Đánh giá khả năng chịu động đất của khung bê tông cốt thép gia cường bằng FRP

Đánh giá khả năng chịu động đất của khung có gia cường bằng cách so sánh với khung không gia cường dựa vào chỉ số hư hại và các tham số thể hiện độ mạnh của các trận động đất như PGA, VS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LÊ VĂN HÂN

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU ĐỘNG ĐẤT CỦA KHUNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG BẰNG FRP

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dụng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS CAO VĂN VUI

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN MINH LONG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS LÊ TRUNG KIÊN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 11 tháng 01 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: PGS.TS Ngô Hữu Cường

2 Thư ký: TS Trần Tuấn Kiệt

3 Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Minh Long

4 Phản biện 2: TS Lê Trung Kiên

5 Ủy viện: TS Hồ Hữu Chỉnh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

1

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÊ VĂN HÂN

Ngày, tháng, năm sinh: 25/06/1989

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dụng công trình dân dụng và công nghiệp MN: 60 58 02 08

I TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá khả năng chịu động đất của khung bê tông cốt thép gia cường bằng FRP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Phân tích mô men - góc xoay phi tuyến của bê tông cốt thép

2 Mô hình hóa khung BTCT có và không có FRP gia cường sử dụng phần tử phi tuyến LINK ứng xử trễ theo mô hình Takeda

3 Phân tích lịch sử thời gian phi tuyến của khung BTCT có và không có FRP gia cường chịu các mức độ động đất khác nhau

4 Tính chỉ số hư hại của khung BTCT có và không có FRP gia cường chịu các trận động đất trên

5 Đánh giá khả năng chịu động đất của khung có gia cường bằng cách so sánh với khung không gia cường dựa vào chỉ số hư hại và các tham số thể hiện độ mạnh của các trận động đất như PGA, VSI, HI

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Tp.HCM, ngày tháng năm 2017

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

TS CAO VĂN VUI

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MSHV: 7140150 Nơi sinh: Bình Định

04/07/ 2016 04/12/2016

TS CAO VĂN VUI

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

11

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong nội dung khóa học của chuyên ngành, nhằm trang bị cho các học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách đặt vấn đề nghiên cứu, biết cách giải quyết các vấn đề gặp phải trong thục tế xây dụng hiện tại, Đó là trách nhiệm và là nhiệm vụ của mỗi học viên cao học

Để có thể hoàn thành được luận văn này, ngoài nỗ lực của bản thân còn có sự giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình, bạn bè và tập thể Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu xắc sự giúp đỡ của Thầy TS Cao Văn Vui Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để tôi hình thành nên ý tưởng

đề tài và Thầy đã góp ý cho tôi rất nhiều về hướng nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận hướng nghiên cứu đúng đắn nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của quý Thầy Cô Khoa kỹ thuật xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền đạt những kiến thức quý giá cho tôi, đó là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp sau này của tôi Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể để đã luôn ủng hộ, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn để tôi hoàn thành Luận vãn và bổ sung những kiến thức chuyên ngành, hoàn thiện bản thân mình hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

Lê Văn Hân

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng vật liệu sợi thủy tinh (GFRP) để gia cường nhằm tăng khả năng kháng chấn cho khung BTCT Khung BTCT 5 tầng 3 nhịp và khung 8 tầng 3 nhịp có gia cường GFRP và không gia cường được chọn và phân tích phi tuyến theo thời gian dưới tác dụng của các trận động đất khác nhau Khung được mô hình trong SAP2000 bằng phần tử phi tuyến LINK ứng xử trễ theo mô hình Takeda Sau đó, mức độ hư hại của khung BTCT được phân tích Ket quả phân tích cho thấy tác dụng của việc kháng nở hông do GFRP làm tăng sức kháng chấn của khung BTCT Cụ thể, khung không gia cường có mức độ hư hại lớn hon khoảng 1.5 đến 2 làn so với khung được gia cường GFRP khi cùng chịu một trận động đất Ở cùng một mức độ hư hại thì khung gia cường GFRP chịu được trận động đất có PGA, VSI và HI tăng lên khoảng 1.5 đến 3 lần so với khung không gia cường

ABSTRACT

This study presents the analytical results of increasing seismic capacities of reinforced concrete (RC) frames retrofitted by GFRP confinement Five-storey, three-bay RC frames and Eight-story three-bay RC frames with and without FRP retrofit are selected and modelled in SAP 2000 using nonlinear Link elements, which follow hysteretic Takeda model Inelastic time history analyses of the frames subjected to different levels of earthquake are performed Then, damage indexes of the frame are computed using a damage model The results show that the effects of GFRP confinement increase the seismic capacities of RC frames The damage index

of the original frame is approximately 1.5 to 2 times larger than the retrofitted frame if subjected

to a similar seismic intensity At the same damage level, the seismic capacity of the retrofitted frame increases 1.5 to 3 times comparing to the original frame

IV

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy

TS Cao Văn Vui

Các kết quả trong luận văn thạc sĩ là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

Lê Văn Hân

5

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT xii

CHUƠNG 1 TỒNG QUAN 1

1.1 Vật liệu FRP 2

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.2.1 Phương pháp gia cường kháng uốn 3

1.2.2 Phương pháp gia cường kháng cắt 4

1.2.3 Phương pháp gia cường dịch chuyển khớp dẻo 6

1.2.4 Phương pháp gia cường kháng nở hông (FRP confinement) 7

1.3 Vấn đề gia cường FRP kháng nở hông cho khung bê tông cốt thép 11

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 14

1.5 Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu 14

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 14

1.5.2 Ý nghĩa nghiên cứu 15

1.6 Cấu trúc luận văn 15

CHUƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 Mô hình gia cường FRP kháng nở hông 16

2.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông không gia cường 18

2.3 Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông có gia cường FRP kháng nở hông 21

2.4 Quan hệ mô men - độ cong của BTCT gia cường bang FRP kháng nở hông 24

CHUƠNG 3 MÔ HÌNH PHÂN TÍCH 26

6

3.1 Phân tích lịch sử thời gian phi tuyến 26

3.2 Phân tích mức độ hư hại 30

3.3 Kiểm tra mô hình phân tích 35

3.3.1 Mô tả khung 3 tầng 35

3.3.2 Mô hình và kiểm tra 37

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH SỐ 44

4.1 Khung 5 tầng 44

4.1.1 Mô tả khung 5 tầng 44

4.1.2 Mô hình khung 5 tầng 45

4.1.3 Phân tích mức độ hư hại (DI) của khung 5 tầng 49

4.2 Khung 8 tầng 72

4.2.1 Mô tả khung 8 tầng 72

4.2.2 Mô hình khung 8 tầng 74

4.2.3 Phân tích mức độ hư hại (DI) của khung 8 tầng 78

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

5.1 Kết luận 101

5.2 Kiến nghị 101

CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 103

TÀI LỆU THAM KHẢO 114

vii

38

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công trình bị sập đổ trong trận động đất Tứ Xuyên - Trung Quốc [1] 1

