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.

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.

Glass FRP

Thép

Carbon FRP1000

500

0.015 0.03

Biến dạng

Ứn

g s

uấ

t (M

Pa)

0

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

số

Mặt cắt

(cm2)

Cốt

dọc Cốt đai

Bề dày

BT bảo vệ Số lớp gia

cường

D01 15x25 414 6/120mm 20mm -

D02 15x25 414 6/120mm 20mm 1

D03 15x25 414 6/120mm 20mm 2

D04 15x25 414 6/120mm 20mm 3

D05 15x25 414 6/120mm 20mm 4

D06 15x25 414 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.

50

64

80 78

100104

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6

Kh

ôn

g

gia

cư

ờn

g

1 l

ớp

tăn

g t

ải 2

8%

2 l

ớp

tăn

g t

ải 6

0%

3 l

ớp

tăn

g t

ải 5

6%

4 l

ớp

tăn

g t

ải 1

00

%

5 l

ớp

tăn

g t

ải 1

08

%

Sự gia tăng sức chịu tải (%) so với mẫu không gia cường

Tải

trọ

ng

tớ

i h

ạn (

kN

)

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.

350mm

26

0m

m

Gối di động

1000mm

60

0m

m

CV

Điểm truyền tải

6/1

50

mm

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

và bê tông bắt đầu bị phá vỡVết nứt bị mở rộng

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).

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

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40

Tải

trọ

ng (

kN

)

Chuyển vị tại giữa tấm (mm)

Bản B01 (không gia cường)

Bản B02 (gia cường 2 lớp)

Bản B03 (gia cường 2 lớp)

Bản B04 (gia cường 2 lớp)

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.

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

Mặt trên (nén) Mặt dưới (kéo)

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 kg = 0,77 ∙ (a/Le)0,26 và aL =

√(1−√ρl)

ρl∙ d ∙ L3

4như sau:

Vcm = 0,2kg(1 + √200/d) ∙ (3d

aL)1/3

(100ρlfck)1/3 ∙ bd (3.7)

hoặc (3.8) cho trường hợp rút gọnvới kg2 = (d/Le)0,26 ≈ √d/Le

4.

16

Vcm = 0,2kg2(1 + √200/d) ∙ (100ρlfck)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 =

Vtn/Vtt 1,031 1,020 1,000

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:

Vcd = 0,1 ∙ √d/Le4 ∙ (1 + √

200

d) ∙ (100ρlfck)

1

3 ∙ bd (3.10)

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.

19

4.3 Công trình cống Liệt Sơn

Trong phần này trình bày nội dung gia cường và kết quả kiểm tra

thực nghiệm của công trình cống Liệt Sơn thuộc tỉnh Quảng Ngãi do

nghiên cứu sinh trực tiếp thực hiện.

4.3.1 Hiện trạng về công trình cống Liệt Sơn

Cống Liệt Sơn là cống dưới đập với kết cấu dạng hộp bằng BTCT

có khẩu diện b x h = 1,2m x 1,6m. Cống có chiều dày mặt trên, thành

và mặt dưới đều là 0,4m. Cốt thép dọc và ngang có đường kính

D14mm với khoảng cách a = 20cm được bố trí 2 lớp, chiều dày bê

tông bảo vệ c = 5cm. Cống có chiều dài 159m. Cống chảy không áp

với lưu lượng thiết kế Q = 4,7m3/s. Cao trình ngưỡng là +21,0m. Tại

thời điểm khảo sát, mực nước hồ có cao trình là +24,3m. Về hiện

trạng thân cống: Đoạn sau cửa van: toàn bộ bê tông bị bào mòn 1-3

cm, có chỗ lộ cốt thép; Hầu hết các đoạn cống, phần thành cống và

trần có nhiều điểm bị thấm nước từ ngoài vào làm rỉ cốt thép, tạo ra

những đụn rỉ sắt; Đánh giá chung cho thấy thân cống lấy nước đã bị

xuống cấp; bê tông thân cống đã bị suy giảm cường độ, rất nhiều vị

trí bê tông bị rỗ ở thành cống và vị trí tiếp giáp với trần cống.

