Khảo sát thực nghiệm ứng xử khung phẳng btct có tường chèn đã bị hư hỏng được gia cố bằng tấm frp chịu tải trọng đứng và ngang

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- HUỲNH THANH TUẤN KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ KHUNG PHẲNG BTCT CÓ TƯỜNG CHÈN ĐÃ BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TẤM FRP CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ NGANG Chu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HUỲNH THANH TUẤN

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ KHUNG PHẲNG BTCT CÓ TƯỜNG CHÈN

ĐÃ BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TẤM FRP

CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ NGANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ hướng dẫn 1 :

PGS.TS NGUYỄN MINH LONG Cán bộ hướng dẫn 2 :

PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG Cán bộ chấm nhận xét 1 :

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Huỳnh Thanh Tuấn MSHV: 1670102 Ngày, tháng, năm sinh: 18/02/1991 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ KHUNG PHẲNG BTCT

CÓ TƯỜNG CHÈN ĐÃ BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TẤM FRP

CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ NGANG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Nghiên cứu tổng quan và lập quy trình khảo sát thực nghiệm

 Khảo sát thực nghiệm ứng xử của khung phẳng BTCT chịu tải đứng và tải ngang lặp tĩnh tăng dần cho đến khung bị phá hoại

 Gia cường khung bằng cách bơm keo và gia cố liên kết bằng tấm CFRP

 Khảo sát thực nghiệm ứng xử khung sau khi gia cường CFRP

 So sánh ứng xử khung trước và sau khi gia cường

 Đánh giá kết quả thí nghiệm và rút ra những nhận xét, kết luận, kiến nghị cũng như đề xuất hướng phát triển đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Minh Long

PGS.TS Ngô Hữu Cường

Tp HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

i

LỜI CẢM ƠN

Kiến thức là một hành trang vững chắc song hành với mỗi người Thông qua đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, những người đã tâm huyết truyền đạt cho tôi kiến thức trong những năm học qua

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sâu sắc Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Minh Long và Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường, là những người đã giúp tôi hình thành nên ý tưởng của đề tài, trực tiếp hướng dẫn tôi phương pháp nghiên cứu, phân tích góp ý và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô và Cán bộ Phòng thí nghiệm Công trình Khoa Kỹ thuật Xây dựng (BKSEL) Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nhiệt tình hỗ trợ và giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu này một cách tốt nhất

Dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình nghiên cứu nhưng luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy Cô trong Hội đồng chỉ dẫn thêm để tôi hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô

Huỳnh Thanh Tuấn

ii

TÓM TẮT

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về lý thuyết và ứng dụng của tấm sợi carbon (CFRP) trong việc gia cường hệ kết cấu khung bê tông cốt thép nhằm tăng khả năng chịu tải cực hạn của hệ, nhưng các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các bộ phận kết cấu riêng lẻ như dầm, cột và nút khung Các nghiên cứu về hệ kết cấu còn rất ít

cả về lý thuyết và thực nghiệm Theo tác giả tìm hiểu, cho đến nay, ở Việt Nam chưa có bất kì một nghiên cứu nào về việc gia cố, phục hồi khả năng chịu lực của khung đã bị hư hỏng Nghiên cứu này được tiến hành nhằm khảo sát ứng xử, hiệu quả phục hồi khả năng chịu tải đứng và ngang của 2 mẫu khung BTCT có tường chèn bằng gạch hoặc bằng BTCT đã bị hư hỏng được gia cố lại bằng tấm CFRP Kết quả nghiên cứu cho thấy khung đã bị hư hỏng được gia cố bằng tấm CFRP không chỉ khôi phục lại khả năng chịu lực mà còn khôi phục lại độ cứng, độ dẻo dai

và khả năng hấp thụ năng lượng của khung Thêm vào đó, các vết nứt trên bộ phận kết cấu bê tông không xuất hiện bên trong lớp tấm gia cố CFRP mà xảy ra ngay ở mép tấm

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Long và Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn 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 02 tháng 06 năm 2019

Huỳnh Thanh Tuấn

iv

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.3 Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 7

