Ảnh hưởng yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm cao bê tông cốt thép gia cường tấm cfrp

---PHAN VŨ PHƯƠNG ẢNH HƯỞNG YẾU TỐ KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN ĐẾN ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG TẤM CFRP Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Dân Dụng và Công

-PHAN VŨ PHƯƠNG

ẢNH HƯỞNG YẾU TỐ KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN ĐẾN ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG TẤM CFRP

Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Dân Dụng và Công Nghiệp

Mã số: 605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Minh Long

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Văn Phước Nhân

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Trung Kiên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG

Tp HCM ngày 31 tháng 08 năm 2014

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 Minh Long

2 TS Lê Văn Phước Nhân

3 TS Lê Trung Kiên

4 TS Trần Cao Thanh Ngọc

5 TS Nguyễn Hồng Ân

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 (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHAN VŨ PHƯƠNG MSHV: 12214090

Ngày, tháng, năm sinh: 15/02/1988 Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Xây dựng Công trình DD & CN Mã số: 605820

I TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG YẾU TỐ KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN ĐẾN ỨNG XỬ

VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT DẦM CAO BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG TẤM CFRP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Phân tích ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm cao bê tông cốt thép có sẵn vết nứt gia được cường tấm CFRP theo dải dạng U;

- Phân tích và đánh giá ứng xử của tấm CFRP dạng U trong dầm cao bê tông cốt thép

có sẵn vết nứt;

- Đề xuất một vài hiệu chỉnh liên quan đến cường độ thanh chống nén và nút trong mô hình thanh chống giằng; đồng thời xét thêm ảnh hưởng của kích thước tiết diện nhằm phục vụ cho việc xác định khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT gia cường tấm FRP được hợp lý và chính xác hơn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/01/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN MINH LONG

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn tiến hành thí nghiệm 9 dầm được chia làm 3 nhóm A, B và C theo tỉ lệ mô hình là 1:2:3 Mỗi nhóm gồm 2 dầm gia cường tấm CFRP theo dải dạng U giống nhau trong nhịp cắt và 1 dầm đối chứng (ký hiệu RC) sau khi được gia tải tạo vết nứt xiên có bề rộng khoảng 0.3 mm trong giai đoạn 1 Các dầm trong một nhóm có

tỉ lệ mô hình như nhau Kết quả thí nghiệm cho thấy kích thước tiết diện có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm cao gia cường tấm CFRP Ngoài ra, dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề tài có đề xuất một số hiệu chỉnh cho mô hình thanh chống – giằng cho dầm cao BTCT khi gia cường tấm FRP phục vụ cho việc dự đoán khả năng kháng cắt của chúng

ABSTRACT

The thesis experimented 9 beams were divided into 3 groups A, B and C with the scale of model is 1:2:3 Each group consists of two beams strengthened with the same U shape carbon FRP strips in the shear beam and 1 control beam (denoted RC) after created oblique fracture width of about 0.3 mm in stage 1 The beams in a group with the same ratio model The experimental results show that size effects behavior and shear resistance of RC deep beams strengthened with CFRP strips In addition, based on the results of experimental studies, subjects have suggested some editing for STM of RC deep beams strengthened FRP sheets for predicting their shear resistance

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 các anh, chị lớp Cao học khoá 2012

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 anh Trần Kiệt và Công ty Cổ phần Chăm sóc Công trình Việt đã hỗ trợ kỹ thuật thi công tấm CFRP

Chân thành cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Phan Vũ Phương, học viên cao học chuyên ngành Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp, khóa 2012 trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng đây là luận văn do chính tôi tự thực hiện Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố, sử dụng

để bảo vệ một học vị nào Các thông tin, tài liệu trích dẫn có trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình

Học viên

PHAN VŨ PHƯƠNG

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH viii

1 GIỚI THIỆU 1

2 TỔNG QUAN 4

2.1 Sơ lược về vật liệu FRP 4

2.2 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT truyền thống 9

2.3 Ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT gia cường tấm FRP 10

2.4 Các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT gia cường tấm FRP 12

2.4.1 Dầm cao BTCT 12

2.4.2 Dầm cao BTCT gia cường tấm FRP 13

2.5 Xác định khả năng kháng cắt dầm gia cường vật liệu FRP có xét đến ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện 15

3 MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 17

3.1 Mục tiêu nguyên cứu 17

3.2 Ý nghĩa nguyên cứu 17

3.2.1 Ý nghĩa khoa học 17

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 18

3.3 Nội dung nguyên cứu 18

4 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM 20

4.1 Vật liệu 20

4.1.1 Bê tông 20

4.1.2 Cốt thép 21

4.1.3 Vật liệu FRP gia cường 22

4.2 Mẫu dầm thí nghiệm 23

4.3 Quá trình đúc mẫu thí nghiệm 27

4.4 Dụng cụ thí nghiệm 34

4.5 Bố trí thiết bị đo đạc và quy trình gia tải 35

4.5.1 Bố trí thiết bị đo 35

4.5.2 Quy trình gia tải 36

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

4.6.1 Kiểu phá hoại của dầm 40

4.6.2 Sự làm việc của tấm và cốt đai trong dầm gia cường tấm CFRP và ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ mô hình 44

