Khả năng kháng cắt dầm btct gia cường tấm gfrp với vất nứt có sẵn vấn đề ảnh hưởng kích thước tiết diện

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG --- ĐẶNG TIẾN ĐỨC KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT DẦM BTCT GIA CƯỜNG TẤM GFRP, CFRP VỚI VẾT NỨT CĨ SẴN: VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN D

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

-

ĐẶNG TIẾN ĐỨC

KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT DẦM BTCT GIA CƯỜNG TẤM GFRP, CFRP VỚI VẾT NỨT CĨ SẴN: VẤN ĐỀ

ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, THÁNG 09 NĂM 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Minh Long

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Ngô Hữu Cường

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Đỗ Kiến Quốc

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Bách khoa TP.HCM ngày 09 tháng 09 năm 2013

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS Nguyễn Sỹ Lâm

2 TS Lê Văn Cảnh

3 TS Ngô Hữu Cường

4 PGS TS Đỗ Kiến Quốc

5 TS Nguyễn Minh Long

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

Tp HCM, ngày tháng năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Xây dựng Dân Dụng và Công Nghiệp

MSHV : 10210214

1- TÊN ĐỀ TÀI: KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT DẦM BTCT GIA CƯỜNG TẤM

GFRP, CFRP VỚI VẾT NỨT CÓ SẴN: VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC

TIẾT DIỆN

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :

Khảo sát và phân tích ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ mô hình đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm bê tông gia cường tấm GFRP, CFRP với vết nứt có sẵn;

Khảo sát và phân tích sự tương tác giữa cốt đai và tấm GFRP trong dầm bê tông gia cường tấm GFRP, CFRP với vết nứt có sẵn;

Kiểm chứng lại một số công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm gia cường FRP và công thức xác định khả năng kháng cắt của dầm gia cường

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : tháng 7 năm 2012

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : tháng 7 năm 2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN MINH LONG

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

CB HƯỚNG DẪN 1

(Họ tên và chữ ký)

TS NGUYỄN MINH LONG

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy hướng dẫn là Thầy Nguyễn Minh Long, 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 gia đình đã động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành chương trình đào tạo sau Đại học

Xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Trường Diễm và các anh, chị lớp Cao học khoá

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .ix

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH xi

1 GIỚI THIỆU .1

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Sơ lược về vật liệu FRP .3

2.2 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT truyền thống 8

2.3 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP 8

2.4 Xác định khả năng kháng cắt dầm gia cường vật liêu FRP có xét đến ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện 11

3 MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .13

3.1 Mục tiêu nguyên cứu .13

3.2 Ý nghĩa nguyên cứu .13

3.2.1 Ý nghĩa khoa học .13

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn .13

3.3 Nội dung nguyên cứu 14

4 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM 15

4.1 Vật liệu .15

4.1.1 Bê tông 15

4.1.2 Cốt thép 16

4.1.3 Vật liệu FRP gia cường 17

4.2 Mẫu dầm thí nghiệm 18

4.3 Quá trình đúc mẫu thí nghiệm .22

4.4 Dụng cụ thí nghiệm 28

4.5 Bố trí thiết bị đo đạc và quy trình gia tải 29

4.5.1 Bố trí thiết bị đo 29

4.5.2 Quy trình gia tải .30

4.6 Kết quả thí nghiệm và thảo luận .33

4.6.1 Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm .34

4.6.2 Tương tác giữa tấm và cốt đai .36

4.6.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình đến biến dạng của tấm .39

4.6.4 Quan hệ lực - chuyển vị (P-δ) và ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình 40

4.6.5 Khả năng kháng cắt của dầm và ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình đến khả năng kháng cắt của dầm 44

4.6.6 Biến dạng bê tông .46

4.6.7 Biến dạng của cốt dọc và ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình 47

5 PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT .54

5.1 Nhận xét chung về các công thức hiện có .54

5.2 Kiểm chứng các công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm FRP theo chiều cao d 55

5.3 Kiểm chứng công thức tính khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP theo yếu tố chiều cao làm việc của dầm d 61

6 KẾT LUẬN 67

6.1 Kết luận .67

6.2 Kiến nghị 68

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

8 PHỤ LỤC 73

8.1 Kết quả thí nghiệm mẫu dầm 73

8.2 Kích thước tiết diện, đặc trưng vật liệu và kết quả thí nghiệm 21 mẫu dầm gia cường 83

9 LÍ LỊCH TRÍCH NGANG .85

Ký tự Mô tả Đơn vị

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

[ ]

f

εf,exp Biến dạng lớn nhất của FRP theo thực nghiệm [‰]

