Khảo sát thực nghiệm ứng xử khung phẳng BTCT có tường chèn đã bị hư hỏng được gia cố bằng tấm FRP chịu tải trọng đứng và ngang

Tóm tắt: Nghiên cứu này được tiến hành nhằm khảo sát ứng xử, hiệu quả phục hồi khả năng chịu tải đứng và ngang của 2 mẫu khung BTCT có tường chèn bằng gạch hoặc bằng BTCT đã bị hư hỏng được gia cố lại bằng tấm CFRP. Kết quả nghiên cứu cho thấy khung đã bị hƣ hỏng được gia cố bằng tấm CFRP không chỉ khôi phục lại khả năng chịu lực mà còn khôi phục lại độ cứng, độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lƣợng của khung. Thêm vào đó, các vết nứt trên bộ phận kết cấu bê tông không xuất hiện bên trong lớp tấm gia cố CFRP mà xảy ra ngay ở mép tấm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH THANH TUẤN

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ KHUNG PHẲNG BTCT CÓ TƯỜNG CHÈN

ĐÃ BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TẤM FRP

CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ NGANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG - HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dụng Công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ KHUNG PHẢNG BTCT

CÓ TƯỜNG CHÈN ĐÃ BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CỐ BÀNG TẤM FRP

CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ NGANG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tổng quan và lập quy trình khảo sát thục nghiêm

- Khảo sát thục nghiệm ứng xử của khung phẳng BTCT chịu tải đứng và tải ngang lặp tĩnh tăng dần cho đến khung bị phá hoại

- Gia cuờng khung bằng cách bơm keo và gia cố liên kết bằng tấm CFRP

- Khảo sát thục nghiệm ứng xử khung sau khi gia cuờng CFRP

- So sánh ứng xử khung truớc và sau khi gia cuờng

- Đánh giá kết quả thí nghiệm và rút ra những nhận xét, kết luận, kiến nghị cũng nhu

đề xuất huớng phát triển đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019

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

PGS.TS Ngô Hữu Cường

Tp HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Kiến thức là một hành trang vững chắc song hành với mỗi người Thông quađây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô trường Đại học Bách KhoaTP.HCM, những người đã tâm huyết truyền đạt cho tôi kiến thức trong những năm họcqua

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sâu sắc Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn MinhLong và Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường, là những người đã giúp tôi hình thành nên ýtưởng của đề tài, trực tiếp hướng dẫn tôi phương pháp nghiên cứu, phân tích góp ý vàgiúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô và Cán bộ Phòng thí nghiêm Công trìnhKhoa Kỹ thuật Xây dựng (BKSEL) Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nhiệt tình

hỗ trợ và giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu này một cách tốt nhất

Dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình nghiên cứu nhưng luận văn này khôngthể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy Cô trong Hội đồng chỉdẫn thêm để tôi hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô

TP.HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

Huỳnh Thanh Tuấn

TÓM TẮT

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về lý thuyết và ứng dụng của tấm sợi carbon (CFRP)trong việc gia cường hệ kết cấu khung bê tông cốt thép nhằm tăng khả năng chịu tảicực hạn của hệ, nhưng các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các bộ phận kết cấu riêng

lẻ như dầm, cột và nút khung Các nghiên cứu về hệ kết cấu còn rất ít cả về lý thuyết

và thực nghiệm Theo tác giả tìm hiểu, cho đến nay, ở Việt Nam chưa có bất kì mộtnghiên cứu nào về việc gia cố, phục hồi khả năng chịu lực của khung đã bị hư hỏng.Nghiên cứu này được tiến hành nhằm khảo sát ứng xử, hiệu quả phục hồi khả năngchịu tải đứng và ngang của 2 mẫu khung BTCT có tường chèn bằng gạch hoặc bằngBTCT đã bị hư hỏng được gia cố lại bằng tấm CFRP Kết quả nghiên cứu cho thấykhung đã bị hư hỏng được gia cố bằng tấm CFRP không chỉ khôi phục lại khả năngchịu lực mà còn khôi phục lại độ cứng, độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng củakhung Thêm vào đó, các vết nứt trên bộ phận kết cấu bê tông không xuất hiện bêntrong lớp tấm gia cố CFRP mà xảy ra ngay ở mép tấm

