Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite - ứng dụng cho công trình thủy lợi

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi. Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite - ứng dụng cho công trình thủy lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM  NGUYỄN CHÍ THANH NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM COMPOSITE - ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62–58–02–02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI –2017
Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Lê Mạnh Hùng 2. GS.TS Phạm Ngọc Khánh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện Họp tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam 171 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội vào hồi giờ 00, ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Hà Nội - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong kết cấu công trình thủy lợi (CTTL), sự xâm thực của môi trường đã làm cho nhiều công trình có kết cấu bằng bê tông cốt thép như cáccống dưới đê, đập,… xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo tuổi thọ thiết kế. Ngoài ra, những thay đổi do yêu cầu sử dụng thường có xu hướng bất lợi đối với kết cấu công trình hiện hữu đòi hỏi việc thực hiện các giải pháp sửa chữa, nâng cấp hoặc thậm chí thay mới kết cấu công trình. Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ sửa chữa, gia cường để duy trì và phục hồi sự làm việc bình thường của kết cấu công trình thủy lợi bằng bê tông cốt thép là một yêu cầu cấp thiết. Gần đây, ở nước ta bắt đầu tiếp cận một giải pháp gia cường kết cấu công trình bê tông cốt thép (BTCT) bằng tấm vật liệu composite sợi các bon, thủy tinh và aramid. Tuy nhiên, việc nghiên cứu về giải pháp gia cường: dùng loại vật liệu nào, dán bao nhiêu lớp, dán theo phương pháp nào, kích thước bao nhiêu là phụ thuộc vào tình trạng chịu lực, tình trạng phá hủy của kết cấu. Nghiên cứu về ứng xử của kết cấu sau khi gia cường vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là về các trạng thái phá hủy của kết cấu mới thường đột ngột (phá hoại giòn do phá hoại lớp keo dính bám hoặc bóc tách lớp bê tông bảo vệ) nên việc kiểm soát ứng xử của kết cấu vẫn còn là một thách thức. Việc xác định ứng xử của hệ thống kết cấu trước và sau khi gia cường dưới tác dụng của tải trọng cũng như sức chịu tải của nó là rất cần thiết, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn mức độ và phương án gia cường mà còn giúp việc quản lý khai thác được hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi. Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau nhằm khai thác hiệu quả những điểm mạnh của từng phương pháp. Các kết quả thu được từ các phương pháp bổ sung cho nhau và khẳng định
2 tính đúng đắn về khoa học của kết quả nghiên cứu. Những phương pháp sử dụng trong luận án gồm: nghiên cứu tài liệu, mô hình vật lý, thực nghiệm hiện trường và mô hình toán. 4. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép các công trình thủy lợi, cấu kiện dầm, tấm và bản với việc sử dụng vật liệu gia cường từ nhà sản xuất 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%. Keo dính có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0%. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Luận án đã làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường kết cấu BTCT công trình thủy lợi bằng tấm composite. - Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học cho việc tiến tới xây dựng quy trình thiết kế gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite phục vụ nâng cấp, sửa chữa công trình thủy lợi. 6. Những đóng góp mới của luận án 1) Luận án đã xây dựng được quan hệ giữa khả năng chịu lực của kết cấu (chuyển vị và tải trọng giới hạn) với mức độ gia cường khác nhau; đã xây dựng quan hệ giữa khả năng chịu lực của kết cấu gia cường với các tham số ảnh hưởng như: cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ. 2) Luận án đã đề xuất được công thức tính toán sức kháng cắt có xét tới khoảng cách đoạn không gia cường cho kết cấu dạng tấm bản không cốt đai; Công thức này cho phép quyết định phạm vi gia cường nhanh chóng và đơn giản hơn các công thức hiện có. 3) Luận án đã ứng dụng kết quả nghiên cứu để gia cường kết cấu cho cống dưới đập hồ Liệt Sơn, thi công trong điều kiện ẩm ướt, cường độ của bê tông thấp. Luận án đã đề xuất các khuyến cáo kỹ thuật phục vụ cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM COMPOSITE 1.1Hiện trạng hư hỏng kết cấu BTCTcông trình thủy lợi Các kết cấu BTCT công trình thủy lợi như cống dưới đê đập, cầu máng dẫn nước, các đường hầm tuy nen,…sau một thời gian sử dụng
