Luận án tiến sĩ độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP)

TÓM TẮT NHỮNG KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN1. Xây dựng phương pháp luận tính toán độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm CFRP dán ngoài trên cơ sở mô hình sức kháng theo ACI 440.2R08.2. Xây dựng Chương trình 2TKN bằng ngôn ngữ lập trình VBA trên nền Microsoft Excel cho phép xác định chỉ số độ tin cậy, b, của mặt cắt chữ nhật dầm BTCT chịu uốn được tăng cường bằng tấm CFRP dán ngoài.3. Các kết quả đạt được bằng thực nghiệm trong phòng và hiện trường:· Xác định các tham số thống kê do ảnh hưởng của phương pháp phân tích đến sức kháng uốn của dầm BTCT chịu uốn được tăng cường bằng tấm CFRP dán ngoài theo mô hình sức kháng của ACI 440.2R08: µP=1.14 và COVP=11.8% bằng thí nghiệm uốn phá hoại 8 dầm mặt cắt chữ nhật.· Xác định mô hình phân bố và giá trị của các tham số thống kê của: Chiều rộng và chiều cao mặt cắt ngang giữa nhịp; và cường độ chịu nén của bê tông dầm cầu Trần Hưng Đạo. Cường độ chảy cốt thép cầu cũ bằng thí nghiệm kéo mẫu thép lấy từ cầu Bông. Cường độ chịu nén bê tông tuổi 28 ngày và cường độ chảy của cốt thép của các mẫu bê tông và cốt thép lấy từ 8 dầm thí nghiệm. Cường độ chảy của cốt thép thông qua 410 mẫu thép tại các dự án ở Việt Nam.4. Các kiến nghị khi phân tích bằng định lượng chỉ số độ tin cậy từ kết quả khảo sát bằng Chương trình 2TKN:· Chỉ nên sửa chữa tăng cường chịu uốn dầm BTCT có tỷ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo trên hàm lượng cốt thép cân bằng của mặt cắt nằm trong khoảng 0.2 đến 0.5.· Có thể dùng hệ số chiết giảm cường độ tấm CFRP bằng 0.9 cho tính toán mặt cắt dầm BTCT tăng cường bằng tấm sợi CFRP trong trường hợp tỷ lệ mô men hoạt tải trên tĩnh tải không lớn hơn 1.0.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Ngô Thanh Thủy

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận án Tiến

sĩ Kỹ thuật “Độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường

bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP)”;

Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Công Trình - Bộ môn Cầu hầm - Trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Phòng Thí Nghiệm Kết cấu công trình- Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, toàn thể quý thầy cô và các cán

bộ quản lý đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập

và hoàn thành luận án này;

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Đức Nhiệm, PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên

cứu đề tài, hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn

Hà Nội, ngày 14 tháng 03 năm 2015

Tác giả

Ngô Thanh Thủy

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục hình ảnh vi

Danh mục bảng biểu ix

Các chữ viết tắt xi

Các ký hiệu xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CÓ SỬ DỤNG FRP 5

1.1 Sơ lược lịch sử ứng dụng FRP trong sửa chữa tăng cường kết cấu 5

1.2 Các đặc tính cơ bản của FRP 8

1.2.1 Các tính chất vật lý của vật liệu polymer cốt sợi FRP 8

1.2.2 Cường độ chịu kéo 9

1.2.3.Các tính chất dài hạn 9

1.2.4 Độ bền 10

1.3 Các ứng dụng của FRP 10

1.3.1 FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu 10

1.3.2 FRP làm cốt cho bê tông 12

1.3.3 FRP làm kết cấu chịu lực chính 14

1.4 Các Hướng dẫn hiện hành cho thiết kế kết cấu có sử dụng FRP 15

1.4.1 Các hướng dẫn thiết kế mặt cắt BTCT tăng cường bằng tấm sợi FRP 16

1.5 Độ tin cậy của kết cấu công trình 19

1.5.1 Khái niệm độ tin cậy 1.5.2 Cơ sở đánh giá độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi carbon 20

1.5.3 Chỉ số độ tin cậy 24

1.5.4 Phương pháp phân tích đặc trưng thống kê 28

1.6 Phân tích, đánh giá một số công trình nghiên cứu liên quan 31

1.8 Mục tiêu của đề tài 38

1.9 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 39

Kết luận chương 1 43

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY  CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG CFRP TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH SỨC KHÁNG THEO ACI 440.2R-08 41

2.1.Các tính chất thống kê của đặc trưng hình học và vật liệu 41

2.2 Miền nghiên cứu của sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP 44

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP 44

2.4 Mô hình tải trọng 47

2.5 Phân tích chỉ số độ tin cậy 48

2.5.1 Xây dựng hàm trạng thái 48

2.5.2 Xây dựng chương trình phân tích chỉ số độ tin cậy β của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP 49

2.5.3 Kết quả phân tích và nhận xét 59

2.6 Kết quả chương 2 78

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM BTCT CHỊU UỐN ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON 80

3.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 80

3.2 Địa điểm thực nghiệm 80

3.3 Các thí nghiệm vật liệu 81

3.3.1 Thí nghiệm Bê tông 81

3.3.2 Thí nghiệm cốt thép 84

3.3.2 Thí nghiệm kéo tấm FRP 85

3.4 Các đặc trưng hình học của mẫu dầm thí nghiệm 86

3.5 Tiến hành thí nghiệm 88

3.5.1 Chuẩn bị bề mặt bê tông và tấm CFRP 88

3.5.2 Dán tấm CFRP 88

3.5.3 Bố trí thiết bị đo đạc 89

3.5.4 Quy trình thí nghiệm 89

3.5.5 Kết quả thí nghiệm 90

3.6 Nhận xét về kết quả nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT tăng cường bằng

tấm sợi carbon 100

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM CẦU TRẦN HƯNG ĐẠO CHỊU UỐN ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON 102

4.1 Mục tiêu của thực nghiệm cầu Trần Hưng Đạo 102

4.2 Địa điểm thực nghiệm 102

4.3 Hiện trạng công trình trước sửa chữa nâng cấp 103

4.4 Sửa chữa nâng cấp 104

4.5 Kiểm định sau khi sửa chữa nâng cấp 104

4.6 Xác định các thông số tính toán mặt cắt giữa nhịp 105

4.6.1 Kích thước hình học của mặt cắt 105

4.6.2 FRP 110

4.6.3 Vật liệu bê tông 111

4.6.4 Vật liệu thép 113

4.6.5 Hoạt tải 114

4.6.6 Tĩnh tải 116

4.7 Tính toán và phân tích độ tin cậy chịu uốn cho mặt cắt giữa nhịp 116

4.8 Kết luận về nghiên cứu ứng dụng đối với cầu Trần Hưng Đạo 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của các loại FRP 9

Hình 1-2 Đường cong tuổi thọ mỏi của các loại FRP với các loại sợi khác nhau 10

Hình 1-3 FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu 11

Hình 1-4 FRP làm cốt cho bê tông 12

Hình 1-5 FRP dạng thanh hoặc bó dự ứng lực 13

Hình 1-6 FRP dạng ván khuôn giữ lại trong kết cấu 13

Hình 1-7 FRP làm kết cấu chịu lực chính 14

Hình 1-8 Kiểu phá hoại theo ACI 440.2R-08 19

Hình 1-9 Biểu đồ các hàm phân phối xác suất của sức kháng R, hiệu ứng tải S và lượng dự trữ an toàn G 24