ABSTRACT

Although a significant number of studies have been conducted on the scientific basisand results of application of carbon fiber reinforced polymer materials (CFRP) onreinforced concrete components to increase the maximum load capacity of the them,mainly focused on individual components such as reinforced beams, columns, joints.The studies of structural frame system are limit in both theory and experiment.According to the author, until now, there has not been any research on reinforcementand restoration the bearing capacity of the damaged frame This study was conducted

to investigate on response, effective of vertical and horizontal load capacity restoration

of damaged infilled reinforced concrete planar frame strengthened by FRP The studyresults show that the damaged frame reinforced with CFRP not only restores initialbearing capacity but also increases the maximum load of the frame Additional, cracks

in the concrete do not appear inside the CFRP sheets, yet they only occur at the edges

of the CFRP sheets

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Long và Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường

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

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

TP.HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

Huỳnh Thanh Tuấn

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ iii

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BIÊU ĐỒ xi

CHUƠNG 1 TÔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.3

Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 7

1.3.1 Mục tiêu của đề tài 7

1.3.2 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 7

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7

CHUƠNG 2 CHUƠNG TRÌNHTHỰC NGHIỆM 9

2.1 Vật liệu 9

2.1.1 Bê tông 9

2.1.2 Cốt thép 10

2.1.3 Vật liệu FRP 10

2.1.4 Keo sữa chữa vết nứt 11

2.1.5 Các vật liệu khác 12

2.2 Mẩu thí nghiệm 12

2.2.1 Mẩu khung BTCT có tường chèn bằng gạch KG 13

2.2.2 Mẩu khung BTCT có tường chèn bằng gạch BTCT KB 15

2.3 Quy trình chế tạo mẫu 17

2.4 Thiết bị thí nghiệm 23

2.5 Các công tác kiểm tra trước khi thí nghiêm 25

2.6 Thông số hiện trạng khung trước khi thí nghiêm 26

2.6.1 Khung KG 26

2.6.2 Khung KB 29

2.7 Sơ đồ bố trí chuyển vị kế, cảm biến 31

2.8 Quy trình thí nghiệm và gia cố khung 35

2.9 Phương án gia cố tấm CFRP 38

2.9.1 Phương án gia cố tấm CFRP khung KG-S 38

2.9.2 Phương án gia cố tấm CFRP khung KB-S 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Kết quả thí nghiệm 46

3.1.1 Kiểu phá hoại mẫu 46

3.1.2 Hình thái vết nứt phá hoại mẫu 47

3.1.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm 62

3.1.4 Quan hệ lực - chuyển vị ngang 63

3.1.5 Quan hệ lực - chuyển vị đứng 64

3.1.6 Quan hệ lực - chuyển vị ngoài mặt phẳng 66

3.1.7 Quan hệ lực - biến dạng bê tông 67

3.1.8 Quan hệ lực - biến dạng thép 73

3.1.9 Quan hệ lực - biến dạng FRP 76

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 77

4.1 Kết luận 77

4.2 Hạn chế của đề tài và hướng khắc phục 78

4.2.1 Hạn chế của đề tài 78

4.2.2 Hướng khắc phục 78

4.3 Hướng phát triển đề tài 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 1: QUAN HỆ Lực - CHUYÊN VỊ NGANG CÁC KHUNG QUA TÙNG CHU KÌ 83

PHỤ LỤC 2: TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KHUNG BANG TẤM CFRP 90

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTCT: Bê tông cốt thép

CFRP: Tấm sợi carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer)

