Hiệu năng gia cường kháng uốn của tấm cfrp cho dầm bê tông căng sau dùng cáp không bám dính

ĐẠI HỌC QC GIA TP HỊ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN VŨ PHƯƠNG HIỆU NÂNG GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG CÀNG SAU DÙNG CÁP KHƠNG BÁM DÍNH LUẬN ÁN TIẾN Sì TP HỊ CHÍ MINH - NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN VŨ PHƯƠNG HIỆU NĂNG GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG CĂNG SAU DỪNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH Chun ngành: Kỳ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Công Nghiệp Mã số chuyên ngành: 62580208 Phàn biện độc lập 1: TS Trần Văn Phúc Phản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn Trung Hiếu Phản biện 1: PGS TS Lê Anh Thắng Phản biện 2: TS Nguyễn Đình Hùng Phản biện 3: PGS TS Hồ Đức Duy NGƯỜI HƯỚNG DẦN: PGS TS Nguyền Minh Long PGS TS Ngô Hữu Cường LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cùa bán thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giã luận án Chừ ký Phan Vũ Phương i TÓM TẮT LUẬN ÁN Nhờ vào đặc tính kỹ thuật nơi trội vật liệu CFRP có cường độ cao, trọng lượng riêng nhẹ, khơng dẫn điện, khơng nhiễm từ, khơng bị ăn mịn, thi công dơn giản, giải pháp sử dụng vật liệu CFRP cho công tác sửa chữa gia cường cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) bê tỏng ứng suất trước (BTUST) cho thấy tính hiệu cao cúa bên cạnh giải pháp truyền thống hữu Tuy nhiên, vài nghiên cứu ứng xử uốn dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường CFRP chưa đề cập đầy đú lượng hóa tường minh ánh hưởng cua CFRP gia cường đến làm việc cáp dầm; chưa thấy đề cập đến ánh hường tải trọng lặp Bên cạnh đó, đặc tính bám dính cua CFRP với bê tông yếu tố đạo định đến hiệu gia cường kháng uốn CFRP cho dầm BTCT dầm BTUST; nhiên, đặc tính chưa trình bày đầy đủ có hệ thống, đặc biệt cho trường hợp dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính Các vấn đề vừa nêu dẫn đến thiếu vắng điều khoản thiết kế cho trường hợp cấu kiện hay dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính hướng dẫn thiết kẻ gia cường hành bang vật liệu FRP Luận án nghiên cứu đặc tính bám dính CFRP với bê tông hiệu gia cường kháng uốn cúa CFRP cho dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính Các mục tiêu luận án bao gồm: (1) phân tích thực nghiệm đặc tính bám dính CFRP với bê tơng dầm BTƯST dùng cáp không bám dinh làm rõ khác biệt với đặc tính bám dính cùa CFRP với bê tông mầu kéo trượt thông dụng cách có hệ thống; (2) phân tích thực nghiệm ứng xử định lượng hỏa hiệu gia cường kháng uốn CFRP cho dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính; (3) xây dựng mơ hình bám dính - trượt cúa liên kết CFRP - bê tông cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính đề xuất cơng thức tính biến dạng cùa cáp dầm BTUST dùng cáp không bám dính có kể đến ảnh hướng cùa gia cường kháng uốn CFRP phục vụ cho quy trình thiết kế gia cường kháng uốn bang CFRP cho dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính Phục vụ cho mục tiêu thực nghiệm, chương trình thực nghiệm hai mươi dầm BTUST gian đơn dùng cáp không bám dính tiết diện chữ T kích thước lớn ii thực Các thơng sổ khảo sát bao gồm số lớp CFRP (0, 2, 4, lớp), tình trạng dầm trước gia cường (dầm nguyên dầm nứt), loại tài trọng (tải trọng đơn điệu tài trọng lặp), kiểu neo U-CFRP (tập trung phân bố đều) Ngồi ra, đề phân tích làm rõ khác biệt đặc tính bám dính CFRP-bê tông mầu kéo trượt đơn thường dùng so với cùa mầu dam BTUST dùng cáp khơng bám dính, chương trình thí nghiệm nhỏ tiến hành bay mẫu kéo trượt Kết thực nghiệm đặc tính bám dính CFRP gia cường kháng uốn dầm BTUST dùng cáp không bám dính cho thấy có khác biệt lớn phân bố