Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt

Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt.

TỔNG QUAN VỀ CỘT BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG

Sự làm việc của cột BTCT chịu tải trọng nénđ ú n g tâm

Sự phá hủy của các tòa nhà BTCT được ghi nhận do sự hư hỏng của các cấu kiện như cột, dầm, tường chịu lực, tường chèn, bản sàn, liên kết…Trong đó cộtlàcấukiệnchínhchịutảitrọngthẳngđứngtrướckhitruyềntảitrọngtớimóng Sự phá hủy của chỉ một cấu kiện cột có thể dẫn tới sự sụp đổ lũy tiến cho toàn bộ kết cấu Do vậy, việc xác định được khả năng chịu tải dọc trục của cột trong quá trình thiết kế là vô cùng quan trọng Trong công trình thực tế, sự làm việc chịu nén đúng tâmmộtcách tuyệt đối của cột là không tồn tại Tuy nhiên, để có thể quan sát được rõ ứng xử của cột BTCT và hiệu quả gia cường cột BTCT bằng BTCLD,môhình thực nghiệm cột chịu nén đúng tâm được lựa chọn để tiến hành nghiên cứu Đây làmôhình đơn giản nhất nhưng cũng phản ánh được đủ những ứng xử cơ bản của cột trong thực tế Đối với các cột BTCT chịu nén đúng tâm, các nguyên nhân phá hủy chính được ghi nhận gồm: phá hủy do ứng suất nén dọc trục, phá hủy do uốn dọc, phá hủy nở ngang do thiếu cốt thépđai.

Phá hủy do ứng suất nén dọc trục: Cột là cấu kiện có khả năng chịu nén tốt trong khi các cấu kiện khác như dầm chỉ có một phần tiết diện chịu ứng suất nén Cốt thép dọc cũng tham gia chịu nén cùng phần tiết diện bê tông trong cột BTCT Phá hủy do ứng suất nén dọc trục của cột BTCT có thể xảy ra theo các trường hợp sau:

- Ứng suất nén dọc trục lớn hơn so với tổng khả năng chịu nén của phần tiết diện bê tông và cốtthép.

- Khả năng biến dạng của bê tông và cốt thép khác nhau Trong khi bê tông có biến dạng giới hạn khoảng 0,35% thì biến dạng giới hạn của cốt thép khoảng15%  22%lớnhơnnhiềuhơnsovớibêtông.Khiứngsuấtnéndọc trục lớn, biến dạng trong bê tông vượt quá 0,35% sẽ xảy ra hiện tượng cột phá hủy do bê tông bị nén vỡ độtngột. a) Phá hủy do ứng suất néndọctrục b) Phá hủy do uốn dọcHình1.1.CộtBTCTpháhủydoứngsuấtnéndọctrụcvàdouốndọc[9]

Phá hủy do uốn dọc: dạng phá hủy này xảy ra khi các cột có độ mảnhl ớ n bịmấtổn định do chuyển vị ngang theo phương vuông góc với trục cột Việc tăng độ mảnh của cột làm tăngmômen uốn dọc tại khu vực giữa chiều dài cột, điều này đồng thời làm giảm khả năng chịu tải trọng nén của cột.

Phá hủy nở ngang do thiếu cốt thép đai: Tại các vị trí thép đai đặt với khoảng cách lớn hoặc vị trí các mối nối thép dọc không đủ chiều dài nối chồng và neo buộc không đảm bảo, biến dạng nở ngang của cột lớn Điều này có thể gây ra hiện tượng thép đai tại đây bị đứt, cốt thép dọc bị phình và bê tông bị nứt vỡ.

Hình 1.2 Cột BTCT bị phá hủy do nở ngang [9]

Các giải pháp gia cường cột BTCTp h ổ biến

MộtsốgiảiphápgiacườngứngdụnghiệuquảchokếtcấuBTCTnóichung và cột BTCT nói riêng có thể kể đến như công nghệ dán bản thép ngoài, công nghệ áo BTCT và công nghệ sử dụng vật liệu composite Trong đó giải pháp dán bản thép ngoài có ưu điểm nổi bật là dễ thực hiện, giá thành không cao và thời gian thi công ngắn Giải pháp gia cường này có tác dụng làm hạn chế sựmởrộng vết nứt, và làm tăng khả năng chịu lực tại khu vực có ứng suất kéo Khi dán tại các khu vực góc của các cột tiết diện chữ nhật, các tấm thép giúp tăng khả năng chịu ứng suất tập trung tại vị trí này Tuy nhiên, giải pháp này chủyếutham gia chịu hoạt tải, rất khó có giải pháp để bản thép dán thêm có thể tham gia chịu tĩnh tải Ngoài ra, để đảm bảo khả năng dính bám giữa bềmặttấm thép và bềmặtbê tôngcũnglàvấnđềphứctạp,khókiểmsoát.Đốivớicáccôngtrìnhlàmviệctrong môi trường ngập nước như trụ cầu sau khi dán tấm thép phải có các giải pháp chống ô xi hóa, ăn mòn đikèm.