ACI: Viện bê tông Hoa Kì (American Concrete Institute) CSA: Hiệp hội tiêu chuẩn Canada (Canada Standards Association) KG-N: Khung BTCT có tường chèn bằng gạch nguyên mẫu KG-S: Khung BTCT có tường chèn bằng gạch bị hư hỏng, đã gia cốCFRP KB-N: Khung BTCT có tường chèn bằng BTCT nguyên mẫu KB-S: Khung BTCT có tường chèn bằng BTCT bị hư hỏng, đã gia cố CFRP

i: độ dẻo dai của mẫu khung

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông 9

Bảng 2.2:Thông số kỹ thuật của tấm CFRP dùng trong thí nghiệm 10

Bảng 2.3:Thông số kỹ thuật của keo Carbotex Impreg 11

Bảng 2.4:Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1401: 11

Bảng 2.5:Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1400: 12

Bảng 2.6: Thông số hiện trạng, kích thước hình học mẫu KG trước thí nghiệm: Tl Bảng 2.7: Thông số hiện trạng, kích thước hình học mẫu KB trước thí nghiệm: 29

Bảng 2.8: Các cấp chuyển vị trong quá trình gia tải 35

Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả thí nghiệm 62

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Các phương pháp gia cố kết cấu hiện nay 2

Hình 1.2: Công trình cải tạo gia cường CFRP không ứng suất trước 2

Hình 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông 9

Hình 2.2: Mô hình 3D khung KG 13

Hình 2.3: Các thông số cấu tạo hình học khung KG 14

Hình 2.4: Mô hình 3D khung KB 15

Hình 2.5: Mặt cắt ngang cấu tạo tường BTCT khung KB 16

Hình 2.6: Chân đế được gia công tại xưởng 17

Hình 2.7: Gia công lắp dựng thép chân đế 17

Hình 2.8: Thép chủ được hàn vào chân đế 18

Hình 2.9: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng thép 18

Hình 2.10: Tiến hành đúc mẫu thí nghiêm 19

Hình 2.11: Kiểm tra độ sụt bê tông 19

Hình 2.12: Khoan cấy bu lông và lắp chân đế ngàm tại phòng thí nghiêm 20

Hình 2.13: Hệ khung chống phản lực trong quá trình thí nghiêm 20

Hình 2.14: Hệ khung cố định kích 21

Hình 2.15: Hệ khung giữ kích sau khi hoàn thiện 21

Hình 2.16: Gia công hệ khung thép bảo vệ 22

Hình 2.17: Mẩu thí nghiệm hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm 22

