số đầ ầu vào mô ô hình bê tông g Định nghĩa 46 Bê ê tông thường TRC C 28.E3 MPa 23.E3 M MPa E0 Độ cứn ng (module Yo oung) fc Cường g độ chịu nén 32 MPa 29 MP Pa ft Cường g độ chịu kéo 1.6 MPa 1.6 MP Pa εtm Biến ạng nứt theo phương p kéo 5.E-03 4.E-033 ạng nứt theo phương p nén εrupt Biến 1.51E-2 1.3E-22 Tạp chí KHCN Xâyy dựng - số ố 3/2018 BÊ TÔNG - VẬT LIỆU XÂY Y DỰNG Bảng Th ham số đầu mơ hình h thép E (GPa a) σsy(MP Pa) εy εsh σsu(MP Pa) εsu Thép 210 500 2.38E-3 3.5E-3 5500 0.05 TRC (AR) 70 1000 0.016 0.025 11022 0.05 Lướii sợi mơ m hình g phần t dọc theo o chiều dài dầm (hình 5) Diện tícch phần tử h tính b diện tíc ch tương đươ ơng lưới vải d dệt theo phư ương chịu lực c cốt c thép, lướ ới sợi hồàn hảo, khơ ông xét tới ứng ứ Khi xét tới ứng g xử phi tu uyến k ết cấu, tính t kết dính h thực tế đóóng vai trò quan q trọng Hệ cường đ độ chịu lựcc dầm trạng thá trước số s làm việc hiệu củủa cốt lưới sợi cần c phá hủy không phụ thuộ ộc vào g lượng đ nghiên n cứu xéét tới c kết thí nứt bê tơng mà phụ th huộc nh iều vào nghiệm n trướ ớc đưa vvào mơ hình h hóa [8], [1 12], tham m gia chịu lự ực cốt th hép lưới sợi gia [14] [ Trong nghiên cứu này, hệ số ố làm việc h iệu cường Trong mơ hình xé ét, phần n tử làm q C k cốt lưới sợ ợi xét tới Hệ số n việc vớ i thôn ng qua biến n dạng nút Trong t mô ph hỏng nhân với cường c độ chịu c mô phỏ ng, liên kết phần p tử bê ttông lực kéo lưới sợi xử x trượt, tuột cốt thép bê tông Trên thực t tế, thép cốt lướ ới sợi không làm việc hết 100% công suất nhiiều ngun nhân Hình Ảnh hưởng hệ h số kết dính h lưới sợii bê tông hạ ạt mịn m mô dầm m TRC Hình h kết qu uả thí nghiệm m mơ hì nh dầm gia cườn ng TRC C theo giá trị Ck C Chúng ta dễ dàng g nhận thấy Ck = 0.25 cho c kết gần sát với thí nghiệm Điều ph hù hợp với cá ác quan điểm công bố củ Si Larbi v đồng g nghiệp [14] dầm d gia cườ ờng TR RC Có thể thấy, t thời t ờng cong lựcc - chuyển vị dầm (hình 8) Đườ nghiệm n c giải thích ddo giả th huyết liên kết cho thấyy tương đồng đ kế ết mô ph hỏng tuyệt t đối a bê tông - cốốt thép ự đồng thực ngh hiệm ả dầm không g gia cường B_0 vật v liệu TRC t mơ hìnhh phần tử hữ ữu hạn Tạp chíí KHCN Xâyy dựng - số 3/2018 điểm đ bê tông g bị nứt, cốt thép chảy thời điểm phá p hoại, h giá trị tả ải trọng giữaa mô thực nghiệm xấp x xỉ nhau, n chuyển vị đường đ cong th hực nghiệm n mô cũn g phù hợ ợp với Sự khác k biệt giữ ữa kết mơ kết thí 47 BÊ Ê TÔNG - VẬT LIỆU U XÂY DỰN NG Hình S So sánh kết qu uả mơ hình kết thí ng ghiệm hai dầm m không gia cường gia ccường TR RC Hìình Vùng vế ết nứt xuất hiệ ện mơ hìình chuyển n vị 30mm Vùng nứt tthể n kết mơ hình hóa tạ ại ời điểm độ võng dầ ầm 30mm (hình 9) Đâ ây thờ dạng nứt phân bố điển n hình dầm giia cư ường TRC Tại cùn ng độ võ õng, vùng nứ ứt a dầm gia ccường tập trung t nhỏ ỏ so vớ ới dầm không gia a cường Trong giới hạn báo, nhóm tác t giả tậ ập trung làm rõ ph hương án kết mơ hình với dầm B_0 T TRC Các dầm d CFRP, TRC+JC vvà TR RC+JVC (viế ết theo ký hiệ ệu định nghĩa n ng 3) mô ph hỏng theo ng guyên lý tươ ơng tự, có xé ét tới cường độ chịu kéo khác vật liệ ệu (CFRP so với T TRC) hệ số kết dính lớn l tron ng 48 trường hợp lai gia cường c (TRC C+JC TRC C+JVC so với TRC) Kếtt luận Sử dụng vật liệ ệu bê tông ccốt lưới sợi dệt TRC gia g cường cá ác dầm bê tôông cốt thép đề cập p nghiê ên cứu Giảii pháp lai gia cường đ h thủy tinh vàà carb bon lai dệt với lưới sợi TRC (hai trư ường hợp TRC T + JC TRC C+JVC) giúp p nâng cao kkhả chịịu kéo hiệu qu uả gia cường c T TRC Kếtt thí ngh hiệm chhứng minh đ tính khả thi việc sử dụng TRC nhằm nâng g cao khả Tạp chí KHCN Xâyy dựng - số ố 3/2018 BÊ TÔNG - VẬT LIỆU XÂY DỰNG chịu lực dầm giảm thiểu động tới môi trường so với phương án dán FRP truyền thống khả chịu