Hình 1.3 Công nghệ dán bản thép ngoài gia cường cột BTCT[ 1 0 ]

Công nghệ áo BTCT dùng để bọc ngoài cho kết cấu cột BTCT cũ làm tăng khả năng chịu lực lên đáng kể, cường độ dính bám giữa lớp bê tông mới và bê tông cũ tốt khi được xử lý bề mặt trước khi đổ bê tông Hạn chế của giải pháp này là làm kích thước tiết diện tăng lên, ảnh hưởng tới kiến trúc và công năng sử dụng vốn có của công trình Ngoài ra, quá trình thi công thường diễn ra trong thời gian khádàilàmảnhhưởngđếnquátrìnhvậnhành,khaitháccôngtrình,đặcbiệttrong các công trình giaothông.

Hình 1.4 Công nghệ áo BTCT gia cường cột BTCT [10]

Trong những năm gần đây, công nghệ sử dụng vật liệu polymer cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer - FRP) được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.Côngnghệnàyđềuđemlạihiệuquảgiacườngcaokhiápdụngđượclênnhiều loại cấu kiện trong công trình Thi công đơn giản, nhanh chóng, gần như không làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện giacường.

Hình 1.5 Công nghệ sử dụng vật liệu FRP [10]

Tuy vậy công nghệ này sử dụng chất kết dính epoxy nên rất độc hại với sức khỏe con người tiếp xúc liên tục trong quá trình thi công và sử dụng Về mặt cơ học,khi công trình xảy ra cháy nổ có nguồn nhiệt cao, cường dộ dính bám giữa lớpFRP và lớp chất nền suy giảm, dễ xảy ra bong tách giữa 2 bề mặt này làm vô hiệu hóa tác dụng của lớp FRP Vềmặtkĩ thuật thi công, để đảm bảo cường độ dính bám, bềmặtcủa lớp bê tông nền cần đượcmàinhẵn, đồng đều trước khi tiến hành dán tấm FRP Đây cũng là điểm hạn chế của giải pháp khi phải ứng dụng lên các cấu kiện ngập nước, bị ănmòn,có bềmặtngoài bị hư hỏng nghiêm trọng Bên cạnh đó, lớp FRP không được bao bọc bởi các loại vật liệu khác nên sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp bởi môi trường và có thể dẫn tới giảm chất lượng.

Nghiên cứu gia cường cột BTCTb ằ n g BTCLD

BTCLD là loại vật liệu composite gồm hai thành phần chính là bê tông hạt mịn (BTHM) và lưới sợi dệt được phát triển đầu tiên ở Đức từ cuối thập niên 90. Khả năng ứng dụng của BTCLD khá đa dạng khi có thể được sử dụng xây dựng kết cấu mới hoặc được sử dụng để gia cường, tăng khả năng chịu lực cho kết cấu cũ Khi được sử dụng làm vật liệu gia cường, lưới sợi dệt đóng vai trò là thành phần vật liệu chịu lực, BTHM đóng vai trò chính là chất kết dính để truyền ứng suất từ cấu kiện được gia cường tới lưới dệt Ngoài ra BTHM cũng tham gia chịu tải tùy theo cấu tạo của hệ thống gia cường và bảo vệ lưới dệt khỏi tác động của môi trường Cấu tạo hệ thống gia cường bằng BTCLD được mô tả như Hình 1.6.

Hình 1.6 Cấu tạo hệ thống gia cường sử dụng BTCLD [5]

Luới dệt được “dệt” bởi các bó sợi được tạo thành từ hàng trăm đến hàng nghìn sợi cơ bản có đường kính từ 7 – 27m có nguồn gốc các bon, thủy tinh,aramid [1] BTHM là hỗn hợp bê tông sử dụng các loại cốt liệu nhỏ thường có đường kính Dmax= 1 mm nên có cấu trúc đặc chắc, có tính công tác tốt.

Hình 1.7 Gia cường cột bằng BTCLD

BTCLD có thể khắc phục được những mặt hạn chế của các giải pháp gia cường được trình bày trong mục 1.2 Bên cạnh đó giải pháp gia cường cột bằng BTCLD còn có các ưu điểm có thể kể đến như sau:

 Lưới sợi có cường độ rất cao, hiện nay trên thị trường đã có loại lưới sợi các bon có cường độ chịu kéo lên đến 5000 MPa,môđun đàn hồi lên đến 300GPa;

 Bê tông hạt mịn có cấu trúc đặc với cường độ chịu nén có thể lên đến 135 MPa[12];

 BTCLD sau khi thi công có thể che lấp các hư hại của kết cấu được gia cường, tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, bảo vệ lưới dệt khỏi các tác động của môi trường khi công trình trong điều kiện khắc nghiệt như ngập nước, nhiệt độ cao…;

 BTCLD sử dụng BTHM làm chất kết dính khônggâyđộc hại với sức khỏe con người, thân thiện vớimôitrường;

 Giải pháp gia cường bằng BTCLD làm tăng kích thước cấu kiện được gia cường tuy nhiên mức tăng không đáng kể do chiềudàymỗilớp gia cường chỉ từ 6 - 10mm;

 Việc xử lý bề mặt cấu kiện gia cường không phức tạp vẫn đảm bảo khả năng dính bám và truyền ứng suất tốt giữa các thành phần vật liệu Ngay cả đốivới cáccấukiệncóbềmặtbịhưhỏngdo ănmòn,khôngđồngđềucũng chỉ cần vệ sinh làm sạch bềmặtlà có thể tiến hành thi công giac ư ờ n g ;

 Sử dụng phương pháp trát truyền thống hoặc phun để gia cường nên biện pháp thi công đơngiản.

