Đề tài nghiên cứu  
Nghiên cứu thực nghiệm sức chịu tải của dầm bê tông cốt thép chịu uốn gia cường bằng tấm composite

Tóm tắt:

Ứng xử uốn là một trong những dạng ứng xử điển hình của cấu kiện bê tông cốt thép và thường gặp trong các kết cấu như dầm, bản trong công trình giao thông, xây dựng dân dụng và thủy lợi. Dưới tác dụng của tải trọng ngày càng gia tăng như hoạt tải, cũng như tác động xâm thực và ăn mòn của môi trường, kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép bị suy giảm khả năng chịu tải. Để khôi phục cũng như gia cường sức chịu tải của kết cấu nhằm đáp ứng yêu cầu mới về tải trọng cũng như điều kiện khai thác, các kết cấu cũ bị suy giảm sức chịu tải cần được gia cường. Một trong các phương pháp gia cường sức chịu tải của kết cấu được thực hiện thông qua việc ứng dụng tấm composite. Để xác định được khả năng và phạm vi ứng dụng của giải pháp này, trong khuôn khổ đề tài cấp Viện về nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu tổng hợp trong sửa chữa và nâng cấp công trình thủy lợi, một loạt các dầm bê tông chịu uốn gia cường bằng tấm composite với các mức độ khác nhau được thí nghiệm. Bài báo này trình bày một số kết quả thí nghiệm và phân tích ứng xử của dầm bê tông được gia cường bằng tấm composite.

Experimental study of flexural behaviour of reinforced concrete beam strengthened with FRP plates

Abstract:

Flexural behaviour is one of the main load bearing behaviours of reinforced concrete elements, such as beam, plate members in transportation, civil engineering and irrigation constructions. Under the effect of load increasing, e.g. live load as well as the impact of erosion and corrosion from enviroment, load bearing capacity of concrete reinforced structures are reduced. To adapt to new conditions of exploitation, the old structures should be strengthened. One of various methods of strenthening the load capacity of structures is using composite plates. To determine the possibility and limitation of application of this solution, within a project to study the possibility of using composite materials in repair and upgrading of irrigation structures, a series of reinforced concrete beams strengthened with FRP plates were experimental investigated. In this paper, some selected results of this experiment will be introduced and discussed.

1. Giới thiệu

Do sự gia tăng của tải trọng khai thác và sự tác động xâm thực của môi trường, hiện nay hàng loạt kết cấu công trình thủy lợi bằng bê tông cốt thép bị suy giảm trầm trọng về khả năng chịu lực. Cấu kiện chịu lực không còn giữ được nguyên vẹn điều kiện và khả năng chịu tải như ban đầu. Điển hình là các vết nứt xuất hiện với bề rộng và mật độ lớn hơn giới hạn cho phép. Bề mặt cấu kiện cũng như diện tích cốt thép bị ăn mòn do xâm thực và rỉ. Ngoài ra, do các tác động phụ thuộc thời gian như từ biến, co ngót, mỏi,.. cường độ của bê tông cũng bị suy giảm nhiều dẫn đến kết cấu làm việc trong điều kiện bất lợi.

Để đảm bảo cho việc duy trì khai thác, một loạt các phương pháp thay mới cũng như sửa chữa nâng cấp đã được ứng dụng. Phương pháp thay mới hoàn toàn kết cấu đòi hỏi một một kinh phí lớn và để giải quyết cho cả một hệ thống gồm rất nhiều công trình thủy lợi thì nó thể hiện sự không khả thi cũng như hiệu quả kinh tế cả ngắn hạn lẫn lâu dài. Phương pháp sửa chữa, gia cường, cải thiện điều kiện về sức kháng cũng như điều chỉnh tải trọng tác động tỏ ra hiệu quả hơn về kinh tế kỹ thuật trong điều kiện nước ta hiện nay. Một trong số đó là giải pháp gia cường kết cấu cũ bằng việc sử dụng vật liệu composite để dán vào bề mặt vùng chịu kéo của cấu kiện. Giải pháp này có thể làm phục hồi trở lại một phần cũng như nâng cao sức chịu tải của kết cấu để phù hợp với yêu cầu mới về khai thác.

