Nghiên cứu gia cường bản bê tông cốt thép bằng tấm FRP dính bám ngoài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TẤN ĐỜI

NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG BẢN BÊ TÔNG
CỐT THÉP BẰNG TẤM FRP DÍNH BÁM NGOÀI

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số
: 60.58.02.05

TÓM TẮT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Hoàng Phương Hoa

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Phi Lân
Phản biện 2: TS. Đặng Việt Dũng

Luận văn Đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại
Trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện khoa Xây dựng Cầu đường trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài
Nghiên cứu gia cường bản bê tông cốt thép bằng tấm Carbon
Fiber Reinforced Polymer (CFRP) dính bám ngoài.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Kết cấu sàn BTCT được sử dụng khá nhiều trong các công
trình nhà cửa và hạ tầng kỹ thuật xây dựng khác. Sau một thời gian
khai thác do sự suy thoái của vật liệu bê tông và cốt thép làm giảm
khả năng chịu lực của sàn BTCT nên cần thiết phải gia cường để đảm
bảo khả năng chịu tải theo thiết kế. Một số hệ sàn BTCT do sự gia
tăng về yêu cầu tải trọng tác dụng lên sàn nên cũng cần thiết phải gia
cường.
Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu công
trình sàn BTCT được ứng dụng thực tế ở nước ta như: Phương pháp
mở rộng thêm tiết diện, dùng bản thép gia cường (dán bản thép),
dùng cáp dự ứng lực căng ngoài, sử dụng loại vật liệu composite sợi
cường độ cao FRP (Fiber-Reinforced Polymer).
So sánh với các phương pháp gia cường truyền thống,
phương pháp sử dụng tấm composite dính bám ngoài để gia cường
sàn BTCT có nhiều ưu điểm như: Thi công nhanh chóng; tấm
compostite vừa tăng cường khả năng chịu lực của sàn vừa bảo vệ
BTCT; không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha,
đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, không dừng hoạt động khi
thi công, cách điện, chịu nhiệt tốt.
Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu compostite gia cường sàn

BTCT tại Việt Nam đang mới bắt đầu nên cần được tiếp tục nghiên
cứu về cả phương diện lý thuyết và thực nghiệm.
Trong giới hạn luận văn thạc sỹ ứng dụng học viên chọn đề
tài nghiên cứu Nghiên c u gia cường bản BTCT b ng tấm CFRP


2
dính b m ngoài là có tính thời sự và ứng dụng.
3. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu ứng xử của sàn BTCT được gia cường bằng tấm
sợi carbon (CFRP) dính bám ngoài trên mô hình phần tử hữu hạn và
kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm thông qua thử tải sàn chịu uốn.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên c u
Đối tựơng nghiên c u: Sàn BTCT được gia cường bằng tấm
CFRP dính bám ngoài.
Phạm vi nghiên c u: Sàn BTCT nhà dân dụng gia cường
bằng tấm CFRP.
5. Phương ph p nghiên c u
Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm:
Chương 1: Tổng quan về công tác gia cường kết cấu BTCT
bằng vật liệu FRP.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán sàn BTCT gia cường
FRP dính bám ngoài.
Chương 3: Thực nghiệm thử tải sàn BTCT gia cường FRP.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT
BẰNG VẬT LIỆU CFRP
1.1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU CỐT SỢI POLYMER

Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai
hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới
có tính năng ưu việt bền hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu
Compostie bao gồm có vật liệu nền và cốt, vật liệu nền đảm bảo việc
liên kết các cốt lại với nhau tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có


3
tính nguyên khối, liên tục nhằm đảm bảo cho Compostie có được các
đặc tính cơ học cần thiết làm việc hài hòa với nhau.
1.1.1. Lịch sử hình thành và lợi ích sử dụng vật liệu
Composite
Vật liệu Compostie đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống,
khoảng 5000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng
vật liệu Compostie vào cuộc sống (ví dụ: Sử dụng bột đá trộn với đất
sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm).
Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ
vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật
khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của vật liệu
Compostie có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo
cho các thành phần liên kết hài hòa tạo nên các kết cấu có khả năng
chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt
của môi trường. Một trong những ứng dụng hiệu quả nhất đó là
Compostie Polymer, đây là vật liệu có tính ưu việt và áp dụng rộng
rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt
có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi
trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở
một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai các thủ pháp công
nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất.
1.1.2. C c lĩnh vực ng dụng của vật liệu Composite