Hình 1.2 Công trình bị sập đổ trong trận động đất ở Nepal [2] 1

Hình 1.3 Thí nghiệm gia cuờng CFRP kháng uốn cho dầm [4] 3

Hình 1.4 Gia cuờng FRP cho cột và dầm [23] 8

Hình 1.5 Hình phương pháp FRP kháng nở hông [38] 11

Hình 1.6 Tòa nhà Imperial County Services nam California bị động đất phá hoại năm 1979 (El Centro) [39] 12

Hình 1.7 Cột cầu bị phá hoại trong động đất Northridge năm 1994 [40] 12

Hình 1.8 Cột bị phá hoại trong trận động đất ở Kobe năm 1995 [41] 13

Hình 1.9 Cột bị phá hoại trong trận động đất Chi-Chi năm 1999 [42] 13

Hình 2.1 Gia cường GFRP kháng nở hông cho cột [37] 16

Hình 2.2 Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của Hognestad [49] 18

Hình 2.3 Mô hình ứng suất - biến dạng có và không có cốt đai trong bê tông của Kent và Park [50] 19

Hình 2.4 Mô hình ứng suất - biến dạng của Kent và Park [50] được hiệu chỉnh bởi Park và cộng sự [51 ] 20

Hình 2.5 Mô hình gia cường FRP kháng nở hông cho bê tông 2

2 Hình 2.6 Đồ thị mômen - độ cong của BTCT có và không có 2

5 Hình 3.1 Mô hình phàn tử phi tuyến LINK [57] 27

Hình 3.2 Vị trí phần tử phi tuyến LINK của dầm và cột trong khung [56] 28

Hình 3.3 Mô hình hysteretic Takeda [45] 29

Hình 3.4 Định nghĩa các thông số năng lượng 3

2

viii

Hình 3.5 Kết cấu chịu tác động bởi một vòng trễ hoàn tất dựa trên

3

3 Hình 3.6 Mô hình khung 3 tầng [64] 36

Hình 3.7 Kích thước và cốt thép khung 3 tầng [64] 37

Hình 3.8 Mô hình khung 3 tầng với phần tử phi tuyến LINK bằng SAP2000 Hình 3.9 Mode dao động thứ 1 39

Hình 3.10 Mode dao động thứ 2 4

0 Hình 3.11 Mode dao động thứ 3 4

1 Hình 3.12 Hư hại của khung BTCT chịu trận động đất Taft 0.30g 43

Hình 4.1 Mặt bằng và mặt cắt khung 5 tầng [66] 44

Hình 4.2 Chi tiết cốt thép dầm và cột khung 5 tầng [66] 45

Hình 4.3 Mô hình phần tử phi tuyến LINK khung 5 tầng 46

Hình 4.4 Mô hình ZEUS-NL của Huan và Hueste [66] 47

Hình 4.5 Mode dao động đầu tiên của khung 5 tầng 48

Hình 4.6 ứng xử trễ tại vị trí Link số 1 do trận động đất Taft với PGA 0.6g.50 Hình 4.7 ứng xử trễ tại vị trí Link số 1 do trận động đất Land với PGA 0.6g 51 Hình 4.8 ứng xử trễ tại vị trí Link số 1 do trận động đất Nort với PGA 0.6g 52

Hình 4.9 ứng xử trễ tại vị trí Link số 2 do trận động đất Taft với PGA 0.6g.53 Hình 4.10 ứng xử trễ tại vị trí Link số 2 do trận động đất Land với PGA 0.6g 54

Hình 4.11 ứng xử trễ tại vị trí chân cột số 2 do trận động đất Nort với PGA 0.6g 55

Hình 4.12 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 1 do trận động đất Taft gây ra với PGA 0.6g 56

viii

Hình 4.13 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 2 do trận động đất Taft gây ra với PGA 0.6g 56 Hình 4.14 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 1 do trận động đất Land gây ra với PGA 0.6g 57 Hình 4.15 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 2 do trận động đất Land gây ra với PGA 0.6g 57 Hình 4.16 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 1 do trận động đất Nort gây ra với PGA 0.6g 58

IX

83

Hình 4.17 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 2 do trận động đất

Nort gây ra với PGA 0.6g 58

Hình 4.18 Độ giảm mức độ hư hại của khung có gia cường GFRP và khung không gia cường khi chịu các trận động đất theo cường độ PGA 60

Hình 4.19 Độ giảm mức độ hư hại của khung có gia cường GFRP và khung không gia cường khi chịu các trận động đất theo cường độ VSI 62

Hình 4.20 Độ giảm mức độ hư hại của khung có gia cường GFRP và khung không gia cường khi chịu các trận động đất theo cường độ HI 64

Hình 4.21 Số lần tăng cường độ động đất của khung gia cường và khung không gia cường GFRP 66

Hình 4.22 Mức độ tăng PGA khi gia cường GFRP với cùng một mức độ hư hại trong các trận động đất 67

Hình 4.23 Mức độ tăng VSI khi gia cường GFRP với cùng một mức độ hư hại trong các trận động đất 69

Hình 4.24 Mức độ tăng HI khi gia cường GFRP với cùng một mức độ hư hại trong các trận động đất 71

Hình 4.25 Khung 8 tầng [34] 73

Hình 4.26 Mặt cắt cột và dầm điển hình [34] 73

Hình 4.27 Mô hình phần tử phi tuyến LINK khung 8 tầng 76

Hình 4.28 Mode dao động đầu tiên của khung 8 tầng 77

Hình 4.29 ứng xử trễ tại vị trí Link số 1 do trận động đất Taft với PGA 0.6g 79

Hình 4.30 ứng xử trễ tại vị trí Link số 1 do trận động đất Land với PGA 0.6g 80

Hình 4.31 ứng xử trễ tại vị trí Link số 1 do trận động đất Nort với PGA 0.6g 81

Hình 4.32 ứng xử trễ tại vị trí Link số 2 do trận động đất Taft với PGA 0.6g 82 Hình 4.33 ứng xử trễ tại vị trí Link số 2 do trận động đất Land với PGA 0.6g