biến dạng giá trị biến dạng bong tách cúa tarn CFRP mẫu dam BTUST dùng cáp khơng bám dính so với cua mầu kéo trượt túy (chênh lệch lên tới 250% so với dầm khơng neo 490% so với dầm có neo) Kết kiểm chứng cho thấy công thức dự đoán cường độ bám dinh nghiên cứu trước hướng dẫn, tiêu chuẩn thiết ke gia cường hành dự đoán cường độ bám dính cua CFRP dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính, đặc biệt dùng hệ neo CFRP dạng Uwraps thấp so với thực nghiệm (trung bình 42%) Kết quà thực nghiệm ứng xử uốn cua dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính gia cường tẩm CFRP chịu tải trọng tĩnh dơn điệu tải trọng lặp cho thấy biển dạng cáp dầm gia cường chịu tác động đáng kê bời CFRP gia cường kháng uốn hệ neo CFRP dạng dải u Tấm CFRP ành hưởng đáng kể đến khả kháng uốn (tăng đen 65%), bề rộng vết nứt (giảm đến 84% giai đoạn sứ dụng) chuyên vị dầm (tăng đến 65%); nhiên, mức độ ảnh hưởng tì lệ nghịch với sổ lớp tắm CFRP Tải trọng lặp ảnh hưởng đáng kể đến khả kháng uốn lại, biến dạng bề rộng vết nứt dầm gia cường giai đoạn thí nghiệm tải đơn điệu sau lặp, đặc biệt giai doạn sử dụng, không dáng kế giai doạn bền Trong giai đoạn chịu tái trọng lặp, CFRP làm giảm đáng kể chuyển vị dư (đến 19%), chuyển vị (đến 34%) bề rộng vết nứt lớn dầm (đến 21%) so với dam tương ứng nhóm chịu tải trọng tình đơn điệu; giàm tỉ lệ thuận với sổ lớp gia cường số chu kỳ gia tải lặp Hệ neo U-wraps với vùng bố trí khác ảnh hưởng rõ nét đến dạng phá hoại dầm, làm tăng đáng kể biến dạng cuối CFRP cáp, độ deo dam Biến dạng bong tách cùa tarn CFRP tính tốn từ hướng dần tiêu chuẩn iii thiết kể gia cường kết cẩu bê tơng dùng FRP dán ngồi hành, cho kết quà an toàn, nhìn chung, đánh giá thấp giá trị biến dạng bong tách CFRP cho trường hợp dầm BTUST dùng cáp khơng bám dính Cơng thức tính biến dạng cáp khơng bám dính có kể đến ảnh hưởng cùa CFRP đề xuất luận án cho kết gần với thực nghiệm với độ phân tán thấp dề sư dụng Công thức mơ hình tính biến dạng bong tách CFRP đề xuất luận án dùng để bố sung vào điều khoản thiết kế gia cường kháng uốn cho dầm BTUST cáp khơng bám dính dùng CFRP vốn thiếu tiêu chuẩn hành iv ABSTRACT Thanks to the outstanding technical characteristics of CFRP materials such as high strength, lightweight, non-conductivity, non-magnetism, non-corrosiveness, simple construction, the solution of using CFRP materials for retrofitting or strengthening of reinforced concrete (RC) and post-tensioned concrete (PC) structures has shown its high efficiency besides existing traditional solutions However, the current limited studies on the flexural behavior of unbonded post-tensioned reinforced concrete (UPC) beams strengthened with CFRP sheets have not fully mentioned and quantified the influence of CFRP sheets for strengthening on the performance of the tendons and the beams, and the effects of repeated loads as well on the performance of UPC beams Another pivotal factor controlling the effectiveness of the CFRP strengthening system for RC and PC beams is the interfacial bond behavior of CFRP sheets and concrete However, this behavior has not been fully and systematically investigated in the published literature, especially in the case of PC beams using unbonded tendons The problems mentioned above lead to the absence of design provisions for PC members using unbonded tendons in current design guidelines for strengthening concrete structures using FRP materials This thesis studies the interfacial bond behavior of CFRP-to-concrete joints and the flexural-strengthening efficiency of CFRP sheets on UPC beams The main objectives of the thesis include: (1) experimentally analyze the interfacial bond behavior of CFRP sheets and concrete on UPC