Mô hình dự báo cường độ chịu nén của mẫu bê tông trụ tròn được gia cường bằng bê tông cốt lưới sợi

Bài viết Mô hình dự báo cường độ chịu nén của mẫu bê tông trụ tròn được gia cường bằng bê tông cốt lưới sợi phát triển mô hình dự báo cường độ chịu nén của trụ tròn bê tông được gia cường bằng TRC. Trước hết nghiên cứu tiến hành thu thập, phân tích các kết quả thí nghiệm đã được công bố tại Việt Nam và trên thế giới.

VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƢỜNG MƠ HÌNH DỰ BÁO CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA MẪU BÊ TÔNG TRỤ TRỊN ĐƢỢC GIA CƢỜNG BẰNG BÊ TƠNG CỐT LƢỚI SỢI PREDICTIVE MODEL FOR COMPRESSIVE STRENGTH OF THE CONCRETE CYLINDERS CONFINED BY TEXTILE REINFORCED CONCRETE ThS CAO MINH QUYỀN1; PGS.TS NGUYỄN XUÂN HUY2; TS LÊ NGUYÊN KHƢƠNG1; TS NGUYỄN THUỲ ANH1; ThS MAI VĂN CHIẾN1 Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Đại học Giao thông vận tải Email: quyencm@utt.edu.vn Tóm tắt: Bài báo phát triển mơ hình dự báo cường độ chịu nén trụ tròn bê tông gia cường TRC Trước hết nghiên cứu tiến hành thu thập, phân tích kết thí nghiệm công bố Việt Nam giới Sau dựa kết phân tích, mơ hình dự báo tỉ số khả chịu nén mẫu gia cường TRC với mẫu đối chứng (fcc/fc0) phát triển Mơ hình so sánh với số nghiên cứu có để khẳng định độ tin cậy mơ hình phát triển Từ khóa: TRC, hiệu ứng chống nở ngang, mơ hình dự báo, cường độ chịu nén, gia cường cột, lưới sợi Summary: The target of this study is to propose a predictive model for compressive strength of the concrete cylinders confined by TRC system The first, this study has collected experimental results published in Viet Nam and in the world The next, based on that datasets, this paper gives a predictive model out for compressive capacity of the reinforced specimens with unreinforced specimens and compares with previous models to verify the reliability of developed model Keyword: TRC, confinement effect, predictive model, compressive strength, reinforced column, textile Giới thiệu Đối với cơng trình bê tơng cốt thép (BTCT) đưa vào khai thác lâu năm, đặc biệt nhiều cơng trình có tính lịch sử, văn hố Việt Nam phương án gia cường nhằm tăng khả chịu lực kết cấu phương án khả thi cần xem xét cách cụ thể, đảm bảo độ tin cậy trước áp dụng vào thực tế thi cơng Trong cấu kiện chịu nén cột BTCT cấu kiện chịu lực Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2022 kết cấu có ứng xử làm việc phức tạp nên cần trọng lựa chọn giải pháp gia cường Hiện tồn nhiều giải pháp gia cường kết cấu nói chung giải pháp sử dụng loại vật liệu composite tỏ hiệu phương diện khả chịu lực, thi công nhanh không ảnh hưởng đến trình khai thác kinh tế… Trong cơng nghệ sử dụng vật liệu Polymer cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer FRP) công nghệ dùng bê tông cốt lưới sợi (Textile Reinforced Concrete – TRC) quan tâm nghiên cứu bước áp dụng rộng rãi giới Ưu điểm FRP tỷ lệ cường độ trọng lượng cao, thi công dễ dàng, nhanh chóng làm thay đổi kích thước hình học ban đầu cấu kiện Tuy nhiên việc sử dụng chất kết dính epoxy khiến FRP có tác