Nội dung

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. Ứng suất (MPa) 1000 Carbon FRP Glass FRP Thép 500 0 0.015 0.03 Biến dạng 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. 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