beams and clarifying the difference between this bond behavior and the CFRP-to-concrete bond behavior on single-lap shear specimens (the prevailing bond behavior) in a systematic way; (2) experimentally investigate of the behavior and quantification of the flexural-strengthening efficiency of CFRP sheets on UPC beams, and (3) develop an interfacial bond-slip model of CFRP-to-concrete joints for UPC beams and propose a new formula for calculating the strain of unbonded tendons in UPC beams including the effect of CFRP sheets serving for the design procedure of flexural strengthening using CFRP sheets for UPC beams Regarding the experimental program, the test consisted of 20 large-scale UPC T-beams The main survey parameters included the number of CFRP sheet layers (0, 2, 4, and V layers), beam condition before strengthened (uncracked and pre-cracked), loading type (monotonic and repeating loading), and CFRP U-wrap anchors type (concentrated and evenly distributed) In addition, to analyze and clarify the difference between the interfacial CFRP-to-concrete bond in UPC beams and that in single-lap shear specimens which are commonly used, a small test program was conducted on seven single-lap shear specimens The experimental results showed that the interfacial bond behavior in the beams was very different from that in the single-lap shear tests in terms of the debonding strain and strain distribution of CFRP sheets (up to 250% compared to the beams without U-wraps and 490% compared to beams with U-wraps) The test results also showed that the accuracy of some existing codes and models in estimating the bond strength of CFRPto-concrete joints in UPC beams (especially with CFRP U-wrap anchor systems) are very low compare to experimental data (42% on average) The experimental results on the flexural behavior of UPC T-beams strengthened with CFRP sheets under monotonic and repeated loads showed that the use of CFRP sheets and CFRP U-wrap anchors significantly affected the tendon strain CFRP sheets significantly affected the beam flexural resistance (increased by up to 65%), crack width (decreased by up to 84% in the serviceability stage), and beam displacement (increased by up to 65%); however, this enhancement tended to decrease as the CFRP sheet ratio increased The repeated loads considerably affected the residual load-carrying capacity, deflection, and crack width of the strengthened beams under post-repeated monotonic loading, particularly at the serviceability state but not at the ultimate state For the serviceability state, the beams subjected to repeated loads showed a considerable decrease in the residual load-carrying capacity (by 19%), an increase in the final displacement (up to 34%), and an increase in the crack width (up to 21 %), compared to those of identical beams under solely monotonic loadings; these reductions were proportional to the number of CFRP layers and load cycles The U-wrap anchors with different layouts had a marked effect on the failure mode of the beam, increased the maximum strain of CFRP sheets and tendons, and enhanced the ductility of the beams Debonding strain of CFRP sheets calculated from the current guidelines and design vi standards for strengthening of concrete structures using externally bonded FRP sheets, although give safe results; in general, it is currently underestimating the debonding strain value of the CFRP sheets for the case of UPC beams The tendon strain prediction formula including the influence of the CFRP sheet is the pioneering proposal, easy to use and give accurate and reliable compared to the experimental data The model and formula proposed in this thesis can supplement the design provisions for flexural strengthening UPC beams with CFRP sheets which are lacking in current standards vii LỜI CÁM ƠN Luận án thực Khoa Kỳ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM đồng hướng dần PGS TS Nguyền Minh Long PGS TS Ngô Hữu Cường Các nghiên cứu trình bày luận án tài trợ phần kinh phí bời đề tài NCKH cấp Quốc Gia mã sổ 14/2018/HĐ-KHCN- TNB.