GIỚI THIỆU
Kết cấu BTCT bị cháy
Hỏa hoạn không chỉ gây thiệt hại về người mà còn làm hư hại ở các mức độ khác nhau đối với công trình xây dựng nói chung và công trình sử dụng kết cấu BTCT nói riêng, như vụ cháy chung cư Carina ở Việt Nam vào ngày 23/3/2018, cháy nhà thờ Đức Bà tại Pháp vào ngày 15/4/2019, v.v Nguy hiểm hơn, hỏa hoạn còn làm sập các công trình như vụ hỏa hoạn làm sập tòa nhà Plasco 16 tầng tại Iran (Hình 1.1) [1] [2]
Hình 1.1 Tòa nhà Plasco bị cháy và sụp đổ [1] [2]
Một trong những phương pháp đánh giá kết cấu BTCT bị cháy là khảo sát công trình cháy thực tế Đánh giá hư hại đối với những kết cấu bị cháy trong thực tế sẽ cung cấp những bài học và thông tin kỹ thuật có giá trị Với phương pháp này, Ada và cộng sự [3] [4] đã thực hiện hai công trình nghiên cứu đánh giá hư hại kết cấu BTCT bị cháy (Hình 1.2) Bên cạnh đó, các phương pháp phá hủy và không phá hủy cũng đã được dùng để đánh giá hư hại của kết cấu BTCT bị cháy [5] [6]
Hình 1.2 Kết cấu BTCT bị cháy và biến dạng [3]
FRP có cường độ chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, độ bền, khả năng chống chịu môi trường, khả năng cách nhiệt, và chống ăn mòn tốt Vật liệu FRP làm việc đàn hồi tuyến tính cho đến khi bị phá hoại Gần đây, giá thành FRP giảm cùng với sự phát triển các dạng FRP mới và tiên tiến hơn, đã tạo động lực thúc đẩy nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng FRP trong lĩnh vực xây dựng Đó là những yếu tố chính giúp vật liệu FRP phổ biến hơn trong ngành xây dựng [7] Với nhu cầu ngày càng cao trong việc sửa chữa, cải tạo, và nâng cấp các công trình xây dựng, FRP đã trở thành vật liệu được ưu tiên lựa chọn để gia cường kết cấu nói chung và kết cấu BTCT nói riêng bởi vì vật liệu FRP dễ sử dụng, thân thiện với môi trường, thi công nhanh chóng, không ảnh hưởng đến không gian và công năng kiến trúc, không tăng thêm tải trọng cho kết cấu khi so sánh với các vật liệu gia cường thông thường bằng thép hay BTCT
Lý do chọn đề tài
Xã hội hiện đại đòi hỏi các công trình xây dựng phải tích hợp nhiều hệ thống để phục vụ các tiện ích cuộc sống Mặc dù an toàn cháy nổ ngày càng được quan tâm hơn nhưng số vụ hỏa hoạn xảy ra lại ngày càng nhiều Xuất phát từ nhu cầu này, ứng xử của các kết cấu công trình bị cháy cần được hiểu biết sâu rộng hơn Tuy nhiên, các nghiên cứu về kết cấu BTCT bị cháy còn hạn chế Ngược lại, tác động của hỏa hoạn đến công trình thì rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Các tiêu chuẩn hiện hành còn thiếu những quy định chi tiết cho thiết kế kết cấu BTCT chịu lửa
Nhằm tránh lãng phí cho xã hội và góp phần bảo vệ môi trường trong việc phá dỡ, xây mới công trình xây dựng Việc sửa chữa nâng cấp kết cấu BTCT bị cháy là bài toán đặt ra đối với công trình bị hỏa hoạn Hiện nay, gia cường FRP để sửa chữa kết cấu bị xuống cấp ở điều kiện nhiệt độ bình thường thì rất nhiều Tuy nhiên, các nghiên cứu về gia cường FRP cho các cấu kiện BTCT bị cháy còn khá hạn chế Nhiều vấn đề vẫn còn bỏ ngõ và cần được nghiên cứu thêm
Do đó, đề tài “Gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy” nhằm góp phần làm sáng tỏ các vấn đề nêu trên
Sự cần thiết, ý nghĩa khoa học, và thực tiễn
