ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
NGUYỄN THANH LỘC
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA CỘT BTCT CĨ CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN GIA CƯỜNG TẤM CFRP
CHỊU NÉN LỆNH TÂM
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số : 8580201
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn :
PGS TS Nguyễn Minh Long
Cán bộ chấm nhận xét 1:
PGS TS Đào Đình Nhân
Cán bộ chấm nhận xét 2:
PGS TS Ngô Hữu Cường
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM vào ngày 13 tháng 7 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Đỗ Văn Vương 2 Thư ký: TS Liêu Xuân Quí
3 Phản biện 1: PGS TS Đào Đình Nhân 4 Phản biện 2: PGS TS Ngô Hữu Cường 5 Ủy viên: TS Nguyễn Hồng Ân
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THANH LỘC MSHV: 1970676
Ngày, tháng, năm sinh: 08/12/1991 Nơi sinh: Bà Rịa_Vũng Tàu Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
Mã số: 8580201
I TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA CỘT BTCT CÓ CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN GIA CƯỜNG TẤM CFRP CHỊU NÉN LỆCH TÂM
“Experimental Research Of RC Columns With Corroded Reinforcement Strengthened By CFRP Composite Under Eccentric Loading”
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1 Đánh giá và kiểm chứng tính chính xác và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén có độ lệch tâm khác nhau
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :14/02/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 13/6/2023
Trang 4Tp HCM, ngày tháng năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PGS TS Nguyễn Minh Long
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là một phần trong đề tài cấp Quốc Gia loại B: “PHỤC HỒI KHẢ NĂNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CĨ CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN BẰNG VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE (FRP)” Tồn bộ số
liệu và hình ảnh thí nghiệm sử dụng trong luận văn được lấy từ đề tài trên và được sự đồng ý của chủ nhiệm đề tài là PGS.TS Nguyễn Minh Long
Trước tiên, Tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Long Thầy đã hướng dẫn tôi phương pháp tiếp cận nghiên cứu Thầy đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tơi trong suốt khóa Cao học vừa qua
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị em trong Phịng thí nghiệm Kết cấu Cơng trình (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã nhiệt tình hỗ trợ và giúp tơi hồn thành nghiên cứu này một cách tốt nhất
Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hồn thiện, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn
Xin trân trọng cảm ơn q Thầy Cơ
Tp HCM, ngày 13 tháng 7 năm 2023
Trang 6TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Việc sử dụng tấm Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) để phục hồi hoặc cải thiện khả năng chịu lực cho cột bê tơng cốt thép (BTCT) có cốt thép bị ăn mịn do mơi trường đã được nhiều nghiên cứu đề cập, tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở kiểu ứng xử nén đúng tâm Trong thực tế, cột trong kết cấu cơng trình hầu hết đều có ứng xử chịu nén lệch tâm Khác với cột nén đúng tâm, hiện tượng biến dạng không đều của lưới CFRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP, và tác động bất lợi đến khả năng chịu lực của cột Tuy nhiên, vẫn chưa thấy có một nghiên cứu nào đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mịn, được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm cho đến thời điểm hiện nay Đặc biệt, sự thiếu hụt về các số liệu nghiên cứu cho trường hợp cột BTCT có cốt thép bị ăn mịn được gia cường bằng tấm CFRP, gần như là nguyên nhân chính dẫn đến việc thiếu vắng hồn tồn các điều khoản tính tốn cụ thể dành cho loại cấu kiện quan trọng này, trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu dùng vật liệu CFRP hiện hành, cụ thể là ACI 440.2R (2017)
Nghiên cứu này khảo sát thực nghiệm trên 24 cột bê tông cốt thép có kích thước (200x200x800)mm, bố trí cốt thép dọc 4Φ16 và cốt thép đai Φ6, có cốt thép dọc và cốt thép đai bị ăn mòn theo các mức độ (loại A: Cốt thép khơng bị ăn mịn; Loại B:cốt đai bị ăn mòn 15%; Loại C: Cốt đai và cốt dọc bị ăn mòn 15%; Loại D: cốt đai bị ăn mòn 15% và cốt dọc bị ăn mòn 30%), được gia cường tấm CFRP với số lớp gia cường
khác nhau (0, 1 và 3 lớp) Được tiến hành nén lệch tâm với giá trị e=25mm (e/h=0.125) và e=75mm (e/h=0.375)
Đối với các nhóm cột có cốt thép bị ăn mịn, chịu nén lệch tâm, khơng được gia cường CFRP, thì kết quả từ thực nghiệm nhỏ hơn so với kết quả dự đoán từ tiêu chuẩn ACI
Trang 7ABSTRACT
The use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) panels to restore or improve the bearing capacity of reinforced concrete columns with reinforcement corroded by the environment has been mentioned by many studies, however, studies have only stopped at the right-centered compression behavior In fact, most columns in building structures have eccentric compression behavior Unlike centric compression columns, the phenomenon of uneven deformation of the reinforced CFRP mesh, due to the eccentric compression behavior of the column, reduces the effectiveness of the CFRP mesh's anti-expansion reinforcement, and has a negative impact on the load-bearing capacity of column However, there has not been any research that has mentioned the behavior of reinforced concrete columns with corroded steel reinforced with CFRP panels subjected to eccentric compressive loads until now In particular, the lack of research data for the case of reinforced concrete columns with corroded steel reinforced with CFRP panels is almost the main reason leading to the complete lack of specific calculation provisions for this important type of structure, in the current structural reinforcement design standards using CFRP materials, specifically ACI 440.2R (2017)