động tiêu cực đến môi trường sức khoẻ người đặc biệt môi trường nhiệt độ cao công trình xảy cháy nổ TRC sử dụng lưới sợi dệt từ bó sợi gồm nhiều sợi có nguồn gốc khác aramid, thuỷ tinh, carbon, thép… làm “cốt” đóng vai trị vật liệu chịu lực hệ thống gia cường Chất kết dính lưới sợi cấu kiện gia cường bê tông hạt mịn (BTHM) tạo thành từ hỗn hợp xi măng cốt liệu có đường kính nhỏ (Dmax < 1mm), phụ gia khống muội Silic, tro bay phụ gia siêu dẻo để cải thiện độ bền, khả liên kết… Các nghiên cứu đặc tính học chúng chứng minh chế làm việc chung truyền ứng suất cách hiệu lưới sợi BTHM, tính phù hợp TRC việc gia cường kết cấu thực tế Ngoài ưu điểm đáng ý TRC thân thiện với môi trường an toàn với sức khỏe người Mặc dù kết nghiên cứu cấu kiện cột gia cường TRC nói chung cịn hạn chế Ngun nhân hiệu gia cường cột 45 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƢỜNG TRC định hiệu ứng chống nở ngang hình Kết nghiên cứu tài liệu tham khảo hữu chịu ảnh hưởng nhiều tham số hình dạng, ích cho kĩ sư thiết kế lựa chọn giải pháp gia kích thước tiết diện; số lượng lớp gia cường; tính cường TRC cho cấu kiện cột bê tông cốt thép để dự chất học lưới sợi, bê tông hạt mịn Một số báo trước ảnh hưởng hiệu ứng chống nở nghiên cứu phát triển mơ hình dự báo khả ngang đến khả chịu nén cột chịu lực biến dạng giới hạn dựa Bộ liệu thí nghiệm kết thí nghiệm mẫu trụ gia cường TRC số lượng liệu hạn chế, việc đánh giá ảnh hưởng tham số đến hiệu gia cường chưa sát với làm việc thực tế cấu kiện… nên độ xác mơ hình chưa thực cao Để bước đưa TRC trở thành loại vật liệu phổ biến, áp dụng vào thực tiễn công tác gia cường kết cấu nói chung cấu kiện cột nói riêng cách có hiệu Việt Nam địi hỏi cần có thêm nhiều kết nghiên cứu thực nghiệm làm sở cho dẫn kĩ thuật tương lai Nghiên cứu thu thập 263 liệu tỉ số cường độ chịu nén mẫu bê tơng trụ trịn gia cường khơng gia cường TRC từ nghiên cứu trước [1–8] Các mẫu trụ trịn có đường kính D, chiều cao H gia cường (fcc) mẫu đối chứng không gia cường TRC (fco) Các nghiên cứu sử dụng nhiều loại lưới sợi khác sợi aramid, bon, thuỷ tinh, sợi thép với chiều dày trung bình lớp lưới sợi tf, cường độ chịu kéo mô đun đàn hồi Ef bó sợi trần ffu Ef, mật độ bó sợi dọc biểu diễn thông qua Nghiên cứu dựa 263 kết thí diện tích mặt cắt ngang lớp lưới sợi tính nghiệm thu thập từ 21 nghiên cứu 1m chiều dài cột khơng tính đoạn neo cơng bố nước giới để phát triển mô đầu lớp lưới sợi Af (mm /m) Lưới sợi hình dự báo cường độ chịu nén mẫu trụ quanh mẫu thí nghiệm với góc q tạo bó sợi trịn bê tơng gia cường TRC Khả dự dọc trục đứng mẫu Số lớp gia cường cho báo mơ hình phát triển so sánh với tổ mẫu thí nghiệm tương ứng nf mơ hình trước để xác minh độ tin cậy mô liệu thay đổi từ đến lớp Bảng Các tham số liệu thí nghiệm mẫu trụ tròn gia cường TRC STT Tham số D (mm) D/H fco (MPa) ffu (MPa) Ef (GPa) rf = 4nftf/D Af (mm /m) q Nhỏ 100 0,3 11,4 586 52 0,00023 1,7 30 Lớn 300 0,6 52,39 5800 330 0,32 563 90 Chênh lệch 200 0,3 40,99 5214 278 0,0318 561,3 60 Trung bình 149,35 0,47 22,43 3532,4 182,65 0,0042 42,6 88 Bộ liệu cho thấy hầu