Giải pháp lai gia cường bê tông cốt lưới sợi dệt nhằm nâng cao khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép

Tuy nhiên, một số hạn chế của FRP như giá thành cao, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, bong tách lớp kết dính và không phù hợp với sự phát triển bền vững, đó là các lý do chính khiến[r]

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 công, phát triển sử dụng nhiều việc sửa chữa gia cường kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên, số hạn chế của 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 tông cốt thép, giải pháp lai gia cường

Abstract: Over the last thirty years, Fiber-Reinforced 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

1 Giới thiệu

Trong nhiều thập kỷ vừa qua, với phát triển chung khoa học, nhiều loại vật liệu

được 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 (Textile-Reinforced 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 sốđặc 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

2 Miêu tả thí nghiệm

2.1 Tính chất của vật liệu gia cường

sản xuất dệt gia lưới hìn 3x5mm (cho cư

polyeste

Th

Với bao gồm vữ

lớp vải d cá

T T

Lớp tha

t sử dụ

cường m nh chữ nhật Các sợi dọ ường độ er (vải nhân

hủy tinh AR

giải pháp g m lớp vải

ữa Trong kh dệt kháng kiề

ác bon (TRC

` Thanh thủy tin

Thanh bo

lưới sợi dệt anh carbon c

n hình Tín

ụng cho lưới sợi

t “mở”,

ọc (hướng t

độ bền) tạo để may

Số lượn tron

16

gia cường th dệt kháng i với giải ph

ềm sử

C+JC)

nh n

Hình t đan có hình dạng nh ổn định c

thí nghiệm n dệt (đan dọ

kích thước tải) thủy t sợi ngang y quần áo) Bảng Đ

ng sợi

g bó sợi 600

hông thườn kiềm háp lai gia cư dụng

c kết hợp gi Bảng 2.Đ

Đường kính ( 2

1.Ví dụ lớp lư th v TRC c

này Vải

ọc) Mắt ô lưới tinh AR g vải

Bảng t N n v t p Đặc tính kĩ thuậ

Độ mịn bó sợ

25000

g, TRC c nhúng

ường, với iữa

b p

đ

n c Đặc tính kĩ thu

(mm)

lưới sợi dệt đa

hủy tinh ví dụ thể

các giải p k (

thể đầy Nhằm tối ưu việc xâm tán thêm vào Ph phương pháp ật thủy tin

ợi (tex) Đư

0

bon thủy phương chịu

được xử lý nhám bề mặ

cơ học hìn

uật th

E (MP 2500 14000

an th

pháp lai đượ

kéo trực tiếp (hình 2)

y đủ đặ

u hóa khả nă

thiết kế để t n s hương pháp p đặt ướt (we

h AR

ường kính sợi (µm)

700

y tinh (TRC u lực

(quét bề mặ

t chúng nh học c

anh

Pa) 00

00

anh thủy tinh

ợc xác định t Contam

ặc tính

ăng TRC tạo điều kiệ

sợi vải trước gia cường s et lay up me

Chiề

+JVC) đặt lưới s

ặt silic Bảng thể

các

Cường độ c 22

theo phương mine đ

a thủy tinh A C, lớp p n thuận lợi c c vữa đư

sử dụng TRC thod)

ều dài bó sợi (mm) 1102

vng góc sợi Các tha ca) để tăng

ể đặc trư

hịu kéo (MPa) 700

240

g án thí nghi

đồng nghiệp AR phủ

cho

ược C

với anh

độ ưng

)

cư

cư

80 2.2

CFRP Cá

ường c

ường độ chị

000 MPa 2 Mô tả mẫu

Hình 2. ác đặc tính arbon (CFR u kéo: 700

u thí nghiệm

.Mẫu thí nghi

chính P) chiều d

MPa; Mơ đ

m

Hìn

iệm kéo (hình

tấm dán gi dày: 0.4 mm

đun đàn hồ

nh 3.Đặc trưn

học, thiết bịđ ia

m;

ồi:

Thé

được s chế độ bê t

ng hình học củ

đo, tải trọng) q

ép bê t sử dụng lo

ự chênh lệch tông 28 ng

ủa dầm

uy luật ứng xử tông Thép oại bê tông tr h lô

gày 30 MP ử

loại E500 rộn sẵn, điều ô khác Pa

Định dài 2.3 m giá khả gia

Tên d

Dầm Dầm Dầm

D (T Dầm

Thiế TRC + J dầm (đã điể

Một tải t

đến

Tron

đường c tiên tr dầm hư hại; nhân rộn cuối cùn cường b dầm đượ

tham ch

h nghĩa mẫu m với khoảng

năng cố

a tải trước k

dầm ký hiệu

m (B_0) m (TRC) m (CFRP)