Trên thế giới, BTCLD đã được ứng dụng tương đối rộng rãi trong việc gia cường cho các cấu kiện chịu uốn như dầm, sàn trên vùng chịu kéo. a) Giac ư ờ n g dầm b) Gia cườngsànHình 1.8 Gia cường BTCLD cho dầm và sàn[ 1 3 ]

BTCLD cũng từng được sử dụng để gia cường cho sàn BTCT nhà cao tầng tại ở Koblenz, Đức.

Hình 1.9 Tăng cường sàn BTCT ở Koblenz, Đức[14]

Năm 2018, Ngô Đăng Quang và cộng sự [15] đã sử dụng BTCLD sợithủytinh để sửa chữa và tăng cường cho kết cấu sàn BTCT tại nhà xưởng công nghiệp EXEDY, khu công nghiệp Khai Quang, Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc (Hình1.10) Đây là lần đầu tiên BTCLD được ứng dụng thành công vàomộtcông trình thực tế ở Việt Nam, với diện tích sàn BTCT được tăng cường xấp xỉ 100 m 2 Cho đến nay, công trình vẫn được sử dụng bình thường và chưa ghi nhận bất cứ sự cố nào liên quanđếngiảiphápgiacường.Năm2022,trườngĐạihọcGiaothôngvậntảicũng đãbanhànhtiêuchuẩncơsởhướngdẫnthicôngvànghiệmthubêtôngcốtlưới dệt trong sửa chữa, tăng cường kết cấu bê tông cốt thép [16] Đây cũng là tiêu chuẩn duy nhất, mới nhất tại Việt Nam quy định một số nội dung cụ thể liên quan tới việc xác định các tính chất cơ học, kĩ thuật thi công, bảo dưỡng BTCLD.Tuynhiên các hướng dẫn tính toán cũng như ứng dụng BTCLD để gia cường cho cấu kiện chịu nén nói chung và cột BTCT trong công trình xâydựng nói riêng trên thế giới và ở Việt Nam chưa phổ biến Nguyên do là các kết quả nghiên cứu về vấn đề này còn hạn chế nên chưa đủ cơ sở dữ liệu khoa học để xây dựng được cácmôhình tính toán với độ tincậy,chính xáccao.

Hình 1.10 Sửa chữa, tăng cường cho kết cấu sàn BTCT bằng BTCLD sợi thủy tinh tại nhàxưởng công nghiệp EXEDY (Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc) [15]

TrongcácmôhìnhtínhtoánkhảnăngchịulựccủakếtcấuBTCTnóichung và cấu kiện BTCT chịu nén nói riêng, cường độ chịu nén cũng nhưmốiquan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông là thông số đầu vào bắt buộc quan trọng nhất và khó kiểm soát nhất Đối với cột BTCT được gia cường BTCLD, lớp BTCLD bó chặt xung quanh bê tông lõi, ngăn cản biến dạng nở ngang của bê tông lõi do đó làm tăng cường độ của bê tông lõi so với khi không được bó ngang Ảnh hưởng của lớpBTCLD trong trường hợp này được gọi là hiệu ứng bó ngang (confinement effect) Bên cạnh đó tùy theo cấu tạo của hệ thống gia cườngmàphần diện tích tăng lên do chiều dày lớp BTHM cũng có thể trực tiếp tham gia chịu nén Vì vậy các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của cấu kiện chịu nén được gia cườngBTCLD nói chung được tiến hành đồng thời với 2 đối tượng nghiên cứu: 1) Cấu kiện bê tông chịu nén nhằm xác định ảnh hưởng của hiệu ứng bóngangtớicườngđộ,biếndạngcủabêtônglõi;2)CộtBTCTchịunénnhằm xemxét ứng xử tổng thể của cột BTCT được gia cường BTCLD Trong đó các nghiên cứu thực nghiệm trên các cấu kiện bê tông chịu nén nhằmmụcđích xác định cường độ chịu nén và biến dạng của bê tông lõi được gia cường Trên cơ sở đó tiếp tục áp dụng vào cácmôhình tính toán khả năng chịu lực của cột BTCT gia cườngBTCLD.

