ứng xử nén của cột bê tông cốt thép bị hư hỏng được gia cường bằng tấm cfrp và bfrp

Mục tiêu chính của luận án là: 1 khảo sát thực nghiệm và đánh giá định lượng ảnh hưởng của ion sun-phát đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP cho cột BTCT; 2 phân tích thực nghiệm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Phản biện độc lập : PGS TS Nguyễn Trung Hiếu

Phản biện : PGS TS Trần Cao Thanh Ngọc Phản biện : PGS TS Bùi Quốc Bảo

Phản biện : PGS TS Hồ Đức Duy

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

1 PGS TS Nguyễn Minh Long 2 PGS TS Ngô Hữu Cường

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Huỳnh Xuân Tín

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Luận án này trình bày nghiên cứu về ứng xử nén của cột BTCT có bê tông bị suy biến bởi tác động bởi ion sun-phát và có cốt thép chịu lực bị ăn mòn được bó hông bằng tấm sợi các-bon (CFRP) và tấm sợi ba-zan (BFRP) Mục tiêu chính của luận án là: (1) khảo sát thực nghiệm và đánh giá định lượng ảnh hưởng của ion sun-phát đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP cho cột BTCT; (2) phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc và đai đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP/BFRP cho cột BTCT chịu nén lệch tâm với độ lệch tâm khác nhau; (3) phân tích tương tác giữa các thành phần tham gia chịu lực (cốt đai, cốt dọc, lưới sợi CFRP/BFRP gia cường bó hông và dọc) và độ lệch tâm đến ứng xử tổng thể và khả năng chịu nén của cột BTCT; và (4) đề xuất quy trình tính khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép, độ lệch tâm, và số lớp tấm CFRP/BFRP bó hông Nội dung nghiên cứu thực nghiệm của luận án được thực hiện lần lượt dựa trên hai chương trình Chương trình thứ nhất nghiên cứu ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT có bê tông bị suy biến bởi tác động bởi ion sun-phát được thực hiện trên 24 mẫu cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP với số lớp CFRP thay đổi, cường độ bê tông và số chu kỳ khô/ướt tác động của môi trường ma-giê sun-phát thay đổi Chương trình thứ hai nghiên cứu ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT bị ăn mòn cốt thép được gia cường bằng tấm CFRP và BFRP, được thực hiện trên 40 mẫu cột BTCT với các tham số thay đổi bao gồm mức độ ăn mòn của cốt thép, độ lệch tâm và số lớp tấm CFRP/BFRP

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của ăn mòn sun-phát cho thấy ion sun-phát làm giảm đáng kể đến độ cứng dọc trục của cột (lên tới 36,0% ), dẫn đến sự gia tăng đáng kể của chuyển vị dọc trục (lên tới 40,0%) và mức độ tăng này tăng theo số chu kỳ tác động và giảm theo sự gia tăng của cường độ bê tông và số lớp CFRP gia cường Ion sun-phát làm giảm mạnh khả năng chịu lực của cột không gia cường (lên đến 29,4%), nhưng chỉ làm giảm nhẹ khả năng chịu nén của cột gia cường (xấp xỉ 3,7%) Mức độ suy giảm này tăng theo số chu kỳ tác động và giảm dần khi cường độ bê tông và số lớp CFRP gia cường của mẫu cột tăng Tấm CFRP cũng cho thấy tính hiệu quả cao trong việc ngăn

iii

chặn sự xâm nhập của ion sun-phát vào lõi bê tông (lên đến 90%); và hiệu quả việc ngăn chặn này có xu hướng giảm theo sự gia tăng của số chu kỳ tác động của ion sun-phát Đặc biệt, tấm CFRP giúp cải thiện rất ấn tượng khả năng biến dạng của cột (từ 3 đến 5 lần) và sự gia tăng này tỷ lệ thuận với số lớp CFRP được gia cường Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng mức độ đóng góp của tấm CFRP bó hông chiếm từ 18% đến 46% trong tổng khả năng chịu lực của cột, và đóng góp này có xu hướng giảm theo sự gia tăng cường độ bê tông, tăng theo số lớp gia cường và bị ảnh hưởng không đáng kể bởi số chu kỳ tác động; trong khi, mức độ đóng góp của lõi bê tông vào tổng khả năng chịu lực của cột chiếm từ 54% đến 82%

Kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của ăn mòn của cốt thép cho thấy cột không gia cường suy giảm mạnh khả năng chịu lực (lên đến 23%); trong khi đó tấm gia cường CFRP/BFRP ngăn chặn hiệu quả sự suy giảm khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT gây nên bởi sự ăn mòn của cốt thép và giúp cho khả năng chịu lực của cột gia cường tấm CFRP/BFRP chỉ bị suy giảm nhẹ (lớn nhất chỉ 11%) Hiệu quả gia cường tấm CFRP/BFRP trong việc cải thiện khả năng chịu nén lệch tâm của cột có xu hướng tăng theo mức độ ăn mòn của cốt thép (cao nhất là 47%) Sự gia tăng của độ lệch tâm làm giảm hiệu quả gia cường của tấm CFRP/BFRP và sự gia tăng này phụ thuộc không đáng kể vào loại tấm gia cường (CFRP hay BFRP), số lớp gia cường và cấu hình ăn mòn của cốt thép

Công thức hiệu chỉnh nhằm xác định khả năng chịu nén của cột BTCT được gia cường tấm CFRP/BFRP có xét tới ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép và độ lệch tâm được đề xuất trong nghiên cứu này cho kết quả gần với thực nghiệm, an toàn và có tính ổn định tốt Tuy vậy, trong bối cảnh các nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực này còn rất nhiều hạn chế, tính chính xác cũng như phạm vi áp dụng của các công thức hiệu chỉnh đề xuất trong nghiên cứu này cần được kiểm chứng và hoàn thiện hơn trong các nghiên cứu tiếp theo nhằm đảm bảo được tính tổng quát tốt hơn và tính chính xác cao hơn

iv

ABSTRACT

This study presents an experimental investigation on the effect of degraded concrete due to sulfate attacks and corroded longitudinal/transverse reinforcement on the behavior of reinforced concrete (RC) columns strengthened by CFRP and BFRP sheets The main aims of this study include: (1) experimentally investigating and quantitatively evaluating the effect of sodium sulfate solution on the axial compressive behavior of CFRP-confined RC columns; (2) experimentally studying the effect of steel corrosion on the behavior of CFRP/BFRP-confined eccentrically-loaded RC columns; (3) analyzing the correlation between stirrups, longitudinal reinforcement, CFRP/BFRP sheets, as well as eccentricity and the behavior and loading capacity of columns; and (4) proposing a semi-empirical model to predict the load-carrying capacity of corroded RC columns strengthened with CFRP/BFRP under eccentric loading, which considers the corrosion level, eccentricity, and confining pressure Two experimental programs are designed to fulfill the main aims of the study The first program is carried out to study the effect of wet-dry cycles of sodium sulfate solution on the behavior of twenty-four CFRP-confined mid-scale square RC columns The second program investigates the effect of corrosion level of longitudinal and transverse reinforcement, relative eccentricity, type of FRP sheets (CFRP and BFRP), and thickness of FRP sheets on the behavior of forty mid-scale square RC columns

The experimental results on the effect of wet-dry cycles in a sodium sulfate solution showed that the sulfate attack significantly reduced the initial axial stiffness of the column by up to 36% As a result, its ultimate axial displacement increased by up to 40%, and this increase tended to increase with the number of cycles and decrease with the increase of concrete strength and the number of CFRP layers The sulfate attack considerably reduced the strength of the unstrengthened columns (up to 29.4%), but it only slightly affected the capacity of the strengthened columns with a 3.7% reduction The strength reduction increased with the number of wet-dry cycles CFRP confinement effectively mitigated the penetration of sulfate ions into the concrete core and slowed the degradation of strength by up to 90%; as a result, and this mitigation tended to decrease with the increase of the number of wet-dry cycles CFRP sheets improved axial

v

displacement (from 3 to 5 times), and this improvement was proportional to the number of CFRP layers The experimental results show that the contribution of the CFRP sheet is from 18% to 46% of the total bearing capacity of the column; it tends to decrease with the increase of concrete strength, increases with the number of reinforcement layers, and is not significantly affected by the number of wet-dry cycles Meanwhile, the contribution of the concrete core to the total bearing capacity of the column accounts for 54% to 82%