Torayca® là sản phẩm vật liệu sợi carbon của tập đoàn
Toray, trong đó bao gồm nhiều sản phẩm đáp ứng các nhu cầu đa
dạng trong tăng cường, sửa chữa kết cấu như tấm sợi carbon 1
hướng, tấm sợi carbon đa hướng, sợi carbon cường độ cao, sợi
carbon môđun đàn hồi cao,…
Kết hợp với hệ thống keo epoxy Toray ACE’s Resin System,
sản phẩm sợi carbon Torayca® được ứng dụng trong các lĩnh vực


4
sau:
Tăng khả năng chịu tải của các bộ phận kết cấu của công
trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, công trình cầu, công trình
thuỷ lợi…
Cải thiện khả năng chống động đất của các bộ phận kết cấu
như cột, khối xây vữa không có cốt thép….
1.2.VẬT LIỆU FRP
FRP có tên tiếng Anh là Fiber Reinforced Polymer là một
dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó ba
loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi
aramid. Các sản phẩm FRP tương ứng với các loại sợi sử dụng tạo
thành là: CFRP, GFRP, AFRP. [8]
Vật liệu FRP có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng
thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn. Trong sửa chữa và
tăng cường kết cấu thường dùng dạng tấm và dạng vải.
So với các vật liệu bê tông và cốt thép, vật liệu FRP có nhiều
ưu điểm hơn nên vật liệu FRP được sử dụng rộng rải trong xây dựng
tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đông
Nam Á. Dưới đây là một số ưu điểm chính của vật liệu FRP.
+ Cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi rất cao và trọng lượng

nhỏ;
+ Khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với các
chất xâm thực;
+ Độ bền rất cao;
+ Cách điện, chịu nhiệt tốt;
+ Chịu mỏi cao;
+ Thi công đơn giản ít tốn nhân công, không cần máy móc
hiện đại;
+ Không cần bão dưỡng chống rỉ trong quá trình khai thác;


5
1.2.1.Cốt sợi
Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba
loại vật liệu thường được sử dụng là sợi Cacbon, sợi thủy tinh và sợi
aramid. Dưới đây là đặc điểm của từng loại cốt sợi.
a. Sợi cacbon
Có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi
aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi thủy tinh. Sợi cacbon nhẹ hơn
và cường độ cao hơn khi so sánh với các sợi thủy tinh và aramid.
Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt là mỏi và từ
biến, hệ số giản nở nhiệt thấp. Sợi cacbon được sản xuất bằng
phương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C,
sợi được xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi các bon.
b. Sợi aramid
Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi
thủy tinh. Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt. Về mặt sản xuất,
được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm. Sợi aramid có mô
đuyn đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ. Sợi aramid
nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% và 20% đối với sợi thủy tinh. Sợi

aramid có 3 loại chính là Kevlar R49, Kevlar R29, Kevlar R.
c. Sợi thủy tinh
Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi cacbon và sợi aramid.
Sợi thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch
thủy tinh. Sợi thủy tinh có mô đuyn đàn hồi và trọng lượng riêng
trung bình, cường độ cao, có khả năng chống cháy ở nhiệt độ lên đến
4000C. Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, C-glass, AR-glass.
1.2.2. Chất dẻo nền
Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính.
Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền:
+ Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;


6
+ Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;
+ Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do
môi trường
+ Kết dính các sợi với nhau;
+ Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP;
+ Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi.
Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực
giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định
nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là
viny lester, epoxy, polyethylen.
Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và
được sử dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn
polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composit.
Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc.
Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn.
Viny lester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester. Ưu

điểm của Viny lester là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất
hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao. Viny
lester có giá thành cao.
Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny lester.
1.3. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC VẬT LIỆU FRP
Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu
hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi,
hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền.
Hiện nay sợi cacbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là
epoxy được sử dụng rộng rãi. Sợi cacbon và sợi thủy tinh cũng có
nhược điểm riêng của từng loại. Sợi aramid độ bền thấp, trong môi
trường nhiệt độ cao thì làm việc kém. Trong khi đó sợi cacbon có mô
đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây


7
dựng.
Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới
đây:
+ Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid
hay sợi thủy tinh);
+ Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy,Vinylester
hay Polyester);
+ Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP;
+ Hướng phân bố của các sợi trong chất nền
1.4. ĐỘ BỀN VẬT LIỆU FRP
Độ bền là một trong những vấn đề quan trọng khi một loại
vật liệu mới được sử dụng trên một kết cấu hiện hành. Vì việc sử
dụng vật liệu FRP cho các công trình xây dựng là mới mẻ do đó cần
phải có những hiểu biết về các ứng xử của vật liệu FRP. Các nghiên