Hình 2.18: Lắp đặt chuyển vị kế 23

Hình 2.19: Liên kết ngàm tại chân cột 23

Hình 2.20: Kích thủy lực 24

Hình 2.21: Data logger ghi nhận kết quả 24

Hình 2.22: Thông số cảm biến đo biến dạng thép, tấm CFRP 25

Hình 2.23: Kiểm tra kéo bu lông neo 25

Hình 2.24: Kiểm tra lực siết bu lông 26

Hình 2.25: Mẩu được kiểm tra độ lệch trước khi thí nghiệm 26

Hình 2.26: Kích thước thực tế khung KG 28

I X

Hình 2.27: Kích thước thực tế khung KB 30

Hình 2.28: Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế 31

Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị kế CV6 31

Hình 2.30: Sơ đồ bố trí cảm biến bê tông 32

Hình 2.31: Sơ đồ bố trí cảm biến cốt thép 33

Hình 2.32: Sơ đồ bố trí cảm biến tấm FRP 34

Hình 2.33: Đóng ti bơm áp lực keo epoxy 36

Hình 2.34: Bơm tĩnh tường BTCT bằng xy lanh 36

Hình 2.35: Công tác mài bê tông 37

Hình 2.36: Công tác dán tấm CFRP vào bề mặt bê tông cần gia cố 37

Hình 2.37: Mô hình Sap khung KG-N 38

Hình 2.38: Biều đồ moment KG-N 39

Hình 2.39: 3D phương án gia cố FRP cho khung KG-S 39

Hình 2.40: Phương án gia cố khung KG-S 40

Hình 2.41: Chi tiết gia cố các nút khung KG-S (phóng đại) 41

Hình 2.42: Hình ảnh gia cố khung KG-S thực tế 41

Hình 2.43: Hình ảnh nút khung KG-S được gia cố thực tế 42

Hình 2.44: Mô hình Sap khung KB-N 42

Hình 2.45: Biểu đồ moment khung KB-N 43

Hình 2.46: Phương án gia cố khung KB-S 43

Hình 2.47: Chi tiết gia cố các nút khung KB-S (phóng đại) 44

Hình 2.48: Hình ảnh gia cố khung KB-S thực tế 45

Hình 2.49: Nút khung gia cố CFRP (ảnh thực tế) 45

Hình 3.1: Khung bị phá hoại tường và chân cột 46

Hình 3.2: vết nứt phá hoại cột xảy ra tại mép ngoài tấm CFRP 47

Hình 3.3: Hình thái vết nứt khung KG-N 49

Hình 3.4: Hình ảnh thực tế vết nứt tường khung KG-N 50

Hình 3.5: Hình ảnh thực tế vết nứt cột khung KG-N 51

Hình 3.6: Hình thái vết nứt khung KG-S 53

Hình 3.7: Khung KG-S bị nứt trên tường (ảnh thực tế) 54

Hình 3.8: Khung KG-S bị nứt tại chân cột (ảnh thực tế) 55

Hình 3.9: Hình thái vết nứt khung KB-N 57

Hình 3.10: Khung KB-N bị nứt trên tường (ảnh thực tế) 58

Hình 3.11: Bản vẽ hình thái vết nứt khung KB-S 60

Hình 3.12: Khung KB-S bị nứt trên tường (ảnh thực tế) 61

Hình 3.13: Khung KB-S bị nứt phá hoạt tại chân cột ngoài tấm CFRP (ảnh thực tế) .61

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 3.1: Quan hệ lục - chuyển vị ngang 63

