Phân tích ảnh hưởng tương tác cùa cường độ chịu nén bê tông và hàm lượng tấm cfrp đến khả năng kháng cắt của dầm btct kết hợp ứng lực trước

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG VÕ NHƯ QUANG VINH PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC CỦA CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN BÊ TÔNG VÀ HÀM LƯỢNG TẤM CFRP ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

VÕ NHƯ QUANG VINH

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

Chuyên ngành : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Mã số ngành : 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học chính : TS NGUYỄN MINH LONG

Cán bộ hướng dẫn khoa học phụ : TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hô ̣i đồng chấm bảo vê ̣ luâ ̣n văn tha ̣c sĩ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 31 tháng 08 năm 2015

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

1 PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG

2 PGS.TS NGUYỄN VĂN HIỆP

3 TS TRẦN VĂN PHÚC

4 TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

5 TS HUỲNH MINH PHƯỚC

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luâ ̣n văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm ……

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1- TÊN ĐỀ TÀI:

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

2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN :

a) Khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông đến sự làm việc của tấm gia cường CFRP trong dầm ứng lực trước chịu tác dụng của lực cắt

b) Phân tích ảnh hưởng tương tác giữa cường độ bê tông và sự làm việc của tấm CFRP đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm ứng lực trước gia cường tấm CFRP c) Kiểm chứng lại các công thức tính khả năng kháng cắt của tấm CFRP

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/08/2014

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

5- GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH : TS NGUYỄN MINH LONG

6- GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PHỤ : TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Tp HCM, ngày…… tháng…… năm ……

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PHỤ

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của yếu tố cường đô ̣ bê tông đến hiệu quả kháng cắt của tấm gia cường sợi carbon (CFRP) dạng U trên dầm ứng lực trước (ƯLT) tiết diện chữ T Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên tổng cô ̣ng 12 mẫu dầm, trong đó gồm chín mẫu dầm gia cường tấm CFRP da ̣ng U và ba mẫu dầm không gia cường dùng để

so sánh Các dầm có cường đô ̣ chi ̣u nén của bê tông thay đổi lần lượt 38, 55 và 73 MPa Ngoài ra, dựa trên kết quả từ nghiên cứu này và của các nghiên cứu trước đây, đề tài còn trình bày kết quả kiểm chứng một số các công thức dự đoán biến dạng hiệu quả của tấm gia cường cũng như khả năng kháng cắt của dầm do môt số tác giả đề xuất Kết quả cho thấy: (1) giá trị biến dạng lớn nhất của tấm gia cường CFRP dạng U của các dầm thí nghiệm xấp xỉ 2.28 ‰ đến 6.16 ‰ Giá trị biến dạng này chịu ảnh hưởng đáng kể bởi cường đô ̣ chi ̣u nén của bê tông, theo đó tăng cường độ bê tông từ 38 MPa lên 73 MPa làm tăng biến dạng trong tấm CFRP lần lượt 16% (tấm CFRP 1 lớp dạng dải), 75% (tấm CFRP 2 lớp dạng dải) và 57% (tấm CFRP 1 lớp dạng liên tục); (2) 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 và dầm gia cường 2 lớp CFRP có khả năng kháng cắt lớn

làm tăng khả năng khả năng kháng cắt dầm từ 6 % đến 30 % so với dầm đối chứng tương ứng, tăng đáng kể độ cứng của dầm, từ đó làm giảm chuyển vị dầm từ 6% đến 38%; (4)

dm gia cường dạng liên tục tham gia kháng cắt hiệu quả hơn so với dạng dải Cụ thể

là với cùng hàm lượng tấm gia cường, khả năng kháng cắt của dầm gia cường 1 lớp CFRP dạng liên tục cao hơn xấp xỉ khoảng 5% với dầm gia cường 2 lớp CFRP dạng dải; (5) tại thời điểm phá hoại, cốt đai trong các dầm thí nghiệm đều bị chảy dẻo Tuy nhiên, biến da ̣ng cốt đai trong các dầm gia cường nhỏ hơn nhiều so với các dầm đối chứng Sự giảm biến da ̣ng cốt đai của dầm gia cường so với dầm đối chứng tỷ lê ̣ nghi ̣ch với cường đô ̣ chi ̣u nén của bê tông dầm Biến dạng cốt đai có xu hướng

của cả bốn tác giả được trích dẫn trong luận văn này đều cho kết quả giá trị biến dạng hữu hiệu của tấm nhỏ hơn so với kết quả thí nghiệm nhưng kết quả khả năng

giá trị biến dạng hữu hiệu cho kết quả với giá trị trung bình (mean) của tỷ số

fe,pred/fe,exp từ 0.47 đến 0.67; kết quả dự đoán khả năng kháng cắt của tấm có giá trị trung bình từ 1.10 đến 2.02 Do đó, việc áp dụng các công thức dự đoán khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP cho dầm ứng lực trước gia cường tấm FRP là không hợp lý, cần có sự điều chỉnh thích hợp

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Nguyễn Minh Long và Thầy Đặng Đăng Tùng

đã nhiệt tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian làm luận văn

Chân thành cảm ơn các Thầy, Cô và Cán bộ Phòng thí nghiệm kết cấu công trình - Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng (BKsel) - Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị và các ba ̣n lớp Cao học khoá 2012 đã nhiê ̣t tình giúp đỡ

Cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình và hiệu quả của ông ONG WEE KEONG và Công ty FYFE ASIA PTE LTD

Xin chân thành cảm ơn Công ty Cổ phần Chăm sóc Công trình Việt đã hỗ trợ kỹ thuật thi công tấm CFRP và GFRP và Công ty Cổ Phần Kỹ Thuật Nam Công đã hỗ trợ kỹ thuật thi công căng cáp

Chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU 1

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Sơ lược về vật liệu FRP 3

2.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố cường độ bê tông, hàm lượng và kiểu gia cường tấm FRP đến khả năng của dầm gia cường tấm FRP 5

2.3 Tình hình nghiên cứu khả năng kháng cắt của dầm ứng lực trước gia cường tấm FRP 9

2.4 Mô hình và công thức tính khả năng kháng cắt của tấm gia cường FRP 10

2.4.1 Đề xuất của một số tác giả 10

2.4.2 Đề xuất của một số hướng dẫn thiết kế 16

3 MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 20

3.1 Mục tiêu nguyên cứu 20

3.2 Ý nghĩa nguyên cứu 20

3.2.1 Ý nghĩa khoa học 20

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 21

3.3 Nội dung nguyên cứu 21

4 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM 22

4.1 Vật liệu và tính chất cơ lý 22

4.1.1 Bê tông 23

4.1.2 Cốt thép 23

4.1.3 Cáp ứng lực trước 24

4.1.4 Tấm CFRP 25

4.2 Mẫu dầm thí nghiệm 25

4.3 Thiết bị thí nghiệm 34

4.4 Sơ đồ thử tải và lắp đặt thiết bị đo 35

4.5 Quy trình thí nghiệm 38

4.6 Kết quả thí nghiệm – Phân tích và nhận xét và 39

4.6.1 Kiểu phá hoại của dầm 40

4.6.2 Quan hệ lực - chuyển vị của các dầm 43

4.6.2.1 Ảnh hường của cường độ bê tông đến chuyển vị và khả năng kháng cắt của dầm 44