1.3.1 Mục tiêu của đề tài 7

1.3.2 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 7

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 9

2.1 Vật liệu 9

2.1.1 Bê tông 9

2.1.2 Cốt thép 10

v

2.1.3 Vật liệu FRP 10

2.1.4 Keo sữa chữa vết nứt 11

2.1.5 Các vật liệu khác 12

2.2 Mẫu thí nghiệm 12

2.2.1 Mẫu khung BTCT có tường chèn bằng gạch KG 13

2.2.2 Mẫu khung BTCT có tường chèn bằng gạch BTCT KB 15

2.3 Quy trình chế tạo mẫu 17

2.4 Thiết bị thí nghiệm 23

2.5 Các công tác kiểm tra trước khi thí nghiệm 25

2.6 Thông số hiện trạng khung trước khi thí nghiệm 26

2.6.1 Khung KG 26

2.6.2 Khung KB 29

2.7 Sơ đồ bố trí chuyển vị kế, cảm biến 31

2.8 Quy trình thí nghiệm và gia cố khung 35

2.9 Phương án gia cố tấm CFRP 38

2.9.1 Phương án gia cố tấm CFRP khung KG-S 38

2.9.2 Phương án gia cố tấm CFRP khung KB-S 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Kết quả thí nghiệm 46

3.1.1 Kiểu phá hoại mẫu 46

3.1.2 Hình thái vết nứt phá hoại mẫu 47

3.1.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm 62

3.1.4 Quan hệ lực – chuyển vị ngang 63

3.1.5 Quan hệ lực – chuyển vị đứng 64

vi

3.1.6 Quan hệ lực – chuyển vị ngoài mặt phẳng 66

3.1.7 Quan hệ lực – biến dạng bê tông 67

3.1.8 Quan hệ lực – biến dạng thép 73

3.1.9 Quan hệ lực – biến dạng FRP 76

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 77

4.1 Kết luận 77

4.2 Hạn chế của đề tài và hướng khắc phục 78

4.2.1 Hạn chế của đề tài 78

4.2.2 Hướng khắc phục 78

4.3 Hướng phát triển đề tài 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 1: QUAN HỆ LỰC - CHUYỂN VỊ NGANG CÁC KHUNG QUA TỪNG CHU KÌ 83

PHỤ LỤC 2: TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KHUNG BẰNG TẤM CFRP 90

vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTCT: Bê tông cốt thép

CFRP: Tấm sợi carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer)

ACI: Viện bê tông Hoa Kì (American Concrete Institute)

CSA: Hiệp hội tiêu chuẩn Canada (Canada Standards Association)

KG-N: Khung BTCT có tường chèn bằng gạch nguyên mẫu

KG-S: Khung BTCT có tường chèn bằng gạch bị hư hỏng, đã gia cố CFRP

KB-N: Khung BTCT có tường chèn bằng BTCT nguyên mẫu

KB-S: Khung BTCT có tường chèn bằng BTCT bị hư hỏng, đã gia cố CFRP

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

i : độ dẻo dai của mẫu khung

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông 9

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của tấm CFRP dùng trong thí nghiệm 10

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của keo Carbotex Impreg 11

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1401: 11

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1400: 12

Bảng 2.6: Thông số hiện trạng, kích thước hình học mẫu KG trước thí nghiệm: 27

Bảng 2.7: Thông số hiện trạng, kích thước hình học mẫu KB trước thí nghiệm: 29

Bảng 2.8: Các cấp chuyển vị trong quá trình gia tải 35

Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả thí nghiệm 62

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các phương pháp gia cố kết cấu hiện nay 2

Hình 1.2: Công trình cải tạo gia cường CFRP không ứng suất trước 2

Hình 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông 9

Hình 2.2: Mô hình 3D khung KG 13

Hình 2.3: Các thông số cấu tạo hình học khung KG 14

Hình 2.4: Mô hình 3D khung KB 15

Hình 2.5: Mặt cắt ngang cấu tạo tường BTCT khung KB 16

Hình 2.6: Chân đế được gia công tại xưởng 17

Hình 2.7: Gia công lắp dựng thép chân đế 17

Hình 2.8: Thép chủ được hàn vào chân đế 18

Hình 2.9: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng thép 18

Hình 2.10: Tiến hành đúc mẫu thí nghiệm 19

Hình 2.11: Kiểm tra độ sụt bê tông 19

Hình 2.12: Khoan cấy bu lông và lắp chân đế ngàm tại phòng thí nghiệm 20

Hình 2.13: Hệ khung chống phản lực trong quá trình thí nghiệm 20

Hình 2.14: Hệ khung cố định kích 21

Hình 2.15: Hệ khung giữ kích sau khi hoàn thiện 21

Hình 2.16: Gia công hệ khung thép bảo vệ 22

Hình 2.17: Mẫu thí nghiệm hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm 22

Hình 2.18: Lắp đặt chuyển vị kế 23

Hình 2.19: Liên kết ngàm tại chân cột 23

Hình 2.20: Kích thủy lực 24

Hình 2.21: Data logger ghi nhận kết quả 24

Hình 2.22: Thông số cảm biến đo biến dạng thép, tấm CFRP 25

Hình 2.23: Kiểm tra kéo bu lông neo 25

Hình 2.24: Kiểm tra lực siết bu lông 26

Hình 2.25: Mẫu được kiểm tra độ lệch trước khi thí nghiệm 26

Hình 2.26: Kích thước thực tế khung KG 28

ix

Hình 2.27: Kích thước thực tế khung KB 30

Hình 2.28: Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế 31

Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị kế CV6 31

Hình 2.30: Sơ đồ bố trí cảm biến bê tông 32

Hình 2.31: Sơ đồ bố trí cảm biến cốt thép 33

Hình 2.32: Sơ đồ bố trí cảm biến tấm FRP 34

Hình 2.33: Đóng ti bơm áp lực keo epoxy 36

Hình 2.34: Bơm tĩnh tường BTCT bằng xy lanh 36

Hình 2.35: Công tác mài bê tông 37

Hình 2.36: Công tác dán tấm CFRP vào bề mặt bê tông cần gia cố 37

Hình 2.37: Mô hình Sap khung KG-N 38

Hình 2.38: Biều đồ moment KG-N 39

Hình 2.39: 3D phương án gia cố FRP cho khung KG-S 39

Hình 2.40: Phương án gia cố khung KG-S 40

Hình 2.41: Chi tiết gia cố các nút khung KG-S (phóng đại) 41

Hình 2.42: Hình ảnh gia cố khung KG-S thực tế 41

Hình 2.43: Hình ảnh nút khung KG-S được gia cố thực tế 42

Hình 2.44: Mô hình Sap khung KB-N 42

Hình 2.45: Biểu đồ moment khung KB-N 43

Hình 2.46: Phương án gia cố khung KB-S 43

Hình 2.47: Chi tiết gia cố các nút khung KB-S (phóng đại) 44

Hình 2.48: Hình ảnh gia cố khung KB-S thực tế 45

Hình 2.49: Nút khung gia cố CFRP (ảnh thực tế) 45

Hình 3.1: Khung bị phá hoại tường và chân cột 46

Hình 3.2: Vết nứt phá hoại cột xảy ra tại mép ngoài tấm CFRP 47

Hình 3.3: Hình thái vết nứt khung KG-N 49

Hình 3.4: Hình ảnh thực tế vết nứt tường khung KG-N 50

Hình 3.5: Hình ảnh thực tế vết nứt cột khung KG-N 51

Hình 3.6: Hình thái vết nứt khung KG-S 53

Hình 3.7: Khung KG-S bị nứt trên tường (ảnh thực tế) 54

x

Hình 3.8: Khung KG-S bị nứt tại chân cột (ảnh thực tế) 55

Hình 3.9: Hình thái vết nứt khung KB-N 57

Hình 3.10: Khung KB-N bị nứt trên tường (ảnh thực tế) 58

Hình 3.11: Bản vẽ hình thái vết nứt khung KB-S 60

Hình 3.12: Khung KB-S bị nứt trên tường (ảnh thực tế) 61

Hình 3.13: Khung KB-S bị nứt phá hoạt tại chân cột ngoài tấm CFRP (ảnh thực tế) 61

xi

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 3.1: Quan hệ lực – chuyển vị ngang 63

Biểu đồ 3.2: Quan hệ lực – chuyển vị 1 65

Biểu đồ 3.3: Quan hệ lực – chuyển vị 8 65

Biểu đồ 3.4: Quan hệ lực – chuyển vị 4 66

Biểu đồ 3.5: Quan hệ lực – chuyển vị 2 66

Biểu đồ 3.6: Quan hệ lực – chuyển vị 5 67

Biểu đồ 3.7: Quan hệ lực – biến dạng bê tông khung KG-N 67

Biểu đồ 3.8: Quan hệ lực – biến dạng bê tông khung KG-S 68

Biểu đồ 3.9: Quan hệ lực – biến dạng bê tông dầm khung KG-S 69

Biểu đồ 3.10: Quan hệ lực – biến dạng bê tông cột khung KG-S 69

Biểu đồ 3.11: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tường (1) khung KG-S 70

Biểu đồ 3.12: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tường (2) khung KG-S 70

Biểu đồ 3.13: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tường (3) khung KG-S 71

Biểu đồ 3.14: Quan hệ lực – biến dạng bê tông dầm khung KB-S 71

Biểu đồ 3.15: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tường (1) khung KB-S 72

Biểu đồ 3.16: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tường (2) khung KB-S 72

