Luận án tiến sĩ: Ứng xử uốn dầm bê tông ứng lực trước căng gia cường CFRP

Dầm bê tông ứng lực trước hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ứng suất trước. Cáp thép được căng với lực lớn trước khi đổ bê tông. Khi bê tông đạt cường độ yêu cầu, cáp được nhả ra. Lực căng trong cáp truyền vào bê tông, tạo ứng suất nén. Ứng suất nén này chống lại ứng suất kéo khi dầm chịu tải trọng. Kết quả là mô men kháng uốn tăng đáng kể. Phương pháp căng trước giúp kiểm soát tốt chất lượng thi công. Toàn bộ quá trình căng cáp thực hiện tại xưởng sản xuất. Điều này đảm bảo độ chính xác cao và giảm sai số.

Nhiều yếu tố đòi hỏi gia cường dầm bê tông ứng lực trước. Tải trọng sử dụng tăng cao hơn thiết kế ban đầu là nguyên nhân phổ biến. Thay đổi chức năng công trình dẫn đến tăng tải trọng tác dụng. Ăn mòn cốt thép làm giảm diện tích tiết diện chịu lực. Môi trường khắc nghiệt gây suy giảm vật liệu composite theo thời gian. Sai sót trong thiết kế hoặc thi công cũng yêu cầu gia cường. Độ võng dầm vượt quá giới hạn cho phép ảnh hưởng sử dụng. Gia cường giúp khôi phục và nâng cao khả năng chịu tải của dầm.

CFRP là vật liệu composite sợi carbon tiên tiến. Sợi carbon được ngâm tẩm trong nhựa epoxy tạo thành tấm composite. Vật liệu này có cường độ kéo rất cao, gấp nhiều lần thép thường. Trọng lượng nhẹ giúp giảm tải trọng bản thân kết cấu. Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong môi trường khắc nghiệt. Thi công đơn giản, nhanh chóng không cần thiết bị nặng. Độ bền cao giúp kéo dài tuổi thọ công trình. CFRP gia cường đã trở thành giải pháp hiệu quả trong xây dựng hiện đại.

Bề mặt bê tông cần được xử lý kỹ lưỡng trước khi dán CFRP. Làm sạch bụi bẩn, dầu mỡ và lớp bê tông yếu. Mài nhám bề mặt để tăng diện tích tiếp xúc. Độ nhám tối thiểu đảm bảo bám dính tốt giữa vật liệu. Sửa chữa các vết nứt, lỗ rỗng bằng vữa epoxy. Bề mặt phải khô ráo, độ ẩm dưới ngưỡng cho phép. Kiểm tra độ phẳng của bề mặt trước khi thi công. Chuẩn bị tốt bề mặt quyết định chất lượng liên kết.

Keo epoxy được trộn theo tỷ lệ chính xác của nhà sản xuất. Phủ một lớp keo mỏng đều lên bề mặt bê tông đã chuẩn bị. Đặt tấm CFRP lên vị trí thiết kế, ép chặt để loại bỏ bọt khí. Sử dụng con lăn chuyên dụng để keo thấm đều. Phủ thêm lớp keo bảo vệ bên ngoài tấm CFRP. Thời gian đông cứng keo phụ thuộc nhiệt độ môi trường. Kiểm tra chất lượng bám dính bằng thử nghiệm kéo. Thi công đúng kỹ thuật đảm bảo hiệu quả gia cường.

Kiểm tra nhiệt độ và độ ẩm môi trường trước thi công. Nhiệt độ thích hợp giúp keo epoxy đông cứng tốt. Đo độ dày lớp keo đảm bảo theo thiết kế. Kiểm tra vị trí, chiều dài tấm CFRP theo bản vẽ. Thử nghiệm bám dính bằng búa gõ hoặc thiết bị chuyên dụng. Ghi chép đầy đủ các thông số thi công. Bảo dưỡng trong thời gian keo đông cứng hoàn toàn. Kiểm soát chặt chẽ đảm bảo chất lượng công trình.