4.6.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng và kiểu dán tấm gia cường đến chuyển vị và khả năng kháng cắt của dầm 47

4.6.3 Quan hệ lực – biến dạng tấm gia cường 48

4.6.3.1 Phân tích ảnh hường của yếu tố cường độ bê tông đến biến dạng của tấm gia cường 49

4.6.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng tấm và kiểu dán 51

4.6.4 Quan hệ lực – biến dạng của cốt đai 52

4.6.5 Biến dạng cáp tại vị trí giữa nhịp 55

4.6.6 Biến dạng của cốt dọc tại vị trí giữa nhịp 58

4.6.7 Quan hệ giữa lực – biến dạng bê tông 60

4.7 Một số kết luận sơ bộ về kết quả thí nghiệm 62

5 PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT 64

5.1 Nhận xét các công thức tính toán kháng cắt dầm gia cường tấm FRP hiện có 64

5.1.1 Công thức của Triantafillou và Antonopoulos 65

5.1.2 Công thức của Khalifa và Nanni 65

5.1.3 Công thức của Chen và Teng 65

5.1.4 Công thức của Monti và Liotta 65

5.2 Kiểm chứng độ chính xác của các công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm FRP đã có theo cường độ chịu nén của bê tông 69

5.3 Kiểm chứng công thức tính khả năng kháng cắt của tấm gia cường FRP hiện có 71

6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

6.1 Kết luận 75

6.2 Kiến nghị 76

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

8 PHỤ LỤC 8-1 8.1 Kết quả thí nghiệm mẫu dầm 8-1 8.2 Kích thướt tiết diện, đặc trưng vật liệu và kết quả thí nghiệm 22 mẫu dầm gia cường 8-13

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

fc,cube Cường độ chịu nén của mẫu bê tông lập phương [MPa]

fsp,cube Cường độ chịu kéo chẻ đôi của mẫu bê tông lập phương [MPa]

k0 Hệ số mô tả số điểm uốn trong dầm thí nghiệm, k0 =1 đối với

dầm 4 điểm uốn, k0 = L/(L-a) đối với dầm 3 điểm uốn

[ ]

chiều; bằng1.4 đối với tấm 2 chiều

[ ]

ke=1.0 đối với tấm FRP dạng U; ke = 2.0 đối với tấm FRP bám

dính mặt bên dầm

[ ]

w f Chiều rộng tấm FRP [mm]

c,exp Biến dạng lớn nhất của bê tông theo thực nghiệm [‰]

v,exp Biến dạng lớn nhất của cốt đai theo thực nghiệm [‰]

Ec Môđun đàn hồi của bê tông [MPa]

cộng sự (2008)

[MPa]

Vu,exp Khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP theo thực nghiệm [kN]

Vu,pred Khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP theo lý thuyết [kN]

Vf,exp Khả năng kháng cắt của tấm FRP theo thực nghiệm [kN]

Vf,pred Khả năng kháng cắt của tấm FRP theo lý thuyết [kN]

V cr, flex Khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP khi vết nứt do uốn

đầu tiên xuất hiện

[kN]

V cr, sh Khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP khi vết nứt do cắt

đầu tiên xuất hiện

[kN]

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Internationale de la Precontrainte

DANH MỤC CÁC BẢNG

Chương 2

Bảng 2.1: Một số đặc tính cơ lý điển hình của tấm FRP 4

Chương 4 Bảng 4.1a: Cấp phối bê tông M350, M450, M550 22

Bảng 4.1b: Cường độ chịu nén và chịu kéo của mẫu thí nghiệm 22

Bảng 4.2: Cường độ chịu khéo của thép dọc và thép đai 24

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của cáp 25

Bảng 4.4: Đặt tính cơ học của tấm sợi gia cường 25

Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật của mẫu dầm thí nghiệm 26

Bảng 4.6: Danh mục thiết bị thí nghiệm 35

Bảng 4.6: Tổng hợp kết quả thí nghiệm 39

Chương 5 Bảng 5.1: Một số công thức tính biến dạng hữu hiệu và khả năng kháng cắt của tấm FRP 66

Bảng 5.2: Kết quả kiểm chứng tính chính xác của các công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm FRP 70

Bảng 5.3: Công thức tính khả năng kháng cắt của tấm CFRP 72

Bảng 5.4: Kết quả kiểm chứng tính chính xác của các công thức xác định sức kháng cắt của tấm CFRP 72

DANH MỤC HÌNH VẼ

Chương 2

Hình 2.1: Hình ảnh CFRP được quét dưới kính hiển vi điện tử 3

Hình 2.2: Các dạng FRP được sử dụng hiện nay 3

Hình 2.3: Sử dụng FRO trong gia cường kết cấu 4

Chương 4 Hình 4.1: Thí nghiệm nén và kéo chẻ bê tông 23

Hình 4.2a: Thí nghiệm kéo thép 24

Hình 4.2b: Kiểu phá hoại của cốt thép khi kéo dọc trục 24

Hình 4.3: Chi tiết bố trí thép, cáp và vị trí dán cảm biến đo biến dạng của cốt thép, cáp trong các dầm 26