3 thường xuất hiện các vết nứt, rỗ bề mặt, bê tông bị bào mòn do dòng chảy, xuất hiện các hiện tượng nhũ vôi, hoặc hư hỏng ở các bộ phận nối tiếp giữa các kết cấu trong giai đoạn thi công. Hậu quả là xuất hiện dòng thấm, rò rỉ qua công trình, làm suy giảm khả năng chịu lực của công trình, dẫn đến làm ảnh hưởng đến mức độ an toàn và quá trình khai thác, vận hành của công trình. Ở nước ta, có khoảng 7000 hồ chứa nước thủy lợi và thủy điện đã được xây dựng; trong đó, số lượng công trình được xây dựng cách đây từ 20-30 năm chiếm khoảng 80% và hầu hết các cống dưới đập đã có biểu hiện xuống cấp từ nhẹ đến nặng; mặt khác, đối với kết cấu cống dưới đê, đập, do nhu cầu nâng cấp mở rộng mặt cắt đê, đê kết hợp giao thông, hay các hồ chứa cần nâng cao trình đập để tăng dung tích trữ, làm gia tăng tải trọng lên công trình dẫn đếnyêu cầu về sửa chữa, gia cường cống dưới đê đập ngày càng lớn. Do đặc điểm về địa lý, mức độ xâm thực của môi trường ở nước ta là rất lớn;theo một số nghiên cứu cho thấy hầu hết các công trình vùng ven biển đều bị ăn mòn phá hủy ở mức độ trung bình đến nặng, các công trình đều bị xuống cấp do sự ăn mòn phá hủy sau khoảng 5-10 năm đưa vào sử dụng. Đây là một thách thức lớn trong việc giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật và làm nhức nhối các kỹ sư xây dựng, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà quản lý công trình ở nước ta. Ngoài các công trình cống dưới đập, các công trình thủy lợi khác bằng bê tông cốt thép như công trình cầu máng dẫn nước, các dàn van, cầu công tác trên cống,… với số lượng hàng nghìn chiếc cũng đang trong tình trạng xuống cấp; kết cấu bị nứt, rỗ, bong tróc, bê tông thấm nước làm suy giảm sức chịu tải, ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của công trình. Các công trình này đang cấp thiết cần được sửa chữa, gia cường để đảm bảo yêu cầu khai thác là khả năng chịu lực và điều kiện khai thác. 1.2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấmcomposite Trước đây khoảng 40 năm người ta đã biết đến việc gia cường sức kháng uốn của kết cấu bằng phương pháp dán bản thép. Do kết cấu thép dễ bị rỉ nên sau một thời gian khai thác, lực bám dính suy giảm, dẫn đến kết cấu làm việc không được an toàn. Khoảng 20 năm gần đây, việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi phi kim đã thay thế dần các bản thép. Trong các vật liệu cốt sợi thì vật liệu sợi các-bon có các đặc tính tốt hơn về cường độ chịu lực cũng như mô đun đàn hồi so với các vật liệu cốt sợi khác như thủy tinh và aramid (hình 1.2). So sánh với các phương pháp gia cố truyền thống, sử dụng tấm
4 vật liệu composite thể hiện nhiều lợi thế về hiệu quả chịu lực và điều kiện thi công. Vật liệu composite có ưu điểm là nhẹ, không bị rỉ và có cường độ chịu kéo cao. Hơn nữa, những vật liệu này có thể được thi công nhanh chóng theo một số hình dạng tạo thành các tấm composite có thể uốn cuộn phù hợp với các bề mặt của cấu kiện. Các tấm vật liệu composite có bề dày tương đối mỏng có thể thỏa mãn yêu cầu về mặt kiến trúc cũng như những tiêu chí khác liên quan. Ngoài ra, chiều cao kết cấu được giữ nguyên và tĩnh tải gia tăng không bị ảnh hưởng. Gia cường bằng tấm composite cũng có những điểm hạn chế như: so với giải pháp gia cường bằng các tấm thép thì vật liệu này đắt hơn; không thích hợp cho kết cấu chịu nhiệt vì dưới tác dụng của nhiệt độ cao các keo dính có nhiều vấn đề. Carbon FRP 1000 Ứng suất (MPa) Glass FRP 500 Thép 0 0.015 0.03 Biến dạng Hình 1.2: Ứng suất-biến dạng vật liệu cốt sợi carbon và sợi thủy tinh 1.3Tình hình nghiên cứu về gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite Phương pháp gia cường bằng cách dán tấm composite được phát triển nhằm thay thế cho phương pháp dán bản thép (thường được sử dụng trong công tác gia cường kết cấu công trình cầu). Đối với công trình thủy lợi, do đặc điểm làm việc trong môi trường nước nên độ ẩm trong kết cấu rất cao, chất keo dính thông thường không đáp ứng được trong môi trường độ ẩm như vậy, nên việc ứng dụng trong công trình thủy lợi rất hạn chế vì chỉ có rất ít sản phẩm đáp ứng được điều kiện này. Có rất ít thông tin trình bày về việc ứng dụng phương pháp gia cường này trong công trình thủy lợi.