4.6.3 Sự thay đổi biến dạng của tấm gia cường trong nhịp chịu cắt 48

4.6.4 Quan hệ lực - chuyển vị (P-δ) và ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình 50

4.6.5 Khả năng kháng cắt của dầm và ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình đến khả năng kháng cắt của dầm 53

4.6.6 Biến dạng bê tông 54

4.6.7 Biến dạng của cốt dọc và ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình 56

5 PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT 60

5.1 Phương pháp xác định khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT truyền

thống 60

5.2 Xác định khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT sử dụng mô hình STM theo tiêu chuẩn CEB FIB MODEL CODE (2010) 61

5.2.1 Thanh chống (Struts) 61

5.2.2 Thanh giằng (Ties) 62

5.2.3 Nút (Nodes) 63

5.2.4 Một số yêu cầu khác của mô hình STM 64

5.3 Tính toán khả năng chịu lực của dầm đối chứng bằng mô hình STM theo tiêu chuẩn CEB FIB MODEL CODE (2010) 64

5.3.1 Thông số dầm thí nghiệm 64

5.3.2 Tính toán khả năng chịu lực của dầm cao BTCT 65

5.3.3 So sánh và nhận xét kết quả tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm 71 5.3.4 Ảnh hưởng của việc gia cường tấm CFRP đến mô hình STM cho dầm cao 72

5.4 Đánh giá tính chính xác của công thức hiệu chỉnh 77

6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

6.1 Kết luận 81

6.2 Kiến nghị 82

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

8 PHỤ LỤC 86

9 LÍ LỊCH TRÍCH NGANG 110

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Ký tự Mô tả Đơn vị

a Nhịp cắt (khoảng cách từ lực tập trung tới gối tựa gần nhất) [mm]

fc Cường độ chịu nén danh định của mẫu bê tông lăng trụ [MPa]

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

f ctk Cường độ chịu kéo danh định của mẫu bê tông lăng trụ [MPa]

f ck Cường độ chịu nén danh định của mẫu bê tông lăng trụ [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

[ ]

kL Hệ số kể đến ảnh hưởng của tấm FRP bằng 1.0 đối với tấm một

chiều; bằng1.4 đối với tấm 2 chiều

[ ]

ke Hệ số mô tả số lượng đầu tự do của tấm trong một mặt của dầm,

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

dính mặt bên dầm

[ ]

kv Hệ số giảm bám dính được xác định theo ACI 440.2R-08 [ ]

sf Khoảng cách giữa các tấm FRP được bố trí theo dải [mm]

n f Số lớp FRP gia cường [ ]

zt Khoảng cách từ mặt chịu nén dầm đến mặt trên của FRP [mm]

zb Khoảng cách từ mặt chịu nén dầm đến mặt dưới của FRP [mm]

 Góc giữa thép gia cường chịu cắt và trục dầm [0]

fu Biến dạng lớn nhất của FRP theo thực nghiệm [‰]

sw,u Biến dạng lớn nhất của cốt đai theo thực nghiệm [‰]

s,mid,u Biến dạng lớn nhất của cốt dọc giữa nhịp theo thực nghiệm [‰]

s,end,u Biến dạng lớn nhất của cốt dọc gần gối theo thực nghiệm [‰]

cu Biến dạng lớn nhất của bê tông theo thực nghiệm [‰]

As Diện tích tiết diện cốt thép [mm2]

Vu,exp Khả năng kháng cắt cực hạn của dầm theo thực nghiệm [kN]

Pu,design Khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP theo thiết kế [kN]

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

Pu,mod Khả năng kháng cắt của dầm gia cường FRP hiệu chỉnh [kN]

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

Pf,theory Khả năng kháng cắt của tấm FRP theo lý thuyết [kN]

Vc Khả năng kháng cắt của bê tông vùng chịu nén [kN]

Vcr,flex Khả năng kháng cắt của dầm khi vết nứt do uốn đầu tiên xuất

hiện

[kN]

Vcr,sh Khả năng kháng cắt của dầm khi vết nứt do cắt đầu tiên xuất hiện [kN]

Vcr,sh0.3 Khả năng kháng cắt của dầm khi vết nứt do cắt có bề rộng

khoảng 0.3 mm

[kN]

K 1 Hệ số kể đến ảnh hưởng của kích thước cốt liệu [ ]

K 2 Hệ số kể đến ảnh hưởng của kích thước tiết diện [ ]

k c Hệ số chiết giảm cường độ bê tông [ ]

f cm Cường độ chịu nén trung bình của mẫu lăng trụ, f c ở 28 ngày tuổi [MPa]

f yd Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép thường [MPa]

f yk Cường độ chịu kéo đặc trưng của cốt thép thường [MPa]

f pd Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép dự ứng lực [MPa]

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACI American Concrete Institute

