BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KS. TRẦN VĂN THUYẾT

NGHIÊN CƢ́U SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI TRỌNG
LÊN KẾT CẤU BÊ TÔNG ĐƢỢC TĂNG CƢỜNG
BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP COMPOSITE THEO
PHƢƠNG PHÁP DÁN TRÊN BỀ MẶT NGOÀI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HẢI PHÒNG - 2015


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
------------------

KS. TRẦN VĂN THUYẾT

NGHIÊN CƢ́U SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI TRỌNG
LÊN KẾT CẤU BÊ TÔNG ĐƢỢC TĂNG CƢỜNG
BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP COMPOSITE THEO
PHƢƠNG PHÁP DÁN TRÊN BỀ MẶT NGOÀI

cô giáo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã giảng dạy nhiệt tình, tạo điều
kiện để tôi hoàn thành chương trình đào tạo, nâng cao kiến thức cơ bản cũng
như kiến thức chuyên ngành và hoàn thành luận văn.
TS. Nguyễn Phan Anh đã tận tình hướng dẫn để luận văn được hoàn
thành theo đúng các yêu cầu của đề tài.
Các đồng nghiệp, bạn bè và người thân trong gia đình đã giúp đỡ động
viên trong suốt thời gian học tập và làm luận văn.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Văn Thuyết

ii


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ................................................................................................... i
Lời cảm ơn ...................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................ iii
Danh mục các bảng ......................................................................................... v
Danh mục các hình vẽ ..................................................................................... vi
Mở đầu ........................................................................................................... 1
Chƣơng 1. Tổng quan về các biện pháp tăng cƣờng khả năng chịu lực của
kết cấu bê tông bằng vật liệu tổng hợp composite (FRP) .......................... 4
1.1. Khái niệm về vật liệu tổng hợp composites (FRP) .................................. 4
1.2. Các phương pháp điển hình ứng dụng vật liệu FRP ................................ 7
1.2.1. Giới thiệu chung .................................................................................... 7
1.2.2. Tăng cường kết cấu bằng phương pháp dán ngoài bề mặt bằng vật liệu
FRP …. ............................................................................................................ 11

Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 60

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Một số đặc trưng cơ lý điển hỉnh của sợi thủy tinh

6

1.2

Một số đặc trưng cơ lý điển hình của sợi aramid

6

1.3

Một số đặc trưng cơ lý điển hình của sợi aramid

6



Cường độ chịu kéo của FRP

5

1.4

Tăng cường kết cấu đáy dầm sàn bằng dán bản thép (sử
dụng đồng thời cả keo dán và bu lông) tại Theillout, Pháp
năm 1990

8

1.5

Vết gỉ bản thép dán tăng cường tại mặt bên của dầm cầu
và dưới đáy bản mặt cầu Bà Rèn

9

1.6

Vết gỉ ở các bản thép dán phía đầu dầm tại Chiêm Hóa,
Quảng Bình

9

1.7

Hiện trạng bản thép dán gia cường tại đáy kết cấu nhịp cầu


Dùng cọ lăn xử lý liên kết

15

1.13

Hoàn thành liên kết

16

1.14

Dán tấm FRP

16

1.15

Bước phủ lớp keo thứ hai

17

1.16

Hoàn thiện liên kết

17

vi

21

2.2

Mô hình phá hoại trong lớp bê tông thớ dưới

22

2.3

Mô hình phá hủy tại bề mặt liên kết

22

2.4

Phá hoại liên kết do sự lan truyền vết nứt

23

2.5

Mô hình phá hoại giòn

23

2.6

Mô hình phá hoại kết hợp


32

2.12

Giai đoạn hóa dẻo

33

2.13

Giai đoạn III

36

2.14

Giai đoạn IV

37

3.1

Mô hình ví dụ tính toán

39

3.2

Các module phân tích ABAQUS/CAE



Biểu đồ chuyển vị (U3) trong kết cấu bê tông

50

3.8

Biểu đồ chuyển vị tổng thể trong kết cấu bê tông

50

3.9

Biểu đồ ứng suất trong kết cấu bê tông

51

3.10

Sự phân bố ứng suất trong lớp keo dính epoxy

51

3.11

Biểu đồ chuyển vị (U1) trong lớp kết dính epoxy

52

3.12


Chuyển vị (U1) trong tấm CFRP

55

3.18

Chuyển vị (U2) trong tấm CFRP

55

3.19

Chuyển vị (U3) trong tấm CFRP

56

3.20

Chuyển vị trong tấm CFRP

56

3.21

Biểu đồ ứng suất trong tấm CFRP

57

viii

dựng trên thế giới đã chứng minh được sự cần thiết phải ứng dụng vật liệu
này vào thi công các công trình sử dụng kết cấu bê tông. Công tác tăng cường
cho những thành phần cơ bản trong công trình như dầm, cột, sàn, tường, mố

