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
TỔNG QUAN, MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Giới thiệu sơ lược về vật liệu FRP
FRP sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội, gồm độ bền cao, khối lượng nhẹ, chịu lực mỏi tốt, chống ăn mòn hiệu quả và dễ dàng lắp đặt trên bề mặt bê tông Đặc biệt, FRP có độ dày mỏng, đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ và hạn chế không gian so với vật liệu xây dựng truyền thống Nhờ những tiến bộ công nghệ, FRP ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong sửa chữa và gia cố kết cấu bê tông cốt thép kể từ những năm 1990 Phương pháp dán tấm FRP khắc phục được hạn chế của các phương pháp gia cố kết cấu thông thường, không làm tăng tải trọng, không thay đổi kết cấu tổng thể, gia tăng độ cứng chịu uốn, ngăn ngừa nứt vỡ bê tông và thi công nhanh chóng, tiện lợi.
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
FRP có đặc tính cơ học vượt trội so với thép, bao gồm cường độ chịu kéo cao hơn từ 3 đến 8 lần, trọng lượng nhẹ hơn từ 3 đến 4 lần, chống ăn mòn, không nhiễm từ và nhiễm điện, độ bền chịu mỏi cao và hệ số dẫn nhiệt thấp Tuy nhiên, FRP có môđun đàn hồi thấp hơn thép, dẫn đến độ cứng dọc trục nhỏ hơn Ngoài ra, FRP có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng mỏi tĩnh, làm giảm khả năng chịu tải lâu dài CFRP ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này nhất, trong khi GFRP bị ảnh hưởng nhiều nhất Keo nền của FRP có độ nhạy cảm với nhiệt độ tương đối cao, hệ số nở nhiệt lớn hơn thép và các tính chất cơ học cơ bản của keo nền phụ thuộc vào loại keo nền cụ thể.
Hình 1.1 : Quan hệ ứng suất-biến dạng điển hình của các loại FRP và thép
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
Thông số Thép GFRP CFRP AFRP BFRP
Mô-đun đàn hồi ×10 3 (MPa) 200 69-72 220-240 69-83 46-66
Biến dạng dẻo 0,14-0,25 N/A N/A N/A N/A Độ dãn dài (%) 6 - 12 4,5-5,4 1,2-1,5 1,6-2,5 2,0-4,4
Bảng 1.2 : Hệ số dãn nở vì nhiệt của vật liệu FRP và thép
Bảng 1.3 : Đặc tính cơ học cơ bản của keo nền
Thông số Epoxy Polyester Vinylester
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 R 2 = 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.
Mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó hông bằng cốt đai
Nghiên cứu của Richart cho thấy việc bó hông làm tăng cường độ của bê tông nén, không phụ thuộc vào cường độ hay cấp phối bê tông Tuy nhiên, nó cũng làm tăng chuyển vị cuối cùng, tỷ lệ thuận với ứng suất bó hông và cường độ bê tông Đối với cột bê tông có cốt đai, khi ứng suất nén thấp, bê tông bó hông và không bó hông có ứng xử tương tự Khi ứng suất nén tăng, cốt đai cản trở nở hông bê tông, tạo ra hiệu ứng bó hông của cốt đai lên bê tông Ở cột bê tông cốt thép, cốt đai đủ lớn mới tạo ra hiệu ứng bó hông đáng kể, phụ thuộc vào cường độ cốt đai, mật độ cốt đai, cường độ bê tông, kích thước cột và tỷ lệ chiều dài/bề rộng cốt đai.
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, ứng suất bó hông phân bố không đều, 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 Do đó, khả năng chịu lực của cột phụ thuộc vào tiết diện nhỏ nhất nằm giữa những lớp thép đai Khoảng cách giữa các cốt đai càng lớn thì diện tích bê tông bị bó hông càng nhỏ.
𝑓 𝑙,𝑠,𝑚𝑎𝑥 : ứng suất bó hông lớn nhất do cốt thép ngang (đai)
𝑓 𝑦 : giới hạn chảy của cốt thép ngang (đai)
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;
Nhiều mô hình dự đoán ứng suất-biến dạng cho bê tông cốt thép đã được đề xuất Nhìn chung, các mô hình này bao gồm nhánh tăng dần và nhánh giảm dần, được biểu diễn bằng các phương trình riêng biệt Các nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào cột bê tông cốt thép đã chứng minh hiệu quả của các mô hình này trong việc mô phỏng chính xác hành vi ứng suất-biến dạng của vật liệu.
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)
𝐸 𝑐 : mô đun đàn hồi của bê tông [MPa]
𝑟 𝑠 : hằng số thép tính toán cho độ giòn của bê tông
𝜀′ 𝑐 : biến dạng không bó hông, = 0,002
𝜀 𝑐𝑐𝑢 : 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 ′ 𝑙 : ứng suất bó hông hữu hiệu do cốt thép ngang (đai) [MPa] và
𝑓 𝑙 : ứng suất bó hông tối đa do cốt thép ngang (đai) [MPa]
𝑘 𝑒 : hệ số bó hông hữu hiệu; Đối với cột tiết diện tròn, 𝑘 𝑒 và 𝑓 𝑙 tính theo công thức (1.7) và (1.8):
𝐴 𝑐𝑜𝑟𝑒 : diện tích tiết diện của lõi bê tông cột [mm 2 ]
𝐴 𝑠𝑙 : tổng diện tích tiết diện cốt thép dọc [mm 2 ]
𝑑 𝑠 : đường kính của lõi bê tông cột [mm]
𝑓 𝑦𝑤 : giới hạn chảy của cốt đai [MPa]
𝑠′ : khoảng cách từ mép đến mép của hai lớp cốt thép đai kề nhau [mm]
𝜌 𝑠𝑤 : hàm lượng cốt thép đai theo công thức (1.9) [%]
𝑠𝑑 𝑠 (1.9) với 𝐴 𝑠𝑤 : diện tích tiết diện của cốt thép đai [mm 2 ]
𝑠 : khoảng cách từ tim đến tim của của hai lớp cốt thép đai kề nhau [mm] Đối với mặt cắt cột hình chữ nhật, 𝑘 𝑒 và 𝑓 𝑙 (bao gồm 𝑓 𝑙𝑥 và 𝑓 𝑙𝑦 theo phương x và y của mặt cắt chữ nhật) tính theo công thức (1.10), (1.11) và (1.12):
𝑏 𝑐 : kích thước của cốt đai theo phương x của mặt cắt [mm]
𝑑 𝑐 : kích thước của cốt đai theo phương y của mặt cắt [mm]
𝑤 𝑖 ′ : khoảng cách từ mép đến mép của hai thanh cốt thép dọc kề nhau [mm]
𝜌 𝑥 , 𝜌 𝑥 : hàm lượng cốt thép đai theo phương x và y của mặt cắt chữ nhật, tính theo công thức (1.13) và (1.14) [%]
𝑠𝑏 𝑐 (1.14) với 𝐴 𝑠𝑤𝑥 , 𝐴 𝑠𝑤𝑦 : diện tích của cốt thép đai phương x và y của mặt cắt chữ nhật [mm 2 ]
𝑏 𝑐 và 𝑑 𝑐 : như công thức (1.10) [mm]
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, 𝜎 𝑐 , được biểu thị theo công thức (1.15)
Hình 1.4: Mô hình ứng suất-biến dạng của Lam and Teng
(1.15) với 𝐸 2 : độ dốc của nhánh thứ hai [MPa × 10 3 ]
𝐸 𝑐 : mô đun đàn hồi của bê tông không bị bó hông [MPa × 10 3 ]
𝑓 𝑐𝑜 : cường độ mẫu lăng trụ của bê không bó hông [MPa]
𝜀 𝑐 : biến dạng của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP [‰]
𝜀 𝑐𝑢 : biến dạng lớn nhất của bê tông bị bó hông [‰]
𝜀 𝑡 : biến dạng dọc tại điểm chuyển tiếp [‰]
𝜎 𝑐 : ứng suất nén của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP [MPa]
Hai tham số E 2 và t được xác định theo công thức (1.16) và (1.17):
𝜀 𝑐𝑢 (1.16) với 𝑓 𝑐𝑐 là cường độ của bê tông bị bó hông [MPa]
Cường độ của bê tông bị bó hông, f cc , xác định theo công thức (1.18):
𝑓 𝑐𝑐 = 𝑓 𝑐𝑜 + 𝑘 1 𝑘 𝑠1 𝑓 𝑙 (1.18) với 𝑘 1 :hệ số hiệu quả bó hông đối với cường độ bê tông, lấy bằng 3,3 [60]
𝑘 𝑠1 : hệ số hình dạng, đối với tiết diện hình vuông tính theo công thức (1.19)
𝑓 𝑓 : ứng suất bó hông của tấm FRP, tính theo công thức (1.20)
𝐴 𝑐 : hệ số bó hông có hiệu của mặt cắt, tính theo công thức (1.21)
𝑏 : bề rộng của tiết diện cột [mm]
ℎ : chiều cao của tiết diện cột [mm]
(1.20) với 𝐷 : đường kính cột tròn, đối với cột tiết diện chữ nhật tính theo (1.22)
𝜀 ℎ,𝑟𝑢𝑝 : biến dạng có hiệu của tấm FRP bó hông, tính theo công thức (1.23)
(1.21) với 𝐴 𝑔 : diện tích nguyên của tiết diện chữ nhật [mm 2 ]
𝑟 𝑐 : bán kính bo góc của tiết diện chữ nhật [mm]
𝜌 𝑠𝑡 : hàm lượng của cốt thép dọc trong cột
𝜀 ℎ,𝑟𝑢𝑝 = 𝑘 𝜀 𝜀 𝑓𝑢 (1.23) với 𝑘 𝜀 là hệ số hiệu quả của ứng suất bó hông, lấy bằng 0,586 [59]
Biến dạng lớn nhất của bê tông, 𝜀 𝑐𝑢 , xác định theo công thức (1.24)
) (1.24) với 𝑘 2 : hệ số hiệu quả bó hông đối với biến dạng, lấy bằng 12 [60]
𝑘 𝑠2 : hệ số hình dạng, đối với tiết diện hình vuông tính theo công thức (1.25)
Diện tích có hiệu của mặt cắt được xác định như Hình 1.5, là hàm của các kích thước mặt cắt (b, h), bán kính bo góc (rc) và hàm lượng cốt thép dọc (ρst), tính theo công thức (1.21).
Hình 1.5: Diện tích có hiệu của cột bó hông bằng tấm FRP
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 theo công thức (1.26):
2 (1.26) với 𝐸 𝑓 : mô đun đàn hồi kéo của vật liệu FRP [MPa×10 3 ]
𝑓 𝑙,𝑓,𝑚𝑎𝑥 : ứng suất bó hông tối đa chỉ do FRP [MPa]
𝜀 𝑓𝑢 : biến dạng kéo đứt của tấm FRP theo [65] [‰]
𝜌 𝑓 : hàm lượng gia cường của tấm FRP
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, 𝜌 𝑓 , 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
𝐷𝑙 𝑢 (1.27) với 𝐷 : đường kính của cột tròn [mm]
𝑁 𝑓 : số dải FRP dọc trên cột theo chiều cao
𝑙 𝑢 : chiều dài tính toán của cột [mm]
𝑛 𝑓 : số lớp FRP trên mỗi dải
𝑡 𝑓 : chiều dày của tấm FRP [mm]
𝑤 𝑓 : 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).
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 –
20 biến dạng của Lam và Teng [59] [60] Khả năng chịu nén dọc trục của cấu kiện bê tông được xác định theo công thức (1.28) và (1.29) Lực dọc trục tác dụng lên cấu kiện bê tông được gia cường bằng FRP được tính toán cùng với việc sử dụng các hệ số tải trọng được yêu cầu theo [72], và cường độ chịu nén dọc trục nên được tính toán cùng với việc sử dụng các hệ số triết giảm cường độ, , cho các cấu kiện có cốt thép đai buộc hoặc vòng xoắn được yêu cầu theo [72],
Với các cấu kiện không có dự ứng lực được gia cường bằng cốt thép vòng xoắn:
𝜙𝑃 𝑛 = 0,85𝜙(0,85𝑓 𝑐𝑐 (𝐴 𝑔 − 𝐴 𝑠𝑡 ) + 𝑓 𝑦 𝐴 𝑠𝑡 ) (1.28) với 𝐴 𝑠𝑡 : diện tích cốt thép dọc chịu kéo [mm 2 ]
𝑓 𝑐𝑐 : cường độ của bê tông bị bó hông, xác định theo công thức (1.18) [MPa]
𝜙 : hệ số chiết giảm cường độ [72],
Với các cấu kiện không có dự ứng lực được gia cường bằng cốt thép đai buộc:
1.1.5.2 Khả năng chịu nén uốn kết hợp của cột BTCT được bó hông bằng tấm FRP Đa phần các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của yếu tố môi trường của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm FRP được tiến hành trên mẫu chịu nén đúng tâm; và tập trung đánh giá hiệu quả gia cường bó hông của tấm GFRP/CFRP cho cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn cũng như khả năng ngăn chặn và hạn chế ăn mòn của tấm GFRP/CFRP đối với cốt thép trong cột khi chịu tác động của dung dịch muối na-tri clorua theo các chu kỳ khô/ướt [10] [11] [73] [74] Một số ít các nghiên cứu khác khảo sát và phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ, nước sinh hoạt và chu kỳ đông/xả trong môi trường nhiệt độ thấp đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP/GFRP cho cột bê tông không có cốt thép [75-78] 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 tấm FRP gia cường do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của tấm FRP, 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]
Một vài nghiên cứu hiếm hoi về khả năng chịu lực của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP có cốt thép bị ăn mòn chịu nén lệch tâm có thể kể đến như
Maaddawy [32] và Chotickai et al [33] Maaddawy [32] nghiên cứu trên 16 cột BTCT có kích thước mẫu 250×250×1200mm và cường độ chịu nén của bê tông bằng 28,5 MPa Mức độ ăn mòn của lồng thép (bao gồm cốt dọc và cốt đai) được nghiên cứu là 4,25% Cấu hình gia cường tấm CFRP là một lớp bó hông liên tục và một lớp bó hông cách quãng Tỷ số độ lệch tâm tương đối e/h lần lượt là 0,3; 0,43; 0,57 và 0,86 Kết quả cho thấy khả năng chịu lực của cột tỷ lệ nghịch với độ lệch tâm Cấu hình bó hông cách quãng có hiệu quả bó hông thấp hơn bó hông liên tục xấp xỉ 8% ở độ lệch tâm e/h=0,3, và sự khác biệt về hiệu quả gia cường giữa hai cấu hình gia cường này gần như không đáng kể cho các trường hợp lệch tâm lớn hơn Gần đây, Chotickai et al [33] khảo sát thực nghiệm 12 cột BTCT có kích thước 125×125×1375mm và cường độ chịu nén của bê tông bằng 17,7 MPa Mức độ ăn mòn của lồng thép (bao gồm cốt dọc và cốt đai) lần lượt là 0%, 10% và 20% Số lớp tấm CFRP gia cường là một lớp và hai lớp Tất cả các mẫu được tiến hành nén với độ lệch tâm tương đối e/h=1 Kết quả cho thấy ăn mòn cốt thép làm giảm hiệu quả gia cường của tấm CFRP và khi ứng suất bó hông tăng thì hiệu quả gia cường tăng lên Tuy vậy, kết quả từ hai nghiên cứu này vẫn chưa đề cập được rõ ràng về sự tương tác giữa mức độ ăn mòn cốt thép với biến dạng của tấm CFRP và ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đến hiệu quả gia cường của tấm CFRP, khả năng biến dạng và độ dẻo dai của cột Bên cạnh đó, tấm BFRP, mặc dù, có cường độ và mô- đun đàn hồi thấp hơn so với tấm CFRP, nhưng lại có khả năng biến dạng tốt hơn, nâng cao khả năng chịu lực của cột BTCT chịu tải trọng động đất [79] Tấm BFRP hoàn toàn có thể là giải pháp gia cường mang tính kinh tế hơn do có giá thành thấp hơn đáng kể so với tấm BFRP Cho đến thời điểm hiện tại, vẫn chưa thấy một công bố quốc tế nào đề cập đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm BFRP cho trường hợp cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn Để xác định khả năng kháng nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm FRP, 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 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 CFRP; trong đó, khả năng chịu nén của cột được xét tăng thêm do ảnh hưởng bởi ứng suất bó hông tạo nên bởi tấm CFRP Mô hình [32] có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép dọc chịu lực đến
22 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 FRP cho cột BTCT nhằm giúp cho công tác thiết kế được an toàn và kinh tế hơn, vì vậy, là thật sự cần thiết
Các tiêu chuẩn thiết kế hiện tại chưa đánh giá đầy đủ tác động của sunfat và ăn mòn cốt thép đối với khả năng chịu nén của cột bê tông cốt thép gia cường bằng sợi carbon (CFRP) quấn quanh Khả năng chịu nén của cột được tính dựa trên khả năng chịu nén của bê tông, khả năng chịu nở của CFRP và độ bền kéo của CFRP chịu ảnh hưởng của môi trường Tuy nhiên, hệ số giảm độ bền CFRP hiện tại chỉ phản ánh sự thay đổi tính chất của CFRP, chứ không xét đến sự suy giảm chất lượng bê tông do sunfat Điều này có thể dẫn đến dự đoán không chính xác về khả năng chịu nén và độ bền của cột gia cố CFRP.
Theo ACI 440.2R-17, khả năng chịu nén uốn kết hợp có thể xác định dựa trên mô hình ứng suất – biến dạng của Lam và Teng [59] [60] Với mục đích dự đoán tác dụng của việc gia cường để nâng cao cường độ, công thức (1.28) và (1.29) có thể được áp dụng được khi mà độ lệch tâm của cấu kiện được gia cường 0,1h Khi độ lệch tâm của cấu kiện > 0,1h, biểu đồ tương tác P-M của cấu kiện bó hông bằng tấm FRP có thể được áp dụng theo [80] Các giới hạn áp dụng cho các cấu kiện chịu nén dọc trục kết hợp với chịu uốn:
• Biến dạng hiệu quả của lớp bó hông bằng FRP nên được giới hạn tới giá trị được xác định bằng công thức (1.30) để đảm bảo tính nguyên vẹn của bê tông dính kết với vật liệu gia cường:
𝜀 𝑓𝑒 = 0,004 ≤ 𝑘 𝜀 𝜀 𝑓𝑢 (1.30) với 𝜀 𝑓𝑒 là biến dạng có hiệu của tấm FRP bó hông
Chỉ tăng độ chịu nén cho kết cấu khi lực dọc trục và mô men uốn tác dụng (𝑃 𝑢 và 𝑀 𝑢 ) lớn, là dạng phá hoại chính của kết cấu.
Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ lực - mô men (P-M)
Biểu đồ tương tác P-M được xây dựng dựa trên trạng thái tương thích biến dạng và cân bằng lực theo các công thức (1.15) đến (1.18) Để đơn giản, biểu đồ P-M của cột BTCT chịu nén lệch tâm (e > 0,1h), không tăng cường và có tăng cường tấm FRP có thể xắp xỉ theo đường gấp khúc qua 5 điểm A B, C, D và E [71] (Hình 1.8) Các giá trị của hệ số 𝜙 được xác định theo [72] cho cả mặt cắt ngang hình tròn và không tròn
Ý nghĩa khoa học
Trong bối cảnh các nghiên cứu liên quan đến hiệu quả gia cường của tấm CFRP cho cột BTCT có bê tông bị suy biến do ảnh hưởng của ion sun-phát cũng như các nghiên cứu
Nghiên cứu về ứng xử của cột bê tông cốt thép (BTCT) có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bằng tấm sợi các-bon hoặc sợi bazan gia cường polyme (CFRP/BFRP) chịu tải trọng nén lệch tâm còn nhiều hạn chế Nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ, định lượng và hệ thống hóa hiệu quả của phương pháp này Kết quả thu được sẽ cung cấp dữ liệu thực nghiệm giúp hiểu rõ hơn về ứng xử nén của cột BTCT bị suy biến và ăn mòn được gia cường bằng CFRP/BFRP, làm cơ sở bổ sung và hiệu chỉnh các mô hình tính toán khả năng chịu lực của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, góp phần dự đoán ứng xử của cột chính xác hơn và an toàn hơn trong thiết kế gia cường thực tế.
Ý nghĩa thực tiễn
Các công trình BTCT xây dựng trong môi 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, nguyên nhân chính là do hiện tượng cốt thép và bê tông bị ăn mòn Trong bối cảnh kinh tế quốc gia còn gặp nhiều khó khăn như hiện nay, việc xây mới đòi 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 công trình thật sự là nhu cầu lớn và có ý nghĩa thực tiễn cao Đề tài này nghiên cứu và làm rõ hiệu quả của giải pháp kỹ thuật gia cường sử dụng tấm CFRP/BFRP cho cột BTCT có bê tông bị suy biến và cốt thép bị ăn mòn nhằm phục hồi sức chịu tải của cột, hạn chế sự ăn mòn của bê tông và cốt thép trong cột, từ đó kéo dài tuổi thọ và thời gian sử dụng cho kết cấu Thêm vào đó, trong bối cảnh của việc khan hiếm của các nghiên cứu thực nghiệm trong vấn đề đã nêu, kết quả từ nghiên cứu này có thể cung cấp thêm các hiểu biết mới và hữu dụng cho cộng đồng kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực gia cường kết cấu Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án này là cột BTCT chịu nén đúng và lệch tâm được gia cường bằng tấm CFRP/BFRP
Phạm vi nghiên cứu
Trong các công trình xây dựng thực tế, các cột hầu hết đều có ứng xử như cột ngắn, nên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng và lệch tâm của cột ngắn (tỉ số l u /b nhỏ hơn hoặc bằng 4 với l u và b lần lượt là chiều cao của cột và bề rộng của tiết diện cột) có tiết diện vuông, kích thước 200×200×800mm Cường độ bê tông của các mẫu cột thí nghiệm được thiết kế từ 25 đến 60 MPa, là dải cường độ thông dụng được dùng trong thực tiễn hiện nay Hàm lượng cốt dọc (2,3% và 2,0%) và cốt đai (0,3% và 0,4%) dùng trong các cột thí nghiệm lần lượt là hàm lượng dùng phổ biến trong các công trình hiện nay Môi trường tạo ăn mòn xâm thực cho bê tông là dung dịch MgSO4 nồng độ 7% Số lớp tấm CFRP/BFRP gia cường được thiết kế lần lượt là một và ba lớp, tương ứng với ứng suất bó hông nhỏ và lớn theo quy định [29] Cốt thép của cột được tạo ăn mòn trước khi đổ bê tông cột với ba cấp độ 0%, 15% và 30% khối lượng bằng phương pháp ngâm trong môi trường axit H2SO4 và không tẩy gỉ trước khi đúc mẫu nhằm giữ lại sự suy giảm về khả năng bám dính với bê tông
Do vấn đề nghiên cứu ăn mòn cả bê tông và cốt thép đồng thời trên mẫu cột thí nghiệm là rất khó khăn về mặt kỹ thuật và khó kiểm soát cũng như đánh giá tách bạch một cách định lượng ảnh hưởng của chúng đến các đặc trưng chịu lực và biến dạng của cột nên hai chương trình thí nghiệm được tiến hành tuần tự để nghiên cứu ảnh hưởng của từng yếu tố.
Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các nội dung chính như sau:
• Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của ion sun-phát đến sự suy giảm độ cứng dọc trục, khả năng biến dạng của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP và hiệu quả gia cường của tấm CFRP; định lượng mức độ đóng góp của từng thành phần như lõi bê tông và tấm CFRP bó hông theo thời gian chịu ảnh hưởng của ion sun-phát và ảnh hưởng tương tác giữa số lớp tấm CFRP gia cường với cường độ bê tông đến vấn đề này;
• Phân tích và định lượng ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép cốt dọc và cốt đai, độ lệch tâm tương đối và số lớp tấm CFRP/BFRP gia cường bó hông đến
27 khả năng chịu nén lệch tâm, khả năng biến dạng, hấp thụ năng lượng và độ dẻo dai của cột BTCT;
• Kiểm chứng mức độ chính xác của các công thức dự đoán khả năng chịu nén lệch tâm của cột gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP trong một số nghiên cứu và hướng dẫn thiết kế hiện hành; từ đó đề xuất công thức hiệu chỉnh phù hợp hơn, có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt chịu lực, độ lệch tâm và số lớp tấm bó hông.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án này sử dụng ba phương pháp nghiên cứu chủ đạo là thực nghiệm, thống kê hồi qui và tính toán giải tích Cụ thể như sau:
• Phương pháp thực nghiệm: Trước hết, các mẫu cột bê tông cốt thép (BTCT) được chế tạo và gia cường bằng tấm FRP (Fiber Reinforced Polymer) với vật liệu sử dụng theo đúng yêu cầu của mẫu thiết kế; tiếp theo cho các mẫu cột tiếp xúc với môi trường xâm thực (nếu có); và sau cùng tiến hành các thí nghiệm nén để đánh giá hiệu quả gia cường của tấm FRP Các thí nghiệm này sẽ đo lường các thông số kỹ thuật của cột BTCT như khả năng chịu nén, biến dạng, chuyển vị và độ dẻo dai Đồng thời, ảnh hưởng của ion sun-phát, mức độ ăn mòn cốt thép dọc và đai đến hiệu quả gia cường của tấm FRP cũng được đánh giá
• Phương pháp thống kê hồi qui: phương pháp thống kê hồi qui được sử dụng để phân tích dữ liệu thực nghiệm về biến dạng lớn nhất của tấm FRP bó hông thu được từ các thí nghiệm nén của cột BTCT của các nghiên cứu trước đó và của chính nghiên cứu này Các tham số sử dụng trong phân tích bao gồm số chu kỳ khô/ướt của dung dịch MgSO4, độ lệch tâm, số lớp/loại tấm FRP, mức độ ăn mòn cốt thép cùng với các thông số về kích thước và các đặc trưng cơ học của vật liệu chế tạo cột BTCT Phương pháp thống kê hồi qui sẽ giúp xác định mối quan hệ giữa các tham số này và ảnh hưởng của chúng đến biến dạng lớn nhất của tấm FRP bó hông hay hiệu quả gia cường của tấm FRP
• Phương pháp tính toán giải tích: phương pháp tính toán giải tích được sử dụng để đề xuất công thức tính toán khả năng chịu nén của cột BTCT được gia
28 cường bằng tấm FRP Các tham số sử dụng trong công thức bao gồm độ lệch tâm, số lớp/loại tấm FRP và mức độ ăn mòn cốt thép (dọc và đai) của cột BTCT Phương pháp tính toán giải tích này giúp dự đoán chính xác hơn về khả năng chịu nén của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP trong điều kiện cốt thép (dọc và đai) của cột bị ăn mòn
Bố cục của luận án
Cấu trúc của luận án bao gồm phần Mở đầu, bốn Chương (từ Chương 1 đến 4), phần Kết luận & Kiến nghị và bốn Phụ lục, cụ thể như sau:
Phần Mở đầu trình bày tóm tắt về bối cảnh hình thành nên hướng nghiên cứu của Luận án, phân tích và xác định các tồn tại khoa học chưa được giải quyết đầy đủ và hệ thống trong lĩnh vực gia cường bó hông cột BTCT bằng tấm FRP; từ đó, đề xuất các chủ đề nghiên cứu chính của Luận án
Chương 1 trình bày tổng quan nghiên cứu về vật liệu FRP, tổng quan về bê tông bị bó hông, mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP, và ứng xử nén của cột BTCT được bó hông bằng tấm FRP, làm cơ sở khoa học tường minh cho việc đề xuất các mục tiêu nghiên cứu Các phần về nội dung, ý nghĩa, phương pháp nghiên cứu, và bố cục luận án cũng được trình bày ở chương này
Chương 2 trình bày chi tiết về nghiên cứu thực nghiệm tác động của ăn mòn bê tông do ion sun-phát đến ứng xử chịu nén của cột BTCT thông qua chương trình thực nghiệm trên 24 mẫu cột Các nội dung như vật liệu sử dụng và các đặc tính cơ lý đi kèm, thiết kế, chế tạo mẫu thí nghiệm, sơ đồ thí nghiệm và lắp đặt thiết bị đo đạc, và quy trình thí nghiệm đều được đề cập chi tiết Chương này tập trung phân tích làm rõ ảnh hưởng của ion sun-phát đến sự suy giảm độ cứng dọc trục, khả năng biến dạng của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP và hiệu quả gia cường của tấm CFRP; định lượng mức độ đóng góp của từng thành phần như lõi bê tông và tấm CFRP bó hông theo thời gian chịu ảnh hưởng của ion sun-phát và ảnh hưởng tương tác giữa số lớp tấm CFRP gia cường với cường độ bê tông đến vấn đề này
Chương 3 tập trung làm rõ ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến ứng xử chịu nén lệch tâm của cột BTCT Chương trình thưc nghiệm cho nội dung này được tiến hành trên 40
29 mẫu cột được xây dựng chi tiết bao gồm vật liệu sử dụng và các đặc tính cơ lý đi kèm, thiết kế, chế tạo mẫu thí nghiệm, sơ đồ thí nghiệm và lắp đặt thiết bị đo đạc, và quy trình thí nghiệm Nội dung chính của chương này là phân tích và định lượng ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép cốt dọc và cốt đai, độ lệch tâm tương đối, loại tấm và số lớp tấm gia cường bó hông CFRP/BFRP đến khả năng chịu nén lệch tâm, khả năng biến dạng, hấp thụ năng lượng và độ dẻo dai của cột BTCT
Chương 4 đề xuất mô hình dự đoán khả năng chịu nén lệch tâm của cột gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt chịu lực, độ lệch tâm, và số lớp tấm bó hông
Phần Kết luận và Kiến nghị trình bày các kết luận được rút ra từ nghiên cứu và các kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo
Phụ lục trình bày quy trình chế tạo và thí nghiệm 64 mẫu cột BTCT dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của ăn mòn bê tông do ion sun-phát và ăn mòn cốt thép; và tính toán biểu đồ tương tác P-M
HIỆU QUẢ CỦA TẤM CFRP BÓ HÔNG CHO CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ BÊ TÔNG BỊ ĂN MÒN BỞI MUỐI SUN-PHÁT
Vật liệu
Các cột thí nghiệm được chế tạo từ ba nhóm bê tông có cường độ thấp (M25), trung bình (M40) và cao (M60), nằm trong khoảng cường độ bê tông phổ biến áp dụng cho kết cấu cột trong công trình xây dựng Thành phần cấp phối bê tông gồm: xi-măng PC40, cát hạt thô, đá 1x2, cát hạt mịn, nước và phụ gia Cường độ chịu nén trung bình dọc trục f c,cube và kéo chẻ f sp,cube thực tế của bê tông được xác định thông qua kết quả nén 6 mẫu lập phương 150×150×150 mm theo tiêu chuẩn [81] và [82] (Bảng 2.1)
Bảng 2.1: Cấp phối và đặc trưng cơ học của bê tông cột bị ăn mòn sun-phát
Theo tiêu chuẩn [84], giới hạn chảy (fy) và giới hạn bền (fu) trung bình của cốt dọc chịu nén và cốt đai đã được xác định trên 3 mẫu thử: cốt dọc chịu kéo có fy = 428 MPa và fu = 600 MPa, trong khi cốt đai có fy = 302 MPa và fu = 470 MPa.
2.1.1.3 Tấm CFRP và keo dán
Vật liệu được lựa chọn chế tạo cánh quạt là tấm sợi các-bon loại Carbotex UD 300 và keo dán hai thành phần loại A-B Carbotex Impreg của hãng Adcos NV - Vương quốc Bỉ Các thông số cơ học của tấm sợi các-bon và keo dán được trình bày chi tiết trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2: Thông số cơ học của keo dán và tấm CFRP
Keo dán a CFRP f imp,u E imp t f a f ffu E f a fu
(MPa) ( MPa×10 3 ) (mm) (MPa) (MPa×10 3 ) (%)
Ghi chú: a Giá trị được cung cấp bởi nhà sản xuất; Mean là giá trị trung bình và COV là hệ số biến thiên
Hình 2.1: Tấm sợi các-bon
Mẫu cột thí nghiệm
Mẫu cột được chọn là cột ngắn nhằm loại bỏ ảnh hưởng của yếu tố độ mảnh Tỷ số chiều cao cột trên chiều rộng mặt cắt được lựa chọn là l u /b = 4 và tỷ số kl u /r