Steel corrosion significantly reduced the load-carrying capacity of unstrengthened columns under eccentric loading (up to 23%), while it only slightly decreased the capacity of the strengthened columns (up to 11%) due to the excellent confinement effect of FRP sheets CFRP/BFRP sheets have proven to have excellent strengthening efficiency, as the capacity of the FRP-strengthened corroded RC columns increased by

up to 47% However, the increase of the relative eccentricity from e/h=0.125 to e/h=0.375 reduced the strengthening efficiency of FRP

A semi-empirical model, considering the effect of eccentricity, corrosion level, and FRP thickness, was proposed to predict the capacity of corroded RC columns strengthened with FRP sheets under eccentric loading The predictions matched well with the experimental results, with a small coefficient of variation It is worth mentioning that the number of experimental results of corroded reinforcement concrete columns is very limited Therefore, more studies on this topic are deemed necessary to provide more useful data and analysis so that CFRP/BFRP confinement can be applied to corroded reinforcement RC columns with high confidence

vi

LỜI CÁM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM dưới sự đồng hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Minh Long và PGS.TS Ngô Hữu Cường Các nghiên cứu được trình bày trong luận án này được tài trợ một phần kinh phí bởi đề tài nghiên cứu cấp Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) mã số B2020-20-02 và đề tài nghiên cứu cấp Trường Đại học Giao thông vận tải – Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh mã số T2020-PHII-003TĐ

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Minh Long, PGS.TS Ngô Hữu Cường, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Phòng Đào tạo Sau đại học và các thành viên tại phòng thí nghiệm Kết cấu công trình (BKSEL) trong suốt thời gian qua đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện nghiên cứu này Tôi cũng xin cám ơn Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh - Trường Đại học Giao thông vận tải, Tổng công ty Becamex và Công ty TNHH Kỹ thuật và Công Nghệ V7 đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện nghiên cứu Tôi xin cám ơn Gia đình đã sát cánh để tôi vượt qua những thời gian khó khăn nhất trên con đường khoa học

Tổng quan nghiên cứu 5

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về vật liệu FRP 5

1.1.2 Mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó hông bằng cốt đai 9

1.1.3 Mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP 13

1.1.4 Ứng suất bó hông của vật liệu FRP 17

1.1.5 Ứng xử nén của cột BTCT được bó hông bằng tấm FRP 18

Mục tiêu nghiên cứu 24

Ý nghĩa nghiên cứu 24

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 24

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 25

Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu 25

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 25

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 26

1.4.3 Nội dung nghiên cứu 26

1.4.4 Phương pháp nghiên cứu 27

2.1.3 Sơ đồ, bố trí thiết bị và quy trình thí nghiệm 35

Kết quả thí nghiệm và thảo luận 37

2.2.1 Kiểu phá hoại 37

viii

2.2.2 Quan hệ lực – chuyển vị 40

2.2.3 Khả năng chịu nén của cột và hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP 43

2.2.4 Đóng góp của lõi bê tông và tấm CFRP vào khả năng chịu nén của cột 47

2.2.5 Biến dạng của tấm CFRP, cốt thép và bê tông 49

Kết luận Chương 2 52

CHƯƠNG 3 : ẢNH HƯỞNG CỦA ĂN MÒN CỐT THÉP ĐẾN ỨNG XỬ NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BÓ HÔNG BẰNG TẤM CFRP/BFRP 54

Chương trình thực nghiệm 54

3.1.1 Vật liệu 54

3.1.2 Mẫu cột thí nghiệm 56

3.1.3 Công tác tạo ăn mòn cốt thép 59

3.1.4 Sơ đồ, bố trí thiết bị và quy trình thí nghiệm 60

Kết quả thí nghiệm và thảo luận 62

3.2.1 Kiểu phá hoại 62

3.2.2 Quan hệ lực – chuyển vị 66

3.2.3 Hiệu quả gia cường của tấm CFRP/BFRP đối với cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn 71

3.2.4 Biến dạng của tấm bó hông và cốt đai 77

3.2.5 Biến dạng của cốt thép dọc, tấm dán dọc và bê tông 84

Kết luận Chương 3 88

CHƯƠNG 4 : HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BTCT CÓ CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BÓ HÔNG BẰNG TẤM CFRP/BFRP 90

ix

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109PHỤ LỤC 117

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACI Hiệp hội bê tông Hoa Kỳ (American Concrete Institute)

AFF Tấm sợi aramid

AFRP Tấm polymer gia cường sợi aramid (Aramid fiber reinforced polymer)

ASCE Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ (American Society of Civil Engineers)

CFRP Tấm polymer gia cường sợi các-bon (Carbon fiber reinforced polymer)

CNR Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Ý (National Research Council of Italy)

CORR Hệ số tương quan

COV Hệ số biến thiên (Coefficient of variation)

CSA Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada (Canadian Standards Association)

FRP Vật liệu polymer gia cường sợi (Fiber reinforced polymer)

GFF Tấm sợi thủy tinh

GFRP Tấm polymer gia cường sợi thủy tinh (Glass fiber reinforced polymer)

ICC Hội đồng quy trình quốc tế (International Code Council )

IEP Chỉ số hiệu quả ngăn chặn tác động của dung dịch muối sun-phát vào lõi bê tông của tấm FRP

ISIS Mạng lưới Trung tâm Thông minh Cải tiến Kết cấu Canada (The Canadian Network of Centers of Excellent on Intelligent Sensing for Innovative Structures)

JCI Viện Bê Tông Nhật Bản (Japan Concrete Institute)

JSCE Hiệp Hội Kỹ Sư xây dựng Nhật Bản (Japan Society of Civil Engineers)

LVDT Chuyển vị kế điện tử

Mean Giá trị trung bình

SG Cảm biến điện trở đo biến dạng (Strain gauges)

Ac : tổng diện tích tiết diện bê tông của cấu kiện, mm2;

Af, As và Asw : lần lượt là diện tích tiết diện của tấm FRP, cốt dọc và cốt đai, mm2;

Asi : diện tích tiết diện cốt thép dọc lớp thứ “i”, mm2;

Ast : diện tích tiết diện cốt thép dọc chịu kéo, mm2;

Ceh : hệ số xét tới ảnh hưởng của tương quan độ lệch tâm với tấm quấn ngang; Csf : hệ số xét tới ảnh hưởng của tương quan cốt dọc với tấm quấn ngang; Cwf : hệ số xét tới ảnh hưởng của tương quan cốt đai với tấm quấn ngang; EA0 : độ cứng dọc trục ban đầu của cột, kN/mm;

Ec : mô-đun đàn hồi của bê tông, ×103 N/mm2;

Eabs : khả năng hấp thụ năng lượng của cột, kNmm;

Eabs, A : khả năng hấp thụ năng lượng của cột nhóm A, kNmm;

Eabs,0 : khả năng hấp thụ năng lượng của cột không gia cường, kNmm;

Eepoxy , Eimp : mô-đun đàn hồi của keo epoxy, ×103 N/mm2;

Ef ,Efrp : mô-đun đàn hồi của tấm FRP, ×103 N/mm2;

Es : mô-đun đàn hồi của thép, ×103 N/mm2;

Ig, Icr : mô-men quán tính của tiết diện nguyên và tiết diện nứt, mm4;

K0 : độ cứng trong giai đoạn đầu của cột, kN/mm;

𝑀 : khả năng chịu uốn của tiết diện cột, Nmm;

𝑁 : khả năng chịu nén của tiết diện cột, N;

P : tải trọng dọc trục tác dụng, kN;

P-M : biểu đồ tương tác lực dọc và mô-men uốn;

Pn : khả năng chịu nén dọc trục danh định của cột được bó hông bằng tấm FRP, kN;

Pu : tải phá hoại của mẫu thí nghiệm, kN;

Pu,0 : tải phá hoại của mẫu không gia cường, kN;

Py : cấp tải chuyển tiếp, là cấp tải tại thời điểm cột bắt đầu chuyển từ ứng xử

đàn hồi sang phi tuyến, kN;