This study experimentally investigated on 24 reinforced concrete columns with dimensions (200x200x800)mm, arranged with 4Φ16 longitudinal reinforcement and Φ6 stirrup reinforcement, with longitudinal and stirrup reinforcement corroded according to different levels ( Type A: Non-corroded steel; Type B: 15% corroded stirrup; Type C: 15% corroded stirrup and longitudinal reinforcement; Type D: 15% corroded stirrup and corroded longitudinal reinforcement 30% wear), reinforced with CFRP panels with different numbers of reinforcement layers (0, 1 and 3 layers)
Eccentric compression was performed with values e=25mm (e/h=0.125) and
e=75mm (e/h=0.375)
Trang 8SF <1 While with the column group reinforced with CFRP, it helps to restore the
working capacity of the column, at this time the SF coefficient >1 In the group of columns with large eccentricity e, the greater the number of reinforcement layers, the
more effective the CFRP reinforcement is compared to columns with small
Trang 9LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Long
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình
Tp HCM, ngày 13 tháng 7 năm 2023
Trang 10MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i
LỜI CẢM ƠN iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv
LỜI CAM ĐOAN vii
MỤC LỤC viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU xii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xiii
CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5
2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 5
2.1.1 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP 5
2.1.2 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP 6
2.1.3 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép 8
2.1.4 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép 10
2.2 CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 11
CHƯƠNG 3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 12
3.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 12
3.2 Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU 12
3.2.1 Ý nghĩa về khoa học 12
3.2.2 Ý nghĩa về thực tiễn 13
3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 15
CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 16
Trang 114.1.1 Bê tông 16
4.1.2 Cốt thép 16
4.1.3 Tấm CFRP 17
4.1.4 Keo 17
4.1.5 Chất tạo môi trường ăn mòn cốt thép 18
4.2 MẪU CỘT 19
4.3 QUI TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 22
4.3.1 Qui trình tạo ăn mịn, gia cơng và lắp cảm biến cho cốt thép 22
4.3.2 Tạo ván khuôn 23
4.3.3 Đổ bê tông và bảo dưỡng bê tông tới khi đạt cường độ 23
4.3.4 Công tác gia cường tấm CFRP cho cột 23
4.3.5 Sơ đồ, bố trí thiết bị và quy trình thí nghiệm 25
4.4 CÁC BƯỚC THÍ NGHIỆM 27
CHƯƠNG 5 KIỂM CHỨNG TÍNH CHÍNH XÁC CỦA CỘT THEO TIÊU CHUẨN ACI 440.2R-17 29
5.1 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VÀ XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC (P-M) CỦA CỘT GIA CƯỜNG CFRP 29
5.1.1 Lực nén đúng tâm 29
5.1.2 Cột tiết diện trịn 33
5.1.3 Cột có tiết diện khác hình trịn (vng, chữ nhật) 33
5.1.4 u cầu về điều kiện sử dụng 34
5.1.5 Biểu đồ tương tác (P-M) 35
5.2 CÁC BƯỚC TÍNH TỐN BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC (P-M) CHO CỘT KHƠNG TRỊN 36
5.2.1 Điểm A (nén đúng tâm) 37
5.2.2 Điểm B 37
5.2.3 Điểm C 37
5.2.4 Điểm D 40
5.3 KẾT QUẢ KIỂM TRA 41
Trang 126.1 KẾT LUẬN 47
6.2 KIẾN NGHỊ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
PHỤ LỤC TÍNH TỐN 57
Trang 13DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 4-1 (a) bể chứa axit H2SO4 nồng độ 45%; (b) cốt thép bị ăn mịn 18
Hình 4-2 Cấu tạo mẫu cột thực nghiệm 20
Hình 4-3 Sơ đồ bố trí các chuyển vị kế của mẫu cột thí nghiệm 25
Hình 4-4 Sơ đồ lắp đặt cảm biến cho các mẫu cột 26
Hình 4-5 Mẫu cột thí nghiệm sau khi cân chỉnh hồn tất 28
Hình 4-6 Mẫu sau khi bị phá hoại 28
Hình 5-1 Biểu đồ ứng suất biến dạng của cột bê tơng cốt thép có và khơng có hiệu ứng bó hơng [41] 29
Hình 5-2 Mơ hình ứng suất biến dạng của cột bê tơng có hiệu ứng bó hơng bởi FRP [44] 31
Hình 5-3 Diện tích tiết diện mặt cắt hình trịn tương đương [44] 34
Hình 5-4 Biểu đồ tương tác 36
Hình 5-5 Sơ đồ tính tốn biểu đồ tương tác P-M 39
Hình 5-6 Cách xác định hệ số an toàn SF (Safety Factor) trên biểu đồ P-M 42
Hình 5-7 Biểu đồ tương tác (P-M) của các cột có e =25mm (e/h =0.125) 43
Hình 5-8 Biểu đồ tương tác (P-M) của các cột có e =75mm (e/h =0.375) 44
Trang 14DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4-1 Cấp phối trộn bê tơng thí nghiệm 16
Bảng 4-2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mẫu thép 17
Bảng 4-3 Thơng số đặc tính cơ học của sợi CFRP 17
Bảng 4-4 Thơng số đặc tính của keo 17
Bảng 4-5 Cách đặt tên và mô tả mẫu cột thực nghiệm 21
Bảng 5-1 Kết quả tổng hợp lực dọc P, moment M và hệ số an toàn SF của các cột 41
Trang 15DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Ý nghĩa
CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer (Tấm (lưới) sợi các bon) GFRP Tấm (lưới) sợi thủy tinh
BFRP Tấm (lưới) sợi Basalt BTCT Bê tông cốt thép ACI 440.2R
(2017)
Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures (USA) CNR DT200R1
(2013)
Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures (Italy) TR55 (2012) Design guidance for stengthening concrete structures using fibre
composite materials, “Technical Report No 55 (TR55)” (UK) GNP Gross National Product “Tổng sản phẩm quốc gia”
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
COV Hiệp phương sai (Covariance)
CFF Sợi các bon hợp nhất (Carbon-Fiber Fusion) Re Cốt thép dọc (Reinforcement)
Str Cốt thép đai (Stirrup) Flex Chịu uốn (Flexure) Conf Chịu bó hơng (Confine)
SF Hệ số an toàn (Safety factor)
Ký hiệu Ý nghĩa
fc Ứng suất chịu nén trong bê tông cột, MPa
fc,cube Cường độ chịu nén 28 ngày mẫu lập phương của bê tông cột, MPa
fct,sp,cube Cường độ kéo chẻ 28 ngày mẫu lập phương của bê tông cột, MPa
f'c Cường độ chịu nén 28 ngày mẫu trụ của bê tông cột, MPa
fy Giới hạn chảy của cốt thép dọc, MPa
fyw Giới hạn chảy của cốt thép đai, MPa
fu Giới hạn bền của cốt thép dọc, MPa
fuw Giới hạn bền của cốt thép đai, MPa
ffu Cường độ kéo đứt của tấm FRP, MPa
Trang 16fimp,u Cường độ kéo của keo, MPa
s
f Cường độ chịu kéo của cốt thép dọc, MPa '
cc
f Cường độ chịu nén của bê tơng bị bó hơng, MPa 1
f Áp lực bó hơng của FRP, MPa
lu
f Áp lực bó hơng của tấm FRP, MPa
sw
f Cường độ chịu kéo của cốt đai, MPa
Es Mô đun đàn hồi của cốt thép dọc, GPa
Esw Mô đun đàn hồi của cốt thép đai, GPa
Ec Mô-đun đàn hồi của bê tông, MPa
f
E Mô đun đàn hồi của CFRP, MPa
Eimp Mô-đun đàn hồi của keo, GPa
E2 Mô-đun dẻo của vật liệu bê tông được xác định từ đường cong ứng suất - biến dạng nén dọc trục của bê tơng được bó hơng bằng vật liệu FRP theo ACI 440.2R (2017), MPa
Eabsor Khả năng hấp thụ năng lượng của cột, kNmm
Rc Bán kính bo góc mẫu cột chữ nhật, mm
f
t Bề dầy của tấm FRP, mm
Pu Lực phá hủy của mẫu, kN
Py,st Lực dọc ứng với giá trị cốt thép dọc miền nén bị chảy dẻo, kN
Py Cấp tải chuyển tiếp, mô tả sự chuyển tiếp rõ ràng từ ứng xử đàn hồi qua phi tuyến của cột, kN
δh Chuyển vị ngang của cột, mm
εfe Biến dạng kéo hữu hiệu của tấm CFRP tại trạng thái giới hạn bền, ‰
εfu Biến dạng kéo đứt của tấm CFRP, ‰
fu
Biến dạng lớn nhất của CFRP, ‰
ψf Hệ số chiết giảm thành phần đóng góp của tấm CFRP theo ACI 440.2R (2017)
κa Hệ số kể đến hình dạng của tiết diện theo ACI 440.2R (2017)
Trang 17κε Hệ số kể đến sự khác biệt giữa biến dạng kéo đứt của tấm FRP từ thí nghiệm nén bó hơng và kéo đứt dọc trục theo ACI 440.2R (2017)
ρg Hàm lượng cốt thép dọc, %
β1 Hệ số phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông
P-M Biểu đồ tương tác giữa lực dọc và moment uốn
K0 Độ cứng trong giai đoạn đầu của cột, kN/mm
Pn Khả năng chịu nén dọc trục danh định của cột, kN
Mn Khả năng chịu uốn danh định của cột, kNm
MeMoment ứng với độ lệch tâm e, kNm
Mδh Moment ứng với chuyển vị ngang của cột, kNm
Mfinal Tổng của các moment tác dụng lên cột, kNm
Ag Diện tích mặt cắt ngang của tiết diện, mm2
Ac Diện tích tiết diện bê tơng, mm2
As Diện tích tiết diện cốt thép dọc, mm2
Asw Diện tích tiết diện cốt thép đai, mm2
Ae Diện tích bê tơng bị bó hơng, mm2
Af Diện tích mặt cắt ngang của tấm CFRP, mm2
n Số lớp CFRP gia cường, lớp b Bề rộng tiết diện cột, mm h Chiều cao tiết diện cột, mm D Đường kính tiết diện, mm
d Khoảng cách từ thớ chịu nén lớn nhất đến trọng tâm cốt thép chịu kéo, mm
Trang 18CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trang 19CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
bê tông mới phủ thường dẫn đến sự bong tách sớm của lớp phủ mới và vấn đề sửa chữa có thể lại phải lặp lại trong thời gian ngắn [8] Trong những năm gần đây, nhờ vào các đặc tính kỹ thuật ưu việt của vật liệu Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) như có cường độ cao, trọng lượng riêng nhẹ, không dẫn điện, không nhiễm từ, không bị ăn mịn, thi cơng đơn giản, giải pháp sử dụng vật liệu CFRP cho công tác sửa chữa, hoặc gia cường cấu kiện BTCT, hoặc bê tông ứng suất trước đã cho thấy được tính hiệu quả cao của nó bên cạnh các giải pháp truyền thống hiện hữu [9], [10], [11]
Việc sử dụng tấm Fiber Reinforced Polymer (FRP) để phục hồi hoặc cải thiện khả năng chịu lực cho cột BTCT có cốt thép bị ăn mịn do môi trường đã được nhiều nghiên cứu đề cập, tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở kiểu ứng xử nén đúng tâm [12], [7] Trong thực tế, cột trong kết cấu cơng trình hầu hết đều có ứng xử chịu nén lệch tâm Khác với cột nén đúng tâm, hiện tượng biến dạng không đều của lưới CFRP gia cường do ứng xử nén lệch tâm của cột, làm giảm hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP và tác động bất lợi đến khả năng chịu lực của cột Tuy nhiên, vẫn chưa thấy có một nghiên cứu nào đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm cho đến thời điểm hiện nay Việc sử dụng rập khuôn các dữ liệu từ các nghiên cứu nén đúng tâm trên các cột có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm FRP hiện có mà thiếu đi sự phân tích đầy đủ, cũng như chưa nắm bắt được chính xác ứng xử của tấm FRP gia cường, trong trường hợp cột chịu nén lệch tâm, có thể làm cho trong việc dự đốn ứng xử của cột chưa phản ánh đúng với thực tế, và có thể dẫn đến sự thiếu an tồn trong các kết quả tính tốn thiết kế gia cường