cứu gần đây cho thấy, độ bền của vật liệu FRP phụ thuộc vào các
điều kiện cụ thể của môi trường (môi trường kiềm, độ ẩm, nhiệt độ
cao); ảnh hưởng các yếu tố theo thời gian (từ biến, tải trọng mỏi).
1.4.1. T c động của môi trường
a. Môi trường kiềm (Alkaline)
Nước tồn tại trong các lỗ rỗng của bê tông, môi trường kiềm
có thể gây ra sự xuống cấp của nhựa (resin) và phá hoại bề mặt tiếp
xúc giữa tấm FRP và kết cấu được gia cường.
b. Ảnh hưởng của độ ẩm
Ảnh hưởng chính của độ ẩm liên quan đến sự hấp thụ của
chất nhựa Resin. Sự hấp thu độ ẩm của vật liệu FRP phụ thuộc vào
từng loại nhựa, thành phần tấm sợi, chiều dày, điều kiện bảo dưỡng
và các điều kiện làm việc khác. Nói chung sự ảnh hưởng ngắn hạng
của độ ẩm chỉ gây ra sự giảm cường độ hơn là ảnh hưởng đến độ
cứng của kết cấu. Sản phẩm FRP có chất nền Epoxy ít nhạy cảm với


8
độ ẩm hơn so với chất nền của polyester hoặcvinylester.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Các tác dụng chính của nhiệt độ phụ thuộc vào phản ứng
nhớt của cả nhựa và composite. Mô đun đàn hồi của nhựa sẽ giảm
nếu nhiệt độ tăng lên. Trong thực tế, khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ
chuyển hóa, hiệu suất của vật liệu FRP giảm đáng kể. Nói chung, các
chu kỳ nhiệt làm ảnh hưởng không có hại trên FRP, tuy nhiên họ có
thể gây ra các vết nứt nhở trong hệ thống với nhựa có modulus cao.
Đối với nhiệt độ điển hình trong công trình dân dụng, nó có thể sử
dụng ở những nơi mà nhiệt độ chuyển hóa luôn cao hơn nhiệt độ hoạt
động tối đa của hệ thống kết cấu được gia cường để tránh thiệt hại do
cháy gây ra.

1.4.2. T c động c c yếu tố dài hạn
a. Từ biến và chùng
Đối với hầu hết vật liệu FRP, biến dạng do từ biến là yếu tố
quan trọng tại những nơi có ứng suất cao hay nhiệt độ cao hoặc kết
hợp cả hai yếu tố này. Trong vật liệu FRP đặc tính từ biến và chùng
phụ thuộc vào tính chất của chất nhựa và cốt sợi. Từ biến có thể được
giảm bằng cách kiểm soát ứng suất sử dụng thấp.
b. Hiệu ứng mỏi
Trong hệ thống gia cường vật liệu FRP hiệu ứng mỏi phụ
thuộc vào thành phần chất nền và cốt sợi.Các tấm sợi FRP có thể làm
trì hoãn sự hình thành vết nứt, ngăn cản sự mở rộng của vết nứt.
1.5. TRÌNH TỰ THI CÔNG GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT
BẰNG CFRP
1.5.1. Trình tự thi công tổng qu t


9

1.5.2. Yêu cầu vật liệu
- Các tiêu chuẩn thí nghiệm cho vật liệu CFRP bao gồm: Thí
nghiệm cường độ kéo, mô đun đàn hồi kéo, độ dãn dài của vật liệu
composite (keo Epoxy và sợi làm việc đồng thời) theo tiêu chuẩn
ASTM D3039;
- Vải sợi các bon CFRP theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08 của
Mỹ [4], tiêu chuẩn BD90/05 hoặc JIS-K7073 và các chỉ tiêu kỹ thuật
tối thiểu của sợi Carbon cường độ cao.
1.6. CHỈ DẪN CÁC BƯỚC CÔNG NGHỆ THI CÔNG, KIỂM
TRA, ĐÁNH GIÁ VÀ NGHIỆM THU KẾT CẤU

10
1.6.1. Sửa chữa hư hỏng bề mặt kết cấu:
Các hư hỏng trên bề mặt kết cấu thường bao gồm:
- Sứt vỡ bê tông do lỗi trong quá trình thi côn
- Rỗ bê tông do thi công kém chất lượng
- Nứt vỡ bê tông do ăn mòn cốt thép
- Nứt bê tông do thi công hoặc thiếu khả năng chịu lực
1.6.2. Chuẩn bị bề mặt kết cấu trước khi d n sợi CFRP
Mài phẳng bề mặt
Vệ sinh bề mặt
Pha trộn keo và cắt vải theo thiết kế
1.6.3. Công t c kiểm tra hàng ngày
Kiểm tra hàng ngày trong quá trình sửa chữa bao gồm:
- Nhiệt độ bề mặt bê tông và môi trường xung quanh
- Độ ẩm tương đối trên bề mặt bê tông và độ ẩm môi trường
(đặc biệt cho trường hợp keo Epoxy yêu cầu độ ẩm)
- Điều kiện thời tiết nói chung
- Chất lượng công tác chuẩn bị bề mặt
- Kiểm tra chất lượng công tác kiểm tra bề mặt
- Kiểm tra chiều rộng của các vết nứt có tiêm hoặc không
tiêm Epoxy trên tất cả bề mặt kết cấu
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SÀN BTCT GIA CƯỜNG
CFRP DÍNH BÁM NGOÀI
2.1. TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU SÀN
Kết cấu sàn BTCT thường liên kế với dầm thành hệ không
gian dầm-sàn hoặc liên kết với cả cột thành hệ khung không gian
dầm-cột-sàn cùng làm việc với nhau. Ngày nay để tính toán các dạng
kết cấu này thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng với