Hình 4.4: Vị trí dán cảm biến đo biến dạng bê tông và tấm FRP của dầm 28

Hình 4.5: Công tác cốt thép 29

Hình 4.6: Công tác cốp pha 29

Hình 4.7: Công tác dán cảm biến đo biến dạng cốt thép 30

Hình 4.8: Công tác lắp đặt cốt thép, cáp trước khi đổ bê tông 30

Hình 4.9: Công tác đổ bê tông và đầm dùi 31

Hình 4.10: Dầm sau khi đổ bê tông 31

Hình 4.11: Công tác bảo dưỡng bê tông 32

Hình 4.12: Mẫu dầm thí nghiệm tại thời điểm 28 ngày sau khi đổ bê tông 32

Hình 4.13: Công tác căng cáp 33

Hình 4.14: Công tác làm phẳng mặt bê tông 33

Hình 4.15: Mặt bê tông sau khi làm phẳng 33

Hình 4.16: Trộn và tẩm keo lên bề mặt tấm CFRP 34

Hình 4.17: Phủ keo lên bề mặt dầm và dán tấm 34

Hình 4.18: Các dầm thí nghiệm sau khi được gia cường 34

Hình 4.19: Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm 36

Hình 4.20: Toàn cảnh thí nghiệm trong PTN 36

Hình 4.21: Dán cảm biến (strain gauge) đo biến dạng tấm CFRP 37

Hình 4.22: Dán cảm biến đo biến dạng bê tông 37

Hình 4.23: Lắp đặt kích thủy lực và cảm biến đo lực (load-cell) 37

Hình 4.24: Lắp đặt dụng cụ đo chuyển vị 37

Hình 4.25: Thao tác thí nghiệm 38

Hình 4.26: Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm trong nhóm A 41

Hình 4.27: Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm trong nhóm B 42

Hình 4.28: Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm trong nhóm C 42

Hình 4.29: Quan hệ lực - chuyển vị của dầm nhóm A, B và C 44

Hình 4.30: Sự gia tăng khả năng biến dạng của dầm gia cường tấm CFRP so với dầm đối chứng theo yếu tố cường độ chịu nén của bê tông 45

Hình 4.31: Sự gia tăng khả năng kháng nứt cắt của dầm gia cường tấm CFRP so với dầm đối chứng theo yếu tố cường độ chịu nén của bê tông 46

Hình 4.32: Sự gia tăng khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm CFRP so với dầm đối chứng theo yếu tố cường độ chịu nén của bê tông 47

Hình 4.33: Quan hệ lực-biến dạng tấm CFRP của các dầm gia cường nhóm A, B và C (vị trí có biến dạng lớn nhất) 49 Hình 4.34: Biến dạng lớn nhất của tấm CFRP theo yếu tố cường độ chịu nén của bê

Hình 4.35: Quan hệ lực - biến dạng cốt thép đai của các dầm nhóm A 53 Hình 4.36: Quan hệ lực - biến dạng cốt thép đai của các dầm nhóm B 53 Hình 4.37: Quan hệ lực - biến dạng cốt thép đai của các dầm nhóm C 54 Hình 4.38: Sự giảm biến dạng cốt đai của dầm gia cường so với dầm đối chứng tại cấp tải phá hoại theo yếu tố cường độ chịu nén bê tông 55 Hình 4.39: Quan hệ lực - biến dạng cáp (giữa nhịp) của các dầm nhóm A, B và C 56 Hình 4.40: Biến dạng lớn nhất của cáp tại vị trí giữa nhịp theo yếu tố cường độ bê tông 57 Hình 4.41: Quan hệ lực - biến dạng cốt dọc (giữa nhịp) của các dầm nhóm A, B và

C 58 Hình 4.42: Biến dạng lớn nhất của cốt dọc tại vị trí giữa nhịp theo yếu tố cường độ chịu nén của bê tông 59 Hình 4.43: Quan hệ lực - biến dạng nén bê tông của các dầm nhóm A, B và C 61

Chương 5

Hình 5.1: Tính chính xác của 4 công thức tính theo cường độ chịu nén bê tông 71 Hình 5.2: Tính chính xác của 4 công thức tính theo cường độ chịu nén bê tông 73

Chương 1: GIỚI THIỆU

Trong vài thập kỷ gần đây, việc sửa chữa và gia cường kết cấu trở thành một chủ đề thời sự được quan tâm bởi các kỹ sư xây dựng trong bối cảnh các kết cấu sau một thời gian dài sử dụng dần bị xuống cấp và hư hỏng và đồng thời giải pháp thay thế hoặc xây dựng mới trở nên quá tốn kém Một số phương pháp gia cường kết cấu hiện nay đã

và đang được ứng dụng như: (i) dán thép tấm lên bề mặt kết cấu; (2i) tăng kích thước tiết diện của kết cấu bằng cách phủ thêm lớp áo thép hoặc bê tông; và (3i) tạo thêm

ứng suất có lợi bằng phương pháp căng sau Thực tế đã cho thấy các phương pháp này thường khó thi công và cần chi phí khá lớn Hiện nay, với những đặc tính nổi bật như

có khối lượng riêng nhẹ, cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn, không bị nhiễm từ,

và khả năng tự nội soi nhờ vào các cảm biến sợi quang được lồng ghép vào bên trong như một dạng cốt chịu lực thông minh, giải pháp gia cường sử dụng vật liệu FRP đang nổi lên như một giải pháp gia cường hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế và được cộng đồng kỹ sư xây dựng Việt Nam rất quan tâm

Các tấm gia cường FRP dạng dải, dạng U hay dọc toàn bộ được biết rõ là làm gia tăng khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép (BTCT), tuy nhiên ứng xử kháng cắt của tấm gia cường như thế nào và sự tham gia của chúng được định lượng ra sao, thật sự là rất phức tạp và vẫn chưa được giải quyết một cách trọn vẹn (Khalifa và Nanni, 2000, 2002; Deniaud và Cheng, 2001; Pellegrino và Modena, 2006, Monti và Liotta, 2007, Bukhari và cộng sự 2010, Chen và cộng sự, 2012, Nguyen Minh và cộng sự, 2013, Pellegrino và Vasic 2013) Trong trường hợp các dầm bê tông ứng lực trước (ULT), kiến thức về ứng xử kháng cắt của các dầm loại này khi được gia cường tấm FRP càng trở nên hạn chế do số lượng các nghiên cứu của chúng rất ít ỏi Một số ít các nghiên cứu đã có như của Reed và Peterman (2004); Kim và cộng sự (2012); Kang và Ary (2012); Murphy và công sự (2012) cho thấy hiệu quả làm việc của tấm gia cường FRP được quyết định bởi một số yếu tố như hình dạng tiết diện dầm, hàm lượng tấm, hướng sợi gia cường Trong khi, yếu tố cường độ bê tông được biết là có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bám dính của tấm gia cường (Horiguchi và Saeki, 1997; Hai và cộng sự, 2012; Dong và cộng sự, 2013; Phan Trí Nhân, 2013) nhưng vẫn chưa thấy các nghiên cứu nào trên các dầm ULT gia cường tấm FRP liên quan đến yếu tố trên được công bố,

cũng như kiểu gia cường tấm FRP đến khả năng kháng cắt của dầm ULT vẫn chưa được làm sáng tỏ

Đề tài này tiến hành khảo sát và phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của cường độ bê tông cũng như sự tương tác của nó với hàm lượng tấm và kiểu gia cường đến ứng xử

và khả năng kháng cắt của dầm bê tông ULT tiết diện chữ T Chương trình thực nghiệm được tiến hành trên 12 mẫu dầm, trong đó gồm 9 mẫu dầm gia cường và 3 mẫu dầm đối chứng Dầm có kích thước như sau: chiều cao = 500 mm; bề rộng cánh =