4.3.2 Tính toán gia cường kết cấu cống

Trên cơ sở hiện trạng cống như trên, công nghệ bọc phủ vật liệu

composite cường độ cao có thể ứng dụng để sửa chữa những hư hỏng

trên của cống lấy nước hồ chứa Liệt Sơn. Sử dụng vật liệu keo dán

có khả năng đông rắn nhanh trong môi trường ẩm ướt cũng như bám

dính tốt với bê tông, chịu được áp lực cao, tăng cường độ chịu lực và

chống thấm tốt cho bê tông thân cống, thời gian thi công nhanh. Để

đánh giá chính xác ứng xử của kết cấu cống BTCT trước và sau khi

gia cường, trong nghiên cứu này sử dụng chương trình phân tích

PTHH phi tuyến ATENA. Do đặc tính hình học dạng dải, việc tính

toán thông qua mô phỏng số được thực hiện với mô hình hai chiều.

4.3.3 Kết quả tính toán

4.3.3.1 Kết cấu trước khi gia cường

Dưới tác dụng của các tải trọng, kết cấu cống trước khi gia cường

có các vết nứt ở bên trong hai thành cống và ở mặt trên, dưới thành

cống tại vị trí tiếp giáp với thành cống. Các vết này có bề rộng lớn

nhất tại vị trí giữa thành cống với giá trị là 0,043mm và chiều sâu

khoảng 150mm. Ứng suất tính toán lớn nhất trong cốt thép tại vị trí

vết nứt là 83,4 MPa. Giá trị này vẫn còn nhỏ hơn so với giới hạn

chảy của cốt thép. Kết cấu chưa bị phá hoại do cả cốt thép và bê

20

tông. Vết nứt vẫn nằm trong giới hạn cho phép (nhỏ hơn 8 lần so với

giá trị giới hạn là 0,3mm). Tuy nhiên, dưới tác dụng xâm thực của

môi trường, bề rộng vết nứt có thể gia tăng do sự hoen rỉ của cốt thép

gây trương phồng lớp bê tông bảo vệ. Do vậy cần thiết phải hạn chế

sự mở rộng vết nứt cũng như ngăn chặn sự tiếp xúc của nước tới cốt

thép trong bê tông thành cống.

4.3.3.2 Kết cấu sau khi gia cường

Với sự tham gia chịu lực của lớp gia cường, bề rộng vết nứt đã

giảm đáng kể xuống còn 0,01mm. Nghĩa là giảm với hệ số 4 lần so

với kết quả tính toán bề rộng vết nứt trước khi gia cường (0,043mm).

Giá trị bề rộng vết nứt lớn nhất này thực sự rất nhỏ và không gây ảnh

hưởng gì bất lợi tới sức chịu tải cũng như độ bền của cốt thép và có

khả năng ngăn được sự xâm thực của môi trường.

4.3.4 Đánh giá sức chịu tải của kết cấu sau khi gia cường

Bố trí các điểm đo biến dạng ở các mặt cắt cống khi gia cường;

tiến hành đo đạc và kiểm tra tại hiện trường ở thời điểm gia cường và

1 tháng sau khi thực hiện việc gia cường (mực nước hồ tăng lên ở

cao trình +30,0m và chênh so với thời điểm lúc gia cường là +24,3

tương ứng với 5,7m).Việc gia cường cho thấy chất lượng gia cường

tốt; Không còn hiện tượng rò nước; Dính bám giữa bê tông và lớp

vật liệu gia cường chặt chẽ; Kết cấu cống khai thác bình thường.

Kết quả đo được so sánh với kết quả tính theo phương pháp số.

Kết quả đo bằng khoảng 32% đến 40% kết quả tính. Tuy có sự chênh

lệch cao nhưng kết quả đo ổn định một cách tương đối so với kết quả

tính.Một trong những lý do có sự chênh lệch này là kết quả tính dựa

vào cường độ bê tông đo bằng súng bật nảy đối với lớp bê tông bề

mặt của cấu kiện. Theo đó, giá trị này khá nhỏ (giá trị trung bình xấp

xỉ là 8 MPa). Trong thực tế, cường độ bê tông ở các lớp trong, nơi

chưa có sự xâm thực của môi trường, có thể cao hơn nhiều. Do vậy,

kết cấu thực tế có độ cứng lớn hơn so với mô hình tính toán. Có thể

nói, mô hình tính toán cho kết quả thiên về an toàn.

