Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Khảo sát thực nghiệm ứng xử bám dính của tấm CFRP với bê tông chịu tải trọng lặp

Xây dựng chương trình thực nghiệm, su dung phương pháp kéo trượt một mặt,khảo sát ứng xử bám dính của tâm CFRP với bê tông với các biến số: bề rộng tam vàcường độ bê tông.. Luận văn này

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG ANH TUẦN

KHAO SÁT THỰC NGHIEM UNG XU BAM DÍNH CUATAM CFRP VOI BE TONG CHIU TAI TRONG LAP

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dung công trình dân dụng và công nghiệpMã ngành: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hỗ Chí Minh, tháng 06 năm 2018

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINHCán bộ hướng dẫn khoa hoc 1:

PGS.TS NGUYÊN MINH LONGCán bộ hướng dẫn khoa học 2:

TS TRAN THÁI MINH CHANHCán bộ chấm nhận xét 1:

TS NGUYEN DUY LIÊMCán bộ chấm nhận xét 2:

PGS TS TRAN VAN MIENLuận văn thạc sĩ được bao vệ tại Trường Dai hoc Bách Khoa, DHQG Tp HCMngày 23 tháng 08 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS TS NGÔ HỮU CƯỜNG

2 PGS TS TRAN VAN MIEN3 TS LE VĂN PHƯỚC NHÂN4 TS NGUYEN DUY LIEM5, TS HUYNH MINH PHUOCXác nhận của Chu tịch Hội đồng đánh giá LV va Trưởng Khoa quản ly chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA KTXD

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨHọ tên học viên: HOÀNG ANH TUẦN MSHV: 7140758Ngày, thang, năm sinh: 07/06/1991 Nơi sinh: Vũng TàuChuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công NghiệpMã số: 60580208

I TÊN DE TÀI: KHẢO SÁT THỰC NGHIEM UNG XU BAM DINH CUATAM CFRP VOI BE TONG CHIU TAI TRONG LAP

Il NHIEM VU VA NOI DUNG:1 Xây dựng chương trình thực nghiệm, su dung phương pháp kéo trượt một mặt,khảo sát ứng xử bám dính của tâm CFRP với bê tông với các biến số: bề rộng tam vàcường độ bê tông.

2 Làm rõ ảnh hưởng của bề rộng tam CFRP và cường độ bê tông đến ứng xử bámdính CFRP - bê tông.

3 Xây dựng mô hình ứng suất bám dính - trượt (bond stress — slip model) tổng quátgiữa tam CFRP và bê tông có xét đến nhiều yếu tố như bẻ rộng tam, cường độ bêtông, độ cứng và chiều dai dán tam

4 Kiểm chứng độ chính xác của mô hình bond stress — slip đề xuất với các mô hìnhcủa các tác gia trước đây.

5 Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng lặp đến ứng xử và sự làm việc của tam CFRPgia cường ngoài cho bê tông.

IH NGÀY GIAO NHIỆM VU : 04/09/2017IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 22/06/2018v CÁN BO HUONG DAN 1: PGS TS NGUYEN MINH LONG

CÁN BO HUONG DAN 2: TS TRAN THAI MINH CHANH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

CÁN BO HUONG DAN 2(Họ tên va chữ ky)

TRUONG KHOA (Họ tên và chữ ký)

Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vu này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV

Sau đây là công trình khoa học dựa trên các kết quả của nghiên cứu này:

Tạp chí trong nước:

Hoàng Anh Tuấn, Trần Thái Minh Chánh, Lê Văn Phước Nhân và Nguyễn MinhLong, 2018 “Ứng xử bám dính của liên kết CFRP - bê tông: Ảnh hưởng của bề rộngdán tam”, Tap chí Xây Dựng, 57(8), pp.124-128 (ISSN 0866-8762)

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Giảng viên hướng dẫnlà PGS.TS Nguyễn Minh Long và TS Trần Thái Minh Chánh đã nhiệt tình hướngdẫn và truyền đạt những kiến thức vô giá cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận

văn.

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại họcBách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báutrong suốt chương trình Cao học vừa qua

Bên cạnh đó, xin chân thành cảm ơn toàn thé Cán bộ Phòng thí nghiệm kết caucông trình - Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng (BKSel) - Truong Đại học Bách khoaTP.HCM đã tạo điều kiện và giúp đỡ nhiệt tình cho tôi trong quá trình thực hiệnchương trình thực nghiệm.

Xin chân thành cảm ơn Sở Khoa học và Công nghệ Cà Mau đã tài trợ một phancho nghiên cứu này thông qua dé tài mã số 07/2016/HD-SKHCN

Xin chân thành cảm ơn gia đình đã động viên, tạo điều kiện và luôn là hậuphương vững chắc cho tôi hoàn thành luận văn nói riêng và chương trình dao tạo sauĐại học nói chung.

Mặc dù đã nỗ lực rất nhiều nhưng không thể tránh được những sai sót Kínhmong nhận được những góp ý từ quý Thay Cô dé tôi hoàn thiện thêm những kiếnthức và bản thân mình hơn.

Chân thành cảm ơn.

Luận văn này trình bay kết quả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của bérộng tam CFRP đến ứng xử bám dính giữa tâm với bê tông trong hai điều kiện tảitrong tinh đơn điệu va tai trọng lặp Chương trình thực nghiệm áp dụng phương phápkéo trượt một mặt (single-shear pull-out test) thực hiện trên mười hai mẫu bê tôngđược gia cường bằng các tâm CFRP với bề rộng tam và cường độ bê tông thay đồi.Các kết quả của nghiên cứu đã cho thấy cường độ bê tông và bé rộng tam CFRP cóảnh hưởng rõ nét đến dạng phá hoại của tam CFRP Bé rộng của tấm CFRP có ảnh

hưởng đáng kế đến biến dạng lớn nhất, cường độ bám dính và độ trượt của tắm Các

giá trị này có xu hướng giảm dan theo sự gia tăng của bé rộng tam Ngoài ra, việctăng bề rộng tam CFRP trong các mẫu thực nghiệm còn gây nên hiện tượng phân bốkhông đều của bién dạng tam theo phương ngang của tam Cường độ bám dính và độtrượt của tam CFRP có xu hướng tăng theo cường độ bê tông Phân tích ứng xử lặpcho thấy, tam CFRP làm việc tốt dưới điều kiện tai trọng lặp 500,000 chu kỳ với biênđộ tải 5-55% Prax, và hầu như không bị từ biến Biến dang và năng lượng tiêu tán cómột sự gia tăng đáng kế ở những chu kỳ đầu, sau đó mức tăng giảm dan va trở nênồn định ở những giai đoạn sau Nghiên cứu nay chỉ ra rang việc bỏ qua hiện tượngchêch lệch biến dang theo phương bề rộng tam (đặc biệt đối với tam có bề rộng lớnhơn 100 mm) làm cho việc đánh giá ứng xử bám dính của tấm chưa phản ánh đượcchính xác ứng xử thực của tam và trở nên thiếu tin cậy khi tam gia cường có bé rộnglớn như thường thấy trong các ứng dụng thực tiễn Mô hình ứng suất bám dính — độtrượt tong quát được xây dựng dựa trên phương pháp hồi quy hàm dạng Popovic Cáckết quả kiểm chứng công thức tính ứng suất lớn nhất và độ trượt tương ứng cho thấymô hình đê xuât có độ chính xác đáng tin cậy.

width on bond behavior between the sheet and concrete in two monotonic static loadand cyclic load conditions The experimental program applied single-shear pull-outtest (SSPO) on twelve concrete speciments reinforced with CFRP sheets with varyingsheet widths and concrete strengths The results of the study showed that concretestrength and CFRP sheet width significantly affected failure modes of FRP-to-concrete bonded joints, maximum strain, bond strength and slip of the sheet Thesevalues increase with increase in concrete strength but decrease with the increase insheet width Moreover, the increase in the CFRP sheet width has also caused non-uniform distribution of CFRP sheet strain in transverse direction (perpendicular tofiber orientation), which results in spliting failure and rupture of the CFRP sheets.Cyclic behavior analysis shows that the CFRP works well under 500,000 cyclic loadconditions with a load range of 5-55% P„ax, the sheet was not affected by creep Anincrease in train and energy dissipation is significant in the early cycles, but decreasesand becomes stable at later cycles This study also indicates that without taking non-uniform distribution of CFRP sheet strain in transverse direction (perpendicular tofiber orientation) into consideration will cause the assessment of bond behavior thatdoes not accurately reflect the actual behavior of the sheet and becomes unreliablewhen the reinforcement sheet is as large as in practical applications The bond stress— slip model is based on the Popovics regression method Comparisons of predictedand experimental the maximum bond stress and the corresponding slip indicate thatthe proposed model is reliable.

