Phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) sử dụng vật liệu composite cốt sợi carbon (CFRP) ứng suất trước đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều năm qua. Phương pháp này cho phép vật liệu composite phát huy tối đa khả năng làm việc của nó trong việc nâng cao cường độ, giảm độ võng, hạn chế và giảm bề rộng vết nứt. Kết quả thực nghiệm cho thấy sức kháng uốn của dầm gia cường theo phương pháp này tăng hơn 2 lần so với dầm không gia cường và tăng gần 1,2 lần so với dầm gia cường không tạo ứng suất trước trong tấm CFRP.
Phương pháp sử dụng vật liệu composite dạng sợi gốc polyme (fiber reinforced polymer, viết tắt là FRP) để gia cường và sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới từ hơn hai thập kỷ qua [1–5]. Vật liệu composite gốc polyme với những đặc tính cơ lý như cường độ cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn, không có từ tính, chịu mỏi tốt đã tỏ ra là một loại vật liệu rất tiềm năng trong việc gia cường kết cấu.
Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của dầm thí nghiệm
Những kết quả nghiên cứu đã được công bố chỉ rõ rằng phương pháp này góp phần nâng cao khả năng chịu uốn, chịu cắt, khả năng chịu mỏi cũng như hiệu quả khai thác của kết cấu [6–9]. Vật liệu composite gốc polyme có thể bao gồm sợi carbon (CFRP), sợi thủy tinh (GFRP) hay sợi aramid (AFRP), trong số này thì vật liệu composite sợi carbon do có các đặc tính tốt hơn nên được sử dụng rất phổ biến làm vật liệu gia cường kết cấu [10].
Tuy nhiên một số nghiên cứu đã chỉ ra phương pháp sử dụng sợi composite này có một hạn chế là không phát huy hết khả năng làm việc của vật liệu composite [11–13]. Triantafillow [14] đã chỉ ra rằng khi sử dụng vật liệu composite để gia cường kết cấu, ứng suất trong cốt thép dọc đạt đến giới hạn chảy thì ứng suất trong vật liệu composite mới đạt 20% cường độ giới hạn của nó, điều này làm cho vật liệu composite không phát huy tối đa khả năng làm việc của nó trong việc nâng cao cường độ và giảm biến dạng và vết nứt.
Từ đó, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng gia cường kết cấu sử dụng vật liệu composite sẽ phát huy hiệu quả hơn nhiều nếu nó được tạo ứng suất trước trong vật liệu composite [15–17]. Nội dung của phương pháp này là tạo ra một lực căng trước trong vật liệu composite trước khi nó được dán vào bề mặt bê tông của dầm gia cường bằng keo epoxy. Sau khi lớp keo đông cứng thì vật liệu composite cùng làm việc với dầm, lực căng trước sẽ truyền vào dầm bê tông và tạo ra một ứng suất nén trước tại thớ dưới của dầm từ đó giúp cho dầm gia cường nâng cao khả năng chịu lực, giảm độ võng và vết nứt.
Ngoài ra, việc tạo ứng suất trước cho vật liệu composite còn có tác dụng trong việc cải thiện sự dính bám giữa vật liệu composite và bề mặt bê tông. Ngày nay phương pháp gia cường kết cấu sử dụng vật liệu composte ứng suất trước được áp dụng rất rộng rãi trong nhiều kết cấu như dầm cầu, sàn bê tông [18–20].
Có 3 cách thường được sử dụng để tạo ra lực căng trước trong vật liệu composite: (i) lực căng trước thu được bằng cách tạo độ vồng ngược cho dầm, (ii) lực căng trước sẽ được truyền trực tiếp vào vật liệu composite nhờ các hệ khung truyền lực ngoài và (iii) lực căng trước được tạo bởi kích. Trong các phương pháp trên thì phương pháp thứ hai được sử dụng phổ biến nhất.
Rất nhiều các hệ căng trước cho vật liệu composite phát triển bới các nhà nghiên cứu đã được công bố như You et al. [11], Woo et al. [13], Xue et al. [17], Piyong Yu et al. [21]. Hiện nay, nhiều hãng sản xuất đã chế tạo và thương mại hóa các bộ thiết bị căng và neo cho tấm CFRP ứng suất trước và đã được sử dụng rất nhiều ở các nước trên thế giới như Sika tresshead [22], Sika Leoba [22], S&P FRP systems [23].
Nhờ các bộ thiết bị này mà việc căng kéo tấm CFRP được tiến hành khá thuận lợi và nhanh chóng trong việc gia cường cho các hệ kết cấu nói chung như dầm, sàn hay cột. Ở nước ta, thực tế trong những năm gần đây nhu cầu sử dụng các loại vật liệu composite gốc polyme trong gia cường kết cấu ngày một tăng lên tuy nhiên do một số khó khăn nhất định nên việc áp dụng chưa phổ biến. Bên cạnh đó các nghiên cứu về lý thuyết tính toán và đặc biệt là thực nghiệm về loại vật liệu này còn rất hạn chế [24–27].
Trong bài báo này, một chương trình thí nghiệm gia cường dầm BTCT sử dụng tấm CFRP ứng suất trước được đề xuất. Bên cạnh đó, một hệ thống khung căng bằng thép cũng được phát triển để căng kéo vật liệu composite và kiểm soát lực căng trong quá trình căng kéo. Ảnh hưởng của ứng lực trước đối với hiệu quả của phương pháp gia cường cũng được đánh giá thông qua thí nghiệm uốn. Kết quả nghiên cứu chỉ rõ được sự làm việc của dầm gia cường bằng vật liệu FRP nói chung và FRP ứng suất trước nói riêng, góp phần tăng tính ứng dụng loại vật liệu composite gốc polyme với nhiều hình thức khác nhau trong thực tiễn.
Xem chi tiết Bài nghiên cứu TẠI ĐÂY:
Buildata