Những kết quả bước đầu cho thấy việc sử dụng phương pháp dán

lớp vật liệu composite cường độ cao trong gia cường công trình

cống, trong môi trường ẩm ướt là khả thi và có nhiều tiềm năng. Tuy

vậy, kết cấu gia cường cần tiếp tục theo dõi và kiểm tra thường

xuyên để đánh giá được chính xác hơn độ bền theo thời gian của kết

cấu cũng như keo dán.

21

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Kết luận

Các kết quả nghiên cứu được trình bày ở các chương trước của

luận án đã làm rõ được các vấn đề nghiên cứu đặt ra và rút ra được

các kết luận sau:

(a) Về ứng xử chịu tải của kết cấu sau khi gia cường:

Kết cấu gia cường có sự phân bố lại nội lực, ứng suất và biến

dạng khi chịu tải trong đó khả năng chịu nén của bê tông được huy

động, thể hiện chiều cao vùng bê tông chịu nén có xu hướng gia

tăng; vật liệu gia cường san sẻ lực kéo cùng với cốt thép chịu kéo

trong cấu kiện bê tông; ở trạng thái giới hạn, lớp bê tông bảo vệ có

thể bị bóc tách dọc theo cốt thép, cũng như xuất hiện các vết nứt xiên

ở khu vực cuối của đoạn gia cường.

(b) Về khả năng chống thấm, độ bền lớp kết dính giữa bê tông và vật

liệu gia cường trong điều kiện môi trường ẩm ướt:

Kết quả khảo sát thực nghiệm thông qua cống lấy nước hồ chứa

Liệt Sơn cho thấy sau nhiều tháng kể từ khi thi công gia cường, công

trình không xuất hiện các vết thấm nước như trước đây. Quá trình thi

công trong điều kiện môi trường ẩm ướt. Kết quả cho thấy liên kết

giữa lớp gia cường và bề mặt kết cấu bê tông rất tốt.

(c) Về hiệu quả của phương pháp gia cường:

Kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm vật lý mà nghiên cứu sinh

thực hiện cho thấy sức kháng của kết cấu (bản mỏng) có thể gia tăng

gấp 3 lần (300%) so với sức kháng khi chưa gia cường. Đối với cấu

kiện dầm, sức kháng cũng có thể gia tăng tới 2 lần, tùy theo mức độ

gia cường.

(d) Về khả năng ứng dụng của phương pháp đối với CTTL:

Với tính năng vật liệu gia cường và đặc biệt là keo dính giữa lớp

bê tông và tấm composite có thể thi công trong điều kiện độ ẩm cao

(tới 100%), phương pháp gia cường này hoàn toàn thích hợp cho các

CTTL bằng BTCT. Ngoài ra, CTTL vốn chịu hoạt tải khá lớn (ví dụ

như tải trọng nước trong cầu máng), hay nói cách khác có biên độ

dao động lớn của tải trọng, nên vật liệu gia cường có điều kiện phát

huy cao khả năng chịu hoạt tải, dẫn tới tăng hiệu quả của giải pháp

gia cường. Ví dụ, hoạt tải của công trình cầu giao thông chiếm

22

khoảng 30% tổng tải trọng, trong khi hoạt tải của cầu máng có thể

chiếm tới 60% tổng tải trọng.

(e) Về ảnh hưởng của cường độ bê tông đến hiệu quả gia cường về

mặt sức kháng:

Cường độ bê tông có ảnh hưởng tương đối tới hiệu quả gia cường.

Nếu bê tông trong kết cấu có cường độ cao thì tiềm năng khai thác

vùng bê tông chịu nén là cao dẫn tới sức chịu tải của kết cấu sau gia

cường được tăng lên đáng kể.

(f) Về ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép đến hiệu quả gia cường về

mặt sức kháng:

Đối với kết cấu có hàm lượng cốt thép thấp (ví dụ 0,5%) thì hiệu

quả của phương pháp gia cường là rất lớn, vì có thể cho phép sử

dụng lượng lớn vật liệu gia cường trong vùng chịu kéo mà vẫn đảm

bảo vùng nén của bê tông không bị phá hoại. Nếu hàm lượng cốt

thép chịu kéo lớn hơn 2% thì hiệu quả của việc gia cường thấp. Luận

án kiến nghị chỉ sử dụng phương pháp đối với kết cấu có hàm lượng

cốt thép nhỏ hơn 2%.