Trang 20CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
lực của cột BTCT, chưa hoặc đã bị hư hỏng (cốt thép chịu lực bị ăn mòn) gia cường bằng vật liệu FRP, theo các mơ hình hiện có vẫn chưa phản ánh được bản chất vật lý và tính tổng quát của vấn đề Đặc biệt, sự thiếu hụt về các số liệu nghiên cứu cho trường hợp cột BTCT có cốt thép bị ăn mịn, được gia cường bằng tấm FRP gần như là nguyên nhân chính, dẫn đến việc thiếu vắng hồn tồn các điều khoản tính toán cụ thể dành cho loại cấu kiện quan trọng này, trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu dùng vật liệu FRP hiện hành như [13], [14] và [15]
Những vấn đề vừa nêu trên cho thấy, nhu cầu cấp thiết của việc cần có một nghiên cứu mới, sâu và đầy đủ liên quan đến sửa chữa, phục hồi khả năng chịu lực và cải thiện ứng xử bằng vật liệu FRP cho loại cấu kiện quan trọng trong kết cấu cơng trình là cột BTCT, khi đã bị hư hỏng bởi môi trường xâm thực (cốt dọc và đai bị ăn mòn) chịu nén lệch tâm, nhằm: làm rõ hiệu quả gia cường của loại vật liệu CFRP, cũng như đánh giá và kiểm chứng tính chính xác và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén có độ lệch tâm khác nhau
Cho đến thời điểm hiện tại, chưa có một nghiên cứu nào liên quan đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mịn được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm Trong khi, cấu kiện cột trong kết cấu cơng trình thực tế hầu hết đều có ứng xử chịu nén lệch tâm Hiện tượng biến dạng không đều của lưới FRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP, so với trường hợp cột nén đúng tâm và ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chịu lực của cột Vì vậy, việc sử dụng các dữ liệu có được từ các nghiên cứu nén đúng tâm trên các cột có cốt thép bị ăn mịn, được gia cường bằng tấm FRP hiện có mà khơng có sự đánh giá cẩn thận, và sự hiểu thấu đáo về ứng xử của tấm FRP gia cường trong trường hợp chịu nén lệch tâm hồn tồn, có thể gây nên sự sai lệch trong việc dự đoán ứng xử thực của cột, và có thể dẫn đến sự thiếu an tồn trong các kết quả tính tốn thiết kế gia cường
Trang 21CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Trang 22CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC
2.1.1 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP
Các nghiên cứu về việc sử dụng tấm FRP để gia cường bó hơng cho cột BTTC bắt đầu vào nhưng năm 1990s cho đến gần đây, năm 2015 như của [16], [17], [18], [5], [19], [20] , [21] , [22], [23] Các nghiên cứu này tập trung khảo sát ứng xử của cột BTCT gia cường bó hơng bằng tấm FRP chịu nén đúng tâm Các nghiên cứu trên tập trung khảo sát nhiều thơng số khác nhau như hình dạng tiết diện cột (cột vng, chữ nhật và trịn), bán kính cong của góc bo tiết diện, loại tấm FRP (GFRP, CFRP và BFRP), hướng sợi gia cường, chiều dày tấm FRP, tấm FRP có hay khơng có ứng suất trước và cường độ bê tông Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tấm FRP gia cường bó hông làm tăng đáng kể khả năng chịu tải trọng của cột, từ 6 đến 177% tùy thuộc vào cấu hình của mẫu cột thực nghiệm và cấu hình tấm FRP gia cường Hiệu quả gia cường của tấm FRP đối với cột tiết diện vuông hoặc chữ nhật, nhỏ hơn so với cột tiết diện trịn do hiệu ứng góc Đáng lưu ý rằng, các nghiên cứu cho thấy rằng tấm FRP gia cường bó hơng đã làm tăng mạnh khả năng biến dạng của bê tông, mức độ hấp thu năng lượng và từ đó làm tăng độ dẻo dai của cột Điều này đặc biệt có ý nghĩa cho các cơng trình chịu tải trọng động như: động đất và va đập Nghiên cứu của [24]dùng tấm CFRP bó hơng cho các mẫu cột BTCT và nhúng chúng vào môi trường bị ăn mòn mạnh Kết quả cho thấy tấm CFRP đã ngăn chặn rất hiệu quả q trình ăn mịn tiếp diễn trong các mẫu cột Kết quả tương tự cũng thu được đối với tấm GFRP
Trang 23CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1.2 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP
Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT gia cường bằng tấm FRP, được bắt đầu trễ hơn một vài năm so với các nghiên cứu trên cột nén đúng tâm Trong thực tế, các cột hầu như là chịu nén lệch tâm Hiện tượng biến dạng không đều của lưới FRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP so với trường hợp cột nén đúng tâm Nghiên cứu của [22] về ảnh hưởng của chiều dày tấm CFRP, và độ lệch tâm đối với cột bê tơng được gia cường bó hông bằng tấm CFRP Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng chịu lực và khả năng biến dạng dọc trục của cột bị suy giảm do ảnh hưởng của sự lệch tâm Ngoài ra, hiệu quả gia cường bó hơng của tấm CFRP cũng suy giảm do hiện tượng biến dạng không đều của tấm CFRP gia cường Nghiên cứu của [27] trên cột bê tông gia cường bó hơng bằng tấm CFRP chịu én lệch tâm, cho thấy hiệu quả gia cường của tấm CFRP cao hơn đối với cột bê tông cường độ thấp so với cột có bê tơng cường độ cao Nghiên cứu của [27] về ảnh hưởng của hướng tấm CFRP/GFRP gia cường, trong đó sử dụng đồng thời hai kiểu dán dọc và bó hơng cho cột BTCT chịu nén lệch tâm lớn, cho thấy rằng sử dụng tấm CFRP/GFRP dán dọc cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của cột và việc tăng số lớp gia cường bó hơng làm tăng tính dẻo cho cột [28] phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của độ lệch tâm đến khả năng chịu lực của cột BTCT được gia cường bó hơng bằng tấm CFRP Các cột được gia cường