300 mm; chiều dày cánh = 80 mm; và bề rộng sườn = 120 mm Tất cả các dầm được chia làm 3 nhóm với cường độ bê tông khác nhau (35, 45 và 55 MPa) Trong các dầm trong cùng một nhóm có cường độ bê tông như nhau có hai dầm cùng kiểu gia cường nhưng khác nhau về hàm lượng gia cường (0.83 %, 1.66%) và hai dầm cùng hàm lượng tấm (1.66%) nhưng khác kiểu gia cường Các dầm được tạo ứng suất trước bằng

2 cáp không bám dính với đường kính 15.2 mm Lực căng trong mỗi cáp là 180 kN, tương đương với ứng suất căng hữu hiệu 1302 MPa Các nội dung nghiên cứu chính

của đề tài bao gồm: (i) khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông đến biến dạng của tấm gia cường CFRP khi chịu lực cắt; (2i) phân tích ảnh hưởng tương tác giữa yếu tố

cường độ và sự làm việc của tấm CFRP đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm

gia cường; (3i) kiểm chứng các công thức tính khả năng kháng cắt của tấm hiện có dựa

trên kết quả thực nghiệm

Chương 2 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 Sơ lược về vật liệu FRP

Vật liệu FRP là một dạng vật liệu composite được cấu tạo từ 2 thành phần chính gồm chất kết dính và sợi Chất kết dính được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau (epoxy, polyester, vinylester), phổ biến nhất hiện nay là từ nhựa polymer và epoxy Sợi là thành phần chính tạo nên đặt tính cơ lý của FRP Các loại sợi sử dụng phổ biến nhất hiện nay sử gồm có sợi thủy tinh (glass fibers), sợi aramid (aramid fibers) và sợi carbon (carbon fibers) Tùy vào loại sợi mà vật liệu FRP được phân loại thành GFRP (vật liệu gia cường sợi thủy tinh), AFRP (vật liệu gia cường sợi aramid) và CFRP (vật liệu gia cường sợi carbon) Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng

tấm, thanh, cáp, vải (Hình 2.1) Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường

dùng các loại FRP dạng tấm và dạng thanh Một số đặc tính cơ lý điển hình của tấm

FRP được thể hiện trong Bảng 1

Hình 2.1: Hình ảnh CFRP được quét dưới kính hiển vi điện tử

Hiện nay vấn đề ứng dụng vật liệu FRP trong các công trình xây dựng đang theo 3

hướng chính: (i) vật liệu FRP được sử dụng làm vật liệu gia cường, sửa chữa; (2i) vật liệu FRP được sử dụng làm cốt chịu lực trong kết cấu công trình; và (3i) bê tông sợi

FRP Trong vấn đề gia cường kết cấu, vật liệu FRP ở dạng tấm được sử dụng phổ biến nhất Tấm FRP được sử dụng để tăng khả năng kháng uốn, cắt của dầm và sàn và còn được sử dụng nhiều để tăng cường khả năng kháng uốn-nén và độ dẻo dai cho cột BTCT đặc biệt dưới tác dụng của tải trọng động

Gia cường CFRP khả năng kháng cắt dầm Gia cường khả năng kháng cắt dầm và cột

Gia cường sàn có lỗ mở Gia cường khả năng kháng uốn sàn

2.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố cường độ bê tông, hàm lượng và kiểu

gia cường tấm FRP đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP

Horiguchi và Saeki (1997) nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ chịu nén bê tông đến

khả năng bám dính của tấm CFRP Tác giả tiến hành khảo sát với cường độ chịu nén

của bê tông thay đổi là 10.5MPa, 31.4MPa và 46.1MPa Kết quả cho thấy có 3 kiểu

phá hoại thường xảy ra là: bê tông bị phá hoại cắt; phá hoại do bóc tách giữa bê tông

và tấm CFRP; và phá hoại đứt tấm CFRP Khi cường độ chịu nén của bê tông nhỏ hơn

25.3 MPa, phá hoại xuất hiện trong bê tông; phá hoại bóc tách xuất hiện khi tăng

cường độ bê tông; tấm FRP bị phá hoại khi sử dụng bê tông cường độ cao Cường độ

bám dính của tấm tỷ lệ thuận với cường độ chịu nén của bê tông

Deniaud và Cheng (2001) nghiên cứu sự tương tác của bê tông, thép đai và loại tấm

FRP đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT dạng T gia cường trên 8 mẫu dầm T

140×400×600×3700 mm có cường độ chịu nén của bê tông 44.1MPa Dầm được gia

cường 3 loại tấm FRP khác nhau: tấm GFRP 1 phương, tấm CFRP 1 phương,

SN, S2 và S4 tương ứng với dầm không có thép đai, dầm có khoảng cách đai 200mm

và 400mm Các dầm được gia cường tấm FRP dạng U và có góc hướng sợi của tấm so với trục dầm là (00, 450, 900, 600 , -600) Kết quả thí nghiệm 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

Khalifa và Nanni (2002) thí nghiệm trên 12 mẫu dầm BTCT kích thước 305×150×3050mm Các dầm được chia làm 2 nhóm (SW và SO) để khảo sát các tham

số: tỷ số nhịp cắt (a/d); hướng sợi gia cường; và dạng gia cường Nhóm SW gồm 4

mẫu dầm cường độ chịu nén bê tông 19.3 MPa, Nhóm SO gồm 8 mẫu dầm cường độ chịu nén của bê tông là 27.5 MPa Trong mỗi nhóm SW và SO chia làm 2 nhóm nhỏ

SW3, SW4, SO3, SO4 với tỷ lệ nhịp cắt (a/d = 3 và 4) Các mẫu dầm được gia cường

với hướng sợi so với trục dầm (00 và 900) và có dạng gia cường khác nhau (dạng U và dạng dán 2 mặt bên) Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng tấm thì khả năng kháng cắt tăng ít Khi gia cường góc hướng sợi 00 làm tăng khả năng kháng cắt theo hướng dọc trục Ngoài ra, tác giả còn kiến nghị khảo sát thêm các tham số ảnh hưởng đến khả năng kháng cắt của dầm như hàm lượng cốt dọc và cường độ bê tông