Hình 2-1.Sơ đồ khối chương trình 51

Hình 2-2 Khối CI 52

Hình 2-3 Khối CIIa 53

Hình 2-4 Khối CIIb 54

Hình 2-5 Khối CIII 55

Hình 2-6 Khối CIV 56

Hình 2-7 Giao diện Nhập các số liệu thông số bê tông 57

Hình 2-8 Giao diện Nhập các số liệu thông số FRP 57

Hình 2-9 Giao diện Nhập các số liệu thông số thép 58

Hình 2-10 Giao diện Nhập các số liệu đặc trưng hình học 58

Hình 2-11 Giao diện Nhập các số liệu tải trọng 59

Hình 2-12 Giao diện Tính toán chỉ số độ tin cậy β 59

Hình 2-13 Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β 61

Hình 2-14 Các trường hợp ứng suất sử dụng trong cốt thép không đạt yêu cầu 61

Hình 2-15 Phân bố xác suất dạng đồ thị và dạng cột của mặt cắt 6 62

Hình 2-16 Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β0 64 Hình 2-17 Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρs/ρbl và ML/MD 65

Hình 2-18 Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρs/ρbl và ML/MD 67

Hình 2-19 Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρs/ρbl và MPH 70

Hình 2-20 Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu

β với các biến ρs/ρbl và MPH 67

Hình 2-21 So sánh β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD 68

Hình 2-22 Sự khác biệt ∆β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD 69

Hình 2-23 Sự khác biệt ∆ĐTC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD 69

Hình 2-24 Sự khác biệt ∆βψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD và ρs/ρbl 70

Hình 2-25 Xác suất xuất hiện giá trị β > 3.5 với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 70

Hình 2-26 Khác biệt xác suất xuất hiện giá trị β>3.5 với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 71

Hình 2-27 So sánh β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến MPH 72

Hình 2-28 So sánh β trung bình vớiψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến MPH 72

Hình 2-29 So sánh β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP 73

Hình 2-30 So sánh β trung bình vớiψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP 73

Hình 2-31 So sánh %TC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP (MC 1-8) 75

Hình 2-32 So sánh %TC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP (MC 9-16) 76

Hình 2-33 Sự khác biệt %TC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP 76

Hình 2-34 Sự khác biệt %TC đơn vị với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP(ρf) (MC 1-8) 77

Hình 2-35 Sự khác biệt %TC đơn vị vớiψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP(MC 9-16) 77

Hình 3-1 Cấu tạo dầm 87

Hình 3-2a Chuẩn bị bề mặt bê tông và tấm CFRP 88

Hình 3-2b Dán tấm FRP ở đáy dầm 89

Hình 3-3 Thí nghiệm dầm RC21 90

Hình 3-4 Thí nghiệm dầm S21-1 91

Hình 3-5 Thí nghiệm dầm S21-2 92

Hình 3-6 Thí nghiệm dầm S21-3 94

Hình 3-7 Thí nghiệm dầm RC25 94

Hình 3-8 Thí nghiệm dầm S25-1 95

Hình 3-9 Thí nghiệm dầm S25-2 96

Hình 3-10 Thí nghiệm dầm S25-3 97

Hình 3-11: Quan hệ lực - độ võng của các dầm thí nghiệm 97

Hình 3-12 Quan hệ lực (P)- biến dạng tấm CFRP (εf) và biến dạng bê tông (εc) của nhóm 1 98

Hình 3-13 Quan hệ lực (P)- biến dạng tấm CFRP (εf) và biến dạng bê tông (εc) của nhóm 2 99

Hình 4-1 Mặt cắt ngang cầu Trần Hưng Đạo 103

Hình 4-2 Mặt cắt ngang dầm chủ cầu Trần Hưng Đạo 106

Hình 4-3 Dạng phân bố của bề rộng B2+2a của 11 mặt cắt dầm 107

Hình 4-4 Dạng phân bố của chiều cao H2 của 11 mặt cắt dầm 107

Hình 4-5 Dạng phân bố của cường độ chịu kéo FRP 111

Hình 4-6 Dạng phân bố của biến dạng tương đối cực hạn FRP 111

Hình 4-7 Dạng phân bố của cường độ chịu nén bê tông mẫu khoan 112

Hình 4-8 Dạng phân bố của cường độ chảy của cốt thép D25 chịu kéo 114

Hình 4-9 Chỉ số độ tin cậy cho cầu Trần Hưng Đạo 117

Hình 4-10 Độ tăng chỉ số độ tin cậy sau sửa chữa tăng cường 117

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Khối lượng riêng của FRP 8

Bảng 1-2 Hệ số giãn nở vì nhiệt của FRP, bê tông và thép 8

Bảng 1-3 So sánh các Hướng dẫn thiết kế 16

Bảng 1-4 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT theo Nowak 25

Bảng 1-5 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT theo EC (Annex B2) 25

Bảng 1-6 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT chi tiết cho RC2 theo EC (Annex C2) 26

Bảng 1-7 Khoảng tin cậy p 29

Bảng 2-1 Các tham số thống kê của cường độ chịu nén bê tông ' c f 42

Bảng 2-2 Các tham số thống kê của cường độ chảy cốt thép chịu kéo fy 43

Bảng 2-3 Các tham số thống kê cường độ chịu kéo * fu f của tấm CFRP 44

Bảng 2-4 Các tham số thống kê biến dạng tương đối cực hạn * fu ε của tấm CFRP 44

Bảng 2-5 Các thông số đặc trưng hình học và vật liệu được chọn 45

Bảng 2-6 Bảng các giá trị ảnh hưởng của phương pháp phân tích P 47

Bảng 2-7 Các tham số thống kê của tĩnh tải 47

Bảng 2-8 Các tham số thống kê của hoạt tải 48

Bảng 2.9 Thông số các mặt cắt kiểm tra Phân bố của mô men kháng 62

Bảng 2.10 Kết quả tính toán theo Phương pháp Shapiro-Wilk 63

Bảng 2-11 Các mặt cắt đại diện từ MC1 đến MC16 74

Bảng 3-1 Danh mục thiết bị thí nghiệm 81

Bảng 3-2 Kết quả nén các mẫu bê tông nhóm C25 82

Bảng 3-3 Kết quả nén các mẫu bê tông nhóm C21 83

Bảng 3-4 Kiểm tra cường độ bê tông theo Sapiro-Wilk 83

Bảng 3-5a Kết quả thí nghiệm cường độ của 6 mẫu thép dầm thí nghiệm 87

Bảng 3-5b Kiểm tra phân bố chuẩn theo Shapiro-Wilk của 6 mẫu thép Miền Nam 85

Bảng 3-6 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo của 13 mẫu CFRP 86

Bảng 3-7 Các thông số của dầm thí nghiệm 87

Bảng 3-8 Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm nhóm 1 91

Bảng 3-9 Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm nhóm 2 93

Bảng 3-10 Tổng hợp tải trọng - độ võng của các dầm thí nghiệm 96

Bảng 3-11 Tính toán các tham số thống kê của P 99

Bảng 3-12 Kiểm tra phân bố của P theo Shapiro-Wilk 100

Bảng 3-13 Tính toán hiệu quả tăng cường của các dầm thí nghiệm 100

Bảng 4-1 Tải trọng xe thử tải 104

Bảng 4-2 Kết quả đo Biến dạng tương đối lớn nhất ε (x 10-5) 105

Bảng 4-3 Kiểm tra phân bố chuẩn theo Shapiro-Wilk của chiều cao (H2) dầm cầu Trần Hưng đạo 107