5 1.4 Vấn đề nghiên cứu trong luận án Trên cơ sở phân tích những vấn đề còn tồn tại trong tình hình nghiên cứu về phương pháp gia cường kết cấu BTCT trong công trình thủy lợi với công nghệ dán lớp vật liệu composite, luận án sẽ đi vào việc trả lời các câu hỏi nghiên cứu (vấn đề nghiên cứu) sau đây: (a) Ứng xử chịu tải của kết cấu công trình bê tông cốt thép sau khi gia cường sẽ như thế nào? (b) Khả năng thi công, bám dính trong môi trường ẩm ướt và độ bền lớp kết dính giữa bê tông và vật liệu gia cường? (c) Hiệu quả về mặt chịu lực cũng như độ bền khai thác của CTTL khi ứng dụng phương pháp gia cường kết cấu này ? (d) Khả năng ứng dụng phương pháp đối với công trình thủy lợi ? (e) Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến hiệu quả gia cường ? (f) Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép đến hiệu quả gia cường ? (g) Ảnh hưởng bề dày lớp bê tông bảo vệ đến hiệu quả gia cường ? (h) Khả năng gia cường sức kháng cắt cho bản bê tông cốt thép không cốt đai ? (i) Số lớp vật liệu gia cường nên chọn là bao nhiêu ? (j) Phương pháp PTHH có phản ánh được chính xác ứng xử của kết cấu bê tông trước và sau khi gia cường? Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE 2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu tải trọng Dưới tác dụng của tải trọng thì kết cấu bê tông cốt thép có ứng xử phi tuyến. Điều này xuất phát từ đặc tính cố hữu của vật liệu. Để mô tả ứng xử của các vật liệu này, thông thường được thể hiện thông qua quan hệ giữa độ lớn của ứng suất - biến dạng hoặc lực - chuyển vị, những quan hệ này có thể xác định thông qua các thí nghiệm thích hợp. 2.2 Tính toán kết cấu BTCT bằng phương pháp số 2.2.1 Cơ sở khoa học Để nghiên cứu ứng xử chịu tải của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite thì ngoài phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô phỏng số cũng được sử dụng. Phương pháp này cho phép khảo sát nhiều tham số ảnh hưởng giúp cho việc phân tích ứng xử của kết cấu được đầy đủ. Ưu điểm nổi bật của phương pháp số là
6 cho phép giảm rất nhiều chi phí so với việc sử dụng phương pháp thực nghiệm với nhiều mẫu thử. Về cơ sở khoa học, phương pháp số được phát triển dựa vào các lý thuyết cơ học và liên tục được kiểm chứng bởi các kết quả thí nghiệm. Tùy theo từng điều kiện chịu lực của kết cấu, các lý thuyết tính toán có thể phát huy được tính ưu việt của mình một cách thích hợp. Phân tích phi tuyến trong kết cấu bê tông cốt thép (vật liệu và hình học) là phân tích có những thách thức rất lớn đối với các nhà nghiên cứu và các kỹ sư kết cấu. Một trong những điểm mấu chốt là bản thân vật liệu bê tông cốt thép có nhiều đặc tính ngẫu nhiên với biên độ phân tán lớn. Trạng thái chịu lực của kết cấu rất đa dạng. Ưu điểm của phương pháp số là tranh thủ được những tiến bộ khoa học của nhiều nghiên cứu từ trước tới nay. Những tri thức này liên tục được bổ sung, tích lũy trong các mô hình tính toán. Điều này cũng cho thấy, nếu chỉ sử dụng một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm riêng biệt làm cơ sở để nghiên cứu các kết cấu khác nhau, ví dụ cho các công trình thủy lợi, thì cách thức này thể hiện một hạn chế lớn và thậm chí có thể dẫn tới những kết quả sai lệch. Đây chính là lý do luận án lựa chọn phương pháp phân tích số là công cụ cũng như cách tiếp cận chính để phân tích, nghiên cứu ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite. Trong khuôn khổ luận án này, để xây dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán kết cấu các CTTL bằng BTCT được gia cường bằng tấm composite, một số bài toán tính toán cơ bản được sử dụng nhằm kiểm định mô hình tính. Đó là: bài toán dầm chịu tải trọng tập trung, bản chịu tải trọng tập trung, dầm chịu tải trọng phân bố, và kết cấu có chiều cao rất lớn. Như đã phân tích ở chương 1, các bài toán này phản ánh những yêu cầu nghiên cứu, đánh giá quan trọng nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp trong công trình thủy lợi. Để đạt được mục đích trên, phần này được thực hiện với nội dung sau: 1) kiểm tra mức độ chính xác của phương pháp số so với thực nghiệm và 2) tiến hành tính toán với nhiều trường hợp mà thực nghiệm không thể thực hiện được, nhằm mục đích nghiên cứu đánh giá tình trạng chịu lực của kết cấu trước và sau khi gia cường để thiết kế phương án gia cường và kiểm tra kết quả sau gia cường. 2.2.2 Phần mềm phân tích PTHH Trong những phần mềm phân tích PTHH ứng dụng cho kết cấu bê tông cốt thép, ATENA thể hiện độ chính xác cao ứng xử của kết cấu