11
các phần mềm chuyên dụng như SAP2000,MIDAS... để phân tích.
Trình tự tổng quát mô phỏng và phân tích nội lực trong kết cấu
khung-sàn-cột bằng phần mềm PTHH như sau:
Bước 1: Mô hình hóa sơ đồ hình học kết cấu
- Xây dựng hệ lưới phụ trợ để mô tả các phần tử kết cấu nếu
cần
- Vẽ/ phát sinh các loại phần tử của mô hình kết cấu
- Gán các liên kết mô hình kết cấu.
Phần tử dầm, cột sử dụng loại phần tử thanh (frame) 2 điểm
nút để mô phỏng, phần tử sàn thì dùng loại phần tử vỏ (shell) 3 điểm
nút hoặc 4 điểm nút để mô phỏng.
Ngày ngay nhiều phần mềm thương mại cho phép khai báo
mô hình kết cấu theo kiểu nhập các tham số mô hình, phần mềm sẽ tự
động phát sinh các phần tử theo các tham số đã khai báo, hoặc sử
dụng các mô hình mẫu cho phép phát sinh các loại mô hình thông
thường rất nhanh chóng.
Bước 2: Mô tả vật liệu, mặt cắt các phần tử
- Định nghĩa các mẫu vật liệu dùng trong mô hình
- Định nghĩa các loại mặt cắt phần tử thanh, phần tử tấm/vỏ
dùng trong mô hình.
- Gán các phần tử cho các mặt cắt tương ứng
Bước 3: Mô tả tải trọng cho mô hình
- Định nghĩa mẫu tải tải dùng trong mô hình
- Gán các loại/giá trị tải trọng tác dụng lên nút, lên phần tử
- Định nghĩa tải trọng di động trên kết cấu nếu có
- Định nghĩa các trường hợp tải phân tích
- Định nghĩa các tổ hợp tải
Bước 4: Phân tích nội lực mô hình

- Thực hiện lệnh phân tích mô hình


12
- Kiểm tra lỗi mô hình nếu có
Bước 5: Khai thác kết quả phân tích nội lực
- Thực hiện lệnh hiển thị biểu đồ biến dạng các trường hợp/
tổ hợp tải trọng.
- Hiện biểu đồ nội lực M,N,Q trong các phần tử mô hình
Bước 6: Thực hiện lệnh thiết kế/ kiểm tra kết cấu
Các phần mềm PTHH hiện đại ngày nay thường có khả năng
thiêt kế/kiểm tra kết cấu. Kết quả thiết kế kết cấu BTCT thường là
lượng thép chịu uốn, thép chịu cắt trong các phần tử tương ứng với
tiêu chuẩn thiết kế và tổ hợp tải trọng lựa chọn trước. Thường phải sử
dụng các lệnh sau:
- Lựa chọn tổ hợp tải thiết kế
- Lựa chọn qui trình thiết kế
- Thực hiện lệnh thiết kế
- Khai thác các kết quả thiết kế
2.2. TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN SÀN BTCT GIA CƯỜNG
CFRP [4]
2.2.1. C c giả thuyết tính to n:
- Biến dạng nhỏ.
- Không có sự trượt tương đối giữa vật liệu gia cố ngoài FRP
và bê tông.
- Vật liệu gia cố FRP có mô hình quan hệ ứng suất – biến
dạng là tuyến tính.
- Bỏ qua biến dạng cắt.
- Không tính đến khả năng chịu kéo của bê tông.
- Giá trị biến dạng phá hoại lớn nhất của bê tông là 0,003.