Tôi xin cam đoan day là công việc do chính tôi thực hiện với sự hướng dancủa PGS.TS Nguyễn Minh Long và TS Trần Thái Minh Chánh.

Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiêncứu khác.

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về công việc thực hiện của minh.

Tp Hô Chi Minh, ngày 22 tháng 06 năm 2018

Học viên thực hiện

Hoàng Anh Tuan

DANH MỤC BANG BIEU 2 5 5 SE 9999 295eEeEeeeeeesesee viDANH MUC KY HIEU - 555 xxx x EeEeEeeeeeeeeeeesesese ViiDANH MỤC CHU VIET 'TẮTT 2 5 5 SE << xxx xxx seveeeeee ViiChương 1 DAT VAN ĐĐẼ - << << sư g9 ge cvcưcu cu gee 1Chirong 2 TONG QUAN oiccscscscscscsssssssssssscsssesesessssssssssssssssssssssssssssssessssssseseseses 32.1 Giới thiệu về vat liệu polymer cốt sợi gia cường s5 ss+x+x+xeeeeseseee 32.1.1 Sơ lược về vật liệu FRP ¿5+2 32.1.2 Bam dính giữa FRP và bê tÔng - 5 S2 2222266131111 1111111 vn v 62.2 Tinh hinh nghién CUu 0111575757 112.2.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ec cccccssessseesscsesesesecscscscssesesssevens 112.2.1.1 Ứng xử bam dính dưới tác dụng của tai tinh (monotonic loading) 112.2.1.2 Ứng xử bam dính dưới tác dụng của tai lap (cyclic loading) 122.2.1.3 Anh hưởng của bề rộng tâm - + sex EEEEEEEESEeEerrerees 152.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam cccceessssccceccccceeeeeesessssnseeeeeeeeeeeeeees 182.3 Các van dé còn ton dong vccccccsscsssscsescsesesesssscscsssssssvsvsesesesesesececscasasavevavens 212.4 Miu i (008/3) ái 0a a 222.5 Y nghĩa của dé tài nghiên CỨU - - - kk+E+E#E#E#ESESEEx SE cvcvcvcvcvgvgererree 222.5.1 Y nghĩa khoa hỌC - s5 SE cS v11 1119151131111 111v ng greg 222.5.2 Y nghĩa thực tiỄn - k1 TT H111 11111111 greg 232.6 Nội dung nghiÊn CỨU << c << 1000 1131131111111199933 11111111 kg và 23Chương 3 PHAN TÍCH THỰC NGHIIỆM -. 5-5° 5©5<<s©se s52 243.1 Chương trình thực nghiỆm - 5 2 1111111111111 x2 243.2 Vat GU nh 243.2.1 B@ tONG oe cccccccssseccssseecesseeceesneeceseeeeeeeccenecessaeeesseeeeeneeeseaeeeseeeeeseneeeseaes 243.2.2 Vai sợi các-bon và KOO ©DOXY ccceeessssesssssceeeeeecceeeeseseessssceeeeeeeceeeeeeeeeeeaaas 253.2.3 Mau thí nghiệm - <1 1111131 11111 11H ng ưu 263.2.4 Dán tam gia CƯỜng s11 11111111 11111111 11g greg 29

3.4 — Quy trình thực nghidm - - - << << c5 50111383331113119993311 111111111 1n v2 333.5 Kết quả thực nghiệm + S931 1191913111111 11v rreg 353.5.1 Dang 0 0n e ae 353.5.2 Quan hệ lực — biến 35007 — = ằ 373.5.3 Sự phân bố biến dang trong tấm - - 6xx x#E#ESESESE SE cvcvcvcvgvnvrerreg 403.5.3.1 Phân bố theo chiều doc tam ccccccccccccscssssesessesesescescseseescscseescscseescseseesees 403.5.3.2 Phân bố theo chiều ngang tam oo ccesesesesesecesscecssssssssevsescscsesesscscncnees 423.5.4 Ứng suất và đỘ tFƯỢC tk 11H TT TT T111 T111 greg 44Chương 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KIEM CHỨNG 504.1 Cac mô hình bám dính — trượt hiện nay - << ssseeeeesss 504.2 Phuong pháp xây dựng mô hình - 5-5 552233331333 %3353555555555xxxes 514.3 Xây dựng mô hình ứng suất bám dính — trượt mớii - - - «sex: 524.3.1 Ứng suất bám dính lớn nhất - k9 ESk+k#E+ESEEEEEEEESEeEerkekererererxred 524.3.2 DO trượt tương Ứng c c1 1000 001111111111111 111111111111 kh 544.3.3 Tham SỐ tecceccccccccccccccsscssescsssscscscsscscsssscsssssscssssscsssesscsssecscsesssscsesesstsssessesseeaes 574.4 Kiểm chứng -.- G111 E191515 111 111g H1 g1 ro 58Chuong 5 UNG XU BAM DINH DUOI TAC DUNG CUA TAI TRONG

PT 76

5.1 _ Biến dạng trong tấm «s31 E1 1111915111111 greg 765.2 _ Năng lượng tiÊU fấn 000111111111 110031111111 kg 2v 78Chuong 6 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 5 5 55s ssesesssesee 806.1 Kt luận c2 the 806.2 Một số kiến nghị -G- - -kk1 S115 5 ST v1 1111111111111 ng greg 82TÀI LIEU TRÍCH DAN 5 << << 5999 9 9E xưư ưu 83PHU LL[ÚC., 0 5 GGG G5 5 5 5999 99 999 0.9 00 0 4.04 00 00004 6804.0608896 87Tổng hợp kết quả thi nghiệm tinh wo eeescsesesesesecececscsssescecscscsesececscncssasasevavens 87Số liệu xây dựng mô hình ứng suất dính — độ trượt ¿se se sssesexssserersssessz 95Thuật toán xử lý số liệu và vẽ biểu đồ thí nghiệm tải lặp 5-5-5 cs+esescse 96

Hình 2.1: Một số dạng FRP thông dụng trong ngành xây dựng: (a) dạng tam; (b)dang dai; (c) dang thanh - - (<< 1101111 1113311111111999331 1101111111 1110005611 ke 3Hình 2.2: Gia cố kết cấu bê tông cốt thép với FRP - sex cv +xeEeeeeeeeree 4Hình 2.3: Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu FRP (CNR DT200, 2013) 5Hình 2.4: Các kiểu phá hoại kết cau gia cường FRP - «<< +x+x+x+x+xeeseseee 7Hình 2.5: Các dạng phá hoại kết cầu BTCT gia cường FRP chịu uốn 8Hình 2.6: Phân bố ứng suất dọc theo tam FRP (ACI 440.2R, 2017) -: 8Hình 2.7: Kiểu phá hoại do lớp bê tông bảo vệ bi bóc tach (ACI 440.2R, 2017) 9Hình 2.8: Một số mô hình bám dính — trượt hiện nay cho trường hop tải tinh (Lu et1002057277 9Hình 2.9: Biểu đồ quan hệ ứng suất bám dính — chuyền vi trượt: (a) tải đơn điệu; (b)Hình 2.10: Nghiên cứu của Ko and Sato (2007) (a) Phân bố ứng suất bám dính, trượt,biến dạng trong tâm FRP (b) Mô hình chu kỳ trễ của quan hệ ứng suất bám dính — độHình 2.11: So sánh ứng xử trượt của các kiểu gia cường tam FRP dưới tác dụng tảib4; 8200021777 13Hình 2.12: Mẫu thi nghiệm của Nigro et al (2011) (a) Mẫu thí nghiệm; (b) So dé bốtrí cảm biến (strain øaU€S) - cv 111151511 111111111 HH g1 ru 14Hình 2.13: Chiều rộng ảnh hưởng của bê tông (Neto et al., 2016) -: 16Hình 2.14: Anh hưởng bề rộng tam FRP dy đến hệ số bé rộng (Lin et al., 2017) 17Hình 2.15: Hiệu qua gia cường kha năng chịu uốn theo cường độ bê tông, (N.H Tuân

Hình 2.16: Mô hình ứng suất độ trượt trong môi trường: (a) Không ngâm; (b) Nướcngọt; (c) nước mặn; (d) Nước kiỀm veces eeesesesececececscscsssvevevsvscsesesecscscnsasavevavens 20Hình 3.1: Nén mau lập phương kiểm tra cường độ 2-2 + + xe+x+xzesreei 25Hình 3.2: Cop pha sử dụng dé đúc mẫu thí nghiệm - 2-2-2 sees 27Hình 3.3: Bê tông thương phẩm được đưa đến phòng thí nghiệm 28