7 so với kết quả thí nghiệm cho kết cấu bê tông cốt thép có gia cường với việc sử dụng mô hình bê tông Nonlinear 2 và mô hình đa mặt nhỏ (microplane). Để mô phỏng kết cấu, ATENA cho phép mô phỏng 2 chiều (bài toán phẳng) hoặc 3 chiều (bài toán không gian) và hoàn toàn thích hợp cho kết cấu CTTL như kết cấu cống dưới đê đập, kết cấu cầu máng được gia cường bằng tấm composite.Với những ưu điểm trên, cùng với kinh nghiệm riêng của tác giả, phần mềm ATENA được lựa chọn để thực hiện các nghiên cứu phân tích cơ học trong khuôn khổ luận án này. 2.4 Kiểm định kết quả tính toán bằng phần mềm ATENA Trong phần này trình bày một tính toán và so sánh với kết quả thí nghiệm cho một dầm bê tông lớn nhất hiện nay (được thí nghiệm trong phòng) chịu tải trọng tập trung. Thí nghiệm này được thực hiện ở Toronto (Canada) vào tháng 5, 2015. Đây là dầm bê tông nhịp giản đơn có bề rộng 0,25m, chiều cao 4m, chiều dài nhịp 19m chịu tải trọng tập trung tại vị trí cách gối đầu tiên là 7m. Kết cấu có cốt thép dọc chịu kéo gồm 9 thanh đường kính 30mm và ở vùng bê tông chịu nén gồm 3 thanh đường kính 20mm. Mục tiêu của thí nghiệm là về sức kháng cắt cho cấu kiện không có cốt đai nên một bên dầm được bố trí cốt đai và một bên không bố trí cốt đai. Ngoài tải trọng bản thân, tải trọng tập trung lớn nhất tác động mà kết cấu chịu được (khi thí nghiệm) có giá trị là 685 kN. Với việc mô phỏng PTHH cho kết cấu này thông qua chương trình ATENA, sơ đồ PTHH cũng như kết quả phân tích vết nứt như trên hình 2.15. Các vết nứt từ kết quả tính toán tương đồng với vết nứt từ kết quả thí nghiệm. Vết nứt cắt xuất phát từ các vết nứt uốn phát triển theo phương xiên đi vào vùng bê tông chịu nén theo hướng về phía vị trí tải trọng tập trung tác dụng. Hình 2.15: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm Theo kết quả thí nghiệm, chuyển vị ứng với tải trọng lớn nhất là 10,5mm, trong khi theo kết quả tính toán, giá trị này là 10,2mm.Kết quả tính toán cho thấy lực tập trung lớn nhất theo kết quả tính toán là
8 672,2 kN. Chênh lệch so với kết quả thí nghiệm là 1,8%. Như vậy, kết quả này cũng minh chứng rằng việc sử dụng mô hình phân tích số (ATENA) cũng có thể áp dụng cho kết cấu lớn. 2.5 Ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite Kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite về cơ bản có ứng xử tương tự như kết cấu BTCT thuần túy. Lớp vật liệu gia cường có cường độ cao đóng vai trò là vật liệu tăng cường cho vùng chịu kéo của kết cấu bê tông. Do kết cấu BTCT thường được thiết kế tối ưu về điều kiện chịu lực, có nghĩa là ở trạng thái giới hạn cốt thép ở thớ chịu kéo bị chảy và bê tông vùng chịu nén đạt tới biến dạng nén giới hạn, nên việc bổ sung thêm vật liệu chịu kéo sẽ làm thay đổi quan hệ về mặt sức kháng giữa vùng nén và kéo. Kết cấu sau gia cường bên cạnh có sự gia tăng cường độ chịu lực thì cũng có sự suy giảm về độ dẻo dẫn tới kết cấu có xu hướng bị phá hoại dòn. Do đó, việc gia cường kết cấu cần cân nhắc giữa hiệu quả về mặt gia cường về sức kháng trên cơ sở cho phép kết cấu vẫn đảm bảo cấp độ dẻo cần thiết để tránh kết cấu có thể bị phá hoại đột ngột. Chương3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE 3.1 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite theo phương pháp thực nghiệm Trong chương này sẽ trình bày một số thí nghiệm trong phòng để nghiên cứu ứng xử cơ bản của cấu kiện BTCT (uốn và cắt) được gia cường bằng lớp vật liệu composite do tác giả thực hiện. Vì mục tiêu của luận án nghiên cứu hướng tới việc ứng dụng phương pháp gia cường trong CTTL, nên các mẫu được sử dụng trong thực hiện thí nghiệm là kết cấu bản và dầm BTCT. Kết cấu bản thể hiện sự làm việc theo diện rộng, phản ánh các cấu kiện thành cống, trần cống cũng như bản đáy của cống. Do sự hạn chế của thiết bị thí nghiệm nên không thể cho phép thực hiện thí nghiệm với bản rộng và dày, do vậy trong nghiên cứu thí nghiệm có thực hiện thêm các thí nghiệm về dầm có chiều cao tương xứng với kết cấu bản của cống trong thực tế và với độ mảnh đủ lớn. Thí nghiệm uốn 4 điểm được thực hiện với dầm và bản theo sơ đồ dầm giản đơn; mẫu thí nghiệm được đặt lên hai gối tựa. Tải trọng tập trung được đặt đối xứng theo phương dọc tại 2 điểm có khoảng cách tới gối bằng nhau. Khoảng cách giữa 2