Bảng 4-4 Kiểm tra phân bố chuẩn theo Shapiro-Wilk của chiều rộng cánh trên (B2+2a) dầm cầu Trần Hưng đạo 108

Bảng 4-5 Các giá trị thống kê của bề rộng và chiều cao mặt cắt giữa nhịp cho từng dầm 108

Bảng 4-6 Tham số thống kê của FRP 110

Bảng 4-7 Tham số thống kê của bê tông 112

Bảng 4-8 Kiểm tra phân bố chuẩn theo Shapiro-Wilk của 12 mẫu BT cầu Trần Hưng đạo 115

Bảng 4-9 Tham số thống kê của cường độ cốt thép chịu kéo 112

Bảng 4-10 Kiểm tra phân bố chuẩn theo Shapiro-Wilk của 3 mẫu thép cầu Bông 114

Bảng 4-11 Ứng suất trong cốt thép chịu kéo và tấm FRP 115

Bảng 4-12 Lực kéo lớn nhất trong cốt thép và tấm FRP 115

Bảng 4-13 Mô men lớn nhất tại mặt cắt giữa nhịp 115

Bảng 4-14 Kết quả mô men lớn nhất do tĩnh tải 116

Bảng 4-15 Kết quả chỉ số độ tin cậy cho cầu Trần Hưng Đạo 116

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

%TC Thành phần phần trăm tăng cường

AASHTO American Association of State Highway and Transportation

Officials (Hiệp hội giao thông và vận tải đường bộ Hoa Kỳ) ACI American Concrete Institute (Viện bê tông Hoa Kỳ)

Sensing for Innovative Structures (Mạng lưới Trung tâm Thông minh Cải tiến Kết cấu Canada)

Bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép thường

Bê tông cốt thép dự ứng lực

Dự ứng lực Fiber Reinforced Polymer-vật liệu polymer cốt sợi Aramit Fiber Reinforced Polymer-tấm polymer cốt sợi a-ra-mit Carbon Fiber Reinforced Polymer-tấm polymer cốt sợi carbon Glass Fiber Reinforced Polymer-tấm polymer cốt sợi thủy tinh ĐKTC Điều kiện tăng cường

MPH Kiểu (Mode) phá hoại

TTGH Trạng thái giới hạn

Trạng thái làm việc: là trạng thái của đối tượng trong đó giá trị của tất

cả các tham số đặc trưng cho khả năng thực hiện các chức năng cho trước thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn kỹ thuật

Sự cố (hư hỏng): là khi một bộ phận của kết cấu công trình không đáp

ứng được chức năng chịu lực hoặc chức năng sử dụng của nó

Mức độ tin cậy của kết cấu công trình: là mức yêu cầu về độ tin cậy

riêng đối với mỗi kết cấu công trình hoặc mỗi bộ phận kết cấu công trình

Biến số cơ bản: là các biến số đặc trưng cho các đại lượng vật lý miêu

tả các tác động, tính chất cơ học của vật liệu và các đặc trưng của kết cấu công trình

Hàm trạng thái: là hàm G của các biến cơ bản biểu diễn trạng thái

chịu lực của kết cấu công trình: G(X1, X2,…, Xn) = 0 tương ứng với TTGH; G

> 0 tương ứng với trạng thái làm việc an toàn; G < 0 tương ứng với trạng thái làm việc không an toàn (làm việc có sự cố)

Chỉ số độ tin cậy β: đặc trưng cho khả năng làm việc không sự cố của kết cấu công trình dưới tác dụng của tải trọng

Tác động ngẫu nhiên: là tác động mà mỗi khi xảy ra trong khoảng

thời gian đang xem xét sẽ có một giá trị ảnh hưởng riêng biệt đối với kết cấu công trình

Đặc trưng thống kê của vật liệu: là quy luật phân phối thống kê về

các tính chất vật liệu được xác định trong quá trình sản xuất vật liệu theo các tiêu chuẩn có liên quan

Thành phần phần trăm tăng cường: là tỷ số giữa hiệu mô men giới

hạn sau sửa chữa tăng cường với mô men giới hạn trước sửa chữa tăng cường trên mô men giới hạn trước sửa chữa tăng cường

CÁC KÝ HIỆU

A f = diện tích của tấm FRP dán ngoài (10-6m2)

 = diện tích FRP dán theo hình U kiểu chịu cắt để neo FRP chịu uốn

b = bề rộng mặt cắt (10-3m)

CDF = hàm phân phối xác suất

COVMF = hệ số biến sai của M và F

COVX = hệ số biến sai của đại lượng ngẫu nhiên X

C = hệ số chiết giảm điều kiện môi trường làm việc

COV, COV , COV = hệ số biến sai của M, F, P

D = tĩnh tải

d = khoảng cách từ thớ chịu nén lớn nhất đến trọng tâm cốt thép chịu

kéo (10-3m)

E f = mô đun đàn hồi chịu kéo của tấm FRP (MPa)

E s = mô đun đàn hồi của cốt thép thường chịu kéo (MPa)

E = mô đun đàn hồi của BT (MPa)

 = hàm phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X

 = hàm mật độ xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X

  = cường độ chịu nén tính toán của bê tông (MPa)

 , ! " = ứng suất giới hạn mỏi-đứt gãy

 #∗ = cường độ cực hạn của FRP do nhà sản xuất cung cấp (MPa)

f&,& = ứng suất trong cốt thép chịu kéo ở TTGH sử dụng

f' = ứng suất chảy của cốt thép thường chịu kéo

f ,& = ứng suất trong tấm FRP ở TTGH sử dụng

f fu = cường độ cực hạn của FRP sử dụng trong thiết kế (MPa)

G = hàm trạng thái

h = chiều cao mặt cắt (10-3m)

() = chiều dài neo giữ cần thiết để phát triển ứng suất có hiệu trong

tấm FRP (10-3m)

L = hoạt tải

M* = mô men do tĩnh tải sau khi sửa chữa tăng cường

M+ = mô men do hoạt tải sau khi sửa chữa tăng cường

M, = sức kháng uốn danh định của mặt cắt (103 Nm)

M,- = sức kháng uốn danh định do đóng góp của FRP (103N m)

M,& = sức kháng uốn danh định do đóng góp của cốt thép chịu kéo (103N

m)

M. = mô men uốn tính toán của mặt cắt (103N m)

MR = sức kháng uốn của mặt cắt

n = số lớp tấm FRP tại mặt cắt được tăng cường

n+* = tỷ lệ mô men hoạt tải trên tĩnh tải

PDF = mật độ xác suất

Pf = xác suất sự cố của kết cấu công trình

0 = chiều dày danh định của một lớp tấm FRP (10-3m)

X = đại lượng ngẫu nhiên

α = hệ số giãn nở vì nhiệt

β = chỉ số độ tin cậy của kết cấu công trình

βT = chỉ số độ tin cậy mục tiêu

β0 = chỉ số độ tin cậy trung bình

µX = giá trị trung bình của đại lượng ngẫu nhiên X

σX = độ lệch chuẩn của đại lượng ngẫu nhiên X

ε. = biến dạng tương đối cực hạn của BT chịu nén, lấy bằng 0.003

λ, λ, λ = hệ số λ của M, F, P

λ2 = tỷ lệ giữa giá trị trung bình và giá trị danh định của đại lượng

ngẫu nhiên X

µ, µ, µ = giá trị trung bình của M, F, P

3 ) = biến dạng tương đối bong tróc tấm FRP

3 4 = là biến dạng tương đối có hiệu của tấm FRP

3 # = biến dạng tương đối cực hạn của FRP sử dụng trong thiết kế (%)