hết tổ mẫu thí liệu khác bon, aramid, thép, thuỷ nghiệm có D nhỏ 200, tỉ số D/H chủ yếu tập tinh… Hướng sợi lựa chọn để tiến hành gia trung giá trị 0,5 Đối với cường độ fco bê tông cường mẫu chịu nén hầu hết vng góc với lõi quan sát thấy chúng phân bố trục dọc mẫu thử tương ứng với q = 90 , vài khoảng từ đến 52,39 (MPa) có số mẫu có góc q nhỏ 90 mẫu có cường độ lớn 40 MPa Đối với lưới sợi, cường độ chịu kéo bó sợi trần ffu phân bố Mơ hình dự báo cƣờng độ chịu nén mẫu trụ tròn bê tông gia cƣờng TRC khoảng từ 586 đến 5800 (MPa) mơ 3.1 Các mơ hình dự báo có đun đàn hồi bó sợi trần Ef thay đổi khoảng Các nghiên cứu giới đưa số mơ hình dự báo cường độ chịu nén bê tông gia cường TRC khác nhau, nhìn chung xét đến ảnh hưởng tham số hình dạng tiết diện (vng, trịn, bo góc), tính chất lý lưới sợi, số lớp gia cường tóm tắt bảng 52 đến 330 (GPa) Diện tích mặt cắt ngang sợi dọc 1m chiều cao cột gia cường thay đổi từ tới 600 (mm /m) nhiên số giá trị lớn 500 (mm /m) Lưới sợi sử dụng nghiên cứu tạo thành từ nhiều loại vật 46 0 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2022 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƢỜNG Bảng Một số mơ hình dự báo có Nguồn Mơ hình dự báo Ortlepp [9] f cc f co  3,1 a flu  f co f co ACI 549.4-13 [10]  f   f  f cc f   0, 27  lu  5,55   lu  -3,51  lu  f co f co  f co   f co   b  h   A  n  f ; k   bn2  hn2  lu  ke  e f f fu bh Ac ; flu   2n f Af E f  fe   b  h   b h 2   bn    hn  b  h b ;  a    1  Ag h     (1) 0,5 ; (2)  fe  min( fu ;0,012) 0.5 Ombres [11]  f  f cc   0,913  lu  f co  f co    f E f 0.3  f lu  ke k  f E f  fu ; ke  0, 25    1 ;  f co   0 với q  90 kq  với q  90 ; k q  (1  3tan q) Triantafillou T.C [12]  f  f cc   1,9  lu  f co  f co   b  h  t E  ; k   bn2  hn2 flu  ke e f f fu bh Ac (3) 1.27 (4) 0.775 De Caso [13] Colajanni [14]  f  f cc   2,87  lu  f co  f co  E f  fu t f n f flu  D f cc f f  2, 254  7,94 lu  lu  1, 254 f co f co f co flu   f E f  fu ke ; ke  b  rc   1 (6) D - Đường kính phần tử chịu nén Với tiết diện đó: flu - Ứng suất bó ngang giới hạn lớp TRC; D  b2  h2 ; bn = b - 2rc ; h n = h - 2rc - Kích thước cạnh tự chữ nhật ε fe - Biến dạng có hiệu lớp TRC; ε fu -   h  rc  Ag (5) Biến dạng giới hạn bó sợi trần TRC; f  4n f t f D - Hệ số thể tích lưới sợi; Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2022 do; rc - Bán kính bo góc tiết diện; ke - Hệ số biến dạng có hiệu tính đến ảnh hưởng tiết diện mặt cắt ngang; 47 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƢỜNG ka - Hệ số biến dạng có hiệu tính đến ảnh đó: Oi kết quan sát hay hưởng tiết diện mặt cắt ngang xác định fcc kết thực nghiệm Ti kết dự báo theo mô hình dự báo ACI; mơ hình Giá trị R lớn giá trị nhỏ MAE, MSE, RMSE giúp nhận biết đâu kθ - Hệ số kể đến ảnh hưởng hướng sợi; mơ hình có độ xác cao so với kết thí Ac - Diện tích tiết diện thực bê tơng lõi Khi nghiệm Trong phạm vi báo, nhóm tác giả lựa mẫu thí nghiệm khơng có cốt thép Ac = Ag; chọn sai số bình phương trung bình MSE tính 3.2 Tiêu chí đánh giá mơ hình dự báo phổ biến, đơn giản đảm bảo độ tin cậy Để đánh giá độ tin cậy tối ưu mơ hình dự báo nói chung cần dựa số tiêu để so sánh độ xác mơ hình phát triển với mơ hình sử dụng để tham chiếu 3.3 Mơ hình dự báo phát triển chí hay số hệ số tương quan Pearson (R) xác định theo phương trình (7) nhằm tạo Trong số mơ hình tổng hợp tổ hợp khác tham số Nếu biến bảng 2, có trường phái sử dụng tính chất học đầu vào lớn giá trị R điều cho thấy tầm quan lưới sợi (Ef, ffu, efu) xây dựng mơ hình dự trọng với tham số đầu Bên cạnh cịn có sai số bình phương trung bình (MSE), sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số bình phương báo Theo trường phái thứ tính chất học xác định cách thực thí trung bình bậc (RMSE), chúng trình bày nghiệm kéo dọc trục TRC Kết thí nghiệm cách có hệ thống phương trình tương đồng thời phụ thuộc vào tính chất BTHM sử ứng sau: dụng chương trình thí nghiệm Đại diện cho n R   trường phái thứ mơ hình dự báo ACI   Ti  T Oi  O     i 1  T  T    O  O  n i 1 n i 549.4R-13 [10] Trường phái thứ hai sử dụng tính (7) nghiệm kéo bó sợi trần đơn lẻ, kết thí i i 1 nghiệm theo mơ hình thí nghiệm khơng bị ảnh n MAE   T O i i 1 MSE  hưởng tính chất học BTHM khả i (8) n  T n i i 1  Oi  dụng tính chất học bó sợi trần để (9)  T  O  i 1 thống tham số đầu vào cho mơ hình dự báo, phạm vi nghiên cứu tiến hành tính toán so i i làm việc chung BTHM lưới sợi Các liệu báo thu thập từ 21 nghiên cứu sử n n RMSE  chất học bó sợi trần dựa mơ hình thí sánh với mơ hình dự báo theo trường phái thứ (10) n hai Sai số bình phương trung bình MSE mơ hình dự báo tổng hợp bảng Bảng Chỉ số MSE mơ hình dự báo MSE Ortlepp [9] 2,83 Ombres [11] 0,1 Có thể thấy mơ hình xây dựng Ombres cho khả dự báo xác mẫu bê tơng bó ngang TRC Mặc dù mơ hình Ombres có xét đến ảnh hưởng độ dày trung bình lưới sợi tf không xét tới mật độ phân bố bó sợi dọc tương ứng với kích thước mắt lưới biểu diễn 48 Triantafillou T.C [12] 0,46 De Caso [13] 0,9 Colajanni [14] 0,65 thơng qua tham số Af diện tích mặt cắt ngang lớp lưới 1m chiều cao cột gia cường, khơng tính phần neo lớp lưới Mật độ phân bố bó sợi ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt dính bám lưới sợi BTHM Khi mật độ thấp làm giảm bề mặt dính bám thành phần này, mật độ phân bố bó sợi lớn làm tăng diện Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2022 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƢỜNG tích chịu ứng suất bó ngang lưới sợi bề mặt dính bám đồng thời lại làm giảm xâm nhập BTHM vào không gian mắt lưới, điều giảm cường độ dính bám lưới sợi BTHM Với mục tiêu phát triển mơ hình dự báo áp dụng rộng rãi, tiện lợi, đủ độ tin cậy, nghiên cứu kế thừa dạng mơ hình phát triển Ombres có xét thêm ảnh hưởng tham số Af (mm /m) Tham số biểu diễn thông qua hệ số  Af tf Mơ hình phát triển có mơ hình khả thi để dự báo khả chịu nén mẫu trụ trịn bê tơng gia cường TRC Kết luận kiến nghị Dựa việc phân tích kho liệu lớn gồm 263 kết mơ hình phát triển nghiên cứu trước báo tiến hành phân tích phát triển mơ hình dự báo cường độ chịu nén mẫu trụ trịn bê tơng gia cường bê tông lưới sợi sau: f  fcc   0, 21 lu  fc  fc  dạng: b f  fcc   a  lu  