Ứng xử của kết cấu sau khi được gia cường rất phức tạp vì nó phụ thuộc vào trạng thái làm việc trước đó của kết cấu. Ngoài ra, đối với các cấu kiện bằng bê tông cốt thép, các yếu tố như từ biến, co ngót, phi tuyến vật liệu và ảnh hưởng của các vết nứt làm cho việc xác định ứng xử thật của kết cấu thêm khó khăn. Sự làm việc của kết cấu sau khi gia cường dựa trên sự tích lũy ứng suất biến dạng của kết cấu trước đó và cả sự phân bố lại độ cứng khi vật liệu gia cường tham gia chịu lực. Khi bê tông bị suy giảm về cường độ, việc gia cường với mật độ quá ít hay quá nhiều tấm sợi composite đều dẫn đến trạng thái phá hoại mới của kết cấu có thể bất lợi và không hiệu quả trong công tác gia cường. Việc xác định mức độ gia cường, do vậy, là một vấn đề quan trọng quyết định tính hiệu quả của giải pháp này. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về sự làm việc của dầm được gia cường thông qua cả thí nghiệm lẫn mô phỏng số như ở [3,4,5], tuy nhiên một lời giải đầy đủ vẫn còn để ngỏ.

Trong phạm vi bài báo này, một số các kết quả thí nghiệm uốn 4 điểm của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite với các mức độ khác nhau được trình bày. Các thí nghiệm này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng vật liệu tổng hợp trong sửa chữa, nâng cấp cống dưới đập các hồ chứa quy mô vừa và nhỏ khu vực miền núi phía Bắc“ thực hiện trong 2 năm 2010-2011.

2. Nghiên cứu thí nghiệm

2.1. Mục tiêu của thí nghiệm và các tham số

Mục tiêu của thí nghiệm là phân tích ứng xử chịu tải của dầm bê tông cốt thép chịu uốn với sự tham gia của vật liệu gia cường composite cho các mức độ gia cường khác nhau. Ở đây, các ảnh hưởng của một số tham số khác nhau tới sức chịu tải của kết cấu được nghiên cứu. Tham số đầu tiên là mức độ gia cường kết cấu được thể hiện thông qua số lớp gia cường ở phía chịu nén của dầm được sử dụng. Để xem xét sự ảnh hưởng của giai đoạn chịu tải và gia cường, một số dầm được cho gia tải trước đến khi nứt và sau đó các bản composite gia cường được dán vào. Ngoài ra, ảnh hưởng của cường độ bê tông dầm cũng được nghiên cứu.

Trong bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu của 6 dầm bê tông cốt thép được gia cường với các mức độ khác nhau. Các thông số của chương trình thí nghiệm được trình bày trong bảng 1.

Bảng 1: Các thông số của chương trình thí nghiệm

Dầm số

Mặt cắt

(cm2)

Cốt dọc

Cốt đai

Bề dày bê tông bảo vệ

Kiểu gia cường

Số lớp gia cường

D01

15x25

4f14

f6/120mm

20mm

-

-

D02

15x25

4f14

f6/120mm

20mm

mặt dưới

1

D03

15x25

4f14

f6/120mm

20mm

mặt dưới

2

D04

15x25

4f14

f6/120mm

20mm

mặt dưới

3

D05

15x25

4f14

f6/120mm

20mm

mặt dưới

4

D06

15x25

4f14

f6/120mm

20mm

mặt dưới

5

 

2.2. Mẫu thí nghiệm – Hình học và vật liệu

2.2.1. Dầm bê tông

Sức kháng uốn của dầm bê tông được gia cường bằng tấm composite được nghiên cứu với mẫu thí nghiệm dầm có mặt cắt hình chữ nhật kích thước 150mm x 250mm và chiều dài nhịp uốn là 3,0m. Tất cả các dầm được chế tạo cùng một loại công thức bê tông. Cường độ nén trung bình mẫu bê tông hình trụ là khoảng 37 N/mm2. Dầm đầu tiên không sử dụng bản gia cường composite và được dùng để làm dầm đối chứng cho các dầm khác. Tất cả các dầm đều sử dụng cùng một loại cốt thép có cường độ 290 MPa. Đường kính của thép dọc chủ là 14mm, và của thép đai là 6mm. Cốt đai được bố trí dày hơn ở 1/3 dầm với bước đai 120mm, ở giữa dầm với bước đai là 200mm. Bề dày lớp bê tông bảo vệ là 20mm. Việc mô tả kích thước của dầm cũng như việc bố trí cốt thép và các điểm đo được thể hiện trên hình 1.