3 #∗ = biến dạng tương đối cực hạn của FRP do nhà sản xuất cung cấp (%)

56 = hàm lượng cốt thép chịu kéo

57 = hàm lượng cốt thép chịu kéo cân bằng

∅ = hệ số chiết giảm cường độ mặt cắt

γD = hệ số tải trọng của tĩnh tải

γL = hệ số tải trọng của hoạt tải

εsy = biến dạng tương đối ứng với giới hạn chảy của cốt thép chịu kéo (%)

εt = biến dạng tương đối của cốt thép chịu kéo (%)

λMF = hệ số λ của M và F

φ = hàm mật độ xác suất của Phân bố chuẩn hóa (µ=0 và σ=1)

ψf = hệ số chiết giảm cường độ của tấm sợi FRP

: = hàm phân bố xác suất của Phân bố chuẩn hóa (µ=0 và σ=1)

p = khoảng tin cậy

e = sai số cho phép của tập mẫu

MỞ ĐẦU

Phương pháp dán tấm vật liệu polymer cốt sợi, FRP, xuất hiện trong vòng 30 năm trở lại đây và nhanh chóng chứng tỏ là một trong những biện pháp hiệu quả trong sửa chữa tăng cường kết cấu BTCT Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với phương pháp truyền thống như không làm tăng tĩnh tải, không thay đổi cấu trúc tổng thể kết cấu, tăng độ cứng chống uốn, hiệu quả trong việc ngăn chặn độ mở rộng và sự xuất hiện của vết nứt trong bê tông và thi công dễ dàng và nhanh chóng FRP có cường độ cao và trọng lượng nhẹ, chịu tải trọng mỏi tốt, khả năng chống ăn mòn cao và dễ dàng thi công trên bề mặt bê tông, nên việc sử dụng FRP trong xây dựng công trình đã đạt được bước tiến lớn trong thập kỷ qua Tấm polymer cốt sợi carbon, CFRP, có đầy

đủ các ưu điểm của vật liệu sợi và đặc biệt có khả năng chịu mỏi tốt cho phép sửa chữa tăng cường cầu cũ, đặc biệt là cầu BTCT, một cách hiệu quả mà các biện pháp truyền thống như đặt thêm cốt thép chịu kéo, dự ứng lực ngoài, và dán bản thép không có được

Từ những năm1980s, ở Nhật Bản, Hoa Kỳ và châu Âu đã nghiên cứu

áp dụng FRP trong sửa chữa tăng cường kết cấu nhà cửa và cầu

Ở Việt Nam, cầu bê tông cốt thép cũng chiếm tỷ lệ rất lớn, lên tới 64% (theo nguồn Tổng Cục Đường Bộ Việt Nam).Tải trọng và tần suất khai thác tăng dần trong suốt quá trình sử dụng và các nguyên nhân khác làm cho nhiều cầu đã xuống cấp nghiêm trọng nhưng chưa có kinh phí để thay mới nên cần thiết phải sửa chữa tăng cường Tấm polymer cốt sợi carbon đã và đang được

sử dụng cho sửa chữa tăng cường cầu ở Việt Nam; trong khi đó Tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành là 22TCN 272-05 [2] chưa có phần dành cho vật liệu CFRP Một số cầu đã thiết kế và thi công, nghiệm thu theo ACI 440.2R-08 Các nghiên cứu, tính toán ở Việt Nam về sửa chữa tăng cường bằng vật liệu CFRP đều tiến hành theo phương pháp bán xác suất, chưa xem xét đầy đủ

tính chất thống kê của các tham số thiết kế Trong khi đó, các nghiên cứu trên thế giới đã đề cập đến thiết kế trên cơ sở độ tin cậy ở những góc độ khác nhau Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa đề cập đầy đủ đến vấn đề đánh giá độ tin cậy chịu uốn của mặt cắt dầm BTCT tăng cường bằng tấm sợi carbon dán ngoài Như vậy việc nghiên cứu ứng dụng tấm sợi carbon trên cơ sở lý thuyết

độ tin cậy là vấn đề thời sự hiện nay được các nhà khoa học trên thế giới và

Việt Nam quan tâm Đây chính là lý do Nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu

Tên đề tài: ‘‘Độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường

bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP)’’

Mục tiêu của nghiên cứu:

• Nghiên cứu các ảnh hưởng của vật liệu, cấu tạo, và mô hình phân

tích sức kháng uốn theo ACI440.2R-08 đến Độ tin cậy của mặt cắt dầm

BTCT thường chịu uốn được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngoài

• Phân tích và đề xuất hệ số chiết giảm khả năng chịu lực của vật liệu CFRP và phạm vi ứng dụng giải pháp tăng cường chịu uốn dầm BTCT thường bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngoài

Phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp lý thuyết: ứng dụng lý thuyết độ tin cậy với mô hình phân tích và phân bố hợp lý của các biến ngẫu nhiên để xác định chỉ số độ tin cậy của mặt cắt dầm BTCT chịu uốn được tăng cường bằng tấm CFRP

• Phương pháp thực nghiệm: tiến hành các thí nghiệm trong phòng và nghiên cứu ứng dụng tại hiện trường để thu thập các kết quả đánh giá tính hợp

lý của các giá trị và phân bố các biến ngẫu nhiên đã sử dụng và mô hình phân tích sức kháng uốn theo ACI440.2R-08

Đối tượng nghiên cứu: Dầm BTCT thường được tăng cường bằng tấm

polymer cốt sợi carbon dán ngoài

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

• Về lý thuyết:

- Xây dựng phương pháp luận tính toán độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng dán tấm polymer cốt sợi carbon trên cơ sở mô hình sức kháng uốn theo ACI 440.2R-

08

- Đề xuất phạm vi ứng dụng giải pháp tăng cường chịu uốn dầm BTCT thường bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngoài và hệ số chiết giảm khả năng chịu lực của vật liệu CFRP trong mô hình tính toán

• Về thực nghiệm: xác định phân bố và giá trị của các tham số thống

kê của các biến ngẫu nhiên bao gồm: kích thước hình học mặt cắt thông qua

đo đạc công trình cầu thực tế; cường độ bê tông, cường độ cốt thép chịu kéo, cường độ chịu kéo của tấm CFRP và ảnh hưởng của mô hình phân tích đến sức kháng uốn theo ACI 440.2R-08 thông qua việc chế tạo mẫu và thí nghiệm trong phòng

Nội dung nghiên cứu bao gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận như sau:

Mở đầu: Giới thiệu sơ lược về tấm polymercốtsợi carbon và tên đề tài

• Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu kết cấu có sử dụng FRP

• Chương 2: Phân tích chỉ số độ tin cậy, β, của dầm BTCT được tăng

cường bằng CFRP trên cơ sở mô hình sức kháng theo ACI 440.2R-08

• Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT chịu uốn được tăng

cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon

• Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm dầm cầu Trần Hưng Đạo chịu uốn

được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon

Kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết luận trong quá trình nghiên cứu,

nêu kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CÓ SỬ DỤNG FRP 1.1 Sơ lược lịch sử ứng dụng FRP trong sửa chữa tăng cường kết cấu

Cầu bê tông cốt thép là loại cầu được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam Hiện nay nhiều cầu đã xuống cấp nghiêm trọng nhưng chưa có kinh phí để thay mới nên cần thiết phải sửa chữa tăng cường

Các phương pháp sửa chữa rất đa dạng tùy theo từng loại kết cấu, trình

độ kỹ thuật và yêu cầu đặt ra Theo các thống kê, chủ yếu cầu được sửa chữa, tăng cường theo phương pháp truyền thống như: bọc bê tông, dán bản thép, và DUL ngoài