1  dc  fc  fc  (11) 0,25 1  d  0,21 Với số MSE 75% so với số MSE mơ hình tiên tiến trước áp Lúc hàm mục tiêu xác định biến số a, dụng dự báo cường độ chịu nén cho mẫu trụ tròn b, c phương trình (11) cho MSE tương bê tơng gia cường TRC, mơ hình phát triển ứng nhỏ Sử dụng phương pháp GRG phi nghiên cứu cho thấy độ tin cậy cao hơn, tuyến (Generalized Reduced Gradient) để áp dụng với tính đơn giản nên mơ hình hồn tồn cho phép tốn tơn, phi tuyến tính GRG phương pháp có khả giải tốn tối ưu tuyến tính phi tuyến gồm tập hợp biến sử dụng hiệu cho kĩ sư tham khảo trước lựa chọn giải pháp gia cường cho cấu kiện bê tơng chịu nén có tiết diện trịn Mơ hình phát triển áp dụng để tính tốn hiệu x(1), x(2),…, x(n) thỏa mãn điều kiện ràng buộc gia cường TRC cho mẫu trụ trịn bê tơng Nó tương ứng với điểm miền nghiệm sử dụng nhiều loại lưới sợi có tính chất học, đặc thuộc khơng gian n chiều Thực chất GRG xuất trưng hình học khác xây dựng phát từ điểm đến điểm khác sở liệu với phong phú tham số miền nghiệm hướng có lợi cho đầu vào phương án xấp xỉ nhanh với Nghiên cứu thực cho mẫu thí nghiệm phương án tối ưu Miền giá trị biến số a, b, có dạng tiết diện khác cịn hạn chế nên chưa đủ c không bị giới hạn Kết phân tích cho kết để xây dựng mơ hình dự báo tổng qt áp dụng sai số bình phương trung bình nhỏ đạt MSE = 0,0749 tương ứng với a = 0,21; b = 0,25 c = 0,21 Khi phương trình (11) viết lại đầy đủ sau: f  fcc   0, 21 lu  fc  fc  hệ số  tf cần có thêm nhiều nghiên cứu với đối tượng nghiên cứu phong phú cho cấu kiện bê tông chịu nén gia cường TRC để xây dựng mơ hình dự báo có độ tin cậy phạm 0,25 1  d  0,21 vi áp dụng rộng rãi (12) Như ảnh hưởng tham số số lớp TRC, tính chất học lưới sợi bê tơng lõi tham số hình học lưới sợi kích thước mắt lưới ảnh hưởng đáng kể đến khả chịu nén mẫu trụ trịn bê tơng gia cường TRC Mơ hình nghiên cứu phát triển xét đến ảnh hưởng thông qua Af cho loại tiết diện bê tơng thơng thường Vì cải thiện độ xác mơ hình tốt trước Ombres lên tới 25% Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2022 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải (ĐHCNGTVT) đề tài mã số ĐTTĐ2021-27- ĐTTĐUTT TÀI LIỆU THAM KHẢO Cao Minh Quyền, Nguyễn Xuân Huy, Lê Nguyên Khương, Nguyễn Hữu Giang (2021) Ảnh hưởng hình dạng tiết diện đến hiệu gia cường cột ngắn bê tông bê tông cốt lưới dệt Hội nghị Khoa học 49 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƢỜNG tồn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XV , Trường Đại học Ortlepp, R (2015) TRC strenghtened columns Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên 25/9 Presented at the 8th International Conference FIBRE CONCRETE 2015: Technology, Design, Application , Colajanni, P., Fossetti, M., Macaluso, G (2014): Prague, Czech Republic September 10 Effects of confinement level, cross-section shape and corner radius on the cyclic behavior of CFRCM 10 CI Committee 549: ACI 549.4R-13 (2013) Guide to confined concrete columns Construction and Building Design and Construction of Externally Bonded Fabric- Materials Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Systems