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

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

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]

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

đầu tiên xuất hiện

[kN]

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

đầu tiên xuất hiện

[kN]

Vcr,0.2-0,3 Khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP khi vết nứt do cắt có

bề rộng từ 0.2-0.3 mm

[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 sợi 3

Bảng 2.2: Một số đặc tính cơ lý điển hình của chất kết dính 4

Bảng 2.3: Một số đặc tính cơ lý điển hình của tấm FRP 5

Chương 4 Bảng 4.1: Bảng cấp phối bê tông 15

Bảng 4.2: Cường độ bê tông 15

Bảng 4.3: Cường độ cốt thép 17

Bảng 4.4: Đặc trưng cơ học của tấm sợi thủy tinh Tyfo SEH 51A 18

Bảng 4.5: Đặc trưng cơ học của tấm cacbon Tyfo SCH 41 18

Bảng 4.6: Các thông số của dầm thí nghiệm 19

Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm giai đoạn 1 33

Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm giai đoạn 2 33

Chương 5 Bảng 5.1: Công thức tính biến dạng hữu hiệu 55

Bảng 5.2: Kết quả kiểm chứng tính chính xác của các công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm FRP 58

Bảng 5.3: Công thức tính khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP 62

Bảng 5.4: Kết quả kiểm chứng tính chính xác của các công thức xác định sức kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP 63

Chương 2

Hình 2.1: Các dạng FRP được sử dụng hiện nay 4

Hình 2.2: Quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu FRP 6

Hình 2.3: Quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu FRP và thép .6

Hình 2.4: Gia cường kháng uốn và cắt cho dầm bằng tấm FRP 7

Hình 2.5: Gia cường cột bằng tấm FRP 7

Hình 2.6: Gia cường sàn bằng tấm FRP 7

Chương 4 Hình 4.1: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông .16

Hình 4.2: Thí nghiệm kéo thép .16

Hình 4.3: Mặt cắt ngang các mẫu dầm gia cường .19

Hình 4.4: Sơ đồ thử tải các mẫu dầm trước khi gia cường 20

Hình 4.5: Sơ đồ thử tải các mẫu dầm sau khi gia cường 21

Hình 4.6: Công tác cốp-pha .22

Hình 4.7: Công tác cốt thép .22

Hình 4.8: Công tác trộn bê tông 23

Hình 4.9: Công tác đầm bê tông .23

Hình 4.10: Công tác làm phẳng mặt bê tông dầm .24

Hình 4.11: Bề mặt bê tông sau khi được làm phẳng 24

Hình 4.12: Trộn keo Epoxy loại Tyfo S .25

Hình 4.13: Phủ keo Epoxy lên bề mặt tấm CFRP .25

Hình 4.14: Phủ keo Epoxy lên bề mặt dầm .26

Hình 4.16: Dán cảm biến điện trở lên bề mặt bê tông .27

Hình 4.17: Dán cảm biến điện trở lên bề mặt tấm GFRP 27

Hình 4.18: Dán cảm biến điện trở lên bề mặt tấm CFRP 28

Hình 4.19: Sơ đồ thử tải và bố trí dụng cụ thí nghiệm .30

Hình 4.20: Lắp đặt thiết bị đo đạc 31

Hình 4.21: Lắp đặt máy đo biến dạng 32

Hình 4.22: Tiến hành gia tải .32

Hình 4.23: Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại điển hình của dầm thí nghiệm 36

Hình 4.24: Quan hệ lực và biến dạng của cốt đai và tấm CFRP, GFRP của các dầm nhóm 1 (100×250×1700 mm) 37

Hình 4.25: Quan hệ lực và biến dạng của cốt đai và tấm CFRP, GFRP của các dầm nhóm 2 (200×500×5100 mm) 38

Hình 4.26: Quan hệ lực và biến dạng của cốt đai và tấm CFRP, GFRP của các dầm nhóm 3 (300×750×5100 mm) 39

Hình 4.27: Biến dạng của tấm GFRP, CFRP theo chiều cao dầm 40

Hình 4.28: Quan hệ lực và chuyển vị dầm nhóm 1 (100×250×1700 mm) 41

Hình 4.29: Quan hệ lực và chuyển vị dầm nhóm 2 (200×500×3400 mm) 42

Hình 4.30: Quan hệ lực và chuyển vị dầm nhóm 3 (300×750×5100 mm) 42

Hình 4.31: Quan hệ giữa lực và chuyển vị của tất cả các dầm 43

Hình 4.32: Sự giảm chuyển vị của dầm gia cường so với dầm đối chứng theo chiều cao dầm 43

