ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN MINH NGA

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG
CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI
CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

C
C
R
UT.L

D

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 85.80.205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LAN

Phản biện 1: PGS.TS. HOÀNG PHƯƠNG HOA
Phản biện 2: TS. TRẦN VĂN ĐỨC

cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP dưới nước, đa số các giải pháp cần có vòng vây
hút nước để thi công sửa sữa chữa kết cấu như trên cạn. Kết cấu vòng vây
làm tăng chi phí và thời gian thi công khá lớn. Trong thời gian gần đây vật
liệu compostite đã được ứng dụng tại Việt Nam để sửa chữa, gia cường kết
cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP trên cạn, tuy nhiên sử dụng vật liệu compostite
và keo epoxy thi công trong môi trường nước hoặc môi trường ẩm ướt còn
đang được tiếp tục nghiên cứu áp dụng về công nghệ thi công và phân tích
thiết kế.
Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn
đề tài: “Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được
gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) thi công trong môi trường nước”
có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài nghiên cứu đánh giá khả năng chịu uốn dầm BÊ TÔNG
CỐT THÉP được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) và keo
eboxy thi công trong môi trường nước.
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu ổn kết cấu dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được gia
cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) và keo eboxy thi công trong

D

C
C
R
UT.L


2
môi trường nước.

o

phong phú và đầy tiềm năng với tổng chiều dài hơn 41.900 Km. Sau
năm 1960 thì số lượng công trình làm việc trực tiếp (thường xuyên)
trong môi trường nước tăng đáng kể, theo kết quả khảo sát của các cơ
quan nghiên cứu trong nước như Viện Khoa học công nghệ xây dựng,
viện KH vật liệu, viện khoa học thủy lợi, viện khoa học GTVT, trường
Đại học Bách khoa Đà Nẵng, … thì tình trạng suy giảm tuổi thọ công


3
trình bê tông và bê tông cốt thép làm việc trong môi trường nước đáng
để quan tâm. Thực tế có hơn 50% bộ phận kết cấu bê tông và bê tông
cốt thép bị ăn mòn, hư hỏng hoặc bị phá hủy chỉ sau 10-30 năm sử
dụng. Hầu hết các kết cấu này trong quá trình làm việc đều tiếp xúc
trực tiếp với môi trường không khí và nước (biển hoặc sông). Giữa vật
liệu và môi trường luôn xảy ra các tác động qua lại và bản thân bê tông
luôn thay đổi trạng thái cấu trúc.
Các dạng công trình bê tông và bê tông cốt thép thường làm việc
trực tiếp trong môi trường nước thường gặp như: Mố, trụ cầu, cống,
tràn, đê đập, tường chắn sóng, cầu cảng, kè sông, kè biển, kết cấu chỉnh
dòng, ….

C
C
R
UT.L

D



D

Hình 1.5. Hư hỏng do nứt

Hình 1.6. Hư hỏng do chuyển vị


5

Hình 1.7. Hư hỏng do bị ăn mòn

Hình 1.8. Hư hỏng do bị xâm thực

C
C
R
UT.L

1.3. CÔNG NGHỆ BẢO VỆ, GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG

D

CỐT THÉP BẰNG CFRP

Dạng tấm

Dạng chế tạo sẵn

Dạng cuộn

1.3.2. Đặc tính cơ lý của vật liệu FRP
Bảng 1.1. Các đặc trưng cơ học cốt sợi
Cốt sợi
Aramid
Thủy tinh
Loại E
Loại A
Loại C
Loại S
Carbon
Tiêu chuẩn
Cường độ cao
Môđun cao
Môđun cực lớn

Cường độ
chịu kéo
(N/mm2MPa)
3400-4100

Moduyn
đàn hồi
(kN/mm2GPa)
70-125

Độ
dãn
dài
(%)
2.4


1,2
1,4
0,5
0,2

1,7
1,8
1,9
2,1

C
C
R
UT.L

D

Tỷ trọng
(g/cm3)
1.44

Bảng 1.2. Các đặc trưng cơ học của chất nền
Chất nền

Cường độ chịu
kéo
(N/mm2-MPa)

Polyester

1,12
1,24

Bảng 1.3. Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP
Hệ thống FRP
Tấm Tyfo SEH51

Trọng Chiều dày Cường độ Môđuyn
lượng thiết kế chịu kéo đàn hồi
(g/m2)
(mm)
(MPa)
(GPa)
Thủy tinh
915
1,3
575
26,1
Loại sợi