1.3.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm gia cường cấu kiện bê tông chịu nén bằng BTCLD

Việc xác định cường độ của bê tông lõi sau khi gia cường BTCLD đối với mộtmôhình thí nghiệm với một loại vật liệu xác định, có thông số hình học xác địnhlàtươngđốidễdàng.Tuynhiên,hiệuquảgiacườngbằngBTCLDphụthuộc vào nhiềuyếutố liên quan đến tính chất cơ học của các loại vật liệu sử dụng và đặc điểm hình học của mẫu thí nghiệm, biện pháp và chất lượng thi công…với cácđộnhạykhácnhau.Vìvậyđểđưaramôhìnhtínhtoánđịnhlượngđượccường độ bê tông lõi sau khi được gia cường BTCLD với độ chính xác cao đòi hỏi cần có nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm với nhiều loại vật liệu và hình học khác nhau Nhằm đánh giá ảnh hưởng của các tham số tới hiệu quả gia cường bằng BTCLD và định lượng được cường độ của bê tông lõi sau khi được gia cường, cácnghiêncứuthựcnghiệmđãđượctiếnhànhtrêncácmẫu cấukiệnbêtôngchịu nén với các tham số thay đổi Tất cả các nghiên cứu thực nghiệm đều tiến hành trên các mẫu cấu kiện bê tông chịu nén tỉ số chiều cao/cạnh tiết diện (đường kính) H/a < 3 và không xét tới ảnh hưởng của hiệu ứng uốn dọc Hiệu quả gia cường của BTCLD được thể hiện thông qua tỉ số giữa cường độ chịu nén hoặc biến dạng của của bê tông lõi khi có hiệu ứng bó ngang và không có hiệu ứng bó ngang tương ứng là fcc/fc0hoặc cc / c0

Triantafillou [17] đã sử dụng 3 loạtmẫucột bê tông khác nhau về cường độ bê tông lõi, số lớp gia cường, hình dạng tiết diện Ngoài ra nghiên cứucònxét đếnảnhhưởngcủaloạichấtkếtdínhkhisửdụngBTHMhoặckeoepoxylàmchất kếtdínhgiữabêtônglõivàlướidệt.Quansátkếtquảthínghiệmcóthểthấyrằng:

1)Đốivớicácmẫutiếtdiệntròncườngđộvàkhảnăngbiếndạngtăngđángkể khi kết cấu được gia cường bằng lưới dệt Mức tăngnàycũng tăng lên khi số lượnglớpgiacườngtăng.Đồngthờitùythuộcvàocườngđộchịukéocủabêtông hạtmịnmàphá hủy xảy ra có thể là đứt sợi hoặc bong tách; 2) So với lưới dệt được

“dán” vào bê tông lõi tiết diện vuông bằng nhựa epoxy, BTCLD cho hiệu quả gia cường thấp hơn 80% về cường độ và 50%vềbiến dạng; 3) Phá hủy của mẫu gia cường BTCLD ít đột ngột hơn so vớimẫusử dụng keo epoxy do các bó sợi bị đứt lần lượt Tuyvậytừ ứng xử của các cột ngắn có tiết diện vuông được bo góc cho thấy so với việc sử dụng keo epoxy dán lưới dệt thì sử dụng BTCLD cho hiệu quả gia cường xấp xỉ về cường độ và biến dạng giớihạn.

Ortlepp và cộng sự [18] tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng tiết diệnvàtínhchấtcơhọccủaloạilướidệtđếnhiệuquảgiacườngcộtbằngBTCLD Chương trình thí nghiệm sử dụng 3 nhóm cột bê tông: Nhóm thứ nhất có H/a không đổi trong khi bán kính bo góc thay đổi với bước nhảy 15 mm từ tiết diện vuông (a x a = 150 x 150mm)đến tiết diện tròn (D = 150mm);Nhóm thứ hai cố định bán kính bo góc, thay đổi kích thước tiết diện; 3) Nhóm thứ ba có tỉ số r/a không đổi Chương trình thí nghiệm sử dụng lần lượt 3 loại lưới dệt gồm lưới dệt thủytinh,lướidệtcácbonloạicóđộ mịn 800texvà3500tex cho mỗinhómmẫu Kết quả thí nghiệm cho thấy đối với nhóm mẫu có tỉ số H/a không đổi, khả năng chịu lực của cácmẫugia cường tăng lên theo chiều tăng của tỉ số r/a và đạt giá trị cao nhất lên tới 119,2% với tiết diện tròn khi sử dụng lưới dệt các bon có độ cứng cao nhất (độmịn3500 tex) Ảnh hưởng của tính chất cơ học lưới dệt đến hiệu quả gia cường được quan sát thấy một cách rõ ràng khixemxét khả năng chịu lực của các cột có bán kính bo góc không đổi Với các cột có tỉ số r/a < 0,2 thì việc sử dụng các loại lưới dệt chất lượng khác nhau không ảnh hưởng nhiều tới hiệu quả giacườngkhisựchênhlệchchỉ400MPavàfc025MPatương ứng với f Ef> 600 MPa. a) Tỉsốf cc /f c0 khi  f E f thayđổiđốivớicácmẫucộttiếtdiệntròn b) Tỉsốf cc / f c0 khi  f E f thayđổiđốivớicácmẫucộttiếtdiệnchữnhậtHình2.5.Tỉsố f cc /f c0 khi  f E f thayđổitươngứngvớif c0 b2 +h2

Xu hướng tăng hiệu quả gia cường đối với cả 2 trường hợp mẫu trụ tròn và mẫu lăng trụ khi tích số f Efđược quan sát ở Hình 2.5 Tuy nhiên mức độ tăng của tỉ số fcc/fc0cũng phụ thuộc vào cường độ của bê tông lõi fc0 Trong khi tỉ số fcc/fc0 củacácmẫutrụtròntăngnhanhtheochiềutăngcủa f Efkhifc0nằmtrongkhoảng15 20 MPa thì tỉ số fcc/fc0của cácmẫulăng trụ tăng nhanh khi 25 30 MPa.