Biểu đồ 3.17: Quan hệ lực - biến dạng thép dầm khung KG-N 73

Biểu đồ 3.18: Quan hệ lực - biến dạng thép cột khung KG-N 73

Biểu đồ 3.19: Quan hệ lực - biến dạng thép cột khung KG-S 74

Biểu đồ 3.20: Quan hệ lực - biến dạng thép khung KB-N 75

Biểu đồ 3.21: Quan hệ lực - biến dạng thép khung KB-S 75

Biểu đồ 3.22: Quan hệ lực – biến dạng tấm FRP 76

1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, gia cố công trình là một hướng đi mới Đặc biệt với điều kiện xây dựng hiện nay, với mật độ xây dựng cao trong các thành phố lớn, các công trình cũ

đã qua sử dụng bị hư hỏng hoặc đã bị xuống cấp cần được khôi phục để tiếp tục sử dụng là rất lớn Thêm nữa, các công trình đang sử dụng cần có nhu cầu cải tạo công năng, nâng tầng và nâng cấp công trình thì cũng cần được gia cường bằng phương pháp thích hợp Trước đây, thép tấm, cốt thép, hoặc cáp thép thường được sử dụng

để gia cường cấu kiện và kết cấu bê tông cốt thép, nhưng với trọng lượng nặng của chúng, tính dễ bị ăn mòn của vật liệu thép và sự phức tạp trong công tác gia cố đã làm cho các giải pháp gia cường này phần nào ít được ưa chuộng

Mặc dù có nhiều phương pháp gia cố kết cấu như Hình 1.1, song tấm CFRP vẫn là giải pháp tối ưu với trọng lượng nhẹ, bề dày rất mỏng, không làm tăng tải trọng công trình, giữ nguyên diện tích sử dụng, thuận tiện cho thi công, đồng thời tăng hiệu quả kinh tế và tính thẩm mỹ

(a) Bổ sung cột thép để giảm nhịp nhà (b)Tăng cường các bộ phận kết cấu bằng cốt thép

(c) Lắp đặt tấm thép để gia cố dầm (d) Căng cáp ngoài các bộ phận kết cấu

2

(e) Kết hợp nhiều phương pháp gia cố (f) Lắp đặt CFRP ứng suất trước

Hình 1.1: Các phương pháp gia cố kết cấu hiện nay

Hình 1.2: Công trình cải tạo gia cường CFRP không ứng suất trước

Hiện nay, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về cơ sở khoa học, và kết quả ứng dụng tấm sợi carbon vào kết cấu công trình, nhưng chủ yếu tập trung vào các cấu kiện riêng lẻ như dầm, cột, nút khung Các nghiên cứu về hệ kết cấu còn rất ít cả về

lý thuyết và thực nghiệm Theo tác giả tìm hiểu, cho đến nay, ở Việt Nam chưa có bất kì một nghiên cứu nào về việc gia cố, phục hồi khả năng chịu lực của khung đã

bị hư hỏng

3

Với tình hình nghiên cứu và nhu cầu tất yếu của ngành xây dựng, việc nghiên cứu ứng dụng tấm CFRP vào gia cố khung phẳng đã bị hư hỏng chịu đồng thời tải trọng đứng và ngang là một đề tài cấp thiết, có khả năng ứng dụng cao

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Trong việc phân tích tính toán thiết kế hiện nay ở nước ta, hiện chưa có tiêu chuẩn thiết kế đối với vật liệu gia cường CFRP, việc phân tích tính toán chỉ dựa trên các tiêu chuẩn nước ngoài như: ACI 440.2R-08 [1] và CSA S806-02 [2]

Trong những năm gần, ngày càng có nhiều nghiên cứu sâu rộng về tính hiệu quả của việc tăng cường và sửa chữa các cấu kiện BTCT đang sử dụng được bọc bên ngoài bằng CFRP Các nghiên cứu về cấu kiện BTCT riêng lẻ được gia cường thêm FRP như dầm (Li cùng cộng sự, 2002 [3], 2006 [4]; Rougier cùng Luccioni, 2007 [5]), cột (Binici cùng Mosalam, 2007 [6]; Ozcan cùng cộng sự, 2008 [7]; Promis cùng cộng sự, 2009 [8]; Rougier cùng Luccioni, 2007 [5]), và khớp liên kết (Alhaddad và cộng sự, 2012 [9]; Mahini cùng Ronagh, 2010 [10]) đã cho thấy hiệu quả của phương pháp gia cường Ngoài ra, một số nghiên cứu cũng nhấn mạnh đến các vấn đề kỹ thuật liên quan như phá hoại giòn (brittle debonding failure) và các phương pháp được sử dụng để khắc phục những vấn đề này (Gravina cùng cộng sự,

2013 [11]; Kalfat cùng cộng sự, 2013 [12])