Giai đoạn I: Dầm làm việc đàn hồi, chưa có vết nứt xuất hiện. Ứng suất trong bê tông, thép và CFRP tăng tuyến tính. Giai đoạn II: Bê tông bắt đầu nứt ở vùng chịu kéo. Độ cứng dầm giảm, độ võng tăng nhanh hơn. Cốt thép và CFRP chịu phần lớn lực kéo. Giai đoạn III: Cốt thép chảy dẻo hoặc CFRP bóc tách. Khả năng chịu tải đạt giá trị lớn nhất. Độ võng tăng rất nhanh với tải trọng không đổi. Phá hoại xảy ra khi một trong các vật liệu đạt giới hạn.

Đường cong tải trọng - độ võng phản ánh ứng xử dầm. Giai đoạn đầu, đường cong gần như tuyến tính. Độ dốc lớn cho thấy độ cứng cao của dầm. Khi bê tông nứt, đường cong có điểm gãy rõ rệt. Độ dốc giảm đáng kể sau điểm nứt. Tải trọng tiếp tục tăng nhưng độ võng tăng nhanh. Dầm gia cường CFRP có khả năng chịu tải cao hơn. Độ võng tại phá hoại cũng tăng lên đáng kể. Đường cong này là cơ sở đánh giá hiệu quả gia cường.

Biến dạng trong tiết diện tuân theo giả thiết mặt phẳng. Biến dạng phân bố tuyến tính theo chiều cao dầm. Vùng trên chịu nén, biến dạng âm giảm dần. Vùng dưới chịu kéo, biến dạng dương tăng dần. Trục trung hòa di chuyển khi tải trọng thay đổi. Sau khi bê tông nứt, trục trung hòa dịch lên phía trên. CFRP ở đáy dầm có biến dạng lớn nhất. Đo biến dạng giúp kiểm chứng mô hình tính toán.

Đây là dạng phá hoại mong muốn trong thiết kế. Cốt thép đạt giới hạn chảy trước khi CFRP bóc tách. Dầm có độ võng lớn, cảnh báo rõ ràng. Vết nứt phát triển rộng ở vùng giữa nhịp. Khả năng chịu tải tăng nhẹ sau khi thép chảy. CFRP tiếp tục làm việc, chịu thêm lực kéo. Phá hoại cuối cùng do CFRP đứt hoặc bóc tách. Dạng này đảm bảo an toàn cao cho kết cấu.

Bóc tách CFRP là dạng phá hoại nguy hiểm. Xảy ra đột ngột không có cảnh báo trước. Lớp keo hoặc bê tông bề mặt bị tách ra. Nguyên nhân do ứng suất cắt vượt quá sức kháng bám dính. Vị trí bóc tách thường ở đầu tấm CFRP. Có thể xảy ra ở giữa nhịp nếu có vết nứt lớn. Bóc tách làm mất đột ngột khả năng chịu tải. Cần neo chặt đầu tấm để ngăn ngừa.

Phá hoại nén xảy ra khi bê tông đạt biến dạng giới hạn. Thường xảy ra với dầm có hàm lượng cốt thép cao. CFRP quá nhiều lớp cũng dẫn đến phá hoại nén. Bê tông vùng nén bị nghiền vỡ, bong tróc. Dạng phá hoại này rất nguy hiểm, xảy ra đột ngột. Không có cảnh báo do biến dạng nén nhỏ. Cần hạn chế hàm lượng cốt thép và CFRP. Thiết kế cân bằng giúp tránh phá hoại nén.

ACI 440 quy định chi tiết thiết kế gia cường FRP. Biến dạng giới hạn CFRP lấy bằng 0.7 lần biến dạng đứt. Hệ số này đảm bảo an toàn chống bóc tách. Tính chiều cao vùng nén từ cân bằng lực. Mô men kháng uốn tính từ ngẫu lực nội. Kiểm tra điều kiện hàm lượng cốt thép tối thiểu. Kiểm tra khả năng chống cắt tại đầu tấm CFRP. Tiêu chuẩn này được áp dụng rộng rãi tại Mỹ.