AFRP Aramid Fibre Reinforced Polymers

BTCT Bê tông cốt thép

CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymers

CFT Compression Field Theory

CEB-FIP Comite Euro-International du Beton (CEB) and the Federation

Internationale de la Precontrainte COV Hệ số biến thiên

CNR - DT The Italian National Research Council

EC-2 Eurocode 2

FRP Fiber Reinforced Polymers

GFRP Glass Fibre Reinforced Polymers

MCFT Modified Compression Field Theory

Mean Giá trị trung bình

STD Độ lệch chuẩn

TR55 Technical Report No 55

STM Strut and Tie Model

DANH MỤC CÁC BẢNG

Chương 2

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

Bảng 2.2: Một số đặc tính cơ lý điển hình của chất kết dính 5

Bảng 2.3: Một số đặc tính cơ lý điển hình của tấm FRP 6

Chương 4 Bảng 4.1: Bảng cấp phối bê tông 20

Bảng 4.2: Cường độ bê tông 20

Bảng 4.3: Ứng suất chảy và cường độ của cốt thép 22

Bảng 4.4: Đặc trưng cơ học của tấm sợi thủy tinh Tyfo SCH 7UP 23

Bảng 4.5: Các thông số của dầm thí nghiệm 23

Bảng 4.6: Tổng hợp kết quả thí nghiệm giai đoạn 1 39

Bảng 4.7: Tổng hợp kết quả thí nghiệm giai đoạn 2 39

Chương 5 Bảng 5.1: Cường độ thép thí nghiệm 65

Bảng 5.2: So sánh khả năng kháng cắt của các dầm theo dự đoán với thực nghiệm 72

Bảng 5.3: Kết quả kiểm chứng tính chính xác của các công thức tính biến dạng hữu hiệu của tấm CFRP 77

Bảng 5.4: Kết quả kiểm chứng công thức hiệu chỉnh 79

Chương 8 Bảng 8.1: Kết quả tải trọng – chuyển vị của các mẫu dầm thí nghiệm 86

Bảng 8.2: Kết quả tải trọng – biến dạng cốt đai, tấm FRP của các mẫu dầm thí

nghiệm 91 Bảng 8.3: Kết quả tải trọng – biến dạng cốt dọc giữa nhịp của các mẫu dầm thí

nghiệm 92 Bảng 8.4: Kết quả tải trọng – biến dạng cốt dọc ở gần gối của các mẫu dầm thí

nghiệm 95 Bảng 8.5: Bảng đặc tính của vật liệu gia cường 98 Bảng 8.6: Bảng đặc tính của vật liệu gia cường 101

DANH MỤC HÌNH VẼ

Chương 2

Hình 2.1: Các dạng FRP được sử dụng hiện nay 5

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 7

Hình 2.4: Sửa chữa gia cố dầm bằng tấm FRP 8

Hình 2.5: Sửa chữa gia cố cột bằng tấm FRP 8

Hình 2.6: Sửa chữa sàn bằng tấm FRP 9

Chương 4 Hình 4.1: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông 21

Hình 4.2: Thí nghiệm kéo thép 21

Hình 4.3: Mặt cắt ngang các mẫu dầm gia cường 24

Hình 4.4: Chi tiết cấu tạo các dầm trước khi gia cường 25

Hình 4.5: Cấu tạo chi tiết các dầm sau khi gia cường 26

Hình 4.6: Khung thép 27

Hình 4.7: Dán cảm biến đo biến dạng của cốt dọc và đai 27

Hình 4.8: Công tác cốp pha 28

Hình 4.9: Các dầm sau khi được đổ xong 28

Hình 4.10: Các mẫu dầm được 28 ngày tuổi 29

Hình 4.11: Các dầm được tạo vết nứt trước với bề rộng giới hạn 0.3mm 30

Hình 4.12: Công tác làm phẳng bề mặt bê tông dầm 31

Hình 4.13: Bề mặt bê tông sau khi được làm phẳng 31

Hình 4.14: Trộn keo Epoxy loại Tyfo S 32

Hình 4.15: Phủ keo Epoxy lên bề mặt tấm CFRP 32

Hình 4.16: Phủ keo Epoxy lên bề mặt dầm 33

Hình 4.17: Dán tấm CFRP lên bề mặt dầm 33

Hình 4.18: Các mẫu dầm sau khi được gia cường bằng tấm CFRP 34

Hình 4.19: Sơ đồ thử tải và bố trí dụng cụ thí nghiệm 36

Hình 4.20: Lắp đặt thiết bị đo đạc 37

Hình 4.21: Lắp đặt máy đo biến dạng 38

Hình 4.22: Tiến hành gia tải 38

Hình 4.23: Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại điển hình của dầm bê tông cốt thép đối chứng 41

Hình 4.24: Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại điển hình của dầm thí nghiệm gia cường 43

Hình 4.25: Hiện tượng cốt đai bị đứt trong dầm CFRP-3B 44

Hình 4.26: Quan hệ tương đối giữa tỉ số tải tác dụng lên các dầm thí nghiệm với tải gây phá hoại của dầm đối chứng và biến dạng cốt đai và tấm CFRP của các dầm nhóm 1 (80×240×800 mm) 45

Hình 4.27: Quan hệ tương đối giữa tỉ số tải tác dụng lên các dầm thí nghiệm với tải gây phá hoại của dầm đối chứng và biến dạng cốt đai và tấm CFRP của các dầm nhóm 2 (160×480×1600 mm) 46