Hình 3.4: Đúc mẫu và dán nhãn nhận diện - 2+2 E+s SE S3 E8 E+EE+ESEE+EE+ExeEsezsez 28

Hình 3.7: Công tác dán tam CFRP và bao quan mẫu thí nghiệm - 30Hình 3.8: Thiết bị ghi nhận dữ liệu cảm biến - + 2 2+E+E+E+E£EE+E+EeEeEerered 31Hình 3.9: Chi tiết ga giữ tâm CFRLP -G- s11 5 ST ng g1 reo 31Hình 3.10: Sơ đồ thí nghiệm - G1 SE 99 5E xExSScưcc v1 g gErrvrkeo 32Hình 3.11: Sơ đồ bố trí cảm biến (SG ) - - - EEEExExSxSkctcvv SE EEEEeEererrerees 33

Hình 3.12: Công tác cân chỉnh mẫu thí nghiệm - + + + 5 2£ zs+s+s+szsze£: 34

Hình 3.13: Kiểu phá hoại của các mẫu - + 2 +E+k+k+E#ESEEEE+EeESEEErkrkrrerererkd 36Hình 3.14: Sự thay đôi biến dạng lớn nhất theo bề rộng tam CERP 38Hình 3.15: Sự thay đôi ứng suất bám dính trung bình theo cường độ bê tông 38Hình 3.16: Sự thay đôi ứng suất bám dính trung bình theo tỉ số bề rộng tam CFRPvà bề rộng mẫu bê tông, Ö//7‹ - +2 - SE SESE*EEE9EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEETEEEEEEEerkrkd 38Hình 3.17: Quan hệ lực — biến dạng các nhóm mẫu - 2-2 +s+£+E+EsEereree 39Hình 3.18: Phân bố biến dạng doc tắm của các nhóm MAU - 2s «se: 41Hình 3.19: Biến dạng dọc lớn nhất theo bề rộng tắm của tất cả MAU 42Hình 3.20: Phân bồ biến dạng dọc trên bề mặt tâm CFRP (các mẫu có bề rộng tấmmh ni la 43Hình 3.21: Sự thay đôi ứng suất và độ trượt theo cường độ bê tông 45Hình 3.22: Sự thay đôi ứng suất và độ trượt theo tỉ số bề rộng tam CFRP và bề rộngmẫu bê tông Dg/Örc -G- E33 9111113 5 1111 913 111111 TT HT TH rớt 45Hình 3.23: Biểu đồ quan hệ ứng suất — độ trượt thực nghiệm - nhóm C25 46Hình 3.24: Biểu đồ quan hệ ứng suất — độ trượt thực nghiệm - nhóm C45 47Hình 3.25: Biểu đồ quan hệ ứng suất — độ trượt thực nghiệm - nhóm C60 48Hình 4.1: Các nhánh nghiên cứu chính về mô hình ứng suất bám dính — trượt hiện¡mẻ e ố 50Hình 4.2: Tương quan ứng suất và cường độ bê tông - - - - +s+s+esEsEereree 53Hình 4.3: Tương quan ứng suất và độ cứng tam CFRP - 2 s+s+x+zs£erecxd 54Hình 4.4: Tương quan độ trượt và độ cứng tắm CFERP -. c test rsed 55Hình 4.5: Tương quan độ trượt và chiều dải dán tam - 2 2 2+s+x+csrereced 56

200 4A 72Hình 4.8: Kiểm chứng công thức tmax của Neubauer (1999), Lu (2005), Nakaba

Hình 4.9: Kiểm chứng công thức so của mô hình hiện tại với Vĩ (2017) và Cường200 4A 73Hình 4.10: Kiểm chứng công thức so của Gou (2005), Monti (2003), Nakaba (2001),SY As (0): @A00 6) - dda a a 73Hinh 4.11: Mo hinh wng suất — độ trượt dé xuất theo nhóm cường độ 75Hình 5.1: Cận trên (upper) và cận dưới (lower) biến dạng mẫu C25-W10-C 77Hình 5.2: Biến dang cận trên và cận dưới từ SGI đến SG4 mẫu C25-W10-C 77Hình 5.3: Quan hệ lực — chuyển vị tong thỂ - 5+ + SE cv ckekekeeeeeree 79Hình PL.1: Phân bố biến dạng dọc tắm theo cấp LUC ceeeccccccceeeesescccseeeeeeessseseeees 89Hình PL.2: Biểu đồ phân bố ứng suất va độ trượt theo chiều dai dán (nhóm

Hình PL.3: Biéu đồ phân bố ứng suất và độ trượt theo chiều dai dán (nhóm C45) 93Hình PL.4: Biểu đồ phân bố ứng suất và độ trượt theo chiêu dai đán 94

Bảng 2.1: So sánh thuộc tính của cốt sợi, keo và thép [giá trỊ điển hình theo CNRM2) 002031077 dẢ 5Bang 2.2: Tỉ số dị hướng tâm FRP một phương (CNR DT200, 2013) 6Bảng 2.3: Hệ số ảnh hưởng dài hạn (CNR DT200, 2013) 5-5- 25555: 10Bang 3.1: Thành phan cấp phối vật liệu cho 1 m? bê tông - 5-5-5 2 s+s+s2 25Bang 3.2: Thông số mẫu thí nghiệm - - SE ExEE SE eEEEeEeEeEerrerees 26Bang 3.3: Thông số thiết bị gia tải - - - s11 SE ExETnnnnnn H g g grrrku 31Bang 3.4: Kết qua thực nghi8m wo cecccscsecesscscecssssssssecscscsesecscscscscasavevsvevevseeeeen 49Bang 4.1: Mô hình ứng suất bám dính — trượt tong quát - - - - + +cscexecxe: 58Bang 4.2: Tinh toán và kiểm chứng công thức tinh ứng suất lớn nhất 59Bang 4.3: Tính toán và kiểm chứng công thức tính độ trượt tương ứng 66Bảng PL.1: Kết qua lực — bién dang (nhóm C 25) G6 6E +E£E£E+EeEsEsEerereei 87Bang PL.2: Kết quả lực — bién dang (nhóm C 45) G6 6x *E£E£E£EeEsEsEererees 87Bang PL.3: Kết quả lực — bién dang (nhóm C60) - 6 6E £E£E£EeEsEsEerereei 88Bang PL.4: Tham số va các yếu tố tương quan ¿6xx +E+E#EeEeEsrsrererees 95

Sp

taIt

Tmax

SO

M6 taBé rong mau bé tongBè rộng tam FRPTi số kế đến ảnh hưởng bề rộng tam FRP và bê tôngChiều dài đán tam CFRP

Module đàn hồi của keo epoxyModule đàn hồi của bê tôngModule đàn hồi theo phương sợi của tam FRPBiến dạng lớn nhất trong tam FRP

Cường độ chịu nén danh định của mẫu bê tông lăng trụCường độ chịu nén của mẫu bê tông lập phương

Cường độ chịu kéo chẻ của mẫu bê tông lập phươngỨng suất kéo tới hạn của tam FRP

Cường độ chịu kéo của keo epoxyCường độ chịu kéo chẻ đôi của mẫu bê tông lập phươngNăng lượng bóc tách

Tham số nhánh mềm hóa trong công thức PopovicLực kéo lớn nhất trong thí nghiệm kéo tĩnh

Ứng suất lớn nhất trong tam CFRPĐộ trượt tương ứng với ứng suất lớn nhất

Đơn vị[mm][mm]

[mm][GPa][GPa][GPa][he][MPa][MPa][MPa][MPa][MPa][MPa][N/mm][-]

[MPa][mm]

ACI American Concrete Institute — Viện bê tông Hoa KyBTCT Bê tông cốt thép

CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer — Tam gia cường sợi các-bonEB-FRP Externally Bonded FRP reinforcement — Gia cường FRP dan ngoàiFRP Fiber Reinforced Polymer — Vat liệu soi gia cường

NSM-FRP Near-Surface Mounted FRP reinforcement — Gia cường FRP dướiPTHH Phân tir hữu han