X

Hình 4.34 ứng xử trễ tại vị trí Link số 2 do trận động đất Nort với PGA 0.6g 84 Hình 4.35 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link so 1 do trận động đất Taft gây ra với PGA 0.6g 85 Hình 4.36 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link so 2 do trận động đất Taft gây ra với PGA 0.6g 85 Hình 4.37 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 1 do trận động đất Land gây ra với PGA 0.6g 86 Hình 4.38 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 2 do trận động đất Land gây ra với PGA 0.6g 86 Hình 4.39 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 1 do trận động đất Nort gây ra với PGA 0.6g 87 Hình 4.40 Mức độ hư hại theo thời gian tại vị trí Link số 2 do trận động đất Nort gây ra với PGA 0.6g 87 Hình 4.41 Độ giảm mức độ hư hại của khung có gia cường GFRP và khung không gia cường khi chịu các trận động đất theo cường độ PGA 89 Hình 4.42 Độ giảm mức độ hư hại của khung có gia cường GFRP và khung không gia cường khi chịu các trận động đất theo cường độ VSI 91 Hình 4.43 Độ giảm mức độ hư hại của khung có gia cường GFRP và khung không gia cường khi chịu các trận động đất theo cường độ HI 93 Hình 4.44 số lần tăng cường độ động đất của khung gia cường và khung

không gia cường GFRP 95 Hình 4.45 Mức độ tăng PGA khi gia cường GFRP với cùng một mức độ hư hại trong các trận động đất 96 Hình 4.46 Mức độ tăng VSI khi gia cường GFRP với cùng một mức độ hư hại trong các trận động đất 98 Hình 4.47 Mức độ tăng HI khi gia cường GFRP với cùng một mức độ hư hại trong các trận động đất 100

11

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc trưng cơ lý của vật liệu FRP [3] 2

Bảng 2.1 Đặt trưng của GFRP [34], [37], [48] 17

Bảng 3.1 Mức độ hư hại [56] 34

Bảng 3.2 Đặt trưng của cốt thép 35

Bảng 3.3 Lực dọc xuống cột 38

Bảng 3.4 So sánh tần số (Hz) 42

Bảng 3.5 So sánh kết quả phân tích với thí nghiệm [64] 42

Bảng 4.1 Số trận động đất dùng trong luận văn [66] 45

Bảng 4.2 Lực dọc tác dụng xuống cột khung 5 tàng khi phân tích tĩnh 47

Bảng 4.3 So sánh mức độ hư hại của mô hình khung không gia cường và có gia cường GFRP theo cường độ PGA 59

Bảng 4.4 So sánh mức độ hư hại của mô hình khung không gia cường và có gia cường GFRP theo cường độ VSI 61

Bảng 4.5 So sánh mức độ hư hại của mô hình khung không gia cường và có gia cường GFRP theo cường độ HI 63

Bảng 4.6 Mức độ tăng PGA khi cùng mức độ hư hại (DI) 65

Bảng 4.7 Mức độ tăng VSI khi cùng mức độ hư hại (DI) 68

Bảng 4.8 Mức độ tăng HI khi cùng mức độ hư hại (DI) 70

Bảng 4.9 Chi tiết cốt thép của khung 8 tầng [34] 74

Bảng 4.10 Lực dọc tác dụng xuống cột khung 8 tầng khi phân tích tĩnh 75

Bảng 4.11 So sánh mức độ hư hại của mô hình khung không gia cường và có gia cường GFRP theo cường độ PGA 88

Bảng 4.12 So sánh mức độ hư hại của mô hình khung không gia cường và có gia cường GFRP theo cường độ VSI 90

Bảng 4.13 So sánh mức độ hư hại của mô hình khung không gia cường và có gia cường GFRP theo cường độ HI 92

Bảng 4.14 Mức độ tăng PGA khi cùng mức độ hư hại (DI) 94

Bảng 4.15 Mức độ tăng VSI khi cùng mức độ hư hại (DI) 97

Bảng 4.16 Mức độ tăng HI khi cùng mức độ hư hại (DI) 99

DI Mức độ hư hại (Damage Index)

DI Unconíĩned Mức độ hư hại khi không gia cường GFRP

DI Confined Mức độ hư hại khi gia cường GFRP

GFRP Vật liệu gia cường sợi thủy tinh (Glass Fiber Reinforced Polymer) CFRP Vật liệu gia cường sợi các bon (Carbon Fiber Reinforced Polymer) AFRP Vật liệu gia cường sợi aramid (Aramid Fiber Reinforced Polymer) PGA Gia tốc nền (Peak Ground

Acceleration)

VSI Cường độ phổ vận tốc (Velocity Spectrum Intensity) HI Cường độ Housner

(Housner Intensity)

Ký hiệu

f c ứng suất trong bê tông, MPa

ps Tỷ số giữa thể tích cốt đai và thể tích phần lõi bê tông

Ec Biến dạng của bê tông, mm/mm

Eo Biến dạng lớn nhất của bê tông, mm/mm f' c ứng suất lớn nhất của bê tông, MPa b’ ’ Chiều rộng của lõi bê tông, mm sh Khoảng cách cốt đai, mm f a ứng suất tới hạn của bê tông có gia cường FRP, MPa

gu Biến dạng tới hạn của FRP, mm/mm gcm Biến dạng tới hạn của bê tông, mm/mm

£sm Biến dạng tới hạn của cốt thép, mm/mm

£t Biến dạng chuyển tiếp của FRP, mm/mm Ị/ Chiều dày của FRP quấn, mm Eh^up Biến dạng đứt của FRP, mm/mm

Efrp biến dạng kéo tới hạn của FRP, mm/mm

Ey MÔ đun đàn hồi của FRP, MPa

D Đường kính tương đương của cột tròn, mm

b Chiều rộng của tiết diện, mm

h Chiều cao của tiết diện, mm

xiii

r Bán kính cong bo góc, mm

Eh là năng lượng vòng trễ tích lũy

Erec là năng lượng vòng trễ được phục hồi tích lũy

Eh,i collapse là năng lượng vòng trễ của một chu kỳ tới hạn

Eh;iy là năng lượng vòng trễ của một chu kỳ chảy dẻo

N là số vòng lặp chảy dẻo tương đương đến khi công trình sập đổ

ỉ là số vòng lặp chảy dẻo tương đương ứng với thời điểm hiện tại

a là hệ số điều chỉnh, được đề xuất a = 0.06

Ec Mô đun đàn hồi của bê tông, MPa

Es Mô đun đàn hồi của cốt thép, MPa

E2 Tỷ lệ độ dốc tuyến tính mô hình ứng suất - biến dạng của FRP, MPa

f[ d ứng suất hạn chế nở hông tới hạn khi gia cường FRP, MPa

&S1 Hệ số hiệu quả cốt thép trong FRP khi đạt ứng suất tới hạn

k S 2 Hệ số hiệu quả cốt thép trong FRP khi đạt biến dạng tới hạn

Ac Diện tích mặt cắt ngang của bê tông bị tác động bởi cốt đai, mm2

Ac Diện tích mặt cắt ngang phần bê tông chịu nén, mm2

Ag Tổng diện tích của phần bê tông, mm2

Thế giới ngày càng chứng kiến các động đất mạnh hơn xảy ra Trong khi đó,

các công trình hiện tại ngày càng xuống cấp hoặc không đủ khả năng chịu các trận

động đất trên Hậu quả là một số lượng lớn công trình xây dựng có thể bị sập đổ và