Hình 4.33: Khả năng kháng cắt của dầm gia cường và dầm đối chứng trong 3 nhóm 45

theo chiều cao dầm 45

Hình 4.35: Quan hệ lực và biến dạng bê tông của dầm nhóm 1 (100×250×1700 mm)

60

cao làm việc d 60 Hình 5.4: Tính chính xác của công thức Mofidi và Chaallal (5.4) theo chiều cao

làm việc d 61 Hình 5.5: Tính chính xác của công thức Triantafillou (5.5) theo chiều cao làm việc

d 64 Hình 5.6: Tính chính xác của công thức Khalifa (5.6) theo chiều cao làm việc d

65 Hình 5.7: Tính chính xác của công thức Pellegrino and Modena (5.7) theo chiều

cao làm việc d 65 Hình 5.8: Tính chính xác của công thức Mofidi và Chaallal (5.8) theo chiều cao

làm việc d 66

CHƯƠNG 1

1 GIỚI THIỆU

Dưới tác động của điều kiện tự nhiên và con người, các công trình xây dựng dần xuống cấp và bị hư hại theo thời gian Để kéo dài tuổi thọ sử dụng, tăng khả năng chịu lực và khắc phục những hư hỏng có thể gây sụp đổ công trình, các công trình này cần được gia cường hoặc sửa chữa Việc gia cường hiện nay thường được thực

hiện bằng cách sử dụng các vật liệu và các biện pháp kỹ thuật truyền thống 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 bằng phương pháp

căng sau Gần đây, vật liệu “nhựa polymer sợi gia cường” (Fiber Reinforced Polymers - FRP) đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả thay thế các vật liệu và

kỹ thuật truyền thống đã đề cập nhờ vào những đặc tính nổi bật như: khối lượng riêng nhẹ; không bị ăn mòn; có cường độ chịu kéo cao

Khả năng kháng cắt của dầm BTCT truyền thống chịu ảnh hưởng của một vài tham

số trong đó chiều cao dầm hay ảnh hưởng kích thước tiết diện là một tham số quan trọng (Kani, 1967; Bazant and Kim, 1984; Shioya et al., 1989) Tham số này chỉ ra rằng ứng suất cắt trung bình gây ra sự phá hoại ở dầm lớn thì nhỏ hơn so với ứng suất cắt trung bình gây ra sự phá hoại trên dầm nhỏ Đối với dầm gia cường tấm FRP, tầm quan trọng của ảnh hưởng kích thước tiết diện trở nên rõ ràng hơn, vì nó quyết định mối quan hệ giữa chiều dài bám dính hiệu quả và biến dạng của tấm FRP đến khả năng kháng cắt (Deniaud and Cheng, 2001; Schrnech, 2001) Mặc dù vậy,

số lượng các nghiên cứu về vấn đề ảnh hưởng kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP vẫn còn rất ít như của Qu et al 2005, Leung

et al 2007, Godat et al 2010 Các nghiên cứu này được tiến hành trên các dầm nguyên, tương ứng với trường hợp cải thiện hay tăng khả năng chịu lực của các kết cấu chưa bị nứt hoặc các kết cấu mới Trong thực tế, phương pháp gia cường dùng vật liệu FRP được ứng dụng rộng rãi hơn để sửa chữa hoặc gia cố thêm cho các kết cấu đang bị hư hỏng hoặc xuống cấp (kết cấu đã bị nứt) Rõ ràng rằng, có một sự khác biệt cơ bản về mặt ứng xử giữa các kết cấu chưa nứt và các kết cấu đã bị nứt

Điều này hàm ý rằng, ảnh hưởng của yếu tố kích thước đến hiệu quả gia cường của tấm FRP có thể không giống nhau trong 2 trường hợp vừa nêu Ngoài ra, việc giải thích một cách định lượng ảnh hưởng của yếu tố kích thước đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường vẫn chưa được rõ ràng và đầy đủ Ảnh hưởng của yếu tố này đến hiệu quả làm việc của tấm FRP trong trường hợp gia cường dầm nguyên và dầm có sẵn vết nứt có sự khác biệt hay không vẫn chưa được đề cập Các thực tế trên cho thấy, rất cần thiết có thêm các nghiên cứu để làm sáng tỏ các vấn đề vừa nêu