Zou cùng cộng sự (2007) [13] đã khảo sát một khung ba tầng được gia cường với CFRP xung quanh các cột khung Nghiên cứu cho thấy rằng khả năng chịu lực của các cột tăng lên trong khi độ cứng cột được cải thiện nhẹ Việc tăng độ cứng của các cột dẫn đến khả năng kháng chấn tác động lên khung cao hơn Kiểu phá hoại của khung đã được thay đổi từ một cơ chế bên hông cột thành kiểu biến dạng khung tốt hơn với cơ chế ứng xử cột mạnh dầm yếu Ngoài ra, ứng xử của một khung ba tầng được gia cường CFRP dưới các thử nghiệm bán tĩnh đã được nghiên cứu bởi Pampanin và các cộng sự (2007) [14] Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng CFRP xung quanh các khớp có thể dẫn đến sự hình thành các khớp dẻo (the plastic hinges) trong các dầm bên ngoài (chứ không phải trong các khớp nối cột dầm)

Niroomandi cùng cộng sự (2010) [15] đã đánh giá hiệu quả của một khung BTCT gia cường thêm CFRP Mối quan hệ moment – góc xoay của các nút khung

4

BTCT được gia cường thêm CFRP, được phát triển bởi Mahini cùng Ronagh (2010) [10], kết quả thu được bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS (2005) Họ cho thấy hiệu suất và hệ số ứng xử kháng chấn của khung BTCT được gia cường CFRP đã được cải thiện hoặc thậm chí tăng cường đáng kể so với khung gốc không gia cường Vì toàn bộ ứng xử đỉnh (post-peak) khó phân tích được khi sử dụng ANSYS, Niroomandi cùng cộng sự (2010) [10] đã tập trung vào cường độ đỉnh của khung phẳng và các nút khung được gia cường trong nghiên cứu của họ

Nghiên cứu của Hadigheh cùng các cộng sự (2013) [16] thu được kết quả độ cứng kháng uốn sẽ tăng thêm tại các khớp liên kết được gia cường thêm CFRP bằng việc sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus (2007) và đã chứng minh hiệu quả của ứng xử khung BTCT cột mạnh dầm yếu được gia cường tại các khớp liên kết bởi tấm FRP

Ronagh cùng Eslami (2013) [17] đã thành công chỉ ra sự tăng cường khả năng kháng uốn của khung BTCT 8 tầng hợp chuẩn đại diện cho một công trình kết cấu trung tầng sử dụng sợi thủy tinh / sợi cacbon (GFRP / CFRP) để gia cường Nghiên cứu của Hadigheh (2014) [18] đã chứng minh rằng gia cường CFRP có thể cải thiện trên tất cả các khả năng chịu lực bên trong của khung bằng mô hình số Abaqus mô phỏng các nút khung BTCT trước và sau khi gia cường Một phép phân tích chuyển động phi tuyến cũng được thực hiện trong nghiên cứu của ông trên các khung (trước

và sau khi tăng cường) để nghiên cứu ảnh hưởng của giằng thép và việc gia cường CFRP đối với ứng xử kháng chấn của các khung Kết quả cho thấy rằng gia cố CFRP có thể nâng cao hệ số ứng xử, R, của các khung từ 3 – 24% Việc gia cường CFRP không chỉ duy trì khả năng chịu tải bên trong của một khung bị hư hỏng mà còn làm tăng hiệu quả kháng chấn của nó

Batikha cùng Alkam (2015) [19] sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 2D nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chịu nén khối xây gạch bê tông trong gia cường khung BTCT bằng FRP Kết quả cho thấy tường xây khi thay đổi cường độ từ 1.7 - 9.0 MPa làm tăng khả năng chịu tải trọng ngang 40-120% so với khung không có tường Và khi được gia cường bằng FRP tăng từ 13-46% so với không gia cường

5

Ma cùng cộng sự (2016) [20] thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về hiệu quả kháng chấn của các khung với đầy đủ dầm cột sàn BTCT thu nhỏ được gia cường thêm CFRP trước khi động đất Nghiên cứu khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của sàn, dầm ngang và các cách thức gia cường FRP khác nhau đến kiểu phá hoại và hiệu quả kháng chấn của các mẫu khung thu nhỏ FRP làm biến đổi kiểu phá hoại sang khớp dầm như mong muốn, có vai trò rõ rệt trong việc cải thiện khả năng tiêu tán năng lượng và độ dẻo của khung Khi gia cường CFRP với các cách thức khác nhau, nghiên cứu cũng chứng minh được chỉ các mẫu khung gia cường các vùng khớp dẻo của cột cho hiệu quả kháng chấn tốt nhất