thiệt hại lớn về người và của là không tránh khỏi Điều này được chứng minh bằng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Trong lịch sử phát triển của nhân loại có rất nhiều thiên tai mà con người phải hứng chịu như lũ lụt, mưa bảo, sóng thần, núi lửa, động đất, Trong đó động đất là thiên tai mang lại nhiều hậu quả nghiêm trọng cho con người Ví dụ trận động đất mạnh 7.9 độ Richter ở Tứ Xuyên - Trung Quốc năm 2008, đã cướp đi sinh mạng hơn 70000 người, phá hủy hơn 7.8 triệu ngôi nhà và hơn 24 triệu ngôi nhà khác bị hư hại Mới đây, trận động đất cũng mạnh 7.9

độ Richter ở Nepal năm 2015, đã cướp đi sinh mạng hơn 8000 người, phá hủy ít nhất 200000 tòa nhà, thiệt hại về kinh tế hơn 5 tỷ đô la Mỹ Sự tàn phá của các trận động đất này có thể thấy được phần nào qua Hình 1.1 và Hình 1.2

Hình 1.1 Công trình bị sập đổ trong trận động đất Tứ Xuyên - Trung Quốc [ 1 ]

Hình 1.2 Công trình bị sập đổ trong trận động đất ở Nepal [2]

có nhiều ưu điểm vì FRP có độ bền cao, cường độ chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn, chi phí thấp, thi công dễ dàng, phần gia cố không chiếm không gian kiến trúc, Các đặc trưng cơ lý của vật liệu gia cường FRP được trình bày trong phần 1.1 Gia cường kết cấu bằng FRP đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu và công bố như trong phần 1.2

1.1 Vật liệu FRP

Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày càng có nhiều vật liệu xây dựng mới ra đời như FRP Đặc điểm riêng của vật liệu FRP là cường độ chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, dễ ứng dụng thi công và không bị ăn mòn Các loại vật liệu FRP được dùng phổ biến trong ngành xây dựng là sợi thủy tinh (GFRP), sợi các bon (CFRP), sợi Aramid (AFRP) Một số chỉ tiêu cơ lý của chúng so sánh với thép thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Đặc trưng cơ lý của vật liệu FRP [3]

Cường độ kéo (MPa) 483 - 690 1860-4140 1720-6200 3440 - 4140

Mô đun đàn hồi

xlO3(MPa)

200 69-90 220 - 690 69 - 124

Khối lượng riêng (g/cm3) 7.9 1.2-2.1 1.5-1.6 1.2- 1.5

Biến dạng kéo đứt (%) 6-12 4.5-5.4 0.2-1.5 1.6-2.5

3

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Gia cố công trình bằng vật liệu FRP được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau như kháng uốn (flexural strengthening), kháng cat (shear strengthening), dịch chuyển các khớp dẻo (relocating the plastic hinges), v.v

1.2.1 Phương pháp gia cường kháng uốn

Năm 2004, Prota và Pecce [4] thực hiện thí nghiệm về ảnh hưởng của CFRP gia cường cho dầm BTCT như Hình 1.3 để tăng khả năng kháng uốn cho dầm Kết quả phân tích lý thuyết

và thực nghiệm của các tác giả cho thấy rang CFRP gia cường làm tăng khả năng kháng uốn cho dầm lên đến 20% so với dầm không gia cường

Hình 1.3 Thí nghiệm gia cường CFRP kháng uốn cho dầm [4],

Tiếp tục nghiên cứu này, Dai và cộng sự [5] đã nghiên cứu việc gia cường CFRP cho dầm BTCT Nghiên cứu kết họp việc gia cường CFRP và bê tông để tăng cường độ chịu uốn của dầm Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc gia cường CFRP làm khả năng kháng uốn của dầm tăng lên 14.6% so với dầm chưa gia cường

Tiếp đó, Castro và cộng sự [6] đã nghiên cứu việc gia cường CFRP cho dầm BTCT với mặt cắt ngang hình chữ T Các nghiên cứu này đều được thí nghiệm với tải trọng tăng từ thấp đến cao cho dầm gia cường CFRP và dầm không gia cường Kết quả thí nghiệm cho thấy việc gia cường CFRP cho dầm làm tăng khả năng chịu tải lên đến 32% so với dầm không gia cường

và khả năng chống uốn của dầm gia cường CFRP cũng tăng lên 12% so với dầm không gia cường

4

Cũng trong thời gian gian này, Abdel-Jaber và cộng sự [10] thực hiện nghiên

cứu thực nghiệm việc gia cường vật liệu CFRP cho dầm BTCT Các thí nghiệm

đánh giá hiệu quả của vật liệu CFRP trong việc tăng cường chống cắt cho dầm Kết

quả là việc tăng cường vật liệu CFRP theo phương pháp dán ngang tại vùng chịu

Ở Việt Nam, một số nghiên cứu ứng dụng FRP trong xây dựng cũng được công bố Ngô Quang Tường [7] đã nghiên cứu sửa chữa gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP Kết quả của nghiên cứu cho thấy rõ được các ưu điểm của phưomg pháp sửa chữa, gia co bằng tấm dán FRP ở các mặt: vật liệu FRP có cường độ và độ bền rất cao, khối lượng riêng thấp, thi công dễ dàng nhanh chóng, ít tốn nhân công, không cần máy móc đặc biệt, có thể thi công trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, không ảnh hưởng đến xung quanh nên có thể tiến hành thi công khi công trình vẫn tiếp tục hoạt động, khối lượng gia co thấp, không làm thay đổi kiến trúc và công năng của công trình, đảm bảo tính mỹ thuật cao, không cần bảo trì Nhưng nghiên cứu này chỉ dừng lại ở mức giới thiệu về phương pháp nghiên cứu của tác giả

Năm 2011, Nguyễn Chí Thanh và cộng sự [8] đã nghiên cứu gia cường kết cấu chịu lực

bê tông cốt thép bằng việc dán lớp vật liệu cốt sợi cường độ cao là một trong các giải pháp duy trì và nâng cao sức chịu tải của kết cấu cũ để đáp ứng yêu cầu về khai thác Kết quả cho thấy

sự tăng cường vật liệu cường độ cao này ở những vùng chịu kéo làm tăng chiều cao vùng chịu nén trên mặt cắt bê tông, kéo theo sự tăng về sức chịu tải uốn của cấu kiện (tăng 300% cho trường hợp kết cấu được thí nghiệm trong khuôn khổ bài báo này)