Hiện nay, các công thức thiết kế dầm BTCT gia cường kháng cắt bằng tấm FRP đa phần đều dựa trên phương pháp thực nghiệm sử dụng các dữ liệu dầm có chiều cao tiết diện nhỏ hơn 600 mm (Leung et al 2007) Trong đó, khả năng kháng cắt của dầm được tính toán bằng tổng các thành phần sau: khả năng kháng cắt của bê tông, của thép đai và tấm gia cường FRP Thành phần kháng cắt do tấm FRP được tính tương tự như cốt đai với sự ràng buộc của giá trị biến dạng tấm FRP (Triantafillou, 1998; FIP, 2001; CNR, 2004; CIDAR, 2006; ACI 440.2R, 2008) Các công thức hiện có đều bỏ qua ảnh hưởng kích thước tiết diện trong tính toán kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP mà không đưa ra một lời giải thích hợp lí Ngoại trừ công thức do Schnerch (2001) đề xuất là có xét đến ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện, tuy nhiên, công thức này được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm dầm gia cường nguyên Tính chính xác của công thức này trong trường hợp dầm gia cường với vết nứt có sẵn vẫn chưa được kiểm chứng

Đề tài khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng

xử và khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm GFRP và tấm CFRP với vết nứt có sẵn theo kiểu dán liên tục 3 mặt (dạng U) trên 9 dầm kích thước thật với

3 tỉ lệ mô hình khác nhau Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề tài tiến hành kiểm chứng mức độ chính xác của các công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm gia cường FRP và khả năng kháng cắt hiện có cho dầm gia cường tấm FRP

CHƯƠNG 2

2 TỒNG QUAN

2.1 Sơ lược về vật liệu FRP

Vật liệu FRP được cấu tạo từ 2 thành phần chính: 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 Trong khi đó, sợi gia cường là thành phần chủ yếu tạo nên các đặc tính cơ lý cho FRP và cũng được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau Phổ biến nhất hiện nay là từ thủy tinh (glass fibers), aramid (aramid fibers) và carbon (carbon fibers) Tùy vào loại sợi được sử dụng mà vật liệu FRP sẽ được phân loại và có tên gọi tương ứng: GFRP (sợi thủy tinh), AFRP (sợi aramid) và CFRP (sợi carbon) Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn … Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng thanh

Bảng 2.1: Một số đặc tính cơ lý điển hình của sợi

Mô đun đàn hồi

Cường độ chịu kéo

Khối lượng riêng

Bảng 2.2: Một số đặc tính cơ lý điển hình của chất kết dính

Mô đun đàn hồi

Hình 2.1 (tiếp theo) Các dạng FRP được sử dụng hiện nay: (d) dạng chế tạo sẵn;

(e) dạng băng

Bảng 2.3: Một số đặc tính cơ lý điển hình của tấm FRP

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu FRP

Hình 2.3 Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu FRP và thép (Carolin, 2003)

Tấm FRP được dùng để thay thế các vât liệu gia cường truyền thống nhờ vào các các ưu điểm như: khả năng chống mài mòn cao, trọng lượng nhỏ, cách điện chịu nhiệt tốt, cường độ chịu kéo cao, bền theo thời gian, … Trong vấn đề gia cường, vật liệu FRP ở dạng tấm được sử dụng phổ biến nhất Tấm FRP có thể được sử dụng để tăng khả năng chịu cắt, uốn của dầm và sàn BTCT chịu tải trọng tĩnh hoặc động Ngoài ra, tấm FRP còn được sử dụng nhiều trong việc tăng cường khả năng chịu

uốn - nén và tăng độ dẻo dai cho cột BTCT đặc biệt dưới tác dụng của tải trọng động

Khi lắp đặt tấm FRP không cần có nhiều nhân công, máy móc thiết bị; quá trình thi công diễn ra nhanh chóng, công trình đi vào hoạt động ngay sau khi sữa chữa, gia

cố Sửa chữa với vật liệu FRP không làm gia tăng kích thước tiết diện, không làm thay đổi mỹ quan công trình, không ảnh hưởng đến công năng sử dụng công trình