Biểu đồ 3.2: Quan hệ lục - chuyển vị 1 65

Biểu đồ 3.3: Quan hệ lục - chuyển vị 8 65

Biểu đồ 3.4: Quan hệ lục - chuyển vị 4 66

Biểu đồ 3.5: Quan hệ lục - chuyển vị 2 66

Biểu đồ 3.6: Quan hệ lục - chuyển vị 5 67

Biểu đồ 3.7: Quan hệ lục - biến dạng bê tông khung KG-N 67

Biểu đồ 3.8: Quan hệ lục - biến dạng bê tông khung KG-S 68

Biểu đồ 3.9: Quan hệ lục - biến dạng bê tông dầm khung KG-S 69

Biểu đồ 3.10: Quan hệ lục - biến dạng bê tông cột khung KG-S 69

Biểu đồ 3.11: Quan hệ lục -biến dạng bê tông tuờng (1) khung KG-S 70

Biểu đồ 3.12: Quan hệ lục - biến dạng bê tông tuờng (2) khung KG-S 70

Biểu đồ 3.13: Quan hệ lục - biến dạng bê tông tuờng (3) khung KG-S 71

Biểu đồ 3.14: Quan hệ lục - biến dạng bê tông dầm khung KB-S 71

Biểu đồ 3.15: Quan hệ lục - biến dạng bê tông tuờng (1) khung KB-S 72

Biểu đồ 3.16: Quan hệ lục - biến dạng bê tông tuờng (2) khung KB-S 72

Biểu đồ 3.17: Quan hệ lục - biến dạng thép dầm khung KG-N 73

Biểu đồ 3.18: Quan hệ lục - biến dạng thép cột khung KG-N 73

Biểu đồ 3.19: Quan hệ lục - biến dạng thép cột khung KG-S 74

Biểu đồ 3.20: Quan hệ lục - biến dạng thép khung KB-N 75

Biểu đồ 3.21: Quan hệ lục - biến dạng thép khung KB-S 75

Biểu đồ 3.22: Quan hệ lục - biến dạng tấm FRP 76

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, gia cố công trình là một hướng đi mới Đặc biệt với điều kiện xây dựng hiệnnay, với mật độ xây dựng cao trong các thành phố lớn, các công trình cũ đã qua sử dụng bị hưhỏng hoặc đã bị xuống cấp cần được khôi phục để tiếp tục sử dụng là rất lớn Thêm nữa, cáccông trình đang sử dụng cần có nhu cầu cải tạo công năng, nâng tầng và nâng cấp công trìnhthì cũng cần được gia cường bằng phương pháp thích hợp Trước đây, thép tấm, cốt thép, hoặccáp thép thường được sử dụng để gia cường cấu kiện và kết cấu bê tông cốt thép, nhưng vớitrọng lượng nặng của chúng, tính dễ bị ăn mòn của vật liệu thép và sự phức tạp trong công tácgia cố đã làm cho các giải pháp gia cường này phần nào ít được ưa chuộng

Mặc dù có nhiều phương pháp gia cố kết cấu như Hình 1.1, song tấm CFRP vẫn là giảipháp tối ưu với trọng lượng nhẹ, bề dày rất mỏng, không làm tăng tải trọng công trình, giữnguyên diện tích sử dụng, thuận tiện cho thi công, đồng thời tăng hiệu quả kinh tế và tính

thẩm mỹ

(a) Bổ sung cột thép để giảm nhịp nhà (b)Tăng cường các bộ phận kết cấu bằng cốt thép

(c) Lắp đặt tấm thép để gia cố dầm (d) Căng cáp ngoài các bộ phận kết cấu

(e) Kết hợp nhiều phương pháp gia cố (f) Lắp đặt CFRP ứng suất trước

Hình 1.1: Các phương pháp gia cố kết cấu hiện nay

Hình 1.2: Công trình cải tạo gia cường CFRP không ứng suất trước

Hiện nay, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về cơ sở khoa học, và kết quả ứng dụng tấm sợi carbon vào kết cấu công trình, nhưng chủ yếu tập trung vào các cấu kiện riêng lẻ như dầm,cột, nút khung Các nghiên cứu về hệ kết cấu còn rất ít cả về lý thuyết và thực nghiệm Theo tác giả tìm hiểu, cho đến nay, ở Việt Nam chưa có bất kì một nghiên cứu nào về việc gia cố, phục hồi khả năng chịu lực của khung đã bị hư hỏng

Với tình hình nghiên cứu và nhu cầu tất yếu của ngành xây dựng, việc nghiên cứu ứngdụng tấm CFRP vào gia cố khung phẳng đã bị hư hỏng chịu đồng thời tải trọng đứng và ngang

là một đề tài cấp thiết, có khả năng ứng dụng cao

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Trong việc phân tích tính toán thiết kế hiện nay ở nước ta, hiện chưa có tiêu chuẩn thiết kếđối với vật liệu gia cường CFRP, việc phân tích tính toán chỉ dựa trên các tiêu chuẩn nướcngoài như: ACI 440.2R-08 [1] và CSA S806-02 [2]

Trong những năm gần, ngày càng có nhiều nghiên cứu sâu rộng về tính hiệu quả của việctăng cường và sửa chữa các cấu kiện BTCT đang sử dụng được bọc bên ngoài bằng CFRP.Các nghiên cứu về cấu kiện BTCT riêng lẻ được gia cường thêm FRP như dầm (Li cùng cộng

sự, 2002 [3], 2006 [4]; Rougier cùng Luccioni, 2007 [5]), cột (Binici cùng Mosalam, 2007 [6];Ozcan cùng cộng sự, 2008 [7]; Promis cùng cộng sự, 2009 [8]; Rougier cùng Luccioni, 2007[5]), và khớp liên kết (Alhaddad và cộng sự, 2012 [9]; Mahini cùng Ronagh, 2010 [10]) đãcho thấy hiệu quả của phương pháp gia cường Ngoài ra, một số nghiên cứu cũng nhấn mạnhđến các vấn đề kỹ thuật liên quan như phá hoại giòn (brittle debonding failure) và các phươngpháp được sử dụng để khắc phục những vấn đề này (Gravina cùng cộng sự, 2013 [11]; Kalfatcùng cộng sự, 2013 [12])

