Warning: ini_set() has been disabled for security reasons in /home/hoangv29/public_html/libraries/joomla/session/session.php on line 102 Warning: ini_set() has been disabled for security reasons in /home/hoangv29/public_html/libraries/joomla/session/session.php on line 105 Warning: ini_set() has been disabled for security reasons in /home/hoangv29/public_html/libraries/joomla/session/session.php on line 655 Khảo sát thực nghiệm dầm bê tông cốt thép gia cường bằng vật liệu G-FRP
Tiếng Việt (Vietnamese)English (United Kingdom)
keep it fresh logo

Khảo sát thực nghiệm dầm bê tông cốt thép gia cường bằng vật liệu G-FRP


 

Bùi Đức Vinh, Nguyễn Quốc Thông, Kim Huy Hoàng
Thí nghiệm được thực hiện tại PTN Công Trình, ĐHBK Tp HCM

 

Tóm tắt: 

Phương pháp sử dụng tấm sợi FRP gia cường nhằm khôi phục hay nâng cao khả năng chịu lực cho các kết cấu bê tông hiện đang dần được sử dụng phổ biến ở VN trong những năm gần đây. Bài báo trình bày một số kết quả khảo sát thực nghiệm trên các mẫu thí nghiệm dầm bê tông kích thước lớn, các quan sát và đánh giá tập trung vào:  sự bám dính của lớp  vật liệu gia cường và bề mặt bê tông, quan hệ lực - độ võng của dầm bê tông có và không có gia cường, sự phát triển vết nứt và dầm có vết nứt ban đầu đuợc gia cường. Các kết quả mô phỏng bằng phần tử hữu hạn cũng cho kết quả phù hợp với thực nghiệm. Một số số liệu thực nghiệm và mô phỏng được trình bày, nhằm cung cấp các thông tin hữu tích cho các kỹ sư thiết kế.

 

 
 

Từ khóa:  Tấm sợi gia cường Polymer (FRP), Gia cường, phát triển vết nứt, mô phỏng phần tử hữu hạn

1. Giới thiệu  

Dưới tác động của các hoạt động khai thác và các yếu tố môi trường, hiệu năng làm việc của kết cấu bê tông giảm dần theo thời gian, một số biểu hiện cụ thể như vật liệu bị phá hoại do xâm thực, bị nứt do tải trọng, hay ứng suất nhiệt... Ngoài ra một số công trình có thay đổi công năng trong quá trình sử dụng dẫn đến sự gia tăng của tải trọng tác động… Trên thực tế đã có nhiều phương pháp để cải tạo, gia cố, cả và cải thiện khả năng chịu lực của kết cấu bê tông. Phương pháp dùng tấm composite polymer cường độ cao (FRP) dán lên bề mặt các vùng chịu lực của kết cấu bê tông, do cường độ cao và biến dạng rất nhỏ khi đó tấm FRP sẽ tiếp nhận một phần đáng kể ứng suất do tải trọng gây nên. Phưong pháp này  được áp dụng có hiệu quả cho nhiều loại kết cấu chẳng hạn như dầm, sàn (nhà hay cầu), cột,  thành bể chứa hay silo …, nó có thể áp dụng cho mục đích cải tạo, gia cường khả năng chịu lực các kết cấu cũ, tăng khả năng chịu lực và làm giảm kích thước tiết diện khi áp dụng cho kết cấu mới. 

Ở Việt nam, FRP đã được sủ dụng từ những năm cuối của thập kỷ 90 cho một số công trình cầu và nhà cao tầng. Với xu huớng  giảm giá thành của vật liệu trong những năm gần đâyFRP đã xuất hiện nhiều hơn trong các  đề xuất giải pháp xử lý gia cường công trình bê tông. Khó khăn chính cho việc quyết định sử dụng FRP là giá thành và yếu tố tiêu chuẩn kỹ thuật. Yếu tố thứ nhất sẽ được khắc phục khi việc sử dụng vật liệu này trở nên phổ biến hơn và ngày càng có nhiều nhà sản xuất và cung cấp cho thị truờng. Đối với yếu tố thứ hai, hiện ở nước ta các nghiên cứu về ứng dụng loại vật liệu này còn rất ít, đặc biệt là nghiên cứu thực nghiệm. Tiêu chuẩn hay hướng dẫn tính toán chưa có, chủ yếu tính toán theo các tiêu chuẩn của nước ngoài như  ACI, CEB-FIB MC90, kinh nghiệm tổng kết từ các ứng dụng thực tiễn chưa nhiều. Những điều này dẫn dến FRP không phải là giải pháp được ưu tiên lựa chọn ngay cả trong các trường hợp mà nó thể hiện tính ưu việt hơn hẳn các phương pháp khác. 

