Gia cường frp cho dầm btct bị cháy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGUYÊN VŨ GIA CƯỜNG FRP CHO DẦM BTCT BỊ CHÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYỄN NGUYÊN VŨ FRP STRENGTHENING OF POSTFIRE RC BEAMS A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY - 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGUYÊN VŨ GIA CƯỜNG FRP CHO DẦM BTCT BỊ CHÁY Chuyên ngành Mã số chuyên ngành : : Kỹ thuật xây dựng 9580201 Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện: Phản biện: Phản biện: PGS.TS Nguyễn Duy Liêm PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu PGS.TS Hồ Đức Duy NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS CAO VĂN VUI PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu 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 giả luận án Chữ ký Nguyễn Nguyên Vũ i TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết khả chịu uốn dầm bê tơng cốt thép (BTCT) bị cháy khơng có có gia cường vật liệu polyme cốt sợi (FRP) Để đạt mục tiêu này, nghiên cứu chia làm bốn giai đoạn Giai đoạn nghiên cứu dầm BTCT bị cháy không gia cường FRP nhằm đánh giá khả chịu tải dầm BTCT sau hỏa hoạn, bước quan trọng để cung cấp thông tin cho bước thiết kế gia cường Nghiên cứu thực nghiệm 15 dầm BTCT, chia thành nhóm bị cháy (dầm đối chứng), 30, 45, 60, 75 phút Sau đó, dầm gia tải đến phá hoại Kết cho thấy độ cứng, tải trọng chảy, độ võng chảy, độ dẻo đại lượng cần ưu tiên việc đánh giá dầm BTCT bị cháy Nghiên cứu lý thuyết đề xuất mơ hình tính mơ men dầm BTCT bị cháy Giai đoạn nghiên cứu dầm BTCT bị cháy gia cường polyme sợi thủy tinh (GFRP) kỹ thuật cắt rãnh (NSM) Nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT, dầm khơng bị cháy làm dầm đối chứng dầm chia thành hai nhóm bị cháy 30 60 phút Trong nhóm, dầm khơng gia cường, ba dầm cịn lại gia cường theo cấu hình khác Sau đó, dầm gia tải đến phá hoại Kết thí nghiệm cho thấy kỹ thuật gia cường phục hồi khả chịu tải dầm BTCT bị cháy cách hiệu Dạng phá hoại dầm bị cháy gia cường NSM GFRP bong tách lớp bê tông (peeling-off); đó, dạng phá hoại dầm đối chứng dầm bị cháy không gia cường phá hoại uốn Việc gia cường NSM GFRP phục hồi hoàn toàn tăng đáng kể cường độ chảy cường độ tới hạn dầm BTCT lên đến 39% Độ võng chảy dầm gia cường cao nhiều so với dầm đối chứng Bên cạnh đó, độ võng tới hạn dầm giảm đáng kể Dẫn tới, dầm bị cháy gia cường GFRP có độ dẻo thấp Gia cường NSM GFRP cải thiện khơng phục hồi hồn tồn độ cứng bị giảm cháy Nghiên cứu lý thuyết đề xuất mơ hình tính mơ men dầm BTCT bị cháy gia cường NSM FRP cho kết có độ xác phù hợp Giai đoạn nghiên cứu dầm BTCT bị cháy gia cường polyme sợi carbon (CFRP) kỹ thuật dán (EB) NSM Nghiên cứu thực nghiệm 16 dầm BTCT, ii chia thành nhóm bị cháy 30, 45, 60, 75 phút Các dầm sau bị cháy gia cường kỹ thuật EB NSM cách dùng lượng CFRP giống để so sánh Sau đó, dầm gia tải đến phá hoại Dạng phá hoại đặc trưng học dầm so sánh với so sánh với dầm đối chứng Kết cho thấy dầm gia cường CFRP kỹ thuật EB NSM bị phá hoại dạng bong tách lớp bê tông kéo đứt CFRP không xảy Gia cường CFRP thay đổi đáng kể ứng xử dầm BTCT bị cháy, dầm BTCT trở nên giịn có độ dẻo thấp Hiệu kỹ thuật gia cường EB NSM tương tự hiệu giảm thời gian cháy tăng lên Gia cường CFRP tăng khả chịu tải chảy lên 27,5%40,9% dầm BTCT cháy 3060 phút khôi phục khả chịu tải chảy cho dầm BTCT bị cháy 75 phút Gia cường CFRP làm tăng đáng kể khả chịu tải tới hạn mức độ tăng không phụ thuộc vào cấu hình gia cường mà cịn thời gian cháy Cả hai kỹ thuật gia cường EB NSM khôi phục thành công độ cứng dầm BTCT bị cháy Nghiên cứu lý thuyết đề xuất mô hình tính mơ men dầm BTCT bị cháy gia cường EB NSM FRP cho thấy độ xác phù hợp Giai đoạn nghiên cứu dầm BTCT bị cháy gia cường CFRP kỹ thuật EB có sử dụng hệ neo U (U-wrap) Nghiên cứu thực nghiệm 11 dầm BTCT bị cháy với thời gian khác nhau, sau gia cường chịu uốn chịu cắt CFRP Kết hỏa hoạn dịch chuyển từ dạng phá hoại uốn sang dạng phá hoại uốn-cắt dầm BTCT bị cháy Dầm BTCT bị cháy gia cường CFRP dạng phá hoại bong tách lớp bê tông Gia cường FRP làm tăng đáng kể độ võng chảy 57,3−97,3% giảm độ võng tới hạn 43,0−55,5% so sánh với dầm đối chứng Do đó, độ dẻo giảm 69,7−74,7% phân loại độ dẻo thấp Việc gia cường CFRP thành công việc tăng cường độ cho dầm bị cháy 30 phút lên 19,7% so sánh với dầm đối chứng Hỏa hoạn làm giảm đáng kể độ cứng dầm bị cháy 46,4−49,2% so với dầm đối chứng, việc gia cường CFRP cho dầm bị cháy khơng phục hồi hồn tồn độ cứng Nghiên cứu lý thuyết đề xuất mơ hình xác định khả chịu tải dầm BTCT bị cháy khơng có có gia cường EB CFRP có sử dụng U-wrap iii ABSTRACT This dissertation presents an experimental and theoretical investigation on the flexural performance of postfire reinforced concrete (RC) beams without/with fiber reinforced polymer (FRP) retrofitting To achieve this aim, the research will be divided into four parts as follows Part one presents a study on postfire RC beams without FRP retrofitting because evaluating the performance of postfire RC beams is a crucially important step to provide information for structural engineers on the next step of retrofitting design Experiments were performed on 15 RC beams, which were classified into groups exposed to 0, 30, 45, 60, and 75 of fire These beams were then loaded to failure The results showed that significant changes in yield stiffness, yield deflection, and ductility confirmed these high-priority parameters in evaluating postfire RC beams An analytical model for estimating the moment of postfire RC beams was proposed Part two presents a study on postfire RC beams with near-surface mounted glass fiberreinforced polymer (NSM GFRP) retrofitting Experiments were performed on RC beams: one beam was not exposed to fire (control specimen) and eight beams were divided into two groups exposed to fire for 30 and 60 In each group, one beam was not retrofitted, whereas the other three beams were retrofitted using NSM GFRP After retrofitting, all beams were loaded until failure The experimental results confirmed that the retrofitting technique effectively recovered the strengths of postfire RC beams The failure mode of the GFRP retrofitted beams was the peeling-off of concrete, whereas that of the control and unretrofitted postfire beams was flexural failure via the yielding of tension steel The NSM GFRP retrofitting fully recovered or significantly increased the yield and ultimate strengths of postfire RC beams by up to 39% The yield deflection capacity of the NSM GFRP retrofitted postfire beams was much higher than that of the control beam; however, the ultimate deflection capacity of these beams significantly decreased Consequently, the GFRP retrofitted postfire beams were of low ductility because of the peeling-off of concrete NSM GFRP retrofitting slightly improved but did not completely recover the yield stiffness reduced by fire An analytical model for estimating the moment of postfire RC beams retrofitted with NSM GFRP was proposed iv Part three presents a study on postfire RC beams retrofitted with external bonded (EB) and NSM carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheet Experiments were performed on 16 RC beams, which were divided into four groups exposed to 30, 45, 60, and 75 of fire After exposure to fire, these beams were strengthened by EB and NSM technique using the same amount of CFRP for comparison These specimens were then loaded until failure The results are compared with one another and