Py,st : cấp tải chảy dẻo của cốt thép dọc, kN;

xiii

Qcorr : mức độ ăn mòn theo khối lượng của lồng thép, bao gồm cốt thép dọc và

cốt thép đai (tính trung bình theo khối lượng), %;

Qlong : mức độ ăn mòn theo khối lượng của cốt thép dọc (tính trung bình theo khối lượng), %;

Qtran : mức độ ăn mòn theo khối lượng của cốt thép đai (tính trung bình theo khối lượng), %;

Rexp, RL&T, RL&T, Mod : hệ số R tính theo công thức (4.6) dựa trên số liệu thực nghiệm, mô hình Lam and Teng, và mô hình Lam and Teng hiệu chỉnh;

f : cường độ chịu kéo của bê tông (mẫu lăng trụ), N/mm2;

𝑓̅𝑓𝑢 : cường độ chịu kéo trung bình của vật liệu FRP, N/mm2;

f*fu : cường độ chịu kéo của tấm FRP được cung cấp bởi nhà sản xuất, N/mm2;

fcc, f’cc : cường độ chịu nén của bê tông bị bó hông, N/mm2;

fc : cường độ chịu nén của bê tông, N/mm2;

fc,cube,fsp,cube : lần lượt là cường độ chịu nén và cường độ kéo chẻ của mẫu bê tông lập phương, N/mm2;

fc′, fck : cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông lăng trụ, N/mm2;

fcs,s : ứng suất nén của bê tông ở giai đoạn sử dụng, N/mm2;

fepoxy,u , fimp,u : cường độ chịu kéo của keo epoxy, N/mm2; ffe : ứng suất kéo hữu hiệu của tấm FRP, N/mm2;

ffu : cường độ chịu kéo của tấm FRP, N/mm2;

fl , fl,FRP : ứng suất bó hông của tấm FRP, N/mm2;

fl,sw : ứng suất bó hông của cốt đai, N/mm2;

fsi : ứng suất của thép dọc lớp thứ “i”, N/mm2;

fy, , fys : giới hạn chảy của cốt thép dọc, N/mm2;

fyw : giới hạn chảy của cốt đai, N/mm2;

klt : hệ số cho mô hình tấm FRP bó hông bê tông theo Lam and Teng (2003),

= 3,3;

𝑘𝑐𝑜𝑟𝑟,𝑓𝑠 : hệ số xét đến ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến giới hạn chảy;

𝑘𝑐𝑜𝑟𝑟,𝐴𝑠 : hệ số xét đến ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến diện tích tiết diện của cốt thép;

n : số lớp FRP gia cường;

t : chiều dày tấm FRP gia cường;

xiv

Chữ Hy Lạp

coor : hệ số chiết giảm ứng suất chảy của thép;

ϕ : hệ số chiết giảm cường độ theo ACI 440.2R (2017);

a : hệ số kể đến hình dạng của tiết diện trong tính toán ứng suất cực đại theo ACI 440.2R (2017);

b : hệ số kể đến hình dạng của tiết diện trong tính toán biến dạng cực đại theo ACI 440.2R (2017);

ε : hệ số xét đến sự khác biệt giữa biến dạng kéo đứt của tấm FRP từ thí

nghiệm nén bó hông và kéo đứt dọc trục theo ACI 440.2R (2017), = 0,55; εc : biến dạng nén của bê tông, ‰;

εcu : biến dạng nén lớn nhất của bê tông, ‰;

f,avg : biến dạng trung bình của tấm FRP tại thớ chịu kéo nhiều nhất và nhỏ nhất, ‰;

εfcon,c : biến dạng của tấm FRP bó hông ở mặt chịu nén, ‰;

εfcon,t : biến dạng của tấm FRP bó hông ở mặt chịu kéo, ‰;

εfe : biến dạng kéo hữu hiệu của tấm FRP, ‰;

εffu : biến dạng kéo đứt cực hạn của tấm FRP, ‰;

εfu : biến dạng kéo lớn nhất của tấm FRP tại cấp tải phá hoại, ‰;

εs,c : biến dạng của cốt thép dọc ở mặt chịu nén lớn (hoặc chịu kéo), ‰;

εs,t : biến dạng của cốt thép dọc ở mặt chịu nén bé (hoặc chịu kéo), ‰;

εsu,c : biến dạng lớn nhất của cốt thép dọc ở mặt nén tại mặt cắt giữa cột, ‰; εsu,t : biến dạng lớn nhất của cốt thép dọc ở mặt kéo tại mặt cắt giữa cột, ‰; εsw,c : biến dạng của cốt đai ở mặt chịu nén của cột, ‰;

εsw,side : biến dạng của cốt đai ở mặt hông của cột, ‰;

εswu,c : biến dạng lớn nhất của cốt đai ở mặt chịu nén của cột, ‰;

εswu,side : biến dạng lớn nhất của cốt đai ở mặt hông của cột, ‰;

fcon,u,c : biến dạng lớn nhất của tấm FRP bó hông ở mặt nén tại mặt cắt giữa cột, ‰;

εfflex,u : biến dạng lớn nhất của tấm FRP dán dọc ở mặt kéo tại mặt cắt giữa cột, ‰;

δu,h : chuyển vị ngang lớn nhất của cột, mm;

δu,v : chuyển vị đứng lớn nhất của cột, mm;

δy,v : chuyển vị đứng tại cấp tải chuyển tiếp của cột, mm;

μ : độ dẻo của cột;

xv

μA: độ dẻo của cột nhóm A;

μ0: độ dẻo của cột không gia cường;

ρf, ρs, ρsw : hàm lượng của tấm FRP, cốt dọc và cốt đai, %

xvi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 : Quan hệ ứng suất-biến dạng điển hình của các loại FRP và thép 7

Hình 1.2: Bê tông bị bó hông do cốt thép đai: 10

Hình 1.3: Quan hệ ứng suất – biến dạng nén của bê tông theo Mander 11

Hình 1.4: Mô hình ứng suất-biến dạng của Lam and Teng 14

Hình 1.5: Diện tích có hiệu của cột bó hông bằng tấm FRP 16

Hình 1.6: Bê tông bị bó hông do màng bọc bằng FRP 17

Hình 1.7: Lõi bê tông bó hông hiệu quả của cột gia cường bó hông cách quãng bằng dải FRP 18

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ lực - mô men (P-M) 23

Hình 2.1: Tấm sợi các-bon 31

Hình 2.2: Cấu tạo mẫu cột 32

Hình 2.3: Sơ đồ gia tải đúng tâm và hình ảnh thí nghiệm trong phòng 35

Hình 2.4: Bố trí các cảm biến đo biến dạng của bê tông, thép 36

Hình 2.5: Kiểu phá hoại của các mẫu cột bị ăn mòn sun-phát 38

Hình 2.6: Dính bám giữa bê tông và tấm CFRP sau khi thí nghiệm 40

Hình 2.7: Quan hệ lực- chuyển vị của các cột bị ăn mòn sun-phát 41

Hình 2.8: Xác định điểm chuyển tiếp (điểm chảy, Py) của cột chịu nén 42

Hình 2.9: Sự suy giảm khả năng chịu lực của các cột gia cường theo số chu kỳ ướt 44

khô-Hình 2.10: Hiệu quả gia cường của tấm CFRP 45

Hình 2.11: Hiệu quả ngăn chặn ăn mòn sun-phát của tấm CFRP 47

Hình 2.12: Đóng góp của lõi bê tông và tấm CFRP vào khả năng chịu nén của cột 47

Hình 2.13: Quan hệ lực – biến dạng của cốt dọc và cốt đai của các cột không gia cường 49

Hình 2.14: Quan hệ lực – biến dạng của cốt đai, cốt dọc và tấm CFRP của các cột gia cường 50

Hình 3.1: Tấm FRP dùng để nghiên cứu ăn mòn cốt thép: (a) CFRP; và (b) BFRP 55

Hình 3.2: Cấu tạo mẫu cột bị ăn mòn cốt thép 56

Hình 3.3: Sơ đồ gia tải lệch tâm và hình ảnh thí nghiệm trong phòng 60

Hình 3.4: Bố trí cảm biến trong cột bị ăn mòn cốt thép 61

Hình 3.5: Kiểu phá hoại của cột bị ăn mòn cốt thép 63

Hình 3.6: Quan hệ lực-chuyển vị của cột bị ăn mòn cốt thép: 67

Hình 3.7: So sánh độ cứng ban đầu của các nhóm cột: 68

Hình 3.8: So sánh chuyển vị ngang và chuyển vị đứng tại cấp tải chuyển tiếp: 70

Hình 3.9: Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến khả năng chịu nén của cột 72

