Gia cường dầm bê tông cốt thép bằng vật liệu FRP được sử dụng từ những năm 1980 ở các nước có ngành công nghiệp xây dựng phát triển. Những năm gần đây, ở Việt Nam cũng đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ này. Các hệ FRP dùng gia cường khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép bằng cách bọc toàn bộ dầm, hoặc bọc một phần của dầm. Có thể bạn tự hỏi: kháng cắt là gì? Khả năng kháng cắt ở đây bạn có thể hiểu là khả năng dầm chống lại lực cắt, cái mà cốt đai của dầm đang gánh chịu phần nhiều.
Dán các sợi FRP vuông góc vết nứt cắt, giúp tăng thêm khả năng kháng cắt cho dầm. Cơ chế ở đây là các tấm FRP giúp đóng các vết nứt cắt lại. Hơn nữa, việc tăng khả năng kháng cắt của dầm lên quá mức thì dầm sẽ chuyển sang quá hoại uốn.
Phá hoại uốn là phá hoại dẻo, diễn ra có quá trình, có thể phát hiện và ứng phó được. Còn quá hoại cắt là phá hoại giòn, diễn ra đột ngột. Do đó kỹ sư thiết kế kết cấu luôn mong muốn dầm bê tông cốt thép đạt tới ngưỡi phá hoại uốn trước. Tôi đang nói là tính toán trên mặt lý thuyết, bạn đừng hiểu lầm nhé.
Sức kháng cắt được bổ sung bằng cách dán tấm FRP phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:
Yếu tố cường độ bê tông được biết là có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bám dính của tấm gia cường. Hàm lượng tấm gia cường được cho là tỉ lệ nghịch với biến dạng của tấm. Yếu tố cường độ chịu nén bê tông và hàm lượng tấm gia cường đến biến dạng tấm gia cường, hai yếu tố này cũng có ảnh hưởng tương tác.
Có ba loại FRP chính, được phân theo 3 loại sợi tạo nên FRP: sợi thủy tinh – GFRP, sợi carbon – CFRP, sợi armid- AFRP. Vật CFRP sợi carbon có cường độ cao nhất, cũng là loại đắt tiền.
Dán hệ FRP lên bề mặt dầm để tăng khả năng kháng cắt đã được áp dụng thành công ở nhiều nước, đặc biệt là gia cường cho các cây cầu.
Có ba dạng FRP được dán lên dầm để gia cường khả năng kháng cắt:
Kiểu dán này là phương pháp hiệu quả nhất. Hệ FRP được bọc hoàn toàn xung quanh cấu kiện bê tông. Khi dầm được đổ toàn khối với các cấu kiện khác, thì khó có thể có 4 mặt để dán. Phương pháp này phù hợp để gia cường cột bê tông cốt thép.
Kiểu dán này thường được sử dụng cho các trường hợp dầm đổ chung với sàn, chỉ có 3 mặt để dán tấm FRP
Trong Trường hợp này, hai mặt hông của dầm được dán tấm FRP.
Cả ba dạng FRP được sử dụng để gia cường kháng cắt cho dầm, nhưng các nghiên cứu cho thấy dạng bọc toàn bộ dầm là hiệu quả nhất, sau đó là đến dạng chữ U, ít hiệu quả nhất là dạng dán 2 mặt.
Các tấm FRP được dán như một tấm liên tục hoặc là các dải cách đều nhau. Nếu dán các dải thì khoảng cách tâm hai dải liền kề phải nhỏ hơn hoặc bằng: (d/4 + chiều rộng dải), với d: chiều cao tính toán của dầm.
Các số liệu của các nhà nghiên cứu thực nghiệm dưới đây sẽ bạn thấy mức độ hiệu quả của việc gia cường bàng FRP. Các số liệu được tôi trích dẫn từ các bài báo khoa học được đăng trên các tổ chức khoa học uy tín.
Hai nhà nghiên cứu Deniaud và Cheng (2001) đã thực nghiệm và chỉ ra rằng khả năng kháng cắt dầm gia cường tấm FRP tăng từ 77.4% đến 117.3% so với dầm không gia cường.
Carolin và Täljsten (2005) nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT gia cường tấm CFRP chịu lực cắt. Kết quả cho thấy, tấm CFRP giúp gia tăng đáng kể khả năng kháng cắt của dầm. Trong trường hợp dầm đã có các vết nứt trước, việc gia cường ngoài mục đích sửa chữa mà còn tăng khả năng chịu lực của dầm so với trước đây.
Dong và cộng sự (2013) đã khảo sát thực nghiệm trên 7 mẫu dầm. Kết quả cho thấy, khả năng kháng cắt của mẫu dầm gia cường tấm GFRP tăng 31% và tấm CFRP tăng 74%. Khả năng kháng cắt, độ cứng và độ dẻo dai của dầm tăng lên khi dầm có cường độ chịu nén bê tông lớn hơn.
Nghiên cứu Phan Trí Nhân (2013) cho thấy: Tấm gia cường FRP dạng U làm: tăng khả năng khả năng kháng cắt dầm từ 22% đến 51 % (dầm GFRP) và từ 40% đến 58 % (dầm CFRP) so với dầm đối chứng tương ứng; phục hồi đáng kể độ cứng của dầm, từ đó làm giảm chuyển vị dầm từ 26% đến 75 %. Sự gia tăng khả năng kháng cắt của dầm gia cường có xu hướng giảm khi gia tăng cường độ chịu nén bê tông dầm. Ngoài ra, tấm CFRP phát huy vai trò gia cường tốt hơn tấm GFRP trong trường hợp dầm có cường độ bê tông cao.
Cơ chế kháng cắt của dầm bê tông gia cường tấm FRP rất phức tạp. Hiện nay phương pháp phổ biến để tính khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP là thông qua sự chồng chất khả năng kháng cắt của bê tông Vc, đóng góp của cốt đai Vs, và đóng góp của tấm FRP.
Có nhiều mô hình dự đoán khả năng kháng cắt của tấm FRP dán bên ngoài dầm. Để cho việc thiết kế được dễ dàng, các nhà nghiên cứu giả định rằng vật liệu FRP dán bên ngoài ứng xử như cốt đai bên trong. Từ đó, hầu hết các mô hình tính khả năng kháng cắt của tấm FRP tương tự như cốt đai.
Hướng dẫn tính toán thiết kế dầm bê tông cốt thép gia cường bằng hệ FRP thì tiêu chuẩn xây dựng Viêt Nam chưa có, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn Mỹ ACI440.2R-08.
Mặc dù công nghệ gia cường dầm bê tông cốt thép bằng FRP còn mới ở Viêt Nam, nhưng tính hiệu quả và ưu việt của giải pháp này đã được chứng minh ở phòng thí nghiệm cũng như ngoài thực tế. Ngoài việc áp dụng gia cố dầm bê tông, vật liệu FRP còn áp dụng gia cố kết cấu cột bê tông và sàn bê tông và nhiều vị trí khác.
Bài viết này đề cập đến gia cường khả năng kháng cắt của dầm bê tông, các kiểu dán tấm FRP. Các kiểu dán khác nhau sẽ có hiệu quả khác nhau. Cách tốt nhất nhất vẫn là bọc toàn bộ dầm bê tông. Vì hầu hết các đầm bê tông cốt thép được đổ toàn khối với các cấu kiện như sàn, hoặc tường, do đó trong nhiều trường hợp, việc bọc toàn bộ dầm là không khả thi.
Bài viết này chỉ mang tính giới thiệu về các dạng gia cường kháng cắt cho dầm bằng FRP. Cách thức tính toán bạn có thể tham khảo tiêu chuẩn tính toán của Mỹ ACI440.2R-08.