2.2.2. Lớp vật liệu gia cường composite

Vật liệu composite được làm từ các sợi trong một kết dính polyme và được biết đến như là cốt sợi polyme (fiber-reinforced polymers – FRP). Nó được xem như là một giải pháp thay thế cho vật liệu và kỹ thuật truyền thống trong gia cường kết cấu. Vật liệu cốt sợi tổng hợp có ưu điểm là nhẹ, không bị rỉ và có cường độ kéo cao. Hơn nữa, những vật liệu này có thể được sản xuất nhanh chóng theo một số hình dạng tạo thành các tấm composite và có thể uốn cuộn phù hợp với các loại bề mặt của cấu kiện trước khi cho keo dính kết giữa chúng. Các tấm composite có bề dày tương đối mỏng có thể thỏa mãn được yêu cầu về mặt kiến trúc cũng như những tiêu chí khác liên quan [1,7,8,9].

Trong các thí nghiệm được thực hiện ở nghiên cứu này, các tấm gia cường composite được lấy từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và độ dãn dài cực hạn 2,0%. Keo dính được sử dụng có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0%. Trong trường hợp chịu uốn, keo dính có cường độ là 123,4 MPa và mô đun đàn hồi là 3,12 GPa.

2.4. Thực hiện thí nghiệm

Các dầm được lần lượt gia tải. Nội dung công việc đo đạc kết quả thí nghiệm bao gồm:

·   Đo chuyển vị (độ võng) tại mặt cắt trung điểm của dầm. Việc đo đạc được tiến hành ở cả hai bên mặt dầm để kiểm tra vấn đề xoắn của dầm. Đầu đo biến dạng kết nối với máy đo chuyển vị và biến dạng tĩnh SDA 830C do Nhật Bản chế tạo. Số liệu đo được ghi tự động vào tệp dữ liệu lưu trữ trong máy tính điều khiển dụng cụ đo và được ghi theo các bước thời gian định sẵn.

·   Đo các biến dạng từ 5 cảm biến được dán vào bề mặt dầm có sơ đồ như hình 1. Số liệu cũng được ghi như hình thức ghi số liệu của chuyển vị. Các cảm biến sử dụng là loại của Nhật sản xuất, có độ dài 5 cm và sai số là 1‰.

·   Ngoài ra, các vết nứt và sử mở rộng vết nứt cũng được quan sát và đo đạc. Thiết bị đo sự mở rộng vết nứt là ten xơ mét đòn sản xuất từ Trung Quốc.

Các dầm này được thí nghiệm theo phương pháp gia tải cho tới khi phá hoại (Hình 2). Việc gia tải bằng máy kéo nén vạn năng HUTM sản xuất từ Mỹ và thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM. Quá trình gia tải được lập trình theo ý đồ bằng phần mềm điều khiển máy HUTM. Số liệu đo về lực và chuyển vị của đầu gia tải cũng được ghi tự động vào tệp dữ liệu.


3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận

3.1. Đặc tính vật liệu

Tương ứng với mỗi dầm có từ 6 tới 12 mẫu thí nghiệm cường độ của bê tông hình trụ kích thước 150mm x 300mm được thực hiện. Các kết quả tính từ thí nghiệm các mẫu này được lấy trung bình và tổng hợp trong bảng 2. Để phục vụ cho việc mô phỏng lại ứng xử của các dầm này với việc xem xét tính chất phi tuyến vật liệu, các thông số còn lại của vật liệu được tính toán theo tiêu chuẩn Model Code 2010 [2] vì các tiêu chuẩn tính toán thiết kế trong nước chưa có [6]. Như vậy, ngoài cường độ chịu nén của bê tông có được từ kết quả thí nghiệm nén mẫu, các thông số vật liệu cần thiết khác như cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của bê tông cũng được xác định.