9 điểm đặt lực bằng 1/3 chiều dài tính toán của mẫu thí nghiệm. Tùy theo mức độ gia cường, loại keo dán, các điều kiện về vật liệu và tải trọng, dự kiến thu được các phá hoại do uốn hoặc cắt đối với các mẫu thí nghiệm này. 3.1.2 Thí nghiệm xác định ứng xử của dầm chịu uốn Mục tiêu của thí nghiệm là phân tích ứng xử chịu tải của dầm BTCT chịu uốn với sự tham gia của vật liệu gia cường composite cho các mức độ gia cường khác nhau; nghiên cứu các ảnh hưởng của một số tham số khác nhau tới sức chịu tải của kết cấu. Trong phần này trình bày kết quả nghiên cứu của 6 dầm BTCT được gia cường với các mức độ khác nhau. Các thông số của chương trình thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3.1. Bảng 3.1: Các thông số của mẫu thí nghiệm Dầm Mặt cắt Cốt Bề dày Số lớp gia Cốt đai số 2 (cm ) dọc BT bảo vệ cường D01 15x25 414 6/120mm 20mm - D02 15x25 414 6/120mm 20mm 1 D03 15x25 414 6/120mm 20mm 2 D04 15x25 414 6/120mm 20mm 3 D05 15x25 414 6/120mm 20mm 4 D06 15x25 414 6/120mm 20mm 5 Nghiên cứu sức kháng uốn của dầm bê tông 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 của mẫu bê tông hình trụ là 37 MPa. Dầm đầu tiên không sử dụng tấm 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. 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.Việc lựa chọn vật liệu gia cườngmang tính chất minh họa
10 và điển hình; việc quyết định lựa chọn vật liệu gia cường chỉ dựa vào sự thuận lợi và hiệu quả kinh tế trong việc đặt hàng cung ứng, hoàn toàn có thể lựa chọn các vật liệu tương tự ở những nhà sản xuất khác. Kết quả thí nghiệm và thảo luận Kết quả thí nghiệm cho thấy, mức độ gia cường càng nhiều thì sức chịu tải của kết cấu càng được cải thiện (Hình 3.6). 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. Luận án kiến nghị hạn chế sử dụng nhiều lớp gia cường. Với loại bê tông có cường độ chịu nén như các dầm thí nghiệm thì số lớp gia cường tối đa nên là 2. Trong trường hợp kết cấu đòi hỏi cường độ vật liệu gia cường lớn, thì nên lựa chọn vật liệu gia cường có mô đun đàn hồi lớn (ví dụ như cốt sợi các-bon) nhằm giảm số lớp gia cường. 120 104 100 100 80 78 Tải trọng tới hạn (kN) 80 64 60 50 40 20 0 tăng tải 100% tăng tải 108% tăng tải 28% tăng tải 60% tăng tải 56% 1 2 3 4 5 6 gia cường Không 1 lớp 2 lớp 3 lớp 4 lớp 5 lớp Sự gia tăng sức chịu tải (%) so với mẫu không gia cường Hình 3.6: Hiệu quả gia cường của các dầm Với việc gia cường bằng tấm composite, sức chịu tải của dầm BTCT 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.
11 3.1.3. Thí nghiệm xác định ứng xử của tấm chịu uốn Trong phần này trình bày kết quả nghiên cứu ứng xử của 4 bản BTCT trong đó có 3 bản được gia cường 2 lớp vật liệu composite ở mặt dưới với kiểu bố trí trực hướng. Sức kháng uốn của bản bê tông được gia cường bằng tấm composite được nghiên cứu với mẫu thí nghiệm có kích thước bề rộng 600mm, dài 1000mm và dày 60mm. Để phản ánh trường hợp bất lợi của chất lượng bê tông đối với kết cấu thực tế khi bị suy giảm, bê tông được chọn có mác M20 (20 MPa). Một bản không sử dụng bản gia cường tấm composite và được dùng để làm đối chứng. Đường kính của thép dọc và ngang là 6mm với bước cốt thép 150mm. Bề dày lớp bê tông bảo vệ là 10mm. Các kích thước hình học cũng như việc bố trí cốt thép của mẫu thí nghiệm được thể hiện trên Hình 3.7. 1000mm 350mm 6/150mm 600mm 260mm CV Điểm truyền tải Gối di động 60mm Hình 3.7: Mô hình thí nghiệm và các điểm đo chuyển vị và biến dạng Kết quả thí nghiệm Đối với bản không gia cường, dạng phá hủy là do mô men uốn. Ngay vị trí đặt tải có tải trọng cục bộ đồng thời cũng là vị trí có mô men lớn nhất và trong trường hợp thí nghiệm bản không gia cường đã bị phá hủy tại vị trí này ứng với tải trọng P = 16,8 kN. Cốt thép bị chảy dẻo trong khi bê tông vùng nén vẫn còn có thể chịu lực được. Không giống như trường hợp với bản B01, các bản có gia cường lớp vật liệu composite bị phá hoại do sự bong bật của lớp gia cường tại vị trí có mô men và lực cắt đều lớn. Toàn bộ các bản B02, B03, B04 đều có dạng phá hoại này. Việc gia cường cũng có tác dụng làm hạn chế vết nứt, cũng như khả năng chống nứt. Đối với kết cấu không gia cường, tải trọng tương ứng với vết nứt đầu tiên là 5kN, trong khi với kết cấu gia cường thì giá trị này là 10kN.
