Phương pháp mới trong việc tăng cường khả năng chịu lực của Kết cấu Bê tông Cốt thép

Thứ ba, 29/11/2022 - 15:13:47

Hệ thống tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông cốt thép (KCBTCT) bằng phương pháp dán tấm hoặc thanh composite gần bề mặt của kết cấu đang nổi lên như là một phương pháp đầy hứa hẹn. Bởi hệ thống này là: tăng cường hiệu quả khả năng chịu lực cho kết cấu mà không cần phải thi công phức tạp; công tác tăng cường không làm thay đổi nhiều đến kích thước và hình dạng của kết cấu.

Đặc biệt do FRP gần như nằm trong KCBTCT nên nó giảm được đáng kể các ảnh hưởng của môi trường, lực va đập và trong hỏa hoạn. Hệ thống này liên quan đến việc dán tấm composite (FRP) trong rãnh cắt dọc theo bề mặt của KCBTCT bởi hai lớp chất kết dính..

Dưới đây là bài báo khoa học “Phương pháp mới trong việc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép” của Thạc sỹ Bùi Ngọc Dung - Khoa Xây Dựng - Trường Đại học Dân lập Hải Phòng

Abstract:

Strengthening system for reinforced concrete structures with near surface mounted (NSM) fiber reinforcement polymers (FRP) is emerging as a promising technique. This system involves bonding FRP into grooves cut along surface of concrete structure by two layers of adhesive. Main reasons for using this system include: achiveving a good strengthening effect with a relatively small work effort; strengthening work can be carried out without many changing dimensions and appearance of structure. Specially, FRPs nearly beeing inside concrete structure which lead to reduce significantly effects of chemical environment, impacted force and fire on this system. This is a new strengthening system in civil and building constructuction. Nowadays, this system has not any guidelines for design or construction and most results of researches are obtained by experimental tests.

1. Giới thiệu

Vật liệu tổng hợp hay còn gọi là composite đã và đang được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và công nghệ. Trong lĩnh vực hàng không và vũ trụ, nó đã được ứng dụng hơn 6 thập kỷ nay, còn trong ngành xây dựng cũng đã được hơn 3 thập kỷ. Vật liệu composite có nhiều ưu điểm như: tỉ lệ giữa cường độ và trọng lượng rất lớn; khả năng chịu kéo, chịu ăn mòn, tính ổn định cao. Hiện nay, những loại FRP thường được sử dụng trong ngành xây dựng bao gồm: Carbon FRP, Aramid FRP và Glass FRP. Chất kết dính thường dùng là epoxy, do đây là loại vật liệu có đặc trưng cơ lý đa dạng, không bay hơi hay co ngót trong quá trình thi công và đặc biệt là khả năng chịu lực rất tốt. Modulus đàn hồi và cường độ chịu kéo của epoxy thường là 3.3 Gpa và 75Mpa.


Hình 1: Vật liệu composite và đồ thị thể hiện khả năng chịu kéo

Kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng phổ biến nhất trong nhiều lĩnh vực xây dựng. Qua quá trình khai thác, cường độ của kết cấu sẽ bị ảnh hưởng bởi rất nhiều tác nhân như điều kiện khí hậu, hỏa hoạn, nứt, ăn mòn, từ biến hay co ngót… Chính vì vậy, việc tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu bằng FRP là rất thích hợp. Do FRP có trọng lượng nhẹ, khả năng chịu lực lớn, khi thi công chỉ cần phải sử dụng những thiết bị thi công đơn giản nên giá thành xây dựng không cao và FRP có thể ứng dụng vào tất cả những kết cấu cơ bản trong xây dựng như

Kết cầu dầm, cột, sàn hoặc tường. Do những đặc tính ưu việt của vật liệu nên những kết cấu có sẵn hoặc làm mới khi đã sử dụng đều có những ưu điểm sau:

- Tăng cường khả năng chịu cắt, uốn và kéo.

- Do vật liệu FRP có khả năng chịu kéo cao và mềm nên phù hợp với những kết cấu chịu động đất.

- Khả năng chống lại các tác nhân môi trường cao.

- Tăng cường khả năng chịu phá hoại mỏi.

- Giảm khả năng biến dạng (uốn) của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thiết kế và sử dụng.