1.2.2 Phương pháp gia cường kháng cắt

Saafan [9] thực hiện thí nghiệm về ảnh hưởng của GFRP tăng cường cho dầm BTCT bằng phương pháp dán ngang so với trục dầm, đến mức độ tăng khả năng chịu cắt của dầm Kết quả thí nghiệm của 18 dầm khác nhau, cho thấy rằng việc tăng cường GFRP làm tăng khả năng chống cắt của dầm tăng từ 19kN lên đến 42.8kN, hạn chế các vết nứt xuất hiện

Tiếp đó Trịnh Quang Minh và cộng sự [12] tiếp tục đã nghiên cứu việc sử dụng các thanh FRP cốt sợi các-bon (CFRP) gia cường cho dầm BTCT theo phương pháp near surface mounted (NSM), bằng cách đặt các thanh CFRP trong các rãnh được tạo trước trên lớp bê tông bảo vệ trong vùng chịu cắt lớn Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng gia cường bằng các thanh CFRP theo phương pháp NSM cải thiện đáng kể khả năng chịu cắt và hạn chế sự xuất hiện của vết nứt trên dầm bê tông cốt thép

Một nghiên cứu của Nguyễn Minh Long và cộng sự [13] đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của yếu tố cường độ bê tông đến hiệu quả gia cường kháng cắt của tấm sợi thủy tinh (GFRP) và sợi cacbon (CFRP) dạng tấm u liên tục trên dầm bê tông cốt thép (BTCT) có sẵn vết nứt Chương trình thí nghiệm được tiến hành trên 9 dầm, có cùng kích thước hình học, hàm lượng cốt dọc, cốt đai và hàm lượng sợi gia cường Các dầm được chia làm 3 nhóm khác nhau

về cường độ bê tông, mỗi nhóm gồm 1 dầm đối chứng và 2 dầm được gia cường tấm GFRP và CFRP dạng u liên tục Ket quả thực nghiệm cho thấy: (1) giá trị biến dạng của tấm gia cường dạng u liên tục trên các dầm thí nghiệm chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi cường độ chịu nén của

bê tông, theo đó tăng cường độ bê tông (từ 32 MPa lên 75 MPa) làm tăng biến dạng kéo trong tấm (đến 36%); (2) tấm gia cường làm tăng mạnh khả năng kháng cắt (137%), phục hồi đáng

kể độ cứng của dầm và sự gia tăng khả năng kháng cắt của dầm gia cường có xu hướng giảm khi cường độ chịu nén của bê tông tăng; (3) sự gia tăng cường độ bê tông làm thay đổi kiểu phá hoại của dầm từ cắt - nén vỡ bê tông sang cắt - bong tách tấm và tấm CFRP phát huy vai trò gia cường tốt hơn tấm GFRP trong trường hợp dầm có cường độ bê tông cao

1.2.3 Phương pháp gia cường dịch chuyển khớp dẻo

Một nghiên cứu của Costas và Thanasis [14] đã gia cường FRP tại các khớp của khung

bê tông chịu tải trọng động đất Các yêu cầu về khả năng giảm động đất của FRP được kiểm

6

tra qua 18 mẫu thí nghiệm tại các mối nối dầm - cột khác nhau Ket quả thí nghiệm cho thấy

độ cứng và khả năng tiêu hao năng lượng của các mối nối dầm - cột được gia cường FRP tăng lên 70% đến 80% so với khung không gia cường

Cũng nghiên cứu vấn đề này, u Akguzel và s Pampanin [15] đã nghiên cứu thực nghiệm về đánh giá khả năng chống động đất của mối nối dầm - cột được gia cường GFRP Các kết quả thử nghiệm việc gia cường GFRP tại các liên kết đã được xác nhận đạt yêu cầu

về tính hiệu quả của các giải pháp gia cường đã đề xuất, các mối nối được gia cường có khả năng kháng chấn tăng lên từ một đến hai mức độ chuyển vị tại các tầng

Cũng về phương pháp dịch chuyển khớp dẻo, Almusallam và cộng sự [16] đã nghiên cứu các ứng dụng tiên tiến và thiết thực cho việc chống động đất của các mối nối dầm - cột được sử dụng vật liệu gia cường FRP Kết quả thí nghiệm cho thấy việc gia cường FRP tại các mối nối là rất hiệu quả trong việc nâng cấp khả năng chịu cắt và độ dẻo của khớp Kết quả cũng cho thấy các mẫu thí nghiệm gia cường FRP có mức độ chịu tải cao hơn khoảng 88% so với các mẫu thông thường, độ dẻo cao hơn và mức độ phá hoại của mẫu cũng chậm hơn

Trong một nghiên cứu khác, u Akguzel và s Pampanin [17] gia cường FRP tại các nút khung giao nhau giữa cột và dầm Nghiên cứu này đặc biệt nhấn mạnh tính khả thi và hiệu quả của việc gia cường FRP kháng nở hông Kết quả chỉ ra rằng tại các vị trí khớp gia cường FRP có sự giảm đáng kể khả năng chịu địa chấn của khung Cụ thể khung được gia cường FRP có chuyển vị giảm từ 1% đến 2% so với khung không gia cường

Gần đây, Vui Van Cao và Hamid Reza Ronagh [18] đã phân tích ảnh hưởng của việc dịch chuyển khớp dẻo bằng FRP gia cường đến hư hại của kết cấu khung BTCT Ket quả nghiên cứu của tác giả cho thấy rằng mức độ hư hại của khung gia cường FRP thấp hom so với khung không gia cường FRP nếu cùng chịu một cường độ động đất như nhau

1.2.4 Phương pháp gia cường kháng nở hông (FRP confinement)

Nghiên cứu của Sheikh và Yau [19] cũng thực hiện một thử nghiệm trên 6 cột tròn gia cường bằng FRP để giảm chuyển vị với tải trọng dọc trục và kết quả cho thấy sự tăng cường

độ bền, độ dẻo và hấp thụ năng lượng của các cột này tăng lên đáng kể

Richard D Iacobucci và cộng sự [20] thực hiện thí nghiệm lấy 8 mẫu đại diện cho các

7

cột trong một tòa nhà và các công trình cầu xây dựng trước những năm 1971 Các mẫu này được thử nghiệm với tải trọng động đất khác nhau Ket quả họ chỉ ra rằng cần phải gia cường FRP tại những vị trí quan trọng sẽ tăng được độ dẻo, sự tiêu hao năng lượng và cường độ tăng lên khoảng 44%