Hình 2.6 thể hiện sự phụ thuộc của tỉ sốfcc /fc0vào tỉ sốρ = 2r c

D (trong đó rclà bán kính bo góc rccủamẫuthínghiệm;D = ) và số lớp gia cường BTCLD.Đối vớimẫutrụ tròn, ứng suất được phân bố đều quanh chu vimẫutheo phương tải trọng nén giúp kích hoạt tối đa khả năng làm việc của các lớp BTCLD nên việc tăng số lượng lớp gia cường khôngđemlại nhiều hiệu quả hơn so với khi sửdụng 1 hoặc 2 lớp gia cường Với cácmẫulăng trụ được bo góc, tỉ số fcc/fc0tăng lên khi bán kính bo góc tăng là xu hướng rõ ràng Tuy nhiên tương tự như đối vớimẫutrụ tròn, khi số lớp BTCLD quá nhiều (6 lớp) thì hiệu quả gia cường gần như không tăng lên so với khi gian cường 2 hoặc 3 lớp vì bê tông lõi đã phá hủy trước khi kích hoạt đầy đủ sự làm việc của tất cả các lớpBTCLD.

Hình 2.6 Tỉ số f cc / f c0 khi  2r c

D thay đổi tương ứng với n f

Xây dựng mô hìnhdựbáo

2.3.1 Đánh giá các mô hình dựbáo

Trongcácmôhìnhdựbáocườngđộchịunéncủacấukiệnbêtôngchịunén gia cường BTCLD thông qua tỉ số fcc/fc0nói chung đều xét tới một số thông số liênquanđếnhìnhdạngtiếtdiện,tínhchấtcơhọccủabêtônglõivàBTCLD.Một số hệ số được quy ước trong cácmôhình như hệ số ảnh hưởng của dạng hình học mặt cắt ngang (keđược sử dụng trong [1–4]; a trong [41]) và ứng suất bóngangcóhiệufludolớpBTCLDgâyra.Cáchệsốnàyphụthuộcvàodạngtiếtdiện(tròn, chữ nhật); bán kính bo góc r; kích thước các cạnh tiết diện b, D; các diện tích Ae, Ac, A tương ứng là diện tích bó ngang có hiệu, diện tích thực và diện tích nguyên của bê tông lõi Các tham số liên quan tới tính chất cơ học của bê tông lõi và lưới sợi được quan tâm khảo sát là cường độ chịu nén (fc0);môđun đàn hồi của bê tông lõi

E0; biến dạng tương ứng tại ứng suất đỉnh ( c0 ) của bê tông lõi;môđunđàn hồi Ef, cường độ chịu kéo ffuvà biến dạng giới hạn fu , chiều dàyt r u n g bình tf, tỉ số thể tíchρ f = 4n f t f

D của lưới sợi Ombres và cộng sự [35] còn xét tới ảnh hưởng của hướng sợi so với trục dọc của mẫu thí nghiệm thông qua hệ số k θ = 1

1+3tanθ khi90 0 và kθ= 1khi= 90 0 trong đólà góc hợp bởi phương của các bó sợi dọc với trục dọc của mẫu thử Tiêu chuẩn ACI 549 [41] và Ortlepp [40] xét tới ảnh hưởng diện tích mặt cắt ngang của một lớp lưới sợi trên bê rộng 1m gia cường Af Một số mô hình dự báo cường độ chịu nén của cấu kiện bê tông chịu nén gia cường BTCLD được tổng hợp trong Bảng 2.3.

Bảng 2.3 Một số mô hình dự báo khả năng chịu lực của cấu kiện bê tông chịu nén

Nguồn Mô hình dự báo

10, 27  lu 5, 55  lu  -3,51  lu  f co f co  f co   f co  fk  bh   Anf lu e bh f f fu b 2 h 2 k

 f co 3,1  a f lu ; f   2nAE    b 2 h 2  0,5 f co f co lu ff ffe

10,913  lu  ; f lu  k e k   f E f  fu f co  f co  2

[71] f  f 1,27 cc f  11, 9 co  lu   f co  fk  b h  tE

12,87  lu  f co  f co  f 2E f  fu t f n flu D

Trong đó: fcc, fc0- Cường độ chịu nén của bê tông lõi có hiệu ứng bó ngang và không có hiệu ứng bó ngang; ρ =4n f t f

- Hệ số thể tích lưới sợi; f D nf, tf- Số lớp gia cường và bề dày trung bình của 1 lớp lưới sợi;

D – Đường kính phần tử chịu nén (Hình 2.7); bn= b – 2rc; hn= h – 2rc- Kích thước cạnh tự do; rc– Bán kính bo góc của tiết diện; ρ = 2rc/D – Tỉ số giữa đường kính bo góc và đường kính củamẫuchịu nén;

Af–Diệntíchmặtcắtngangcủa1lớplướitrên1mchiềucaocộtgiacường, không tính phần neo giữa 2 lớp lưới; ffu– Cường độ chịu kéo của bó sợi;

Ef– Mô đun đàn hồi của bósợi;

 fu – Biến dạng giớihạn của bósợi;flu- Ứng suất bó ngang cóhiệu.