Hình 4.28: Quan hệ tương đối giữa tỉ số tải tác dụng lên các dầm thí nghiệm với tải gây phá hoại của dầm đối chứng và biến dạng cốt đai và tấm CFRP của các dầm nhóm nhóm 3 (240×720×2400 mm) 47

Hình 4.29: Biến dạng lớn nhất của tấm CFRP theo chiều cao làm việc của dầm 48

Hình 4.30: Sự thay đổi biến dạng của tấm theo phương nhịp dầm 49

Hình 4.31: Sự thay đổi biến dạng của tấm theo chiều cao làm việc dầm 49

Hình 4.32: Quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm thí nghiệm 51

Hình 4.33: Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của dầm thí nghiệm trong giai đoạn 2 52

Hình 4.34: Quan hệ giữa tỉ số tải trọng của dầm thí nghiệm với tải trọng cực hạn của dầm đối chứng và tỉ số chuyển vị với chiều dài nhịp dầm trong giai đoạn 2 53

Hình 4.35: Sự gia tăng khả năng kháng cắt của dầm gia cường so với dầm đối chứng theo chiều cao làm việc của dầm 54

Hình 4.36: Quan hệ biến dạng cực hạn của bê tông và chiều cao làm việc của dầm

55

Hình 4.37: Quan hệ giữa tỉ số tải trọng của dầm thí nghiệm với tải trọng cực hạn của dầm đối chứng và biến dạng cốt dọc giữa nhịp của dầm 56

Hình 4.38: Quan hệ giữa tỉ số tải trọng của dầm thí nghiệm với tải trọng cực hạn của dầm đối chứng và biến dạng cốt dọc gần gối của dầm 58

Hình 4.39: Biến dạng lớn nhất của cốt dọc ở gần gối theo chiều cao làm việc của dầm 59

Chương 5 Hình 5.1: Các trạng thái ứng suất khác nhau 62

Hình 5.2: Nút: 63

Hình 5.3: Sơ đồ dầm thí nghiệm 64

Hình 5.4: Mô hình thanh chống-giằng cho dầm cao chịu uốn 3 điểm 66

Hình 5.5: So sánh khả năng kháng cắt theo dự đoán với thực nghiệm của các dầm 72

Hình 5.6: Sơ đồ minh họa sự phân phối lực của tấm gia cường trong mô hình STM 73

Hình 5.7: Qui luật biến dạng tấm CFRP theo chiều cao làm việc của dầm 75

Hình 5.8: Tính chính xác của công thức Triantafillou hiệu chỉnh theo chiều cao

làm việc của dầm 77

Hình 5.9: So sánh khả năng chịu lực của dầm cao gia cường tính theo lý thuyết hiệu chỉnh mô hình thanh chống giằng với thí nghiệm 80

Chương 8 Hình 8.1: Chi tiết bố trí thép dầm thí nghiệm 98

Hình 8.2: Chi tiết gia cường tấm FRP cho dầm 99

Hình 8.3: Mô hình thanh chống giằng 99

Hình 8.4: Chi tiết bố trí thép dầm thí nghiệm 102

Hình 8.5: Chi tiết gia cường tấm FRP cho dầm thí nghiệm uốn 3 điểm và 4 điểm 103-106 Hình 8.6: Mô hình thanh chống giằng 107

CHƯƠNG 1

1 GIỚI THIỆU

Với sự phát triển nhanh chóng của kinh tế và khoa học kỹ thuật, ngày càng có nhiều công trình lớn và hiện đại được xây dựng, các công trình cao tầng với những yêu cầu mới về hình dạng kiến trúc và sự đa dạng công năng nhằm phục vụ tốt cho các lĩnh vực kinh doanh, thương mại, giải trí…, đòi hỏi cần phải có hệ kết cấu phù hợp Nhằm đáp ứng những yêu cầu kể trên, giải pháp dầm cao(1) ngày càng được áp dụng rộng rãi tại vị trí các tầng chuyển đổi kết cấu và vị trí lỗ mở vách cứng thang máy Hiện nay, qua một thời gian sử dụng, một số lượng lớn các công trình đã và đang bị xuống cấp và hư hại do tác động của điều kiện tự nhiên và con người Để kéo dài tuổi thọ sử dụng, các công trình này cần được gia cường hoặc sửa chữa nhằm làm tăng khả năng chịu lực, khắc phục những hư hỏng có thể gây sụp đổ công trình 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; ii)

tăng kích thước tiết diện của kết cấu bằng cách phủ thêm lớp áo thép hoặc bê tông;

và iii) tạo thêm ứng suất bằng phương pháp căng sau Gần đây, phương pháp sử

dụng vật liệu “nhựa polymer gia cường sợi” (Fiber Reinforced Polymers - FRP)

đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả thay thế các kỹ thuật truyền thống đã đề cập nhờ vào những đặc tính nổi bật của vật liệu FRP như khối lượng riêng nhẹ, không bị ăn mòn, có cường độ chịu kéo cao; cũng như công tác thi công đơn giản

và nhanh chóng của phương pháp này

Các nghiên cứu của Deniaud và Cheng (2001), Schrnech (2001), Qu và cộng sự

(2005), Leung và cộng sự (2007), Godat và cộng sự (2010) và Nguyen–Minh và cộng sự (2013) chỉ ra rằng khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm FRP chịu

ảnh hưởng đáng kể của yếu tố kích thước tiết diện Tuy nhiên, các nghiên cứu trên mới chỉ khảo sát ảnh hưởng yếu tố kích thước tiết diện trên các dầm gia cường với kích thước hình học tuân theo nguyên lý Bernouli (thường gọi là dầm Bernouli) So sánh với dầm Bernouli, ứng xử của dầm cao có rất nhiều khác biệt Trong dầm cao, ứng xử cắt đóng vai trò chủ đạo và hiệu ứng vòm (arch action) rõ nét hơn rất nhiều

so với hiệu ứng dầm (beam action) làm cho các vết nứt xiên đầu tiên trong dầm cao thường xuất hiện ở vị trí giữa thân dầm trong nhịp cắt Kiểu phá hoại này rất khác biệt với dầm Bernouli, nơi mà các vết nứt xiên do sự chi phối một phần của mô men luôn bắt đầu phát triển từ mép dưới của dầm Rõ ràng là sự khác biệt về mặt phân bố ứng suất và kiểu phá hoại như đề cập làm cho ứng xử của tấm gia cường trong dầm cao cũng trở nên khác biệt so với dầm Bernouli Cho đến hiện nay, số lượng các nghiên cứu về vấn đề ảnh hưởng kích thước tiết diện đến khả năng kháng

cắt của dầm cao gia cường tấm FRP vẫn còn rất ít (Zhang và các cộng sự, 2004;

Islam và các cộng sự, 2005) Vấn đề hiệu quả gia cường của tấm FRP như thế nào

và khả năng kháng cắt của dầm cao gia cường tấm FRP ra sao khi kích thước của dầm thay đổi vẫn còn chưa có lời đáp

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 Việc giải thích một cách định lượng ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dầm cao gia cường trong trường hợp gia cường dầm nguyên và khi có sẵn vết nứt vẫn chưa được đề cập Điều này cho thấy, rất cần thiết có thêm các nghiên cứu về lĩnh vực này để làm sáng tỏ các vấn đề vừa nêu

Cho đến hiện nay, mô hình thanh chống giằng (Strut and Tie Model - STM) do Schlaich và Schäfer (1983) đề xuất thường được sử dụng để thiết kế kết cấu BTCT, đặc biệt cho những vùng có dạng hình học phức tạp mà tại đó các giả thuyết đơn giản về biến dạng (tuyến tính) không còn đúng Việc xây dựng mô hình thanh chống-giằng (STM) cho kết cấu BTCT được dựa trên sự phân bố ứng suất chính trong kết cấu Để xác định sự phân bố ứng suất, có thể sử dụng lý thuyết đàn hồi bằng phương pháp giải tích hoặc phổ biến nhất là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Bằng cách sử dụng các đường hoặc các mặt đẳng ứng suất (stress

isolines hay isosurfaces) có thể xây dựng hệ giàn gồm các thanh chống và giằng

Mô hình này đã chứng tỏ được tính hợp lý của nó trong việc dự đoán khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT truyền thống và được chấp nhận trong hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay (ACI 318, 2011 và EC 2, 2004) Tuy nhiên, đối với trường hợp các dầm gia cường, tấm FRP làm tái phân bố ứng suất trong vùng cắt, giảm ứng suất kéo trong bê tông, cốt đai và cả cốt dọc (Nguyen-Minh và cộng sự, 2013) và từ đó giảm bề rộng vết nứt cắt, tăng hiệu ứng cài móc và giá trị ứng suất kéo dư của bê tông từ đó làm thay đổi kích thước và tăng khả năng chịu lực các thanh chống nén Trong trường hợp này, việc áp dụng thuần túy các điều khoản khi xây dựng và tính toán mô hình STM như trong dầm cao BTCT truyền thống có thể dẫn đến kết quả thiếu chính xác và không phản ánh đúng cơ chế làm việc thực tế của dầm cao gia cường tấm FRP

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 cao BTCT khi có vết nứt sẵn, gia cường tấm CFRP theo dạng U (kiểu dán theo dải, liên tục 3 mặt) Chương trình thực nghiệm được tiến hành trên 9 mẫu dầm, chia làm 3 nhóm với tỉ lệ mô hình khác nhau (1:2:3) Ngoài ra, dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề tài có đề xuất một số hiệu chỉnh cho mô hình thanh chống – giằng cho dầm cao BTCT khi gia cường tấm FRP phục vụ cho việc dự đoán khả năng kháng cắt của chúng

dầm bé hơn hoặc bằng bốn; hoặc trên dầm xuất hiện tải trọng tập trung trong khoảng bé hơn 2 lần chiều cao dầm tính từ mép gối đỡ (theo mục 10.7.1 tiêu chuẩn ACI 318 – 2011)