(g) Về ảnh hưởng của bề dày lớp bê tông bảo vệ đến hiệu quả gia

cường về mặt sức kháng:

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ có ảnh hưởng ở mức nhỏ (đối với

dầm có chiều cao 250mm như luận án đã khảo sát thì mức độ ảnh

hưởng khoảng 6%) đến sức kháng của kết cấu. Theo đó, khi chiều

dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ thì sức kháng của kết cấu gia cường có

xu hướng tăng, vì lúc này trọng tâm của vật liệu chịu kéo (cốt thép

chịu kéo trong bê tông và lớp gia cường) nằm xa hơn so với vị trí

trục trung hòa.

(h) Về khả năng gia cường sức kháng cắt cho bản BTCT không cốt

đai:

Đối với các bản bê tông mỏng không thể bố trí cốt đai chịu lực cắt

thì lớp vật liệu gia cường composite có thể kết hợp với cốt thép dọc

chịu kéo nâng cao khả năng chịu lực cắt. Luận án đã nghiên cứu ảnh

hưởng của đoạn không gia cường tới khả năng chịu cắt của cấu kiện

BTCT và xây dựng được một công thức tính toán sức kháng cắt có

xét tới khoảng cách đoạn không gia cường (công thức 3.10). Đánh

giá thông qua các kết quả thí nghiệm từ tài liệu tham khảo, công thức

mới cho độ chính xác tốt hơn so với công thức đã có; cách tính đơn

giản, nhanh gọn, giúp cho các kỹ sư thiết kế quyết định phương án

gia cường nhanh chóng tại hiện trường.

23

(i) Về việc lựa chọn bao nhiêu lớp vật liệu cho việc gia cường:

Do tấm vật liệu composite có độ cứng theo hai phương chính là

khác nhau (không đẳng hướng) nên việc gia cường thực sự chỉ có

hiệu quả khi phương chịu lực chính của tấm sợi được dán theo

phương gây biến dạng lớn (gây nứt) trong kết cấu. Kiến nghị cố gắng

chọn số lớp vật liệu ít nhất có thể (tối đa là 3) và ưu tiên là 1, bằng

cách lựa chọn độ dày thích hợp của tấm và loại vật liệu (cốt sợi các

bon). Do mô đun đàn hồi lớn nên cốt sợi các bon có thể có hiệu quả

cao hơn so với cốt sợi thủy tinh mặc dù giá thành đắt hơn. Để đạt

được hiệu quả kinh tế tối ưu cần phân tích độ cứng yêu cầu của lớp

gia cường cho từng bài toán cụ thể.

(j) Về sử dụng phương pháp PTHH có phản ánh được ứng xử của kết

cấu BTCT trước và sau khi gia cường bằng phương pháp dán tấm

vật liệu composite ?

Kết quả mô phỏng và phân tích PTHH được trình bày trong luận

án cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp PTHH được cài

đặt trong một số phần mềm chuyên dụng trong việc tính toán gia

cường kết cấu với độ tin cậy cao. Kiến nghị sử dụng phân tích phi

tuyến vật liệu trong việc mô phỏng và tính toán kết cấu.

Ngoài các kết quả nghiên cứu được trình bày ở trên, luận án còn

làm rõ được những điểm quan trọng phục vụ công tác gia cường kết

cấu BTCT trong CTTL như sau:

1) Trong công tác phân tích kết cấu cũ để đánh giá trạng thái

làm việc cũng như sức chịu tải làm cơ sở cho việc quyết định mức độ

gia cường, phương pháp PTHH với mô hình phi tuyến vật liệu là

công cụ hiệu quả cho việc phân tích tính toán này. Tuy nhiên,

phương pháp này đòi hỏi sự hiểu biết sâu về phương pháp tính nói

chung, phương pháp PTHH nói riêng cũng như về ứng xử vật liệu

BTCT. Việc lựa chọn phần mềm phân tích cũng đóng một vai trò

quan trọng cho chất lượng phân tích kết cấu.