Bảng 2: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông

(thực hiện cùng ngày với thí nghiệm dầm)

 

3.2. Thí nghiệm dầm

Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị tại giữa dầm và tải trọng của các dầm được tổng hợp trong hình 3. Dầm D01 (không được gia cường) có miền chảy dẻo lớn ở mức tải khoảng 50 kN. Biến dạng của dầm tăng nhanh chóng sau khi gia tải ở mức này vì cốt thép miền chịu kéo đã bị chảy dẻo. Với các dầm được gia cường, tải trọng tới hạn được gia tăng lên rất nhiều và trong trường hợp gia cường ở mức cao như 4 hoặc 5 lớp vật liệu composite (tương ứng với dầm D05 và D06) thì sức chịu tải đạt khoảng 200% so với dầm không gia cường. So với dầm D05, việc thêm một lớp gia cường của dầm D06 không làm cải thiện được nhiều sức chịu tải của dầm, vì bê tông dầm đã đạt đến trạng thái phá hủy. Điều này được giải thích kỹ hơn ở phần sau cùng với hình 4 và 5.

Với chỉ một lớp gia cường, dầm D02 cho thấy sức chịu tải và độ cứng của dầm được tăng lên đáng kể so với dầm không gia cường. Một trong những nguyên nhân độ cứng tăng cao hơn là vì cường độ bê tông ở dầm D02 cao hơn so với D01 (xem bảng 2). Dầm D03 có cường độ bê tông cao nhất, và chính điều này đã gây ra chênh lệch lớn về độ cứng của dầm so với dầm D01. Các dầm D02 và D03 có miền chảy dẻo ít vì các dầm này bị phá huỷ do sự bong bật của tấm gia cường phía đầu dầm. Ở dầm được gia cường 3,4 và 5 lớp vật liệu composite có miền dẻo lớn hơn và có dạng gần với dầm bê tông cốt thép thường không được gia cường. Quan sát từ thí nghiệm cho thấy, các dầm này bị phá huỷ do mô men uốn lớn ở giữa dầm.

Hình 4 và 5 trình bày kết quả đo biến dạng tại mặt cắt giữa dầm tương ứng của mẫu D02 với 1 lớp gia cường và D05 với 4 lớp gia cường ứng với các mức tải trọng khác nhau. Ở các mức tải lớn, khoảng cách giữa hai mặt biến dạng liên tiếp theo cấp tải càng lớn hơn thể hiện tính phi tuyến của vật liệu. Tuy nhiên, mặt biến dạng của dầm nói chung là tương đối phẳng ngay cả ở cấp tải trọng lớn. Ở mức tải trọng nhỏ (khoảng dưới 60% tải trọng cực hạn) thì chiều cao vùng bê tông chịu nén ít thay đổi. Ở mức tải trọng lớn hơn, đi cùng với biến dạng lớn ở phía thớ chịu kéo do sự giảm mạnh sự làm việc đồng thời của bê tông và tấm gia cường cũng như cốt thép (tension stifening effect) [4], biến dạng của bê tông vùng chịu nén lớn hơn và chiều cao vùng chịu nén bị thu lại. Ở trường hợp dầm D02, kết cấu bị phá hủy khi bê tông vùng chịu nén chưa đạt tới biến dạng cực hạn (ở đây chỉ khoảng 2‰). Trong trường hợp dầm D05 với 4 lớp gia cường, biến lớn nhất của bê tông vùng chịu nén đã đạt tới khoảng 3‰ và ở gần giới hạn phá hủy của bê tông (3,5‰).

 

 

 

Ngoài ra, việc tăng mức độ gia cường sẽ làm tăng chiều cao vùng chịu nén của bê tông và do đó sức chịu tải của kết cấu tăng lên. Kết quả thí nghiệm cho thấy, mức độ gia cường càng nhiều thì sức chịu tải của kết cấu càng được cải thiện (hình 6). Sức chịu tải tăng tương đối tỷ lệ thuận với số lớp tấm gia cường được sử dụng. Tuy nhiên, sự chênh lệch về sức chịu tải giữa các trường hợp 4 và 5 lớp gia cường là không lớn. Lý do là bê tông vùng chịu nén đã đạt tới ranh giới phá hoại nên việc tăng thêm mức gia cường (như ở dầm D06) không đem lại hiệu quả nữa.

 

 

 

4. Tổng kết

Với việc gia cường bằng tấm composite, sức chịu tải của dầm bê tông cốt thép được gia tăng lên đáng kể. Trong phạm vi thí nghiệm này, giá trị chịu lực tới hạn của dầm tăng lần lượt là khoảng 30, 60 và 100% tương ứng với mức gia cường 1 lớp, 2 lớp và 4 lớp vật liệu composite. Sự có mặt của lớp gia cường làm phân bố lại nội lực trong dầm và đặc biệt là làm tăng chiều cao vùng chịu nén của cấu kiện và kéo theo sự tăng lên về sức chịu tải của dầm. Cường độ dính bám giữa bê tông và tấm gia cường là rất lớn và theo kết quả quan sát trực tiếp từ thí nghiệm, sự dính bám này ở vị trí có mô men uốn lớn vẫn được duy trì mặc dù bê tông vùng kéo có thể bị phá hoại hoàn toàn.