lực, dầm gia cường TRC không cho kết cao FRP Brückner A., Ortlepp R., and Curbach M (2006) Mơ hình phần tử hữu hạn mã nguồn mở Cast3M cho kết sát với thí nghiệm so sánh đường cong “lực - chuyển vị dầm” vùng nứt thời điểm chuyển vị dầm 30mm Hệ số làm việc hiệu lưới sợi lớp bê tông hạt mịn sử dụng, cho kết mơ hình sát với thực tế Experimental Research on Seismic Behavior of Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) thơng qua đề tài có mã số 107.012017.03 Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn quỹ Nafosted có ủng hộ cần thiết kịp thời Textile reinforced for strengthening in Yin Shiping, Yang Yang, Ye Tao, et al (2017) Reinforced Concrete Columns Strengthened with TRC under Corrosion Environment Journal of Structural Engineering, 143(5), 04016231 Contamine R., Si Larbi A., and Hamelin P (2011) Contribution to direct tensile testing of textile reinforced concrete (TRC) composites Materials Science and Engineering: A, 528(29), 8589–8598 Le Fichoux E (2011) Présentation Et Utilisation De Cast3m 10 Menegotto M and Pinto P (1973) Method of analysis for cyclically loaded reinforced concrete plane frames including TÀI LIỆU THAM KHẢO concrete bending and shear Mater Struct, 39(8), 741–748 changes in geometry and non-elastic behaviour of elements under combined normal force Cuypers H and Wastiels J (2006) Stochastic matrixcracking model for textile reinforced cementitious composites under tensile loading Materials and Structures/Materiaux et Constructions, 39, 777–786 and bending 11 Merabet O and Reynouard J (1999) Formulatin d’un modèle élasto-plastique fissurable pour le béton sous chargements cycliques Hegger J and Voss S (2008) Investigation of the Textile 12 Le Nguyen K., Brun M., Limam A., et al (2014) Reinforced Concrete Engineering Structures, 30, Pushover experiment and numerical analyses on 2050–2056 CFRP-retrofit concrete shear walls with different load-bearing behaviour and potential of Tetta Z.C., Koutas L.N., and Bournas D.A (2018) Shear strengthening of concrete members with TRM jackets: Effect of shear span-to-depth ratio, material and amount of external reinforcement Composites Part B: Engineering, 137, 184–201 aspect ratios Composite Structures, Volume 113, 403–418 13 Le Nguyen K (2015), Contribution la compréhension du comportement des structures renforcées par FRP sous séismes, Ph.D thesis, INSA de Lyon, Lyon Ali Abdullah J., Sumei Z., and Jiepeng L (2010) Shear strength and behavior of tubed reinforced and 14 Si Larbi A., Agbossou A., and Hamelin P (2013) steel reinforced concrete (TRC and TSRC) short Experimental and numerical investigations about columns Thin-Walled Structures, 48(3), 191–199 textile-reinforced concrete and hybrid solutions for Truong B.T., Bui T.T., Limam A., et al (2017) Experimental investigations of reinforced concrete beams repaired/reinforced by TRC Composite Structures, 168, 826–839 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2018 composites repairing and/or strengthening reinforced concrete beams Composite Structures, 99, 152–162 Ngày nhận bài: 24/10/2018 Ngày nhận sửa lần cuối: 27/11/2018 49 ... hợp lai gia cường c (TRC C+JC TRC C+JVC so với TRC) Kếtt luận Sử dụng vật liệ ệu bê tông ccốt lưới sợi dệt TRC gia g cường cá ác dầm bê tôông cốt thép đề cập p nghiê ên cứu Giảii pháp lai gia cường. .. Trong t mô ph hỏng nhân với cường c độ chịu c mô phỏ ng, liên kết phần p tử bê ttông lực kéo lưới sợi xử x trượt, tuột cốt thép bê tông Trên thực t tế, thép cốt lướ ới sợi không làm việc hết 100%... nhằm nâng g cao khả Tạp chí KHCN Xâyy dựng - số ố 3/2018 BÊ TÔNG - VẬT LIỆU XÂY DỰNG chịu lực dầm giảm thiểu động tới môi trường so với phương án dán FRP truyền thống khả chịu lực, dầm gia cường