Okahashi và Pantelides (2017) [21] tiến hành nghiên cứu trên hai nút khung BTCT, trong đó có một nút khung được gia cường bằng CFRP theo mô hình thanh chống – giằng (STM) Kết quả thí nghiệm cho thấy nút khung được gia cường bằng CFRP đạt tải trọng ngang cực đại gấp 1.5 lần so với mẫu nút khung không gia cường Đồng thời nghiên cứu khi tiến hành mô phỏng mô hình STM, nút khung không gia cường đạt 95% lực cắt nút, trong khi nút khung gia cường CFRP đạt 90% lực cắt nút thực nghiệm

Capani cùng cộng sự (2017) [22] khảo sát thực nghiệm 10 mẫu cột BTCT tiết diện chữ nhật bị hư hỏng và gia cố lại bằng CFRP, trong đó có hai mẫu đối chứng không gia cường CFRP Nghiên cứu đánh giá ứng xử, kiểu phá hoại của mẫu dưới tải trọng nén dọc trục Các mẫu đã được sửa chữa trước khi gia cố bằng CFRP Tương ứng với phương pháp gia cố đơn hướng hay đa hướng, tải trọng phá hoại cải thiện từ 4-10% và 22-29% so với mẫu đối chứng

Gần đây hơn, Li, Chen cùng các cộng sự (2019) [23] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệp và mô phỏng số 9 mẫu khung BTCT có tường chèn chịu các vụ nổ khí Trong đó các mẫu tường được gia cường bằng CFRP theo dạng phân bố, dạng tập trung và mẫu đối chứng không gia cường Bài báo các mẫu tường đã thay đổi ứng

xử từ một chiều sang hai chiều sau khi gia cường CFRP Các mẫu tường được gia cường phá hủy ở các cạnh và giữa nhịp Phương án gia cường theo dải tập trung có tác dụng rõ rệt trong việc cải thiện hiệu quả chống nổ Các mô phỏng số sau khi

Ở Việt Nam, gần đây, việc gia cường kết cấu cũng bắt đầu được nghiên cứu rộng rãi Trong đó chủ yếu là tấm sợi thủy tinh, như tác giả Nguyễn Hùng Phong (2014) Tạp chí Xây dựng tháng 3, Nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi thủy tinh Nguyễn Văn Mợi, Nguyễn Tấn Dũng, Hoàng Phương Hoa (2011), “Nghiên cứu giải pháp gia cường dầm bê tông cốt thép bằng các tấm vật liệu composite sợi carbon”, Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học Đà Nẵng Phan Vũ Phương (2014), nghiên cứu về “Ảnh hưởng yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm cao BTCT gia cường tấm CFRP” Võ Như Quang Vinh (2015), nghiên cứu “Phân tích ảnh hưởng tương tác của cường độ chịu nén bê tông và hàm lượng tấm CFRP đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT kết hợp ứng lực trước” Lương Nguyễn (2015), nghiên cứu “Phân tích ảnh hưởng của tỷ số nhịp cắt – chiều cao làm việc của tiết diện dầm đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm BTCT kết hợp ứng suất trước gia cường tấm CFRP” Trương Thị Phương Quỳnh (2017), nghiên cứu về “Ảnh hưởng của hệ neo CFRP dạng U đến hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông ứng suất trước”

Vũ Thành Đạt (2017), “Khảo sát ứng xử uốn của dầm BTCT gia cường CFRP chịu tải trọng lặp”

Nghiên cứu tiến sĩ của Đinh Lê Khánh Quốc (2017) [25] về “Ứng xử của khung phẳng BTCT có tường xây chèn dưới tác động của tải trọng ngang” cho thấy khung tường xây chèn với khe hở hợp lý có cấp tải gây nứt tường, khung gần như đồng thời và đạt khả năng chịu tải cực hạn Đồng thời, độ cứng của tường xây chèn sau

7

khi nứt không giảm đột ngột mà vẫn còn khả năng tham gia chịu lực cùng khung BTCT Nghiên cứu cũng kiến nghị xem xét đến độ cứng của tường xây chèn khi tính toán công trình chịu tải trọng ngang, lưu ý tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu tại các tầng mềm của công trình

Các nghiên cứu trong nước kể trên đều cho thấy sự gia tăng đáng kể về khả năng chịu lực của dầm sau khi được gia cường tấm CFRP Nhưng chỉ giới hạn ở cấu kiện dầm riêng lẻ, chưa khảo sát kết cấu khung với dầm và cột làm việc kết hợp Mục đích chính của nghiên cứu này là khảo sát hoàn chỉnh ứng xử của một khung BTCT phẳng có chèn tường BTCT hoặc tường gạch Mô hình thí nghiệm của nghiên cứu còn phản ánh thực tế với các lỗ khoét cửa sổ trên tường chèn Đặc biệt nghiên cứu thực hiện với khung đã bị hư hỏng, mất khả năng chịu lực và gia cố lại