Dầm RC+JC) m (TRC +

JVC)

ết bị đo Vật JVC) CF

hư hại) Các

ểm Khoảng trọng tĩnh đ

mẫu thử phá

ng trường hợ

cong tải trọng rạng thái đà m, kh

pha thứ l ng chún ng chả

bởi TRC hay

ợc cải thiện hiếu (khơng

u thí nghiệm g cách gối

ốt thép, dầ

hi gia

Vật liệu gi

Không gia TRC (3 lướ

AR CFR TRC (2 lướ

AR) + than JC TRC (2 lướ

AR) + (JVC) tinh kết hợp

t liệu gia cư

RP đặ

c mẫu thửđư

cách c

ược đặt hoại Đểđo

ợp dầm khô g - chuyển v n hồi, thể h hơng có vật lan tru ng dọc theo

ảy thép y CFRP, khả

rõ rệt lự

gia cường

Dầm có tổn tựa m Đ ầm bê tông c cường Bảng 3.Đ a cường

a cường

ới thủy tinh R)

RP

ới thủy tinh nh bon C

ới thủy tinh thủy p bon

ờng lai (TRC

ặt mặt dư ược kiểm tra gối tựa ch 60 o chuyển vị t

Hình 4.Đ ng bị hư hạ

vị có pha: p nguy liệu dầm uyền vết nứ

chiều dài dầ

Khi dầm đư ả chịu

ực tới hạn c ) d

ng chiều

Đểđánh cốt thép g CFRP,

T c g g Định nghĩa cá

Độcứng d trục EA (M

- 1.8 4.8 3.5

3.3

C + JC;

ưới a tải uốn m cm cho thay đổi

l 2 t đ g

Đường cong tả

ại trước, pha đầu yên vẹn m bị ứt ầm; pha

ược gia tải của dầm dầm gia

c l v h t T c p t

TRC + JC v chiều dài 1.9 gối tựa giải pháp đượ

c mẫu thí ngh

dọc

MN) Ghi c

Chưa hư hạ

Đã bị

hại

iên tục,

ở 2.3 Kết quả

Đường c thấy khác

đầu không b gia cường

i trọng - chuyể cường

ượt 78k 143.63kN C với than hợp lý giúp tăng lên đá TRC+JC cường pháp gia cườ

tải trọng giới

và TRC + JV 95 m đượ

q trình thí

ợc sử dụng c

iệm

hú Kích t

bị ại

hư

10 x 15

LVDT với ch dầm thí nghiệm cong tải trọn c kh

ị hư hại c

ển vị

TRC, TRC+J kN, 98.58kN

húng ta thấy nh carbon v

cho khả năn ng kể, 23% TRC+JVC phương phá

ờng CF hạn có thấp

VC Các

ợc cắt đểđ

í nghiệm Bả

cho nghiên c

thước vật liệu

- 10 x 150 (m 0.4 x 150 (m

10 x 150 (m  (các b 50 (mm) + 4 + 122 (thủy hu trình đo ±

ng - độ võn giữ

các dầm bị h

JC, TRC+JV N, 121.4kN,

y giải pháp l và/hoặc thủy ng chịu lực % 27% t

Ứng xử củ

áp lai tươn FRP p

m gia cường

đi qua ng tóm tắt

ứu

u gia cường

mm) mm)