8
Tấm Tyfo SCH41
Carbon
Tấm Hex 100G
Thủy tinh
Tấm Hex 103C
Carbon
Tấm Carbodur S
Carbon

0,28
0,17
0,33

985
2.300
3.800
2.800
2.400
1.300
1.517
2.000
3.800
3.800

95,8
72
235
165
210
300
72,4
120
227
227

1.3.3. Ứng xử của vật liệu FRP phụ thuộc vào thời gian:
- Từ biến co ngót của vật liệu FRP:
- Độ bền mỏi của vật liệu FRP
- Ảnh hưởng của tia UV đến chất lượng Epoxy

CƯỜNG BẰNG CFRP
2.1. THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG CFRP
2.1.1. Các yêu cầu cơ bản để thiết kế tăng cường khả năng
chịu lực cho kết cấu bê tông
a. Các yêu cầu chung
b. Các giả định trong thiết kế hệ tăng cường khả năng chịu
lực cho kết cấu bê tông sử dụng vật liệu FRP
c. Lựa chọn các mô hình phá hủy để thiết kế tăng cường khả
năng chịu lực kết cấu bê tông

C
C
R
UT.L

d. Các yêu cầu cấu tạo chung khi thiết kế tăng cường khả
năng chịu lực kết cấu bê tông sử dụng vật liệu FRP

D

e. Trình tự thiết kế tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê
tông

2.1.2. Đánh giá các đặc trưng cơ lý của vật liệu FRP trên thị
trường Việt Nam theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08 và tiêu chuẩn BD
90/05.
a. Theo tiêu chuẩn BD90/05 của Châu Âu:
b. Theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08:
c. Tính chất cơ lý của tấm sợi FRP tại thị trường Việt Nam.
Tại việt Nam hiện nay cũng đã sử dụng một số sản phẩm FRP

c. Ứng suất trong vật liệu FRP.
 Hệ số triết giảm cường độ.
 Sức kháng uốn của mặt cắt hình chữ nhật.
- Trình tự tính toán:
 Trạng thái giới hạn sử dụng.
 Kiểm tra phá hoại do từ biến và mỏi.
 Ứng suất trong vật liệu FRP dưới tác dụng của tải trọng khai
thác.
2.2.2. Ví dụ tính toán sức kháng uốn dầm BTCT gia cường
CFRP
Tính toán lý thuyết dầm gia cường CFRP.
Tính toán thực nghiệm trên mô hình thực tế.
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Chương này đã trình bày các yêu cầu thiết kế kết cấu BTCT gia
cường bằng vật liệu CFRP, cơ sở và công thức tính toán sức kháng uốn
dầm BTCT gia cường bằng tấm CFRP dính bám ngoài. Một ví dụ số
tính toán sức kháng uốn dầm thí nghiệm (15x15) cm cung đã được
trình bày.

C
C
R
UT.L

D

CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM DẦM BTCT GIA CƯỜNG CFRP
DÁN DƯỚI NƯỚC
3.1. CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM

dưới của dầm kiểm soát biến dạng trong quá trình nén

Hình 3.2. Kê và dán các thiết bị để nén dầm


13
Bước 2: Lắp kích gia tải và các thiết bị đo chuyển vị vào vị trí
L/3 và cách gối 20cm

Hình 3.3. Lắp đặt kích và thiết bị đo chuyển vị
Bước 3: Tiến hành gia tải theo từng cấp tải, kiểm soát vết nứt
của dầm, ghi chép lại các thông số đo đạc.

C
C
R
UT.L

D

Vết nứt đầu tiên xuất hiện Độ võng của dầm tại vị trí giữa dầm
Hình 3.4. Gia tải theo từng cấp

Hình 3.5. Hình ảnh vết nứt xuất hiện trong dầm


14
3.1.3. Sơ đồ thực nghiệm nén dầm
2500
733

2.08
0.41
1014
2955
4.04
0.71
1033
2943
6.02
1.1
1042
2938
8.06
2.26
1110
2935
10.11
5.41
1148
2931
12.04
7.35
1210
2921
14.08
10.35
1245
2912
16.05
12.28

dạng thớ kéo dạng thớ nén
0
0
984
2884
2.05
0.38
1021
2862
4.06
0.69
1038
2854
6.04
1.34
1084
2824
8.08
2.36
1114
2808
10.09
5.46
1198
2789
12.06
6.88
1222
2775
14.03