Hình 3.10: Ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến hiệu quả gia cường của tấm CFRP/BFRP trong việc cải thiện khả năng nén lệch tâm của cột: 73

Hình 4.3: Tương quan giữa (f,avg / fu) và (CehCsfCwf) 98

Hình 4.4: So sánh độ chính xác của mô hình dự đoán và thực nghiệm 100

xviii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 : Đặc tính chịu kéo điển hình của vật liệu FRP và thép 8

Bảng 1.2 : Hệ số dãn nở vì nhiệt của vật liệu FRP và thép 8

Bảng 1.3 : Đặc tính cơ học cơ bản của keo nền 8

Bảng 2.1: Cấp phối và đặc trưng cơ học của bê tông cột bị ăn mòn sun-phát 30

Bảng 2.2: Thông số cơ học của keo dán và tấm CFRP 31

Bảng 2.3: Cách đặt tên và mô tả các mẫu 34

Bảng 2.4: Kết quả thí nghiệm cột bị ăn mòn sun-phát chịu nén đúng tâm 37

Bảng 3.1: Cấp phối của bê tông dùng cho mẫu bị ăn mòn cốt thép 54

Bảng 3.2: Đặc trưng cơ học của bê tông và thép dùng cho mẫu bị ăn mòn cốt thép 55

Bảng 3.3: Đặc trưng cơ học của keo dán, tấm CFRP và tấm BFRP dùng cho mẫu nghiên cứu ăn mòn cốt thép 56

Bảng 3.4: Cách đặt tên và mô tả các mẫu 58

Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm cột bị ăn mòn cốt thép 64

Bảng 4.1: So sánh kết quả dự đoán khả năng chịu nén lệch tâm với kết quả thực nghiệm của cột có cốt thép bị ăn mòn 94

Bảng 4.2: Biến dạng cực hạn của tấm FRP bó hông cột BTCT mặt cắt chữ nhật 95

Bảng 4.3: Hệ số chiết giảm ứng suất chảy của cốt thép theo mức độ ăn mòn 99

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cột bê tông cốt thép (BTCT) là một trong những cấu kiện chịu lực chính trong kết cấu công trình, rất nhạy cảm với vấn đề xâm thực do chúng thường tiếp xúc trực tiếp với các yếu tố có hại từ môi trường xung quanh như không khí (ô xi và hơi ẩm), nước (dạng lỏng) và các ion có trong nước như sun-phát, clorua, kiềm… Các yếu tố này không chỉ gây nên hiện tượng ăn mòn cốt thép mà còn làm suy giảm chất lượng bê tông, đặc biệt giảm mạnh đối với các kết cấu BTCT thường xuyên tiếp xúc với các môi trường biển, môi trường sông ngòi kết hợp với chu kỳ lên – xuống của thủy triều hay môi trường hóa chất công nghiệp Cơ chế ăn mòn bê tông do ion sun-phát tạo ra các sản phẩm như thạch cao hay ettringite [1]; từ đó, chúng tạo ra các lỗ rỗng và trương nở cục bộ làm cho bê tông trở nên xốp hơn cũng như hình thành các vết nứt Trong khi đó, tác dụng của ion clorua kết hợp với nước và ô-xi thúc đẩy quá trình tạo ra các hydroxit và ô-xit sắt; từ đó tạo nên gỉ, làm giảm tiết diện thép, giảm dính bám giữa thép với bê tông và trương nở thể tích gây nứt bê tông [2] [3]

Trong môi trường công nghiệp, hàm lượng ion sun-phát cao là nhân tố chính thúc đẩy ăn mòn bê tông [4] Bên cạnh đó, trong môi trường nhiễm mặn hay cả nước ngọt, ảnh hưởng của chu kỳ khô-ướt do mưa hoặc thủy triều làm xuất hiện các khu vực có độ ẩm 30%-50%, đây là độ ẩm lý tưởng thúc đẩy quá trình tập trung ion clorua gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép Điều này có thể dễ dàng nhận thấy ở các công trình trong khu vực ven biển của Đồng bằng sông Cửu Long; nơi mà, ăn mòn sun-phát làm xốp, rỗng lớp bê tông bảo vệ của các kết cấu cột hay trụ và tạo điều kiện cho nước, ô xi và ion clorua xâm nhập vào bề mặt hình thành nên gỉ thép Một khi cốt thép bị ăn mòn, sự trương nở của gỉ thép tạo ra các vết nứt trong bê tông và đẩy nhanh quá trình xuống cấp của kết cấu BTCT Tốc độ này có thể khác nhau tùy từng kết cấu cọc trụ cụ thể, mặc dùng chúng có cùng thời gian sử dụng trong cùng môi trường xâm thực Phương pháp truyền thống để sửa chữa các cột và trụ này là loại bỏ lớp bê tông bị xâm thực, tẩy gỉ cốt thép, khoan cấy thêm cốt thép chịu lực và phục hồi bằng các vật liệu vữa bê tông có cường độ tương đương hoặc cao hơn Gần đây, giải pháp dùng vật liệu polymer gia cường sợi (FRP) cho việc sửa chữa, gia cường nhằm kéo dài thời gian sử dụng của cấu

2

kiện BTCT nói chung và cột nói riêng đã và đang nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nhờ vào các ưu điểm của vật liệu FRP như không bị ăn mòn, có cường độ chịu kéo cao, trọng lượng bản thân nhẹ, không nhiễm từ và nhiễm điện, dễ thi công và lắp đặt

Tuy ảnh hưởng của ion sun-phát đến sự ăn mòn bê tông có thể tìm thấy trong nhiều nghiên cứu [1] [5] [6] nhưng số lượng nghiên cứu về ảnh hưởng của ion này tới cột BTCT gia cường tấm FRP là rất hạn chế cho đến hiện nay Zhou và cộng sự trong nghiên cứu [7] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của chu kỳ khô – ướt của môi trường ma-giê sun-phát trong vòng 120 ngày đến sự suy giảm cường độ của bê tông cột và hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP cho cột bê tông không có cốt thép chịu nén đúng tâm Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng có sự suy biến đột ngột về cường độ bê tông của cột và khả năng chịu lực của cột gia cường; tuy vậy, mẫu cột trong nghiên cứu này có kích thước nhỏ (mẫu trụ 150×300mm) và không có cốt thép nên ít nhiều làm mất đi tính thực tế của kết quả nghiên cứu Ngoài ra, một khi cột tiếp xúc với môi trường nước theo chu kỳ trong một thời gian đủ dài, nước thẩm thấu vào lõi bê tông làm ăn mòn cốt thép, gây nên sự trương nở thể tích và có thể làm xuất hiện các vi vết nứt trong bê tông cột, làm ảnh hưởng đến ứng xử của cột và tác động đến ứng xử bó hông của tấm CFRP Thực tế này cho thấy rất cần có một nghiên cứu đầy đủ hơn, đặc biệt trên các mẫu thí nghiệm có kích thước đủ lớn, có cấu tạo cốt thép gần giống với thực tế và phản ánh gần nhất hiện trạng của cấu kiện đã bị ảnh hưởng bởi môi trường, để có thể làm sáng tỏ hơn nữa ảnh hưởng của yếu tố sun-phát đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP, mức độ tham gia của từng thành phần như lõi bê tông và tấm CFRP trong tổng khả năng chịu lực của cột, độ cứng dọc trục, biến dạng và độ dẻo dai của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP theo tác động của các chu kỳ khô/ướt

Liên quan đến ảnh hưởng của sự ăn mòn cốt thép trong cột, từ những năm 1990s cho đến nay, nhiều nghiên cứu liên quan đến ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được bó hông bằng tấm CFRP/GFRP đã được triển khai liên tục và mang tính hệ thống như [8-26] Các nghiên cứu này đều cho thấy tấm CFRP giúp gia cường hoặc phục hồi tốt khả năng chịu lực của cột nhờ vào hiệu ứng bó hông; đồng thời ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của ion clo, oxi, ion sun-phát và nước vào bê tông, làm giảm