compared with control specimens It is found that both EB and NSM CFRP retrofitted beams failed in the form of peeling off of concrete, whereas no rupture of CFRP was observed CFRP retrofit significantly changed the behavior of postfire RC beams, being brittle or exhibiting low ductility The effectiveness of EB and NSM CFRP techniques was similar and it decreased with the increase in fire duration CFRP retrofit increased the yield load-carrying capacity by 27.5%40.9% for 3060-min postfire RC beams and recovered the yield load-carrying capacity for 75-min postfire RC beams CFRP retrofit significantly increased the ultimate load-carrying capacity, whereas its increasing levels depended not only on the CFRP retrofit but also on the fire duration Both CFRP retrofitting techniques successfully recovered the yield stiffness of postfire RC beams An analytical model for estimating the moment of postfire RC beams with EB and NSM CFRP retrofitting was proposed Part four presents a study on postfire RC beams retrofitted with EB CFRP sheet using U wraps Experiments were conducted on 11 RC beams, which were exposed to different fire durations and retrofitted with CFRP in flexure and shear The experimental results indicated that fire shifted the flexure failure to flexure-shear failure of postfire RC beams CFRP retrofitted postfire RC beams experienced progressive peeling-off failure FRP retrofitting significantly increased the yield deflection by 57.3−97.3% but decreased the ultimate deflection by 43.0−55.5% compared with that of the control beam Consequently, the ductility was reduced by 69.7−74.7%, categorized as low ductility CFRP retrofitting successfully increased the strengths of 30-min postfire beams by up to 19.7% higher than that of the control beam Fire significantly decreased the stiffness of postfire beams by 46.4−49.2% compared with that of the control beam, whereas CFRP retrofitting did not fully recover the stiffness of postfire beams A simple model of moment capacity of postfire beams with CFRP retrofits was developed v LỜI CÁM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới hai giáo viên hướng dẫn tôi, PGS.TS Cao Văn Vui PGS.TS Lương Văn Hải hướng dẫn, động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện cho tơi suốt q trình nghiên cứu Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tơi ý tưởng kiên trì dạy PGS.TS Cao Văn Vui  thầy giáo hướng dẫn  làm cho luận án tơi trở nên bổ ích Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới giảng viên khoa xây dựng, người cung cấp cho lời khuyên quý báu suốt trình chỉnh sửa để hồn thiện luận án Tơi xin cảm ơn người bạn tơi hỗ trợ giúp đỡ nhiệt tình họ, đặc biệt q trình thực thí nghiệm cháy gia tải nghiên cứu Cuối cùng, xin gởi lời cảm ơn đến tất giảng viên sinh viên giúp tơi suốt q trình học tập Xin cảm ơn phòng đào tạo Sau đại học, phòng thí nghiệm Sức bền Kết cấu, mơn Sức bền Kết cấu, khoa xây dựng, trường Đại học Bách khoa– Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nghiên cứu vi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .xv CHƯƠNG GIỚI THIỆU Đặt vấn đề Kết cấu BTCT bị cháy .1 Vật liệu gia cường .2 Lý chọn đề tài Sự cần thiết, ý nghĩa khoa học, thực tiễn Mục tiêu .3 Phạm vi Bố cục CHƯƠNG TỔNG QUAN Tổng quan dầm BTCT bị cháy Tổng quan gia cường FRP Vật liệu FRP Kỹ thuật EB (Kỹ thuật dán ngoài) 10 Kỹ thuật NSM (Kỹ thuật cắt rãnh) 12 Kỹ thuật SNSM (Kỹ thuật cắt rãnh mặt bên) 17 Kích thước rãnh 18 Tổng quan gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy 20 Nhận xét kết luận 25 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 27 Vật liệu mẫu thí nghiệm 27 Thí nghiệm cháy 33 Gia cường FRP 36 Gia cường GFRP .36 Gia cường CFRP 37 Gia cường CFRP có sử dụng U-wrap 39 vii