theo hai dạng bó tồn thân và bó từng phần Độ lệch tâm được thay đổi lần lượt (e/h) = 0.3, 0.43, 0.57, và 0.86 với e là độ lệch tâm và h là chiều cao của cột Kết quả
nghiên cứu cho thấy độ lệch tâm càng lớn, khả năng chịu lực càng giảm Khả năng chịu lực của các cột gia cường bó hơng từng phần bé hơn trung bình so với cột bó hơng tồn phần xấp xỉ 5% Tương tự, hiệu quả gia cường bó hơng của tấm CFRP rõ nét hơn cho trường hợp cột bê tơng có cường độ thấp so với bê tông cường độ cao [29]
Trang 24CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
quan hệ lực – chuyển vị và quan hệ mô-men độ cong đối với cột BTCT chịu nén lệch tâm Các yếu tố được khảo sát trong nghiên cứu này bao gồm hướng sợi gia cường, số lớp tấm gia cường và phương pháp gia cường Kết quả nghiên cứu cho thấy, tấm CFRP dán dọc làm gia tăng độ cứng và khả năng kháng uốn của cột, tuy nhiên tấm CFRP dán dọc không làm gia tăng khả năng biến dạng của cột và sự gia tăng biến dạng của cột chủ yếu đến từ các tấm CFRP gia cường bó hơng Các kết quả nghiên cứu tương tự cũng được chỉ ra trong nghiên cứu của [23] Nghiên cứu của [31] cho trường hợp các cột BTCT kích thước thật chịu nén lệch tâm Các cột thực nghiệm được thiết kế theo hai dạng, cột ngắn và cột dài Các cột được gia cường kháng uốn bằng các thanh CFRP theo dạng xẻ rãnh (NSM), và được gia cường bó hơng bằng tấm CFRP Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra những khác biệt cơ bản về hiệu quả của các phương pháp gia cường cho trường hợp cột ngắn và cột dài, đặc biệt, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tấm CFRP gia cường bó hông chỉ hiệu quả cho trường hợp cột ngắn
Nghiên cứu của [32] cho thấy rằng các vết nứt vỡ của lớp bê tông bảo vệ, với sự kết hợp của việc nở hơng do các sản phẩm từ q trình ăn mịn cốt thép, lúc này thép bị ăn mòn tạo ra các rỉ sét và thể tích của gỉ sét lớn, hình thành ứng suất nở hơng làm cho lớp bê tơng bảo vệ bên ngồi bong ra và làm giảm diện tích mặt cắt tiết diên [33]cũng trình bày việc cốt thép bị ăn mòn trong cả vùng chịu nén và chịu kéo, sẽ làm giảm khả năng chịu tải của cột với độ lệch tâm lớn và nhỏ [34] nghiên cứu cột chịu
tải trong lệch tâm có và khơng có sự ăn mịn với tỉ số lệch tâm (e/h) từ 0.21 đến 0.38
Kết quả cho thấy độ cứng và khả năng chịu tải trọng nén của tiết diện giảm với sự gia tăng sự mất mát diện tích tiết diện
Các nghiên cứu về cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm (e) gia cường tấm FRP, được
Trang 25CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Các nghiên cứu của [35]xét ảnh hưởng hai tham số là chiều dày tấm và độ lệch tâm đối với tiết diện cột bê tơng được gia cường bó hông bằng tấm CFRP, Nghiên cứu của [27] trên cột có cường độ bê tơng thấp và cao khi được gia cường tấm FRP, kết quả cho thấy được rằng, đối với cột có cường độ bê tơng thấp hơn thì hiệu quả gia cường bằng tấm FRP cho ra cao hơn Nghiên cứu của [27] xét ảnh hưởng của hướng (dọc và ngang) dán FRP (CFRP & GFRP) lên khả năng chịu tải trọng lệch tâm của cột Kết quả thu được là, đối với cột có tấm FRP dán dọc giúp tăng khả năng chịu tải trọng lệch tâm của cột, vì ở đây khi có tải lệch tâm tiết diện hình thành hai thớ kéo và nén, đối với thớ chịu kéo FRP đóng vai trị chịu kéo, và giúp tăng khả năng chịu tải lệch tâm của cột Nghiên cứu của [28] xét ảnh hưởng của cột chịu nén lệch tâm, khi được bó hơng tồn phần và một phần tiết diện bằng FRP (CFRP), và độ lệch tâm của
tải trọng với giá trị lệch tâm (e/h) lần lượt = 0.3, 0.43, 0.57, 0.86 Kết quả đạt được
là, đối với cột có độ lệch tâm càng lớn thì khả năng chịu tải càng giảm, và đối với cột bó hơng từng phần cho ra khả năng chịu tải trọng bé hơn so với cột được bó hơng tồn phần Nghiên cứu của [30], [23] xét ảnh hưởng của hướng bố trí và số lớp FRP, ảnh hưởng đến quan hệ lực và chuyển vị của tiết diện khi chịu tải trọng lệch tâm Nghiên cứu của [31] về cột BTCT có kích thước thật chịu tải trọng lệch tâm, có hai dạng cột được thí nghiệm đó là cột ngắn và cột dài được gia cường tấm FRP, kết quả chỉ ra rằng các tấm FRP gia cường bó hơng chỉ hiệu quả cho cột ngắn
2.1.3 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép
Trang 26CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
thấy, tấm CFRP giúp phục hồi tốt khả năng chịu lực của cột, và đồng thời giúp làm giảm tốc độ ăn mòn của cốt thép trong bê tông Kết quả này cũng tương đồng với nghiên cứu của [36] [37] thực nghiệm nén đúng tâm trên cọc bê tơng ứng suất trước theo tỉ lệ mơ hình 1/3 Cọc bị nứt và có cáp bị ăn mịn 20% khối lượng, và sau đó được gia cường quấn bó hơng bằng tấm CFRP Kết quả cho thấy rằng tấm CFRP đã phát huy rất tốt hiệu quả của nó trong việc phục hồi khả năng chịu lực của cọc [24] dùng tấm CFRP bó hơng cho các mẫu cột BTCT, và nhúng chúng vào môi trường bị ăn mòn mạnh Kết quả cho thấy tấm CFRP đã ngăn chặn rất hiệu quả q trình ăn mịn tiếp diễn trong các mẫu cột Kết quả tương tự cũng thu được đối với tấm GFRP[25], và gần đây nhất là của [26] đã dùng tấm CFRP quấn bó hơng cho cột BTCT nhằm khảo sát, và đánh giá hiệu quả của tấm FRP trong việc ngăn chặn sự xâm nhập của ion clo, oxy, sunfat và nước vào bê tông Các nghiên cứu đều cho thấy hiệu quả cao của phương pháp này, từ đó làm giảm tốc độ ăn mịn của cốt thép chịu lực trong cột Nhìn chung, ngồi tính hiệu quả của tấm FRP trong việc hạn chế q trình ăn mịn cốt thép trong cột, tấm FRP còn làm gia tăng khả năng chịu nén, và cải thiện đáng kể ứng xử dài hạn của các cột có cốt thép bị ăn mịn nhờ vào hiệu ứng bó hơng Trong thực tế, sau khi kết cấu bị xâm thực lúc này cả bê tông và cốt thép (đai và dọc) đều bị ăn mòn và hư hại Chính vì vậy, việc gia cường cho các tiết diện này phải xét đến ảnh hưởng của việc cốt thép bị ăn mịn Vì khi cốt thép bị ăn mịn hóa học do mơi trường có thể làm thay đổi tính chất cơ lý cũng như là tiết diện của thanh thép, , mặt khác các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và khả năng chịu tải của tiết diện