1.3 Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Khảo sát thực nghiệm ứng xử, khả năng chịu tải đứng và ngang kết hợp của khung BTCT có tường chèn bằng gạch hoặc BTCT có lỗ mở đã bị hư hỏng sau khi gia cố các nút khung bằng tấm CFRP

1.3.2 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Phương pháp: Nghiên cứu khảo sát, đánh giá bằng thực nghiệm

Phạm vi: Giới hạn việc nghiên cứu cho khung BTCT phẳng một tầng, một nhịp

Đề tài này nhằm khảo sát, đánh giá các giá trị thực nghiệm của việc thiết kế gia cường, khôi phục khả năng chịu lực của khung BTCT có tường chèn đã bị hư hỏng bằng tấm CFRP

8

Tạo nguồn cơ sở dữ liệu đối chiếu cho các nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của khung BTCT có tường chèn đã bị hư hỏng gia cường bằng tấm CFRP chịu tải đứng và ngang kết hợp

 Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần làm sáng tỏ, mở rộng ứng dụng tấm CFRP vào việc thiết kế và thi công gia cố, cải tạo các công trình đã qua sử dụng bị hư hỏng hoặc các công trình có nhu cầu nâng cấp, mở rộng ở nước ta

(M600) Cột –

dầm trên

Kiểm nghiệm MLP Mpa 58.6 48.9 58 54.7 62.5 44.8

B40 (M500)

Hình 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông

10

2.1.2 Cốt thép

Cốt thép dọc sử dụng thép CB400-V có fy = 400 Mpa, fu = 570 Mpa, module đàn hồi E = 200000 MPa Đường kính 20mm cho chân đế và đường kính 16mm cho cấu kiện dầm cột

Cốt thép đai sử dụng thép CB240-T có fy = 240 Mpa, fu = 380 Mpa, module đàn hồi E = 210000 MPa Đường kính 8mm cho đai cột, dầm Vách BTCT dùng lưới thép hàn đường kính 6mm

2.1.3 Vật liệu FRP

Tấm CFRP với các thông số kỹ thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất được trình bày trong bảng 2.2 Keo dán tấm CFRP là loại keo epoxy Carbotex Impreg hai thành phần A-B với các thông số kỹ thuật được nhà sản xuất cung cấp như bảng 2.3

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của tấm CFRP dùng trong thí nghiệm

2.1.4 Keo sữa chữa vết nứt

Keo Epoxy SL 1401 dùng để trám bề mặt vết nứt với thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp như bảng 2.4 Thời gian keo bắt đầu làm việc trong vòng 30 phút và khô cứng sau 3 giờ ở điều kiện 250C

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1401:

Keo Epoxy SL 1400

Keo Epoxy SL 1400 dùng để bơm đầy vết nứt theo các thông số kỹ thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất theo bảng 2.5 Keo đạt cường độ và độ cứng sau 7 ngày

12

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1400:

Keo Epoxy SL 1400

Cường độ chịu lực trên bề mặt xi

2.1.5 Các vật liệu khác

 Thép tấm Q345B cường độ fy = 345 Mpa, fu = 450 Mpa, module đàn hồi E =

200000 Mpa dùng để gia công chân đế, các mặt bích đỉnh dầm, cột

 Vữa xi măng xây tô mác 75

 Bulong neo và liên kết cấp độ bền 10.9 dùng để ngàm chân đế với nền BTCT

 Bulong khoan cấy hóa chất ramset G5

2.2 Mẫu thí nghiệm

Chương trình thí nghiệm bao gồm 02 mẫu: 01 khung BTCT có tường chèn bằng gạch đinh dày 90mm (KG) và 01 khung BTCT có tường chèn bằng BTCT 67mm (KB)