Trong bài viết này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm dựa trên thí nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép kích thước lớn được thực hiện tại phòng thí nghiệm công trình, trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM. Các mẫu dầm được thí nghiệm bao gồm, dầm đối chứng, dầm bê tông có gia cường, dầm có vết nứt  được gia cường. Thí nghiệm tập trung khảo sát ứng xử của dầm bao gồm: quan hệ lực- độ võng, sự xuất hiện vết nứt dưới tải trọng uốn, bám dính của  lớp FRP, biến dạng trong bê tông, cốt thép và tấm FRP, dạng phá hoại của dầm. Các mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm ATENA, với  mô hình phi tuyến vật liệu cho cả bê tông, cốt thép và tấm FRP. Một  số kết quả thực nghiệm và mô phỏng được trình bày, một số kết luận được rút ra từ nghiên cứu này được đề cập trong phần sau.

2. Chương trình thí nghiệm
2.1. Mẫu thí nghiệm và vật liệu
 

Trong phần nghiên cứu thực nghiệm, tất cả có 04 dầm bê tông được thí nghiệm uốn 04 điểm. Kích thước của dầm  mẫu như sau: dài 4.0m, tiết diện 150mm x 300mm tưong ứng với chiều rộng và cao. Cốt thép chính theo phương dọc dầm sử dụng loại SD390 (Vinakyoe)  được bố trí 2f12mm  ở thớ trên và 3f12mm  ở thớ dưới của tiết diện. Cốt đai sửa dụng loại thép đuờng kính 3f6m, được đặt với khoảng cách 120mm tại các vị trí  tập trung ứng suất cục bộ như gối tựa, và  tại hai điểm đặt tải, các vị trí khác đặt cách đều 150mm. Các đặc tính cơ học của cốt thép được xác định thí nghiệm bằng thí nghiệm kéo, giá trị trung bình giới hạn chảy của cốt thép chính dùng trong tính toán là 390MPa và của cốt đai là 280Mpa. Bê tông được thiết kế với cường độ chịu nén tại 28 ngày là 25Mpa, mẫu được bảo dưỡng bên cạnh dầm ở cùng  điều kiện tương tự. Duy nhất chỉ có thí nghiệm nén xác định cường độ được thực hiện cho mẫu bê tông ở thời điểm 7, 14, 28, 35 và 60 ngày . Các chỉ tiêu khác được tính toán theo CEB-FIB MC90. Kích thước hình học và bố trí cốt thép của dầm được thể hiện ở hình (H.1), bảng 1 mô tả các mẫu dầm thí nghiệm uốn, các đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông và thép cho ở bảng 2.  
 

Bảng 1: Mẫu dầm bê tông thí nghiệm uốn

 

 
 

Số hiệu

 

 
 

Mô tả

 

 
 

Kích thước

 

 
 

B-CTRL

 

 
 

Dầm đối chứng

 

 
 

Dài  4000mm

 

 
 

Tiết diện:

 

 
 

150mm ´ 300mm

 

 
 

B-STR1

 

 
 

Dầm được gia cường 1

 

 
 

B-STR2

 

 
 

Dầm được gia cường 2

 

 
 

B-PRC

 

 
 

Dầm có vết nứt được gia cường

  

Bảng 2: Đặc trưng vật liệu của thép và bê tông

 

 
 

Vật liệu

 

 
 

Đặc trưng cơ học

 

 
 

Giá trị

 

 
 

Concrete

 

 
 

Cường độ chịu nén, MPa

 

 
 

25.0

 

 
 