CHƯƠNG 2

2 TỔNG 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 (Tan, 2003)

ĐÀN HỒI

CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO KHỐI LƯỢNG RIÊNG

Bảng 2.2: Một số đặc tính cơ lý điển hình của chất kết dính (Andre, 2007)

LOẠI CHẤT

KẾT DÍNH

MÔ ĐUN ĐÀN HỒI

CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO KHỐI LƯỢNG RIÊNG

Hình 2.2: Các dạng FRP được sử dụng hiện nay (tiếp theo): (d) dạng chế tạo sẵn;

CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO

MÔ ĐUN ĐÀN HỒI

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 vật liệu gia cường truyền thống nhờ vào các ưu điểm: 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 nén-uốn 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 sửa chữa, gia cố Sửa chữa với vật liệu FRP hầu như không làm gia tăng kích thước tiết diện, mỹ quan công trình, và ảnh hưởng đến công năng sử dụng công trình

Gia cố sàn BTCT bằng tấm FRP

Tăng cường khả năng

chịu uốn và cắt của dầm

Hình 2.4: Sửa chữa gia cố dầm bằng tấm FRP

Gia cường cột BTCT trên

một cây cầu đường sắt tại

Formia, Ý

Gia cường cột BTCT

Hình 2.5: Sửa chữa gia cố 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) thí nghiệm trên các mẫu dầm có chiều cao tiết diện dầm thay đổi đến 406 mm, tỉ số nhịp cắt trên chiều cao làm việc 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 do ảnh hưởng của kích thước tiết diện

Kim and Park (1994) thí nghiệm trên các mẫu dầm có cường độ bê tông 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 thực 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 công thức trong ACI

318 (1995) dự đoán quá cao khả năng kháng cắt của bê tông trong dầm có chiều cao lớn

Hình 2.6: Sửa chữa sàn bằng tấm FRP

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 theo tỉ lệ mô hình 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 làm giảm biến dạng cực hạn của tấm CFRP Kích thước tiết diện dầm không ảnh hưởng đáng kể đến tỉ số cường độ kháng cắt (cường độ kháng cắt của dầm gia cường tấm CFRP chia cho 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 ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện trên 6 mẫu dầm chia làm 3 nhóm theo tỉ lệ mô hình là 1:2:3 Trong mỗi nhóm gồm có 1 dầm gia cường tấm CFRP dạng dải U 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 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 và 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 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 dải U 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 số lượng vết nứt xiên trong nhịp 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 (2011) 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 liên tục 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  = 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

Đặng Tiến Đức (2013) khảo sát thực nghiệm trên 9 dầm chia làm 3 nhóm A, B và C với tỉ lệ mô hình là 1:2:3 Các dầm được tạo vết nứt cắt với bề rộng hạn chế trước khi gia cường 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 Nhóm A (3 mẫu: G2-RC-1, G2-GFRP-1, G2-CFRP-1) có kích thước 100×250×1700 mm, nhóm B (3 mẫu: G2-RC-2, G2-GFRP-2, G2-CFRP-2) có kích thước 200×500×3400 mm, nhóm C (3 mẫu: G2-RC-3, G2-GFRP-3, G2-CFRP-3) có kích thước 300×750×5100 mm Hàm lượng cốt dọc ρs = 2,35 % cho dầm nhóm 1, 2, và ρs = 2,37 % cho dầm nhóm 3, hàm lượng cốt thép đai  = 0.16% Kết quả thí nghiệm cho thấy biến dạng hữu hiệu của tấm GFRP và CFRP dạng U ở dầm có vết nứt sẵn không bị ảnh hưởng đáng kể bởi yếu tố kích thước tiết diện Sự gia tăng khả năng kháng cắt của dầm gia cường tấm GFRP và CFRP dạng U có xu hướng giảm so với sự gia tăng của chiều cao dầm nhưng không đáng kể Cốt đai trong các dầm gia cường bị chảy dẻo khi dầm bị phá hoại Biến dạng cốt dọc trong các dầm gia cường tấm GFRP và CFRP dạng U tại nhịp cắt chưa đạt đến trị chảy dẻo và không bị ảnh hưởng bởi kích thước tiết diện dầm

2.4 Các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT gia cường tấm FRP

2.4.1 Dầm cao BTCT

Kosa và các đồng nghiệp (2002) đã khảo sát thực nghiệm 25 mẫu dầm với các thông số khác nhau: tỉ số nhịp chịu cắt với chiều cao dầm, a/d (0.5, 1.0, 1.5); hàm lượng cốt thép chịu cắt, ρw (0.0, 0.4, 0,8%); chiều cao dầm, d (300 đến 1400 mm), trong đó có 19 mẫu dầm có tỉ số a/d = 1.5, hàm lượng thép dọc 2.02% Kết quả cho thấy tốc độ phát triển vết nứt trong những mẫu dầm lớn nhanh hơn so với những mẫu dầm nhỏ, ứng suất cắt giảm theo quy luật d-1/3, xảy ra phá hủy cục bộ và cường

độ chịu cắt giảm xuống khi bề rộng thanh chống (strut width) giảm theo quy luật d 1/3 giống như sự gia tăng kích thước cấu kiện theo quy luật trên