Hình 2.7 Mặt cắt ngang tương đương Để đánh giá độ tin cậy của các mô hình dự báo nói chung cần dựa trên một số các tiêu chí hay các chỉ số như hệ số tương quan Pearson (R) được xác định theo các phương trình [74–76] để tạo ra các tổ hợp khác nhau của các tham số.Nếu biến đầu vào lớn hơn giá trị R điều đó cho thấy tầm quan trọng của nó với n

T  O i i  2 n tham số đầu ra Bên cạnh đó còn có các sai số bình phương trung bình (MSE), sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số bình phương trung bình căn bậc 2 (RMSE)

[77, 78], chúng được trình bày một cách có hệ thống bởi các phương trình tương ứng sau:

Trong đó Oilà các kết quả quan sát được hay kết quả thực nghiệm và Tilà kếtquả được dự báo bởimôhình Giá trị R lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của MAE, MSE, RMSE giúp nhận biết được đâu làmôhình tối ưu Trong phạm vi luận án, sai số bình phương trung bình MSE được lựa chọn để đánh giá độ chính xác củamôhình do tính phổ biến, đơngiản.

Vì các tính chất cơ học của lưới sợi gồmffu– Cường độ chịu kéo; Ef– Mô đun đàn hồi; fu – Biến dạng giới hạn được thu thập ởmục2.2 đều được xácđịnhthông qua thí nghiệm đối với bó sợi trần nên cácmôhình dự báo được xem xét ởđâylà cácmôhình được xây dựng dựa trên tính chất cơ học của bó sợi trần. Các mô hình ACI 549.4R-13 [41] và Ortlepp [40] sử dụng tính chất cơ học của lưới dệt thông qua thí nghiệm đối với tấm lưới dệt không được so sánh để đảm bảo tính thống nhất giữa cácmôhình về thông số đầu vào.

Bảng 2.4 Sai số bình phương trung bình MSE của các mô hình dự báo

Ombres Triantafillou De Caso Colajanni

Bảng 2.4 tổng hợp chỉ số MSE của 4 mô hình dự báo, có thể thấy mô hình dự báo của Ombres và cộng sự [70] là mô hình có chỉ số MSE nhỏ nhất Đây cũng là mô hình cơ sở được lựa chọn để tiếp tục xây dựng mô hình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cấu kiện bê tông chịu nén gia cường BTCLD trong luận án.

2.3.2 Xây dựng mô hình dự báo cường độ chịu nén đúng tâm của cấu kiện bê tông gia cườngBTCLD

Những phân tích trên khẳng định sự ảnh hưởng của các tham số quan trọng đến cường độ chịu nén đúng tâm của cấu kiện bê tông gia cường BTCLD gồm tính chất cơ học, hình học của bê tông lõi và lưới sợi Từ đó có thể thấy điểm hạn chế trongmôhình dự báo của Ombres và cộng sự là do được xây dựng trên bộ dữ liệu gồm 152 mẫu trụ tròn gia cường BTCLD nên không xét đến ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngangmộtcách chi tiết (tiết diện tròn, chữ nhật hay chữ nhật được bo góc) Vì vậy mô hình của Ombres tỏ ra ưu thế hơn khi sử dụng để dựbáo cường độ chịu nén của mẫu có tiết diện tròn, nhưng sẽ kém chính xác hơn khi dự báochocáctiếtdiệnhìnhchữnhậtcóhoặckhôngđượcbogóc.Xuấtpháttừnhận xét này, luận án có xét tới hệ số xét ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang trong công thức xác định ứng suất bó ngang có hiệu flunhư phương trình( 2 1 1 ) : f 1 k k k E  lu 2 e  f ff u (2.11)

Trong đó k  là hệ số ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang được định nghĩabởitỉ số giữa diện tích chịu nén có hiệu và diện tích nguyên của bê tông lõi Ae/Ac.Dovậyhệsốk sẽphụthuộcvàokíchthướctiếtdiệnvàbánkínhbogócvàđượcxácđịnh theo côngthức:

Từ những phân tích dựa trên 341 dữ liệu đã thu thập ở 2.2.2 cho thấy, hệ số biến dạng có hiệu kebị ảnh hưởng chính bởi các tham số f Efvà fc0 Hệ số ketăngkhi

 f Eftăng, đồng thời kecũng giảm ngay cả khi f Efcao nhưng fc0tăng Do vậykesẽ được định nghĩa nhưmộthàm của tỉ số f Ef/fc0 Ombres và cộng sự [70] đãsửdụng phương pháp hồi quy tuyến tính dựa trên 64 hệ sốkexác định được từ thí nghiệm để đề xuất hàm số xác định ketheo biến số f Ef/fc0 Giá trị R bìnhphươnghiệuchỉnhcủamôhìnhđượcđềxuấtbởiOmbresbằngR 2 =0,47.Dựatrênnhữn g giá trị kenhưng được cập nhật thêm từ các kết quả thực nghiệm mới nhất, phương pháp hồi quy tuyến tính được áp dụng để tìm ra công thức xác định hệ số biến dạng có hiệu phù hợp nhất với các giá trịkeđã có theo hướng đơn giản hóa. Điểm tiến bộ hơn củamôhình này được thể hiện đầu tiên thông qua giá trị sai số bình phương hiệu chỉnhR 2 = 0,5278.Đại lượng này tăng lên so vớikeđược đề xuất bởi Ombres và cộngsự.