Cường độ chịu kéo, MPa

 

 
 

1.3

 

 
 

Mô đun đàn hồi, GPa

 

 
 

26.5

 

 
 

Hệ số Poisson

 

 
 

0.18

 

 
 

Reinforcement

 

 
 

Giới hạn chảy, MPa

 

 
 

390

 

 
 

Giới hạn bền, Mpa

 

 
 

4500

 

 
 

Mô đun đàn hồi, GPa

 

 
 

210


  Loại tấm sợi  Tyfo SEH 51A và keo epoxy loại  Tyfo S của hãng  FYFE  được sử dụng cho các mẫu dầm có gia cường, các đặc trưng cơ học chính của sản phẩm  này được liệt kể ở bảng 3. Bề mặt của dầm bê tông được mài phẳng và làm sạch trước khi dán tấm gia cường. Tấm  FRP gia cường với hướng chính của sợi được đặt theo hướng dọc trục của dầm và phủ toàn bộ mặt đáy (chịu kéo), và sau đó được tẩm bởi lớp keo epoxy. Tổng chiều dày  của  lớp gia cường là 3mm theo đúng thiết kế.  Đối với dầm có vết nứt (do được uốn trước),  đầu tiên dầm được xử lý sao cho không còn biến dạng dư, các vết nứt được xử lý trước bằng cách bơm epoxy trám đầy. Sau đó được dán tấm gia cường tương tự như các dầm khác. Trong quá trình chế tạo mẫu, các tấm đo biến dạng (strain gauge) được đặt sẵn trong cốt thép, trên bề mặt bê tông, và vùng giữa 2 bề mặt tiếp xúc. Công tác gia cường được hoàn tất 2 tuần trước khi thí nghiệm để vật liệu FRP đạt được các tính chất cơ học cần thiết. 

 
 Bảng 3: Các đặc trưng cơ học của tấm sợi thủy tinh gia cường Tyfo SEH 51A

 

 
 

Đặc trưng cơ học

 

 
 

Giá trị

 

 
 

Giới hạn bền theo hướng chính của sợi, MPa

 

 
 

     460

 

 
 

Biến dạng tương đối tại điểm đứt, %

 

 
 

     1.7

 

 
 

Mô đun đàn hồi, GPa

 

 
 

     20.9

 

 
 

Giới hạn bền hướng 90o so với hướng chính của sợi, MPa

 

 
 

     20.7

 

 
 

Chiều dày lớp sợi, mm

 

 
 

     1.3


2.2. Cài đặt thiết bị và tiến hành thí nghiệm

Thí nghiệm uốn 04 điềm cho dầm bê tông được thực hiện trên hệ thống khung gia tải MAGNUS (H.2). Tải trọng được tạo ra bởi 02 kích thủy lực đặt tại các vị trí 1/3 nhịp dầm. Có ba loại thiết bị đo cơ bản được dùng cho thí nghiệm này: Cảm biến đo biến dạng  (Strain gages) được dùng để đo các biến dạng trên bề mặt dầm bê tông, bề mặt của tấm FRP (loại 30mm) và biến dạng của cốt thép dọc (loại 10mm).  Tín hiệu được ghi nhận bởi thiết bị  đo SB-10 and  P3500 của hãng Measurements Group. Chuyển vị kế (Idicator) với khả năng tối đa 75mm được dử dụng để đo độ võng, chúng được bố trí ở đáy dầm và tại điểm giữ nhịp và 02 điểm đặt tải. Lực tập trung tác dụng lên dầm được đo bằng cảm biến lực (loadcell) và chỉ cần đặt ở một bên do hai kích thủy lực được nối chung nguồn giá trị lực tạo ra luôn gần bằng nhau. Do hạn chế tính năng của các thiết bị thí nghiệm trong điều kiện hiện có, quá trình gia tải không thể kiểm soát tự động, nó được thực  hiện bằng tay và tăng chậm mỗi bước 1.0kN. Tất cả tín hiệu đo được đọc và ghi lại bởi người thí nghiệm. Cấu tạo chi tiết, sơ đồ hệ thống thí nghiệm và các vị trí đặt thiết bị đo cho dầm điển hình đuợc thể hiện ở hình (H.1) và (H.2) tương ứng. 