Hình 2.4 Gia cường kháng uốn và cắt cho dầm bằng tấm FRP

Hình 2.6 Gia cường sàn bằng tấm FRP Hình 2.5 Gia cường cột bằng tấm FRP

2.2 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT truyền thống

Bazant and Kazemi (1991) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của chiều cao kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt trên các mẫu dầm có chiều cao tiết diện dầm thay đổi đến 406 mm với tỉ số nhịp cắt trên chiều cao làm việc không đổi a/d = 3 Kết quả cho thấy dạng phá hoại chính trong các dầm là phá hoại cắt nhưng đối với mẫu dầm nhỏ nhất là phá hoại uốn Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy

có sự giảm cường độ kháng cắt theo sự gia tăng chiều cao tiết diện

Kim and Park (1994) thực nghiệm trên các mẫu dầm có cường độ cao 53.7 MPa

Các dầm có chiều cao làm việc d thay đổi từ 170 mm đến 1000 mm, hàm lượng cốt thép dọc khác nhau từ 1% đến 4.9%, tỉ số a/d thay đổi từ 1.5 đến 6 Kết quả chỉ ra

rằng ứng xử dầm bê tông cường độ cao cũng tương tự như dầm bê tông cường độ

thường Khả năng kháng cắt của dầm tăng khi tỉ lệ a/d giảm

Stanik (1998) tiến hành thí nghiệm trên các dầm có chiều cao làm việc d thay đổi từ

125 mm đến 1000 mm, hàm lượng cốt thép dọc khác nhau từ 0.76% đến 1.31%, và cường độ bê tông từ 37 đến 99 MPa Kết quả cho thấy rằng ACI 318 (1995) dự đoán quá cao khả năng kháng cắt của bê tông trong dầm có chiều cao lớn

Tompos và Frosch (2002) thực hiện thí nghiệm trên 6 mẫu dầm có chiều cao làm

việc d thay đổi từ 450 mm đến 900 mm, có cùng hàm lượng cốt thép dọc 1%, tỉ số

a /d = 3 Kết quả cho thấy khi tăng chiều cao dầm từ 450 mm đến 900 mm, cường

độ kháng cắt của dầm giảm đến 18%

2.3 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP

Maalej và Leong (2005) khảo sát thực nghiệm trên 17 mẫu dầm chia làm 3 nhóm 1,

2 và 3 với tỉ lệ mô hình là 1:2:3,2 Trong mỗi nhóm gồm có các dầm gia cường tấm CFRP dạng U theo dải trong nhịp cắt và 2 dầm BTCT đối chứng Nhóm 1 (A1, A2, A3, A4, A5, A6) có kích thước 115×146×1500 mm, nhóm 2 (B1, B2, B3, B4, B5, B6) có kích thước 230×292×3000 mm và nhóm 3 (C1, C2, C3, C4, C5) có kích

thước 338×467×4800 mm Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng chiều cao dầm, biến dạng của tấm CFRP giảm Kích thước tiết diện dầm không ảnh hưởng đáng kể đến tỉ lệ cường độ kháng cắt dầm gia cường tấm CFRP trên cường độ kháng cắt của dầm đối chứng cũng như không ảnh hưởng đến độ võng và khả năng hấp thụ năng lượng của dầm gia cường tấm CFRP

Qu và cộng sự (2005) khảo sát thực nghiệm trên 6 mẫu dầm chia làm 3 nhóm 1, 2

và 3 với tỉ lệ mô hình là 1:2:3 Trong mỗi nhóm gồm có 1 dầm gia cường tấm CFRP dạng U theo dải trong nhịp cắt và 1 dầm BTCT đối chứng Nhóm 1 (U1, RC1) có kích thước 100×200×900 mm, nhóm 2 (U2, RC2) có kích thước 200×400×1800

mm và nhóm 3 (U3, RC3) có kích thước 300×600×2700 mm Các dầm có cùng hàm lượng cốt dọc ρs = 4.2%, hàm lượng tấm CFRP ρf = 0.13%, tỉ số a/d = 2 Kết quả

thực nghiệm cho thấy khả năng kháng cắt của dầm gia cường so với dầm BTCT

truyền thống tăng khi kích thước dầm giảm và thời gian để khả năng làm việc của

tấm FRP đạt tới trạng thái tới hạn trong dầm có kích thước lớn lâu hơn so với dầm

có kích thước nhỏ

Leung và cộng sự (2007) khảo sát thực nghiệm với các dầm có chiều cao tiết diện thay đổi lần lượt là 180, 360 và 720 mm Các dầm có cùng chiều cao tiết diện được xếp chung một nhóm Mỗi nhóm gồm có 5 dầm, trong đó gồm có 1 dầm BTCT đối chứng, 2 dầm gia cường tấm CFRP dạng U và 2 dầm gia cường tấm CFRP bọc toàn

bộ Nhóm 1 (SB-C, SB-U1, SB-U2, SB-F1, SB-F2) có kích thước 75x180x950 mm Nhóm 2 (MB-C, MB-U1, MB-U2, MB-F1, MB-F2) có kích thước 150x360x1900