Sau đó Harajli và Rteil [21] thực hiện điều tra các tác động FRP và so sánh với cốt thép đai trên cột bê tông cốt thép hình chữ nhật Kết quả của họ chỉ ra rằng sự hấp thụ năng lượng

và khả năng tiêu tán năng lượng của các cột FRP kháng nở hông, dẫn đến tác động tích cực trong việc giảm hư hại cho cột

FRP cũng được gia cường đồng thời cho dầm và cột Điều này cũng được Mukherjee và Joshi [22] đưa vào nghiên cứu, nghiên cứu thực nghiệm của họ là dùng FRP gia cường thêm vào liên kết dầm cột Họ tiến hành thử nghiệm các mẫu FRP và kết luận rằng đã có một sự cải thiện đáng kể về khả năng chịu tải của cấu kiện, độ cứng ban đầu và khả năng tiêu tán năng lượng

Ở cấp độ kết cấu khung BTCT, Balsamo và cộng sự [23] đã tiến hành một nghiên cứu về một khung bê tông cốt thép 4 tầng với các cột và dầm được gia cường bằng FRP như Hình 1.4

Họ kết luận rằng các khung gia cường CFRP có thể chịu được tải trọng động đất tăng thêm 1.5 lần so với ban đầu dựa trên tiêu chí cùng mức độ chuyển vị

Hình 1.4 Gia cường FRP cho cột và dầm [23]

Tiếp đó, Muhammad và Shamim [24] đã nghiên cứu cốt thép được sử dụng trong cột bê

8

tông cốt thép không đủ độ dẻo và độ cứng để chịu các trận động đất lớn Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng vật liệu gia cường FRP cho cột và mô phỏng lại các cột chịu các trận động đất Ket quả của họ cho thấy cột bê tông khi gia cường FRP có khả năng tăng được tính dẻo, khả năng tiêu hao năng lượng, tăng khả năng chịu cắt và khả năng chịu mô men tăng lên khoảng 30%

Một nghiên cứu khác về cột tròn do Ozbakkaloglu [25 - 26] đã nghiên cứu gia cường FRP cho cột tròn với bê tông cường độ cao và bê tông thường sử dụng FRP như ván khuôn, vỏ bảo vệ chống ăn mòn, Kết quả cho thấy khả năng biến dạng của cột được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng FRP như vỏ bọc bên ngoài cột, so với các cột bê tông thông thường không gia cường FRP Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu còn chỉ ra rằng các cột có sự tăng khả năng chịu lực lên đến 11% Điều này chứng tỏ gia cường FRP như vỏ bọc ngoài cải thiện khả năng biến dạng của cột

Song song với các nghiên cứu về ứng xử của cột tròn gia cường FRP, Konstantinos [27]

đã nghiên cứu các tính chất cơ học và thiết kế mô hình ứng xử ứng suất và biến dạng cho cột chữ nhật gia cường FRP bằng thí nghiệm Ket quả so sánh thực tế và thí nghiệm cho thấy ứng suất của cột gia cường FRP tăng lên từ 50% đến 80%

Shamim A Sheikh và Yimin Li [28] đã tiến hành gia cường FRP kháng nở hông cho cột

bê tông vuông để tăng sức kháng chấn của cột Các yêu cầu đặt ra là việc tăng hàm lượng FRP nhằm tăng khả năng chịu lực, tăng độ dẻo và tăng cấp độ tải trọng Kết quả của họ cho thấy việc gia cường FRP cho cột làm tăng khả năng chịu tải trọng động đất, tăng độ bền và độ dẻo của cột

Sau đó vài năm, Ludovico và cộng sự [29 - 30] đã thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm

và phân tích thiết kế tải trọng và trang bị thêm đầy đủ quy mô của một kết cấu 3 tầng chịu các trận động đất với gia tốc nền (Peak Ground Acceleration PGA) 0.2g và 0.3g FRP được gia cường cho cột và tăng cường khả năng chịu cắt và uốn cho dầm Kết luận của Balsamo và cộng

sự [23] được tái khẳng định trong nghiên cứu của Ludovico và cộng sự [29 - 30] Họ cũng kết luận rằng khả năng biến dạng của kết cấu được gia cường FRP tăng lên 85% và ít hư hại hơn

so với các kết cấu không gia cường FRP đã được chứng minh trong các thí nghiệm

Một nghiên cứu tương tự cũng được thực hiện bởi Garcia và cộng sự [31] cho khung kết cấu 2 tầng với khung kết cấu không gia cường và khung gia cường FRP phải chịu các cường

Cũng vấn đề trên thì Eslami và Ronagh [34] đã sử dụng GFRP kháng nở hông để gia cường cho các cột của một khung 8 tầng không đủ cốt đai Kết quả phân tích của họ cho thấy rằng độ dẻo và khả năng chịu động đất của khung tăng lên 52% so với khung không được gia cường GFRP

Tiếp đó, Rahai và Akbarpour [35] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và phân tích về FRP gia cường cho cột bê tông cốt thép hình chữ nhật chịu tải trọng dọc trục và tải trọng ngang Kết quả của họ cho thấy độ bền và độ dẻo của các cột này tăng lên đáng kể

Gần đây, Nguyễn Hùng Phong và Phạm Quang Đạo [36] đã nghiên cứu thực nghiệm sử dụng vật liệu sợi liên tục cường độ cao như sợi cac-bon, sợi aramid, sợi thủy tính, để gia cường nhằm tăng khả năng kháng chấn cho cột bê tông cốt thép Trong thí nghiệm này, mẫu thí nghiệm là các cột bê tông cốt thép được gia cường bằng cách dán các tấm sợi lên bề mặt bê tông với các loại sợi khác nhau và chiều dày khác nhau Kết quả thí nghiệm cho thấy tấm sợi gia cường làm tăng đáng kể độ dẻo của cột bê tông cốt thép Độ dẻo của cột được gia cường phụ thuộc vào hàm lượng tấm sợi, khả năng biến dạng của tấm, sự mất liên kết giữa các tấm sợi và bề mặt bê tông trong quá trình gia tải

Sau đó, Vui Van Cao và Hamid Reza Ronagh [37] đã tiến hành nghiên cứu tác động của việc gia cường GFRP kháng nở hông cho một khung 8 tầng chịu tải trọng động đất khác nhau đến mức độ hư hại Mức độ hư hại được đánh giá bằng chỉ số hư hại và được phân thành các cấp độ: không hư, hư hỏng nhẹ, hư hỏng vừa, hư hỏng nặng và sập Kết quả của nghiên cứu