Một vấn đề được thấy là ở mức tải trọng đủ lớn, các vết nứt xiên trong dầm xuất hiện và gây ra hiện tượng bóc tách tấm gia cường ở phía đầu dầm. Nghĩa là sự tham gia chịu lực của tấm gia cường có thể làm thay đổi trạng thái phá hoại của dầm chịu uốn thông thường. Vị trí phá hoại có thể bị dịch chuyển về phía đầu dầm nơi mà lực cắt đủ lớn. Trong trường hợp này, sức chịu tải của dầm được quyết định bởi sức chịu uốn cắt đồng thời và nói chung là nhỏ hơn so với sức chịu tải do uốn thuần túy.

Do đó, cần thiết phải lưu ý và xem xét ứng xử của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite trong trường hợp tải trọng cực hạn. Ở đây, việc chọn mức độ gia cường quyết định tới trạng thái phá hoại. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ gia cường tới sự dính bám giữa bê tông và lớp vật liệu gia cường cùng với sự làm việc chung của bê tông vùng chịu kéo là rất cần thiết.

 

5. Tài liệu tham khảo

[1]  ACI:  Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, Report by ACI Committee 440, American Concrete Institute, July 2008.

[2]  MC2010: Model Code 2010, First complete draft, Volume 1 & 2, fib Bulletin 55, 03-2010.

[3]  G. Camata, E. Spacone, R. Zarnic: Experimental and Nonlinear Finite Element Studies of RC Beams Strengthened with FRP Plates, Composites, ELSEVIER, 2006.

[4] U.A. Ebead, H. Marzouk:  Tension-stiffening model for FRP-strengthened RC concrete two-way slabs, Springer-Verlag, 2004.

[5] L. Ascione, V.P. Berardi, E.D. Nardo, L. Feo, G. Mancusi:  An Experimental and Numerical Investigation on the Plating of Reinforced Concrete Beams with FRP Laminates, Italy.

[6] TCVN 4116:1985: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép thủy công, Tiêu chuẩn Việt Nam 4116:1985, 1985.

[7]  N.Q. Tường: Sửa chữa và gia cố công trình bê tông cốt thép bằng phương pháp dán nhờ sử dụng vật liệu FRP, Tạp chí Phát triển KH&CN, Số 10, 2007.

[8]  N.T. Dũng, N.V. Mợi, H.P. Hoa: Nghiên cứu giải pháp gia cường dầm bê tông cốt thép bằng tấm vật liệu composite sợi carbon (Phần 1), Tạp chí khoa học và Công nghệ, Đại học Đà nẵng, Số 3(44), 2011.

[9]  H.S. Đính: Nghiên cứu các công nghệ mới sửa chữa những hư hỏng của kết cấu BTCT trong công trình cảng, Hội nghị khoa học Công nghệ GTVT, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, 2011.

Th.S. Nguyễn Chí Thanh

Viện Thủy công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
Các bài liên quan
 Hiệu quả kinh tế-xã hội của công trình điều tiết mực nước sông Hồng đoạn qua Hà Nội (25/07/2011)
 Ảnh hưởng của tro trấu đến cường độ, tính chống thấm của bê tông thủy công (09/06/2011)
 Giải pháp chống hạn cho đồng bằng sông Hồng mùa kiệt bằng hệ thống bậc thang công trình điều tiết trên sông (10/05/2011)
 Họp hội đồng nghiệm thu chính thức đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng giải pháp xử lý nền móng công trình Thủy lợi trên vùng đất yếu Đồng bằng sông Cửu long bằng cột Đất-Xi măng khoan trộn sâu” (19/04/2011)
 Nghiệm thu chính thức đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu giải pháp công trình điều tiết mực nước trên hệ thống sông Hồng mùa kiệt phục vụ chống hạn, phát triển kinh tế vùng đồng bằng Bắc Bộ” (04/04/2011)