Một số biện pháp tăng cường cho bằng FRP hiện nay như sau:

- FRP nằm bên trong đóng vai trò thay thế cho cốt thép.

- FRP được dán trên bề mặt.

- FRP được dán gần bề mặt.

- Đặc biệt là, FRP cũng có thế thi công và đóng vai trò như cốt thép dự ứng lực.

2. FRP nằm bên trong

Đây là một phương pháp sử dụng FRP thay thế cho một số thành phần cốt thép trong kết cấu BTCT. Công tác thi công hay thiết kế hoàn toàn tương tự như kết cấu BTCT. Phương pháp này không được sử dụng phổ biến do chủ yếu chỉ có thể ứng dụng với loại kết cấu thi công mới và không phát huy được hết những ưu điểm của loại vật liệu tổng hợp.

 Phương pháp này hiện nay được ứng dụng phổ biến nhất trong việc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu


Hình 2: Dầm bê tông cốt thép được tăng cường bởi thành FRP nằm bên trong

3. FRP dán trên bề mặt kết cấu BTCT


Hình 3: Thi công dán FRP lên bề mặt KếT CấU BTCT

BTCT làm mới hoặc đang khai thác bằng FRP. FRP được sử dụng là các tấm hay phiến dán lên trên bề mặt của bê tông đã được xử lý bằng một lớp chất kết dính epoxy. Công tác thi công đơn giản, không cần huy động đến thiết bị phức tạp và chủ yếu được thi công bằng tay. Thực tế, thi công theo phương pháp này hoàn toàn giống như phương pháp dán bản thép lên kết cấu có sẵn để tăng cường như đã ứng dụng ở nước ta trong một số công trình cầu. Để tăng liên kết giữa bề mặt bê tông  lớp epoxy  FRP, bề mặt bê tông cần phải sử lý trước đảm bảo độ nhẵn và sạch. Phương pháp này đặc biệt có hiệu quả với việc tăng cường khả năng chịu cắt và uốn cho dầm. Để làm giảm những tác động của môi trường, trong một số công trình nhất định người thiết kế có thể lựa chọn phương pháp bọc toàn bộ cột hay trụ cầu bằng các tấm FRP như hình 4.

Phương pháp này tồn tại một số nhược điểm như sau:

Tấm FRP dễ bị biến dạng khi chịu tác dụng va đập và  ở nhiệt độ cao

- Khả năng tách lớp giữa bề mặt bê tông  epoxy  FRP phụ thuộc vào chất lượng thi công.

- Chỉ ứng dụng với FRP dạng tấm hoặc dải.


Hình 4: Tăng cường cho trụ cầu bằng các tấm FRP

4. FRP dán gần bề mặt (NSM FRP)

Để tránh được những nhược điểm của phương pháp dán tấm FRP lên trên bề mặt của kết cấu BTCT, NSM FRP đang nổi lên là một phương pháp đầy hiệu quả cần được nghiên cứu.

Thay vì dán trực tiếp tấm FRP lên bề mặt kết cấu BT, trong phương pháp này FRP được đặt vào trong rãnh cắt trên bề mặt của kết cấu bê tông được liên kết với bê tông qua hai lớp chất kết dính nên tăng cường được khả năng tách lớp giữa liên kết.

Hệ thống này ứng dụng với hai loại tiết diện điển hình của FRP là thanh và tấm. NSM FRP cơ ưu điểm vượt trội so với phương pháp dán trực tiếp FRP lên bề mặt bê tông ở những điểm sau:

- Tăng cường diện tích liên kết do sử dụng hai lớp chất kết dính với hai bề mặt của bê tông.

- Tăng cường khả năng chống đứt, gãy liên kết.

- Giảm thiểu khả năng tách lớp sớm của liên kết.

- Bảo vệ FRP khỏi những phá hoại bên ngoài như tác  động của lực va chạm, môi trường, nhiệt độ cao (khi xảy ra cháy).

 - Giảm công tác chuẩn bị bề mặt bê tông cần liên kết.