Hình 2.8 Hệ số biến dạng có hiệu k e

Công thức xác định keđược đề xuất có dạng như sau tương ứng vớiR 2 = 0,5278: k   f Ef  e 0,21ln f 1

Như vậy công thức xác định tỉ số fcc/fc0có dạng: ke f f  b cc f c o

Lúcnàyhàm mục tiêu là xác định các biến số a, b trong phương trình (2.13) sao cho MSE tương ứng nhỏ nhất Sử dụng phương pháp GRG (Generalized Reduced Gradient) để áp dụng cho phép toán phi tuyến tính GRG làmộtphương pháp có khả năng giải được bài toán tối ưu tuyến tính hoặc phi tuyến gồm một tập hợp các biến x(1), x(2), …, x(n) thỏa mãn các điều kiện ràng buộc Nó tương ứng vớimộtđiểm trong miền nghiệm thuộc không gian n chiều Thực chất GRG là xuất phát từmộtđiểm này đi đến một điểm khác trong miền nghiệm trên những hướng có lợi nhất sao cho phương án xấp xỉ dần dần và nhanh nhất với phương án tối ưu Miền giá trị của các biến số a, b ở đây không bị giới hạn Kết quả phân tích cho kết quả sai số bình phương trung bình nhỏ nhất đạt đượcMSE =

0,071tương ứng với a = 1; b = 0,3 Có thể thấy MSE của mô hình phát triển nhỏ hơn giá trị MSE củacácmôhìnhđượccôngbốtrongcácnghiêncứutrướcđóđượctổnghợptrong Bảng 2.4. Khi đómôhình dự báo (2.13) được viết lạiđầyđủ nhưs a u : f f

Mô hình được xây dựng từ cơ sở dữ liệu lớn hơn cácmôhình trước đó, có tính kế thừa chọn lọc từ cácmôhình tiên tiến, bổ sung thêm các tham số có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả gia cường Vì vậymôhình dự báo đã thể hiện được độ tin cậy thông qua chỉsốsai số bình phương trung bình MSE nhỏ nhất so với các mô hình đã có Ngoài ramôhình cũng duy trì được tính đơn giản, là cơ sở để có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế tính toán dự báo hiệu quả gia cường BTCLD chocấukiệnchịunén,giúpkĩsưcóthểlựachọnphương ángiacườngtốiưunhất như loại lưới sợi, số lớp gia cường…phù hợp với cấu kiện cần giac ư ờ n g

Kếtluậnchương

Từ những kết quả nghiên cứu ở nội dung chương 2, một số kết luận được rút ra như sau:

 Môhìnhdựbáokhảnăngchịunénđúngtâmcủacấukiệnbêtônggiacường BTCLD được xây dựng dựa trên bộ dữ liệu gồm 341 kết quả thí nghiệm có độ tin cậy cao với chỉ số MSE = 0,071 Chỉ số này thấp hơn nhiều so với chỉ số MSE = 0,106 củamôhình tiên tiến nhất được đề xuất trước đó bởi Ombres và cộng sự[70].

 Điểm mới củamôhình dự báo được xây dựng trong luận án so vớimôhình củaOmbresvàcộngsự[70]làcóxéttớiảnhhưởngcủahìnhdạngtiếtdiện Do vậymôhình dự báo có thể áp dụng hiệu quả với các loại tiết diện khác nhau với độ chính xáccao;

 Mô hình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD được phát triển dựa trênmôhình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cấu kiện bê tông gia cường BTCLD Trong đó có kể đến sự tham gia chịu lực của cốt thép và ảnh hưởng của hiệu ứng uốn dọc Kết quả so sánh khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD tính toántheomôhìnhdựbáovàmột sốítkếtquảthínghiệmđãđượctiếnhành trướcđótrênthếgiớichothấysaisốlớnnhấtbằng17,6%và10,57%tương ứng với cột tiết diện vuông vàtròn.

Các kết quả nghiên cứu của chương được công bố trong các công trình của tác giả:

[3]Mô hình dự báo cường độ chịu néncủamẫu bê tông trụ tròn được gia cườngbằng bê tông cốt lưới sợi, Tạp chí KHCN XD, số 2/2022,t r 4 5 - 5 0

[4] Development of deep neural network model to predict the compressivestrength of FRCM confined columns, Frontiers of Structural and

Civil Engineering (December, 2022) https://doi.org/10.1007/s11709-022-0880-7 [6]Analyticalmodelforthecompressivestrengthofconfinedconcretewithtextilereinforce d mortar, Vietnam Journal of Mechanics 44, tr.348–358 (December,