3

tốc độ ăn mòn của bê tông và cốt thép trong cột Tuy vậy, trong thực tế, cột trong kết cấu công 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 FRP gia cường do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của tấm CFRP, và vì vậy, sự gia tăng về cường độ cũng như độ dẻo dai của cột gia cường chịu nén lệch tâm không còn nhiều như khi cột gia cường chịu nén đúng tâm [27] Cũng cần phải nói thêm rằng, việc ngăn chặn hoàn toàn quá trình ăn mòn của cốt thép đã trong tình trạng bị ăn mòn trong cột BTCT sau một thời gian sử dụng là thật sự khó khăn về mặt kỹ thuật và rất tốn kém Tấm FRP giúp làm chậm đi quá trình ăn mòn này, nhưng nó vẫn có thể tiếp diễn Sự ăn mòn của cốt đai trong cột BTCT làm suy yếu khả năng kháng nở hông của chúng và gây nên hiện tượng bong tách cục bộ lớp bê tông bảo vệ vốn được liên kết chặt với tấm FRP được gia cường ở mặt ngoài của cột Sự ăn mòn của cốt dọc trong cột gây nên sự trương nở thể tích của cốt thép, làm xuất hiện các vết nứt dọc theo trục cốt thép; điều này làm giảm khả năng bám dính giữa bê tông - cốt thép và khả năng chịu mô-men của cột khi chịu nén lệch tâm Cho đến hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến việc đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực (cốt dọc và đai) đến hiệu quả gia cường của tấm FRP và các đặc trưng kết cấu (cường độ, khả năng biến dạng và độ dẻo dai) của cột BTCT chịu nén lệch tâm là rất hạn chế Đáng nói là, so với tấm CFRP, tấm BFRP mặc dù có cường độ và mô-đun đàn hồi thấp hơn, nhưng lại có khả năng biến dạng tốt hơn và có giá thành thấp hơn đáng kể Tấm BFRP hoàn toàn có thể là giải pháp gia cường mang tính kinh tế hơn Tuy vậy, cho đến thời điểm hiện tại, vẫn chưa thấy một nghiên cứu nào đề cập đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm BFRP cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn

Các điều khoản nhằm xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được bó hông bằng tấm FRP vẫn chưa được trình bày rõ trong một số hướng dẫn thiết kế kết cấu BTCT gia cường bằng tấm FRP hiện nay như [28], [29], [30] và [31] Một vài nghiên cứu như [32] và [33] sử dụng biểu đồ tương tác P – M được xây dựng trên các phương trình cân bằng lực và mô-men truyền thống dựa trên mặt cắt tiết diện nguy hiểm nhất để xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được bó hông bằng tấm FRP; trong đó, khả năng chịu nén của cột được xét tăng thêm do ảnh hưởng bởi ứng suất bó hông tạo nên bởi tấm

4

FRP Mô hình [32] có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép dọc chịu lực đến khả năng chịu nén của cột thông qua hệ số chiết giảm diện tích tiết diện của cốt thép Nghiên cứu [33] đề xuất xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột gia cường tấm CFRP có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đai bằng cách sử dụng hệ số chiết giảm ứng suất bó hông của tấm CFRP; tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá được ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt dọc Thêm vào đó, tất cả các mô hình tính trong các hướng dẫn thiết kế và tài liệu vừa nêu trên đều chưa đề cập đến ảnh hưởng của độ lệch tâm đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm FRP, trong khi, kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu [32] và [34] đã chỉ ra rằng hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP tỉ lệ nghịch với độ lệch tâm của cột Việc xây dựng một mô hình tính có thể kể đến được sự ảnh hưởng đồng thời của cả mức độ ăn mòn cốt thép chịu lực (cốt dọc và cốt đai) và độ lệch tâm đến hiệu quả bó hông của tấm CFRP/BFRP cho cột BTCT nhằm giúp cho công tác thiết kế được an toàn và kinh tế hơn, vì vậy, là thật sự cần thiết

Từ những vấn đề vừa nêu trên, luận án này tập trung làm rõ một cách định lượng và có hệ thống về ứng xử nén của cột BTCT có bê tông bị suy biến bởi tác động bởi ion sun-phát và cốt thép chịu lực bị ăn mòn được bó hông bằng tấm sợi các-bon (CFRP) và tấm sợi ba-zan (BFRP) Trong đó, luận án được kỳ vọng có thể làm sáng tỏ ảnh hưởng của sự suy biến của bê tông do sự xâm thực bởi ion sun-phát theo chu kỳ khô/ướt cũng như mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP/BFRP và các đặc trưng về khả năng chịu lực và biến dạng của cột BTCT được gia cường bằng tấm CFRP/BFRP Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận án tiến hành đề xuất một số hiệu chỉnh cho công thức và mô hình hiện có nhằm dự đoán hợp lý hơn khả năng chịu nén của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP

Tổng quan nghiên cứu

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về vật liệu FRP

FRP có các ưu điểm bao gồm cường độ cao và trọng lượng nhẹ, chịu tải trọng mỏi tốt, khả năng chống ăn mòn cao và dễ dàng thi công trên bề mặt bê tông Một đặc điểm nổi bật khác của FRP là có chiều dày nhỏ, nên có thể đáp ứng các tiêu chí về mỹ quan cũng như sự hạn chế về không gian mà các vật liệu xây dựng truyền thống không có được Các tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này đã làm cho việc sử dụng FRP tăng lên nhanh chóng đặc biệt trong sửa chữa và tăng cường các kết cấu BTCT từ những năm 1990s [34-37] Phương pháp dán tấm FRP khắc phục được những nhược điểm của phương pháp sửa chữa tăng cường kết cấu theo truyền thống như: (1) không làm tăng tĩnh tải, (2) không thay đổi cấu trúc tổng thể kết cấu, (3) tăng độ cứng chống uốn, (4) hiệu quả trong việc ngăn chặn độ mở rộng và sự xuất hiện của vết nứt trong bê tông và (5) thi công dễ dàng và nhanh chóng

Trong thập kỷ 1980, lần đầu tiên tấm FRP được ứng dụng vào sửa chữa tăng cường kết cấu cột BTCT tại Nhật Bản FRP thực sự được sử dụng nhiều ở Nhật Bản từ sau động đất ở Hyogoken-Nanbu năm 1995 Ở Châu Âu, ngay từ năm 1978, các báo cáo khoa học của Đức đã đề cập vấn đề ứng dụng FRP để tăng cường kết cấu BTCT Trong khi đó, các nhà nghiên cứu ở Thụy Sỹ đã triển khai ứng dụng FRP tăng cường chịu uốn cho kết

6

cấu nhịp cầu BTCT từ năm 1987 Ở Mỹ, vấn đề ứng dụng FRP đã được các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ quan tâm từ thập kỷ 1930s, nhưng những nghiên cứu ứng dụng vật liệu này trong sửa chữa tăng cường mới chỉ bắt đầu từ thập kỷ 1980s Ở Canada, các nhà khoa học cũng rất quan tâm đến ứng dụng FRP trong sửa chữa tăng cường kết cấu [28] Trong khoảng 20 năm trở lại đây, một loạt các quy trình và hướng dẫn thiết kế - thi công - nghiệm thu được xuất bản bởi các Hiệp hội nghiên cứu về FRP Đây là kết quả của rất nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của các nhà nghiên cứu ở các quốc gia có nhiều ứng dụng FRP trong kỹ thuật như: Hoa Kỳ, Canada, các quốc gia châu Âu và Nhật Bản Ở Hoa Kỳ, có ba hiệp hội đã ban hành các hướng dẫn về sử dụng FRP là (1) Viện bê tông Hoa Kỳ (American Concrete Institute - ACI), (2) Hội đồng quy trình quốc tế (International Code Council – ICC) và (3) Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ (American Society of Civil Engineers - ASCE) Canada có hai Hiệp hội lớn nghiên cứu và ban hành các quy định và hướng dẫn thiết kế cũng như đặt nền móng cho các quy trình thiết kế và thi công vật liệu FRP trong kết cấu là (1) Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada (Canadian Standards Association – CSA) và (2) Mạng lưới Trung tâm Thông minh Cải tiến Kết cấu Canada (The Canadian Network of Centers of Excellent on Intelligent Sensing for Innovative Structures – ISIS) Ở châu Âu, Hiệp hội quốc tế về kết cấu bê tông (International Federation for Structural Concrete - fib) và các viện nghiên cứu khác của các quốc gia châu Âu như Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Ý (National Research Council of Italy – CNR) và Hiệp hội bê tông Vương Quốc Anh (The Concrete Society) là các cơ quan nghiên cứu đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu FRP Tại Nhật Bản, Hiệp Hội Kỹ Sư xây dựng Nhật Bản (Japan Society of Civil Engineers – JSCE), Viện Bê Tông Nhật Bản (Japan Concrete Institute – JCI) và Viện Nghiên cứu Kỹ Thuật Đường Sắt (Railway Technical Research Intitute – RTRI) đã xuất bản nhiều tài liệu liên quan đến ứng dụng FRP trong kết cấu bê tông Trong các tài liệu này, các tài liệu được ứng dụng rộng rãi

nhất bao gồm ACI 440.2R-17 [28] của ACI, fib Bulletin 14 [29] của fib, Design manual No 3 [30] của ISIS, và Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening of existing structures [31] của CNR

Đặc tính cơ lý của vật liệu FRP có rất nhiều khác biệt so với thép và phụ thuộc chủ yếu vào hỗn hợp chất nền kết dính và sợi gia cường Các loại sợi được sử dụng phổ biến là

7

sợi các-bon (C), sợi thủy tinh (G), sợi aramid (A) và sợi ba-zan (B) Các loại chất nền kết dính gồm: epoxy, polyester, và vynil-ester FRP có cường độ chịu kéo cao hơn từ 3

đến 8 lần so với thép CB-400V (Hình 1.1) và trọng lượng nhẹ hơn so với thép (3-4 lần),

không bị ăn mòn, không bị nhiễm từ, nhiễm điện, độ bền chịu mỏi cao, hệ số dẫn nhiệt thấp Vật liệu FRP không có ứng xử chảy dẻo và có mô-đun đàn hồi thấp hơn so với thép, vì vậy, có độ cứng dọc trục nhỏ hơn so với thép cùng một diện tích tiết diện Ngoài ra, vật liệu FRP còn có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng mỏi tĩnh làm giảm khả năng chịu tải dài hạn của nó Trong số các loại vật liệu FRP đang được sử dụng, vật liệu CFRP ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng mỏi tĩnh nhất; trong khi, GFRP bị ảnh hưởng nhiều nhất [28] Một số các nghiên cứu cũng cho thấy vật liệu FRP có thể bị ảnh hưởng xấu bởi tia

cực tím Một số tính chất cơ học cơ bản của vật liệu FRP được trình bày trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2 [28] [38] [39] Keo nền của vật liệu FRP tương đối nhạy cảm với nhiệt độ

Nhiệt chuyển hóa Tg của keo nền của vật liệu FRP vào khoảng từ 60 đến 82oC, phụ thuộc vào từng loại keo nền Hệ số nở nhiệt của vật liệu FRP cũng cao hơn thép Một số tính

chất cơ học cơ bản của keo nền được trình bày trong Bảng 1.3 [38-40]

Hình 1.1 : Quan hệ ứng suất-biến dạng điển hình của các loại FRP và thép

8

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như như độ ẩm, nồng độ muối, nhiệt độ, nồng độ các axit, chu kỳ khô/ướt, chu kỳ đóng và tan rã băng… đến các tính chất cơ lý của vật liệu FRP điển hình như [41-43] cho rằng mức độ hư hỏng của tấm FRP bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của môi trường nước, tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng có sự phân tán rất lớn giữa các nghiên cứu Môi trường nước có nhiệt độ cao có xu hướng làm giòn hóa các sợi thủy tinh và làm giảm giá trị biến dạng kháng đứt của tấm Cường độ của tấm có thể bị suy giảm mạnh từ 7% đến 70% trong dung dịch axit tại nhiệt độ phòng và trong dung dịch kiềm tại nhiệt độ cao hơn

Độ ẩm môi trường là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cường độ của tấm FRP Một số các nghiên cứu gần đây [44] [45] về ảnh hưởng của môi trường khô/ướt

Bảng 1.1 : Đặc tính chịu kéo điển hình của vật liệu FRP và thép

Cường độ kéo

1860 - 2680

2050 - 3790

3440 - 4140

2450 Mô-đun đàn

Bảng 1.3 : Đặc tính cơ học cơ bản của keo nền

Mô-đun đàn hồi ×103

Khối lượng riêng

9

ở tỉnh Đồng Tháp, Bến Tre và Cà Mau cho thấy cường độ kéo đứt của tấm CFRP có xu hướng giảm nhẹ theo thời gian (lớn nhất là 4.37% sau 24 tháng) Bằng phương pháp ngoại suy phi tuyến (với R2 = 0.769 đến 0.947), với thời gian xâm thực kéo dài đến 50 năm, mức độ giảm lớn nhất ghi nhận được là 13.3% Theo tiêu chuẩn [28], hệ số suy giảm cường độ của tấm CFRP cho tất cả các môi trường xâm thực không kể đến thời gian sử dụng là 0.85, tức mức độ suy giảm là 15% Kết quả này cho thấy các hệ số giảm bền cho vật liệu FRP trình bày trong [28] cho kết quả an toàn Kết quả đo biến dạng cho thấy sau 24 tháng chịu tác động của môi trường nước mặn (độ mặn từ 22 đến 28‰), khả năng biến dạng của tấm CFRP giảm đáng kể theo thời gian, lớn nhất đến 27% khi so với của mẫu phòng thí nghiệm (mẫu không bị tác động bởi môi trường) Điều này cho thấy, các yếu tố môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng biến dạng của tấm CFRP, đặt biệt là đến keo epoxy được sử dụng làm chất nền liên kết sợi trước khi dán tấm lên bề mặt bê tông

1.1.2 Mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó hông bằng cốt đai

Richart [46] đã tiên phong nghiên cứu hiệu quả của việc bó hông nhằm hạn chế biến dạng ngang của bê tông vốn là tác nhân gây nên phá hoại sớm của cấu kiện bê tông khi chịu nén dọc trục Nghiên cứu này khảo sát ứng xử nén của mẫu bê tông khi nén ở trạng thái chịu tác động của ứng suất ba trục Kết quả cho thấy sự xuất hiện của ứng suất bó hông làm cho cường độ của mẫu tăng lên; và giá trị tăng lên này chỉ phụ thuộc vào độ lớn của ứng suất bó hông, không phụ thuộc vào cấp phối hay cường độ bê tông Mặt khác, sự gia tăng ứng suất bó hông dẫn đến sự gia tăng đáng kể chuyển vị cuối cùng của cấu kiện bê tông; và giá trị gia tăng của chuyển vị phụ thuộc vào ứng suất bó hông và cường độ bê tông

Đối với cột bê tông được bố trí cốt đai, khi ứng suất nén trong bê tông còn nhỏ, ứng xử của bê tông bị bó hông và không bị bó hông là như nhau do biến dạng nở hông của bê tông chưa đủ lớn Khi ứng suất nén của bê tông tăng lên và đạt tới giá trị cực hạn, phần lõi bê tông của cột bên trong cốt đai bị biến dạng nở hông đáng kể nhưng bị cản trở bởi cốt đai bao quanh và hình thành nên hiệu ứng bó hông của cốt đai lên bê tông [47] Trong cột BTCT, cốt đai với hàm lượng đủ lớn có thể tạo nên được hiệu ứng bó hông đáng kể cho bê tông cột Ứng xử bó hông tạo nên bởi cốt đai trong cột bị ảnh hưởng bởi

10

hàm lượng cốt thép đai, khoảng cách của cốt thép đai, đường kính/ kích thước, và đặc trưng của cốt thép đai và sự phân bố của cốt thép dọc [48] Hiệu ứng bó hông gây nên bởi cốt đai lớn và đều đặn hơn cho cột tiết diện tròn so với cột tiết diện vuông hoặc chữ nhật Nguyên nhân là hiệu quả bó hông của cốt đai ở khu vực trung gian giữa các góc của tiết diện như hình vuông hoặc chữ nhật là không đáng kể

Theo phương dọc của cột, giá trị ứng suất bó hông trong vùng giữa các thép đai nhỏ hơn và phụ thuộc vào khoảng cách cũng như hàm lượng cốt thép đai Cho nên, khả năng chịu lực của cột được quyết định bởi tiết diện nhỏ nhất nằm giữa những lớp cốt thép đai [49]

Khoảng cách cốt đai càng lớn, diện tích bê tông bị bó hông càng nhỏ hơn (Hình 1.2)

Hình 1.2: Bê tông bị bó hông do cốt thép đai:

(a) mặt cắt ngang cột; (b) sơ đồ cân bằng ứng suất trên mặt cắt ngang; (c) mặt cắt dọc cột

Nhiều mô hình ứng suất-biến dạng cho BTCT đã được đề xuất [47] [49-51] Phần lớn các mô hình bao gồm một nhánh tăng dần và một nhánh giảm dần, và mỗi nhánh được biểu diễn bằng một phương trình khác nhau Các nghiên cứu được thực hiện trên các cột

11

có mặt cắt ngang hình chữ nhật [49] [50], hoặc mặt cắt tròn [49] [51] Một trong những mô hình được sử dụng rộng rãi nhất trong phân tích cột BTCT là mô hình của Mander

[49] (Hình 1.3) Quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông khi được bó và không bó hông

theo Mander được biểu thị bằng công thức (1.1)

𝑓𝑐 = 𝑓′𝑐𝑐

𝑐𝑐𝑢) 𝑟𝑠𝑟𝑠− 1 + (𝜀𝜀𝑐

(1.1) Trong đó:

𝜀𝑐𝑐𝑢 = 𝜀′𝑐[1 + 5 (𝑓′𝑐𝑐

𝑟𝑠 = 𝐸𝑐(𝐸𝑐 − 𝑓′𝜀 𝑐𝑐

với

𝐸𝑐 : mô đun đàn hồi của bê tông [MPa]

𝑟𝑠 : hằng số thép tính toán cho độ giòn của bê tông 𝜀′𝑐 : biến dạng không bó hông, = 0,002

𝜀𝑐𝑐𝑢 : biến dạng dọc trục cực hạn của bê tông bị bó hông tương ứng với ứng suất nén cực hạn của bê tông bị bó hông [‰]

Hình 1.3: Quan hệ ứng suất – biến dạng nén của bê tông theo Mander

12

Ứng suất nén cực hạn của bê tông bị bó hông, 𝑓′𝑐𝑐, được xác định theo [49] dùng năm tiêu chí phá hoại được đề xuất bởi [52] và dữ liệu thử nghiệm ba trục [53], và được biểu thị như sau:

𝑓′𝑐𝑐 = 𝑓′𝑐(−1,254 + 2,254√1 + 7,94𝑓′𝑙𝑓′𝑐 − 2

Trong đó 𝑓′

𝑙 : ứng suất bó hông hữu hiệu do cốt thép ngang (đai) [MPa] và

𝑠′ : khoảng cách từ mép đến mép của hai lớp cốt thép đai kề nhau [mm] 𝜌𝑠𝑤 : hàm lượng cốt thép đai theo công thức (1.9) [%]

𝜌𝑠𝑤 =4𝐴𝑠𝑤

với 𝐴𝑠𝑤 : diện tích tiết diện của cốt thép đai [mm2] 𝑑𝑠 : như công thức (1.7) [mm]

𝑏𝑐 : kích thước của cốt đai theo phương x của mặt cắt [mm]

𝑑𝑐 : kích thước của cốt đai theo phương y của mặt cắt [mm]

𝑓𝑦𝑤 : như công thức (1.8) [MPa] 𝑠′ : như công thức (1.7) [mm]

𝑤𝑖′ : khoảng cách từ mép đến mép của hai thanh cốt thép dọc kề nhau [mm] 𝜌𝑥 , 𝜌𝑥: hàm lượng cốt thép đai theo phương x và y của mặt cắt chữ nhật, tính

theo công thức (1.13) và (1.14) [%] 𝜌𝑥 =𝐴𝑠𝑤𝑥

1.1.3 Mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP

Các mô hình đầu tiên được đề xuất để phân tích ứng xử của bê tông được bó hông bằng vật liệu FRP có nguồn gốc từ các mô hình bê tông được bó hông bằng cốt thép Mô hình bê tông bó hông bằng vật liệu FRP đầu tiên là của Fardis và Khalilli [54] Mô hình này dựa trên mô hình đề xuất bởi Richart et al [46] Saadatmanesh et al [8] đã phát triển một mô hình dựa trên mô hình của Mander [49] cho các cột có một phần bó hông bằng cách sử dụng các dải FRP Tuy vậy, một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các mô hình bê tông bó hông dựa trên vật liệu thép để phân tích ứng xử bó hông của bê tông

14

bằng vật liệu FRP có thể chưa thật sự phù hợp vì ứng xử của thép và FRP không giống nhau khi chịu kéo do FRP không có ứng xử chảy [55] [56] Do đó, các mô hình mới, dựa trên các mẫu được bó hông bằng tấm FRP, đã được giới thiệu [56-60]

Các mô hình ứng suất – biến dạng được đề xuất cho bê tông bó hông bởi FRP trong các cột có thể được phân thành hai loại: (a) các mô hình định hướng phân tích [55] [56] [61] [62]; và (b) các mô hình định hướng thiết kế [54] [58-60] [63] [64] Độ chính xác của các mô hình định hướng phân tích phụ thuộc chủ yếu vào việc mô hình hóa mối quan hệ biến dạng ngang bê tông và biến dạng dọc trục của tấm FRP bó hông Các mô hình định hướng phân tích phù hợp hơn để kết hợp trong nền tảng phân tích số bằng máy tính như phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến Các mô hình hướng thiết kế thường bao gồm một phương trình ứng suất-biến dạng dạng khép kín và các phương trình điều kiện được rút ra trực tiếp từ kết quả thực nghiệm Độ chính xác của các mô hình hướng thiết kế phụ thuộc rất nhiều vào định nghĩa của trạng thái cuối cùng của bê tông được bó hông bởi tấm FRP Dạng đơn giản của các mô hình hướng đến thiết kế là làm cho chúng thuận tiện cho việc sử dụng trong thiết kế Mô hình của Lam và Teng [59] [60] theo định hướng thiết kế trình bày quan hệ ứng suất - biến dạng với phần đầu dạng parabol và

phần thứ hai dạng tuyến tính (Hình 1.4) Phần đầu của mô hình này bao gồm sự đóng

góp của cột và tấm FRP Độ dốc ban đầu của phần parabol là mô đun đàn hồi của bê tông không chịu bó hông, và ứng suất bó hông của bê tông, 𝜎𝑐 , được biểu thị theo công thức (1.15)

Hình 1.4: Mô hình ứng suất-biến dạng của Lam and Teng

15 𝜎𝑐 = {𝐸𝑐𝜀𝑐 −

(𝐸𝑐− 𝐸2)2

4𝑓𝑐𝑜 0 ≤ 𝜀𝑐 ≤ 𝜀𝑡 𝑓𝑐𝑜 + 𝐸2𝜀𝑐 𝜀𝑡 ≤ 𝜀𝑐 ≤ 𝜀𝑐𝑢

(1.15)

với 𝐸2 : độ dốc của nhánh thứ hai [MPa × 103]

𝐸𝑐 : mô đun đàn hồi của bê tông không bị bó hông [MPa × 103] 𝑓𝑐𝑜 : cường độ mẫu lăng trụ của bê không bó hông [MPa] 𝜀𝑐 : biến dạng của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP [‰] 𝜀𝑐𝑢 : biến dạng lớn nhất của bê tông bị bó hông [‰] 𝜀𝑡 : biến dạng dọc tại điểm chuyển tiếp [‰]

𝜎𝑐 : ứng suất nén của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP [MPa]

Hai tham số E2 và t được xác định theo công thức (1.16) và (1.17): 𝐸2 =𝑓𝑐𝑐− 𝑓𝑐𝑜

𝑘𝑠1 = (𝑏ℎ)

2𝐴𝑒𝐴𝑐

16 𝐴𝑒

𝐴𝑐 =

1 −[(𝑏

ℎ) (ℎ − 2𝑟𝑐)2+ (ℎ𝑏) (ℎ − 2𝑟𝑐)2]

1 − 𝜌𝑠𝑡

(1.21) với 𝐴𝑔 : diện tích nguyên của tiết diện chữ nhật [mm2]

với 𝑘𝜀 là hệ số hiệu quả của ứng suất bó hông, lấy bằng 0,586 [59]

Biến dạng lớn nhất của bê tông, 𝜀𝑐𝑢, xác định theo công thức (1.24) 𝜀𝑐𝑢 = 𝜀𝑐𝑜(1,75 + 𝑘2𝑘𝑠2 𝑓𝑙

𝜀𝑐𝑜 )

với 𝑘2 : hệ số hiệu quả bó hông đối với biến dạng, lấy bằng 12 [60]

𝑘𝑠2 : hệ số hình dạng, đối với tiết diện hình vuông tính theo công thức (1.25) 𝑘𝑠2 = (ℎ

(1.25)

Diện tích có hiệu của mặt cắt được định nghĩa như Hình 1.5 Hình dạng của các đường

cong pa-ra-bol và diện tích bó hông có hiệu thu được là một hàm số của các kích thước của mặt cắt (𝑏 và ℎ), bán kính bo góc (𝑟𝑐), và hàm lượng cốt thép dọc ( 𝜌𝑠𝑡), và xác định

theo công thức (1.21)

Hình 1.5: Diện tích có hiệu của cột bó hông bằng tấm FRP

17

1.1.4 Ứng suất bó hông của vật liệu FRP

Tấm FRP cung cấp ứng suất bó hông bị động cho cột Bê tông được bó hông bởi tấm FRP thể hiện ứng xử khác so với bê tông bị bó hông do cốt thép đai do vật liệu FRP có quan hệ ứng suất-biến dạng tuyến tính

So với thép, tấm FRP có cường độ cao hơn và biến dạng nhỏ hơn Ứng suất bó hông do

tấm FRP cung cấp phân bố đều xung quanh chu vi của cột tròn (Hình 1.6) và được tính

Bó hông do tấm FRP có thể đạt được bằng các cấu hình gia cường khác nhau như phủ toàn bộ bề mặt cột hoặc quấn một phần của cột bằng các dải FRP Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc bó hông hoàn toàn các cột bê tông bằng tấm FRP [8-26] Các nghiên cứu về gia cường bó hông một phần bằng các dải FRP rất hạn chế [8] [66] [67] Các cột tròn được bó hông hoàn toàn chịu áp lực bó hông đồng đều trong khi các cột được bó hông một phần và chịu áp lực bó hông không đồng đều do sự gián đoạn trong việc bó hông bằng tấm FRP Lúc này tồn tại cả hai khu vực bó hông và không bó hông trên toàn chiều cao của cột Hàm lượng gia cường tấm FRP, 𝜌𝑓, cho cả cột bó hông hoàn toàn và bó hông cách quãng có thể được tính toán theo công thức (1.27)

Hình 1.6: Bê tông bị bó hông do màng bọc bằng FRP

18 𝜌𝑓 =4𝑡𝑓𝑤𝑓𝑛𝑓𝑁𝑓

với 𝐷 : đường kính của cột tròn [mm]

𝑁𝑓 : số dải FRP dọc trên cột theo chiều cao 𝑙𝑢 : chiều dài tính toán của cột [mm]

𝑛𝑓 : số lớp FRP trên mỗi dải 𝑡𝑓 : chiều dày của tấm FRP [mm]

𝑤𝑓 : bề rộng của 1 dải FRP gia cường [mm]

Cột được bó hông bằng tấm FRP cách quãng thường được mô hình hóa như là cột được bó hoàn toàn có tính đến hệ số bó hông hiệu quả như đã được đề cập trong nghiên cứu của Sheikh và Uzumeri [48] và Mander et al [49] Theo đó, bê tông cột được bó hông

hoàn toàn ở các khu vực được bó (Hình 1.7) Dọc theo giữa khoảng cách thông thủy

giữa các dải FRP, diện tích bó hông hiệu quả của lõi bê tông là nhỏ nhất (vùng gạch màu xám nhạt) Hình dạng của vùng nở hông được giả định dưới dạng một parabol bậc hai

với độ dốc tiếp tuyến ban đầu là 45 ° (Hình 1.7)

1.1.5 Ứng xử nén của cột BTCT được bó hông bằng tấm FRP

1.1.5.1 Khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT được bó hông bằng tấm FRP

Từ những năm 1990s cho đến nay, một số lượng lớn các nghiên cứu liên quan đến ứng xử nén đúng tâm (cường độ, độ cứng và khả năng biến dạng) của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP có cốt thép chịu lực còn nguyên vẹn hay đã bị ăn mòn đã được triển khai liên tục và mang tính hệ thống [8-26] Các nghiên cứu này

Hình 1.7: Lõi bê tông bó hông hiệu quả của cột gia cường bó hông cách quãng

bằng dải FRP

19

cho thấy tấm CFRP giúp gia cường tốt khả năng chịu lực của cột BTCT có cốt thép không bị ăn mòn [8-9] [12-13] [16-23] [25] và có cốt thép không bị ăn mòn [10-11] [26]; đồng thời ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của ion clorua, ô xi, ion sun-phát và nước vào bê tông, làm giảm tốc độ ăn mòn của cốt thép chịu lực trong cột và nhờ đó kéo dài thời gian sử dụng của kết cấu [15] [24]

Hiện tượng ăn mòn kết cấu BTCT bắt đầu từ ăn mòn lớp bê tông bảo vệ với các tác nhân chính là cacbonate, nước, ion sun-phát, ion clorua,… phản ứng với canxi hydroxit có trong xi măng tạo ra các sản phẩm làm trương nở thể tích, phá vỡ cấu trúc của bê tông và hình thành các vết nứt Tiếp theo đó, thông qua các vết nứt này, clorua ion xâm nhập và phá vỡ màng bảo vệ của cốt thép, thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép Sản phẩm của quá trình ăn mòn cốt thép có thể tích lớn hơn so với trước khi ăn mòn, thúc đẩy quá trình hình thành vết nứt Kết quả của quá trình này là khả năng chịu lực và độ cứng của cấu kiện BTCT bị suy giảm [68] [69], và ảnh hưởng mạnh đến ứng xử của cột BTCT [70] Tuy nhiên, các nghiên cứu liên quan đến viêc đánh giá tác động của ion sun-phát đến hiệu quả bó hông của tấm CFRP đối với cột BTCT chịu nén lại khá hiếm; mặc dù, như đã đề cập, ion sun-phát có trong nước làm cho cấu trúc bê tông bị biến đổi theo chiều hướng xấu đi, làm giảm độ cứng dọc trục và khả năng chịu lực của cột; từ đó có thể tác động mạnh đến ứng xử của tấm CFRP gia cường bó hông Nhận thấy được tầm ảnh hưởng quan trọng của ion sun-phát, Zhou et al [7] thực hiện khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của chu kỳ khô/ướt của môi trường ma-giê sun-phát trong 30, 60 và 120 ngày đến sự suy giảm cường độ của bê tông của 30 mẫu trụ bê tông không có cốt thép bó hông bằng tấm CFRP Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng có sự suy giảm mạnh về cường độ bê tông của cột và khả năng chịu lực của cột gia cường; tuy vậy, mẫu cột trong nghiên cứu này có kích thước nhỏ (mẫu trụ 150×300mm) và không có cốt thép Việc sử dụng các mẫu có kích thước nhỏ giúp cho việc thí nghiệm được dễ dàng, linh hoạt và ít tốn kém nhưng lại có thể gây ảnh hưởng sai lệch đến kết quả thí nghiệm [71] và ít nhiều làm mất đi tính thực tế của kết quả nghiên cứu do ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ mô hình

Hiện nay, phương pháp xác định khả năng kháng nén của cột bị bó hông bằng tấm FRP đã được trình bày chi tiết trong một số hướng dẫn thiết kế gia cường hiện hành [28-31] Theo [28], khả năng chịu nén đúng tâm có thể xác định dựa trên mô hình ứng suất –