for 55, 379–389 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.01.035 Repair and Strengthening Concrete and Masonry Colajanni, P., De Domenico, F., Recupero, A., Spinella, N (2014) Concrete columns confined with fibre reinforced cementitious mortars: Experimentation and modelling Construction and Building Materials 52, 375–384 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.11.048 Structures 11 Ombres, L., Mazzuca, S (2017) Confined Concrete Elements with Cement-Based Composites: Confinement Effectiveness and Prediction Models J Compos Constr 21, 04016103 https://doi.org/10.1061/(ASCE)CC.1943- Triantafillou, T., Papanicolaou, C., Zissimopoulos, P., 5614.0000755 Laourdekis, T (2006) Concrete Confinement with Textile-Reinforced Mortar Jackets ACI Structural 12 Triantafillou, T.C., Papanicolaou, C.G., Zissimopoulos, P., Laourdekis, T (2006) Concrete Journal 103, 28–37 Confinement with Textile-Reinforced Mortar Jackets Colajanni, P., Di Trapani, F., Fossetti, M., Macaluso, G., PAPIA, M (2003) CYCLIC AXIAL TESTING OF SJ 103, 28–37 (2006) https://doi.org/10.14359/15083 COLUMNS CONFINED WITH FIBER REINFORCED 13 De Caso y Basalo, F.J., Matta, F., Nanni, A (2012): CEMENTITIUOS MATRIX Presented at the June 13 Trapko, T (2014) Confined concrete elements with PBO-FRCM composites Construction and Building Materials 73, 332–338 Fiber reinforced cement-based composite system for concrete confinement Construction and Building Materials 32, 55–65 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.12.063 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.09.055 Ombres, L (2007) Confinement effectiveness in 14 Colajanni, P., De Domenico, F., Recupero, A., concrete strengthened with fiber reinforced cement Spinella, N (2014) Concrete columns confined with based composite jackets FRPCS-8 Patras, Greece fibre reinforced cementitious mortars: Experimentation Gonzalez-Libreros, J., Zanini, M.A., Faleschini, F., Pellegrino, C (2019) Confinement of low-strength concrete with fiber reinforced cementitious matrix 52, 375–384 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.11.048 (FRCM) composites Composites Part B: Engineering Ngày nhận bài: 03/3/2022 177, Ngày nhận sửa: 17/3/2022 107407 https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107407 50 and modelling Construction and Building Materials Ngày chấp nhận đăng: 23/3/2022 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2022 ... Af (mm /m) Lưới sợi hình dự báo cường độ chịu nén mẫu trụ quanh mẫu thí nghiệm với góc q tạo bó sợi trịn bê tơng gia cường TRC Khả dự dọc trục đứng mẫu Số lớp gia cường cho báo mô hình phát triển... tỉ số cường độ chịu nén mẫu bê tơng trụ trịn gia cường khơng gia cường TRC từ nghiên cứu trước [1–8] Các mẫu trụ trịn có đường kính D, chiều cao H gia cường (fcc) mẫu đối chứng không gia cường. .. kết mơ hình phát triển nghiên cứu trước báo tiến hành phân tích phát triển mơ hình dự báo cường độ chịu nén mẫu trụ trịn bê tơng gia cường bê tông lưới sợi sau: f  fcc   0, 21 lu  fc  fc