Đối với kết cấu BTCT thiếu cốt đai, sử dụng FRP kháng nở hông để quấn hoặc bó (FRP confinement) như Hình 1.5 là một phương pháp hợp lý vì FRP có vai trò như cốt đai: ràng buột để giảm nở hông của bê tông, ổn định cốt dọc và tăng cường

Hình 1.5 Hình phương pháp FRP kháng nở hông [38]

1.3 Vấn đề gia cường FRP kháng nở hông cho khung bê tông cốt thép

Cốt thép ngang (cốt đai) trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) có vai trò quan trọng để

cố định cốt thép dọc, tăng sức kháng cắt cho cấu kiện BTCT Đặc biệt, cốt đai làm cho bê tông bị kháng nở hông, dẫn đến khả năng chịu nén của bê tông tăng, kết quả là khả năng chịu lực của cấu kiện BTCT tăng lên đáng kể Nhiều công trình đã được thiết kế cốt thép đai theo tiêu chuẩn cũ hoặc đặt cốt đai theo cấu tạo, dẫn đến khả năng chịu tải trọng động đất nhỏ hơn

so với thực tế tải trọng động đất hiện tại ngày càng lớn Một số công trình bị phá hoại do thiếu cốt thép đai dẫn đến bị phá hoại bởi các trận động đất trong thực tế như Hình 1.6- Hình 1.9

11

Hình 1.6 Tòa nhà Imperial County Services nam California bị động đất phá hoại

năm 1979 (El Centro) [39]

Hình 1.7 Cột cầu bị phá hoại trong động đất Northridge năm 1994 [40]

12

Hình 1.8 Cột bị phá hoại trong trận động đất ở Kobe năm 1995 [41]

Hình 1.9 Cột bị phá hoại trong trận động đất Chi-Chi năm 1999 [42],

Một vấn đề đặt ra trong việc tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT là phải tăng được độ bền, độ dẻo dai cũng như phát huy được hết khả năng chịu lực của kết cấu Với các loại vật liệu BTCT truyền thống thường khả năng chịu động đất không cao, hay bị ăn mòn trong môi trường xâm thực và đặc biệt công trình dể bị sập đổ bởi thiên tai như động đất Để nâng cao tuổi thọ cũng như tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT cần phải nghiên cứu một loại vật liệu mới có thể nâng cao được độ bền,

độ dẻo dai và giảm được nguy cơ phá hoại do động đất gây ra cho kết cấu Nhiều công trình đã bắt đầu sử dụng vật liệu gia cường để làm giảm hư hại do động đất gây ra Tăng cường được khả năng chịu lực của các bộ phận trong công trình bằng phương pháp gia cường như gia cường FRP bằng phương pháp kháng uốn, kháng cat, FRP kháng nở hông (FRP confinement)

Việc dùng vật liệu FRP quấn quanh cột nhằm tăng mức độ kháng nở hông cho bê

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu

Gia cường khung BTCT bang FRP kháng nở hông đã được các tác giả nghiên cứu như đã nêu trên Tuy nhiên, mức độ tăng khả năng kháng chấn của khung BTCT gia cường bằng FRP so với khung BTCT không gia cường trên tiêu chí cùng một mức độ

hư hại chưa được nghiên cứu Đây cũng là chủ đề của luận vãn này và được phân tích thông qua khung BTCT 5 tầng 3 nhịp và 8 tầng 3 nhịp Khung được mô hình hóa trong SAP2000 [44] bằng phần tử phi tuyến LINK ứng xử trễ theo mô hình Takeda [45] Phân tích phi tuyến theo thời gian của khung BTCT chịu các trận động đất khác nhau được tiến hành Sau đó, mô hình hư hại được áp dụng để phân tích mức độ hư hại của khung BTCT Trên cơ sở cùng mức độ hư hại, kết quả phân tích cho thấy rằng khả năng kháng chấn của khung BTCT có gia cường tăng lên đáng kể Bên cạnh đó, các nghiên cứu trên [19 - 37] chưa làm rõ được vấn đề: nếu kết cấu BTCT gia cường và không gia cường có cùng mức độ hư hại (DI), thì sự tăng giảm cường độ động đất như gia tốc nền (PGA), cường độ phổ vận tốc (VSI) và cường độ Housner (HI) là bao nhiêu lần

1.5 Mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

Dựa vào những tìm hiểu tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, dựa vào phần đặt vấn đề nghiên cứu, đề tài nghiên cứu đặt ra các mục tiêu chính cụ thể như sau:

- Phân tích các mức độ hư hại (DI) của khung không gia cường và có gia cường FRP

- So sánh mức độ tăng khả năng chịu động đất của khung không gia cường và có gia cường FRP trên tiêu chí cùng mức độ hư hại

14

1.5.2 Ý nghĩa nghiên cứu

- về ý nghĩa khoa học: Phân tích được ứng xử phi tuyến của dầm và cột có và không có gia cường tấm GFRP Kiểm chứng lại khái niệm mức độ hư hại trong việc đánh giá khả năng chịu động đất của công trình

- về ý nghĩa thực tiễn: Với các trận động đất xảy ra trong thực tế ngày càng mạnh thì việc có thể nâng cấp công trình bằng FRP kháng nở hông mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và kỹ thuật so với việc phá dỡ và làm công trình mới Những công trình đang xuống cấp hay kết cấu đã giảm khả năng chịu lực thì việc gia cường bằng FRP kháng

nở hông là một giải pháp có thể giúp tăng khả năng chịu lực, nhờ đó làm tăng khả năng kháng chấn của công trình khi có động đất xảy ra

1.6 Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về FRP, tình hình nghiên cứu của các tác giả trong

và ngoài nước, mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu

Chương 2: Trình bày mô hình bê tông khi bị bó hông

Chương 3: Trình bày mô hình phân tích

Chương 4: Trình bày phân tích số

Chương 5: Đưa ra một số kết luận quan trọng đạt được trong luận văn và đề xuất hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Công trình công bố

Tài liệu tham khảo: Trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho hướng nghiên cứu của đề tài

15

CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình gia cường FRP kháng nở hông

a GFRP kháng nở hông quấn tròn quanh cột

b Mặt cắt ngang cột có GFRP kháng nở hông Hình 2.1 Gia cường GFRP kháng nở hông cho cột [37]

16

Đặc trưng cơ lý của vật liệu gia cường FRP thể hiện như Bảng 1.1 trong phần 1.1

Từ các kết quả trong những nghiên cứu trước [34], [36], [37], các tác giả đã chỉ ra rằng