2) Công trình được gia cường bằng phương pháp dán tấm

composite cần được phân tích đánh giá theo các giai đoạn thi công,

nhằm phản ánh đúng trạng thái làm việc của kết cấu tương ứng với

các tải trọng tác động. Trên cơ sở đó hiệu quả của việc tính toán gia

cường đạt được cao hơn. Kết cấu gia cường chỉ tham gia chịu lực

dưới tác dụng của tải trọng xảy ra sau khi kết thúc công tác gia

cường. Tải trọng bản thân của kết cấu, cũng như tải trọng đã được

24

phân bố trong kết cấu tại thời điểm gia cường sẽ không gây ra nội lực

trong lớp vật liệu gia cường.

3) Việc tính toán theo giai đoạn thi công đặc biệt quan trọng

trong trường hợp kết cấu có ứng xử phi tuyến trước thời điểm gia

cường. Ví dụ, việc xuất hiện các vết nứt trong kết cấu. Khi đó, cần

thiết phải tính toán kết cấu theo mô hình phi tuyến.

4) Khi kết cấu CTTL cần gia cường để đảm bảo điều kiện độ

bền khai thác, như chống thấm, chống bào mòn, xâm thực, thì nên sử

dụng vật liệu gia cường cốt sợi thủy tinh cũng như aramid. Với việc

lựa chọn này sẽ đem lại hiệu quả kinh tế hơn so với việc sử dụng vật

liệu cốt sợi các bon.

5) Đối với CTTL lộ thiên chịu uốn với biến dạng uốn lớn, ví dụ

như cầu máng dẫn nước, dầm sàn trạm bơm tưới tiêu,... nên sử dụng

vật liệu gia cường có mô đun đàn hồi lớn (cụ thể là vật liệu cốt sợi

các bon) để gia cường sức kháng uốn và cắt.

Các kết quả trên có giá trị tham khảo tốt không chỉ cho nghiên

cứu, thiết kế mà còn cho giúp cho quản lý hiệu quả về mặt kỹ thuật

và kinh tế trong công tác sửa chữa, phục hồi và duy trì sự làm việc

bình thường của kết cấu BTCT bằng vật liệu tấm composite cường

độ cao.

II. Kiến nghị

Các kết quả khảo sát phân tích thực nghiệm và mô phỏng số trong

phạm vi đề tài luận án này là nền tảng quan trọng trong việc phát

triển qui trình sửa chữa gia cường CTTL bê tông cốt thép bằng

phương pháp dán tấm composite cường độ cao; ngoài việc xác định

sức chịu tải của kết cấu sau khi gia cường cần xây dựng các công

thức tính toán sức kháng thiết kế có xét các hệ số an toàn. Lý thuyết

độ tin cậy đóng vai trò quan trọng trong công tác này.

Việc kiểm chứng hiệu quả của phương pháp trên cơ sở phân tích

lý thuyết và thực nghiệm trong phạm vi luận án này cũng cần được

đánh giá thêm thông qua một số dự án gia cường công trình thực tế,

đặc biệt là các công trình kết cấu lớn, điển hình trong CTTL. Các kết

quả thu được sẽ đóng góp quan trọng trong việc khẳng định lý thuyết

cũng như lựa chọn các hệ số an toàn một cách phù hợp nhất.

25

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

[1] Nguyễn Chí Thanh: Nghiên cứu thực nghiệm sức chịu tải của

dầm bê tông cốt thép chịu uốn gia cường bằng tấm composite, Tạp

chí Người Xây Dựng, số 238, tháng 8, năm 2011.

[2] Nguyễn Chí Thanh: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của

bản bê tông cốt thép gia cường bằng tấm composite, Tạp chí Khoa

học kỹ thuật thủy lợi và môi trường, số 34, tháng 9, năm 2011.

[3] Nguyễn Chí Thanh, nnk: Khảo sát số sức kháng uốn của mặt

cắt bê tông cốt thép gia cường bằng tấm composite, Tạp chí Tài

nguyên nước, Số 04, 2014.

[4] Nguyễn Chí Thanh: Khảo sát ứng xử kết cấu cống bê tông

cốt thép trước và sau khi gia cường bằng tấm vật liệu cốt sợi tổng

hợp (FRP), Tạp chí Tài nguyên nước, Số 01, 2016.