Theo trình tự, dầm đối chứng (B-CTR) được thực hiện đầu tiên, tiếp theo sau lần lượt là các cầm có gia cường (B-STR1) và dầm có vết nứt ban đầu được gia cường được thí nghiệm cuối cùng.

 Hinh 1-2

3. Kết quả thí nghiệm
3.1 Ứng xử của dầm đối chứng

Kết quả lực- độ võng của thí nghiệm uốn dầm  được  thể hiện ở hình (H.03),  ứng xử tổng thể của các dầm có thể chia thành 03 miền chính: miền đàn hồi, vùng phá hoại dẻo (fracture plastic zone) và gia đoạn phá hỏng của vật liệu. Dầm đối chứng bắt đầu xuất hiện vết nứt tại cấp tải 8.0kN, vết nứt phân bố trong khoảng giữa của 02 điểm đặt tải. Khi gia tăng tải trọng, số lượng vết nứt tăng nhanh và lan ra bên ngoài hai điểm đặt tải và bắt đầu hình thành biến dạng dẻo ở cấp tải 11.6kN, bề rộng vết nứt quan sát được nhỏ hơn 0.1mm đến 0.5mm và  lớn nhất là 1.2mm khi dầm bị phá hoại. Sơ đồ phân bố vết nứt được thể hiện ở hình (H.5).

 Hinh 3
 Hình 3:Đồ thị lực-độ võng tại giữa nhịp dầm

  Quan hệ lực- biến dạng của cốt thép được thể hiện ở hình (H.4) cho thấy, cốt thép vẫn làm việc ở trong giai đoạn đàn hồi, giá trị biến dạng tại điểm tải trọng lớn nhất là 1.2‰ sơ với giới hạn đàn hồi 1.8‰. Dầm bị phá hoại do phá hoại dẻo của vật liệu bê tông, độ võng của dẫm vượt quá khả năng của thiết bị.

 Hinh 4-5

 

3.2. Ứng xử của dầm gia cường sợ FRP

Đối với dầm có gia cường (B-STR),  vết nứt rất nhỏ bắt đầu xuất hiện ở cấp tải 12.0 kN,  ở cấp tải 1.5kN nó có thể được nhìn thấy tương đối rõ ràng. Ở cấp tải 20.0kN bắt đầu có hiện tượng tấm FRP bị phá hoại ở một vài điểm cục bộ, và dầm bị phá hoại ở cấp tải 22.0kN.  So với dầm B-CTR số lượng vết nứt đếm được chỉ bằng một nửa, bề rộng lớn nhất đo được trong khoảng 0.2mm đến 0.4mm. 

Trường hợp dầm B-PCR, dạng phá hoại uốn cũng xảy ra tương tự như hai dầm trước. Vết đầu tiên nứt bắt đầu xuất hiện ở cấp tải xấp xỉ 1.0kN, và chúng tiếp tục tăng nhanh ở khu vực giữa hai điểm đặt tải. Dầm bị phá hủy ở cấp tải 1.8kN. Trên đồ thị hình (H.4) cho thấy, biến dạng của cốt thép kéo tại mặt cắt  giữa nhịp của dầm đối chứng (B-CTR) là 1.2 ứng với cấp tải 16.0kN,  trong khi đó biến dạng tương ứng là 0.7 đối với dầm (B-STR) và 1.0‰ cho dầm (B-PRC). Một phần ứng suất kéo đã được chuyển từ chuyển từ cốt thép sang tấm FRP gia cường ở bề mặt bên ngoài.

Dựa trên các kết quả thí nghiệm cho thấy, dầm có gia cường đã cải thiện khoảng 16% khả năng chịu lực nếu xét theo điều kiện xuất hiện vết nứt. Sự bám dính của lớp sợi gia cường và bê tông rất tốt, cho cả hai trường hợp dầm có vết nứt và không nết nứt được gia cường. Ở thời điểm dầm bị phá hoại hoàn toàn, tỉ lệ diện tích lớp FRP bị tách ra hoặc bị hỏng là không nhiều. Độ võng của dầm có gia cường không được cải thiện nhiều do lớp FRP không làm tăng thêm độ cứng kháng uốn của dầm. 
 