2.2.2. Tính to n gia cường s c kh ng uốn


13

Bước 1: C c thông số hình học
b: bề rộng mặt chịu nén của cấu kiện (mm)
d: khoảng cách từ thớ chịu nén cực hạn tới trọng tâm của cốt
thép chịu kéo (mm)
df: chiều cao có hiệu của vật liệu FRP tăng cường chịu uốn
(mm)
Af: diện tích của vật liệu FRP gia cố bên ngoài (mm2)
c: khoảng cách từ mép thớ chịu nén cực hạn đến trục trung
hòa (mm)

 c : giá trị biến dạng của bê tông (mm/mm)
 s : giá trị biến dạng trong bê tông tại giai đoạn khai thác
(mm/mm)

 bi

:

giá trị biến dạng ban đầu tại thời điểm lắp đặt FRP

(mm/mm)

 fe : giá trị biến dạng có hiệu của vật liệu FRP đạt được tại
thời điểm phá hoại (mm/mm)
fc: ứng suất nén của bê tông (Mpa)

fs: ứng suất trong cốt thép thường (Mpa)
ffe: ứng suất có hiệu của vật liệu FRP; giá trị ứng suất đạt
được tại mặt cắt bị phá hoại (Mpa)


14

 1 : tỷ số của chiều cao của khối ứng suất hình chữ nhật
tương đương với chiều cao của trục trung hòa

 1 : hệ số nhân với f ,c để tính toán giá trị tương đương của
ứng suất bê tông được phân bố dạng hình chữ nhật
Es: môđun đàn hồi của thép (Mpa)
Ec: môđun đàn hồi của bê tông (Mpa)
f ,c : cường độ nén quy định của bê tông (Mpa)
2.2. MÔ PHỎNG SỐ SÀN BTCT GIA CƯỜNG CFRP BẰNG
PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN[12;13]
2.2.1. Cơ sở tính to n theo phương ph p phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số
để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng
phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Cơ sở của phương pháp này
là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền
liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Các miền này
được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng
biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các
hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với
sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử. Về mặt toán học, phương
pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài
toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích
phân. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương

trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn
định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường
tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp
sai phân hữu hạn,...
Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như:
NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP2000, CASTEM


15
2000, SAMCEF,ABAQUS, ...
Mô hình tính toán sử dụng phương pháp chuyển vị:

F  K.U
trong đó:

F: Ngoạ lực tác dụng;
K: Độ cứng;
: Chuyển vị.

2.2.2. Mô hình kết cấu sàn BTCT gia cường CFRP b ng
phần mềm SAP2000 V14
a. Số lıệu tính toán
- Cường độ bê tông f’c: 25.0 MPa.
- Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép cột, dầm 30mm, sàn
15mm.
- Thép CI: Rs = Rsc = 225Mpa (cho đường kính d<10mm).
- Thép CII: Rs = Rsc = 280Mpa (cho đường kính d>10mm).
b. Số lıệu về t ı tr ng
- Tính toán mô phỏng kết cấu với tải trọng tập trung P=10T
vị trí giữa sàn.

- Kích thước cột 350x200, dầm 300x200, sàn dày 100mm.
- Ô sàn kích thước 4x3,5m.
- Gia cường kết cấu sàn BTCT bằng một lớp CFRP với các
thông số sau:
+ Sợi cấu tạo FRP: Carbon.
+ Giới hạn đứt bền: fu = 1000 Mpa.
+ Mô đun đàn hồi của FRP: 95000 Mpa.
c. Mô hình hóa và tính toán kết cấu
- Mô phỏng mô hình hình học: Mô phỏng lưới phần tử hữu
hạn phù hợp với cấu tạo kiến trúc và các bản vẽ kết cấu đã chọn.
Kích thước mặt cắt các dầm, cột, sàn.
- Các cấu kiện cột, sàn được mô phỏng bằng phần tử frame.


16
- Sàn được mô phỏng bằng phần tử Solids.
- Tấm gia cường CFRP được mô phỏng bằng phần tử Shell
- Khi tính kết cấu phần trên, xem liên kết dưới chân các cột
là ngàm cứng.
CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG SÀN BTCT BẰNG PHƯƠNG
PHÁP DÁN TẤM SỢI CFRP VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
3.1. GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH KHÁCH SẠN HOLIDAY
BEACH:
Tên dự án: Khách sạn Holiday Beach
Địa điểm: 300 Võ Nguyên Giáp, Quận Ngũ Hành Sơn, TP.
Đà Nẵng.
Khách sạn Holiday Beach kết cấu dạng khung-dầm sàn
BTCT và BTCT DƯL. Kết cấu móng sử dụng cọc khoan nhồi sử
dụng bê tông B30. Kết cấu dầm sàn sử dụng bê tông B35. Kết cấu cột

và vách sử dụng bê tông B30 và B40. Riêng dầm sàn tầng chuyển sử
dụng bê tông B45. Cáp dự ứng lực sử dụng loại 12,7mm.
Quá trình khảo sát hiện trạng công trình sử dụng bao gồm
các thiết bị tương ứng, thích hợp, đáp ứng yêu cầu theo tiêu chuẩn
hiện hành và các quy trình công nghệ.
- Để có cơ sở chẩn đoán nguyên nhân sự cố và thiết kế biện
pháp sửa chữa/gia cường phù hợp, cần tiến hành đo vẽ, khảo
sát đánh giá hiện trạng.
- Đo vẽ chiều dài vết nứt bằng thước thép.
- Đo vẽ chiều rộng vết nứt bằng kính lúp và thước chuẩn.
- Siêu âm xác định chiều sâu vết nứt: Sau khi khảo sát các vị
trí vết nứt tại công trình, lựa chọn các vị trí vết nứt rộng để