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNGBTCLD

Giớithiệu

Để có thể ứng dụng BTCLD gia cường kết cấu BTCT một cách an toàn, kinh tế, cần thiết phải xây dựng hệ thống tiêu chuẩn về BTCLD phù hợp với đặc điểm khai thác công trình, điều kiện cung ứng vật liệu tại Việt Nam Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở quymôvật liệu và kết cấu chính là cơ sở khoa học rất quantrọngđểxâydựnghệthốngtiêuchuẩn.Ngoàiracáckếtquảnghiêncứuthực nghiệm được dùng để kiểm chứngmôhình lý thuyết được đề xuất trước đó Điềunàygiúp các kĩ sư lựa chọn đượcmôhình lý thuyết phù hợp nhất, có độ tin cậy cao nhất để áp dụng trong tính toán thiết kế Vì vậy, trong nội dung chương 3, chương trình thí nghiệm được tiến hành gồmcó:

 Thí nghiệm xác định tính chất cơ học cơ bản của các thành phần vật liệu của BTCLD và sự làm việc chung giữa các thành phần vật liệu này bao gồm: cường độ chịu nén, kéo uốn,môđun đàn hồi của BTHM; cường độ chịu kéo,môđun đàn hồi của bó sợi trần và bó sợi trong BTHM; cườngđộ dính bám giữa bó sợi và BTHM, giữa BTHM và bê tôngthường;

 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của cấu kiện bê tông gia cường BTCLD có xét tới ảnh hưởng của hình dạng tiết diện, số lớp giac ư ờ n g ;

 Thí nghiệm xác định khả năng chịu nén đúng tâm củacộtBTCT giacườngBTCLD có xét tới ảnh hưởng của hiệu ứng uốndọc.

NghiêncứuthựcnghiệmxácđịnhmộtsốđặctrưngcơhọccủaBTCLD

Các tính chất cơ học của BTHM được xác định gồm: Cường độ chịu nén(fc); cường độ chịu kéo uốn (fr); Mô đun đàn hồi (Ec) Các thí nghiệm ở quymôvật liệu được thực hiện tại phòng thí nghiệm công trình giao thông LAS-XD 72 trực thuộc Trường ĐH Công nghệ GTVT Thành phần cấp phối BTHM được tiến hànhxâydựngtheophươngphápkếthừa,phươngpháplýthuyếtkếthợpvớithực nghiệm.Hai cấp phối BTHM với các thành phần cốt liệu khác nhau, phụ giakhác nhau được sử dụng trong luận án Kết quả thí nghiệm được tiến hành đối với 2 cấp phối này là cơ sở để lựa chọn cấp phối phối BTHM phù hợp cho việc gia cường cộtBTCT.

3.2.1.1 Thành phần cấp phối BTHM thứnhất

Cấp phối thứ nhất được xây dựng dựa trên lý thuyết tối ưu hóa độ đặc của hỗnhợphạtrắntrongbêtôngđềxuấtbởiDeLarrardvàcáccộngsự [81,82].Dựa trênmôhình này, Lê Minh Cường và các cộng sự [83] đã thiết kế thành phần BTHM sử dụng các loại vật liệu sẵn có ở Việt Nam với sự hỗ trợ của phần mềm RENE-LCPC giúp chia nhỏ các cỡ hạt trong hỗn hợp rắn, đảm bảo tính chính xác trong quá trình tính toán Thành phần cấp phối thứ nhất được sử dụng trong luận án được điều chỉnh để đạt đượcmụctiêu cường độ chịu nén danh định đến 70 MPavàthíchhợpchocôngtáctrátgiacườnglênkếtcấucũ.ĐặctrưngcủaBTHM là sử dụng cốt liệu có đường kính nhỏ (Dmax= 1mm)để đảm bảo cho BTHM có thể xâm nhập vào cấu trúc bên trong của lưới dệt, có khả năng tạo ra các lớp bê tông có chiều dày nhỏ phù hợp với dạng kết cấu gia cường, khả năng tựđầmvà tính chảy loang cao.

Vì vậy, các vật liệu cơ bản được sử dụng để chế tạo BTHM theo cấp phối thứ nhất gồm: Xi măng PC40 Bút Sơn, cát Quartz, bột Quartz được nghiền nhỏ từ đá Quartz, trobay. a) CátQuartz b)BộtQuartz c) Máy sàngrungHình3.1.CốtliệusửdụngchocấpphốiBTHMthứnhấtvàmáysàngrun g

Các thành phần vật liệu này đều đảm bảoyêucầu cỡ hạt lớn nhất từ 0,6 đến1mm.

CácloạiphụgiasửdụnggồmphụgiasiêudẻocủahãngSikavàphụgiakhoáng muội Silic Thành phần hạt trong phạm vi nghiên cứu được xác định theoc h ỉ dẫncủaTCVN7572-2:2006[84]bằngmáysàngrungnhãnhiệuRO-

TAP(Hình3.1c). Loại cát Quartz sử dụng trong nghiên cứu được nghiền từ đá Quartz tạimỏđá Quảng Ninh với thành phần khoáng vật chủyếulà thạch anh, ngoài ra còn có xirexit,fenpast.Đárấtcứngvàkhóbịphonghóaởngoàikhôngkhí.TrongBTHM, cát Quartz được xem như là loại cốt liệu lớn với đường kính Dmax