-Salamy và các đồng nghiệp (2005) đã mô phỏng ứng xử cắt của dầm cao BTCT bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và so sánh với kết quả thực nghiệm Xác dầm mô phỏng có tỉ số a/d từ 0.5 đến 1.4, chiều cao dầm từ 400 mm đến 1400 mm, hàm lượng cốt thép đai trong nhịp chịu cắt khác nhau lần lượt 0.0%, 0.4% và 0.8% Kết quả cho thấy, đối với những dầm có tỉ số a/d > 1 thì phương pháp FEM cho kết quả sát với thực nghiệm, thiên về an toàn hơn khi thiết kế, tuy nhiên khi a/d < 1 thì phương pháp phân tích FEM dự đoán khả năng chịu lực cắt cao hơn 2-3 lần so với kết quả thực nghiệm

2.4.2 Dầm cao BTCT gia cường tấm FRP

Zhang và các cộng sự (2004) khảo sát thực nghiệm trên 16 mẫu dầm cao không có cốt đai, với kích thước tiết diện 914.4 mm (3 ft) x 101.6 mm (4 in) x 228.6 mm (9 in), có nhịp chịu cắt a là 381 mm (15 in) và 254 mm (10 in) Các dầm được gia tải theo sơ đồ 3 điểm uốn (a = 381 mm), và 4 điểm uốn (a = 254 mm) Các mẫu dầm được chia thành 4 nhóm, được gia cường kháng cắt bằng tấm CFRP với các thông

số hình học khác nhau Trong đó, các dầm nhóm 1 được gia cường tấm CFRP (Sika CarboDur) bằng phương pháp dải, theo các phương khác nhau với sơ đồ thí nghiệm uốn 3 điểm; các dầm nhóm 2 được gia cường tấm CFRP giống với nhóm 1, nhưng với sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm; dầm nhóm 3 được gia cường tấm CFRP (SikaWrap Hex 230c) với các thông số hình học khác nhau trên toàn bộ 2 mặt bên hoặc dạng chữ U với sơ đồ thí nghiệm uốn 3 điểm; dầm nhóm 4 gia cường tấm CFRP giống với nhóm 3 nhưng với sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi tỉ số nhịp chịu cắt với chiều cao làm việc của dầm (a/d) giảm xuống thì cường độ kháng cắt của dầm tăng lên Tuy nhiên, sự đóng góp khả năng kháng cắt của tấm gia cường CFRP phụ thuộc vào kiểu và loại tấm gia cường Đối với những dầm gia cường theo phương pháp dải (CFRP strips), khi tỉ số nhịp chịu

cắt với chiều cao làm việc của dầm (a/d) giảm thì sự gia tăng khả năng kháng cắt

của những dầm được gia cường theo phương vuông góc với trục dầm (90o) có xu hướng giảm, trong khi đó những dầm gia cường tấm theo phương trục dầm (0o) và

phương xiên (45o) lại tăng nhiều hơn Trong trường hợp gia cường bằng tấm CFRP

cho toàn bộ dầm, khi tỉ số a/d giảm thì sự gia tăng khả năng kháng cắt của những

dầm gia cường tấm CFRP dạng U cũng giảm theo, trong khi đó những dầm gia cường tấm CFRP, loại có 2 lớp sợi vuông góc nhau (double-layered CFRP) thì lại tăng Khi tỉ số a/d nhỏ hoặc dầm ứng xử không giống với dầm cao, việc sử dụng chốt neo cho tấm gia cường CFRP dạng U thì không giúp cải thiện được nhiều cho khả năng kháng cắt của dầm Ứng suất của tấm CFRP trong những dầm gia cường khi bị phá hủy thường thấp hơn ứng suất chịu kéo cực hạn của tấm CFRP

Islam và các cộng sự (2005) tiến hành thí nghiệm trên 6 mẫu dầm với kích thước: dài 2000 mm, rộng 120 mm, và cao 800 mm theo sơ đồ uốn 4 điểm Trong đó, có một dầm BTCT (B0) đối chứng và 5 dầm còn lại (B1 ÷ B5) được gia cường tấm CFRP theo phương pháp dải, chia ô lưới và bọc toàn bộ Thép chịu uốn dùng 2 lớp: 2T25 và 2T20 có ứng suất chảy dẻo là 500 MPa và 543 MPa Điều kiện neo cua các thanh thép này được đảm bảo bằng cách hàn tấm thép dày 16 mm vào phía cuối của chúng Cốt thép chịu cắt sử dụng lưới thép hàn đường kính 4 mm (ứng suất chảy dẻo = 553 MPa), bước cốt thép = 100 mm với hàm lượng 0.2 % theo mỗi phương đứng và phương ngang Cường độ chịu nén của mẫu lập phương, mẫu lăng trụ và cường độ chịu kéo chẻ của mẫu lăng trụ lần lượt là 49.3 MPa, 37.8 MPa, và 3.73 MPa Dầm B1 gia cường 2 lớp CFRP (Mbrace) dạng U trong nhịp chịu cắt; dầm B2 gia cường tấm CFRP (SIKA system) dày 1.2 mm, dài 450 mm, 600 mm, và 700 mm theo phương đường chéo từ điểm đặt tải đến gối tựa (trong đó dải CFRP 1.2 mm x