Zang và cộng sự (2004) thí nghiệm trên 16 mẫu dầm cao có kích thước 101.6×228.6×914.4 mm để khảo sát các tham số: tỷ lệ nhịp cắt a/d; và ảnh hưởng của loại tấm CFRP Tất cả các mầu dầm thí nghiệm không bố trí cốt thép chịu cắt được chia làm 4 nhóm Dầm nhóm 1 và 2 được gia cường tấm CFRP (Sika Carbodur Strip) kiểu dạng dán 2 mặt bên, góc của hướng sợi so với trục dầm thay đổi (00, 450, 900), tỷ

lệ nhịp cắt tương ứng 1.11 và 1.67 và hàm lượng tấm thay đổi từ 1.7 đến 5.37% Dầm nhóm 3 và 4 được gia cường tấm CFRP (Sika Wrap Hex 230c) dạng dán 2 mặt bên và dán kiểu U, góc hướng sợi so với trục dầm thay đổi (00+900, 900), tỷ lệ nhịp cắt và hàm lượng tấm thay đổi tương tự nhóm dầm 1 và 2 Dựa trên kết quả thí nghiệm cho thấy:

(i) tỷ lệ nhịp cắt a/d giảm thì khả năng kháng cắt tăng; (2i) các tấm khác nhau có khả năng kháng cắt khác nhau; (3i) tỷ lệ nhịp cắt a/d giảm thì khả năng kháng cắt của dầm

gia cường tấm CFRP dạng dải với góc hướng sợi 450 tăng, nhưng giảm với hướng sợi

00; (4i) gia cường dạng U làm tăng khả năng kháng cắt của dầm nhiều nhất

Cao và cộng sự (2005) khảo sát khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP dựa trên

các thông số: tỷ lệ nhịp cắt (a/d); hàm lượng tấm và loại tấm Có 18 mẫu dầm được

chia làm 3 nhóm là A, B, L Kích thước các mẫu dầm 150×250×2000 mm với chiều cao làm việc 222.5 mm Dầm nhóm A có cường độ chịu nén của bê tông là 30.5 MPa, được gia cường tấm CFRP với hàm lượng tấm thay đổi (0.37, 0.53, 1.1 %), tỷ lệ nhịp cắt là 1.8 và 2.7 Dầm nhóm B và L có cường độ chịu nén của bê tông là 30 và 17.8 MPa, được gia cường 2 loại tấm GFRP có chiều dày (1.27 – 1.2mm), cường độ chịu kéo từ 260 đến 112 MPa và mô-đun đàn hồi từ 20.5 đến 5.3 GPa, hàm lượng tấm GFRP thay đổi từ 0.09% đến 0.55% và tỷ lệ nhịp cắt a/d từ 1.35 đến 2.92 Kết quả cho thấy hệ số phân bố biến dạng (giá trị biến dạng trung bình của tất cả các biến dạng tấm

FRP dán theo dãy) giảm khi tỷ lệ nhịp cắt a/d tăng

Sim và cộng sự (2005) nghiên cứu 10 mẫu dầm gia cường các loại tấm khác nhau CFRP, GFRP, CFS, có kích thước 250×250×1400 mm, cường độ chịu nén của bê tông

24 MPa, tỷ lệ nhịp cắt a/d=1.7 Các thông số được khảo sát gồm dạng gia cường (dạng

U, dạng bọc 2 bên và dạng bọc toàn bộ), góc hướng sợi so với trục dầm (450, 900) Các loại tấm CFRP, CFS, GFRP có cường độ chịu kéo lần lượt 3160, 350, 450 MPa; mô-đun đàn hồi lần lượt 160, 240, 23 GPa Kết quả thu được như sau: (1) các dầm gia cường đều bị phá hoại giòn với sự bóc tách của tấm FRP; (2) các loại vật liệu gia cường khác nhau không ảnh hưởng nhiều đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường; (3) dầm gia cường có góc hướng sợi 450 ảnh hưởng mạnh đến khả năng kháng cắt và hạn chế sự lan truyền của vết nứt rất hiệu quả

Carolin và Täljsten (2005a) nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT gia cường tấm CFRP chịu lực cắt Các thông số khảo sát là: chiều dài nhịp; chiều dày và hướng sợi tấm FRP; và hàm lượng cốt đai Tổng cộng 23 dầm BTCT có cường độ chịu nén của bê tông là 55 MPa được thử nghiệm Các dầm được chia làm 2 nhóm Nhóm A gồm 20 dầm kích thước 4500×180×500 mm được bố trí cốt đai cấu tạo Nhóm B gồm 3 dầm kích thước 3500×180×400 mm được bố trí cốt đai theo thiết kế Tấm CFRP có chiều dày khác nhau (1, 2, 3 tương ứng 125, 200, 300 g/m2) và có hướng sợi gia cường theo các góc khác nhau so với trục của dầm (+450, -450, 900 và 00) 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 Các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số như loại tấm gia cường FRP, chiều cao dầm, hàm lượng cốt đai và cường độ bê tông đến khả năng kháng cắt của dầm Các dầm được chia làm 2 nhóm (SR1, SR2, SR3, SR4, SR5) và (SR6, SR7) có cường độ bê tông thay đổi 20 MPa và 30MPa Kích thước 6 mẫu dầm (SR1, SR2, SR3, SR4, SR6, SR7) là 150×300×1700 và mẫu dầm (SR5) có kích thước 150×250×1700 mm Mẫu dầm SR1

và SR6 là dầm đối chứng không gia cường tấm FRP Mẫu dầm SR3, SR4, SR5, SR7 được gia cường tấm CFRP 2 lớp dạng U Mẫu dầm SR2 gia cường tấm GFRP 1 lớp dạng U 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

Phan Trí Nhân (2013) nghiên cứu ảnh hưởng tương tác của cường độ bê tông và loại tấm đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP Tác giả thí nghiệm trên 09 dầm 150x450x3100 chia làm 03 nhóm với cường độ chịu nén M300, M550, M750, hai loại tấm sử dụng là GFRP và CFRP Kết quả cho thấy: i) Giá trị biến dạng lớn nhất của tấm gia cường dạng U của các dầm thí nghiệm xấp xỉ 3.35 ‰ đến 4.05 ‰ (tấm GFRP)

và 2.28 ‰ đến 3.58 ‰ (tấm CFRP) Giá trị biến dạng này chịu ảnh hưởng đáng kể 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 trong tấm GFRP và CFRP lần lượt 17 % và 36 %; tăng tốc độ biến dạng của tấm GFRP và CFRP lần lượt là 1.7 và 1.5 lần (trong giai đoạn vết nứt xiên phát triển); thay đổi kiểu phá hoại của dầm từ cắt-nén vỡ bê tông sang cắt và bóc tách tấm ii) 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 67% (dầm GFRP) và từ 28 % đến 75 % (dầm CFRP).iii) 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