17
siêu âm xác định chiều sâu vết nứt.
3.2. THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM SÀN CÔNG
TRÌNH KHÁCH SẠN HOLIDAY BEACH, PHÂN TÍCH LÝ
THUYẾN SÀN THỰC NGHIỆM
3.2.1. Phương ph p tăng cường kết cấu sử dụng sợi
CFRP
Việc tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông cốt thép
nói chung là tăng khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông hiện hữu đã
xuất hiện hư hỏng, suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Việc tăng
cường được tiến hành bằng vật liệu CFRP dính kết với kết cấu bê
tông thông qua sự dính bám của keo epoxy.[2]
Trong tăng cường khả năng chịu lực cắt đối với các kết cấu
dầm hay cột, vật liệu FRP được gắn với các mặt của kết cấu bê tông
với hướng của các thớ song song với hướng ứng suất kéo chủ để làm
việc tương tự như cốt thép đai. Vật liệu CFRP sử dụng hiệu quả nhất

là khi được bọc lại hoàn toàn để tăng toàn diện khả năng chịu cắt.
Phương pháp này có thể áp dụng rộng rãi trong các loại kết cấu cơ
bản của kết cấu BTCT như dầm, cột, sàn và tường.
Ưu điểm là vật liệu CFRP có cường độ cao, trọng lượng nhỏ
nên không tăng tĩnh tải, chống ăn mòn tốt, ngoài ra kết cấu được tăng
cường sẽ đạt được cải thiện một số đặc tính sau: Tăng khả năng chịu
uốn, cắt và chịu lực dọc trục, Tăng khả năng chống động đất, Giảm
những tác động bởi môi trường, Tăng độ cứng và giảm độ biến dạng
của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thiết kế và sử dụng …. Tuy
nhiên giải pháp này còn có nhược điểm như một số thông số của vật
liệu chưa được nghiên cứu đầy đủ.
3.2.2. Cơ sở thực hiện tính to n thiết kế sữa chữa gia
cường: Từ kết quả khảo s t hiện trạng và phân tích kết cấu
1. Căn cứ vào kết quả khảo sát chi tiết hiện trạng dầm sàn


18
tầng mái, phát hiện xuất vết nứt phân bố phạm vi giữa ô sàn, một số
vị trí mặt trên sàn, vết nứt phấn bố chiều dài dầm.
2. Cần xử lý các vết nứt hiện tại để chất đầy tải không mở
rộng thêm, ảnh hưởng quá trình sử dụng lâu dài kết cấu.
3. Căn cứ vào khảo sát nứt hiện trạng của công trình, Để đảm
bảo độ toàn vẹn kết cấu, độ cứng tổng thể và bảo vệ cốt thép lâu dài
cần xử lý toàn bộ các vết nứt xuất hiện trên công trình. Tuy kết quả
đánh giá chỉ một số vị trí sàn, dầm chưa đạt cường độ do xét đến
chiếc giảm do xuất hiện vết nứt (chiều sâu nứt trung bình lấy 60mm).
Lựa chọn biện pháp xử lý.
+ Bơm trám tất cả các khe nứt phát hiện bằng Sikadur 752
chuyên dụng trám khe nứt kết cấu bê tông với các vết nứt có bề rộng
>=0.15mm.

+ Quyét keo epoxy và dán vải FRP đảm bảo 2 mục tiêu là
bảo vệ và tăng cường sức kháng, vừa nhanh vừa thỏa mãn hai mục
tiêu kép trên.
Tổng quan thiết kế gia cường cho các cấu kiện dầm sàn tầng
mái:
D-10(200x400)
(Trục
A-D);
D10A,B(200X400);
D10C,D(200X300); D9A(200X400); D8A(200X400)(Trục C-D);
D5A,B(200X400)(Trục
C-D’);
D6(200X400)(Trục
C-D’);
D4(200X400)(Trục C-D’); D3(200X400) (Trục B-C’); DB05(400X400)(Trục 2-4); D-C(400X400)(Trục 2-4);
Thiết kế bảo vệ bề mặt dầm: Tại sườn các dầm sau đều được
dán 1 lớp CFRP để bảo vệ bề mặt sườn dầm:
D-10(200x400)(Trục
A-D);
D10A,B(200X400);
D10C,D(200X300); D9A(200X400); D8A(200X400)(Trục C-D);
D7A,B(200X400)(Trục
C-D);
D5A,B(200X400)(Trục
CD’);D6(200X400)(Trục
C-D’);
D4(200X400)(Trục
C-D’);