1


và trụ đã đem lại hiệu quả rất cao. Những hiệu quả đó được thể hiện ở việc
tăng cường khả năng của kết cấu ở những điểm sau:
- Chịu uốn, cắt và chịu tải trọng trục;
- Chịu tải trọng động đất;
- Giảm sự ăn mòn bởi môi trường;
- Tăng tuổi thọ mỏi;
- Giảm biến dạng của công trình dươi tác dụng của tải trọng thiết kế
và tải trọng khai thác [3];
Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu TCN272-05 hiện hành của nước ta mới
chỉ nhắc đến biện pháp dán bản thép lên bề mặt của kết cấu để tăng cường
nhưng dưới dạng giới thiệu, tính toán thiết kế và thi công chưa hoàn thiện,
vẫn cần phải nghiên cứu bổ sung thêm, chứ chưa đề cập đến biện pháp sử
dụng vật liệu FRPs hay vật liệu tổng hợp composites này.
Do vậy, đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của tải trọng lên kết cấu
bê tông đƣợc tăng cƣờng bằng vật liệu tổng hợp composite theo phƣơng
pháp dán trên bề mặt ngoài” là một trong những đề tài thiết thực, có ý nghĩa
thực tiễn cao, có thể căn cứ vào đó để làm cơ sở lý thuyết và khả năng ứng
dụng rộng rãi phương pháp này ở nước ta.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp tăng cường kết cấu bê tông
hoặc bê tông cốt thép bằng việc sử dụng vật liệu FRP;
- Nghiên cứu các mô hình phá hủy kết cấu khi sử dụng vật liệu FRP
dán ngoài mặt kết cấu;



Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG
CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG BẰNG VẬT LIỆU TỔNG
HỢP COMPOSITE (FRP)
1.1 Khái niệm về vật liệu tổng hợp composites (FRP)
Hai thành phần cấu tạo cơ bản của vật liệu FRP là các sợi (fiber) và
lưới tổng hợp (matrix polymer). Thông thưởng các sợi này là sợi thủy tinh
(glass), sợi carbon và sợi aramid được tương ứng với những loại CFRP,
AFRP và GFRP.

Hình 1.1: Cấu tạo của FRP
Các đặc trưng cơ lý của FRP được thể hiện như sau:

f fib,max

FIBER

FRP

f m,max

O

fib,max

MATRIX





3

Hình 1.3: Cường độ chịu kéo của FRP[5,6]
Bẳng 1.1 đến 1.3 thể hiện các đặc trưng cơ lý của các loại vật liệu FRP.
Bảng 1.1: Một số đặc trưng cơ lý điển hình của sợi thủy tinh
Khối lƣợng

Loại sợi

Moduyn đàn hồi

thủy tinh

(GPa)

E- Glass

72.4

2.6

3445

S- Glass

86.9


Loại sợi aramid

đàn hồi
(GPa)

General-purpose
fibers
High-performance
fibers

Khối
lƣợng

Độ dãn

riêng

dài

(kg/cm3)

Cƣờng độ chịu
kéo
(MPa))

69 - 83

1450

2.5%

Nơi sản xuất

trên 1
pound

Standard modulus (
290

4.8

USA

53$

G40-600

296

4.3

USA

45$

IM7

303

5.3

USA

53$

High modulus (320-440 GPa)
XMS4

Japan

100$

Trông việc ứng dụng vào các công trình xây dựng, chất kết dính giữa
vật liệu FRP với kết cấu thông thường là epoxies. Mặc dù epoxies đắt hơn
nhiều so với các loại chất kết dính khác nhưng do những đặc trưng cơ lý tốt
hơn khi làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao nên epoxies rất thông