700 mm đặt ở giữa); dầm B3, B4, B5 gia cường theo hệ ô lưới với kích thước: dài

500 mm, rộng 300 mm, khoảng cách ô lưới 50 mm, trong mỗi dầm sẽ khác nhau về thông số đường kính thanh lưới, phương gia cường và phương pháp dán Kết quả thí nghiệm chứng tỏ rằng việc gia cường dầm cao BTCT bằng phương pháp dán tấm CFRP làm vết nứt cực hạn trên đường chéo phát triển chậm hơn và giúp nâng cao cường độ chịu cắt cho dầm cải tạo khoảng 40%

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 cao BTCT gia cường tấm CFRP cho dầm có

(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 f 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

sin

0, 0012

0, 0065

f c

L f

d f

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,  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

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:

3

sin 0.0078

0.0065

f c

L f

d f

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 tập trung vào ba mục tiêu chính:

 Phân tích ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm cao BTCT có sẵn vết nứt được gia cường tấm CFRP theo dải dạng U;

 Phân tích và đánh giá ứng xử của tấm CFRP dạng U trong dầm cao BTCT có sẵn vết nứt;

 Đề xuất một vài hiệu chỉnh liên quan đến cường độ thanh chống nén và nút trong mô hình thanh chống giằng; đồng thời xét thêm ảnh hưởng của kích thước tiết diện nhằm phục vụ cho việc xác định khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT gia cường tấm FRP được hợp lý và chính xác hơn

3.2 Ý nghĩa nghiên cứu

3.2.1 Ý nghĩa khoa học

Do sự khác biệt về ứng xử, hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm cao rất khác biệt so với dầm Bernouli, từ đó làm cho biến dạng hiệu quả của tấm gia cường FRP trong 2 loại dầm này không giống nhau Một số ít các nghiên cứu gần đây về vấn đề này như của Zhang và cộng sự (2004), Islam và cộng sự (2005), nhưng các nghiên cứu trên mới dừng ở việc khảo sát kiểu và loại tấm gia cường FRP trên các mẫu dầm cao BTCT nhỏ cùng kích thước và các dầm còn nguyên vẹn trước khi được gia cường Việc thay đổi kích thước tiết diện của dầm có ảnh hưởng như thế nào đến sự làm việc của tấm gia cường cũng như khả năng kháng cắt của dầm cao gia cường vẫn chưa được đề cập Ngoài ra, trong các dầm gia cường, tấm FRP giúp phân bố lại ứng suất trong dầm ở nhịp cắt, vì vậy việc áp dụng một cách máy móc các điều khoản trong hướng dẫn tính theo mô hình thanh chống giằng như trong dầm cao

BTCT truyền thống có thể dẫn đến kết quả không hợp lý Đề tài này góp phần làm

rõ ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT với vết nứt có sẵn và được gia cường bởi tấm CFRP theo dải dạng

U (kiểu dán liên tục 3 mặt) Đề tài cũng đề xuất một số thay đổi trong việc xác định cường độ chịu nén của thanh chống và nút của mô hình thanh chống giằng có xét đến ảnh hưởng của tấm gia cường nhằm giúp cho việc dự đoán khả năng kháng cắt của dầm cao gia cường tấm FRP được hợp lý hơn

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Vật liệu CFRP 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 CFRP 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 Do đó, vật liệu CFRP đang được xem như một dạng cốt chịu lực thông minh Phương pháp gia cường sử dụng tấm CFRP 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 CFRP 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 trong dầm cao, 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 sát thực nghiệm trên 3 nhóm mẫu dầm cao BTCT với vết nứt có sẵn được gia cường tấm CFRP dạng dải U có tỉ lệ kích thước khác nhau; (b) Thiết lập và phân tích các mối quan hệ cơ bản của dầm như quan hệ lực -

chuyển vị (P-δ), lực - biến dạng tấm CFRP và cốt đai (P - f,w), lực - biến dạng cốt

dọc giữa nhịp (P - s,mid ), lực – biến dạng cốt dọc tại gối (P - s,end), lực - biến dạng

bê tông (P - c,mid);

(c) Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến sự làm việc của tấm gia cường CFRP;

(d) Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của tấm gia cường CFRP đến biến dạng của cốt đai, cốt dọc trong nhịp cắt; đánh giá khả năng tham gia của hiệu ứng chốt chặn của cốt dọc đến khả năng kháng cắt của dầm;

(e) Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT có sẵn vết nứt được gia cường tấm CFRP dải dạng U;

(f) Đề xuất một số hiệu chỉnh liên quan đến việc xác định cường độ chịu nén của thanh chống và nút trong mô hình thanh chống giằng có xét đến ảnh hưởng của tấm gia cường

(g) Kiểm chứng lại các điều chỉnh trên bằng các kết quả thực nghiệm

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,cube và 3 mẫu dùng để xác định cường độ kéo chẻ fct,sp,cube Kết quả, cường độ chịu nén và chịu kéo chẻ của các mẫu bê tông được thể hiện trong