Phương pháp bọc bê tông là phương pháp sửa chữa thô sơ và có nhiều nhược điểm: liên kết giữa bê tông cũ và mới không đồng bộ và hệ số co ngót khác nhau giữa bê tông cũ và mới có thể phát sinh các vết nứt; tiết diện tăng lên, làm tăng tĩnh tải, thay đổi cấu trúc tổng thể của kết cấu; ván khuôn lắp đặt khó khăn, chi phí vật liệu và nhân công tăng Phương pháp bọc bê tông hiện nay chủ yếu ứng dụng cho những sửa chữa nhỏ, hay ở những nơi mà công nghệ khác không đáp ứng được

Phương pháp dán bản thép được Fleming và King giới thiệu năm 1967

để tăng cường kết cấu BTCT [34] Ưu điểm của phương pháp này là (1) độ cứng chống uốn tăng đáng kể, (2) rất hiệu quả trong việc ngăn chặn độ mở rộng vết nứt của bê tông và (3) thời gian ngừng khai thác của kết cấu ngắn Phương pháp dán bản thép được ứng dụng rộng rãi để tăng cường kết cấu cầu

và nhà cửa ở nhiều nơi trên thế giới Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là tấm thép bị gỉ sét, dẫn tới làm giảm cường độ dính bám của thép và bê tông Một vấn đề khác là dán bản thép rất khó khăn, đòi hỏi thiết bị nặng và cồng kềnh, đặc biệt khó khăn khi thiếu không gian thao tác

Phương pháp DUL ngoài có hai ưu điểm là (1) tăng cường khả năng chống nứt cho kết cấu BTCT và (2) lực căng có thể điều chỉnh trong quá trình

khai thác Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong tăng cường cầu BTCT Nhược điểm chính của phương pháp này là (1) thời gian thi công kéo dài và (2) mỹ quan thấp

Phương pháp dán tấm FRP [39] mới xuất hiện trong vòng 30 năm trở lại đây và nhanh chóng chứng tỏ là một trong những biện pháp hiệu quả trong sửa chữa tăng cường kết cấu BTCT Phương pháp này khắc phục được những nhược điểm của phương pháp truyền thống: (1) không làm tăng tĩnh tải, (2) không thay đổi cấu trúc tổng thể kết cấu, (3) tăng độ cứng chống uốn, (4) hiệu quả trong việc ngăn chặn độ mở rộng và sự xuất hiện của vết nứt trong bê tông và (5) thi công dễ dàng và nhanh chóng

FRP có cường độ cao và trọng lượng nhẹ, chịu tải trọng mỏi tốt, khả năng chống ăn mòn cao và dễ dàng thi công trên bề mặt bê tông, việc sử dụng FRP trong xây dựng công trình đã đạt được bước tiến lớn trong thập kỷ qua Một đặc điểm nổi bật khác của FRP là có chiều dày nhỏ, nên có thể đáp ứng các tiêu chí về mỹ quan cũng như sự hạn chế về không gian mà các vật liệu xây dựng truyền thống không có được Các tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này đã làm cho việc sử dụng FRP tăng lên nhanh chóng đặc biệt trong sửa chữa và tăng cường các kết cấu BTCT [55][69][86]

Trong thập kỷ 1980, lần đầu tiên tấm FRP được ứng dụng vào sửa chữa tăng cường kết cấu cột BTCT tại Nhật Bản [34]

FRP thực sự được sử dụng nhiều ở Nhật Bản từ sau động đất ở Hyogoken-Nanbu năm 1995 Ở Châu Âu, ngay từ năm 1978, các báo cáo khoa học của Đức đã đề cập vấn đề ứng dụng FRP để tăng cường kết cấu BTCT Trong khi đó, các nhà nghiên cứu ở Thụy Sỹ đã triển khai ứng dụng FRP tăng cường chịu uốn cho kết cấu nhịp cầu BTCT từ năm 1987 Ở Mỹ, vấn đề ứng dụng FRP đã được các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ quan tâm từ thập

kỷ 1930s, nhưng những nghiên cứu ứng dụng vật liệu này trong sửa chữa tăng

tỷ lệ 13,4%) Số lượng cầu yếu trên các mạng lưới đường tỉnh, đường huyện, đường đô thị chưa có thống kê cụ thể, nhưng chắc chắn sẽ lớn hơn rất nhiều lần Các nguyên nhân xếp loại cầu yếu bao gồm: (1) cầu xuống cấp qua thời gian khai thác; (2) cầu có tải trọng khai thác thực tế vượt tải trọng thiết kế; (3) các nguyên nhân khác như va chạm, môi trường, Các cầu yếu là nguyên nhân gây mất đồng bộ về tải trọng khai thác trên các tuyến, làm giảm hiệu quả kinh tế xã hội, và có thể gây nguy hiểm sập cầu bất cứ lúc nào Việc đầu tư xây dựng mới các công trình cầu đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn và thời gian dài Trong điều kiện đất nước còn khó khăn, vấn đề sửa chữa các kết cấu sao cho vấn đầu tư hiệu quả, đảm bảo tải trọng khai thác trên tuyến là bài toán quan trọng của các cơ quan quản lý cầu Như phân tích ở trên, công nghệ dán tấm FRP đã được áp dụng nhiều trên thế giới do có ưu điểm: nhẹ, cường độ cao,

dễ thi công, dễ kiểm soát chất lượng thi công, đáp ứng yêu cầu công tác sửa chữa gia cố, yêu cầu đảm bảo giao thông không phức tạp và giá thành tương đương hoặc rẻ hơn một số phương án khác Ở Việt Nam, FRP đã được ứng dụng cho một số công trình sửa chữa tăng cường cầu như: cầu Sài Gòn-Tp

Hồ Chí Minh [3], cầu Trần Hưng Đạo- Tp Phan Thiết, Tỉnh Bình Thuận [4], cầu Trần Thị Lý- Tp Đà Nẵng, cầu Gián Khẩu-Tỉnh Ninh Bình, Cầu Tô Mậu

- Tỉnh Yên Bái [1], Trong khi đó Tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành là

22TCN 272-05 [2] chưa có phần dành cho vật liệu CFRP Đa số các cầu tăng cường bằng FRP ở Việt Nam đã thiết kế và thi công, nghiệm thu theo ACI 440.2R-08

• Tỷ lệ tương đối giữa sợi và chất nền;

• Đặc trưng cơ học của các vật liệu hợp thành (sợi, chất nền, phụ gia);

• Hướng phân bố của các sợi trong chất nền; và

• Phương pháp sản xuất

1.2.1 Các tính chất vật lý của vật liệu polymer cốt sợi FRP

Khối lượng riêng của FRP (Bảng 1-1) khoảng 1200kg/m3 đến 2100 kg/m3, khoảng 1/4 đến 1/6 khối lượng riêng thép

Bảng 1-1 Khối lượng riêng của FRP (10 3

kg/m 3 ) [34]

FRP đơn hướng có hệ số giãn nở vì nhiệt khác nhau theo phương dọc và

phương ngang tùy thuộc vào loại sợi, chất nền, hàm lượng sợi như Bảng 1-2

Bảng 1-2 Hệ số giãn nở vì nhiệt của FRP, bê tông và thép [34]

-6/oC

1.2.2 Cường độ chịu kéo [34]

FRP chịu kéo có đường quan hệ ứng suất biến dạng tuyến tính cho đến

khi phá hoại và đây là dạng phá hoại giòn (Hình 1-1)