độ dẻo của cột BTCT được gia cường bằng tắm sợi FRP phụ thuộc vào hàm lượng, cường độ và khả năng biến dạng của tấm FRP Điều này cũng có nghĩa rằng với tấm sợi FRP có biến dạng kéo đứt lớn sẽ có độ dẻo tăng lên và ngược lại Do đặc điểm riêng của vật liệu GFRP có mô đun đàn hồi nhỏ nhưng biến dạng kéo đứt cao, chi phí giá thành

rẻ hơn vật liệu CFRP nên GFRP thường được chọn để gia cường theo phương pháp kháng nở hông [69] Vì lý do trên nên luận văn này sử dụng vật liệu GFRP để gia cường cho khung BTCT Việc gia cường GFRP được thể hiện như Hình 2.la với tấm GFRP được quấn tròn liên tục suốt chiều dài cột Tại các cạnh của cột được mài góc, lượn tròn với bán kính 50mm [46], nhằm giảm sự tập trung ứng suất tại góc, đồng thời tăng hiệu ứng bó của tấm FRP cho cột cũng như giảm mức độ biến dạng của vật liệu thể hiện như Hình 2.1b số lớp quấn quanh cột của GFRP chọn dựa trên kết quả của các nghiên cứu trước [19], [20], [22], [24], [31], [37], [47] và được chọn là 2 lớp trong luận vãn này Việc lựa chọn số lớp còn tùy thuộc cường độ, tiết diện, hàm lượng tấm sợi, Tuy nhiên luận văn chỉ tập trung đánh giá khả năng chịu động đất của khung có gia cường GFRP với số lớp là 2 và khung không gia cường GFRP để xem xét khả năng kháng chấn tăng lên là bao nhiêu Đây cũng là hạn chế của đề tài và là hướng phát triển tiếp theo cho những đề tài sau Đặc trưng vật liệu GFRP được thể hiện trong Bảng 2.1

dán tấm GFRP lên bề mặt cột bằng cách quấn tấm này vào một ống nhựa, sau đó vừa tháo tấm vừa quấn lên bề mặt cột Khi quấn phải đảm bảo tấm sợi phẳng và căng Tiếp

17

tục dùng chổi lăn epoxy lên bề mặt tấm một làn nữa để cho epoxy thấm đẫm vào trong tấm sợi Khi lăn chổi phải lăn theo phương của sợi, không được lăn theo phưưng vuông góc với phương sợi, sẽ làm ảnh hưởng đến cấu trúc của tấm sợi Việc lãn epoxy lần thứ hai này cũng có tác dụng làm cho tấm được phẳng và loại bỏ các bọt khí bên trong, đảm bảo tiếp xúc tốt với bề mặt bê tông Tiếp tục dán tấm GFRP lần 2 lên cột, việc dán lần

2 này cũng thực hiện tương tự như lần thứ nhất [36]

2.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông không gia cường

Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông không có cốt đai đã được nghiên cứu trong mô hình của Hognestad [49] như Hình 2.2 Cụ thể, quan hệ ứng suất - biến dạng trong đoạn OA tăng dần dưới dạng đường cong parabol được thể hiện ở phương trình (2.1) và (2.2)

Trong đoạn OA:

18

(2.2) Trong đó:

f c là ứng suất nén trong bê tông

/c là ứng suất nén lớn nhất của bê tông

E c là biến dạng của bê tông

E o là biến dạng trong bê tông khi ứng suất đạt lớn nhất

Ec Mô đun đàn hồi của bê tông

Còn trong đoạn AB, sau khi đạt ứng suất cực đại thì ứng suất - biến dạng của bê tông có dạng đường tuyến tính Cụ thể ứng suất giảm khoảng 15% so với ứng suất cực đại còn biến dạng tăng đến tới hạn với độ lớn 0.0038

Trong khi đó, ảnh hưởng của cốt đai đến quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông được nghiên cứu bởi nhiều tác giả khác nhau Đơn giản nhất là mô hình của Kent và Park [50] thể hiện như Hình 2.3

(2.1)

Kent và Park [50]

19

Trong mô hình này, ứng suất và biến dạng sau khi đạt ứng suất cục đại của bê tông

có và không có cốt đai là khác nhau; phần còn lại là nhu nhau Điều không hợp lý này

đã được sửa đổi trong mô hình của Park và cộng sự [51] bằng cách có tính đến việc tăng ứng suất cực đại của bê tông Hình 2.4 thể hiện nghiên cứu của Park và cộng sự [51], nó được mô tả bởi phương trình (2.3) và (2.4) với các tham số được xác định theo các phương trình từ (2.5) đến (2.8) Đây là mô hình được lựa

Park và cộng sự [51]

fc = /;[l-Z(íc -fo)]> 0.2/; nếuEc>Eo

Trong đó:

(2.5) (2.6)

20

3 + 0.29/ 3 145/ C '-1000 + 4 A

= (2.8) fc

Trong đó:

ps là tỷ số thể tích của thép ngang kiềm chế trên thể tích của lõi bê tông

K là hệ số tăng cường độ do bê tông bị kiềm chế

f' c là ứng suất lớn nhất đơn vị MPa

z là độ dốc đường biến dạng

fyh là cường độ chảy dẻo của cốt thép đai b’ ’ là chiều rộng của lõi bê tông tính đến mép ngoài thép đai sh là khoảng cách cốt đai

2.3 Quan hệ úng suất - biến dạng của bê tông có gia cường FRP kháng nở hông

FRP confinement có tác dựng kháng nở hông cho bê tông Từ đó, cường độ và độ dẻo tăng lên đáng kể [43], [52], [53] Mô hình ứng suất và biến dạng của bê tông gia cường bằng FRP kháng nở hông có thể được chia ra làm hai loại như: có và không có cốt đai Đối với trường hợp không có cốt đai, tác dựng kháng nở hông của cốt đai có thể

bỏ qua và kết quả là toàn bộ bê tông bị kháng nở hông bởi FRP Còn trường hợp có cốt đai, lớp bê tông bảo vệ thì bị khống chế nở hông chỉ bởi FRP, còn lõi bê tông bao bọc bởi cốt đai bị khống chế nở hông bởi cả cốt đai và FRP Tuy nhiên, sự tương tác giữa cốt đai và FRP làm cho quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông thêm phức tạp Mặt khác, khi FRP kháng nở hông đã có tác dựng thì ảnh hưởng của nó có thể lớn hơn nhiều

so với cốt đai Do đó, mô hình ứng suất - biến dạng không kể đến ảnh hưởng của cốt đai được lựa chọn Trong số các mô hình này, mô hình của Lam và Teng [43] là phù hợp với cột tròn và cột vuông [54], chính vì vậy mô hình này được chọn để nghiên cứu trong luận vãn này Hình 2.5 thể