SSPO Single-shear pull-out test — Phương pháp thí nghiệm kéo trượt một matTCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Chuong 1 DAT VAN DECùng với sự phát triển nhanh chóng của đất nước, nhiều công trình mới liêntục được xây dựng nhằm phục vụ cho nhu cầu phát triển sản sản xuất, kinh doanh vàchỗ ở cho người dân Bên cạnh đó, các công trình hiện hữu cần được duy tu, sửa chữa,gia có và nâng cấp cũng là một nhu cau thiết thực va cấp bách Công tác duy tu, sửachữa hoặc gia cô này xuất phát không những từ những yếu tố chủ quan như sai sóttrong quá trình tính toán thiết kế, thay đối công năng sử dụng công trình, ma còn đến

từ nhiều yếu tô khách quan như sự xâm thực cua môi trường, động đất, cháy nô

Việc phá dỡ, xây mới thường rất tốn kém và có thể không phải là giải pháp phù hợpvề kinh tế trong nhiều trường hợp; đồng thời việc tìm kiếm một giải pháp kỹ thuậtgia có kết cầu mà không làm thay đôi kiến trúc, không quá phức tạp về mặt thi côngvà đặc biệt là tiết kiệm được chỉ phí và thời gian là thật sự cần thiết “Vật liệu polymercốt sợi gia cường” (Fiber Reinforced Polymer - FRP) với nhiều đặc tính nỗi trội nhưcường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn; kỹ thuật gia cường với vật liệuFRP không làm thay đổi kiến trúc, thi công đơn giản, tiết kiệm thời gian, hiện nayđược xem như một giải pháp hợp ly đáp ứng được những yêu cau đó

Nhiều nghiên cứu đều có chung quan điểm răng hiệu quả gia cường của vậtliệu FRP phụ thuộc rất lớn vào kha năng bám dính của vật liệu nay với kết cầu đượcgia cường, trong đó, tỉ số bề rộng tam dán FRP và bé rộng mẫu bê tông thí nghiệmbbe là một yếu t6 có ảnh hưởng đáng kế đến ứng xử bám dính của tam CFRP (Chenand Teng, 2001; Subramaniam et al., 2007; Lin et al., 2017; Neto et al., 2016) Tuynhiên, cho đến thời điểm hiện tại, chỉ có một số rất ít nghiên cứu tập trung vao tácđộng của bẻ rộng dán của tam FRP (Neto et al., 2016) Tam gia cường như tam CFRPthường là loại tắm trực hướng (theo phương sợi) nên theo phương còn lại, lưới sợithường có hiện tượng bị “tẻ ra” khi làm việc, đặc biệt khi bề rộng tắm CFRP lớn, xácsuất xuất hiện của hiện tượng này cảng cao và nó có thé ảnh hưởng bat lợi đến sự làmviệc của tam FRP Điều đáng nói rằng các nghiên cứu nêu trên chỉ thực hiện trên cácmẫu thực nghiệm chịu tải đơn điệu (tải tĩnh) Các nghiên cứu về ảnh hưởng của yếutố bề rộng tam dán FRP đến ứng xử bám dính của tam FRP hầu như chưa thay đượccông bố Thực tế này làm cho các hướng dẫn thiết kế gia cường kết cau sử dung vật

liệu FRP dán ngoài hiện nay như ACI 440.2R (2017) và CNR-DT200 (2013) van

chưa có các chỉ dẫn rõ ràng về trường hợp tải lặp Các công thức tính toán chủ yếuvan dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm tải tinh, cùng với các hệ số ảnh hưởng dàihạn định sẵn nếu không có số liệu thực nghiệm cụ thé (Daud et al., 2017) Trong khi,

dưới tác dụng của tải trọng lặp, hiện tượng biến dạng dư của lớp keo nền (chất kết

dính giữa tấm CFRP với bề mặt bê tông) có thé xảy ra do sự tích lũy biến dạng củalớp keo nền qua từng chu ky lặp; điều này gây nên sự gia tăng độ trượt của tam FRPvà làm suy giảm khả năng bám dính của nó Các vẫn đề vừa nêu trên cho thấy rất cầncó những nghiên cứu liên quan đến việc khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của bề rộngtam đến ứng xử bám dính của tm FRP, đặc biệt với kết cau gia cường chịu tai lặp;đồng thời cần thiết xem xét cả ảnh hưởng của tương tác giữa tim FRP và cường độbê tông đến khả năng bám dính nói riêng và hiệu quả gia cường của tấm FRP khi chịutải lặp.

Đề tài này khảo sát và phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của bề rộng tấmpolymer cốt sợi carbon (CFRP) và cường độ bê tông đến ứng xử bám dính của tamCFRP với bê tông dưới tác dụng của tải trọng tĩnh đơn điệu va tải trọng lặp Dựa trênkết quả thực nghiệm và mô hình lý thuyết từ một số nghiên cứu đã có, mô hình ứngsuất bám dính - trượt tong quát của tam CFRP với bê tông được thiết lập phục vụ chocông tác nghiên cứu và tính toán trong lĩnh vực gia cường va sửa chữa kêt câu BTCT.

Chương 2 TONG QUAN2.1 _ Giới thiệu về vật liệu polymer cốt sợi gia cường2.1.1 Sơ lược về vật liệu FRP

Vật liệu polymer cốt soi (Fiber Reinforced Polymer - FRP) là vật liệucomposite gồm hai thành phan chính là cốt sợi (reinforcement) và vật liệu nền (matrixmaterial) Sợi gia cường có thể là thủy tỉnh, carbon, aramid quyết định tính chất,cường độ của FRP Vật liệu nền thường làm từ nhựa polymer, ví dụ như epoxy Tùyvào nhu cầu sử dụng, vật liệu FRP có thể được sản xuất dưới dạng thanh hoặc tắm.Với đặc tính cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn vật liệu FRP thườngđược ứng dụng trong ngành chế tạo máy bay, ô tô, xây dung,

Vật liệu nền và chất kết dính trong vật liệu FRP là một loại nhựa polymer nhiệt

ran (resin) Tuy thudc vao nhu cau str dung, điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ âm, ),

các loại nhựa thường được sử dụng là Epoxy, Polyester Epoxy có đặc trưng khángâm, các chất hóa học, và có đặc tính kết dính tốt nên đây là loại nhựa thường được sửdụng nhất trong ứng dụng vật liệu FRP ngành xây dựng: Polyester có độ nhớt thấphơn so với nhựa epoxy, tính hoạt hóa cao, nhưng độ bên cơ học và đặc tính kết dínhthường thấp hơn so với các loại nhựa epoxy Chất kết dính liên kết vật liệu FRP vớivật liệu được gia cường và còn liên kêt các tâm FRP với nhau.

(a) (b (c)Hình 2.1: Một số dạng FRP thông dụng trong ngành xây dựng:

(a) dạng tâm; (b) dạng dải; (c) dạng thanh

Mặc dù chi phi san xuất cốt sợi va nhựa tương đối đắt so với các vật liệu truyềnthống như bê tông và thép, nhưng chi phí nhân công và thiết bị dé lap đặt hệ gia cườngFRP thường thấp hơn FRP thường được áp dụng trong các khu vực mà các kỹ thuậttruyền thống khó thực hiện Vật liệu FRP ngoài ưu điểm về cường độ, trọng lượng,khả năng chống ăn mòn ma còn đơn giản trong thi công, đảm bảo được tính thắm mỹ,tiết kiệm chỉ phí và thời gian hơn so với một số phương pháp truyền thống (căng saubên ngoài — external posf-tensioning, gia cường bằng bản thép, tăng kích thước tiếtdiện) hay thay thế, xây mới một kết cau.