13

2.2.1 Mẫu khung BTCT có tường chèn bằng gạch KG

Hình 2.2: Mô hình 3D khung KG Khung BTCT một tầng, một nhịp có tường chèn bằng gạch KG có chiều cao 3m2 tính từ nền phòng thí nghiệm và được ngàm chặt vào nền bằng 20 bu lông Cả hai cột kích thước bxh = 250x300 mm, bên trong có 6 thanh thép dọc đường kính 16mm, cốt đai đường kính 8mm cách khoảng 100 đến 200mm Đoạn chân cột dày 250mm, rộng 1000mm, bên trong cấu tạo 16 thanh thép đường kính 20mm hàn neo vào chân đế bằng thép tấm Dầm trên và dầm dưới có kích thước và cấu tạo tương

tự Chiều cao 350mm, bề rộng 200mm, bên trong có 6 thanh thép dọc đường kính 16mm, cốt đai đường kính 8mm cách khoảng 100mm ở đoạn đầu dầm L/4, đoạn giữa dầm L/2 cốt đai cách khoảng 200mm Tường được xây bằng gạch đinh kích thước 90x90x180mm, mạch vữa 15mm, không tô vữa hoàn thiện bề mặt Trên tường có hai lỗ mở rộng 1300mm, cao 1150mm cho mỗi ô Chi tiết mẫu trình bày ở

14 Hình 2.3: Các thông số cấu tạo hình học khung KG

15

2.2.2 Mẫu khung BTCT có tường chèn bằng gạch BTCT KB

Hình 2.4: Mô hình 3D khung KB Khung BTCT một tầng, một nhịp có tường chèn bằng BTCT KB có các cấu tạo khung tương tự khung KG Tải trọng đứng được tạo ra bằng 3 khối BT kích thước dài 0.95m, rộng 1.2m và cao 1.05m Tường bê tông cốt thép dày 60mm Bên trong cấu tạo bằng lưới thép hàn đường kính 6mm Chi tiết mẫu trình bày ở hình 2.5

16 Hình 2.5: Mặt cắt ngang cấu tạo tường BTCT khung KB

17

2.3 Quy trình chế tạo mẫu

Bước 1: Gia công chân đế thép

Hình 2.6: Chân đế được gia công tại xưởng Bước 2: Gia công lắp dựng thép chân đế, các thép chủ được hàn vào bản thép

Hình 2.7: Gia công lắp dựng thép chân đế

18

Hình 2.8: Thép chủ được hàn vào chân đế Bước 3: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng thép và tiến hành đúc mẫu tuần tự chân đế, dầm dưới – cột – dầm trên – tường BTCT (cho khung KB)

Hình 2.9: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng thép

19

Hình 2.10: Tiến hành đúc mẫu thí nghiệm

Hình 2.11: Kiểm tra độ sụt bê tông Bước 4: Khoan cấy bu lông và lắp đặt chân đế dưới tại phòng thí nghiệm

21

Hình 2.14: Hệ khung cố định kích

Hình 2.15: Hệ khung giữ kích sau khi hoàn thiện Bước 6: Gia công hệ khung thép bảo vệ trong quá trình thí nghiệm

22

Hình 2.16: Gia công hệ khung thép bảo vệ Bước 7: Chuyển mẫu thí nghiệm vào phòng thí nghiệm, lắp đặt hệ khung bảo

vệ, sau đó lắp đặt các khối tải bê tông kích thước 0.95m x 1.2m x 1.05m

Hình 2.17: Mẫu thí nghiệm hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm

23

Bước 8: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng bê tông, chuyển vị kế

Hình 2.18: Lắp đặt chuyển vị kế Bước 9: Chân cột được ngàm với nền móng

Hình 2.19: Liên kết ngàm tại chân cột

2.4 Thiết bị thí nghiệm

Các thiết bị chính dự kiến phục vụ thí nghiệm:

Khung kích gia tải : Tải trọng tối đa 6000 kN;

Kích thủy lực gia tải : Tải trọng tối đa 6000 kN;

24

Hình 2.20: Kích thủy lực Load cell 5000 kN;

Thiết bị ghi nhận kết quả Data logger và Switching box;

Hình 2.21: Data logger ghi nhận kết quả Phần mềm ghi nhận kết quả Visual LOG TDS-7130;

Chuyển vị kế;

Cảm biến đo biến dạng bê tông, thép, tấm CFRP

25

Hình 2.22: Thông số cảm biến đo biến dạng thép, tấm CFRP

2.5 Các công tác kiểm tra trước khi thí nghiệm

Công tác kiểm tra lực kéo bu lông neo liên kết khung và nền phòng thí nghiệm

Hình 2.23: Kiểm tra kéo bu lông neo Công tác kiểm tra lực siết bu lông liên kết bằng cờ lê lực

26

Hình 2.24: Kiểm tra lực siết bu lông Kiểm tra hiện trạng kích thước hình học khung, độ lệch trong mặt phẳng, ngoài mặt phằng trước thí nghiệm

Hình 2.25: Mẫu được kiểm tra độ lệch trước khi thí nghiệm

2.6 Thông số hiện trạng khung trước khi thí nghiệm

2.6.1 Khung KG