ĐT/11-19/C26 thuộc Chương trình Tây Nam Bộ, Đại học Mơ Thành Phố Hồ Chí Minh với Đe tài mã số E2016.6.6.1 Trường Đại học Bách Khoa TP HCM với Đe tài mã số TNCS-KTXD-2016-14 Tôi xin trân trọng cám ơn PGS TS Nguyền Minh Long, PGS TS Ngô Hữu Cường, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Phòng Dào tạo Sau đại học nhân viên phịng thí nghiệm Kốt cẩu cơng trình (BKSEL) tận tình chi báo, hướng dẫn tơi suốt q trình làm nghiên cứu sinh đặc biệt hướng dần viết Luận án Tiến sĩ viii • a X a a Hình A.6: Công tác định vị lông thép vào côp pha dâm 172 Hình A.7: Cơng tác kiểm tra độ sụt lấy mẫu * bè tông thương phẩm trước đổ bê tơng dâm Hình A.8a: Cơng tác đổ bê tơng dầm nhóm M 173 Hình A.8b: Cơng tác đổ bê tơng dầm nhóm RC c 174 /ĩ Hình A.9: Cơng tác bảo dưỡng mầu thí nghiệm Hình A.lOa: Lắp đặt đầu neo sổng cho cáp Hình A.lOb: Xịt son đánh đấu đế kiếm tra tượng tuột đầu neo trình căng cáp 175 Hình A.lOc: A A Lắp đặt đồng hồ đo độ vông dâm căng cáp ' Hình A.lOd:' Lắp đặt cám biến đo biên dạng ban đâu cùa cáp căng Hình A.lOe: Cơng tác căng cáp cho dầm kiềm soát đồng hồ đo lực cua thiêt bị chuyên dụng 176 Hình A.lla: Cơng tác vệ sinh bề mặt dâm sau mài bơ tơng Hình A.l Ib: Cơng tác cắt CFRP theo thiết kế Hình A.llc: Cơng tác pha trộn keo theo tỉ lệ quy định cúa nhà sản xuất 177 \ * Hình A.1 Id: Cơng tác phu lớp keo đâu tiên lên bê mặt bê tơng bê mặt vải sợi CFF Hình A.lle: Cuộn CFRP sau quét kco đe chuấn bị dán lên dầm 178 Hình A.l If: Cơng tác dán CFRP kháng uốn lên mẫu dầm Hình A.llg: Quét phú lớp keo thứ lên bề mặt CFRP thứ để chuẩn bị dán lớp CFRP 179 - - - X - - - - ' ã ô # r Hình A.llh: Phù lớp keo đâu tiên lên bê mặt bê tơng vị trí gia cường kháng căt Hình A.lli: Cơng tác dán dải tâm CFRP dạng u gia cường kháng căt 180 Hình A.llj: Các dầm sau gia cường CFRP 181 \ r Hình A.l Ik: Quá trình tạo vêt nứt trước gia cường cùa dâm nhóm RC 182 ri r í Hình A.12a: Dán cảm biên đo biên dạng bê tơng Hình A.12b: Đán cảm biến đo biến dạng CFRP e r e < Hình A.12c: Dán cảm biên đo biên dạng cáp 183 ' _ - r - - ' Hình A.13a: Sơ thí nghiệm lăp đặt thiêl bị đo thực tê dâm chịu tải trọng đơn điệu (dâm nguyên - nhóm M) Hình A.13b: Sơ đồ thí nghiệm lắp đặt thiết bị đo thực tế cùa dầm chịu tái trọng đơn điệu (dâm bị nứt trước gia cường - nhóm RC) 184 Hình A.13c: Sơ đồ thí nghiệm lắp đặt thiết bị đo thực tế dầm nhóm c giai đoạn chịu tải lặp Hình A.13d: Sơ đồ thí nghiệm lắp đặt thiết bị đo thực tế cua dầm nhóm c giai đoạn chịu tải tĩnh sau lặp 185 A.3 QUY TRÌNH CĂNG CÁP CHO DẦM BTUST Quy trình căng cáp cho dầm thực theo 05 bước sau: + Bước 1: Căng khử chùng 5%; + Bước 2: Căng 50% tải thiết kế cùa sợi cáp thứ đầu dầm thứ nhất, sau căng kiêm tra lại lực căng cùa sợi cáp đầu dầm lại phải đạt 50% tải thiết kế; + Bước 3: Căng 50% tải thiết kế sợi cáp thứ hai đầu dầm thứ nhất, sau căng kiếm tra lại lực căng cua sợi cáp đầu dầm lại phái đạt 50% tải thiết kế; + Bước 4: Căng 100% tài thiết kế sựi cáp thứ đầu dầm thứ nhất, sau căng kiêm tra lại lực căng cùa sợi cáp đầu dầm lại phải đạt 100% tải thiết kế; + Bước 5: Căng 100% tải thiết kế cúa sợi cáp thứ hai đầu dầm thứ nhất, sau căng kiêm tra lại lực căng sợi cáp đầu dầm lại phải đạt 100% tai thiết kế; Lưu ý: suốt trình căng cáp sau căng cáp xong, dầm đánh dấu kiêm tra xem đầu cáp có bị tuột hay không, ghi nhận lại độ vồng dầm sau căng cáp xong 186