mm Nhóm 3 (LB-C, LB-U1, LB-U2, LB-F1, LB-F2) có kích thước 300x720x3800

mm Các dầm có cùng hàm lượng cốt đai là 0.28%, tỉ số a/d = 2.5 Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng kháng cắt của dầm gia cường so với dầm BTCT tăng khi

kích thước dầm giảm Dầm gia cường tấm CFRP dạng U chịu ảnh hưởng của kích thước tiết diện đáng kể Trong khi đó, dầm gia cường tấm CFRP theo dạng bọc toàn

bộ chịu ảnh hưởng không đáng kể của kích thước tiết diện

Godat và các cộng sự (2010) khảo sát thực nghiệm trên 7 mẫu dầm chia làm 3 nhóm

1, 2 và 3 Trong mỗi nhóm gồm có 1 dầm gia cường tấm CFRP dạng U theo dải

trong nhịp cắt và 1 dầm BTCT đối chứng, riêng nhóm 3 bao gồm thêm 1 dầm gia cường tấm CFRP bọc toàn bộ Nhóm 1 (U4, RC1) có kích thước 100×200×900 mm, nhóm 2 (U5, RC2) có kích thước 200×400×1800 mm và nhóm 3 (W7, U6, RC3) có kích thước 300×600×2700 mm Các dầm có cùng hàm lượng cốt dọc ρs = 4.2%, hàm lượng tấm CFRP ρf= 0.13%, tỉ số a/d = 2 Kết quả thực nghiệm cho thấy chiều

cao làm việc của dầm tỉ lệ thuận với sự gia tăng vết nứt cắt trước khi dầm phá hoại Nguyên nhân là do sự gia tăng chiều cao làm việc của dầm làm giảm hiệu ứng cài móc của cốt liệu nên làm tăng tốc độ lan truyền các vết nứt và sự bong tách tấm FRP ra khỏi bề mặt bê tông Khả năng kháng cắt dầm gia cường CFRP tăng chậm khi kích thước dầm tăng

Nguyễn Trường Diễm và cộng sự (2011) đã khảo sát thực nghiệm trên 9 mẫu dầm chia làm 3 nhóm 1, 2, 3 với tỉ lệ mô hình là 1:2:3 Trong mỗi nhóm gồm có 2 dầm gia cường tấm GFRP dạng U trong nhịp cắt và 1 dầm BTCT đối chứng Nhóm 1 (G1-RC1, G1-GFRP-1A, G1-GFRP-1B) có kích thước 100×200×1200 mm, nhóm 2 (G1-RC2, G1-GFRP-2A, G1-GFRP-2B) có kích thước 200×400×2400 mm, nhóm 3 (G1-RC3, G1-GFRP-3A, G1-GFRP-3B) có kích thước 300×600×3600 mm Các dầm có cùng hàm lượng cốt dọc ρs = 1.7%, hàm lượng cốt thép đai ρυ= 0.19% Kết quả cho thấy hiệu quả gia cường của tấm GFRP và sự gia tăng khả năng kháng cắt của dầm gia cường tỉ lệ nghịch với kích thước của dầm Ngoài ra, tấm gia cường GFRP giúp cho sự phân bố ứng suất cắt trong trong dầm được đều hơn, từ đó giúp giảm bề rộng vết nứt cắt và làm mềm hóa kiểu phá hoại giòn do cắt

Hiện nay, chưa có thí nghiệm nào về ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP với vết nứt có

sẵn được công bố

2.4 Xác định khả năng kháng cắt dầm gia cường vật liêu FRP có xét đến ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện

Trong các công thức xác định khả năng kháng cắt của tầm FRP hiện nay, chỉ có công thức của Schnerch (2001) có tính đến ảnh hưởng của yếu tố kích thước đến khả năng kháng cắt của tấm Schnerch hiệu chỉnh công thức của Khalifa và cộng sự

(1998) để tính thành phần kháng cắt của tấm FRP, Vf và có xét đến ảnh hưởng của kích thước tiết diện Theo Schnerch, biến dạng hữu hiệu εf trong tấm FRP của dầm BTCT gia cường chịu ảnh hưởng của chiều cao làm việc của tiết diện dầm thí nghiệm Dựa trên trên kết quả thực nghiệm với các dầm có chiều cao làm việc của tiết diện khác nhau, Schnerch đề xuất công thức tính giá trị biến dạng này như sau:

3

4 sin0,0012

0,0065

f c

L f

d f

k

βε

Trong đó, tf là chiều dày dải FRP, wf là bề rộng dải, sf là khoảng cách giữa các dải,

bw là chiều rộng dầm, Ef là mô-đun đàn hồi của tấm FRP, β là góc của sợi so với

phương dọc trục dầm, kL là hệ số kể đến ảnh hưởng của tấm FRP (= 1,0 đối với tấm

một chiều; = 1,4 đối với tấm 2 chiều), ke là hệ số mô tả số lượng đầu tự do của tấm

trong một mặt của dầm (ke=1,0 đối với tấm FRP gia cường dạng U; ke = 2,0 đối với tấm FRP gia cường dạng bám dính 2 mặt bên dầm)

Thành phần kháng cắt của bê tông Vc và kháng cắt của cốt thép Vs tính theo ACI

318 (1995):

d b f

V c = 0 17 'c w

s

d f A

V s = v y

Nguyễn Trường Diễm (2011) giới thiệu một công thức mới cho việc xác định khả

năng kháng cắt của dầm gia cường dựa trên nguyên lý cộng tác dụng như sau:

V V V V

Trong đó, Vc là khả năng kháng cắt của dầm BTCT không có cốt đai Công thức này

có xét đến ảnh hưởng của kích thước tiết diện (size effect), hình dạng của dầm

thông qua thông số L/d (dầm cao hay dầm thấp), và sự tham gia chịu cắt của cốt dọc (dowel action) Vc có dạng như sau:

0.4 0.4 0

3 sin 0.0078

0.0065

f c

L f

d f

βε

d cho thấy ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện dầm qua

thông số chiều cao làm việc của dầm d và chiều cao làm việc của tấm df

CHƯƠNG 3

3 MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã có trong phần tổng quan, đề tài đề xuất 2 mục tiêu nghiên cứu chính sau:

Khảo sát và phân tích ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ mô hình đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm bê tông gia cường tấm GFRP, CFRP với vết nứt có sẵn;

Khảo sát và phân tích sự tương tác giữa cốt đai và tấm GFRP trong dầm bê tông gia cường tấm GFRP, CFRP với vết nứt có sẵn;

Kiểm chứng lại một số công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm gia cường FRP và công thức xác định khả năng kháng cắt của dầm gia cường

3.2 Ý nghĩa nghiên cứu

3.2.1 Ý nghĩa khoa học

Yếu tố kích thước được ghi nhận là ảnh hưởng đáng kế đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP, tuy nhiên, số lượng nghiên cứu về vấn đề này, hiện nay, còn rất ít Việc giải thích một cách định lượng ảnh hưởng của yếu tố kích thước đến khả năng kháng cắt của dầm gia cường vẫn chưa được rõ ràng và đầy đủ Ảnh huởng của yếu tố này đến hiệu quả làm việc của tấm FRP trong trường hợp gia cường dầm nguyên và dầm có sẵn vết nứt có sự khác biệt hay không vẫn chưa được

đề cập Kết quả từ nghiên cứu này góp phần cung cấp thêm các dữ liệu thực nghiệm

để làm sáng tỏ hơn các vấn đề vừa nêu

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Vật liệu FRP với những đặc tính nổi bật như có cường độ chịu kéo cao, khối lượng riêng nhẹ, không bị ăn mòn, không bị nhiễm từ là một giải pháp gia cường hiệu quả bên cạnh các vật liệu và kỹ thuật truyền thống Ngoài ra, vật liệu FRP còn cho phép lồng ghép các cảm biến sợi quang học vào bên trong vật liệu để tự nội soi trạng thái ứng suất-biến dạng của nó và kết cấu trong suốt thời gian sử dụng; giúp cho việc

theo dõi và đánh giá sự làm việc của kết cấu, dự đoán tuổi thọ kết cấu được chính xác và thực tế hơn và vì vậy vật liệu FRP đang được xem như một dạng cốt chịu lực thông minh Phương pháp gia cường sử dụng tấm FRP rất đơn giản, chi phí cho nhân công và thiết bị dùng trong kỹ thuật FRP rẻ hơn so với các phương pháp truyền thống và có khả năng ứng dụng đa dạng cho tất cả các loại công trình Tuy nhiên, hiện nay kỹ thuật gia cường dùng tấm FRP vẫn còn chưa được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như mong đợi Một trong những nguyên nhân chính là do sự hiểu biết của các kỹ sư và ngay cả của các nhà nghiên cứu về ứng xử của dạng kết cấu này vẫn còn chưa đầy đủ, đặc biệt là ứng xử cắt, còn rất khiêm tốn so với kết cấu BTCT Điều này làm cho các nghiên cứu liên quan đến dạng kết cấu trên đặc biệt là trong lĩnh vực thực nghiệm vẫn luôn rất cần thiết