Tam FRP cốt soi carbon (CFRP) thường được sử dụng rộng rãi trong công tác giacường cho kết cầu nhờ những tính chất nồi trội hơn so với các loại cốt sợi khác (Hình2.2 và Bảng 2.1) Soi carbon có module đàn hỏi va độ bên rất cao theo phương củasợi, nhưng thấp hơn nhiều theo phương ngang (ứng xử dị hướng) Sợi carbon có ứngxử phá hoại giòn với khả năng hấp thụ năng lượng tương đối thấp; tuy nhiên, giới hạnbền lớn hơn so với sợi thủy tinh và sợi aramid (Hình 2.3) Soi carbon ít nhạy với từbiến và mỏi, và độ bền kéo chỉ giảm nhẹ theo thời gian (CNR DT200, 2013)

S0004000 -

3000 F

Stress [MPa] 20001000 fF

Carbon (AS4)

⁄

Carbon (1300)Aramid

p

[Gpa] [Mpa] [2l [l0°°CT] [g/cm]

E-glass 70 — 80 2000 — 3500 3.5—4.5 5-—5.4 2.5— 2.6S-glass 85 — 90 3500 — 4800 4.5—5.5 16-2.9 2.46— 2.49Carbon 390-760 2400-3400 0.5 — 0.8 -1.45 1.85 — 1.9(high

modulus)Carbon 240-280 4100-5100 I.6— 1.73 -0.6—-0.9 1.75(high

strength)Aramid 62—180 3600-3800 1.9— 5.5 -2 1.44 — 1.47Polymeric 2.7—3.6 40 — 82 1.4-—5.2 30 — 54 1.10 — 1.25matrix

Thép 206 250-400 20—30 10.4 7.8

(yield)350-600

(failure)

Bang 2.2: Ti số di hướng tam FRP một phương (CNR DT200, 2013)

Ei/E Ei/Gi 6,,/6,, a,/a,S-Glass/epoxy 2.44 5.06 28.0 0.23E-Glass/epoxy 4.42 8.76 17.7 0.13

Carbon/epoxy 13.60 19.10 41.4 -0.07

Aramid/epoxy 15.30 27.80 26.0 -0.07

2.1.2 Bám dính giữa FRP và bê tôngQuan hệ bám dính của tâm FRP và bê tông là một yếu tố quan trọng trong kiểmsoát ứng xử chịu lực của kết cầu BTCT gia cường với vật liệu FRP (Yao et al., 2005).Gia cường kết câu với FRP đòi hỏi việc lựa chọn sử dụng chất kết dính phù hợp cũngnhư công tác xử lý bề mặt dựa trên cơ sở vật liệu cần gia cường (bê tông) và các thuộctính của loại FRP chuẩn bị triển khai Chất kết dính là một vật liệu có khả năng tạora liên kết giữa Ít nhất hai bề mặt và có thé chia sé tải trọng Có rất nhiều loại chất kếtdính tự nhiên và tong hợp như chất đàn hồi, nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt ran đơnhoặc 2 thành phần (mono/bi-component); keo dán phù hợp nhất cho vật liệu FRPdùng cho kết cầu thường dựa trên nhựa epoxy 2 thành phan Có rất nhiều ưu điểmtrong việc sử dụng chất kết dính so với sử dụng neo cơ khí, như khả năng liên kếtnhiều loại vật liệu khác nhau, cho độ cứng lớn hon, phân bố tải đồng đều và tránh tậptrung ứng suất tại lỗ neo Tuy nhiên, chất kết dính rất nhạy cảm với điều kiện môitrường, chăng hạn như độ âm và không thích hợp khi tiếp xúc với nhiệt độ cao

Chen and Teng (2001) phân loại nguyên nhân phá hoại của kết cau BTCT giacường với CFRP thành ba dạng chính: (’) mat bám dính giữa CFRP và bê tông: (ii)phá hoại lớp keo epoxy do ứng suất cắt quá lớn hon so với sức kháng cắt của epoxy;và (iii) CFRP bị đứt dưới tác dụng của tải trọng kéo dọc trục Tuy nhiên, CFRP bị đứtkhi chịu kéo dọc trục là rất hiếm xảy ra do thực tế CFRP có cường độ kéo dọc trụcrất cao Trong nhiều trường hợp, CFRP mắt bám dính với bề mặt bê tông hoặc mặttiếp xúc keo - bê tông đạt đến ứng suất cắt cực đại và bị phá hoại trước khi CFRP đút.Dang phá hoại có thé xảy ra nhất là dang (?) mat bám dính giữa CFRP và bê tông(Mertoglu et al., 2016).

CNR-DT200 (2013) phân loại kiểu phá hoại liên kết bám dính như sau (Hình 2.4):e Phá hoại lớp keo dán (Adhesive fracture): xảy ra tại mặt tiếp xúc giữa lớp chấtkết dính và vật liệu (gia cường hoặc được gia cường) Bề mặt phá hoại thường phăng.Kiểu phá hoại này thường do dùng chất kết dính không đúng:

e Phá hoại liên kết bám dính (Cohesive fracture): xảy ra bên trong một trong nhữngvật liệu tạo thành liên kết Bề mặt phá hoại có thé là phăng hoặc lởm chởm;

e Pha hoại hỗn hop (Mixed fracture): xảy ra đồng thời 2 kiểu phá hoại kế trên, pháhoại ở cả chất kết dính và liên kết bám dính Bề mặt phá hoại thường lởớm chởm

ADHEREND ADHEREND ADHEREND

————— — S= -> — -—-¬

ADHEREND ADHEREND ADHEREND

adhesive fracture cohesive fracture mixed fracture

Hình 2.4: Các kiểu phá hoại kết cau gia cường FRPTheo CNR-DT200 (2013), khi gia cường kết cầu BTCT bang vật liệu FRP, vai tròbám dính giữa bê tông và vật liệu FRP ảnh hưởng rất lớn đến độ dòn của phá hoại cơhọc do sự mat bám dính Theo đó, phá hoại cơ học không được xảy ra trước phá hoạiuốn hoặc cắt của kết câu được gia cường Với kết cầu chịu uốn gia cường tam FRPcó 4 dạng pha hoại như sau (Hình 2.5):

e Dang 1: Mất bám dính ở đầu tam FRP;e Dang 2: Mất bám dính giữa tam do vết nứt do uốn;e Dang 3: Mất bám dính do các vết nứt xiên;

e Dạng 4: Mat bám dính do bề mặt bê tông bị nhám, lom chom

Hình 2.5: Các dạng phá hoại kết cau BTCT gia cường FRP chịu uốnTheo ACI 440.2R (2017), sự phân bó thực tế của ứng suất bám dính trong tamFRP rất phức tap do bê tông bị nứt Hình 2.6 thể hiện sự phân bố của ứng suất catmặt tiếp xúc (Interfacial shear stress) và ứng suất dọc trục (Normal stress) dọc theochiều dài dán của tam FRP khi bê tông chưa nứt Tiêu chuẩn này dé cập hai dang pháhoại chính của kết cau gia cường như sau:

e Tấm FRP bị mất bám dính: xảy ra tại vùng có vết nứt do uỗn hoặc cat, gân vùngmoment cực đại Kiểu phá hoại này rất thường xuất hiện trong vùng có tỷ lệ lựccat/moment lớn

e Tâm FRP bị bóc tách ở phía đầu tam: do sự phát triển của ứng suất kéo trượt tạiđầu tắm FRP Tại đây nếu cốt thép không được cấu tạo hợp lý, còn có khả nănglớp bê tông bảo vệ bị tách ra dẫn đến sự bóc tách tam FRP khỏi kết cầu (Hình 2.7)

End of FRP laminate ‘ Centerline of beam

Interfacial shear stress

LÌ — FRP ¢

Hình 2.7: Kiểu phá hoại do lớp bê tông bảo vệ bị bóc tach (ACI 440.2R, 2017)Van đề xây dựng mô hình ứng suất bám dính — trượt cho liên kết FRP và bêtông là rất cần thiết để phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu cũng như việc thựchành tính toán của các kỹ sư Đã có rất nhiều mô hình được dé xuất từ các nghiên cứuđã có cho trường hợp tải trọng tĩnh (Hình 2.8) Ứng xử bám dính của liên kết FRP vàbê tông chịu tải trọng lặp đang được quan tâm trong những năm trở lại đây (Cruz etal., 2004; Dai et al., 2005: Ko and Sato, 2008; Carloni et al., 2012; Fernandes et al.,2014; Daud et al., 2015), nhưng mô hình bam dính cho trường hợp tải lặp hiện naycòn rât hạn chê.

g- —o— Nakaba et al 2001

6L —a— Monti etal 2003

—#— Savioa et al 2003Proposed, bilinear model, 2005—— Proposed, precise model, 2005

Theo CNR-DT200 (2013), hiéu suất lam việc của hệ gia cường FRP trong điều kiệnmỏi cần phải được xem xét kỹ lưỡng Hiệu suất này phụ thuộc tương đối vào thànhphan chất nền và loại cốt sợi Với tim FRP một chiều, cốt sợi thường có vài khiếmkhuyết; do đó ảnh hưởng đến khả năng ngăn cản sự hình thành vết nứt Để chống sựphá hoại do kết cầu gia cường FRP chịu ứng suất liên tục hoặc tải lặp chu kỳ, hệ sốảnh hưởng dài hạn, rị,, được đề xuất trong Bảng 2.3.