12 . Liên kết giữa bản gia cường Vết nứt bị mở rộng và bê tông bắt đầu bị phá vỡ ở trạng thái phá hoại a) Trạng thái phát triển vết nứt a) Trạng thái phá hoại Hình 3.10: Dạng phá hoại của bản gia cường Các quan hệ chuyển vị - tải trọng của các bản này được thể hiện trên Hình 3.11. Các đường cong quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng có cùng một dạng và giá trị tải trọng tới hạn cũng như chuyển vị tới hạn xấp xỉ bằng nhau. Giá trị trung bình của tải trọng tới hạn là xấp xỉ 50 kN, của chuyển vị là 11mm. Như vậy, kết cấu bản được gia cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ bằng ba lần so với kết cấu không gia cường (300%). Nếu cùng một mức tải trọng, ví dụ như 15 kN trong trường hợp thí nghiệm này, thì chuyển vị của bản gia cường chỉ bằng 10% bản không được gia cường (1,5mm so với 15mm). 60 50 Bản B01 (không gia cường) Bản B02 (gia cường 2 lớp) 40 Bản B03 (gia cường 2 lớp) Tải trọng (kN) 30 Bản B04 (gia cường 2 lớp) 20 10 0 0 10 20 30 40 Chuyển vị tại giữa tấm (mm) Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa bản Để có thể khảo sát và phân tích đầy đủ hơn ứng xử của bản BTCT được gia cường bằng tấm composite, các thí nghiệm sau cần tập trung vào xem xét sự ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép thường, ảnh hưởng của cường độ bê tông, vị trí tác dụng của tải trọng cũng như sự dính bám giữa bê tông và lớp vật liệu gia cường; do điều kiện kỹ
13 thuật và kinh tế, phương pháp mô phỏng số được sử dụngcho các nghiên cứu này. 3.2 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite theo phương pháp số Các thí nghiệm về các kết cấu dầm và bản thực đã trình bày trong phần trên được phân tích trên cơ sở mô phỏng PTHH với chương trình ATENA. Trong mô phỏng số sử dụng các số liệu về kích thước hình học, vật liệu và tải trọng theo số liệu ở mục 3.1 nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm. 3.2.1 Kết cấu dầm Kết cấu dầm chịu uốn theo sơ đồ 4 điểm. Dưới tác dụng của tải trọng, dầm có ứng xử uốn với các vết nứt thẳng đứng đi từ phía dưới lên trên. Các vết nứt sâu ở khu vực giữa dầm và ít hơn ở khu vực đầu dầm. Khi dầm được gia cường ở khu vực bụng dầm, các vết nứt tập trung tại vị trí đầu dầm và xuất phát ở phía hai gối. Đây là các vết nứt xiên do lực cắt và uốn đồng thời gây ra. Phá hoại cắt được phản ánh trong phân tích số. Kết quả tính toán chuyển vị và vết nứt hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích thực nghiệm vật lý. Hình 3.14: Biểu đồ phân bố vết nứt và bề rộng vết nứt của dầm. 3.2.2 Kết cấu bản Kết quả tính toán ứng suất trong cốt thép tại trạng thái cực hạn được thể hiện như trên hình 3.22.Có thể thấy rằng, mặc dù bản chịu tải trọng tập trung (tại 4 điểm đối xứng) nhưng bản thể hiện ứng xử
14 uốn một phương rất rõ rệt. Kết quả phân tích ứng suất trong cốt thép chỉ ra rằng theo phương ngang ứng suất gần như không thay đổi. Hình 3.22: Ứng suất trong cốt thép của bản trước khi gia cường Từ những nhận xét trên, có thể thấy rằng việc mô phỏng 2 chiều cho bản là hoàn toàn hợp lý về mặt cơ học.Tải trọng phá hoại tính toán trước và sau gia cường đều phù hợp với giá trị từ kết quả thí nghiệm.Kết quả so sánh biến dạng tính toán và thí nghiệm được thể hiện như trên hình 3.30. Mặt trên (nén) Mặt dưới (kéo) Hình 3.30: Biến dạng tại vị trí giữa bản phụ thuộc vào tải trọng 3.3 Xây dựng công thức tính toán sức kháng cắt của kết cấu BTCT gia cường chịu uốn 3.3.1 Sơ lược về sức kháng cắt Sức kháng cắt của kết cấu BTCT có thể chia thành 2 phần: phần sức kháng phụ thuộc chính vào bê tông và phần sức kháng được quyết định bởi cốt đai chịu cắt. Đối với kết cấu dạng bản có chiều