19
D3(200X400)(Trục

B-C’);

D-B05(400X400)(Trục

2-4);

D-

C(400X400)(Trục 2-4).
3.2.3. Số liệu phục vụ tính to n thiết kế sữa chữa gia
cường
Bê tông M400
+ Cường độ chịu nén khi tính toán theo TTGH thứ nhất:
Rb=17MPa
+ Cường độ chịu kéo tính toán theo TTGH thứ nhất:
Rbt=1,2MPa
+ Cường độ chịu nén khi tính toán theo TTGH thứ hai:
Rb,ser=22MPa
+ Cường độ chịu kéo khi tính toán theo TTGH thứ hai:
Rbt,ser=1,8MPa
+ Môđun đàn hồi: Ec=32500Mpa.
:
+ Cường độ chịu kéo, nén khi tính toán theo TTGH thứ nhất:
Rs=Rsc=365
+ Cường độ chịu kéo, nén khi tính toán theo TTGH thứ hai:
Rsn=Rs,ser=390 MPa
+ Môđun đàn hồi của thép: Es=200000 Mpa.

+ Môđun đàn hồi: Ec= 31799 Mpa
ông số FRP:
+ Cấu trúc FRP: Dệt.
+ Sợi cấu tạo FRP: Carbon.
+ Giới hạn đứt bền: fu = 1500 Mpa.
+ Mô đun đàn hồi của FRP: 95000 Mpa.
3.3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN
3.3.1. Tổng quan về qu trình thử nghiệm
- Việc thử tĩnh kiểm chứng kết cấu dầm sàn mái BTCT


20
khách sạn Holiday sau khi sửa chữa vết nứt và gia cường kết cấu
nhằm kiểm tra hiệu quả các biện pháp gia cường sàn và đánh giá khả
năng chịu tải thực tế của kết cấu.
3.3.2.Tải trọng thử nghiệm và qui trình thử
Qui trình thử nghiệm và đánh giá: TCVN 9344:2012 Kết cấu
bê tông cốt thép - Đánh giá độ bền của các bộ phận kết cấu chịu uốn
trên công trình bằng phương pháp thí nghiệm chất tải tĩnh.
- Cường độ tải trọng thử:
+ Tĩnh tải tác dụng lên sàn: 200 kg/m2.
+ Hoạt tải thiết kế: 260 kg/m2 (Hệ số vượt tải 1.5).
+ Tải trọng thí nghiệm ô sàn: 200+260=460 kg/m2.
+ Tải trọng thử nghiệm mỗi cấp tải là 115 kg/m2. Tuy nhiên
do thực tế tại công trường nên tải trọng thử cấp 1: 80kg/m2, cấp 2:
90kg/m2. Kết quả thử tải sẽ được ngoại suy các giá trị đo đạc theo tải
trọng trong đề cương phê duyệt (460kg/m2).
- Trình thự thực hiện:
+ Xác định cường độ tải trọng thử đối với ô sàn tầng mái :
Với mục đích đánh giá khả năng chịu tải thực tế của ô sàn tầng mái

khối khách sạn sau khi đã sửa chữa và gia cường, nên kiến nghị
cường độ tải thử bằng với tổng tải trọng thiết kế.
+ Lắp đặt hệ giàn giáo an toàn cho thử tĩnh ô sàn theo qui
định. Kết cấu giàn giáo an toàn đủ chịu tĩnh tải ô sàn và tải trọng thử
nghiệm lớn nhất.
+ Lắp đặt các điểm đo ứng suất dầm, sàn, độ võng dầm, sàn.
+ Kiểm tra sự hoạt động bình thường của hệ thống thiết bị.
Ghi số liệu ban đầu tại các cảm biến (hoặc zero).
+ Chất tải cấp đầu tiên lên ô sàn.
3.3.3. Một số kết quả thử tải
+ Tổng hợp kết quả thử tải với tải trọng thí nghiệm:


21

+ Độ võng dầm lớn nhất với cấp gia tải lớn nhất (170kg/m2): 0.12
mm.
+ Ứng suất kéo thớ lớn nhất: 0.33 MPa (ST3).
a. Đánh giá kết qu thử t i
Căn cứ tiêu chuẩn TCVN 9344:2012 thiết lập các tiêu chuẩn
để đánh giá chất lượng dầm sàn dựa trên kết quả thử tải như sau:
Tham số đ nh
giá