Trang 27CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1.4 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép
Cũng tương tự như cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm gia cường tấm FRP, vì thực tế các cột đều chịu tải trọng lệch tâm, và với việc cột BTCT bị xâm thực, lúc này cả bê tơng và cốt thép đều bị ăn mịn, nên bài toán xét cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm xét đến hiện tượng cốt thép bị ăn mòn sẽ là bài toán tổng quát nhất và sát với thực tế Nghiên cứu của [32] cho thấy rằng các vết nứt vỡ của lớp bê tông bảo vệ, với sự kết hợp của việc nở hông do các sản phẩm từ q trình ăn mịn cốt thép, lúc này thép bị ăn mòn tạo ra các rỉ sét, và thể tích của gỉ sét lớn hình thành ứng suất nở hông làm cho lớp bê tông bảo vệ bên ngồi bong ra, và làm giảm diện tích mặt cắt tiết diện.[33] cũng trình bày việc cốt thép bị ăn mòn trong cả vùng chịu nén và chịu kéo, sẽ làm giảm khả năng chịu tải của cột với độ lệch tâm lớn và nhỏ [34] nghiên cứu cột
chịu tải trong lệch tâm có và khơng có sự ăn mòn với tỉ số lệch tâm (e/h) từ 0.21 đến
0.38 Kết quả cho thấy, độ cứng và khả năng chịu tải trọng nén của tiết diện giảm với sự gia tăng sự mất mát diện tích tiết diện
Nghiên cứu [39] nghiên cứu 12 cột hình vng chịu tải trọng lệch tâm, với các thông số đầu vào như sau: cốt thép ăn mòn 3 cấp độ từ 0 %, 10% và 20%, các cấp độ chia ra hai nhóm mẫu một nhóm có bọc FRP và một nhóm khơng bọc, với việc bọc 1 và
2 lớp CFRP có độ lệch tâm e=125mm với tiết diện mẫu 125x125x1375mm Kết quả
thu được bao gồm, ảnh hưởng của độ ăn mịn và tỉ số thể tích FRP như sau: 1 Độ cứng, tải trọng cực hạn và độ dẻo của tiết diện không gia cường chịu tải trọng lệch tâm giảm khi cường độ ăn mòn gia tăng; 2 Hiệu quả gia cường FRP giúp cải thiện khả năng chịu tải trọng của cột bị ăn mòn, phụ thuộc chủ yếu vào tỉ số thể tích FRP, với cột có tỉ số thể tích FRP cao giúp cung cấp hiệu quả bó hơng tốt và giúp hồi phục khả năng chịu tải trọng của tiết diện bê tông bị nứt
Trang 28CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.2 CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
Trang 29CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
3.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu tổng quát của đề tài là khảo sát, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực (cốt đai và cốt dọc) đến hiệu quả gia cường và độ bền của hệ gia cường CFRP cho cấu kiện cột BTCT chịu nén lệch tâm Mục tiêu nghiên cứu chi tiết như sau:
Đánh giá và kiểm chứng tính chính xác, và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành, cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm
3.2 Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU 3.2.1 Ý nghĩa về khoa học
Cho đến thời điểm hiện nay, các nghiên cứu đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm rất hạn chế Trong thực tế, cột trong kết cấu cơng trình hầu hết đều có ứng xử chịu nén lệch tâm Khác với cột nén đúng tâm, hiện tượng biến dạng không đều của lưới CFRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP, và tác động bất lợi đến khả năng chịu lực của cột Việc sử dụng các dữ liệu từ các nghiên cứu nén đúng tâm trên các cột có cốt thép bị ăn mịn được gia cường bằng tấm CFRP hiện có, mà chưa hiểu rõ được ứng xử của tấm CFRP gia cường trong trường hợp cột chịu nén lệch tâm, có thể làm cho trong việc dự đoán ứng xử của cột chưa phản ánh đúng với thực tế Đề tài này cung cấp cho giới khoa học những hiểu biết mới về ứng xử của cấu kiện cột BTCT đã bị hư hỏng (do cốt thép bị ăn mòn), được phục hồi bằng vật liệu CFRP chịu nén lệch tâm
Trang 30CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
thép chịu lực bị ăn mòn) gia cường bằng vật liệu CFRP, khi chịu nén lệch tâm vẫn chưa phản ánh được đầy đủ ứng xử thực và tổng quát của cột Đặc biệt, sự thiếu hụt về các số liệu nghiên cứu cho trường hợp cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn chịu nén lêch tâm, được gia cường bằng tấm CFRP, gần như là nguyên nhân chính, dẫn đến việc thiếu vắng hồn tồn các điều khoản tính toán cụ thể dành cho loại cấu kiện quan trọng này, trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu dùng vật liệu FRP hiện hành, cụ thể như ACI 440.2R (2017) Đề tài này góp phần làm rõ hiệu quả gia cường của loại vật liệu CFRP, cũng như đánh giá và kiểm chứng tính chính xác và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén có độ lệch tâm khác nhau
3.2.2 Ý nghĩa về thực tiễn