15 dày nhỏ (dưới 250mm) thì các cốt thép đai thường không được sử dụng do sự khó khăn trong cấu tạo và thi công. Trong trường hợp này sức kháng cắt của cấu kiện phụ thuộc chính vào cường độ chịu lực của bê tông và cốt thép dọc ở thớ chịu kéo của kết cấu. Luận án tập trung nghiên cứu về sức kháng cắt của cấu kiện BTCT dạng bản không cốt đai, vốn được sử dụng cho các công trình như cống dưới đê đập, công trình cầu máng, cửa van,.. Hình 3.31: Cấu kiện bản được gia cường bằng vật liệu tấm composite Khi thực hiện việc gia cường, nâng cao sức chịu uốn của các cấu kiện này bằng phương pháp dán lớp vật liệu composite cường độ cao ở mặt chịu kéo, thường việc dán này không thể kín hết toàn bộ bề mặt, ví dụ như hình 3.31.Từ kết quả thí nghiệm dầm, bản gia cường chịu uốn ở trên có thể thấy khi thực hiện việc gia cường kết cấu bằng phương pháp này, sức chịu kháng uốn của kết cấu được cải thiện một cách rõ ràng. Tuy nhiên, việc đánh giá sức chịu cắt của kết cấu được gia cường hiện vẫn còn bỏ ngỏ hoặc chưa rõ ràng trong các qui trình cũng như tiêu chuẩn kỹ thuật. 3.3.2 Đề xuất công thức tính toán mới về sức kháng cắt cấu kiện BTCT Trong phần này trình bày kết quả nghiên cứu và đề xuất một công thức tính toán mới cho sức kháng cắt của cấu kiện BTCT không cốt đai được gia cường bằng tấm composite xét ảnh hưởng đoạn không gia cường.Sức kháng cắt được đề xuất như công thức (3.7) cho trường hợp xét cả vị trí tải trọng, với k g = 0,77 ∙ (a/Le )0,26 và aL = 4 (1−√ρl ) √ ∙ d ∙ L3 như sau: ρl 3d 1/3 Vcm = 0,2k g (1 + √200/d) ∙ ( ) (100ρl fck )1/3 ∙ bd (3.7) aL hoặc (3.8) cho trường hợp rút gọnvới k g2 = (d/Le )0,26 ≈ 4√d/Le .
16 Vcm = 0,2k g2 (1 + √200/d) ∙ (100ρl fck )1/3 ∙ bd (3.8) Để đánh giá độ chính xác của công thức, sử dụng kết quả thí nghiệm do nhiều tác giả thực hiện với tổng số 59 dầm BTCT được gia cường bằng tấm composite với các thông số khác nhau, công thức mới (3.7), (3.8) và so sánh với kết quả thí nghiệm. Bảng dưới đây trình bày kết quả đánh giá thông qua sai số mô hình η = Vthínghiệm /Vtínhtoán . Bảng 3.5: So sánh kết quả tính toán theo các công thức khác nhau Công thức Janzse (3.5) (3.7) (3.8) Giá trị trung bình ηm = 1,031 1,020 1,000 Vtn /Vtt Giá trị nhỏ nhất ηmin 0,719 0,765 0,749 Giá trị lớn nhất ηmax 1,416 1,338 1,331 Phương sai ση 0,161 0,146 0,146 Hiệp phương sai COV (%) 15,65 14,28 14,59 Ở trên, các công thức đều được tính với giá trị trung bình. Trong tính toán thiết kế, giá trị này được triết giảm theo một hệ số an toàn. Sức chịu tải thiết kế được tính như công thức (3.10) dưới đây: 200 1 Vcd = 0,1 ∙ 4√d/Le ∙ (1 + √ ) ∙ (100ρl fck )3 ∙ bd (3.10) d Với công thức tính toán đã đề xuất trên, việc kiểm toán sức chịu cắt của kết cấu được gia cường bằng cách dán lớp vật liệu composite chỉ ở mặt dưới được thực hiện dễ dàng với độ tin cậy cao hơn so với công thức của Jansze. 3.4 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của kết cấu được gia cường bằng tấm composite Nhằm tạo thuận lợi cho việc so sánh, lựa chọn dầm bản bằng BTCT để mô phỏng. Dầm bản có chiều dài 2500mm, bề dày 250mm, bề rộng 1000mm, bề dày lớp bê tông bảo vệ 30mm, bê tông có cường độ theo mẫu lăng trụ trung bình là 28 MPa, cường độ cốt thép 290 MPa (được chọn theo cường độ thường sử dụng trong công trình BTCT ở Việt Nam) và hàm lượng cốt thép thớ được gia cường là 0,5%. Lớp gia cường được dán ở khu vực mặt dưới của dầm nhưng chừa lại một khoảng dài 50mm tại khu vực sát gối. Tải trọng được đặt cách gối một khoảng cách là 1000mm. Khi thực hiện việc khảo