Hình 1-1 Đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của các loại FRP

[47][114]

Cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi phụ thuộc các yếu tố như: loại sợi, hướng sợi, số lượng sợi, và phương pháp chế tạo tấm FRP Cường độ và biến dạng của FRP được xác định bằng:

Phương pháp này cho độ tin cậy 99.87% mẫu có cường độ vượt quá cường độ thiết kế Mô đun đàn hồi được xác định tại biến dạng tương đối từ 0.003 đến 0.006 theo ASTM D3039

1.2.3.Các tính chất dài hạn

Phần lớn các loại FRP sử dụng trong kết cấu xây dựng đều có khả năng chịu tải trọng mỏi tốt hơn so với thép, đặc biệt vật liệu sợi carbon thể hiện các

đặc tính chịu tải trọng mỏi rất tốt Hình 1-2 biểu diễn các đường cong mỏi điển hình cho các loại CFRP và GFRP Có thể thấy rằng ứng xử mỏi của sợi carbon vượt trội hơn hẳn do có ảnh hưởng của mô đun đàn hồi của sợi đến tuổi thọ chịu mỏi Sợi thủy tinh nhạy cảm với dạng phá hoại đứt gãy do mỏi hơn so với sợi carbon

Hình 1-2 Đường cong tuổi thọ mỏi của các loại FRP với các loại sợi khác nhau [134]

1.2.4 Độ bền

Tính chất cơ học của FRP giảm dưới tác động của các yếu tố môi trường bao gồm: nhiệt độ cao, độ ẩm, chất hóa học Điều kiện môi trường, tác động lâu dài, loại chất nền, loại sợi, phương pháp chế tạo là các yếu tố ảnh hưởng đến sự giảm tính chất cơ học của vật liệu sợi

1.3 Các ứng dụng của FRP

Các ứng dụng chính của FRP bao gồm: sửa chữa – tăng cường kết cấu; làm cốt cho bê tông; và làm khung chịu lực chính

1.3.1 FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu

FRP có ba dạng chính để sửa chữa – tăng cường kết cấu là: dạng tấm cứng (thẳng dùng cho dầm, sàn và cong dùng cho cột tròn), dạng tấm sợi và dạng thanh chữ nhật hoặc tròn (NSM)

b) Lắp đặt tấm sợi FRP tăng cường chịu uốn cho dầm

c) Lắp đặt tấm sợi FRP tăng cường chịu cắt cho dầm

d) Lắp đặt thanh FRP chữ nhật hoặc tròn (NSM) tăng cường chịu uốn

cho sàn

e) Lắp đặt tấm sợi FRP cho cột mặt cắt tròn

g) Lắp đặt FRP dạng tấm mỏng có khả năng uốn cong cho cột mặt cắt tròn

1.3.2 FRP làm cốt cho bê tông [57]

FRP làm cốt cho bê tông có ba dạng chính là: thanh hoặc lưới; thanh hoặc bó dự ứng lực; ván khuôn giữ lại trong kết cấu

Đầu thập kỷ 1980s, Hoa Kỳ đã ứng dụng bó sợi thủy tinh trong tường và sàn nhà Cùng thời gian này, tại Nhật Bản, FRP sợi carbon dạng lưới với tên gọi NEFMAC được ứng dụng trong kết cấu vỏ hầm và bản mặt

cầu (Hình 1-4)

1.3.2.2 FRP dạng thanh hoặc bó dự ứng lực

FRP dạng thanh hoặc bó dự ứng lực được phát triển từ thập kỷ 1980s ở

Hà Lan, Đức và Nhật Bản nhằm mục đích giảm ăn mòn trong kết cấu bê tông

DUL (Hình 1-5)

Hình 1-5 FRP dạng thanh hoặc bó dự ứng lực 1.3.2.3 FRP dạng ván khuôn giữ lại trong kết cấu (SIP)

Hình 1-6 FRP dạng ván khuôn giữ lại trong kết cấu a) FRP làm ván khuôn cho bản mặt cầu b) FRP làm ống nhồi bê tông

FRP dạng ván khuôn giữ lại trong kết cấu đóng vai trò như cốt chịu kéo, sau khi bê tông đạt cường độ Tấm FRP SIP được ứng dụng trong các cầu nằm trên đường quốc lộ Dayton, bang Ohio (1999) và quốc lộ Waupun,

bang Wisconsin (2003) (Hình 1-6a)

b) Tháp làm mát bằng FRP c) Tòa nhà với kết cấu chính bằng FRP (Hình chụp bởi Thomas Keller)

d)Cầu đi bộ bằng FRP sản xuất và thi công bởi ET Techtonics

e) Cầu Dickey Creek với dầm FRP g) Dây văng cầu Storchen, 241 thanh CFRP đường kính 5 x10-3m

Khoảng thập kỷ 1950s, một phương pháp sản xuất FRP với mặt cắt không đổi gọi là kéo tạo hình (pultrusion) được phát minh tại Hoa Kỳ Đầu tiên ứng dụng trong công nghiệp chế tạo và sau đó ứng dụng cho các sản

phẩm dầm cột dùng trong xây dựng nhà cửa và cầu đường (Hình 1-7a)

Kết cấu lớn đầu tiên sử dụng thanh FRP là nhà thí nghiệm EMI FRP được sử dụng là do đặc tính chống điện từ tốt và trong suốt (Hình 1-7c) Kết cấu lớn tiếp theo được nghiên cứu là tháp làm mát công nghiệp Hệ thống này

bao gồm dầm cột và tấm FRP (Hình 1-7b)

Trong lĩnh vực xây dựng cầu, kết cấu FRP được sử dụng từ những năm 1970s Trọng lượng nhẹ và chống ăn mòn nên FRP được ứng dụng hiệu quả trong bản mặt cầu và kết cấu phần trên Hàng loạt cầu đi bộ nhịp 10m đến

30m dạng dàn đã sử dụng kết cấu nhịp FRP (Hình 1-7d,e)

Thanh FRP được phát triển để sử dụng làm dây chằng và dây văng Cầu dây văng cho người đi bộ dài 131m (Aberfeldy, Scotland, 1992) và dài 40.3m (Kolding, Denmark, 1997) sử dụng FRP làm dây văng Năm 1977, dây văng cho cầu Storchen ở Winterthur, Thụy Sỹ sử dụng bó 241 thanh CFRP đường kính 5x10-3m (Hình 1-7g)

1.4 Các Hướng dẫn hiện hành cho thiết kế kết cấu có sử dụng FRP

Trong khoảng 10-15 năm trở lại đây, một loạt các quy trình và hướng dẫn thiết kế - thi công - nghiệm thu được xuất bản bởi các Hiệp hội nghiên cứu về FRP Đây là kết quả của rất nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu ở các quốc gia có nhiều ứng dụng FRP trong kỹ thuật như: Hoa Kỳ, Canada, các quốc gia châu Âu và Nhật Bản

Ở Hoa Kỳ, có ba hiệp hội đã ban hành các hướng dẫn về sử dụng FRP

là (1) Viện bê tông Hoa Kỳ (ACI), (2) Hội đồng quy trình quốc tế (ICC) và (3) Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ (ASCE)

Canada có hai Hiệp hội lớn nghiên cứu và ban hành các quy định và hướng dẫn thiết kế cũng như đặt nền móng cho các quy trình thiết kế và thi công vật liệu FRP trong kết cấu Thứ nhất là Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada (Canadian Standards Association – CSA) và thứ hai là Mạng lưới Trung tâm Thông minh Cải tiến Kết cấu Canada (The Canadian Network of Centers of Excellent on Intelligent Sensing for Innovative Structures – ISIS)