3.3 Nội dung nghiên cứu

Trên cơ sở các mục tiêu đã đặt ra, đề tài tiến hành thực hiện các nội dung chính sau: (a) Lập chương trình khảo thực nghiệm trên 6 mẫu dầm gia cường tấm GFRP và CFRP và 3 mẫu dầm BTCT đối chứng có tỉ lệ kích thước khác nhau

(b) Quan sát, đo đạc và thiết lập các mối quan hệ lực - chuyển vị (P - δ), quan hệ lực với bề rộng vết nứt (P - w), quan hệ lực - biến dạng bê tông (P - ε), quan hệ lực -

B20 được thể hiện trong Bảng 4.1

Cường độ chịu nén và chịu kéo chẻ của bê tông được xác định dựa trên các mẫu lập

phương (150×150×150) mm (Hình 4.1) Trong đó, 3 mẫu được dùng để xác định

cường độ chịu nén fc và 3 mẫu dùng để xác định cường độ kéo chẻ fct,sp Kết quả,

cường độ chịu nén và chịu kéo chẻ của các mẫu bê tông được thể hiện trong Bảng

(a) Thí nghiệm nén mẫu bê tông (b) Thí nghiệm kéo chẻ mẫu bê tông

Hình 4.1 Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông

4.1.2 Cốt thép

Cốt dọc chịu lực và cốt đai sử dụng trong thí nghiệm này do Công ty Vinakyoei sản xuất Cốt dọc dùng thép có gờ và mác thép SD390 Cốt đai sử dụng thép tròn trơn,

mác thép SD295 Mỗi loại thép lấy 3 mẫu để xác định cường độ chảy dẻo (f sy) và

cường độ chịu kéo đứt của cốt thép (f su) Kết quả cường độ chịu kéo của cốt thép được thể hiện trong Bảng 4.3

Hình 4.2 Thí nghiệm kéo thép

4.1.3 Vật liệu FRP gia cường

Sử dụng 2 loại tấm sợi thủy tinh và cacbon (loại Tyfo SEH 51A và loại Tyfo SCH 41) và keo dán epoxy (loại Tyfo S) của hãng FYFE (www.fyfeasia.com) Các đặc

trưng cơ học của tấm GFRP và CFRP được thể hiện trong Bảng 4.4 và 4.5

Bảng 4.4: Đặc trưng cơ học của tấm sợi thủy tinh Tyfo SEH 51A

(www.fyfeasia.com)

Bảng 4.5: Đặc trưng cơ học của tấm cacbon Tyfo SCH 41 (www.fyfeasia.com)

4.2 Mẫu dầm thí nghiệm

Khảo sát thực nghiệm được tiến hành trên 9 dầm chia làm 3 nhóm A, B và C với tỉ

lệ mô hình là 1:2:3 Trong mỗi nhóm gồm 1 dầm gia cường tấm GFRP, 1 dầm gia cường tấm CFRP theo dải dạng U liên tục trong nhịp cắt và 1 dầm đối chứng (ký hiệu RC) Các dầm trong một nhóm có tỉ lệ mô hình như nhau

CFRP, n=3

CFRP, n=1

CFRP, n=2 2Þ12

25 150 25

25 250 25

255025

Þ 6a350 GFRP, n=1

Bảng 4.6: Các thông số của dầm thí nghiệm

Các ký hiệu được trình bày trong Danh mục các ký hiệu

Hình 4.3 Mặt cắt ngang các mẫu dầm gia cường: (a) nhóm A; (b) nhóm B; (c)

nhóm C

Strain gauge - Ðai

Strain gauge - Ðai

Strain gauge - Ðai

2Þ14 2Þ10

3Þ20

5Þ25

Strain gauge - Thép doc.

Strain gauge - Thép doc.

Hình 4.4 Sơ đồ thử tải các mẫu dầm trước khi gia cường: (a) nhóm A; (b) nhóm B;

và (c) nhóm C

(a)

(b)

(c)

Strain gauge Concrete

Strain gauge Concrete

25 150 25

25 250 25

4.3 Quá trình đúc mẫu thí nghiệm

Hình 4.8:Công tác trộn bê tông

Hình 4.10:Công tác làm phẳng mặt bê tông dầm