Bảng 2.3: Hệ số ảnh hưởng dài hạn (CNR DT200, 2013)Loại tải Loại soi/keo TìLiên tục Thủy tinh/Epoxy 0.30(từ biến và chùng ứng suất) Aramid/Epoxy 0.50

Carbon/Epoxy 0.80Lap (mỏi) Tat ca 0.50Theo fib Bulletin 14 (2001), vật liệu composite một phương, chang han nhu CFRP,thé hiện hiệu suất chịu mỏi vượt trội so với thép Nhiều nghiên cứu đã chi ra rang cácyếu tô chỉ phối mỏi của dầm gia cường FRP là do sự mỏi của cốt thép Do đó, cácđiều khoản của thiết kế kháng mỏi cho dầm gia cường CFRP cũng tương tự như trongdầm không gia cường

Theo ACI 440.2R (2017), ứng suất trong tâm CFRP trong kết cau chịu tải lặp cầnđược giới hạn khoảng 60-70% giới hạn bền của trường hợp tải tĩnh để tránh hiệntượng mỏi trong tam

2.2 Tình hình nghiên cứu2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới2.2.1.1 Ung xử bám dinh dưới tác dụng của tải tinh (monotonic loading)

Chen and Teng (2001) thực hiện kiểm chứng các mô hình bám dính của liên kếtFRP với bê tông hiện có với số liệu thực nghiệm thu được từ các nghiên cứu đã đượccông bố Các tác giả chỉ ra thiếu sót của các mô hình hiện nay va dé xuất một mô hìnhđơn giản và hợp lý mới được dựa trên phân tích cơ học rạn nứt và khảo sát thựcnghiệm Mô hình dé xuất công thức tính cường độ bám dính cực hạn (?„) phụ thuộcvào kích thước, cường độ bê tông, kích thước tam FRP và chiều dai bám dính hiệuquả (L-) Công thức xác định cường độ bám dính của Chen and Teng (2001) có dạngnhư sau:

P.=0.4278,8,4|1.b,1, (2.1)

Trong đó:Le= chiêu dài bám dính hiệu quả, = |—==: (2.1.a)

Vi

"m me NT +b, /b,

1 L>LB, = hệ số chiều dai dan, = in aL LeL, (2.1.c)Nakaba et al (2001) va Dai et al (2005) chi ra rang bên cạnh thuộc tính của bê tông,thuộc tính của FRP và chất kết dính cũng ảnh hưởng lớn đến cường độ bám dính mặttiếp xúc Nhìn chung, khi sử dụng tắm FRP có độ cứng dọc trục cao hơn và độ cứngkeo trung bình có thể làm tăng cường độ bám dính Dai et al (2005) đã đề xuất mộtphương pháp phân tích mới dé xác định mô hình ứng suất bám dính — trượt phi tuyếntại mặt tiếp xúc giữa tam FRP và bê tông thông qua thí nghiệm pull-out Phương phápnày không cần đặt quá nhiều cảm biến trên tam FRP mà chỉ phân bố ở những vi tricó ứng suất và trượt cục bộ, xác định từ quan hệ giữa luc pullout và trượt tai vi trí đặttải Hai tham số quan trọng trong mô hình nảy là năng lượng phá hoại mặt tiếp xúc

(Interfacial fracture energy) va chi số dẻo mặt tiếp xúc (Interfacial ductility index) cóthé đưa vào tinh toán tác động của tất cả các thành phan mặt tiếp xúc.

2.2.1.2 Ứng xử bam dính dưới tác dung của tải lặp (cyclic loading)Cruz et al (2004) nghiên cứu ứng xử bám dính của tam CFRP dán kiểu NSM khichịu tải tĩnh và tải lặp Nghiên cứu chi ra yếu tố chiều dài dán tâm CFRP Ls (bondedlength) ảnh hưởng lớn đến cường độ bám dính, ứng suất kéo trong tắm, lực trượt đầutam; đường bao của đồ thị quan hệ ứng suất bám dính — trượt trường hop tải lặp códạng tương đồng với trường hợp tải tĩnh (Hình 2.9)

Loaded end slip (mm) Loaded end slip (mm)

Hinh 2.9: Biảu đồ quan hệ ứng suất bám dính — chuyên vi trượt:

(a) tải đơn điệu; (b) tải lặpKo and Sato (2007) tiến hành thí nghiệm trên 54 mẫu chịu tải trọng lặp dé nghiên cứumối quan hệ ứng suất bám dính — trượt giữa tam FRP và bê tông Mô hình ứng suấtbám dính — trượt được dựa trên hàm của Popovics với 7 tham số thực nghiệm: ứngsuất bám dính cực đại Tay › biến dạng trượt tương ứng s hăng số dạng đồ thị a, độmax 2cứng khi chưa có tải K, biên dạng trượt cực hạn s, ứng suât ma sát Tạ, › ứng suât masat Amt, Phân tích sô được thực hiện đê kiêm chứng mô hình và so sánh với kết quathực nghiệm.

L ð _ _ Ttì FRP sheet š

Concrete y

' | Tip > |

(a) (b)Hình 2.10: Nghiên cứu của Ko and Sato (2007)(a) Phần bô ứng suât bám dính, trượt, biên dạng trong tâm FRP(b) Mô hình chu ky trê của quan hệ ứng suât bám dính — độ trượtYun et al (2008) thực hiện nghiên cứu và so sánh ứng xử bám dính của vật liệu FRPvới bê tông dưới tác động của tải trọng gây mỏi Nghiên cứu thực hiện so sánh trênnhiều dạng liên kết như dạng dán ngoài externally bonded FRP (EB-FRP), near-surface mounted FRP (NSM-FRP), loại neo sợi fiber anchored FRP (FB-FRP) và mộtloại mới được phát triển là hệ hỗn hợp hybrid bonded FRP (HB-FRP)

Hình 2.11: So sánh ứng xử trượt của các kiểu gia cường tam FRP

dưới tác dụng tải lặp (Yun et al., 2008)Nigro et al (2011) thực hiện thí nghiệm single-shear test mẫu bê tông gia cường tam

CFRP dưới tác động tai tinh đơn điệu và lặp Kết quả từ thực nghiệm được so sánh

với các tiêu chuân ACI 440.2R (2017); CNR-DT200 (2013); fib Bulletin 14 (2001).Tác giả kết luận rằng ảnh hưởng của một vài chu kỳ tải có biên độ lên đến 70% củaPz„„ là không đáng kế đối với độ cứng và cường độ bám dính của tam CFRP (kế cảchiều dài dán dài hơn hay ngăn hon so với tính toán lý thuyết); các công thức dự đoánchiều dài dán hiệu quả trong các tiêu chuẩn phù hợp với kết quả thực nghiệm cho tam

bề rộng 50 mm nhưng không chính xác cho tam bé rộng 100 mm Chiêu dài bám dínhhiệu quả Le thu được từ thực nghiệm cho tắm bề rộng 100 mm (khoảng 150 mm) thấphơn của lý thuyết (giữa 227 và 320 mm).

FRP laminate/sheet

Concrete

le

Hình 2.12: Mẫu thí nghiệm của Nigro et al (2011)

(a) Mau thí nghiệm; (b) Sơ do bô tri cảm biên (strain gauges)Fernandes et al (2014) nghiên cứu ứng xử bám dính và uốn của hệ gia cường CFRPdạng NSM dưới tác dụng của tải trọng gây mỏi Kết quả từ thí nghiệm pull-out chothay, phá hoại do mat bám dính giữa lớp keo va tâm xảy ra khi đạt khoảng 60% ứngsuất mỏi lớn nhất Ở mức 50% ứng suất mỏi lớn nhất các mẫu chưa bị phá hoại saukhi đã đạt 3 triệu chu kỳ Các tam san BTCT được gia cường thanh CFRP có độ võnggiữa nhịp thấp hơn va có độ cứng lớn hơn so với tam sàn không được gia cường khikết thúc 2 triệu chu kỳ Sau khi chịu tải mỏi, các tam sàn được chất tải tĩnh và khảosát ứng xử sau lặp Nghiên cứu kết luận răng sự tích lũy thiệt hại do các chu kỳ tảimỏi không anh hưởng đến khả năng cực hạn của san gia cường NSM-CERP

2.2.1.3 Anh hưởng của bê rộng tamSubramaniam et al (2007) nghiên cứu ảnh hưởng của bé rộng tam CFRP đến khảnăng chịu lực của kết cấu gia cường Các tác giả sử dụng kỹ thuật xử lý hình ảnh(digital image correlation - DIC) để khảo sát sự lan truyền vết nứt va phân bồ biếndạng trong suốt quá trình bong tách Một số kết luận từ nghiên cứu:

- _ Có sự chênh lệch ứng suất cat lớn (high shear gradients) theo phương ngangcủa tâm CFRP, đặc biệt là vùng biên của tắm Bè rộng vùng biên gân như hăng số theoquá trình bong tách và không đổi theo bề rộng tam CFRP;