Cốt thép chịu lực bị ăn mòn dẫn đến sự hư hỏng, và xuống cấp nhanh chóng của các cấu kiện, kết cấu BTCT và làm giảm mạnh tuổi thọ cơng trình Trong đó, cấu kiện cột do thường xun tiếp xúc với mơi trường có tính xâm thực cao (nước, muối, hóa chất…) trong một thời gian dài, nên chúng đặc biệt nhạy cảm với vấn đề ăn mòn cốt thép Kết cấu cột bị hư hỏng thường kéo theo những hệ lụy lớn về mặt kết cấu, như suy giảm khả năng năng chịu lực và mức độ an tồn trong sử dụng, thậm chí gây nên sụp đổ cơng trình Hàng năm, kinh phí ước tính cho việc sửa chữa và xử lý vấn đề ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT lên đến gần 3.5% GNP của mỗi quốc gia xấp xỉ 100 tỷ EUR trên toàn cầu (fib TG 9.3, 2007) Các cơng trình BTCT xây dựng trong mơi trường biển ở Việt Nam, chỉ trong một thời gian từ 10 đến 30 năm sử dụng, hầu hết đều bị xuống cấp nghiêm trọng Trong đó, ngun nhân chính là do hiện tượng cốt thép bị ăn bối cảnh kinh tế quốc gia cịn gặp nhiều khó khăn như hiện nay, việc xây mới đòi mòn [6] Trong hỏi một nguồn kinh phí khổng lồ, cho nên, nhu cầu tìm kiếm giải pháp kỹ thuật phù hợp phục vụ cho việc sửa chữa, gia cố phục hồi khả năng chịu lực nhằm kéo dài tuổi thọ của cơng trình, thật sự là nhu cầu lớn và có ý nghĩa thực tiễn cao
Trang 31CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
bởi sự ăn mòn cốt thép, đánh sạch gỉ các cốt thép bị ăn mịn, sau đó phủ lớp cốt thép lớp hóa chất chống gỉ và hồn thiện lại tiết diện bằng vật liệu có tính chống thấm cao hoặc lớp bê tông mới Phương pháp này bộc lộ một số vấn đề về kết cấu và độ bền Việc loại bỏ lớp bê tông bảo vệ, làm suy giảm ngay tức khắc độ cứng của tiết diện, dẫn đến sự phân bố lại nội lực trong tồn kết cấu và cốt thép trong cấu kiện có thể bị oằn, và khả năng chịu lực suy giảm (phổ biến cho trường hợp cấu kiện chịu nén lớn như cột) [7] Vấn đề này dẫn đến việc phải sử dụng hệ chống đỡ cho kết cấu trong suốt q trình chúng được sửa chữa, vì thế, nó cản trở đáng kể đến hoạt động của cơng trình Ngồi ra, hiện tượng thẩm thấu ngược ion clo giữa lớp bê tông cũ và lớp bê tông mới phủ, thường dẫn đến sự bong tách sớm của lớp phủ mới và vấn đề sửa chữa có thể lại phải lặp lại trong thời gian ngắn [8] Trong những năm gần đây, nhờ vào các đặc tính kỹ thuật ưu việt của vật liệu CFRP như có cường độ cao, trọng lượng riêng nhẹ, không dẫn điện, không nhiễm từ, không bị ăn mịn, thi cơng đơn giản, giải pháp sử dụng vật liệu CFRP cho công tác sửa chữa, hoặc gia cường cấu kiện BTCT hoặc bê tông ứng suất trước, đã cho thấy được tính hiệu quả cao của nó bên cạnh các giải pháp truyền thống hiện hữu [9], [10], [11]
Trang 32CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Dựa trên cơ sở mục tiêu đã đề ra, đề tài này tiến hành thực hiện các nội dung chính sau:
1 Lập chương trình khảo sát thực nghiệm trên 24 cột bê tơng cốt thép có kích thước (200x200x800)mm, có cốt thép dọc 4Φ16 và cốt thép đai Φ6 bị ăn mòn theo các mức độ (loại A: khơng ăn mịn; Loại B:cốt đai bị ăn mịn 15%; Loại C: Cốt đai và cốt dọc bị ăn mòn 15%; Loại D: cốt đai bị ăn mòn 15% và cốt dọc bị ăn mòn 30%), có và khơng có gia cường CFRP với cấu hình: 00 là khơng được gia cường CFRP; 11 gia cường 1 lớp dán dọc (Flex) và 1 lớp dán ngang (conf); 13 gia cường 1 lớp dán dọc (Flex) và 3 lớp dán ngang (conf)
Được tiến hành nén lệch tâm với giá trị e=25mm (e/h=0.125) và e=75mm (e/h=0.375)
2 Xây dựng biểu đồ tương tác (P-M); đánh giá và kiểm chứng độ chính xác và
Trang 33CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
4.1 VẬT LIỆU 4.1.1 Bê tơng
Các mẫu cột thí nghiệm sử dụng bê tơng thương phẩm có cấp phối như trong Bảng 4-1 có độ sụt bê tơng 120-130mm
Bảng 4-1 Cấp phối trộn bê tơng thí nghiệm
STT Thành phần vật liệu Khối lượng/m3 vữa bê tông Đơn vị
1 Xi măng 405 kg/m32 Cát sông 527 kg/m33 Cát nghiền 358 kg/m34 Đá 931 kg/m35 Nước 178 kg/m36 Phụ gia 4860 ml/m3
Cường độ chịu nén (fc,cube) và kéo chẻ (fct,sp,cube) của mẫu bê tông, được xác định từ kết quả thí nghiệm trung bình của 07 mẫu lập phương (150×150×150mm) sau 28 ngày theo TCVN 10303:2014 và TCVN 8862:2011 lần lượt là 59.0 MPa (COV=0.06) và 5.8 Mpa (COV=0.05)
4.1.2 Cốt thép
Mẫu cột thực nghiệm sử dụng thép dọc đường kính 16mm và thép đai có đường kính
6mm Cốt thép dọc và cốt thép đai có giới hạn chảy (fy và fyw) và giới hạn bền (fu và
fuw) được xác định từ giá trị thí nghiệm trung bình của ba mẫu theo TCVN 197-1:2014
Kết quả thí nghiệm là giá trị trung bình của ba mẫu được trình bày trong Bảng 4-2
Trang 34CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
Bảng 4-2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mẫu thép
Cốt thép dọc (Φ16) Cốt thép đai (Φ6)
fufyEs* fuwfywEsw*
MPa MPa GPa MPa MPa GPa
Giá trị trung bình 530 350 200 470 390 200
COV 0.03 0.01 - 0.02 0.01 -
Ghi chú: * là thông số được lấy trong TCVN 5574-2018
4.1.3 Tấm CFRP
Tấm sợi các-bon (CFRP) đơn hướng sử dụng trong nghiên cứu này thuộc loại UT70-30G được sản xuất bởi Toray Industries, Inc., Tokyo, Nhật Bản Cường độ chịu kéo
đứt (ffu), biến dạng kéo đứt (εfu) và mô-đun đàn hồi (Ef) của tấm sợi CFRP đươc xác
định từ trị trung bình thí nghiệm từ năm mẫu, được trình bày trong Bảng 4-3 sau: Bảng 4-3 Thơng số đặc tính cơ học của sợi CFRP
CFRP
ffuεfut*Ef
MPa % mm GPa
Giá trị trung bình 4075 2.0 0.167 247
COV 0.06 0.1 - 0.08
Ghi chú: * là thông số được nhà sản xuất cung cấp, COV là hệ số biến thiên
4.1.4 Keo
Keo dán dùng loại AUR80S được sản xuất bởi Toray Industries, Inc., Tokyo, Nhật Bản Các đặc trưng cơ học của keo dán được lấy theo nhà sản xuất được trình bày
trong Bảng 4-4 bên dưới
Bảng 4-4 Thơng số đặc tính của keo Keo
fimp,u*Eimp*
MPaGPa
Giá trị trung bình 41.2 2.29
Trang 35CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