4. Kết luận

Bài báo trình bày một số kết quả thực nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép có và không có gia cường tấm sợi G-FRP cùng với các kết quả mô phỏng bằng phần tử hữu hạn tương ứng. 

 Kết quả thí nghiệm cho thấy vật liệu sự bám dính của tấm FRP và bề mặt bê tông trong trường hợp dầm chịu uốn là thực sự ấn tượng, nó đảm bảo hiệu quả gia cường của tấm G-FRP khi cùng làm việc với kết cấu bê tông hiệu hữu. 

 Tấm G-FRP cải thiện đáng kể được khả năng chịu lực của kết cấu bê tông được gia cường, tuy nhiên hiệu quả làm giảm độ võng của kết cấu không nhiều do độ cứng hình học của kết cấu tăng không đáng kể.  Tỉ số giữa (khối lượng/thể tích vật liệu gia cuờng)/(mức độ tăng khả năng chịu lực) của giải pháp dùng tấm FRP thấp hơn nhiều so với phương pháp truyền thống khác.  

 Các kết quả mô phỏng so sánh với thực nghiệm cho thấy,  ứng xử tổng thể của bài toán dầm chịu uốn có và không gia cường là phù hợp,  các kết quả của từng đối tượng cụ thể vẫn còn khoảng cách đáng kể. Các số liệu về vật liệu để đưa vào mô hình kết cấu cho bài toán phân tích cần phải được hiệu chỉnh dựa trên các số liệu thí nghiệm có độ tin cậy cao hơn. Tuy nhiên, kết quả phân tích mô hình 3 chiều 3D có thể dùng được trong trường hợp phân tích gia cường cấu kiện. 

 Trong điều kiện thiết bị chưa được như mong muốn, phần nào ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả, do vậy cần cải tiến thêm về mặt thiết bị và gia tăng số lượng các thí nghiệm để loại bỏ các sai số khách khoan.

Lời cảm ơn 

Tác giả thứ nhất chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính cho việc chế tạo dầm mẫu từ công ty Tư Vấn Xây Dựng Tân CC (New CC Consultants Co, Vietnam), lời cảm ơn cũng xin gởi đến công ty Fyfe Asia Pte Ltd, Singapore về sự hỗ trợ vật liệu FRP và các hướng dẫn kỹ thuật liên quan đến loại vật liệu này. Cuối cùng tác giả ghi nhận sự giúp đỡ của một số sinh viên khoa xây dựng trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm. 

Tài liệu tham khảo  
 

[1]. V. Cervenka, L. Jendele and  J. Cervenka (2006). "ATENA V3, Program documents, part 1: Theory”. Cervenka Consulting. 

[2]. P. Feng, X. Z. Lu & L. P. Ye (2002). “Experimental research and finite element analysis of square concrete columns confined by FRP sheets under uniaxial compression.” Proc. 17th Aust. Conf. on the Mech. of Struc. and Mat. , pp 71~76. 

[3]. D. Kachlakev, T. Miller, K. Chansawat, T. Potisuk (May 2001).  “Finite Element Modeling Of Reinforced Concrete Structures Strengthened With FRP Laminates.”,  Final report SPR 316, Oregon Department of Transportation.  

[4]. K. Maekawa, A. Pimanmas and H. Okamura (2003).  “Nonlinear Mechanics of Reinforced Concrete”,  Spon Press. 

American Concrete Institute-ACI 440.2R-02 (2002). “Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures: Reported by ACI Committee 440: 3-15. USA. 

[5]. W. K. Ong (2006), “Evaluation, selection and acceptance criteria for using FRP systems for strengthening reinforced concrete and masonry structures”, TYFO WORKSHOP 2006, Ho Chi Minh City, Vietnam.

[6]. B. Gao, C. K.Y. Leung, Jang-Kyo Kim (2007), “Failure diagrams of FRP strengthened RC beams”, Composite Structures 77, pp 493–508.

 


2009 Copyright(C) by Hoang Vinh T.R.C.C