Hỏa hoạn làm giảm khả năng chịu tải của các cấu kiện BTCT, làm các kết cấu bị cháy có thể hư hại ở các mức độ khác nhau, và có thể sụp đổ Những công trình này nằm giữa hai giải pháp: 1) phá dỡ và thay thế thành công trình mới; và 2) gia cường Giải pháp thứ nhất là rất tốn kém, trong khi giải pháp thứ hai tiết kiệm và thường là giải pháp được chọn Việc gia cường làm tăng cường độ của kết cấu là cần thiết nhằm đáp ứng khả năng chịu tải theo thiết kế ban đầu FRP là vật liệu thích hợp cho việc gia cường các kết cấu nói chung và kết cấu bị cháy nói riêng Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết, nhằm cung cấp những thông tin kỹ thuật cần thiết cho các kỹ sư thiết kế gia cường kết cấu bị cháy Đồng thời, giải quyết được các vấn đề còn tồn tại sẽ giúp hiểu sâu hơn về sự làm việc của kết cấu BTCT bị cháy gia cường bằng FRP, như đã được cộng đồng khoa học khuyến khích nghiên cứu [8] [9] [10] [11] [12] Đây là vấn đề mà luận án hướng đến giải quyết
Hỏa hoạn có tác động tiêu cực đến kết cấu BTCT Hơn nữa, sự làm việc chung của FRP gia cường và kết cấu BTCT bị cháy còn nhiều vấn đề vẫn chưa được nghiên cứu làm sáng tỏ Sự hiểu biết sâu rộng hơn về vấn đề này là động lực thúc đẩy để thực hiện các công trình nghiên cứu Vấn đề này kết hợp với sự cần thiết, ý nghĩa khoa học, và thực tiễn trong mục 1.2 dẫn đến hướng nghiên cứu của luận án này là đánh giá và gia cường FRP dầm BTCT bị cháy Để đạt được mục tiêu này, cả phương pháp thực nghiệm và phương pháp lý thuyết đồng thời được sử dụng Cụ thể như sau:
Phương pháp thực nghiệm được thực hiện với 51 dầm BTCT chia làm 4 giai đoạn Các dầm được thí nghiệm cháy với thời gian cháy khác nhau Sau đó, một số dầm BTCT bị cháy được gia cường bằng FRP với các cấu hình khác nhau Sau khi gia cường, toàn bộ các dầm này được gia tải đến khi phá hoại Kết quả thí nghiệm được phân tích nhằm đánh giá ứng xử và các đặc trưng cơ học của dầm BTCT bị cháy không có và có gia cường FRP
Phương pháp lý thuyết được nghiên cứu xây dựng và đề xuất các mô hình tính khả năng chịu tải của dầm BTCT bị cháy không có và có gia cường FRP Các mô hình này sử dụng thông tin hạn chế thu được từ các vụ cháy thực Kết quả thu được từ mô
4 hình này khá phù hợp với kết quả thực nghiệm Tính thực tế và độ chính xác hợp lý của mô hình đề xuất sẽ là công cụ hữu ích giúp các kỹ sư trong việc đánh giá kết cấu BTCT bị cháy
Mục tiêu cụ thể chia thành 4 giai đoạn nghiên cứu (Hình 1.3) như sau:
Giai đoạn 1 nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm BTCT bị cháy
Giai đoạn 2 nghiên cứu gia cường NSM GFRP cho dầm BTCT bị cháy
Giai đoạn 3 nghiên cứu gia cường EB và NSM CFRP cho dầm BTCT bị cháy
Giai đoạn 4 nghiên cứu gia cường EB CFRP có sử dụng U-wrap cho dầm BTCT bị cháy
Hình 1.3 Lưu đồ quy trình nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận án là dầm BTCT bị cháy không có và có gia cường FRP theo kỹ thuật EB và NSM
Luận án này gồm 7 chương Chương 1 giới thiệu khái quát về kết cấu BTCT bị cháy và việc sử dụng FRP trong gia cường kết cấu Trong chương này, sự cần thiết, ý nghĩa khoa học, thực tiễn, các mục tiêu, và phạm vi nghiên cứu của luận án được trình bày Chương
2 nghiên cứu tổng quan về dầm BTCT bị cháy, kỹ thuật gia cường FRP, và gia cường dầm BTCT bị cháy Chương 3 trình bày chương trình thí nghiệm dầm BTCT bị cháy không có và có gia cường FRP Kết quả thí nghiệm dầm BTCT bị cháy không gia cường FRP được sử dụng phân tích và thảo luận trong chương 4 Chương 5 trình bày kết quả phân tích thí nghiệm và thảo luận gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy với các cấu hình khác nhau Sau đó, các mô hình lý thuyết để tính toán khả năng chịu tải của dầm BTCT không có và có gia cường FRP được xây dựng và trình bày ở chương 6 Cuối cùng, chương 7 trình bày các kết luận, những đóng góp mới, và kiến nghị
TỔNG QUAN
Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về dầm BTCT bị cháy, kỹ thuật gia cường FRP, và gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy Mục 2.1 trình bày các nghiên cứu về dầm BTCT bị cháy Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật gia cường FRP được trình bày trong mục 2.2 Tiếp theo, mục 2.3 trình bày các nghiên cứu về gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy Phần nhận xét và kết luận được trình bày ở cuối chương
Tổng quan về dầm BTCT bị cháy
Những tác động của lửa lên kết cấu BTCT đã được nghiên cứu ở nhiều mức độ khác nhau Các nghiên cứu cho kết cấu khung BTCT đã được thực hiện bởi một số tác giả như Sharma và cộng sự [12], El-Fitiany và Youssef [13], Shah và cộng sự [14] Đối với cột BTCT bị cháy, các công trình nghiên cứu của các tác giả đã được công bố như Demir và cộng sự [8], Shah và Sharma [10], Eamon và Jensen [15], Chen và cộng sự [16], Jau và Huang [17] Tổng quan về dầm BTCT bị cháy được trình bày chi tiết sau đây
Năm 2013, Gao và cộng sự [9] trình bày một mô hình FE 3D để dự đoán ứng xử cơ nhiệt của dầm BTCT bị cháy Mô hình này có kể đến ứng xử liên kết trượt của bề mặt cốt thép và BT Kết quả này được so sánh với dữ liệu thực nghiệm đã được công bố để kiểm tra độ chính xác của mô hình Nhận thấy rằng kết quả của ứng xử bề mặt thép và BT dẫn đến các dự đoán chính xác hơn về độ võng của dầm BTCT bị cháy Các dự đoán từ mô hình này cũng cho phép kiểm tra chi tiết sự phân bố của ứng suất trong cốt thép và BT, dẫn đến hiểu rõ hơn về các phản ứng của dầm BTCT khi bị cháy Mô hình FE được trình bày trong bài báo có thể được sử dụng trực tiếp trong thiết kế dựa trên tính năng (performance-based design) của dầm BTCT bị cháy Mô hình này cũng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu tham số nhằm phát triển các nguyên tắc thiết kế đơn giản
Vào năm 2019, Thongchom và cộng sự [18] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng khai thác lên khả năng chịu uốn của dầm BTCT tiết diện chữ T bị cháy Hai dầm bị cháy đồng thời tác dụng tải không đổi bằng 22,6% độ bền uốn, trong khi một dầm còn lại bị cháy mà không chịu tải để làm dầm đối chứng Kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ cốt thép và khả năng chịu tải nhiệt độ của dầm BTCT không bị ảnh hưởng đáng kể bởi tải trọng tác
7 dụng đồng thời khi cháy Thời gian chịu lửa dựa trên nhiệt độ của cốt thép ít hơn dựa trên độ võng của dầm Cháy làm giảm độ cứng và độ dẻo (ductility) nhiều hơn cường độ
Sau đó một năm, Cai và cộng sự [19] đã thực hiện phân tích FE sử dụng phần mềm Abaqus và phân tích phương pháp số sử dụng mô hình sợi để ước tính khả năng chịu tải của dầm BTCT bị cháy Kết quả đã khẳng định vai trò quan trọng của chiều dày lớp BT bảo vệ, hàm lượng cốt thép dọc, thời gian cháy, và mặt bị cháy đối với khả năng chịu lửa của dầm BTCT Trong năm này, Cai và cộng sự [20] cũng đã đề xuất mô hình dự đoán khả năng chịu uốn của dầm BTCT bị cháy bằng kỹ thuật AI Mô hình này đã cung cấp một cỏch tiếp cận mới cho thiết kế thực hành Cựng năm này, Akca và ệzyurt [21] đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng dầm BTCT bị cháy như làm nguội, xử lý lại, bảo dưỡng trong nước, và bảo dưỡng ở môi trường tự nhiên Với mong muốn phục hồi các đặc tính cơ học của dầm BTCT bị cháy Kết quả chỉ ra rằng các điều kiện bảo dưỡng sau cháy đã phục hồi đáng kể sự giảm độ cứng
Năm 2021, Tariq và cộng sự [22] [23] đã có 2 công trình nghiên cứu ứng xử uốn của dầm BTCT ăn mòn bị cháy Đầu tiên dầm BTCT được làm ăn mòn bằng phương pháp điện phân để đạt được mức ăn mòn tổn thất khối lượng 4% và 8% Những dầm này sau đó bị cháy ở 400°C và 600°C, và cuối cùng gia tải đến phá hoại Kết quả chỉ ra rằng tổ hợp ăn mòncháytải trọng đã làm giảm đáng kể cường độ và khả năng chịu uốn Độ cứng giảm tới 50%, đây là mức giảm cao nhất so với các thông số khác Esfahani và cộng sự [24] đã nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm BTCT đã bị hư hỏng và sau đó bị cháy Thí nghiệm uốn ba điểm trên 15 dầm, có ba mức độ hư hỏng từ trước và tiếp xúc với nhiệt độ phòng, nhiệt độ 200°C, 400°C, 600°C, và 800°C Sự thay đổi của hình dạng vết nứt, cấu trúc BT, chiều rộng vết nứt, và đường cong tải trọng độ võng đã được kiểm tra Kết quả cho thấy cả nhiệt độ cao và hư hỏng trước đó đều ảnh hưởng đáng kể đến sự bắt đầu nứt của BT và chiều rộng vết nứt tối đa, làm giảm khả năng chịu uốn của dầm Độ cứng ban đầu giảm tối đa là 58% Khả năng chịu uốn còn lại giảm tới 30% sau khi bị cháy Ảnh hưởng của các vết nứt trước đó có ý nghĩa lớn trong tỷ lệ giảm độ dẻo khi bị cháy cao hơn so với các thông số khác Sự giảm độ dẻo của các dầm không có và có hư hỏng từ trước lần lượt là 55% và 77% Liu và cộng sự
8 [25] đã nghiên cứu thực nghiệm và dùng phần mềm ANSYS phân tích ảnh hưởng của ba cấp độ tải được áp dụng trong quá trình thí nghiệm chịu lửa (không tải, chịu tải mà không làm nứt BT, và điều kiện sử dụng bình thường) và thời gian cháy tác dụng lên khả năng chịu uốn của dầm BTCT tiết diện chữ T Kết quả cho thấy rằng sự gia tăng tải trọng và khoảng thời gian cháy làm tăng đáng kể nhiệt độ của cốt thép và BT, làm tăng độ võng, và giảm khả năng chịu tải
Cũng trong nằm này, Sharma và cộng sự [26] đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về ảnh hưởng của đoạn nối cốt thép tại vị trí nguy hiểm lên khả năng ứng xử của dầm BTCT bị cháy Kết quả những dầm này bị suy giảm khả năng chịu tải hơn so với dầm đối chứng Ngoài ra, dạng phá hoại là bong tách BT tại mối nối cốt thép Tonidis và cộng sự [27] đã sử dụng phương pháp số để mô phỏng vị trí nối cốt thép trong dầm BTCT bị cháy Kết quả chỉ ra rằng đối với các vị trí có đoạn nối cốt thép tại vị trí nguy hiểm thì việc tăng lớp BT bảo vệ cũng sẽ không cải thiện được khả năng chịu tải Cuối cùng, một phương pháp đơn giản thiết kế nối cốt thép cho dầm BTCT bị cháy được đề xuất Gedam [28] đã đề xuất một phương pháp thiết kế chống cháy cho dầm BTCT bị cháy bằng cách sử dụng một mô hình truyền nhiệt đơn giản Kết quả chỉ ra rằng lớp BT bảo vệ và loại cốt liệu đóng vai trò quan trọng trong khả năng chống cháy của dầm BTCT Ngoài ra, khả năng chống cháy của dầm BTCT bị ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng phá hoại Xét đến thông tin rất hạn chế thu được từ các sự kiện cháy thực, Kodur và Agrawal [29] đã đề xuất một phương pháp năm bước để dự đoán cường độ còn lại của BT bị cháy, trong đó việc kiểm tra hư hỏng bằng mắt của các thành phần kết cấu cũng đóng vai trò quan trọng Ở Việt Nam, các nghiên cứu về kết cấu BTCT bị cháy còn hạn chế và nghiên cứu riêng cho cấu kiện dầm BTCT thì còn hạn chế hơn Vào năm 2010, Dương và Giang [30] đã khảo sát hư hỏng kết cấu BTCT bị cháy Kết quả chỉ ra rằng cường độ chịu nén của BT giảm, mô đun đàn hồi của BT và cốt thép giảm Sự bong tróc trên bề mặt BT do cháy ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của kết cấu Sau đó vào năm 2017, Giang [31] đã nghiên cứu phương pháp gán tải nhiệt độ vào mô hình tính toán khả năng chịu lửa được đánh giá bằng thí nghiệm dầm bị cháy theo tiêu chuẩn ISO 834 [32] Việc phân tích bằng phương pháp FE với hai cách gán tải nhiệt (gán vào phần tử hiệu ứng bề mặt và
9 gán trực tiếp vào các nút) lên dầm có đặt sẵn các cụm dây đo nhiệt Kết quả cho thấy cách gán tải nhiệt trực tiếp vào các nút sẽ cho kết quả gần với số liệu đo của thực nghiệm Năm 2019, Thắng và Trung [33] đã phân tích sự suy giảm khả năng chịu uốn của dầm BTCT bị cháy Kết quả cho thấy hệ số suy giảm của dầm BTCT ở nhiệt độ cao tỷ lệ thuận với kích thước tiết diện và khoảng cách từ mặt BT tới trọng tâm cốt thép dọc, nhưng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi cường độ chịu nén của BT
Tổng quan về gia cường FRP
Hình 2.1 mô tả thành phần vật liệu FRP, gồm các sợi có cường độ chịu kéo cao trong nền polyme Nền polyme gồm epoxy, vinylester, hay polyester, nhưng phổ biến nhất là epoxy Nền polyme thường cứng nhưng giòn, được trộn với vật liệu sợi có khả năng chịu kéo cao để tạo ra vật liệu có độ bền cơ học và độ đàn hồi lớn Ngày nay, các loại sợi này thường được làm từ carbon, thủy tinh, aramid, hoặc basalt [34] Tính chất của vật liệu FRP chủ yếu được xác định bởi tính chất cơ học của sợi Các FRP được chia thành CFRP, GFRP, AFRP, và BFRP Các đặc tính của FRP được trình bày trong Bảng 2.1 và Hình 2.2
Bảng 2.1 Đặc trưng cơ học của FRP Đặc trưng CFRP [35] GFRP [35] AFRP [35] BFRP [36] Cường độ kéo, f f (MPa) 6003000 4001600 6002500 1293-1401
Mô đun đàn hồi, E f (GPa) 80500 3060 30125 48,9
Biến dạng tới hạn, ε fu (%) 0,51,8 1,23,7 1,84,0 3,1
Hình 2.1 Mô tả các thành phần FRP [37]
(a) Các sợi (b) Nền polyme (c) FRP
Biến dạng (%) Hình 2.2 Quan hệ ứng suất–biến dạng của FRP [38] Đặc điểm của các loại FRP được mô tả như sau:
CFRP có cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi cao hơn so với các vật liệu FRP còn lại Chúng là loại FRP được sử dụng rộng rãi CFRP có các quy cách như tấm (sheet), tấm dày (laminate), thanh (bar), thanh trơn (rod), thanh dẹp (strip), lưới (grid) Dạng tấm CFRP là khá phổ biến trong số các loại CFRP;
GFRP có mô đun đàn hồi và giá thành thấp nhất so với các loại FRP khác GFRP có hai loại: loại E và loại S GFRP dạng thanh là phổ biến nhất trong số các dạng thanh của FRP khác;
AFRP có độ bền cao Tuy nhiên, việc sử dụng chúng bị hạn chế bởi cường độ bị giảm theo thời gian, cũng như độ nhạy cao với bức xạ UV Bên cạnh đó, AFRP khó cắt và xử lý;
BFRP có khả năng chống chịu nhiệt độ cao tốt, cường độ kéo cao, cũng như độ bền tốt Các ưu điểm khác là khả năng chống axit cao, đặc tính điện từ vượt trội, chống ăn mòn, chống bức xạ và tia UV, chống rung tốt Chúng ít được sử dụng trong thực tế do khó sản xuất thành các sợi, tấm
Kỹ thuật EB (Kỹ thuật dán ngoài)
CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
Vật liệu và mẫu thí nghiệm
Thành phần cấp phối tiêu biểu của 1 m 3 hỗn hợp BT được thể hiện trong Bảng 3.1 Trong quá trình đúc mẫu, 3 mẫu trụ tiêu chuẩn với kích thước D × H = 150 × 300 mm được lấy và thí nghiệm Tại 28 ngày tuổi, cường độ chịu nén f c ' của các mẫu dầm thí nghiệm được thể hiện trong các Bảng 3.2Bảng 3.5
Bảng 3.1 Cấp phối tiêu biểu cho 1 m 3 hỗn hợp BT
Thành phần vật liệu Đơn vị Khối lượng
Cốt liệu thô, Dmax = 25 mm m 3 0,828
Thép dọc và thép đai lần lượt là thanh vằn D14 và thanh trơn D6 Chuẩn bị 3 mẫu thép D14 và 3 mẫu thép D6 để thí nghiệm kéo Giá trị cường độ chảy f y và cường độ bền f u của cốt thép dọc, cốt thép đai cho mỗi mẫu dầm thí nghiệm cũng được thể hiện trong các Bảng 3.2Bảng 3.5
GFRP có mô đun đàn hồi và giá thành thấp hơn so với các loại FRP khác Dạng thanh GFRP là phổ biến nhất trong số các thanh của FRP khác, do sự kết hợp của giá thành tương đối thấp với khả năng chống chịu với môi trường như đã nói ở mục 2.2.1 So với các FRP khác như CFRP, GFRP cung cấp biến dạng lớn hơn vì mô đun thấp hơn Trong luận án này, thanh GFRP D10 với đường kính ngoài 10 mm được sử dụng cho gia cường NSM ở thí nghiệm giai đoạn 2 Đặc tính và diện tích mặt cắt ngang thực của GFRP được xác định dựa trên tiêu chuẩn ASTM D7205/D7205M-21 [91] Diện tích mặt cắt ngang thực được xác định bằng thí nghiệm nhúng (immersion testing) dùng 5 đoạn GFRP (Hình 3.1) Giá trị trung bình diện tích mặt cắt ngang thực và đường kính thực lần lượt là 56,36 mm 2 và 8,47 mm Những giá trị này sẽ được dùng để tính ứng suất kéo Năm mẫu GFRP này được lấy để thí nghiệm cường độ chịu kéo dựa trên tiêu chuẩn ASTM
28 D7205/D7205M-21 [91] Hình 3.1c thể hiện hình ảnh phá hoại của 5 mẫu GFRP sau thí nghiệm kéo Giá trị trung bình cường độ chịu kéo tới hạn của GFRP là 807,8 MPa với COV là 5,3%
(a) Thí nghiệm nhúng (b) Trước thí nghiệm kéo (c) Sau thí nghiệm kéo
Hình 3.1 Thí nghiệm nhúng và kéo các mẫu thanh GFRP
CFRP có đặc tính cơ học tốt nhất trong số các vật liệu FRP khác và là loại được sử dụng khá rộng rãi Hiện nay, dạng tấm CFRP là phổ biến nhất trong số các loại CFRP được sản xuất, do giá thành rẻ và dễ thi công Trong luận án này, tấm CFRP được sử dụng để gia cường các dầm BTCT bị cháy trong các thí nghiệm giai đoạn 3 và 4 Tấm CFRP được chọn có độ dày 0,131 mm Hình 3.2a và b lần lượt mô tả 6 mẫu CFRP trước và sau khi thí nghiệm theo ASTM D7205/D7205M-21 [91] Cường độ chịu kéo trung bình, độ lệch chuẩn, và COV lần lượt là 2825,6 MPa, 212,5 MPa, và 7,5%
(a) Trước thí nghiệm kéo (b) Sau thí nghiệm kéo
Hình 3.2 Thí nghiệm kéo các mẫu tấm CFRP
Keo epoxy 2 thành phần có tên thương mại TCK-510 được sử dụng để gia cường FRP Keo này có mô đun đàn hồi là 2,76 GPa, cường độ chịu kéo là 40,08 MPa, và cường độ chịu nén là 128 MPa (được cung cấp bởi nhà sản xuất)
Hình 3.3 mô tả mẫu thí nghiệm dầm được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318-19 [92] Chiều dài dầm là 1800 mm, chiều rộng và chiều cao của tiết diện lần lượt là 150 mm và
200 mm Bốn thanh D14 được dùng làm cốt dọc Khoảng cách của cốt đai D6 là 100 mm Chiều dày lớp BT bảo vệ là 25 mm được tính đến tâm của cốt đai D6.Hình 3.4 mô tả các dầm sau khi chế tạo xong, tên của dầm được viết cố định ở mỗi đầu dầm và nhãn tên được gắn tạm thời vào dầm để chụp ảnh
(b) Mặt cắt A-A Hình 3.3 Bản vẽ dầm BTCT thí nghiệm (đơn vị: mm)
(a) 15 dầm BTCT giai đoạn 1 (b) 9 dầm BTCT giai đoạn 2
(c) 16 dầm BTCT giai đoạn 3 (d) 11 dầm BTCT giai đoạn 4
Hình 3.4 Dầm BTCT trước khi thí nghiệm
30 Giai đoạn 2 thực hiện trên 9 dầm BTCT bị cháy, sau đó gia cường NSM bằng thanh GFRP Bảng 3.3 thể hiện 9 dầm BTCT có tên từ B1B9 được phân loại thành ba nhóm
A, B, và C Nhóm A bao gồm dầm B1 không bị cháy và không gia cường để làm dầm đối chứng Nhóm B bao gồm bốn dầm B2B5 bị cháy 30 phút Nhóm C bao gồm bốn dầm B6B9 bị cháy 60 phút Sau khi bị cháy, trong mỗi nhóm có 1 dầm không gia cường, trong khi 3 dầm còn lại gia cường NSM GFRP với ba cấu hình khác nhau, sẽ được trình bày chi tiết trong mục 3.3.1 Hình 3.4b thể hiện 9 dầm trước khi thí nghiệm giai đoạn 2 với tên nhãn được gắn trên dầm
Giai đoạn 3 thí nghiệm trên 16 dầm BTCT bị cháy, sau đó dùng tấm CFRP để gia cường bằng kỹ thuật EB và NSM Bảng 3.4 mô tả thời gian cháy và các dầm gia cường Thời gian cháy đã chia các dầm thành 4 nhóm B-30, B-45, B-60, và B-75 Hình 3.4c thể hiện
16 dầm BTCT trước khi thí nghiệm với tên nhãn được gắn trên dầm Cấu trúc của nhãn là “B-t-Ri”, trong đó B biểu thị cho dầm; t là khoảng thời gian cháy 30, 45, 60, và 75 phút; R biểu thị cho cấu hình gia cường; và i = 1, 2, 3, 4 là bốn cấu hình gia cường CFRP sẽ được trình bày trong mục 3.3.2
Giai đoạn 4 thí nghiệm gia cường EB CFRP có sử dụng U-wrap cho dầm BTCT bị cháy Hình 3.4d mô tả 11 dầm BTCT trước khi thí nghiệm với tên nhãn được gắn trên dầm Cấu trúc của nhãn tên là “Bt-Ui”, trong đó B biểu thị cho dầm, t là khoảng thời gian cháy 30 và 60 phút, U biểu thị cho U-wrap và i = 1, 2, 3, và 4 là số cặp U-wrap CFRP được dán ở mỗi nửa bên dầm Bảng 3.5 cho thấy chi tiết các dầm BTCT thử nghiệm với tên dầm, thời gian cháy, và tên cấu hình gia cường CFRP Bốn cấu hình gia cường U1, U2, U3, và U4, được trình bày trong mục 3.3.3 Để thuận tiện, bốn dầm bị cháy sau khi được gia cường thuộc nhóm B30 và B60 có thể được phân nhóm phụ lần lượt tên là B30-U và B60-U
Bảng 3.2 Dầm BTCT bị cháy không gia cường thí nghiệm giai đoạn 1
Cốt thép dọc D14 Cốt thép đai D6
Cốt thép dọc D14 Cốt thép đai D6
Bảng 3.3 Dầm BTCT bị cháy gia cường GFRP thí nghiệm giai đoạn 2
Cốt thép dọc D14 Cốt thép đai D6
Bảng 3.4 Dầm BTCT bị cháy gia cường CFRP thí nghiệm giai đoạn 3
Cốt thép dọc D14 Cốt thép đai D6
Bảng 3.5 Dầm BTCT bị cháy gia cường CFRP có U-wrap thí nghiệm giai đoạn 4
Cốt thép dọc D14 Cốt thép đai D6
Cốt thép dọc D14 Cốt thép đai D6
Hình 3.5 thể hiện lò thí nghiệm cháy Lò được cấu tạo gồm một đầu đốt dầu, một kết cấu khung thép, gạch chịu nhiệt được xây bên trong, hai nắp được sử dụng để đóng mở lò, một ống xả, và một hệ thống cảm biến nhiệt độ loại K (can nhiệt K) Những lớp bông cách nhiệt dày được đặt chèn giữa các mối nối bề mặt để chống mất nhiệt Khả năng của hệ thống cảm biến nhiệt là 1200 0 C Hình 3.5a mô tả dầm đã được đặt trong lò để chuẩn bị thí nghiệm cháy Các dầm được thí nghiệm cháy vào khoảng ít nhất bốn tuần sau 28 ngày chế tạo dầm Tất cả thí nghiệm cháy được tiến hành riêng lẻ cho từng dầm vào ban đêm (mỗi dầm một đêm) Ban đêm được chọn để thí nghiệm cháy vì ban đêm luôn dễ dàng nhìn thấy và kiểm soát đám cháy hơn so với ban ngày Do đó, an toàn cháy của các thí nghiệm được kiểm soát tốt hơn Sau khi đặt dầm vào lò, hai nắp lò sẽ được đậy kín và khởi động lò Đầu cháy dầu bao gồm một nút điều chỉnh, được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng dầu phun vào lò, để nhiệt độ trong lò có thể đi theo đường cong ISO
834 [32] dự định trong quá trình thí nghiệm Nhiệt độ được ghi lại với khoảng thời gian 15s trong quá trình thí nghiệm cháy
Hình 3.5 Lò thí nghiệm cháy
34 Hình 3.6a mô tả ví dụ về một dầm trong lò để thí nghiệm cháy Hình 3.6b hiển thị một dầm trong lò sau khi thí nghiệm cháy để so sánh với dầm trước khi cháy (Hình 3.6a)
PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT
Cường độ của BT và cốt thép
Lửa làm giảm đáng kể cường độ của vật liệu BT [95] Khi bị cháy, mức độ suy giảm cường độ của BT phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và thời gian cháy [96] Theo tiêu chuẩn Eurocode 2, EN 1992-1-2:2004 [96] đề xuất 2 phương pháp xác định cường độ suy giảm của BT: Phương pháp cường độ suy giảm ( f cT ) của BT bị cháy được tính toán bằng một hệ số suy giảm k c theo công thức (6.1) được giới thiệu ở mục 4.2.4 [96]; Phương pháp đẳng nhiệt 500°C (tiết diện suy giảm) giới thiệu ở mục 4.2.3 và ANNEX B.1 [96] bằng cách sử dụng đường đẳng nhiệt 500°C Dựa trên quan điểm, nhiệt độ trên 500°C thì cường độ BT bằng 0, nhiệt độ dưới 500°C thì cường độ BT được lấy như cường độ ở nhiệt độ bình thường, theo công thức (6.2) Luận án này chọn phương pháp đẳng nhiệt 500°C để sử dụng cT c c f k f , trong đó 0 k c 1 (6.1)
Khi cấu kiện BTCT bị cháy thì cường độ cốt thép càng giảm khi nhiệt độ càng tăng Theo tiêu chuẩn Eurocode 2, EN 1992-1-2:2004 [96] kiến nghị, hệ số suy giảm k f cho cường độ của cốt thép khi tính toán cấu kiện BTCT bị cháy Sau khi bị cháy, nhiệt độ của cốt thép giảm xuống bằng nhiệt độ môi trường xung quanh và cường độ của cốt thép được phục hồi lại Dựa trên dữ liệu thí nghiệm của thép tiếp xúc nhiệt độ rồi sau đó làm nguội của Lee [97] đã xác nhận rằng cường độ cốt thép không giảm khi nhiệt độ của thép dưới 700°C Bên cạnh đó, nhiệt độ của cốt thép trong dầm BTCT rõ ràng là thấp hơn nhiều vì thép được bao bọc bởi BT, so với nhiệt độ của thép khi cháy trực tiếp Để đơn giản hóa, độ bền của thép có thể là được cho là phục hồi hoàn toàn về cường độ ban đầu Do đó, trong luận án này sẽ dùng k f = 1
Phân bố nhiệt độ trong tiết diện BTCT
Eurocode 2, EN 1992-1-2 [96] và ACI 216.1-14 [98] cung cấp mẫu đường viền nhiệt độ cho một vài tiết diện dầm BTCT với thời gian cháy khác nhau để phục vụ cho thiết kế chống cháy Tuy nhiên, tiết diện mẫu trong các tiêu chuẩn không giống với tiết diện dầm thiết kế mẫu thớ nghiệm Hỡnh 3.3 trong luận ỏn này Do đú, mụ hỡnh Wickstrửm [99] và Desai [100] là hai mô hình phân bố nhiệt độ trên tiết diện đã được lựa chọn để sử dụng trong nghiên cứu này Các thông số trong hai mô hình này chỉ bao gồm thời gian cháy và kích thước tiết diện Điều này, thích hợp để sử dụng thực tế bởi vì thời gian cháy có thể dễ dàng thu được trong khi nhiệt độ không thể đo được trong các sự kiện cháy thực
Theo mụ hỡnh Wickstrửm [99], khoảng cỏch từ đường đẳng nhiệt 500°C ra ngoài biờn mặt cắt tiết diện, x 500 (m) được tính bằng công thức (6.3), theo khuyến nghị của Purkiss và Li [101] Trong công thức (6.3), α r là tỷ số của độ khuếch tán nhiệt chia cho giá trị tham chiếu 0,41710 -6 m 2 /s [102]; t w (h) là thời gian bị cháy, n w là tỷ số giữa nhiệt độ bề mặt với nhiệt độ BT, được tính theo công thức (6.4); và T (C) là nhiệt độ bên trong lò nung, được xác định dựa trên đường cong nhiệt độ thời gian ISO 834 [32], được tính theo công thức (6.5) Trong nghiên cứu này, độ khuếch tán nhiệt được khuyến nghị 0,417 10 -6 m 2 /s [101] đã được chọn; do đó α r = 1
Theo Mô hình Desai [100] công thức (6.6) diễn tả sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt tiết diện, từ công thức này giải phương trình bậc ba tìm x sẽ thu được x 500 Các tham số A,
B, C, và D được tính lần lượt bằng công thức (6.7)(6.10) Trong đó, t (phút) là thời
95 gian bị cháy; b là chiều rộng của tiết diện; h là chiều cao của tiết diện; r là tỷ số chiều cao tiết diện chia cho chiều rộng tiết diện r=h/b Các công thức này chỉ áp dụng được khi 100 mm < b < 300 mm và 1< r