2.3 Tình hình nghiên cứu khả năng kháng cắt của dầm ứng lực trước gia cường tấm FRP

Reed and Peterman (2004) tiến hành thí nghiệm uốn và cắt trên 6 mẫu dẫm tiết diện chữ T độc lập Các tác giả khảo sát ảnh hưởng của đầu mút thừa đến khả năng kháng cắt của dầm Hai dầm gia cường CFRP được thí nghiệm không có đầu mút thừa (NOH) và ba dầm gia cường còn lại có đầu mút thừa (OH) với chiều dài 0.61m tính từ gối tựa Kết quả cho thấy dầm gia cường không có đầu mút thừa có khả năng kháng cắt cao hơn 16% so với dầm không gia cường Dầm gia cường có đầu có đầu mút thừa

có khả năng kháng cắt cao hơn 28% so với dầm không gia cường Sự gia tăng này được các tác giả giải thích có thể do tấm CFRP đã kiểm sóat tốt các vết nứt xiên làm tăng sự đóng góp kháng cắt theo cơ chế chốt chặn Ngoài ra, kết quả thí nghiệm từ nghiên cứu này còn cung cấp những thông tin hữu ích về ảnh hưởng của tấm CFRP đến cơ chế nứt trong các dầm Mẫu dầm không có đầu mút thừa bị phá hoại theo kiểu trượt cáp (bond-slip) do sự lan truyền vết nứt xiên vào vùng chuyển (transfer-zone) của cáp ứng lực

Kim và cộng sự (2012) khảo sát thực nghiệm trên bốn dầm chữ I, gồm một dầm đối chứng (I-1), dầm được gia cường tấm CFRP theo hướng dọc (I-2), dầm gia cường theo dạng bọc toàn dầm (I-3), và dầm được gia cường theo 2 hướng dọc và ngang (I-4) Tất

cả các dầm gia cường đều có sử dụng hệ neo CFRP để chống bong tách tấm CFRP ra khỏi bề mặt bê tông Kết quả cho thấy việc gia cường tấm CFRP làm cho cấu kiện bị phá hoại giòn hơn Gia cường tấm CFRP hướng dọc làm giảm đáng kể sự phát triển vết nứt (tải gây nứt của dầm I-2 tăng 24% so với dầm đối chứng I-1) nhưng không tăng khả năng kháng cắt Gia cường tấm CFRP theo hướng dọc và hướng ngang kết hợp làm tăng rất đáng kể khả năng làm việc của dầm ( dầm I-3 và I-4 tăng 50% tải gây nứt và tăng 38% tải tới hạn so với dầm đối chứng I-1) nhưng sự tăng cường khả năng kháng cắt không tỷ lệ thuận với số lượng tấm CFRP Dùng nhiều tấm CFRP gia cường làm cho biến dạng trong tấm nhỏ hơn so với việc dùng ít tấm Ứng suất được phân bố lại trong tấm CFRP dọc; tấm nằm trong phần trung tâm của nhịp cắt sẽ chịu hầu kết ứng suất lúc ban đầu, và ứng suất phân bố ra phía ngoài khi nó gần tới phá hoại

Kang and Ary (2012) thí nghiệm trên 3 dầm ứng lực trước tiết diện chữ I Trong đó

khoảng cách tấm là 10 in, một dầm IB-05 được gia cường bằng tấm CFRP chữ U dày

3 in khoảng cách tấm là 5 in Kết quả thực nghiệm cho thấy độ võng cực hạn của dầm IB-10 tăng 28% so với dầm không gia cường, trong khi đó độ võng cực hạn của dầm IB-05 giảm 2% so với dầm không gia cường Khả năng chịu cắt của dầm IB-05 và IB-

10 tăng lần lượt là 38% và 1.5% so với dầm không gia cường Điều này cho thấy khoảng cách tấm CFRP lớn hơn một nữa chiều sâu hữu hiệu không cải thiện đáng kể khả năng chịu cắt của dầm trong khi khoảng cách tấm nhỏ hơn một nữa chiều sâu hữu hiệu cho kết quả đầy hứa hẹn Mode phá hoại của tấm CFRP chủ yếu là bị đứt ở tải cực hạn Một số dải CFRP của dầm IB-05 bị bong tách ra khỏi mặt bê tông tại vị trí vác góc của dầm chữ I

Murphy và công sự (2012) thí nghiệm trên 16 dầm ứng lực trước kích thước thực tiết diện chữ I Kết quả thí nghiệm cho thấy mode phá hoại của dầm ứng lực trước gia cường kháng cắt bằng dán FRP bị ảnh hưởng bởi độ cứng của cánh trên và cánh dưới

và sự bong tách của tấm FRP

2.4 Mô hình và công thức tính khả năng kháng cắt của tấm gia cường FRP

Cơ chế kháng cắt của dầm bê tông ứng lực trước gia cường tấm FRP rất phức tạp Hiện nay phương pháp phổ biến để tính khả năng kháng cắt của dầm ứng lực trước gia cường tấm FRP là thông qua sự chồng chất khả năng kháng cắt của bê tông Vc, đóng góp của cốt đai Vs, đóng góp của thành phần đứng của lực căng trong cáp Vp và đóng góp của tấm FRP V f Giới hạn lực cắt được tính theo công thức:

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 Sau đây là một số mô hình và công thức tính khả năng kháng cắt của tấm FRP Vf

2.4.1 Đề xuất của một số tác giả

(a) Mô hình của Triantafillou (1998) và của Triantafillou - Antonopoulos (2000)

Mô hình của Triantafillou (1998) là một trong những mô hình đầu tiên được đề xuất nhằm dự đoán khả năng kháng cắt của tấm FRP và được dựa trên “mô hình dàn” (truss analogy) Theo kết quả thực nghiệm của các tác giả trước đó, Triantafillou đã tính khả năng kháng cắt của tấm FRP như sau:

(mm) là khoảng cách giữa các trục tấm FRP; bw và d (mm) là bề rộng và chiều cao làm

việc của dầm; Ef (MPa ×103) là mô-đun đàn hồi của tấm;  là góc giữa hướng sợi chính và trục dầm; εfe là biến dạng hữu hiệu của tấm FRP và được xác định theo độ

cứng dọc trục của tấm (axial rigidity) ρfEf theo công thức (2.2) và (2.3):

Triantafillou and Antonopoulos (2000) nhận thấy rằng biến dạng hữu hiệu của tấm εfe

còn phụ thuộc vào dạng phá hoại, dạng tấm gia cường (dạng U hay dạng bọc toàn bộ)

và vật liệu (CFRP hay AFRP)

Trong trường hợp bọc toàn bộ với CFRP:

0.30 2/3

0.17 c

f f

f E

0.048 c

f f

f E

Khalifa và cộng sự (1998) hiệu chỉnh mô hình Triantafillou (1998) để tính khả năng kháng cắt của tấm Theo đó, khả năng kháng cắt của tấm được xác định tương tự như cốt đai:

Trong đó, Af = 2wftf (mm2) là diện tích của tấm FRP; wf (mm) là bề rộng của tấm FRP;

sf (mm) là khoảng cách giữa của tấm FRP; df (mm) là chiều cao làm việc của tấm;  là

góc giữa hướng sợi chính và trục dầm; ffe =Ef εf (MPa) là ứng suất kéo hữu hiệu trong tấm FRP khi dầm bị phá hoại do cắt

Khi đó công thức (2.7) được thể hiện như sau:

R là hệ số giảm biến dạng, được xác định như sau:

 Phá hoại sợi trong tấm FRP

2

Chiều dài bám dính hữu hiệu Le (mm) được tính theo công thức của Maeda và cộng sự (1997):

 

6.134 0.58lnt E f f e

Khalifa và Nani (2000) đề xuất tính Vf tương tự như trên nhưng khác là chiều dài bám

dính hữu hiệu Le được lấy bằng 75 mm và hệ số giảm biến dạng R được lấy là giá trị

nhỏ nhất của 3 giá trị được tính theo các công thức (2.16), (2.17) và (2.18):

(c) Mô hình của Chen và Teng (2001; 2003a và 2003b)

Chen và Teng (2001, 2003a, 2003b) cũng đề xuất công thức tính năng kháng cắt của tấm FRP dựa trên mô hình dàn trong đó hệ số giảm ứng suất trong tấm được sử dụng thay vì hệ số giảm biến dạng tấm như các mô hình trước đó Khả năng kháng cắt của tấm FRP được tính như sau:

cos cos sin

z t 0.1dd ft 0.1d d ft (2.23)

Trong đó, zt (mm) là khoảng cách từ mặt chịu nén dầm đến mặt trên của FRP; zb (mm)

là khoảng cách từ mặt chịu nén dầm đến mặt dưới của FRP

Với trường hợp phá hoại bong tách tấm FRP, mô hình phá hoại neo được phát triển bởi Chen and Teng (2003b) và ứng suất cực đại trong tấm FRP tại vị trí không bám dính là:

Hệ số  được xác định qua tỉ số của chiều dài bám dính lớn nhất Lmax (mm) và chiều

dài bám dính hữu hiệu Le (mm):

e

L L

c

E t L

f



Chen và Teng giả định rằng ứng suất kéo của tấm FRP tại vị trí vết nứt xuất hiện là

ứng suất chịu kéo tới hạn của tấm Theo giả thiết này hệ số phân bố ứng suất Df cho phá hoại bong tách tấm và ứng suất kéo lớn nhất trong tấm FRP được tính từ công thức (2.32) và (2.33):

1 cos

sin22

f f

f E f t

(d) Mô hình của Carolin và Täljsten (2005) và của Sas và cộng sự (2008)

Mô hình của Carolin (2003), Carolin và Täljsten (2005), và Sas và cộng sự (2008) dựa trên mô hình thanh chống giằng Khả năng kháng cắt của tấm FRP được tính theo công thức (2.34):

sinsin

h f h f

f

d h

Trong đó, fu là biến dạng tới hạn trong sợi; cmax là biến dạng cực đại trong bê tông; 

là góc giữa ứng suất kéo chính và trục dầm;  là góc giữa hướng sợi chính và trục dầm

Biến dạng trong sợi εbond được tính theo công thức:

w r s

Biến dạng hữu hiệu của tấm FRP, εfe phụ thuộc vào dạng phá hoại Khi dạng phá hoại

là phá hoại sợi trong tấm FRP, biến dạng hữu hiệu của tấm là:

Trong đó, E f là mô-đun đàn hồi của tấm FRP(GPa); t f (mm) là chiều dày FRP; A f =

2t f w fe (mm2) là diện tích của tấm FRP; sf (mm) là khoảng cách giữa các tâm tấm FRP;

d f (mm) là chiều cao hữu hiệu tấm FRP; f’c (MPa) là cường độ chịu nén của bê tông;

γmF là hệ số an toàn của tấm FRP và (= 1.4 đối với CFRP, = 1.5 đối với AFRP, và =3.5

đối với GFRP); f là hàm lượng tấm FRP (= (2tf/b w )(w f /s f) đối với dầm gia cường FRP theo dải, và = (2tf/bw) đối với dầm gia cường FRP liên tục); w fe (mm) bề rộng hữu hiệu

của tấm phụ thuộc vào hình dạng gia cường của FRP (= (d f – L e ) đối với dạng U, = (d f

– 2L e ) với dạng bám dính mặt); Le (mm) là chiều dài bám dính hữu hiệu:

(b) FIB (2001)

Hướng dẫn của FIB (2001) được hình thành dựa trên nghiên cứu của Triantafillou và

3

0.3 2/3

c

fu

f f

f E

f E

Theo CNR khả năng kháng cắt của tấm FRP, Vf, được tính như sau:

1 0.9 2 cos cos f

w

r b

   , 0 c 0.5

w

r b

2

f f e

c

E t L

f



20.80 f fk fdd

E G f

,

1 0, 6 min 0.9 ;

red eq f

uf eq

s L

Trong đó, Rd là hệ số an toàn lấy bằng 1.2 ffed (MPa) là giá trị ứng suất hữu hiệu thiết

kế của tấm FRP ffd (MPa) là giá trị ứng suất tới hạn thiết kế của tấm FRP ffdd (MPa) là

giá trị ứng suất thiết kế của tấm FRP cho trường hợp không bám dính Gfk (N/mm) là

năng lượng phá hủy suf (mm) là chuyển vị trượt của tấm FRP tại vị trí không bám dính (= 0.2 mm)

(d) ACI 440.2R-08 (2008)

Hướng dẫn ACI 440.2R-08 được hình thành trên cơ sở các nghiên cứu của Trianfallou (1998), Khalifa và cộng sự (1998) ACI 440.2R-08 xác định khả năng kháng cắt của tấm FRP tương tự như cốt đai:

Trong đó, Af (mm2) là diện tích tiết diện ngang của tấm FRP, Af = 2ntfwf n, tf và wf

lần lượt là số lớp, chiều dày và bề rộng của tấm Ef (GPa) là mô-đun đàn hồi của tấm

df (mm)là chiều cao làm việc tấm FRP  là góc giữa hướng sợi chính và trục dầm sf

(mm) là khoảng cách giữa các dải

ACI 440.2R-08 giới hạn biến dạng cực hạn của FRP εfu, biến dạng hữu hiệu εfe bằng

cách sử dụng hệ số giảm bám dính kv Hệ số này được xác định dựa trên chiều dài bám

dính hữu hiệu Le (mm) và cường độ chịu nén của bê tông fc’ Chiều dài bám dính hữu hiệu chịu ảnh hưởng bởi độ cứng của tấm FRP:

Hệ số giảm bám dính kv và biến dạng hữu hiệu εfe được tính theo các công thức (2.89)

và (2.90):

1 2 0.7511900

e v

Chương 3 : MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã được trình bài trong phần tổng quan, đề tài đề xuất

3 mục tiêu nghiên cứu chính sau:

CFRP dạng dải chữ U trong dầm ứng lực trước chịu cắt

FRP đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm bê tông ứng lực trước gia cường tấm CFRP dạng dải chữ U

chữ U cho trường hợp các dầm bê tông ULT tiết diện chữ T

3.2 Ý nghĩa nghiên cứu

3.2.1 Ý nghĩa khoa học

Yếu tố cường độ bê tông được biết là có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ bám dính của tấm gia cường nhưng cho đến thời điểm hiện tại vẫn chưa thấy các nghiên cứu nào trên các dầm ULT gia cường tấm FRP liên quan đến yếu tố trên được công bố Hàm lượng tấm gia cường được cho là tỉ lệ nghịch với biến dạng của tấm, nhưng ảnh hưởng tương tác của yếu tố cường độ chịu nén bê tông và hàm lượng tấm gia cường đến biến dạng tấm gia cường như thế nào vẫn chưa được làm sáng tỏ Ngoài ra, trong bối cảnh khan hiếm các nghiên cứu kháng cắt trên dầm bê tông ULT gia cường tấm FRP, việc tính toán khả năng kháng cắt của các dầm này trong thực tế vẫn dựa rất nhiều vào các nghiên cứu trên các dầm BTCT gia cường, trong khi ứng xử của dầm ứng lực trước không hoàn toàn giống dầm thường do có lực căng cáp Lực này được biết có tác dụng đóng vết nứt lại, làm tăng tải trọng gây nứt, tăng hiệu ứng cài móc và hiệu ứng chốt chặn Ngoài ra, ứng suất căng trước ứng suất phân bố trong dầm ULT khác với dầm BTCT truyền thống Chính những điều này làm cho biến dạng tấm gia cường của dầm ULT không giống so với dầm thường, từ đó ít nhiều có thể đã làm mất đi tính chính

nghiên cứu này góp phần làm sáng tỏ hơn ảnh hưởng của cường độ bê tông đến sự làm việc của tấm gia cường CFRP trong dầm ứng lực trước tiết diện chữ T chịu cắt và đồng thời một qui luật về ảnh hưởng tương tác giữa cường độ chịu nén của bê tông và hàm lượng tấm đến biến dạng của tấm gia cường cũng được rút ra nhằm phục vụ cho việc dự đoán khả năng chịu cắt của tấm trở nên chính xác và hợp lý hơn

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Hiện nay nghiên cứu thực nghiệm về kháng cắt của dầm ứng lực trước gia cường tấm FRP ở Việt Nam chưa được thực hiện Nghiên cứu này có thể là nguồn dữ liệu có giá trị cho những nghiên cứu và ứng dụng sau này ở Việt Nam

3.3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được những mục tiêu nghiên cứu đề xuất, đề tài tiến hành thực hiện các nội dung sau:

(a) Lập chương trình thực nghiệm trên 12 mẫu dầm BTCT gồm: 3 mẫu dầm đối chứng, 3 mẫu dầm gia cường tấm CFRP 1 lớp dạng dải chữ U hàm lượng 0.83%, 3 mẫu dầm gia cường tấm CFRP 2 lớp dạng dải hàm lượng 1.66 %, 3 mẫu dầm gia cường tấm CFRP 1 lớp dạng liên tục hàm lượng 1.66% Các dầm có cùng kích thước hình học, hàm lượng cốt dọc và cốt đai, có cùng độ lớn ứng suất căng trước hữu hiệu nhưng có cường độ bê tông khác nhau 35, 45, và 55 MPa;

(b) Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của yếu tố cường độ bê tông đến sự làm việc của tấm gia cường CFRP dạng chữ U và qua đó đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm ULT gia cường;

(c) Khảo sát ảnh hưởng tương tác giữa cường độ bê tông và hàm lượng, kiểu gia cường tấm CFRP dạng chữ U đến biến dạng tấm qua đó đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm ULT gia cường;

(d) Tính toán và kiểm chứng lại các công thức tính khả năng kháng cắt của tấm FRP hiện có dựa trên kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu này và của một số tác giả khác; nhận xét và đánh giá mức độ chính xác của từng công thức

Chương 4 : PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM

4.1 Vật liệu và tính chất cơ lý

4.1.1 Bê tông

Sử dụng bê tông thương phẩm của Công ty Lê Phan có cường độ chịu nén 35, 45 và 55

MPa Cấp phối chi tiết của bê tông sử dụng được trình bày trong Bảng 4.1a Cường độ

chịu nén fc,cube và kéo fsp,cube thực tế của bê tông được xác định thông qua kết quả nén 6

mẫu lập phương 150×150×150 mm được thể hiện ở Bảng 4.1b

Bảng 4.1a : Cấp phối bê tông M350, M45 và M550

Mighty 3000RC

Bảng 4.1b: Cường độ chịu nén và chịu kéo của các mẫu thí nghiệm

Kí hiệu mẫu thí nghiệm

Mỗi cấp cường độ chịu nén bê tông lấy 06 mẫu gồm 3 mẫu nén và 03 mẫu kéo Các mẫu được lấy ở các mẻ trộn khác để đảm bảo sự đồng nhất về cường độ của dầm thí

nghiệm và được ký hiệu tên mẫu, ngày đổ mẫu Mẫu được bảo dưỡng trong 28 ngày

và sau đó tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 4453-1995 (Hình 4.1)

(a)

(b)

Hình 4.1: Thí nghiệm nén và kéo chẻ bê tông: (a) mẫu thí nghiệm; (b) kiểu phá hoại

nén và kéo chẻ bê tông

4.1.2 Cốt thép

Cốt thép sử dụng trong dầm là thép Vinakyoe Cốt thép dọc có đường kính 12 mm và

25 mm Giới hạn chảy và giới hạn bền của cốt thép dọc được xác định trung bình trên

3 mẫu thể hiện trong Bảng 4.2 Thép ngang (thép đai) có đường kính 6 mm, giới hạn chảy và giới hạn bền trung bình trên 3 mẫu được thể hiện trong Bảng 4.2 Thí nghiệm kéo thép được thực hiện dựa theo tiêu chuẩn TCVN 1651-2008 (Hình 4.2a) và kiểu phá hoại của thép khi chịu kéo dọc trục được thể hiện (Hình 4.2b)