4.1.5 Chất tạo mơi trường ăn mịn cốt thép
Để rút ngắn thời gian tạo ăn mòn cốt thép trong q trình thí nghiệm so với thực tế, ở thí nghiệm này các thanh cốt thép được ngâm trong dung dịch axit H2SO4 nồng độ 45%
(a)
(b)
Trang 36CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
4.2 MẪU CỘT
Chương trình thực nghiệm bao gồm 24 cột tiết diện chữ nhật cỡ trung với kích thước
200×200×800 mm như Hình 4-2 Mỗi cột có bốn thanh thép dọc đường kính 16 mm
phân bố đều trên mặt cắt tương ứng với hàm lượng cốt thép là 2.02% Cốt thép đai đường kính 6 mm và khoảng cách giữa các cốt đai là 100 mm, tương ứng với ứng
suất bó hơng (fl) là 0.06 MPa Ở hai đầu cột, cốt thép đai bố trí dày hơn, với khoảng cách 50 mm, cùng với ba lưới thép (đường kính 6 mm và ơ lưới 50 mm); đồng thời bó hơng bằng một lớp tấm CFRP nhằm ngăn chặn phá hoại cục bộ đầu cột khi thí
nghiệm Các góc cột được bo trịn với bán kính, R, là 15 mm nhằm mục tiêu giảm
Trang 37CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
Hình 4-2 Cấu tạo mẫu cột thực nghiệm
Tồn bộ các cột thí nghiệm được chia làm bốn nhóm A, B, C, và D, tùy theo cấu hình ăn mịn, với sáu cột cho mỗi nhóm Nhóm A có cốt dọc khơng ăn mịn và cốt đai khơng ăn mịn, nhóm B có cốt dọc khơng ăn mịn và cốt đai ăn mịn 15% diện tích, nhóm C có cốt dọc ăn mịn 15% diện tích và cốt đai ăn mịn 15% diện tích, và nhóm D có cốt dọc ăn mịn 30% diện tích và cốt đai ăn mịn 15% diện tích, trong thực tế khi tiến hành gia cường cho các cột bị ăn mòn cốt thép nhiều (nứt, bong vỡ lớp bê tông bảo vệ) sẽ tiến hành đục bê tông, tẩy gỉ và trám bê tông phục hồi, trường hợp nếu cốt thép đai bị ăn mòn lớn và mất khả năng làm việc thì sẽ được thay mới, theo thời gian các chất ăn mịn đã ngấm vào bê tơng vẫn tiếp tục ăn mòn cốt thép dọc cũng như cốt thép đai, chính vì vậy các thanh thép đai được thay mới theo thời gian sẽ bị ăn mòn ngược từ bê trong ra do bê tông đã bị ngấm các chất ăn mòn bên trong, ở đây nghiên cứu xét tới sự ăn mòn cốt thép theo thời gian của các cột sau khi đã được gia cường tấm CFRP Trong mỗi nhóm, các cột được xếp thành hai nhóm nhỏ hơn (với
06 cột trong một nhóm) có độ lệch tâm tương đối (e/h) khác nhau, e/h=0.125 và
e/h=0.375 Mỗi nhóm nhỏ này gồm một cột không gia cường (cột đối chứng) và hai
Trang 38CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
các cột được tiếp tục gia cường bó hơng bằng một hoặc ba lớp CFRP (Bảng 4-5) Ý nghĩa đặt tên và mô tả các mẫu như Bảng 4-5
Bảng 4-5 Cách đặt tên và mô tả mẫu cột thực nghiệm
Stt e
(mm) Nhóm
Tên mẫu
Mức độ ăn mòn (%)
(A/B/C/D) Số lớp CFRP gia cường
Re Str Flex Conf (Thép dọc) (Thép đai) (Dán dọc) (Dán ngang) 1 e = 25 A A00-25 0 0 0 0 2 A11C25 0 0 1 1 3 A13C25 0 0 1 3 4 B B00-25 0 15 0 0 5 B11C25 0 15 1 1 6 B13C25 0 15 1 3 7 C C00-25 15 15 0 0 8 C11C25 15 15 1 1 9 C13C25 15 15 1 3 10 D D00-25 30 15 0 0 11 D11C25 30 15 1 1 12 D13C25 30 15 1 3 13 e = 75 A A00-75 0 0 0 0 14 A11C75 0 0 1 1 15 A13C75 0 0 1 3 16 B B00-75 0 15 0 0 17 B11C75 0 15 1 1 18 B13C75 0 15 1 3 19 C C00-75 15 15 0 0 20 C11C75 15 15 1 1 21 C13C75 15 15 1 3 22 D D00-75 30 15 0 0 23 D11C75 30 15 1 1 24 D13C75 30 15 1 3
Ghi chú: B13C25: B chỉ nhóm cột (A/B/C/D); 13 tương ứng 1 lớp dán dọc (flex) và 3 lớp
dán ngang (conf) CFRP (- không gia cường, 11 là 1 lớp dán dọc và 1 lớp dán ngang, 13 là
1 lớp dán dọc và 3 lớp dán ngang); C là loại tấm FRP (tấm sợi Cacbon); 25 là độ lệch tâm
Trang 39CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
4.3 QUI TRÌNH CHẾ TẠO MẪU
4.3.1 Qui trình tạo ăn mịn, gia cơng và lắp cảm biến cho cốt thép
Trang 40CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
Cốt thép được vận chuyển từ nhà máy đến phịng thí nghiệm, sau đó được gia cơng theo kích thước thiết kế của cốt dọc và cốt đai; sau đó đặt vào một bồn chứa axit H2SO4 nồng độ 45% để tạo ăn mịn (Hình 4-1) Mức độ ăn mịn của cốt thép được
kiểm tra hàng tuần thông qua các mẫu thép đại diện dài 200 mm có cùng đường kính và được ngâm cùng lúc như cốt thép chịu lực trong cột Tại thời điểm kiểm tra, hai mẫu thép đại diện cho cốt dọc và cốt đai như vừa nêu được lấy ra, làm sạch và cân Dựa trên khối lượng bị mất đi do ăn mòn của các mẫu thép đại diện này, mức độ ăn mòn của cốt thép được xác định
Cốt thép sau khi ăn mòn đạt mức độ thiết kế được mang ra khỏi bồn, tiến gia cơng và lắp ghép theo kích thước thiết kế Các cảm biến điện trở (SG) dùng để xác định biến dạng cốt thép trong q trình thí nghiệm được dán vào bề mặt cốt thép dọc và cốt thép đai theo vị trí thiết kế đã được mài phẳng.
4.3.2 Tạo ván khuôn
Dùng loại gỗ ép cơng nghiệp dày 20mm, đóng thành khối hộp chữ nhật và được gia cố để đảm bảo hình dạng kích thước cột theo thiết kế
4.3.3 Đổ bê tông và bảo dưỡng bê tông tới khi đạt cường độ
Để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến chất lượng của bê tông, công tác đổ bê tông được tiến hành vào buổi chiều tối khi nhiệt độ khơng khí xấp xỉ 26oC và độ ẩm khoảng 75% Bê tông được sản xuất đúng cấp phối thiết kế và được xe chuyên dụng chở đến bãi đúc Trước khi đổ bê tông, độ sụt được kiểm tra nằm trong trong khoảng 12 cm 2 cm Máy đầm cầm tay được dùng để đảm bảo độ đồng nhất của bê tông khi đúc mẫu Sau khi đúc mẫu, bề mặt cột được làm phẳng, bao bố được dùng để phủ lên bề mặt cột và được tưới nước giữ ẩm thường xuyên để bảo dưỡng bê tông trong 28 ngày
4.3.4 Công tác gia cường tấm CFRP cho cột