mm) + bon) 2 (các bon) y tinh) ± 100

g (hình 4) c

ữa dầm b hư hại đư

VC CFRP 125.88kN kết hợp T y tinh

của dầm đư

tương ứng a dầm ng quan với g ù khả c

có các đặt cho ban ược

lần TRC

đặt

3 đư [9] tôn ph TR đư SE ph cư thé hạ chấ sợ AC đư hìn “sm

Mơ hình hó

Các mơ hì

ược thiết lập b

để mô phỏn ng cốt thép đ

Trong ngh

ần tử hai ch c phần tử bê RC Các tha

ược mơ hình EG2 Mơ hìn

ỏng tính chấ m

ường độ kéo ép, biến

n vật liệ ất đàn hồi -yến tính, sau

ợi dệt bị phá CIER_UNI d

ược sử dụng nh bê tơng I meared fixed

óa

nh PTHH sử

bằng phần m ng ứng xử c

đã đề cập tớ

Hình iên cứu iều có nút ê tơng thườn anh cốt thép h hóa h đàn hồi d

ất vật liệu củ

mơ hình bao o chảy, cườ

dạng tương

ệu Lưới sợi - giòn Ứng u đạt ứn hoại l o Menegotto g để mô phỏ

NSA dạng d d crack” V

(a) Hình 6.Dạng

E0 Độ cứn

fc Cường

ft Cường

εtm Biến

εrupt Biến

ử dụng phần mềm mã nguồ

chịu uốn

ới Do

h Mơ hình p

y, phần tử

tuyến tính, đ

ng bê tơng p lưới sợ

mơ hình ph

ẻo sử

a cốt thép, c o gồm mô đ ờng độ cực

ứng với dệt loại vậ

suất kéo tă

ng suất kéo

ập tức Mô o Pinto

ỏng cốt thép dải đường n

Viện Khoa h

(b)

g đường quan

Bảng 4

Định ng (module Yo g độ chịu nén g độ chịu kéo

ạng nứt theo p

ạng nứt theo p

n tử hai chiề ồn mở Cast3M

năm dầm b o tính chất đố

phần tử hữu hạ QUA4, dạn

được gán ch g hạt mịn củ ợi dệt có th hần tử than

ử dụng để m đặc trưn

đun đàn hồ

hạn cố

i trạng thái tớ ật liệu có tín

ăng gần

cực đại, lướ

hình cốt thé [10] đề xuấ

và TRC M

ứt trung bìn học ứng dụn

n hệứng suấ

t-4.Tham sốđầ

nghĩa oung)

phương kéo phương nén

ều M bê

ối

xứng v

được m n kết uốn

ạn (1/2 dầm) d

ng ho hể nh mô ng ồi, ốt ới nh ới ép ất Mô nh ng

INSA d

được d tông th vào qu cường dạng n nén εru

nén đư

Gf, đồn

thước p theo kí hủy tổn

đổi, đả

tham s thường tổng hợ ứng su phương

-biến dạng của

ầu vào mô

Bê

về kết cấu mô phỏng, th

này khơng ch t cấu mà cịn chế phá h

dầm gia cường

de Lyon ph dùng để mô hường bê an trọng

độ chịu né nứt chịu k

upt Các biến

ược tính tố ng thời có x phần tử Sự

ích thước ph ng thể đ ảm bảo tính

số đầu vào g, bê tông h

ợp bảng v uất-biến dạng

g chịu lực ch

(c)

a (a) thép, (b) ơ hình bê tơng

ê tơng thường 28.E3 MPa

32 MPa 1.6 MPa 5.E-03 1.51E-2

à tải trọng n

ể hìn hỉđánh giá đư

n cho phép p hoại dầm

g TRC

át triển ứng ê tơng hạt m a mơ hình n fc, cường

kéo εtm và bi

n dạng nứt k n dựa n xét tới ả

thay đổi hần tử giúp

đơn vị thể t sát thực củ định nghĩa ứ

hạt mịn, cốt bảng D

g thép, T hính th

)

TRC (c) bê g TRC 23.E3 M 29 MP 1.6 MP 4.E-03 1.3E-2

nên nh Các mô

ược khả phân tích ứng m gia cư

ứng dụng [ xử phi tuyế

mịn Các tham

độ cứng ba

độ chịu ké iến dạng nứt

khi chịu kéo lượng

ảnh hưởng c giá trị biến cho lư

ích vật liệu

ủa mơ hình

ứng xử thép, lưới s Dạng đường TRC bê t

ể h

bê tông C MPa Pa Pa

nửa dầm hình mô g chịu lực g xử chịu

ường

[11], [12] n bê m số đầu

n đầu E0,

o ft, biến

t chịu o chịu phá hủy kích dạng

ượng phá không [13] Các a bê tông sợi

quan hệ

Lưới dọc theo tử lưới vải d

Khi cường đ

khi phá nứt tham cường việc vớ

mơ phỏ

Hình gia cườn dễ dàng với thí n

điểm [14]