Ở châu Âu, Hiệp hội quốc tế về kết cấu bê tông (FIB) và các viện nghiên cứu khác của các quốc gia châu Âu như National Research Council of Italy (CNR); The Concrete Society, UK là các cơ quan nghiên cứu đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu FRP

Trong khoảng 10 năm trở lại đây, Hiệp Hội Kỹ Sư xây dựng Nhật Bản (Japan Society of Civil Engineers – JSCE), Viện Bê Tông Nhật Bản (Japan Concrete Institute – JCI) và Viện Nghiên cứu Kỹ Thuật Đường Sắt (Railway Technical Research Intitute – RTRI) đã xuất bản nhiều tài liệu liên quan đến ứng dụng FRP trong kết cấu bê tông

1.4.1 Các hướng dẫn thiết kế mặt cắt BTCT tăng cường bằng tấm sợi FRP

Biến dạng tương đối lớn nhất của bê tông là 0.003;

Bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông;

Tương tự như ACI 440.2R-08 và bổ sung 2 giả thiết:

Dính bám tuyệt đối

Bỏ qua biến dạng cắt khi tính duyệt mô men;

Quan hệ ứng suất và biến dạng của tấm FRP là tuyến

C =   4 @D − EFG

H B (1.6)

∅ = 0.90 với ε O ≥ 0.005

∅ = 0.65 +0.25@ε0.005 − εO− ε&'B

&' với ε &' < ε O < 0.005

Cường độ tính toán của FRP tính theo công thức:

 ) = `ab` [c`dfc`de Trong đó: ε -.g /ε -.i là tỷ

số giữa biến dạng trung bình cực hạn thực tế và biến dạng trung bình cực hạn khi thí nghiệm của tấm FRP, thường lấy bằng

1

f fk : cường độ cực hạn của tấm, γ f : hệ số chiết giảm cường độ tấm

C U = j  kD −l2m+ j n kℎ −_m (1.16) Trong đó:

j  = φ    oớr 3  < 3 W

j  = φ W   oớr3  ≥ 3 W

j n

= φ n] n 3 n  n oớr 3 n < 3 n#

j n = 0 oớr 3 n ≥ 3 n#

Carbon: 1.20;1.35 Aramít: 1.25;1.45 Thủy tinh: 1.30;1.50

ISIS đưa ra một số nghiên cứu trước đó và người dùng phải quyết định giá trị ∅ n trong khoảng từ 0.7 đến 0.75

Tùy theo điều kiện tiếp

xúc trong hoặc ngoài hoặc

môi trường khắc nghiệt,

ISIS không đề cập đến

hệ số chiết giảm cường

độ trong các môi trường

khác nhau

Kiểu phá Tấm FRP được xem xét Tấm FRP được xem xét Tấm FRP được xem xét

theo hai trạng thái: Liên

hợp hoàn toàn và liên hợp

không hoàn toàn Mặt cắt

chịu uốn có 5 kiểu phá

Kiểu 3: Cốt thép chảy kéo

theo bê tông bị nén vỡ

Kiểu 4: Bong bê tông ở vị

trí cuối tấm

Kiểu 5: Bong tróc tấm

FRP khỏi bề mặt bê tông

theo hai trạng thái: Liên hợp hoàn toàn và Liên hợp không hoàn toàn Mặt cắt chịu uốn có 7 kiểu phá hoại:

Bê tông bị nén vỡ trước khi cốt thép bị kéo chảy

Cốt thép chảy kéo theo tấm FRP bị đứt

Cốt thép chảy kéo theo bê tông bị nén vỡ

Bong tấm FRP do vết nứt cắt

Bong tróc tấm FRP ở cuối tấm do uốn

Bong tróc tấm FRP ở cuối tấm do cắt

theo hai trạng thái: Liên hợp hoàn toàn và liên hợp không hoàn toàn Mặt cắt chịu uốn có 4 kiểu phá hoại:

Bêtông bị nén vỡ trước khi cốt thép bị kéo chảy

Cốt thép chảy kéo theo tấm FRP bị đứt gãy Cốt thép chảy kéo theo

bê tông bị nén vỡ Bong tấm FRP tại bề mặt bê tông tiếp xúc với FRP

Chiều

dài

neo tấm

Chiều dài cần thiết để phát

triển ứng suất có hiệu

Dựa vào biến dạng tương

đối bong tróc của tấm:

Giả thiết kiểu phá hoại, sau đó kiểm tra lại

X‚C \ 4y " ƒ ≥ X1.2C„+ 0.8C † \

FIB không đưa các giá trị

cụ thể chiết giảm cường

độ mà phân tích trạng thái làm việc ở các môi trường khác nhau và cung cấp các tài liệu có liên quan để người thiết kế tham khảo

và tự đưa ra quyết định

ISIS không đề cập đến giới hạn về ứng suất sử dụng trong cốt thép và

bê tông cũng như tấm FRP

Hình 1-8 Kiểu phá hoại theo ACI 440.2R-08 [34][54][74][79][83][92]

1.5 Độ tin cậy của kết cấu công trình

1.5.1 Cơ sở triết lý thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy

Các đại lượng hiệu ứng tải, S, và sức kháng, R, về bản chất đều là những đại lượng ngẫu nhiên Trong so sánh giữa S và R, tương quan nào cũng

có thể xảy ra với xác suất nào đó Kết cấu công trình được xem là duy trì khả năng làm việc (không bị phá hoại,…) khi xác suất để không gặp sự cố (TTGH) - Độ tin cậy - là rất gần với 1 [9], [10],[85]

Độ tin cậy, Ps, được xác định: P s = P {S<R| [ 0 ,T]} (1.18)

và xác suất bị phá hoại hoặc gặp sự cố: P f = P {S>R| [ 0 ,T]} (1.19) trong đó P {S <R| [ 0 ,T]}là xác suất để không xảy ra sự cố (hư hỏng, S<R) trong khoảng thời gian khai thác, T; P {S >R| [ 0 ,T]} là xác suất để xảy ra sự cố

(hư hỏng, S<R) trong khoảng thời gian khai thác, T

Điều kiện tính duyệt theo điều kiện đảm bảo độ tin cậy (được quy định bởi tiêu chuẩn thiết kế) có dạng:

] [ s

Thiết kế trên cơ sở đảm bảo độ tin cậy là phương pháp tính toán thiết

kế hiện đại, tiên tiến nhất hiện nay; cho phép xét đến đầy đủ tính chất bất định, ngẫu nhiên của các yếu tố Tuy nhiên, để đánh giá được độ tin cậy cần phải có được đầy đủ các số liệu thống kê, các đặc trưng phân bố xác suất của tất cả các tham số

1.5.2 Cơ sở đánh giá độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường

bằng tấm sợi carbon dán ngoài

1.5.2.1 Phương pháp luận

Trong thực tế, khi tăng cường kết cấu dầm BTCT bằng tấm sợi carbon có thể tiến hành theo hai bài toán:

• Đánh giá độ tin cậy của kết cấu được tăng cường; và

• Thiết kế kết cấu được tăng cường theo một độ tin cậy cho trước, trên cơ sở độ tin cậy của kết cấu cũ

a Đánh giá độ tin cậy của kết cấu được tăng cường

Phương pháp luận đánh giá độ tin cậy của kết cấu được tăng cường dựa trên "Cơ sở triết lý thiết kế theo Lý thuyết độ tin cậy" ở mục 1.5.1 Vấn đề ở đây là cần có một mô hình tính toán mặt cắt có xét đến ảnh hưởng của tấm sợi

carbon dán ngoài trong hiệu ứng sức kháng R Đã có nhiều nghiên cứu về vấn

đề này [34], và mô hình tính toán được chấp nhận rộng rãi "dầm BTCT chịu uốn với thành phần chịu kéo có thêm sự tham gia của tấm sợi FRP như một vật liệu liên hợp chịu kéo"

b Thiết kế kết cấu được tăng cường theo một độ tin cậy cho trước

Với chỉ số độ tin cậy, β, cho trước, xác suất sự cố cho phép, [P f] hoàn toàn xác định Trong trường hợp R và S là các phân bố chuẩn, [P f] xác định như sau:

Khi đó theo công thức (1.21), giá trị f(S) và Pf là xác định, nên tính được

hàm f(R) Cùng với mô hình tính toán "dầm BTCT chịu uốn với thành phần

chịu kéo có thêm sự tham gia của tấm sợi FRP như một vật liệu liên hợp chịu kéo" và tất cả các yếu tố của dầm được xác định thì các yêu cầu của tấm sợi FRP sẽ được xác định trên cơ sở đảm bảo điều kiện tính duyệt (1.20)

1.5.2.2 Các tham số đặc trưng phân phối xác suất [10][53][105]

Giá trị trung bình ký hiệu µX, là tham số đặc trưng cho phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X được xác định theo biểu thức:

‡ = ˆ [Š‰‰ X[\D[ = ∑ [

ŒV X[ \ (1.24) Đối với tập hợp các giá trị ngẫu nhiên {[V, [_, … , [}, giá trị trung bình được xác định theo biểu thức sau:

‡ = V∑ [

Phương sai, ký hiệu σ2X - là tham số đặc trưng cho mức độ phân tán của phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X, được xác định theo biểu thức: >_ = ]X‘ − ‡\_ = ˆ X[ − ‡Š‰‰ \_X[\D[ (1.26)

Độ lệch chuẩn, ký hiệu σX cũng là tham số đặc trưng cho mức độ phân tán của phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X được xác định theo biểu thức:

Trong đó X, là giá trị danh định của biến X

Dạng phân phối chuẩn hóa của đại lượng ngẫu nhiên X, ký hiệu Z, xác định theo biểu thức:

Trong đó, µZ = 0 và σZ =1

1.5.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được

tăng cường bằng tấm sợi carbon [23][24][25]

Độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi CFRP phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: tiêu chuẩn thiết kế, trình độ thiết

kế, công nghệ thi công, công tác quản lý, khai thác công trình, tác động của tải trọng, ảnh hưởng của môi trường Các yếu tố này là các đại lượng ngẫu nhiên và được phân tích cụ thể như sau:

• Tiêu chuẩn thiết kế: quy định mức độ tin cậy tối thiểu, [P s], hoặc xác suất sự cố tối đa cho phép, [P f], hệ số tải trọng, hệ số sức kháng tương ứng của các dạng kết cấu, phương pháp thu thập các dữ liệu, các mô hình tải trọng tính toán và các tác động, đặc điểm tính toán của vật liệu và các mô hình tính toán, sửa chữa

• Công nghệ thi công: công nghệ chế tạo, tuân thủ quy định về kích thước hình học, độ chính xác về vị trí của cốt thép chịu kéo, chất lượng công nghệ sửa chữa, tăng cường, kinh nghiệm của nhà thầu

- Do sự phân tán về cường độ, tính chất đàn hồi của vật liệu, sự không

ổn định trong công nghệ thi công

- Do các diễn biến kỹ thuật trong xây dựng công trình như: sự phát triển cường độ của vật liệu, từ biến và co ngót, tác dụng của tải trọng

Các yếu tố này được phân chia thành các đại lượng ngẫu nhiên xác định được các đặc trưng bằng số và các đại lượng ngẫu nhiên không xác định được các đặc trưng bằng số

Cường độ bê tông, cường độ của cốt thép, kích thước hình học, cường

độ chịu kéo  #∗ và biến dạng tương đối cực hạn 3 #∗ của tấm CFRP là các đại lượng ngẫu nhiên xác định

Các yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng đến khả năng làm việc của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi CFRP không thể định lượng được như trình độ, tâm lý, sức khỏe của người kỹ sư và của công nhân trong thiết kế, thi công sửa chữa, tăng cường, chất lượng quản lý khai thác công trình là các đại lượng ngẫu nhiên không xác định

Trong thực tế, đánh giá độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi CFRP chỉ xem xét đối với các đại lượng ngẫu nhiên xác định tức là các đại lượng ngẫu nhiên có thể xác định được miền giá trị thông qua các đặc trưng bằng số (kỳ vọng toán, phương sai) và mô tả được sự ảnh hưởng của chúng đối với độ tin cậy của công trình bằng các hàm trạng thái Các đại lượng ngẫu nhiên không xác định được các đặc trưng bằng số không

đề cập đến trong tính toán độ tin cậy của kết cấu công trình nói chung

Hình 1-9 Biểu đồ các hàm phân phối xác suất của sức kháng R,

hiệu ứng tải S và lượng dự trữ an toàn G

1.5.3.2 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT

Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT được chọn lựa có xét đến mức độ ảnh hưởng đến con người - kinh tế - xã hội khi công trình bị hư hỏng và hiệu quả

kinh tế Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT là khác nhau cho kết cấu xây mới và kết cấu sửa chữa tăng cường Lý do chính cho sự khác biệt này bao gồm:

• Tuổi thọ: Tuổi thọ cầu thiết kế mới và tuổi thọ cầu cũ (tính từ khi sửa

chữa tăng cường) là khác nhau Cầu mới thường có tuổi thọ thiết kế 80-100 năm, trong khi cầu cũ có tuổi thọ sau sửa chữa tăng cường thường 5-10 năm Điều này dẫn tới mô hình tính toán chỉ số độ tin cậy là khác nhau Mặt khác

hệ số COV của các biến trong mô hình tính chỉ số độ tin cậy tăng khi tuổi thọ thiết kế giảm

• Tầm quan trọng của các bộ phận: nếu bộ phận bị hư hỏng dẫn đến

sập đổ kết cấu thì chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT cao hơn so với bộ phận bị hư hỏng mà không làm phá hoại kết cấu

Trong nghiên cứu của Andrzej S Nowak và cộng sự (2000) [40], có đề nghị sử dụng chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT như Bảng 1-4

Bảng 1-4 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT theo Nowak [41]

Thời gian

sử dụng

Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βΤ cho kết cấu

Có đơn đường truyền

Bảng 1-5 Chỉ số độ tin cậy tối thiểu theo EC (Annex B2) [64]

Mức độ quan trọng Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βΤ

... cậy chịu uốn dầm bê tơng cốt thép tăng cường dán polymer cốt sợi carbon sở mơ hình sức kháng uốn theo ACI 440.2R-

08

- Đề xuất phạm vi ứng dụng giải pháp tăng cường chịu uốn dầm BTCT...

1.5.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy chịu uốn dầm BTCT

tăng cường sợi carbon [23][24][25]

Độ tin cậy chịu uốn dầm BTCT tăng cường sợi CFRP phụ thuộc vào nhiều yếu... kế sở độ tin cậy góc độ khác Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đề cập đầy đủ đến vấn đề đánh giá độ tin cậy chịu uốn mặt cắt dầm BTCT tăng cường sợi carbon dán Như việc nghiên cứu ứng dụng sợi carbon