17 sát, một số tham số trên của kết cấu được thay đổi nhằm thu được các quan hệ cơ học về ứng xử của kết cấu. Kết quả khảo sát  Độ cứng lớp gia cường (mức độ gia cường): có ảnh hưởng quyết định tới hiệu quả của việc gia cường. Độ cứng càng lớn thì sức kháng kết cấu sau gia cường càng tăng.  Cường độ bê tông: ảnh hưởng nhiều. Kết cấu có cường độ nén của bê tông càng cao thì hiệu quả gia cường càng lớn.  Chiều dày lớp bảo vệ: không nhiều và về cơ bản có thể bỏ qua.  Hàm lượng cốt thép thường: nếu kết cấu có hàm lượng cốt thép thường nhỏ thì hiệu quả gia cường sẽ lớn và ngược lại. Kết cấu có hàm lượng cốt thép thường lớn hơn 2% thì phương pháp gia cường bằng tấm composite không còn hiệu quả.  Chiều dài đoạn không gia cường khu vực gần gối: khoảng cách từ điểm cuối của lớp gia cường tới gối có ảnh hưởng quyết định tới sức kháng cắt của kết cấu; khi chiều dài đoạn không gia cường này lớn thì việc gia tăng sức kháng sẽ kém hiệu quả; Sự gia tăng sức kháng cắt thấp hơn nhiều so với sức kháng uốn. Chương 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 4.1 Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc của CTTL Về mặt chịu lực, kết cấu CTTL bằng BTCT một mặt phải có đủ khả năng chịu lực như mục tiêu của thiết kế (điều kiện về sức kháng) và phải đảm bảo tuổi thọ khai thác (điều kiện khai thác). Dưới đây trình bày những đặc điểm chính về mặt kết cấu và điều kiện làm việc của hai loại CTTL điển hình bằng BTCT. Công trình cống (bao gồm cống ngầm, cống lộ thiên, cống áp lực,..): Công trình cống BTCT có mặt cắt ngang dạng tròn hoặc chữ nhật. Cống thường chịu tải trọng nước trong lòng cũng như áp lực đất và nước ở xung quanh. Các bộ phận của cống (thành, trần, đáy) thường chịu tải trọng nén và uốn, cắt kết hợp. Ngoại trừ cống có khẩu độ lớn, các công trình cống phổ biến thường chịu tải trọng nén và uốn lớn. Công trình cống thường có hiện tượng suy giảm về chất lượng trong quá trình khai thác do sự tác động trực tiếp của dòng nước. Lớp bê tông tiếp xúc với nước thường bị bào mòn. Quá trình
18 thấm, xâm thực của nước có thể vượt qua bề dày của lớp bê tông bảo vệ và gây rỉ đối với cốt thép chịu lực bên trong.Có thể kết cấu vẫn đảm bảo yêu cầu chịu lực nhưng điều kiện khai thác lâu dài (tuổi thọ) của kết cấu thường bị suy giảm khi cốt thép chịu lực bị rỉ nhiều. Do vậy, để đảm bảo điều kiện khai thác, công trình cần sửa chữa, đặc biệt là phải tăng cường duy trì sức kháng cho lớp bê tông bảo vệ hoặc hạn chế thấm, xâm thực của nước tới lớp bê tông và cốt thép chịu lực bên trong kết cấu. Công trình cầu máng: công trình cầu máng là một phần của kết cấu kênh khi cần dẫn nước qua một địa hình không bằng phẳng mà phương án san nền có thể không hiệu quả hoặc yêu cầu hạn chế thay đổi về địa hình. Trong CTTL, cầu máng thường được xây dựng từ các nhịp giản đơn BTCT có mặt cắt chữ nhật hoặc chữ U. Tùy theo đặc điểm tiếp xúc với môi trường cũng như qui mô và kích thước yêu cầu, kết cấu cầu máng có thể có dạng bản mỏng (bê tông lưới thép) hoặc có nhiều hệ thống dầm dọc, dầm ngang hỗ trợ để tăng sức kháng và giảm trọng lượng bản thân. Thực tế CTTL ở Việt Nam hiện nay cho thấy các công trình vẫn chủ yếu thiết kế sử dụng BTCT thuần túy (ít có sự ứng dụng của cốt thép dự ứng lực) nên công trình thường nặng nề, tải trọng bản thân lớn, việc thi công thực hiện theo nhiều giai đoạn và do đó kết cấu có những trạng thái chịu lực khác nhau. 4.2 Quy trình tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite cho CTTL Đề tài luận án đề xuất các bước sau khi thực hiện việc tính toán gia cường kết cấu BTCT công trình thủy lợi bằng tấm composite: Bước 1: Khảo sát, đánh giá hiện trạng công trình. Bước 2: Phân tích nguyên nhân gây tổn hại về mặt sức kháng hoặc điều kiện khai thác của công trình. Bước 3: Đánh giá về mặt tải trọng tác động Bước 4: Lựa chọn phương án gia cường Bước 5: Lựa chọn thời điểm, điều kiện gia cường Bước 6: Tính toán ứng xử của kết cấu theo từng giai đoạn chịu lực bao gồm cả các trạng thái trước và sau khi gia cường Bước 7: Thử nghiệm, kiểm nghiệm hiệu quả của việc gia cường thông qua việc đo đạc thực tế.