Gần đây nhất, ACI 440.2R-08 (American Concrete


Hình 5: Thi công tăng cường dầm BTCT bằng phương pháp NSM FRP


Hình 6: Hai loại vật liệu FRP và EBR dùng trong phương pháp NSM

Institure, 2008) mới giới thiệu một cách sơ lược về phương pháp này thông qua hướng dẫn về thiết kế và thi công tăng cường kết cấu bê tông bằng phương pháp dán bản FRP lên trên bề mặt bê tông.

Kích thước của rãnh cắt và khoảng cách giữa 2 rãnh cắt được giới thiệu như hình 7:

Với tf và hf là chiều rộng và cao của tầm FRP; db là đường kính của thanh FRP

 


 

Hình 7: Khoảng cách và kích thước của các rãnh cắt

5. Một số mô hình phá hoại của kết cấu tăng cường bởi FRP

- Phá hoại do cắt và uốn là những dạng phá hoại điển hình trong hầu hết các loại dầm BTCT.

Hiện tượng này xảy ra khi ứng suất cắt hoặc uốn có trong bê tông lớn hơn khả năng giới hạn của bê tông. Phá hoại này xảy ra khi ứng suất tại vùng liên kết giữa bê tông và FRP quá lớn, nó gây ra sự tuột bản FRP ra khỏi bề mặt Bê tông. Phá hoại chỉ xảy tại lớp kết dính epoxy hoặc tại lớp bê tông liên kết.

5. Một số mô hình phá hoại của kết cấu tăng cường bởi FRP

- Phá hoại do cắt và uốn là những dạng phá hoại điển hình trong hầu hết các loại dầm BTCT.

Hiện tượng này xảy ra khi ứng suất cắt hoặc uốn có trong bê tông lớn hơn khả năng giới hạn của bê tông. Phá hoại này xảy ra khi ứng suất tại vùng liên kết giữa bê tông và FRP quá lớn, nó gây ra sự tuột bản FRP ra khỏi bề mặt Bê tông. Phá hoại chỉ xảy tại lớp kết dính epoxy hoặc tại lớp bê tông liên kết.


Hình 8: Mô hình phá hoại do uốn và cắt trong dầm

- Phá hoại do vết nứt trung gian

- Phá hoại này xảy ra khi vết nứt do ứng suất cắt hoặc uốn tiến sát tới tấm FRP và nó sẽ gây ra đứt liên kết giữa bê tông và FRP. Mô hình phá hoại này chỉ xảy ra ở trong hoặc gần vùng có mômen lớn nhất. Sự đứt liên kết sẽ bắt đầu từ đầu vết nứt và lan truyền về phía đầu tự do của FRP.


Hình 9: Vết nứt trung gian gây ra đứt liên kết

- Phá hoại do đứt liên kết giữa bê tông và FRP

- Phá hoại do đứt tấm FRP.

- Phá hoại xảy ra khi ứng suất chống đứt của FRP đạt tới trạng thái giới hạn và gây ra hiện tượng phá hoại giòn. Tại điểm đứt gãy, tấm FRP sẽ không thể chịu được tác dụng của bất kỳ lực nào.


Hình 10: Mô hình phá hoại do đứt liên kết giữa bê tông và FRP


Hình 11: Mô hình phá hoại do đứt tấm FRP

6.  Kết luận

NSM FRP là một phương pháp liên kết hoàn toàn mới và bù đắp được hầu hết những khiếm khuyết của các mô hình không liên kết. Với việc thi công đơn giản không cần thiết bị máy móc phức tạp, sử dụng ít diện tích bề mặt bê tông, tăng khả năng liên kết giữa FRP - bê tông, kết cấu FRP ít bị ảnh hưởng bởi lực va chạm, thay đổi của môi trường, nhiệt độ cao. Phương pháp này ngày càng được biết đến nhiều hơn và cũng cần phải nghiên cứu sâu hơn để đưa ra một quy trình hướng dẫn thiết kế và thi công cụ thể.

Tài liệu tham khảo

1. Balaguru P, Nanni A and Giancaspro J. FRP composites for Reinforced and Presstressed concrete structures: A Guide to Fundamentals and Design for

2. ACI Committee 440. State-of-the-Art Report on fiber Reinforced Plastic. Reinforcement for Concrete structures. American Concrete Institute, February 1996.

Nội dung đính kèm: download

Phòng QLKH&CGCN

♦ Ý kiến của bạn: