Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén lệnh tâm

PGS TS Ngô Hữu Cường

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM vào ngày 13 tháng 7 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Đỗ Văn Vương 2 Thư ký: TS Liêu Xuân Quí

3 Phản biện 1: PGS TS Đào Đình Nhân 4 Phản biện 2: PGS TS Ngô Hữu Cường 5 Ủy viên: TS Nguyễn Hồng Ân

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Nguyễn Đỗ Văn Vương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN THANH LỘC MSHV: 1970676

Ngày, tháng, năm sinh: 08/12/1991 Nơi sinh: Bà Rịa_Vũng Tàu Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Đánh giá và kiểm chứng tính chính xác và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén có độ lệch tâm khác nhau

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :14/02/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 13/6/2023

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Minh Long

Tp HCM, ngày tháng năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS Nguyễn Minh Long

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này là một phần trong đề tài cấp Quốc Gia loại B: “PHỤC HỒI KHẢ NĂNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN BẰNG VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE (FRP)” Toàn bộ số

liệu và hình ảnh thí nghiệm sử dụng trong luận văn được lấy từ đề tài trên và được sự đồng ý của chủ nhiệm đề tài là PGS.TS Nguyễn Minh Long

Trước tiên, Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Long Thầy đã hướng dẫn tôi phương pháp tiếp cận nghiên cứu Thầy đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa Cao học vừa qua

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị em trong Phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã nhiệt tình hỗ trợ và giúp tôi hoàn thành nghiên cứu này một cách tốt nhất

Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô

Tp HCM, ngày 13 tháng 7 năm 2023

Nguyễn Thanh Lộc

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Việc sử dụng tấm Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) để phục hồi hoặc cải thiện khả năng chịu lực cho cột bê tông cốt thép (BTCT) có cốt thép bị ăn mòn do môi trường đã được nhiều nghiên cứu đề cập, tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở kiểu ứng xử nén đúng tâm 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 CFRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP, và tác động bất lợi đến khả năng chịu lực của cột Tuy nhiên, vẫn chưa thấy có một nghiên cứu nào đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm cho đến thời điểm hiện nay Đặc biệt, sự thiếu hụt về các số liệu nghiên cứu cho trường hợp cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP, gần như là nguyên nhân chính dẫn đến việc thiếu vắng hoàn toàn các điều khoản tính toán cụ thể dành cho loại cấu kiện quan trọng này, trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu dùng vật liệu CFRP hiện hành, cụ thể là ACI 440.2R (2017)

Nghiên cứu này khảo sát thực nghiệm trên 24 cột bê tông cốt thép có kích thước (200x200x800)mm, bố trí cốt thép dọc 4Φ16 và cốt thép đai Φ6, có cốt thép dọc và cốt thép đai bị ăn mòn theo các mức độ (loại A: Cốt thép không bị ăn mòn; Loại B:cốt đai bị ăn mòn 15%; Loại C: Cốt đai và cốt dọc bị ăn mòn 15%; Loại D: cốt đai bị ăn mòn 15% và cốt dọc bị ăn mòn 30%), được gia cường tấm CFRP với số lớp gia cường

khác nhau (0, 1 và 3 lớp) Được tiến hành nén lệch tâm với giá trị e=25mm (e/h=0.125) và e=75mm (e/h=0.375)

Đối với các nhóm cột có cốt thép bị ăn mòn, chịu nén lệch tâm, không được gia cường CFRP, thì kết quả từ thực nghiệm nhỏ hơn so với kết quả dự đoán từ tiêu chuẩn ACI

440.2R-17 hệ số an toàn (Safety Factor) SF <1 Trong khi với nhóm cột được gia cường CFRP, thì giúp hồi phục khả năng làm việc của cột, lúc này hệ số SF >1 Nhóm cột có độ lệch tâm e lớn, khi có số lớp gia cường càng lớn thì hiệu quả gia cường CFRP càng cao hơn so với cột có độ lệch tâm e nhỏ

ABSTRACT

The use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) panels to restore or improve the bearing capacity of reinforced concrete columns with reinforcement corroded by the environment has been mentioned by many studies, however, studies have only stopped at the right-centered compression behavior In fact, most columns in building structures have eccentric compression behavior Unlike centric compression columns, the phenomenon of uneven deformation of the reinforced CFRP mesh, due to the eccentric compression behavior of the column, reduces the effectiveness of the CFRP mesh's anti-expansion reinforcement, and has a negative impact on the load-bearing capacity of column However, there has not been any research that has mentioned the behavior of reinforced concrete columns with corroded steel reinforced with CFRP panels subjected to eccentric compressive loads until now In particular, the lack of research data for the case of reinforced concrete columns with corroded steel reinforced with CFRP panels is almost the main reason leading to the complete lack of specific calculation provisions for this important type of structure, in the current structural reinforcement design standards using CFRP materials, specifically ACI 440.2R (2017)

This study experimentally investigated on 24 reinforced concrete columns with dimensions (200x200x800)mm, arranged with 4Φ16 longitudinal reinforcement and Φ6 stirrup reinforcement, with longitudinal and stirrup reinforcement corroded according to different levels ( Type A: Non-corroded steel; Type B: 15% corroded stirrup; Type C: 15% corroded stirrup and longitudinal reinforcement; Type D: 15% corroded stirrup and corroded longitudinal reinforcement 30% wear), reinforced with CFRP panels with different numbers of reinforcement layers (0, 1 and 3 layers)

Eccentric compression was performed with values e=25mm (e/h=0.125) and

e=75mm (e/h=0.375)

For groups of columns with corroded reinforcement, subjected to eccentric compression, and not reinforced with CFRP, the experimental results are smaller than the predicted results from the ACI 440.2R-17 safety factor standard ( Safety Factor)

SF <1 While with the column group reinforced with CFRP, it helps to restore the

working capacity of the column, at this time the SF coefficient >1 In the group of columns with large eccentricity e, the greater the number of reinforcement layers, the

more effective the CFRP reinforcement is compared to columns with small

eccentricity e

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Long

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày 13 tháng 7 năm 2023

Nguyễn Thanh Lộc

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv

LỜI CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 5

2.1.1 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP 5

2.1.2 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP 6

2.1.3 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép 8

2.1.4 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép 10

2.2 CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 11

CHƯƠNG 3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 12

3.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 12

3.2 Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU 12

3.2.1 Ý nghĩa về khoa học 12

3.2.2 Ý nghĩa về thực tiễn 13

3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 15

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 16

4.1 VẬT LIỆU 16

4.3 QUI TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 22

4.3.1 Qui trình tạo ăn mòn, gia công và lắp cảm biến cho cốt thép 22

4.3.2 Tạo ván khuôn 23

4.3.3 Đổ bê tông và bảo dưỡng bê tông tới khi đạt cường độ 23

4.3.4 Công tác gia cường tấm CFRP cho cột 23

4.3.5 Sơ đồ, bố trí thiết bị và quy trình thí nghiệm 25

5.1.3 Cột có tiết diện khác hình tròn (vuông, chữ nhật) 33

5.1.4 Yêu cầu về điều kiện sử dụng 34

5.3 KẾT QUẢ KIỂM TRA 41

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 4-1 (a) bể chứa axit H2SO4 nồng độ 45%; (b) cốt thép bị ăn mòn 18

Hình 4-2 Cấu tạo mẫu cột thực nghiệm 20

Hình 4-3 Sơ đồ bố trí các chuyển vị kế của mẫu cột thí nghiệm 25

Hình 4-4 Sơ đồ lắp đặt cảm biến cho các mẫu cột 26

Hình 4-5 Mẫu cột thí nghiệm sau khi cân chỉnh hoàn tất 28

Hình 4-6 Mẫu sau khi bị phá hoại 28

Hình 5-1 Biểu đồ ứng suất biến dạng của cột bê tông cốt thép có và không có hiệu ứng bó hông [41] 29

Hình 5-2 Mô hình ứng suất biến dạng của cột bê tông có hiệu ứng bó hông bởi FRP [44] 31

Hình 5-3 Diện tích tiết diện mặt cắt hình tròn tương đương [44] 34

Hình 5-4 Biểu đồ tương tác 36

Hình 5-5 Sơ đồ tính toán biểu đồ tương tác P-M 39

Hình 5-6 Cách xác định hệ số an toàn SF (Safety Factor) trên biểu đồ P-M 42

Hình 5-7 Biểu đồ tương tác (P-M) của các cột có e =25mm (e/h =0.125) 43

Hình 5-8 Biểu đồ tương tác (P-M) của các cột có e =75mm (e/h =0.375) 44

Hình 5-9 Quan hệ giữa nhóm cột (A/B/C/D) và hệ số SF 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4-1 Cấp phối trộn bê tông thí nghiệm 16

Bảng 4-2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mẫu thép 17

Bảng 4-3 Thông số đặc tính cơ học của sợi CFRP 17

Bảng 4-4 Thông số đặc tính của keo 17

Bảng 4-5 Cách đặt tên và mô tả mẫu cột thực nghiệm 21

Bảng 5-1 Kết quả tổng hợp lực dọc P, moment M và hệ số an toàn SF của các cột 41

Bảng 0-1 Kết quả tính toán các điểm trên biểu đồ tương tác (P-M) cho 24 cột 63

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

(2017)

Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures (USA) CNR DT200R1

(2013)

Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures (Italy) TR55 (2012) Design guidance for stengthening concrete structures using fibre

composite materials, “Technical Report No 55 (TR55)” (UK) GNP Gross National Product “Tổng sản phẩm quốc gia”

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

COV Hiệp phương sai (Covariance)

CFF Sợi các bon hợp nhất (Carbon-Fiber Fusion) Re Cốt thép dọc (Reinforcement)

Str Cốt thép đai (Stirrup) Flex Chịu uốn (Flexure) Conf Chịu bó hông (Confine)

SF Hệ số an toàn (Safety factor)

fc Ứng suất chịu nén trong bê tông cột, MPa

f'c Cường độ chịu nén 28 ngày mẫu trụ của bê tông cột, MPa

fy Giới hạn chảy của cốt thép dọc, MPa

fyw Giới hạn chảy của cốt thép đai, MPa

fu Giới hạn bền của cốt thép dọc, MPa

fuw Giới hạn bền của cốt thép đai, MPa

ffu Cường độ kéo đứt của tấm FRP, MPa

ffe Ứng suất hữu hiệu của tấm FRP chịu kéo, MPa

fimp,u Cường độ kéo của keo, MPa

f Cường độ chịu kéo của cốt đai, MPa

Es Mô đun đàn hồi của cốt thép dọc, GPa

Esw Mô đun đàn hồi của cốt thép đai, GPa

Ec Mô-đun đàn hồi của bê tông, MPa

E Mô đun đàn hồi của CFRP, MPa

Eimp Mô-đun đàn hồi của keo, GPa

E2 Mô-đun dẻo của vật liệu bê tông được xác định từ đường cong ứng suất - biến dạng nén dọc trục của bê tông được bó hông bằng vật liệu FRP theo ACI 440.2R (2017), MPa

Rc Bán kính bo góc mẫu cột chữ nhật, mm

Pu Lực phá hủy của mẫu, kN

Py Cấp tải chuyển tiếp, mô tả sự chuyển tiếp rõ ràng từ ứng xử đàn hồi qua phi tuyến của cột, kN

δh Chuyển vị ngang của cột, mm

εfe Biến dạng kéo hữu hiệu của tấm CFRP tại trạng thái giới hạn bền, ‰

εfu Biến dạng kéo đứt của tấm CFRP, ‰

ψf Hệ số chiết giảm thành phần đóng góp của tấm CFRP theo ACI 440.2R (2017)

κa Hệ số kể đến hình dạng của tiết diện theo ACI 440.2R (2017)

κb Hệ số kể đến hình dạng của tiết diện trong tính toán biến dạng cực đại theo ACI 440.2R (2017)

κε Hệ số kể 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)

ρg Hàm lượng cốt thép dọc, %

β1 Hệ số phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông

P-M Biểu đồ tương tác giữa lực dọc và moment uốn

K0 Độ cứng trong giai đoạn đầu của cột, kN/mm

Pn Khả năng chịu nén dọc trục danh định của cột, kN

Mn Khả năng chịu uốn danh định của cột, kNm

MeMoment ứng với độ lệch tâm e, kNm

Mδh Moment ứng với chuyển vị ngang của cột, kNm

Ag Diện tích mặt cắt ngang của tiết diện, mm2

Ac Diện tích tiết diện bê tông, mm2

As Diện tích tiết diện cốt thép dọc, mm2

Asw Diện tích tiết diện cốt thép đai, mm2

Ae Diện tích bê tông bị bó hông, mm2

Af Diện tích mặt cắt ngang của tấm CFRP, mm2

n Số lớp CFRP gia cường, lớp b Bề rộng tiết diện cột, mm h Chiều cao tiết diện cột, mm D Đường kính tiết diện, mm

d Khoảng cách từ thớ chịu nén lớn nhất đến trọng tâm cốt thép chịu kéo, mm

df Khoảng cách từ thớ chịu nén lớn nhất đến trọng tâm tấm CFRP chịu kéo, mm

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện tượng han gỉ cốt thép chịu lực là một trong những nguyên nhân chính, quan trọng dẫn đến sự hư hỏng và tình trạng xuống cấp nhanh chóng của các cấu kiện, kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) và làm giảm mạnh tuổi thọ công trình, đặc biệt là các công trình ven sông, biển hoặc các công trình chịu tác động mạnh của các yếu tố xâm thực từ môi trường Trong đó, cấu kiện cột đặc biệt nhạy cảm với vấn đề ăn mòn do chúng trực tiếp và thường xuyên tiếp xúc với môi trường như vừa nêu Cốt thép bị han gỉ, thể tích của chúng tăng rất mạnh, tùy thuộc vào hình dạng gỉ [1] Hiện tượng này làm phát sinh các ứng suất kéo lớn trong vùng bê tông xung quanh cốt thép, tạo nên các vết nứt, làm giảm khả năng chịu lực, độ bền và tuổi thọ của cấu kiện [2], [3], [4], [5] Kinh phí ước tính cho việc sửa chữa và xử lý vấn đề ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT hàng năm lên đến gần 3.5% GNP của mỗi quốc gia và xấp xỉ 100 tỷ EUR trên toàn cầu (fib TG 9.3, 2007) Theo [6], 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, vấn đề chính là hiện tượng cốt thép bị ăn mòn Trong bối cảnh kinh tế quốc gia còn gặp nhiều khó khăn, việc xây mới đòi hỏi một nguồn kinh phí khổng lồ, cho nên, nhu cầu sửa chữa, gia cố phục hồi khả năng chịu lực của chúng nhằm kéo dài tuổi thọ thật sự là nhu cầu lớn, cấp thiết Để xử lý và ngăn chặn hiện tượng cốt thép trong cấu kiện chịu lực bị ăn mòn, các phương pháp truyền thống, hiện nay, thường dùng là loại bỏ lớp bê tông bị ảnh hưởng bởi sự ăn mòn cốt thép, đánh sạch gỉ các cốt thép bị ăn mòn, sau đó phủ lớp cốt thép lớp hóa chất chống gỉ và hoàn thiện lại tiết diện bằng vật liệu có tính chống thấm cao hoặc lớp bê tông mới Phương pháp này bộc lộ một số vấn đề về kết cấu và độ bền Việc loại bỏ lớp bê tông bảo vệ, làm suy giảm ngay tức khắc độ cứng của tiết diện, dẫn đến sự phân bố lại nội lực trong toàn kết cấu và cốt thép trong cấu kiện có thể bị oằn và khả năng chịu lực suy giảm (phổ biến cho trường hợp cấu kiện chịu nén lớn như cột) [7] Vấn đề này dẫn đến việc phải sử dụng hệ chống đỡ cho kết cấu trong suốt quá trình chúng được sửa chữa, vì thế, nó cản trở đáng kể đến hoạt động của công trình Ngoài ra, hiện tượng thẩm thấu ngược ion clo giữa lớp bê tông cũ và lớp

bê tông mới phủ thường dẫn đến sự bong tách sớm của lớp phủ mới và vấn đề sửa chữa có thể lại phải lặp lại trong thời gian ngắn [8] Trong những năm gần đây, nhờ vào các đặc tính kỹ thuật ưu việt của vật liệu Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) như có cường độ cao, trọng lượng riêng nhẹ, không dẫn điện, không nhiễm từ, không bị ăn mòn, thi công đơn giản, giải pháp sử dụng vật liệu CFRP cho công tác sửa chữa, hoặc gia cường cấu kiện BTCT, hoặc bê tông ứng suất trước đã cho thấy được tính hiệu quả cao của nó bên cạnh các giải pháp truyền thống hiện hữu [9], [10], [11]

Việc sử dụng tấm Fiber Reinforced Polymer (FRP) để phục hồi hoặc cải thiện khả năng chịu lực cho cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn do môi trường đã được nhiều nghiên cứu đề cập, tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở kiểu ứng xử nén đúng tâm [12], [7] Trong thực tế, cột trong kết cấu 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 CFRP gia cường do ứng xử nén lệch tâm của cột, làm giảm hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP và tác động bất lợi đến khả năng chịu lực của cột Tuy nhiên, vẫn chưa thấy có một nghiên cứu nào đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm cho đến thời điểm hiện nay Việc sử dụng rập khuôn các dữ liệu từ các nghiên cứu nén đúng tâm trên các cột có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm FRP hiện có mà thiếu đi sự phân tích đầy đủ, cũng như chưa nắm bắt được chính xác ứng xử của tấm FRP gia cường, trong trường hợp cột chịu nén lệch tâm, có thể làm cho trong việc dự đoán ứng xử của cột chưa phản ánh đúng với thực tế, và có thể dẫn đến sự thiếu an toàn trong các kết quả tính toán thiết kế gia cường

Mức độ cải thiện khả năng chịu lực, hoặc ứng xử của cột BTCT gia cường vật liệu FRP, được quyết định chủ yếu bởi hiệu quả gia cường của tấm FRP dán dọc và bó hông Tính hiệu quả này bị chi phối bởi sự tương tác giữa chúng, và giữa chúng với các thành phần khác như cốt dọc, cốt đai, cường độ bê tông của cột Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, vấn đề lượng hóa các tác động tương tác này vẫn chưa được đề cập trong các nghiên cứu đã có Điều này làm cho các việc dự đoán khả năng chịu

lực của cột BTCT, chưa hoặc đã bị hư hỏng (cốt thép chịu lực bị ăn mòn) gia cường bằng vật liệu FRP, theo các mô hình hiện có vẫn chưa phản ánh được bản chất vật lý và tính tổng quát của vấn đề Đặc biệt, sự thiếu hụt về các số liệu nghiên cứu cho trường hợp cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm FRP gần như là nguyên nhân chính, dẫn đến việc thiếu vắng hoàn toàn các điều khoản tính toán cụ thể dành cho loại cấu kiện quan trọng này, trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu dùng vật liệu FRP hiện hành như [13], [14] và [15]

Những vấn đề vừa nêu trên cho thấy, nhu cầu cấp thiết của việc cần có một nghiên cứu mới, sâu và đầy đủ liên quan đến sửa chữa, phục hồi khả năng chịu lực và cải thiện ứng xử bằng vật liệu FRP cho loại cấu kiện quan trọng trong kết cấu công trình là cột BTCT, khi đã bị hư hỏng bởi môi trường xâm thực (cốt dọc và đai bị ăn mòn) chịu nén lệch tâm, nhằm: làm rõ hiệu quả gia cường của loại vật liệu CFRP, cũng như đánh giá và kiểm chứng tính chính xác và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén có độ lệch tâm khác nhau

Cho đến thời điểm hiện tại, chưa có một nghiên cứu nào liên quan đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm Trong khi, cấu kiện cột trong kết cấu công trình thực tế hầu hết đều có ứng xử chịu nén lệch tâm Hiện tượng biến dạng không đều của lưới FRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP, so với trường hợp cột nén đúng tâm và ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chịu lực của cột Vì vậy, việc sử dụng các dữ liệu có được từ các nghiên cứu nén đúng tâm trên các cột có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm FRP hiện có mà không có sự đánh giá cẩn thận, và sự hiểu thấu đáo về ứng xử của tấm FRP gia cường trong trường hợp chịu nén lệch tâm hoàn toàn, có thể gây nên sự sai lệch trong việc dự đoán ứng xử thực của cột, và có thể dẫn đến sự thiếu an toàn trong các kết quả tính toán thiết kế gia cường

Có thể thấy rằng, các nghiên cứu liên quan hiện có hầu như chỉ mới tâp trung vào việc khảo sát, và phân tích ảnh hưởng của lưới sợi FRP đến tốc độ ăn mòn của cốt

thép dọc chịu lực trong cột, cũng như khả năng chịu lực của cột, mà chưa đề cập tường minh đến ảnh hưởng sự ăn mòn của cốt đai, hoặc của cả cốt dọc và cốt đai (thường thì cốt đai bị ăn mòn sớm hơn so với cốt dọc do có lớp bê tông bảo vệ mỏng hơn) Thực tế, cốt đai trong cột nếu được thiết kế ở dạng cốt đai xoắn hoặc với một hàm lượng đủ lớn, hiệu ứng bó hông trong cốt đai tham gia vào việc cải thiện khả năng chịu nén của cột là rất đáng kể Sự tương tác giữa cốt đai bị ăn mòn và lưới sợi FRP gia cường bó hông, có ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả gia cường của lưới sợi FRP, và khả năng chịu lực của cột rất cần được làm sáng tỏ, để từ đó giúp cho việc tính toán thiết kế được đầy đủ và an toàn hơn Ngoài ra, các nghiên cứu hiện có cũng chưa làm rõ được phương án sửa chữa hợp lý ứng với từng mức độ ăn mòn khác nhau của cốt thép dọc trong cột Vấn đề này thật sự quan trọng cho việc đề xuất cấu hình gia cường lưới sợi FRP hợp lý (hàm lượng và phương án dán), từ đó làm giảm giá thành thi công Bên cạnh đó, vấn đề ảnh hưởng tương tác giữa cốt thép dọc, cường độ bê tông và tấm FRP gia cường dán dọc, đến hiệu quả gia cường của tấm FRP gia cường bó hông, cũng như ứng xử của cột BTCT được gia cường bó hông và dán dọc bằng tấm FRP vẫn chưa được trình bày tường minh Các tương tác này cần được lượng hóa một cách tường minh và đầy đủ hơn nữa, nhằm giúp cho việc xây dựng các mô hình dự đoán khả năng chịu lực của cột BTCT gia cường tấm FRP, thể hiện được bản chất vật lý của vấn đề hơn, đặc biệt là trường hợp cột BTCT đã bị hư hỏng Sự thiếu hụt lớn của các số liệu nghiên cứu trong những vấn đề vừa nêu trên, có thể là nguyên nhân chính dẫn đến việc thiếu vắng hoàn toàn các điều khoản tính toán cụ thể, dành cho cấu kiện cột BTCT có cốt thép chịu lực bị ăn mòn trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu dùng vật liệu FRP hiện hành như: [13], [14] và [15].Việc áp dụng một cách máy móc các điều khoản trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường hiện hành, cho trường hợp của cột BTCT có cốt thép chịu lực còn nguyên, có thể dẫn đến các dự đoán chưa phù hợp về hiệu quả gia cường lưới sợi CFRP và làm giảm đi mức độ tin cậy của thiết kế

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

2.1.1 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP

Các nghiên cứu về việc sử dụng tấm FRP để gia cường bó hông cho cột BTTC bắt đầu vào nhưng năm 1990s cho đến gần đây, năm 2015 như của [16], [17], [18], [5], [19], [20] , [21] , [22], [23] Các nghiên cứu này tập trung khảo sát ứng xử của cột BTCT gia cường bó hông bằng tấm FRP chịu nén đúng tâm Các nghiên cứu trên tập trung khảo sát nhiều thông số khác nhau như hình dạng tiết diện cột (cột vuông, chữ nhật và tròn), bán kính cong của góc bo tiết diện, loại tấm FRP (GFRP, CFRP và BFRP), hướng sợi gia cường, chiều dày tấm FRP, tấm FRP có hay không có ứng suất trước và cường độ bê tông Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tấm FRP gia cường bó hông làm tăng đáng kể khả năng chịu tải trọng của cột, từ 6 đến 177% tùy thuộc vào cấu hình của mẫu cột thực nghiệm và cấu hình tấm FRP gia cường Hiệu quả gia cường của tấm FRP đối với cột tiết diện vuông hoặc chữ nhật, nhỏ hơn so với cột tiết diện tròn do hiệu ứng góc Đáng lưu ý rằng, các nghiên cứu cho thấy rằng tấm FRP gia cường bó hông đã làm tăng mạnh khả năng biến dạng của bê tông, mức độ hấp thu năng lượng và từ đó làm tăng độ dẻo dai của cột Điều này đặc biệt có ý nghĩa cho các công trình chịu tải trọng động như: động đất và va đập Nghiên cứu của [24]dùng tấm CFRP bó hông cho các mẫu cột BTCT và nhúng chúng vào môi trường bị ăn mòn mạnh Kết quả cho thấy tấm CFRP đã ngăn chặn rất hiệu quả quá trình ăn mòn tiếp diễn trong các mẫu cột Kết quả tương tự cũng thu được đối với tấm GFRP

[25] và gần đây nhất là của [26] đã dùng tấm CFRP quấn bó hông cho cột BTCT nhằm khảo sát và đánh giá hiệu quả của tấm FRP trong việc ngăn chặn sự xâm nhập của ion clo, oxy, sunfat và nước vào bê tông Các nghiên cứu đều cho thấy hiệu quả cao của phương pháp này, từ đó làm giảm tốc độ ăn mòn của cốt thép chịu lực trong cột

2.1.2 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP

Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT gia cường bằng tấm FRP, được bắt đầu trễ hơn một vài năm so với các nghiên cứu trên cột nén đúng tâm Trong thực tế, các cột hầu như là chịu nén lệch tâm Hiện tượng biến dạng không đều của lưới FRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP so với trường hợp cột nén đúng tâm Nghiên cứu của [22] về ảnh hưởng của chiều dày tấm CFRP, và độ lệch tâm đối với cột bê tông được gia cường bó hông bằng tấm CFRP Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng chịu lực và khả năng biến dạng dọc trục của cột bị suy giảm do ảnh hưởng của sự lệch tâm Ngoài ra, hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP cũng suy giảm do hiện tượng biến dạng không đều của tấm CFRP gia cường Nghiên cứu của [27] trên cột bê tông gia cường bó hông bằng tấm CFRP chịu én lệch tâm, cho thấy hiệu quả gia cường của tấm CFRP cao hơn đối với cột bê tông cường độ thấp so với cột có bê tông cường độ cao Nghiên cứu của [27] về ảnh hưởng của hướng tấm CFRP/GFRP gia cường, trong đó sử dụng đồng thời hai kiểu dán dọc và bó hông cho cột BTCT chịu nén lệch tâm lớn, cho thấy rằng sử dụng tấm CFRP/GFRP dán dọc cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của cột và việc tăng số lớp gia cường bó hông làm tăng tính dẻo cho cột [28] phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của độ lệch tâm đến khả năng chịu lực của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP Các cột được gia cường

theo hai dạng bó toàn thân và bó từng phần Độ lệch tâm được thay đổi lần lượt (e/h) = 0.3, 0.43, 0.57, và 0.86 với e là độ lệch tâm và h là chiều cao của cột Kết quả

nghiên cứu cho thấy độ lệch tâm càng lớn, khả năng chịu lực càng giảm Khả năng chịu lực của các cột gia cường bó hông từng phần bé hơn trung bình so với cột bó hông toàn phần xấp xỉ 5% Tương tự, hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP rõ nét hơn cho trường hợp cột bê tông có cường độ thấp so với bê tông cường độ cao [29]

Một số ít các nghiên cứu khác được thực hiện trên các cột có kích thước lớn như của [30], [23], và [31] Nghiên cứu của [30] về ảnh hưởng của hướng sợi gia cường đến

quan hệ lực – chuyển vị và quan hệ mô-men độ cong đối với cột BTCT chịu nén lệch tâm Các yếu tố được khảo sát trong nghiên cứu này bao gồm hướng sợi gia cường, số lớp tấm gia cường và phương pháp gia cường Kết quả nghiên cứu cho thấy, tấm CFRP dán dọc làm gia tăng độ cứng và khả năng kháng uốn của cột, tuy nhiên tấm CFRP dán dọc không làm gia tăng khả năng biến dạng của cột và sự gia tăng biến dạng của cột chủ yếu đến từ các tấm CFRP gia cường bó hông Các kết quả nghiên cứu tương tự cũng được chỉ ra trong nghiên cứu của [23] Nghiên cứu của [31] cho trường hợp các cột BTCT kích thước thật chịu nén lệch tâm Các cột thực nghiệm được thiết kế theo hai dạng, cột ngắn và cột dài Các cột được gia cường kháng uốn bằng các thanh CFRP theo dạng xẻ rãnh (NSM), và được gia cường bó hông bằng tấm CFRP Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra những khác biệt cơ bản về hiệu quả của các phương pháp gia cường cho trường hợp cột ngắn và cột dài, đặc biệt, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tấm CFRP gia cường bó hông chỉ hiệu quả cho trường hợp cột ngắn

Nghiên cứu của [32] cho thấy rằng các vết nứt vỡ của lớp bê tông bảo vệ, với sự kết hợp của việc nở hông do các sản phẩm từ quá trình ăn mòn cốt thép, lúc này thép bị ăn mòn tạo ra các rỉ sét và thể tích của gỉ sét lớn, hình thành ứng suất nở hông làm cho lớp bê tông bảo vệ bên ngoài bong ra và làm giảm diện tích mặt cắt tiết diên [33]cũng trình bày việc cốt thép bị ăn mòn trong cả vùng chịu nén và chịu kéo, sẽ làm giảm khả năng chịu tải của cột với độ lệch tâm lớn và nhỏ [34] nghiên cứu cột chịu

tải trong lệch tâm có và không có sự ăn mòn với tỉ số lệch tâm (e/h) từ 0.21 đến 0.38

Kết quả cho thấy độ cứng và khả năng chịu tải trọng nén của tiết diện giảm với sự gia tăng sự mất mát diện tích tiết diện

Các nghiên cứu về cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm (e) gia cường tấm FRP, được

tiến hành nhằm làm rõ ứng xử của cột, vì trong thực tế cột luôn tồn tại độ lệch tâm của lực dọc, có thể là lệch tâm ban đầu hoặc là lệch tâm của tải trọng Chính vì vậy việc tiến hành các nghiên cứu về tải trọng lệch tâm này, nhằm đưa ra các thông số nhằm hiệu chỉnh và xây dựng mô hình tính mới, hoặc là hiệu chỉnh các mô hình tính đã có sẵn của cột chịu nén đúng tâm gia cường tấm FRP

Các nghiên cứu của [35]xét ảnh hưởng hai tham số là chiều dày tấm và độ lệch tâm đối với tiết diện cột bê tông được gia cường bó hông bằng tấm CFRP, Nghiên cứu của [27] trên cột có cường độ bê tông thấp và cao khi được gia cường tấm FRP, kết quả cho thấy được rằng, đối với cột có cường độ bê tông thấp hơn thì hiệu quả gia cường bằng tấm FRP cho ra cao hơn Nghiên cứu của [27] xét ảnh hưởng của hướng (dọc và ngang) dán FRP (CFRP & GFRP) lên khả năng chịu tải trọng lệch tâm của cột Kết quả thu được là, đối với cột có tấm FRP dán dọc giúp tăng khả năng chịu tải trọng lệch tâm của cột, vì ở đây khi có tải lệch tâm tiết diện hình thành hai thớ kéo và nén, đối với thớ chịu kéo FRP đóng vai trò chịu kéo, và giúp tăng khả năng chịu tải lệch tâm của cột Nghiên cứu của [28] xét ảnh hưởng của cột chịu nén lệch tâm, khi được bó hông toàn phần và một phần tiết diện bằng FRP (CFRP), và độ lệch tâm của

tải trọng với giá trị lệch tâm (e/h) lần lượt = 0.3, 0.43, 0.57, 0.86 Kết quả đạt được

là, đối với cột có độ lệch tâm càng lớn thì khả năng chịu tải càng giảm, và đối với cột bó hông từng phần cho ra khả năng chịu tải trọng bé hơn so với cột được bó hông toàn phần Nghiên cứu của [30], [23] xét ảnh hưởng của hướng bố trí và số lớp FRP, ảnh hưởng đến quan hệ lực và chuyển vị của tiết diện khi chịu tải trọng lệch tâm Nghiên cứu của [31] về cột BTCT có kích thước thật chịu tải trọng lệch tâm, có hai dạng cột được thí nghiệm đó là cột ngắn và cột dài được gia cường tấm FRP, kết quả chỉ ra rằng các tấm FRP gia cường bó hông chỉ hiệu quả cho cột ngắn

2.1.3 Các nghiên cứu về ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép

Cột là một trong những cấu kiện chịu lực rất nhạy cảm với vấn đề ăn mòn, do chúng tiếp xúc trực tiếp với các yếu tố xâm thực của môi trường, dễ gây nên hiện tượng ăn mòn cốt thép như môi trường ẩm, nước, muối biển, cháy… [12], [8], và [7] nghiên cứu các đặc tính của tấm FRP và phương pháp sử dụng tấm FRP bó hông, để sửa chữa các cột BTCT có cột thép chịu lực bị hư hỏng do ăn mòn Cốt thép trong các cột được cho ăn mòn bằng phương pháp điện hóa, và sau đó được gia cường bằng tấm FRP bó hông, và được thí nghiệm nén đúng tâm để kiểm tra khả năng chịu lực, độ dai cũng như kiểm soát tốc độ ăn mòn cốt thép trong bê tông Kết quả nghiên cứu cho

thấy, tấm CFRP giúp phục hồi tốt khả năng chịu lực của cột, và đồng thời giúp làm giảm tốc độ ăn mòn của cốt thép trong bê tông Kết quả này cũng tương đồng với nghiên cứu của [36] [37] thực nghiệm nén đúng tâm trên cọc bê tông ứng suất trước theo tỉ lệ mô hình 1/3 Cọc bị nứt và có cáp bị ăn mòn 20% khối lượng, và sau đó được gia cường quấn bó hông bằng tấm CFRP Kết quả cho thấy rằng tấm CFRP đã phát huy rất tốt hiệu quả của nó trong việc phục hồi khả năng chịu lực của cọc [24] dùng tấm CFRP bó hông cho các mẫu cột BTCT, và nhúng chúng vào môi trường bị ăn mòn mạnh Kết quả cho thấy tấm CFRP đã ngăn chặn rất hiệu quả quá trình ăn mòn tiếp diễn trong các mẫu cột Kết quả tương tự cũng thu được đối với tấm GFRP[25], và gần đây nhất là của [26] đã dùng tấm CFRP quấn bó hông cho cột BTCT nhằm khảo sát, và đánh giá hiệu quả của tấm FRP trong việc ngăn chặn sự xâm nhập của ion clo, oxy, sunfat và nước vào bê tông Các nghiên cứu đều cho thấy hiệu quả cao của phương pháp này, từ đó làm giảm tốc độ ăn mòn của cốt thép chịu lực trong cột Nhìn chung, ngoài tính hiệu quả của tấm FRP trong việc hạn chế quá trình ăn mòn cốt thép trong cột, tấm FRP còn làm gia tăng khả năng chịu nén, và cải thiện đáng kể ứng xử dài hạn của các cột có cốt thép bị ăn mòn nhờ vào hiệu ứng bó hông Trong thực tế, sau khi kết cấu bị xâm thực lúc này cả bê tông và cốt thép (đai và dọc) đều bị ăn mòn và hư hại Chính vì vậy, việc gia cường cho các tiết diện này phải xét đến ảnh hưởng của việc cốt thép bị ăn mòn Vì khi cốt thép bị ăn mòn hóa học do môi trường có thể làm thay đổi tính chất cơ lý cũng như là tiết diện của thanh thép, , mặt khác các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và khả năng chịu tải của tiết diện

Nghiên cứu của [38] chỉ ra rằng khi cốt thép trong cấu kiện cột BTCT bị ăn mòn điện hóa khi cho dòng điện chạy qua để tăng tốc thời gian ăn mòn cốt thép, kết quả thu được là, khả năng chịu kéo của những thanh thép giảm tuyến tính với sự gia tăng độ ăn mòn thanh cốt thép, khi mà trọng lượng thanh thép mất đi từ 8-22% trọng lượng Sự ăn mòn không đồng đều xảy ra dọc trên thân thanh thép, gây ra hiện tượng ứng suất tập trung, độ biến dạng dẻo thấp và hiện tượng phá hoại giòn được quan sát thấy trong những thanh cốt thép có độ ăn mòn trọng lượng lớn hơn 12.6%

2.1.4 Các nghiên cứu về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bằng tấm FRP liên quan đến vấn đề ăn mòn cốt thép

Cũng tương tự như cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm gia cường tấm FRP, vì thực tế các cột đều chịu tải trọng lệch tâm, và với việc cột BTCT bị xâm thực, lúc này cả bê tông và cốt thép đều bị ăn mòn, nên bài toán xét cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm xét đến hiện tượng cốt thép bị ăn mòn sẽ là bài toán tổng quát nhất và sát với thực tế Nghiên cứu của [32] cho thấy rằng các vết nứt vỡ của lớp bê tông bảo vệ, với sự kết hợp của việc nở hông do các sản phẩm từ quá trình ăn mòn cốt thép, lúc này thép bị ăn mòn tạo ra các rỉ sét, và thể tích của gỉ sét lớn hình thành ứng suất nở hông làm cho lớp bê tông bảo vệ bên ngoài bong ra, và làm giảm diện tích mặt cắt tiết diện.[33] cũng trình bày việc cốt thép bị ăn mòn trong cả vùng chịu nén và chịu kéo, sẽ làm giảm khả năng chịu tải của cột với độ lệch tâm lớn và nhỏ [34] nghiên cứu cột

chịu tải trong lệch tâm có và không có sự ăn mòn với tỉ số lệch tâm (e/h) từ 0.21 đến

0.38 Kết quả cho thấy, độ cứng và khả năng chịu tải trọng nén của tiết diện giảm với sự gia tăng sự mất mát diện tích tiết diện

Nghiên cứu [39] nghiên cứu 12 cột hình vuông chịu tải trọng lệch tâm, với các thông số đầu vào như sau: cốt thép ăn mòn 3 cấp độ từ 0 %, 10% và 20%, các cấp độ chia ra hai nhóm mẫu một nhóm có bọc FRP và một nhóm không bọc, với việc bọc 1 và

2 lớp CFRP có độ lệch tâm e=125mm với tiết diện mẫu 125x125x1375mm Kết quả

thu được bao gồm, ảnh hưởng của độ ăn mòn và tỉ số thể tích FRP như sau: 1 Độ cứng, tải trọng cực hạn và độ dẻo của tiết diện không gia cường chịu tải trọng lệch tâm giảm khi cường độ ăn mòn gia tăng; 2 Hiệu quả gia cường FRP giúp cải thiện khả năng chịu tải trọng của cột bị ăn mòn, phụ thuộc chủ yếu vào tỉ số thể tích FRP, với cột có tỉ số thể tích FRP cao giúp cung cấp hiệu quả bó hông tốt và giúp hồi phục khả năng chịu tải trọng của tiết diện bê tông bị nứt

Hầu hết các nghiên cứu về cột chịu tải trọng lệch tâm có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bằng tấm FRP còn khá ít, và các nghiên cứu chỉ mới tập trung vào một số tiết diện nhỏ với số lượng mẫu còn ít, nên cần nghiên cứu và mở rộng thêm cho phần này

2.2 CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Các nghiên cứu về phân tích ứng xử của cột BTCT có cột thép bị ăn mòn hay chưa bị ăn mòn được gia cường bằng tấm FRP, hiện nay ở trong nước thật sự rất khiêm tốn [40]nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT được gia cường bằng tấm CFRP bó hông chịu tải trọng ngang lặp [39] trình bày một nghiên cứu tổng quan về các phương pháp sửa chữa, và gia cố cột trong đó có đề cập đến phương pháp dùng tấm CFRP Gần nhất là nghiên cứu của [20] Nghiên cứu này khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của yếu tố môi trường khô/ướt của nước mặn (yếu tố khí hậu đặc trưng của các tỉnh duyên hải vùng đồng bằng Sông Cửu Long), đến hiệu quả gia cường kháng nén của lưới sợi CFRP, cho cột bê tông cốt thép tiết diện vuông đã bị hư hỏng do hiện tượng xâm thực (cốt thép bị ăn mòn) Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 12 cột kích thước 250 x 250 x 750 mm được chia làm 3 nhóm có mức độ ăn mòn cốt thép dọc chịu lực khác nhau Mỗi nhóm gồm 4 cột, trong đó có 1 cột đối chứng và 1 cột gia cường 4 lớp lưới sợi CFRP, 2 cột gia cường với số lớp lần lượt là 2 và 3 lớp sợi CFRP chịu tác động của môi trường khô/ướt của nước mặn Kết quả nghiên cứu cho thấy, tấm CFRP làm gia tăng đáng kể khả năng chịu lực, khả năng biến dạng hay độ dai của cột Cho đến thời điểm hiện tại, chưa có một nghiên cứu nào liên quan đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm đã được công bố

CHƯƠNG 3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

3.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu tổng quát của đề tài là khảo sát, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực (cốt đai và cốt dọc) đến hiệu quả gia cường và độ bền của hệ gia cường CFRP cho cấu kiện cột BTCT chịu nén lệch tâm Mục tiêu nghiên cứu chi tiết như sau:

Đánh giá và kiểm chứng tính chính xác, và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành, cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm

3.2 Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU 3.2.1 Ý nghĩa về khoa học

Cho đến thời điểm hiện nay, các nghiên cứu đề cập đến đến ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, được gia cường bằng tấm CFRP chịu tải trọng nén lệch tâm rất hạn chế Trong thực tế, cột trong kết cấu 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 CFRP gia cường, do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm hiệu quả gia cường kháng nở hông của lưới CFRP, và tác động bất lợi đến khả năng chịu lực của cột Việc sử dụng các dữ liệu từ các nghiên cứu nén đúng tâm trên các cột có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP hiện có, mà chưa hiểu rõ được ứng xử của tấm CFRP gia cường trong trường hợp cột chịu nén lệch tâm, có thể làm cho trong việc dự đoán ứng xử của cột chưa phản ánh đúng với thực tế Đề tài này cung cấp cho giới khoa học những hiểu biết mới về ứng xử của cấu kiện cột BTCT đã bị hư hỏng (do cốt thép bị ăn mòn), được phục hồi bằng vật liệu CFRP chịu nén lệch tâm

Hiệu quả gia cường của tấm CFRP dán dọc và bó hông, được quyết định bởi sự tương tác giữa chúng và giữa chúng với các thành phần chịu lực khác như cốt dọc và cốt đai, và độ lệch tâm của cột Hiên tại, vấn đề lượng hóa các tác động tương tác này vẫn chưa được đề cập một cách tường minh trong các nghiên cứu đã có, và vì vậy, các mô hình dự đoán khả năng chịu lực của cột BTCT, chưa hoặc đã bị hư hỏng (cốt

thép chịu lực bị ăn mòn) gia cường bằng vật liệu CFRP, khi chịu nén lệch tâm vẫn chưa phản ánh được đầy đủ ứng xử thực và tổng quát của cột Đặc biệt, sự thiếu hụt về các số liệu nghiên cứu cho trường hợp cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn chịu nén lêch tâm, được gia cường bằng tấm CFRP, gần như là nguyên nhân chính, dẫn đến việc thiếu vắng hoàn toàn các điều khoản tính toán cụ thể dành cho loại cấu kiện quan trọng này, trong các tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu dùng vật liệu FRP hiện hành, cụ thể như ACI 440.2R (2017) Đề tài này góp phần làm rõ hiệu quả gia cường của loại vật liệu CFRP, cũng như đánh giá và kiểm chứng tính chính xác và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén có độ lệch tâm khác nhau

3.2.2 Ý nghĩa về thực tiễn

Cốt thép chịu lực bị ăn mòn dẫn đến sự hư hỏng, và xuống cấp nhanh chóng của các cấu kiện, kết cấu BTCT và làm giảm mạnh tuổi thọ công trình Trong đó, cấu kiện cột do thường xuyên tiếp xúc với môi trường có tính xâm thực cao (nước, muối, hóa chất…) trong một thời gian dài, nên chúng đặc biệt nhạy cảm với vấn đề ăn mòn cốt thép Kết cấu cột bị hư hỏng thường kéo theo những hệ lụy lớn về mặt kết cấu, như suy giảm khả năng năng chịu lực và mức độ an toàn trong sử dụng, thậm chí gây nên sụp đổ công trình Hàng năm, kinh phí ước tính cho việc sửa chữa và xử lý vấn đề ăn mòn cốt thép trong kết cấu BTCT lên đến gần 3.5% GNP của mỗi quốc gia xấp xỉ 100 tỷ EUR trên toàn cầu (fib TG 9.3, 2007) Các 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 bị ăn bối cảnh kinh tế quốc gia còn gặp nhiều khó khăn như hiện nay, việc xây mới đòi mòn [6] Trong hỏi một nguồn kinh phí khổng lồ, cho nên, nhu cầu tìm kiếm giải pháp kỹ thuật phù hợp phục vụ cho việc sửa chữa, gia cố phục hồi khả năng chịu lực nhằm kéo dài tuổi thọ của công trình, thật sự là nhu cầu lớn và có ý nghĩa thực tiễn cao

Để xử lý và ngăn chặn hiện tượng cốt thép trong cấu kiện chịu lực bị ăn mòn, các phương pháp truyền thống, hiện nay, thường dùng là loại bỏ lớp bê tông bị ảnh hưởng

bởi sự ăn mòn cốt thép, đánh sạch gỉ các cốt thép bị ăn mòn, sau đó phủ lớp cốt thép lớp hóa chất chống gỉ và hoàn thiện lại tiết diện bằng vật liệu có tính chống thấm cao hoặc lớp bê tông mới Phương pháp này bộc lộ một số vấn đề về kết cấu và độ bền Việc loại bỏ lớp bê tông bảo vệ, làm suy giảm ngay tức khắc độ cứng của tiết diện, dẫn đến sự phân bố lại nội lực trong toàn kết cấu và cốt thép trong cấu kiện có thể bị oằn, và khả năng chịu lực suy giảm (phổ biến cho trường hợp cấu kiện chịu nén lớn như cột) [7] Vấn đề này dẫn đến việc phải sử dụng hệ chống đỡ cho kết cấu trong suốt quá trình chúng được sửa chữa, vì thế, nó cản trở đáng kể đến hoạt động của công trình Ngoài ra, hiện tượng thẩm thấu ngược ion clo giữa lớp bê tông cũ và lớp bê tông mới phủ, thường dẫn đến sự bong tách sớm của lớp phủ mới và vấn đề sửa chữa có thể lại phải lặp lại trong thời gian ngắn [8] Trong những năm gần đây, nhờ vào các đặc tính kỹ thuật ưu việt của vật liệu CFRP như có cường độ cao, trọng lượng riêng nhẹ, không dẫn điện, không nhiễm từ, không bị ăn mòn, thi công đơn giản, giải pháp sử dụng vật liệu CFRP cho công tác sửa chữa, hoặc gia cường cấu kiện BTCT hoặc bê tông ứng suất trước, đã cho thấy được tính hiệu quả cao của nó bên cạnh các giải pháp truyền thống hiện hữu [9], [10], [11]

Đề tài này nghiên cứu, đề xuất làm rõ hiệu quả gia cường của loại vật liệu CFRP, cũng như đánh giá và kiểm chứng tính chính xác và phạm vi sử dụng của một số hướng dẫn thiết kế hiện hành cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường tấm CFRP chịu nén có độ lệch tâm khác nhau

3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Dựa trên cơ sở mục tiêu đã đề ra, đề tài này tiến hành thực hiện các nội dung chính sau:

1 Lập chương trình khảo sát thực nghiệm trên 24 cột bê tông cốt thép có kích thước (200x200x800)mm, có cốt thép dọc 4Φ16 và cốt thép đai Φ6 bị ăn mòn theo các mức độ (loại A: không ăn mòn; Loại B:cốt đai bị ăn mòn 15%; Loại C: Cốt đai và cốt dọc bị ăn mòn 15%; Loại D: cốt đai bị ăn mòn 15% và cốt dọc bị ăn mòn 30%), có và không có gia cường CFRP với cấu hình: 00 là không được gia cường CFRP; 11 gia cường 1 lớp dán dọc (Flex) và 1 lớp dán ngang (conf); 13 gia cường 1 lớp dán dọc (Flex) và 3 lớp dán ngang (conf)

Được tiến hành nén lệch tâm với giá trị e=25mm (e/h=0.125) và e=75mm (e/h=0.375)

2 Xây dựng biểu đồ tương tác (P-M); đánh giá và kiểm chứng độ chính xác và

phạm vi sử dụng của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn, gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm theo ACI 440.2R-17

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM

4.1 VẬT LIỆU 4.1.1 Bê tông

Các mẫu cột thí nghiệm sử dụng bê tông thương phẩm có cấp phối như trong Bảng 4-1 có độ sụt bê tông 120-130mm

Bảng 4-1 Cấp phối trộn bê tông thí nghiệm

STT Thành phần vật liệu Khối lượng/m3 vữa bê tông Đơn vị

4.1.2 Cốt thép

Mẫu cột thực nghiệm sử dụng thép dọc đường kính 16mm và thép đai có đường kính

6mm Cốt thép dọc và cốt thép đai có giới hạn chảy (fy và fyw) và giới hạn bền (fu và

fuw) được xác định từ giá trị thí nghiệm trung bình của ba mẫu theo TCVN 197-1:2014

Kết quả thí nghiệm là giá trị trung bình của ba mẫu được trình bày trong Bảng 4-2

bên dưới

Bảng 4-2 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mẫu thép

UT70-đứt (ffu), biến dạng kéo đứt (εfu) và mô-đun đàn hồi (Ef) của tấm sợi CFRP đươc xác

định từ trị trung bình thí nghiệm từ năm mẫu, được trình bày trong Bảng 4-3 sau: Bảng 4-3 Thông số đặc tính cơ học của sợi CFRP

trong Bảng 4-4 bên dưới

Bảng 4-4 Thông số đặc tính của keo Keo

4.1.5 Chất tạo môi trường ăn mòn cốt thép

Để rút ngắn thời gian tạo ăn mòn cốt thép trong quá trình thí nghiệm so với thực tế, ở thí nghiệm này các thanh cốt thép được ngâm trong dung dịch axit H2SO4 nồng độ 45%

(a)

(b)

Hình 4-1 (a) bể chứa axit H2SO4 nồng độ 45%; (b) cốt thép bị ăn mòn

4.2 MẪU CỘT

Chương trình thực nghiệm bao gồm 24 cột tiết diện chữ nhật cỡ trung với kích thước

200×200×800 mm như Hình 4-2 Mỗi cột có bốn thanh thép dọc đường kính 16 mm

phân bố đều trên mặt cắt tương ứng với hàm lượng cốt thép là 2.02% Cốt thép đai đường kính 6 mm và khoảng cách giữa các cốt đai là 100 mm, tương ứng với ứng

suất bó hông (fl) là 0.06 MPa Ở hai đầu cột, cốt thép đai bố trí dày hơn, với khoảng cách 50 mm, cùng với ba lưới thép (đường kính 6 mm và ô lưới 50 mm); đồng thời bó hông bằng một lớp tấm CFRP nhằm ngăn chặn phá hoại cục bộ đầu cột khi thí

nghiệm Các góc cột được bo tròn với bán kính, R, là 15 mm nhằm mục tiêu giảm

ứng suất tập trung ở góc và tạo hiệu ứng bó hông tốt nhất Bề mặt được làm phẳng và đạt độ nhám theo yêu cầu của nhà sản xuất tấm sợi CFRP Tấm CFRP được bó hông với khoảng chồng là 150 mm Quá trình dán sợi thực hiện ở nhiệt độ 26oC đến 30oC và độ ẩm 60% đến 80% Keo được bảo dưỡng 7 ngày theo yêu cầu của nhà sản xuất Nghiên cứu này hướng đến việc khảo sát ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn ở mức độ đồng đều nhất có thể với một số lượng mẫu thí nghiệm lớn Để đảm bảo điều này, cốt chịu lực (cốt dọc và đai) được tạo ăn mòn bằng cách đặt vào một bồn chứa sulfuric acid nồng độ 45% Mức độ ăn mòn của cốt thép được kiểm tra hàng tuần thông qua các mẫu thép đại diện dài 200 mm có cùng đường kính và được ngâm cùng lúc như cốt thép chịu lực trong cột Các thanh thép được ngâm cho đến khi đạt đến mức độ ăn mòn đã đặt ra Sau đó, các thanh thép được dùng để tạo các mẫu cột mà không được làm sạch gỉ sét đã được tạo ra do quá trình ăn mòn xung quanh bề mặt cốt thép với mục đích phản ánh sao cho xác thật nhất sự suy giảm bám dính giữa bề mặt cốt thép bị ăn mòn với bê tông xung quanh

Hình 4-2 Cấu tạo mẫu cột thực nghiệm

Toàn bộ các cột thí nghiệm được chia làm bốn nhóm A, B, C, và D, tùy theo cấu hình ăn mòn, với sáu cột cho mỗi nhóm Nhóm A có cốt dọc không ăn mòn và cốt đai không ăn mòn, nhóm B có cốt dọc không ăn mòn và cốt đai ăn mòn 15% diện tích, nhóm C có cốt dọc ăn mòn 15% diện tích và cốt đai ăn mòn 15% diện tích, và nhóm D có cốt dọc ăn mòn 30% diện tích và cốt đai ăn mòn 15% diện tích, trong thực tế khi tiến hành gia cường cho các cột bị ăn mòn cốt thép nhiều (nứt, bong vỡ lớp bê tông bảo vệ) sẽ tiến hành đục bê tông, tẩy gỉ và trám bê tông phục hồi, trường hợp nếu cốt thép đai bị ăn mòn lớn và mất khả năng làm việc thì sẽ được thay mới, theo thời gian các chất ăn mòn đã ngấm vào bê tông vẫn tiếp tục ăn mòn cốt thép dọc cũng như cốt thép đai, chính vì vậy các thanh thép đai được thay mới theo thời gian sẽ bị ăn mòn ngược từ bê trong ra do bê tông đã bị ngấm các chất ăn mòn bên trong, ở đây nghiên cứu xét tới sự ăn mòn cốt thép theo thời gian của các cột sau khi đã được gia cường tấm CFRP Trong mỗi nhóm, các cột được xếp thành hai nhóm nhỏ hơn (với

06 cột trong một nhóm) có độ lệch tâm tương đối (e/h) khác nhau, e/h=0.125 và

e/h=0.375 Mỗi nhóm nhỏ này gồm một cột không gia cường (cột đối chứng) và hai

cột gia cường tấm CFRP (một lớp dán dọc tại mặt kéo và một hoặc ba lớp bó hông) Tám cột đối chứng được thử nghiệm sau 28 ngày bảo dưỡng ở nhiệt độ 26oC đến 30oC và độ ẩm 60% đến 80% Đối với 16 cột còn lại, sau 28 ngày bảo dưỡng bê tông, các cột được dán một lớp CFRP dọc theo mặt kéo của cột Sau 7 ngày bảo dưỡng keo,

các cột được tiếp tục gia cường bó hông bằng một hoặc ba lớp CFRP (Bảng 4-5) Ý nghĩa đặt tên và mô tả các mẫu như Bảng 4-5

Bảng 4-5 Cách đặt tên và mô tả mẫu cột thực nghiệm

Tên mẫu

Mức độ ăn mòn (%)

(A/B/C/D) Số lớp CFRP gia cường

(Thép dọc) (Thép đai) (Dán dọc) (Dán ngang)

Ghi chú: B13C25: B chỉ nhóm cột (A/B/C/D); 13 tương ứng 1 lớp dán dọc (flex) và 3 lớp

dán ngang (conf) CFRP (- không gia cường, 11 là 1 lớp dán dọc và 1 lớp dán ngang, 13 là

1 lớp dán dọc và 3 lớp dán ngang); C là loại tấm FRP (tấm sợi Cacbon); 25 là độ lệch tâm

e (e =25 và e=75mm).Re và Str là ký hiệu viết tắt của cốt dọc và cốt đai Ký hiệu Flex, Conf miêu tả lần lượt hướng tấm gia cường kháng uốn, bó hông

4.3 QUI TRÌNH CHẾ TẠO MẪU

4.3.1 Qui trình tạo ăn mòn, gia công và lắp cảm biến cho cốt thép

Nghiên cứu về ăn mòn cốt thép được nhiều tác giả quan tâm và tiến hành nghiên cứu với cách tạo ăn mòn cốt thép theo hai hướng chính: (1) phương pháp thứ nhất là tạo ăn mòn cốt thép sau khi đúc mẫu (chủ yếu dùng điện phân kết hợp dung dịch muối) ; và (2) phương pháp thứ hai là tạo ăn mòn cốt thép (bằng hóa chất, ….) và không tẩy gỉ trước khi đúc mẫu Phương pháp thứ nhất có ưu điểm là mô phỏng được đầy đủ các yếu tố của ăn mòn đến kết cấu BTCT như giảm tiết diện thép, giảm dính bám của cốt thép và bê tông, sự trương nở của gỉ thép làm nứt bê tông Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là ăn mòn không đồng đều, chỉ triển khai cho cấu kiện nhỏ và số lượng ít do chi phí cao Trong khi đó, phương pháp hai có thể mô phỏng được các yếu tố giảm tiết diện thép, giảm dính bám của cốt thép và bê tông, dễ dàng khống chế mức độ đồng đều của ăn mòn; và chi phí tạo ăn mòn thấp, đặc biệt cho các cầu kiện cỡ trung và lớn với số lượng nhiều Tuy vậy, nhược điểm của phương pháp hai là không nghiên cứu được ảnh hưởng của sự trương nở gỉ thép đến bê tông Trong nghiên cứu này, cốt thép được cho ăn mòn trước trong môi trường axit (không tẩy gỉ cốt thép, thực tế các lớp gỉ nhỏ còn dính bám trên cốt thép, các vị trí gỉ nhiều bị rơi ra trong quá trình gia công thép, dán cảm biến, vận chuyển và đúc mẫu) sau đó mới dùng để đổ bê tông, chế tạo mẫu cột Phương pháp này cố gắng mô phỏng gần đúng nhất trường hợp sửa chữa gia cường cột bằng tấm CFRP trong thực tế: (1) các vị trí cột có ăn mòn cốt thép nhiều (nứt, bong vỡ lớp bê tông bảo vệ) sẽ tiến hành đục bê tông, tẩy gỉ và trám bê tông phục hồi; (2) các vị trí ăn mòn ít (lớp bê tông bảo vệ vẫn trong tình trạng tốt) thì giữ nguyên hiện trạng; và (3) tiến hành gia cường bó hông nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của các ion như clo, sun-phát, hydroxit… và tăng cường khả năng chịu nén thông qua ứng suất bó hông của tấm CFRP Với cách làm này, cốt thép bị ăn mòn vẫn đảm bảo được mức độ giảm tiết diện (theo thiết kế mẫu) và dính bám giữa cốt thép và bê tông vẫn đảm bảo bị giảm ở một mức độ nhất định do vẫn còn lớp gỉ mỏng bám trên thanh cốt thép

Cốt thép được vận chuyển từ nhà máy đến phòng thí nghiệm, sau đó được gia công theo kích thước thiết kế của cốt dọc và cốt đai; sau đó đặt vào một bồn chứa axit H2SO4 nồng độ 45% để tạo ăn mòn (Hình 4-1) Mức độ ăn mòn của cốt thép được

kiểm tra hàng tuần thông qua các mẫu thép đại diện dài 200 mm có cùng đường kính và được ngâm cùng lúc như cốt thép chịu lực trong cột Tại thời điểm kiểm tra, hai mẫu thép đại diện cho cốt dọc và cốt đai như vừa nêu được lấy ra, làm sạch và cân Dựa trên khối lượng bị mất đi do ăn mòn của các mẫu thép đại diện này, mức độ ăn mòn của cốt thép được xác định

Cốt thép sau khi ăn mòn đạt mức độ thiết kế được mang ra khỏi bồn, tiến gia công và lắp ghép theo kích thước thiết kế Các cảm biến điện trở (SG) dùng để xác định biến dạng cốt thép trong quá trình thí nghiệm được dán vào bề mặt cốt thép dọc và cốt thép đai theo vị trí thiết kế đã được mài phẳng.

4.3.2 Tạo ván khuôn

Dùng loại gỗ ép công nghiệp dày 20mm, đóng thành khối hộp chữ nhật và được gia cố để đảm bảo hình dạng kích thước cột theo thiết kế

4.3.3 Đổ bê tông và bảo dưỡng bê tông tới khi đạt cường độ

Để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến chất lượng của bê tông, công tác đổ bê tông được tiến hành vào buổi chiều tối khi nhiệt độ không khí xấp xỉ 26oC và độ ẩm khoảng 75% Bê tông được sản xuất đúng cấp phối thiết kế và được xe chuyên dụng chở đến bãi đúc Trước khi đổ bê tông, độ sụt được kiểm tra nằm trong trong khoảng 12 cm  2 cm Máy đầm cầm tay được dùng để đảm bảo độ đồng nhất của bê tông khi đúc mẫu Sau khi đúc mẫu, bề mặt cột được làm phẳng, bao bố được dùng để phủ lên bề mặt cột và được tưới nước giữ ẩm thường xuyên để bảo dưỡng bê tông trong 28 ngày

4.3.4 Công tác gia cường tấm CFRP cho cột

Tất cả các bề mặt cần dán tấm CFRP được mài phẳng bằng máy mài cầm tay Đặc biệt các vị trí bất thường, không đồng đều và những chỗ lồi lõm cần được xử lý bằng mài phẳng để đảm bảo độ bằng phẳng theo yêu cầu Đặc biệt quan trọng là phải luôn