- _ Bê rộng phan trung tâm tăng khi bề rộng tam tăng Vì bề rộng vùng biên làkhông đổi, sự gia tăng ứng suất khi bể rộng tam tăng được giải thích bởi sự tăng củavùng trung tâm mà chủ yếu là do sự truyền ứng suất giữa các thành phần dán;

- Các đặc tính phá hoại được xác định từ phan trung tam tắm xa vùng biên đượctim thay hầu như không đối, độc lập với bề rộng tam CFRP;

- _ Bề rộng bê tông lớn hơn bẻ rộng tấm cho phép thiết lập đầy đủ vùng biên, sựgia tăng bề rộng FRP sẽ làm tăng khả năng chịu lực

Subramaniam et al (2011) chỉ ra rang ứng suất bám dính tăng khi tỉ số bề rộng tamCFRP-bé tông tăng Ứng suất bám dính nhỏ hơn với mẫu có bề rộng tam lớn hơn.Một vùng có bề rộng không đổi với biến dạng lớn được thấy ở biên tấm CFRP trongquá trình bong tách Khi tỉ số bề rộng tam CFRP-bé tông nhỏ hon 0.5 Sự tham giangăn can bién dạng của bê tông tăng theo bề rộng tam FRP Cac tác giả rút ra một sốkết luận sau:

- Hinh dạng của đồ thị đồ thị tải trọng — biến dạng giống nhau ở tất cả các mẫu.Với cùng bề rộng mẫu bê tông, ứng suất bong tách tăng khi bề rộng tâm FRP tăng:

- _ Biến dạng của tam CFRP theo phương bề rộng của mẫu cho thấy sự hiện diệncủa các vùng biên được đặc trưng bởi sự chênh lệch ứng suất cat lớn ở cả chiều dọcvà chiều ngang của tam Các vùng biên mở rộng từ giữa tam CFRP ra đến vùng bêtông liền kề Chiều rộng của vùng biên gần như không đổi trong suốt quá trình bongtách Mặt tiếp xúc CFRP-bé tông ngay tại các vùng biên có kiểu phá hoại hỗn hop;

- _ Biến dạng của tam CFRP xa vùng biên dan trở nên đơn hướng Bé rộng tamCFRP tăng kéo theo bé rộng phan trung tâm của tam CFRP tăng:

- Ung suất tai thoi điểm bong tách tăng khi bề rộng FRP tăng được giải thíchbởi sự phát triển của vùng trung tâm (rộng hơn), mà chủ yếu là do sự truyền ứng suấtgiữa các thành phần dán;

- _ Khi bề rộng mẫu bê tông lớn hơn cân thiết, bề rộng tam CFRP tăng làm tăngkhả năng chịu lực; khi bề rộng tam CFRP không đổi, ứng suất bong tách thấp hơn khibề rộng mẫu bê tông lớn hơn;

- Ung suất bám dính cực hạn giảm khi bề rộng mẫu bê tông tăng: điều này cóthể được giải thích là do vùng trung tâm tâm CFRP bị suy giảm

Neto et al (2016) đề xuất một phương pháp phân tích dựa trên mô hình phần tử hữuhạn 3 chiều để xác định chiều rộng ảnh hưởng của vị trí truyền ứng suất giữa CFRPvà bê tông, từ đó đánh giá ảnh hưởng của bé rộng của mặt tiếp xúc bê tông-CFRP đếncường độ bám dính Một số thực nghiệm được sử dụng để hiệu chỉnh các mô hình vậtliệu, xác định số lượng các thông số vật liệu làm cơ sở tham khảo cho nghiên cứunày Tác giả nhận định: (?) néu chiều rộng bê tông lớn hơn chiêu rộng tam CFRP dán,biến dạng cắt phân bố không đồng đều trong bê tông phát triển ở cả khu vực bên trongvà bên ngoài chiều rộng dán tam CFRP; và (i) ảnh hưởng của yếu tố chiều rộng bêtông tăng theo sự gia tăng của bề rộng mẫu bê tông cho đến một giá trị cực đại Vớimột chiều rộng bê tông đủ lớn, chiều rộng ảnh hưởng (ð„) được giới hạn bởi giá tri,bing lim, tùy thuộc vào bề rộng của tam CFRP

br f be

Dine — Dine tim 7 (b.,:i, 7 b, Jel ne 5 = b, (2.2)

Các tham số của công thức (2.2) được thé hiện trên Hình 2.13

b.

| L† 4}

Hình 2.13: Chiều rộng anh hưởng của bê tông (Neto et al., 2016)

Lin et al (2017) cho rằng hệ số bề rộng là một thông số quan trọng thé hiện kha năngbám dính của liên kết tam FRP-bé tông Hệ số nay phản ánh trực tiếp cường độ bámdính do sự thay đôi bề rộng mẫu với một bề rộng nhất định của tâm trong thí nghiệmkéo trượt Tuy nhiên tôn tại những sự phân tán đáng chú ý trong các kết quả thựcnghiệm ảnh hưởng bất lợi cho hệ số bề rộng thu được từ thực nghiệm Một phân tíchchỉ tiết về hệ số bề rộng được tiễn hành bang cách sử dung FEM kết hợp lý thuyếtđàn hồi, từ đó đề xuất một mô hình mới cho hệ số bề rộng của liên kết FRP-bê tông.Hệ số bé rộng được tìm thay là một hàm của không chỉ của bề rộng tam FRP và bêtông mà còn của cường độ bê tông và độ cứng tam Thấy răng hầu hết các mô hìnhhệ sô bê rộng hiện tại có thê đánh giá chưa sát, thậm chí quá cao ảnh hưởng bê rộng.

P FEMb= 150

lok oy MU _® ®*®*® Neubauer and Rostasy [5,23]

aan be —— + Brosens and Van Gemert [19]_ a CC | - |“ Chen and Teng [6]

= pe —- Luetal [8]« 16h 0" > =“= — Wuand Jiang [11

& | eS Ce Wu anc Jiang [11]

2.2.2 Tinh hình nghiên cứu ở Việt Nam

Việc ứng dụng kỹ thuật gia cường kết cau bê tông cốt thép bang vật liệu FRPđã và đang phát triển tại Việt Nam trong những năm vừa qua Tuy nhiên, số lượngnghiên cứu được công bồ về ứng xử trong trường hop tải lặp còn rất hạn chế

Nguyễn-Hùng và Phạm-Quang (2013) nghiên cứu thực nghiệm dùng tâm carbon,aramid, thủy tinh, gia cường nham tăng kha năng kháng chan cho cột BTCT Kếtquả cho thay tam sợi gia cường làm tăng tính dẻo cho cột Độ dẻo này phụ thuộc vaohàm lượng, cường độ và kha năng biến dạng của tâm FRP va lực bám dính giữa tamFRP với bề mặt bê tông

N.P.T Minh (2015) thực hiện thí nghiệm khảo sát và đánh giá ảnh hưởng tương táccủa cường độ bê tông và chiều dai dan của tam FRP đến ứng xử bám dính trượt giữatắm FRP và bê tông Kết quả cho thấy cường độ bám dính lớn nhất giữa tâm CFRPvà bê tông năm trong khoảng 3.32 MPa đến 4.15 MPa; khi tăng cường độ bê tông từ31 MPa đến 92.7 MPa, cường độ bám dính lớn nhất tăng 25% và biến dang lớn nhấttăng 54%.

