Nghiên cứu kết cấu bê tông cốt thép được tăng cường bởi tấm vật liệu tổng hợp Composites theo phương pháp dán trên bề mặt
25 tháng 11, 2013 bởi
Nghiên cứu kết cấu bê tông cốt thép được tăng cường bởi tấm vật liệu tổng hợp Composites theo phương pháp dán trên bề mặt
Trần Hữu Trung


Phương pháp dán ngoài bề mặt bằng các vật liệu tổng hợp (FRP) đang trở thành một kỹ thuật phổ biến trong công tác tăng cường kết cấu bê tông trên thế giới. Sự hoạt động của bề mặt tiếp xúc giữa FRP - chất kết dính epoxy - bê tông là một trong những yếu tố chủ chốt ảnh hưởng tới sự làm việc của kết cấu được tăng cường. Sự phân tích loại liên kết này tương đối phức tạp.

Phần mềm Abaqus sẽ được sử dụng để mô phỏng một liên kết FRP - bê tông với tác dụng của lực kéo đặt tại đầu tấm FRP trong mô hình 3D. Thông qua sự mô hình hóa này, ứng suất và biến dạng trong hệ thống liên kết sẽ được khám phá.

Dưới đây là bài báo khoa học “Nghiên cứu kết cấu bê tông cốt thép được tăng cường bởi tấm vật liệu tổng hợp composites theo phương pháp dán trên bề mặt” của ThS. Bùi Ngọc Dung - Khoa Xây dựng, Đại học Dân lập Hải Phòng.

1. Giới thiệu

Vật liệu tổng hợp (FRPs) là một loại vật liệu có cường độ cao được ứng dụng sớm trong lĩnh vực hàng không và hàng không vũ trụ tương đối sớm, cách đây hơn sáu thập kỷ. Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và giao thông, loại vật liệu này cũng được sử dựng hơn ba thập kỷ.

Kết cầu bê tông cốt thép (BTCT) làm việc với tuổi thọ nhất định và khả năng làm việc cũng giảm dần theo thời gian dưới tác động của các tác nhân ăn mòn. Dưới áp lực phải làm việc trong trạng thái bình thường, các loại kết cấu này đứng trước hai giải pháp: một là sửa chữa hồi phục hay tăng cường khả năng chịu lực; hai là phải thay thế bằng một kết cấu mới. Việc lựa chon một trong hai biện pháp này phụ thuộc các khía cạnh khác nhau, đặc biệt là khía cạnh kinh tế.

Phương pháp dán ngoài tấm FRPs (EBR) lên bề mặt (BTCT) hay kết cấu thép (KCT) đang được ứng dụng tương đối rộng rãi trong công tác tăng cường hay sửa chữa kết cấu. Đỗi với loại biện pháp tăng cường này, sự liên kết giữa các bề mặt bê tông – chất kết dính, chất kết dính – tấm FRP sẽ đóng vai trò quyết định đến sự làm việc của kết cấu.

Hiện nay, một số loại FRPs thông thường được sử dụng trong lĩnh vực giao thông và dân dụng như Carbon FRPs (CFRP), Aramid FRPs (AFRP) và Glass FRPs (GFRP). Chất kết dính chủ yếu dùng là loại epoxy do có các ưu điểm như độ co ngót thấp, tính chịu đựng cao trước các tác dụng hóa học, khả năng dính kết tốt ...

2. Phương pháp EBR (extenally bonded FRP)

Phương pháp tăng cường này được thể hiện bằng việc dán các tấm hoặc dải FRPs lên bề mặt của kết cầu thông qua chất kết dính epoxy. 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.

Những 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 nhứng tác động bởi môi trường

- Tăng cường tính mỏi

- Tăng độ cứng và giảm độ biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thiết kế và sử dụng.

Hình 1: Mô hình dán tăng cường kết cấu

3. Phân tích sự làm việc của kết cấu được tăng cường

Nghiên cứu này thông qua một đề xuất kết cầu bê tông được tăng cường theo phương pháp EBR để phân tích nội lực và biến dạng xuất hiện trong kết cấu dưới tác dụng của ngoại lực. Đề xuất mô hình tính như sau:

Hình 2: Mô hình kết cấu tăng với dưới tác dụng của lực kéo tấm FRP (a. mặt đứng ; b. mặt bằng)

 Bảng 1: Một số kích thước và đặc trưng vật liệu tính đến trong mô hình đề xuất

Bề rộng khối bê tông

tc

200 mm

Chiều cao khối bê tông

bc

200 mm

Mô đun đàn hồi của bê tông

Ec

31520 N/mm2

Mô đun đàn hồi của FRP

Ec

161800 N/mm2

Chiều dày tấm FRP

tp

1.2 mm

Bề rộng tấm FRP

bp

50 mm

Chiều dài tấm FRP

Lp

350 mm

Lực kéo

P

60KN

Chiều dài đoạn dán (Lepoxy)

L

250 mm

Đặc trưng vật liệu của epoxy được lấy theo Tiêu chuẩn của Mỹ ASTM D 638 (2003).