C
R
UT.L

D

Hình 3.11. Biểu đồ quan hệ tải trọng và biến dạng nén

Hình 3.12. Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị


16
 Kết quả nén dầm BTCT CFRP dưới nước
Bảng 3.5. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP dưới nước
Bê tông dầm CFRP dưới nước
V1
Cấp tải nén (chuyển vị S1 (µη) Biến S2 (µη) Biến
(KN)
tại vị trí dạng thớ kéo dạng thớ nén
L/2) mm
0
0
1034
2845
2.05
0.33
1086
2834
4.14
0.57

20.06
9.56
1634
2687
21.34
10.25
1728
2655

Ghi chú

Cr=0.01
Cr=0.10
Cr=0.10
Cr=0.12
Cr=0.2
Cr=0.25
Cr=0.25
Cr=0.28
Cr=0.3
Cr=0.32

C
C
R
UT.L

D

Bảng 3.6. Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP dưới nước

6.34
7.36
8.28
9.78
10.62

S1 (µη)
Biến dạng
thớ kéo

S2 (µη)
Biến
dạng thớ
nén

1015
1048
1115
1158
1205
1278
1326
1401
1488
1578
1616
1726

2822
2808

C
R
UT.L

D

Hình 3.14. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và biến dạng nén

Hình 3.15. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị


18
3.2. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN
ATENA
Khởi động chương trình Atena.
Bước 1: Tạo mới mô hình bằng cách vào Gerenal data/
Analysis Information xuất hiện hộp thoại
Đặt tên cho công trình (description)
Chọn hệ metric (system)
Vào File/save as…. lưu lại công trình
Bước 2: Khai báo vật liệu cho dầm
Vào Material/add
Chọn Direct Definition
Chọn các thông số sau: 3D Elastic Isotropic cho tấm thép; 3D

C
C
R
UT.L


Vào FE Mesh/Macro element/Add
Bước 7: Vẽ cốt đai và CFRP
Vào Reinforcement bars / Add
Vẽ nút trước chọn Joint vẽ các tọa độ định sẵn.
Tiếp tục chọn Segments nối các nút lại, chọn Polyline vẽ thẳng.

C
C
R
UT.L

Chuyển qua thẻ Propreties chọn các thông tin cho thép


Các thép cốt đai cũng làm tương tự.

D

Bước 8: Khai báo các hỗ trợ cho mô hình

Trong mô hình khai báo các suppost và các chuyển vị, tải trọng
Vào Loading / load cases/ Add
Khai báo tải trọng tác dụng lên mô hình
Tại hộp thoại load cases chọn Foces nhập các giá trị tính toán
Bước 9: Lịch sử tải trọng và các tham số phân tích.
Vào Run/ solution Parameters/add
Bước 10: Phân tích mô hình
Vào Run/ analysis steps/Add
Bước 11: Phân tích kết quả
Sau khi mô hình chạy xong vào post-processor

R
UT.L

D

Hình 3.19. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị giữa nhịp
cho dầm BTCT CFRP sử dụng phần mềm Atena
3.4. PHÂN TÍCH, BÀN LUẬN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM


22

Hình 3.20. Biểu đồ quan hệ tải trọng và bề rộng vết nứt giữa mô hình
và thực nghiệm

C
C
R
UT.L

D

Hình 3.21. Biểu đồ quan hệ tải trọng và bề rộng vết nứt giữa mô hình
và thực nghiệm
Dựa vào kết quả thí nghiệm tính Momen kháng uốn của
dầm theo thực nghiệm (dựa vào Pgh của dầm bị nén ở độ mở rộng
vết nứt =0.25mm)
Momen
Momen sức
kháng thực


4.35

7.55

7.55

7.55

7.55

2.78

4.62


23

Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ giữa momen sức kháng thực
nhiệm và lý thuyết
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Dựa trên kết quả thực nghiệm và phân tích cho các kết
luận sau:
- Kết quả thực nghiệm giữa bê tông chưa gia cường và bê tông
có gia cường CFRP xét trên momen sức kháng tăng lên được 35,28%
- Qua kết quả so sánh biểu đồ giữa tải trọng- độ võng; tải trọng
– độ mở rộng vết nứt thấy dầm BTCT thường bao giờ cũng bị võng và
nứt lớn hơn dầm bê tông có gia cường CFRP ở cùng một cấp tải. Lớp
vải CFRP làm tăng độ cứng dầm và giảm độ mở rộng vết nứt vùng bê
tông chịu kéo.