Nghiên cứu của Trần-Quốc và Nguyễn-Minh (2015) chỉ ra rằng cường độ bám dínhvà độ trượt tương ứng giữa bề mặt tắm FRP và bê tông tăng khi cường độ bê tôngtang, sự gia tăng này không tuyến tính Mô hình ứng suất bám dính — trượt dé xuấttrong nghiên cứu này dự đoán cường độ bám dính phù hợp với kết quả thực nghiệmthể hiện qua giá trị trung bình (Mean) và hệ số biến thiên tương ứng (COV) của tỷSỐ (Tmax.pred / Tmax.exp) lần lượt là 1.17 và 0.34, 1.09 và 0.35 Mô hình dé xuất đã kếđược ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tô như cường độ, độ cứng tam FRP và củalớp keo dán, tỉ số của bề rộng tâm FRP trên bề rộng của mẫu bê tông

Nguyễn-Hữu va cộng sự (2015) nghiên cứu các yếu tổ ảnh hưởng hiệu quả gia cườngdầm BTCT băng vật liệu FRP Cac tác giả nhận định hiệu qua gia cường phụ thuộcrất lớn vào đặc tính cơ học của vật liệu gia cường va chat luong bé tong bề mặt củacầu kiện được gia cường Điều này cho thấy, trong công tác gia cường dầm băng vậtliệu FRP, can lưu ý việc xử lý bề mặt liên kết, nói chung khi gia cường dầm bang vậtliệu FRP thì cường độ bê tông nên lớn hơn 15 MPa thì mới có hiệu quả Mặt kháccũng cần phải lựa chọn loại vật liệu FRP phù hợp với đặc điểm chịu lực của dầm

Hiệu quả tăng cường khả năng chịu uỗn theo

cường độ bê tông dâm + Héu qua gia cường M%

10 15 20 25 30 35 4ö 50 60 70 80

f'c(Mpa)

Hình 2.15: Hiệu qua gia cường kha nang chịu uốn theo cường độ

bê tong, Nguyên-Hữu và cộng sự (2015)(Tran-Quéc, 2014) dé xuất hai mô hình ứng suất bám dính — trượt gồm mô hình tongquát và mô hình đơn giản dự đoán cường độ bám dính Các mô hình đề xuất đã kéđược ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tô như cường độ, độ cứng tam FRP và củalớp keo dán, tỉ số của bề rộng tấm FRP trên bề rộng của mẫu bê tông Bên cạnh đó,kết qua mô phỏng thí nghiệm kéo trượt tấm FRP dùng phan tử liên kết mat sử dụngphân mềm ABAQUS cho kết quả phù hợp với thực nghiệm Tải trọng lớn nhất thuđược từ mô hình không có chênh lệch đáng kế với kết quả từ 14 mẫu thực nghiệm,thé hiện qua giá trị trung bình (Mean) và hệ số biến thiên tương ứng (COV) của tỷ số(Pmaxpred / Pmax.exp) là 1.03 và 0.11 Mô hình PTHH có xét đến quan hệ bám dính —trượt của tam FRP thông qua phan tử liên kết mặt đã mô phỏng ứng xử cắt của dầmBTCT gia cường tam FRP dạng U khá tương đồng với ứng xử của 14 mẫu dầm thựcnghiệm thé hiện qua giá trị trung bình (Mean) va hệ số biến thiên tương ứng (COV)cua ty số lực phá hủy (Pmax.pred/ Pmax.exp) là 1.08 và 0.09; giá trị trung bình (Mean) vahệ số biến thiên tương ứng (COV) của tỷ số chuyển vị (Smax.prea/ Smax.exp) là 1.09 và0.15; giá trị trung bình (Mean) và hệ số biến thiên tương ứng (COV) của tỷ số biếndạng tam (£rmax.pred / £rmax.exp) là 1.05 và 0.44 Ngoài ra, mô hình PTHH đã dự đoánkhá chính xác hiệu quả gia cường kháng cat của dầm gia cường tam FRP với mức độchênh lệch chỉ 6.6% so với thực nghiệm.

Huỳnh-Nguyên (2017) xây dựng mô hình ứng suất bám dính — độ trượt dựa trên sốliệu thực nghiệm trong các điều kiện môi trường xâm thực khác nhau và phân tích

lam rõ ảnh hưởng của yêu tô môi trường dén ứng xử bám dính của tam CFRP với bêtông (Hình 2.16).

0 0.1 Chit 0.3 0.41 s (mm)

Đôi chứng không ngâm ` **+++“*+**s+* t= 30 ngày

— — —t=120 ngày (c) °—- t= 150 ngay— — t= 180 ngay

= Tôn tại sự phân tán trong các nghiên cứu ứng xử bám dính; nhận định chungcủa nhiều nghiên cứu là các mô hình ứng suất bám dính — trượt hiện có đều cho kếtquả tương đối lệch so với thực nghiệm, đặc biệt là giá trị độ trượt tương ứng với ứngsuất bám dính lớn nhất;

= Nhu cầu về gia cường cho kết cau chịu tải lặp rất nhiều nhưng các điều khoảntrong các tiêu chuẩn hay hướng dẫn thiết kế chưa rõ ràng và thường dựa trên tính toáncho tải tinh Các hệ số kế đến sự làm việc theo thời gian chưa đủ độ tin cậy, gây lãngphí hoặc thậm chí thiếu an toàn trong nhiều trường hop;

= SỐ lượng nghiên cứu dựa trên thực nghiệm về ứng xử bám dính khi chịu tảilặp còn hạn chế nên chưa có nhiều mô hình bám dính — trượt đủ độ tin cậy phục vụcho công tác tính toán thiệt kê và các nghiên cứu về sau.

2.4 Muc tiêu nghiên cứu

Dựa trên những phân tích đã nêu, đề tài nghiên cứu đề ra những mục tiêu cụthể như sau:

O Khao sát va làm rõ ảnh hưởng của của bề rộng tam CFRP và cường độ bê tôngđến cường độ bám dính và độ trượt của tắm với bê tong;

L1 Xây dựng mô hình quan hệ giữa ứng suất bám dính — trượt của tam CFRP vớibê tông có xét đến các yếu tố về bề rộng tam dán và cường độ bê tông; và kiểm chứngmức độ chính xác của m6 hình;

[1 Đánh giá anh hưởng tải trọng lặp của đến ứng xử bám dính giữa tam CFRP vabê tông.

2.5 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu2.5.1 Y nghĩa khoa học

Ứng xử bám dính của vật liệu FRP nói chung và CFRP nói riêng là nội dungquan trọng trong việc nghiên cứu ứng xử của kết cau gia cường Sự mat bám dínhxảy ra khi vật liệu chưa phát huy hết khả năng làm việc của nó gây lãng phí rất lớn.Tuy số lượng nghiên cứu về ứng xử bám dính của vật liệu CFRP rất nhiều nhưngnhững nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của bề rộng tam, đặc biệt trong điều kiệntải lặp van còn rất khan hiém và chưa day đủ Các nghiên cứu thực nghiệm sử dụngtam CFRP với bề rộng thường nhỏ hơn 100 mm, tuy nhiên, trên thực tế, kết cầu giacường dán ngoài (externally bonded CFRP) thường sử dụng tâm khổ lớn, ứng xử bámdính khi đó phức tạp hơn khi diện tích dán tắm lớn Các kết quả đạt được từ nghiêncứu được kỳ vọng giúp làm rõ hơn ảnh hưởng của bề rộng tắm, cũng như tương tácgiữa tam CFRP với cường độ bê tông đến ứng xử bám dính của tâm và cấu kiện đượcgia cường trong hai điều kiện tải trọng tĩnh và tải trọng lặp Ngoài ra, mô hình bámdính — trượt dé xuất trong nghiên cứu nay có xét thêm ảnh hưởng đồng thời của cườngđộ bê tông và bé rộng tam CFRP có thé giúp cho công tác mô phỏng ứng xử va dựđoán khả năng chịu lực của cau kiện BTCT gia cường tam CFRP được day đủ và toànđiện hơn.

2.5.2 Y nghĩa thực tiễn

Đề tài này cung cấp các kết quả trực quan và thông tin cụ thể về ứng xử bámdính của tam CFRP với bê tông, giúp cho các kỹ sư có cái nhìn đầy đủ và rõ ràng hơnvề sự làm việc của tim CFRP, đặc biệt khi cấu kiện gia cường chiu tác dung của tảitrọng lặp Ngoài ra, mô hình bám dính được dé xuất trong dé tài này có thé hỗ trợ đắclực cho các kỹ sư trong công tác tính toán thiết kế và mô phỏng ứng xử của cau kiệnhoặc kết cầu gia cường tam CFRP

2.6 Nội dung nghiên cứuĐề tài thực hiện các nội dung sau:

e Xây dựng chương trình thực nghiệm trên 12 mẫu bê tông dán tam gia cườngCFRP với 3 kích thước bề rộng tam và 3 cường độ bê tông khác nhau, chiathành 2 tổ hợp: 9 mẫu chịu tải trọng tĩnh và 3 mẫu chịu tải trọng lặp;

e Phan tích ảnh hưởng của yếu tố bể rộng tam CFRP và cường độ bê tông đếnbiến dạng, khả năng bám dính và độ trượt của tắm CFRP chịu tải trọng đơnđiệu;

e _ Xây dựng mô hình ứng suất bám dính - trượt (bond stress — slip model) có xétđến ảnh hưởng của bé rộng tam CFRP và cường độ bê tông va kiếm chứngmức độ chính xác của mô hình này dựa trên kết quả thực nghiệm;

e Khao sát ứng xử bám dính của tm CFRP chịu tác dụng của tải trọng lặp, đánhgiá ảnh hưởng của bê rộng tâm dán đên ứng xử này.