Đườ

cho thấy thực ngh

Thép TRC (AR)

i sợi m o chiều dài c h tính b

dệt theo phư

xét tới ứng

độ chịu lực hủy không bê tông mà m gia chịu lự

Trong mô h i thôn ng, liên kết

Hình Ản

h kết qu ng TRC g nhận thấy

ghiệm công bố củ ờng cong lực y tương đ

hiệm

E (GPa 210

70

mơ hình

ủa dầm (hìn diện tíc

ương chịu lực g xử phi tu c dầm

chỉ phụ thuộ

à cịn phụ th

ực cốt th ình xé ng qua biến p

h hưởng h

uả thí nghiệm C theo giá

Ck = 0.25 c

Điều ph

ủa Si Larbi v c - chuyển v

đồng kế ả dầm không

Bảng 5.Th

a) σsy(MP

500 1000

g phần t h 5) Diện tíc ch tương đươ

c uyến k

ở trạng thá

ộc vào huộc nh hép lưới ét, phần n dạng nút phần tử bê t

hệ số kết dính

m mơ hì trị Ck C

cho kết

hù hợp với cá và đồng

ị dầm

ết mô ph g gia cường

ham sốđầu và

Pa) εy

2.38E 0.016

ử ch phần

ơng

ết cấu, trước g lượng iều vào sợi gia n tử làm Trong tông

c x t t s

đ

n [ q t l

h lưới sợi

nh dầm Chúng ta gần sát ác quan g nghiệp (hình 8) hỏng B_0

d

đ

h x n k n t v

ào mơ hình εsh

-3 3.5E-3 0.025

cốt thép, lướ

xử trượt, tu thực tế, thé 100% cơng tính kết dính số làm việc

được nghiên nghiệm trướ

[14] Trong Ck

trong mô ph

ực kéo

i bê tông hạ dầm gia cườ điểm bê tông hoại, giá trị tả

xấp xỉ n nghiệm m khác biệt giữ

nghiệm tuyệt đối vật liệu TRC t

h thép σsu(MP

3 550 1102

ới sợi hoà

ột cốt p cốt lướ

suất nhi h thực tế hiệu củ

n cứu xé

ớc đưa v nghiên cứu cốt lưới sợ

hỏng lưới sợi

ạt mịn m

ờng TR g bị nứt, cốt

ải trọng nhau, chuyển ô cũn

ữa kết

c giải thích d a bê tơng - cố

trong mơ hình

Pa) ε

0

àn hảo, khô thép

ới sợi khôn iều nguyên óng vai trò q

ủa cốt lưới ét tới c

vào mơ hình này, hệ số ợi xét nhân với c

mô dầm

RC Có thể t thép chảy a mơ

vị đ

g phù hợ

mô giả th

ốt thép

h phần tử hữ

su

05 05

ông xét tới ứ

bê tông T g làm việc nhân quan trọng

sợi c kết

h hóa [8], [1

ố làm việc h tới Hệ số n cường độ c

m TRC

thấy, t thời điểm p

và thực ngh

đường cong th

ợp với kết

huyết liên

ựđồng

ữu hạn

ứng rên hết

đó Hệ

cần thí 12], iệu chịu

thời phá iệm hực Sự

thờ

là cư

của dầ

tru dầ

TR 3) tới (C

Hình 8.S

Vùng nứt t

ời điểm độ v dạng nứt p

ường T a dầm gia c m không gia

Trong giới ng làm rõ ph m B_0 T RC+JVC (viế

được mô ph cường độ

FRP so với T

So sánh kết qu

Hì thể õng dầ

hân bố điển RC Tại cùn cường tập t a cường

hạn hương án TRC Các d

ết theo ký hiệ

hỏng theo ng chịu kéo TRC) hệ

uả mơ hình và

ình Vùng vế n kết mô

ầm 30mm n hình d ng độ võ

trung nhỏ

báo, nhóm t kết mơ dầm CFRP,

ệu định n guyên lý tươ

khác số kết dính l

à kết thí ng

ết nứt xuất hiệ hình hóa tạ

(hình 9) Đâ

ầm gi õng, vùng nứ

ỏ so vớ

tác giả tậ

ơ hình với TRC+JC v nghĩa

ơng tự, có xé vật liệ

lớn tron

ghiệm hai dầm

ện mơ hì

ại ây ia

ứt

ới

ập ng ét

ệu ng

trường với TR

4 Kết

Sử

trong g

đề cập đ

lai dệt TRC hiệu qu

Kết khả thi

m khơng gia c

ình chuyển

hợp lai gia c C)

t luận

dụng vật liệ

gia cường cá p nghiê

đó với lưới sợi C+JVC) giúp uả gia c

t thí ngh việc sử

ường gia c

n vị 30mm

cường (TRC

ệu bê tông c ác dầm bê tô ên cứu Giải h thủy tinh

TRC (hai trư

p nâng cao k cường T hiệm ch

ử dụng TRC

cường TR

C+JC TRC

cốt lưới sợi ông cốt thép i pháp lai g carb

ường hợp T khả chị

TRC hứng minh đ

nhằm nâng

RC

C+JVC so

dệt TRC

đã ia cường bon TRC + JC

ịu kéo