CNR-DT 200 là tiêu chuẩn của Ý về gia cường FRP. Mô hình tính toán tương tự ACI nhưng chi tiết hơn. Biến dạng giới hạn CFRP phụ thuộc chiều dài bám dính. Công thức tính xét đến ứng suất cắt liên kết. Hệ số giảm khả năng chịu lực theo môi trường. Kiểm tra nhiều dạng phá hoại khác nhau. Tiêu chuẩn này phù hợp với điều kiện châu Âu. Kết quả tính toán thường an toàn hơn ACI.

Bám dính giữa CFRP và bê tông rất quan trọng. Nhiều mô hình bám dính đã được đề xuất. Mô hình hai tuyến tính đơn giản, dễ áp dụng. Giai đoạn đàn hồi có độ cứng cao. Giai đoạn mềm hóa, ứng suất giảm dần. Mô hình phi tuyến chính xác hơn nhưng phức tạp. Thí nghiệm kéo trực tiếp xác định thông số. Mô hình bám dính ảnh hưởng lớn đến kết quả mô phỏng số.

Mẫu thí nghiệm bám dính gồm khối bê tông và tấm CFRP. Tấm CFRP được dán lên bề mặt khối bê tông. Lực kéo tác dụng lên đầu tự do của tấm. Đo lực kéo và chuyển vị trượt tương đối. Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại bám dính. Quan sát vị trí và dạng phá hoại. Phá hoại có thể ở lớp keo, bê tông bề mặt, hoặc trong CFRP. Kết quả xây dựng đường cong ứng suất - trượt.

Mẫu dầm thiết kế theo tỷ lệ thu nhỏ công trình thực. Chiều dài, tiết diện, hàm lượng cốt thép theo tính toán. Cáp ứng lực trước được căng với lực thiết kế. Một số dầm không gia cường làm mẫu đối chứng. Các dầm khác gia cường với số lớp CFRP khác nhau. Gia cường thực hiện khi dầm đang chịu tải trọng. Mô phỏng điều kiện gia cường thực tế. Tổng cộng chế tạo nhiều mẫu để so sánh.

Dầm được đặt lên gối tựa theo sơ đồ tính toán. Bố trí các thiết bị đo độ võng tại các vị trí. Dán đồng hồ đo biến dạng lên bê tông, thép, CFRP. Tải trọng tác dụng từ từ theo từng cấp. Ghi nhận số liệu tại mỗi cấp tải. Quan sát và đánh dấu vết nứt xuất hiện. Tăng tải đến khi dầm phá hoại hoàn toàn. Ghi nhận dạng phá hoại và tải trọng phá hoại. Phân tích số liệu sau thí nghiệm.

Bê tông sử dụng phần tử SOLID65 có khả năng nứt và nghiền. Mô hình vật liệu bê tông theo Willam-Warnke. Cốt thép và cáp dùng phần tử LINK180. Mô hình đàn dẻo hai tuyến tính cho thép. CFRP sử dụng phần tử SHELL181 hoặc SOLID185. Mô hình đàn hồi tuyến tính cho CFRP. Liên kết CFRP - bê tông dùng phần tử CONTA174 và TARGE170. Mô hình bám dính theo kết quả thí nghiệm.

Mô phỏng chia làm nhiều bước tải. Bước 1: Tạo ứng suất trước trong cáp. Bước 2: Kích hoạt trọng lượng bản thân dầm. Bước 3: Đặt tải trọng ban đầu lên dầm. Bước 4: Kích hoạt phần tử CFRP, mô phỏng gia cường. Bước 5: Tăng tải trọng đến khi phá hoại. Mỗi bước giải phi tuyến với nhiều bước lặp. Kiểm tra hội tụ nghiệm tại mỗi bước. Phương pháp này mô phỏng chính xác thực tế.

So sánh đường cong tải - độ võng với thực nghiệm. Kiểm tra tải trọng phá hoại và dạng phá hoại. Sai số dưới 10% được chấp nhận. Sau khi kiểm chứng, khảo sát các thông số. Thay đổi số lớp CFRP, hàm lượng cốt thép. Thay đổi cường độ bê tông, vị trí cáp. Thay đổi tải trọng tại thời điểm gia cường. Kết quả khảo sát đưa ra khuyến nghị thiết kế.