Việc phân tích các đặc tính của mô hình đề xuất này được nghiên cứu thông qua phần mềm tính toán ABAQUS 6.10, một phần mềm chuyên dụng tính toán kết cấu dưới dạng phần tử hữu hạn.

Mô hình kết cấu đề xuất được mô phỏng dưới dạng 3D với các kích thước, đặc trưng vật liệu, tích chất liên kết và lực tác dụng được thể hiện chính xác.

Hình 4: Mô phỏng 3D đối với mô hình tính đề xuất

4. Kết quả tính toán

Kết quả nội lực trong từng thành phần của kết cấu tăng cường như khối bê tông, lớp kết dính epoxy và tấm FRP sẽ đạt được như sau:

Hình 5: Chuyển vị theo phương Z (U3) và ứng suất xuất S hiện trong kết cầu tổng thể

Hình 6: Phân bố ứng suất (S) trong lớp epoxy, tấm FRP và bê tông

Hình 7: Chuyển vị (U3) trong lớp epoxy, tấm FRP và bê tông

Hình 9: So sánh ứng suất trong tấm FRP và lớp epoxy

Qua biểu đồ so sánh trên, ứng suất S dưới tác dụng của lực kéo đặt ở đầu tấm FRP, trong 2 lớp FRP và epoxy là hoàn toàn khác nhau và có sự khác biệt rất lớn. Tại đầu tự do của tấm FRP, Smax đạt giá trị là 1000 (N/mm2) trong khi Smax (tại vị trí x = L = 250 mm) trong lớp epoxy đạt chỉ giá trị là 43,58 (N/mm2). Tại vị trí đầu liên kết (x = 0) tương ứng với giá trị Smin trong tấm FRP đạt giá trị là 32,1 (N/mm2) và Smin trong lớp epoxy đạt chỉ giá trị là 14,3 (N/mm2).

Hình 10: So sánh chuyển vị U3 trong tấm FRP và lớp epoxy

Đối với phân tích chuyển vị, U3 trong 2 lớp FRP và epoxy là tương đối giống nhau. Tại đầu tự do của tấm FRP, U3max đạt giá trị là 1.375 mm (tại đầu tự do của FRP) và 0.757 mm (tại x = 250 mm) trong khi U3max (tại vị trí x = L = 250 mm) trong lớp epoxy đạt giá trị là 0.727 mm. Tại vị trí đầu liên kết (x = 0) tương ứng với giá trị Smin trong tấm FRP đạt giá trị là 0,02385 mm và Smin trong lớp epoxy đạt là 0,0244 4(N/mm2).

5. Kết luận

Thông qua 2 biểu đồ hình 9 và 10, ta nhận thấy là dưới tác dụng của lực kéo 60 KN ở đầu tấm FRP, ứng suất và biến dạng đã đều xuất hiện trên toàn bộ chiều dài của đoạn dính bám là 250mm. Một trong những yếu tố đảm bảo cho liên kết được làm việc bình thường là ứng suất và biến dạng tại điểm đầu liên kết phải trong giới hạn cho phép. Điều này sẽ dẫn tới một vấn đề cần nghiên cứu thêm, đó là chiều dài dính bám tối thiểu (Lmin) của liên kết.

Phương pháp phần tử hữu hạn sẽ giúp cho việc mô phỏng phân tích những dạng kết cấu có liên kết kiểu phức tạp như trên thêm dễ dàng và chi tiết.

6. Tài liệu tham khảo

1. Nguyen Phan Anh. Research on effects on temperature and sustained load on bond behavior of concrete structure strengthened with NSM FRPs. Doctoral thesis, 2012. Wuhan tecnology of university, Wuhan, China

2. Balaguru P, Nanni A etc. FRP conposites for reinforced and prestressed concrete structures: A Guide to Fundamentals and Design for repair and retrofit. Book, 2009.

3. Carolin A. Carbon fibre reinforced polymers for strengthening of structural elements. Doctoral thesis, 2003. Lulea University of technology.

4. ACI 440.2003. Guide for design and construction of concrete reinforced with FRP bars.

Nội dung đính kèm: download

Phòng Quản lý khoa học & Đào tạo sau đại học