Chiều dài nhịp

Đơn vị
tính

TCVN 9344-2012

Độ võng lớn nhất

L=5000, h=400

mm

ymax=L2/20.000h=3.125

do tải trọng thử

L=4000, h=400

mm

ymax=L2/20.000h=2.667

Độ võng lớn nhất ứng với cấp tải lớn nhất (170kg/m2) tại
điểm đo V1:
0.09 mm < 3.125 mm. Đạt yêu cầu.
- Độ võng lớn nhất ứng với cấp tải lớn nhất (170kg/m2) tại
điểm đo V2:
0.12 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.
- Độ võng lớn nhất ứng với cấp tải lớn nhất (170kg/m2) tại
điểm đo V3:
0.32 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.
N ư vậy về độ cứng (độ võng) của kết cấu t ử đạt yêu cầu
c ịu được tải trọng t ử ở cấ lớn n ất ứng với tải trọng là 170kg/m2.
-

b. Đánh giá về ứng suất trong quá trình thử t i
Tham số đ nh
giá
Ứng suất kéo trong bê

Đơn
tính
MPa

vị

ACI-318-08
0.63*sqrt(30)

Đ nh
giá


22
tông trạng thái giới hạn sử
dụng
Ứng suất kéo lớn nhất
trong quá trình thử tĩnh

=3.45

MPa

0.33

Đạt

N ư vậy, về ứng suất k o của kết cấu t ử đạt yêu cầu c ịu
được tải trọng t ử ở cấ lớn n ất ứng với tải trọng t ử ng iệm
170kg/m2. (đán giá t eo tiêu c uẩn C -318-08).
c. Đánh giá theo kết qu phân tích trên mô hình lý thuyết
Xây dựng một phân hình phần tử hữu hạn (FEM) trên phần
mềm SAP2000 v14 để mô phỏng các ứng xử của kết cấu theo tiến
trình thí nghiệm để kiểm chứng với các số liệu đo thực tế . Kết quả
phân tích nội lực kết cấu dầm, sàn
Thông số so s nh
Độ võng lớn nhất ứng
với cấp tải lớn nhất
Ứng suất kéo ứng với
cấp tải lớn nhất

Kết quả
phân tích

Đơn vị
tính

Kết quả
đo đạc

mm

0.12

0.15

K=Sđo/Stính=0.80

MPa

0.33

0.37

K=Sđo/Stính=0.89

Sai khác (%)

lý thuyết

Qua kết quả đo đạc, ân tíc và tín toán k i t ử tải kiểm
c ứng, Các giá trị về độ võng, ứng suất t u được tương đối n ỏ, ù
ợ với tín toán trên mô ìn lý t uyết trên mô ìn P HH bằng
ần mềm S P2000.
d. Ngoại suy kết qu thử t i với t i tr ng theo thiết kế
(460kg/m2)
Căn cứ theo kết quả thử tải với tải trọng thử là 170(Kg/m2)
như đã trình bày ở trên. Tiến hành ngoại suy trong trường hợp tải
trọng sử dụng lớn nhất là 460(Kg/m2) với giả thuyết ứng xử kết cấu
nằm trong giai đoạn đàn hồi.


23
-

Kết quả về độ võng, ứng suất:

Căn cứ tiêu chuẩn TCVN 9344:2012, ACI-318-08, TCVN
5574-2012 thiết lập các tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng dầm sàn
tầng mái như trên thì kết quả khi tải trọng thử Ptn=100%Psd như sau:
- Độ võng lớn nhất ứng tại điểm đo V1 với tải trọng thử
460Kg/m2:
0.09 mm < 3.125 mm. Đạt yêu cầu.
- Độ võng lớn nhất ứng tại điểm đo V2 với tải trọng thử
460Kg/m2:
0.12 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.
- Độ võng lớn nhất ứng tại điểm đo V3 với tải trọng thử
460Kg/m2:
0.32 mm < 2.667 mm. Đạt yêu cầu.
- Ứng suất kéo lớn nhất với tải trọng thử 460Kg/m2:
0.89MPa < 3.45MPa. Đạt yêu cầu.
N ư vậy về độ cứng (độ võng), ứng suất k o của kết cấu đạt
yêu cầu ứng với tải trọng t ử ng iệm là Ptn=100%Psd =460(Kg/m2)
Kết cấu dầm sàn tầng mái của Dự án k ác sạn HOL D Y
BE CH sau k i gia cường đảm bảo độ cứng c ống biến dạng c ịu
tải trọng t ử ng iệm t eo CVN 9344-2012 tương ứng với tổng tải
trọng t eo t iết kế (460kg/m2).