6


dụng. Moduyn đoàn hồi và cường độ chịu kéo của của epoxies tương ứng là
3.3 GPA và 75 MPa.
1.2 Các phƣơng pháp điển hình ứng dụng vật liệu FRP
1.2.1 Giới thiệu chung
Để tăng cường khả năng chịu lực của các kết cấu bê tông hiện hữu có
một số phương pháp truyền thống được sử dụng như: dán ngoài bề mặt của
kết cấu bê tông bằng bản thép [2]; bọc phủ bên ngoài bằng thép hoặc một kết
cấu bê tông cốt thép khác (như tăng cường kết cấu móng cọc của cầu Long
Biên, Hà Nội); gần đây sử dụng thêm phương pháp tăng cường ngoài bằng kết
cấu dự ứng lực để tăng cường khả năng làm việc của kết cấu, giảm những sai
sót trong khâu thiết kế hoặc tăng khả năng chịu lực của kết cấu. Những biện
pháp này tương đối hạn chế bởi giá thành cao, cần huy động các thiệt bị thi
công lớn và quan trọng là không kéo dài được nhiều tuổi thọ cho công trình.
Bên cạnh đó, biện pháp sử dụng kết cấu thép để tăng cường luôn hạn chế bởi
sự ăn mòn bởi môi trường. Hơn nữa, những kỹ thuật thi công này chỉ hạn chế
được việc phát triển vết nứt hay sự ăn mòn bề mặt bê tông trong một thời gian
ngắn mà không tăng cường thêm được khả năng chịu lực của toàn bộ kết cấu
trong nhiều trường hợp cụ thể như tăng cường khả năng chịu lực của dầm và



một số sự cố xảy ra, cầu đã được tiến hành gia cường bằng phương pháp dán
bản thép để tăng khả năng khai thác của cầu.
Cầu đường sắt tại Km 983+900 tại Đức Phổ, Quảng Ngãi. Cầu gồm 2
nhịp dầm BTCT thường mặt cắt chữ T, đúc bê tông tại chỗ từ khoảng năm
1928 đến 1930.

Hình 1.7: Hiện trạng bản thép dán gia cường tại đáy kết cấu nhịp cầu tại Đức
Phổ, Quảng Ngãi

Rất nhiều cây cầu tại đồng bằng sông Cửu Long đã được tăng cường
bằng công nghệ dán bản thép và rất nhiều cây cầu vẫn đang hoạt động bình
thường.

10


Hình 1.8: Thử tải chất lượng của cầu sau khi dán bản thép

Vật liệu FRP có những ưu điểm nội bật như trọng lượng nhẹ và khả
năng chống chịu ăn mòn rất cao. Quá trình thi công FRP đơn giản và không
cần huy động nhiều thiết bị nặng. Nhưng do giá thành của vật liệu FRP cao,
nên khi áp dụng cần phải tính toán cân nhắc giữa biện pháp kéo dài thời gian
tuổi thọ của kết cấu hoặc thay thế bằng kết cấu mới.
1.2.2 Tăng cường kết cấu bằng phương pháp dán ngoài bề mặt bằng vật
liệu FRP
Để tăng cường khẳ năng chịu lực kết cấu sẵn có, biện pháp thường
được cân nhắc là dán bên ngoài bề mặt kết cấu đó bằng vật liệu FRP. FRP ở
đây có thể dùng ở dạng tấm (sheet), vải (fabric) và được liên kết với bề mặt

cần quan trọng đang là trạng thái khô hay ướt, bột trét đều có thể được sử
dụng ngay.
-

Bước 4: Sử dụng một lượng keo phù hợp với từng loại FRP sử

dụng dán. Tiến hành phủ lớp keo thứ nhất, keo được quét lên bề mặt đã được
sơn lót và được tạo phẳng bởi cọ lăn.
-

Bước 5: Kích thước tấm FRP cần phải được tính toán thiết kế

trước và tiến hành đo và cắt sẵn trước khi đặt lên bề mặt cần gia
cố. Tấm FRP được đặt lên bề mặt bê tông và ấn nhẹ nhàng vào lớp keo dán.
Trước khi lột lớp giấy dán mặt sau, dùng con lăn bằng cao su lăn theo hướng
sợi cho keo dễ dàng ngậm vào các sợi riêng rẽ. Cọ lăn không bao giờ được lăn
theo hướng vuông góc với hướng sợi để tránh sợi có thể bị hỏng.
-

Bước 6: phủ lớp keo thứ hai, sẽ được phủ lên sau 30 phút kể từ

khi đặt và lăn tấm FRPs. Vào lúc này lớp keo đầu tiên đã bị hút hết vào tấm
FRPs.

12