Zou cùng cộng sự (2007) [13] đã khảo sát một khung ba tầng được gia cường với CFRPxung quanh các cột khung Nghiền cứu cho thấy rằng khả năng chịu lực của các cột tăng lêntrong khi độ cứng cột được cải thiện nhẹ Việc tăng độ cứng của các cột dẫn đến khả năngkháng chấn tác động lên khung cao hơn Kiểu phá hoại của khung đã được thay đổi từ một cơchế bên hông cột thành kiểu biến dạng khung tốt hơn với cơ chế ứng xử cột mạnh dầm yếu.Ngoài ra, ứng xử của một khung ba tầng được gia cường CFRP dưới các thử nghiệm bán tĩnh

đã được nghiên cứu bởi Pampanin và các cộng sự (2007) [14], Ket quả cho thấy rằng việc sửdụng CFRP xung quanh các khớp có thể dẫn đến sự hình thành các khớp dẻo (the plastichinges) trong các dầm bên ngoài (chứ không phải trong các khớp nối cột dầm)

Nữoomandi cùng cộng sự (2010) [15] đã đánh giá hiệu quả của một khung BTCT giacường thêm CFRP Mối quan hệ moment - góc xoay của các nút khung BTCT được gia cườngthêm CFRP, được phát triển bời Mahini cùng Ronagh (2010) [10], kết quả thu được bằng cách

sử dụng phần mềm ANSYS (2005) Họ cho thấy hiệu suất và hệ số ứng xử kháng chấn củakhung BTCT được gia cường CFRP đã được cải thiện hoặc thậm chí tăng cường đáng kể sovới khung gốc không gia cường Vì toàn bộ ứng xử đỉnh (post-peak) khó phân tích được khi

sử dụng ANSYS, Nữoomandi cùng cộng sự (2010) [10] đã tập trung vào cường độ đỉnh củakhung phẳng và các nút khung được gia cường trong nghiên cứu của họ

Nghiên cứu của Hadigheh cùng các cộng sự (2013) [16] thu được kết quả độ cứng khánguốn sẽ tăng thêm tại các khớp liên kết được gia cường thêm CFRP bằng việc sử dụng phầnmềm phần tử hữu hạn Abaqus (2007) và đã chứng minh hiệu quả của ứng xử khung BTCT cộtmạnh dầm yếu được gia cường tại các khớp liên kết bởi tấm FRP

Ronagh cùng Eslami (2013) [17] đã thành công chỉ ra sự tăng cường khả năng kháng uốncủa khung BTCT 8 tầng hợp chuẩn đại diện cho một công trình kết cấu trung tầng sử dụng sợithủy tinh / sợi cacbon (GFRP / CFRP) để gia cường Nghiên cứu của Hadigheh (2014) [18] đãchứng minh rằng gia cường CFRP có thể cải thiện trên tất cả các khả năng chịu lực bên trongcủa khung bằng mô hình số Abaqus mô phỏng các nút khung BTCT trước và sau khi giacường Một phép phân tích chuyển động phi tuyến cũng được thực hiện trong nghiên cứu củaông trên các khung (trước và sau khi tăng cường) để nghiền cứu ảnh hưởng của giằng thép vàviệc gia cường CFRP đối với ứng xử kháng chấn của các khung Ket quả cho thấy rằng gia cốCFRP có thể nâng cao hệ số ứng xử, R, của các khung từ 3 - 24% Việc gia cường CFRPkhông chỉ duy trì khả năng chịu tải bên trong của một khung bị hư hỏng mà còn làm tăng hiệuquả kháng chấn của nó

Batikha cùng Alkam (2015) [19] sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 2D nghiên cứu ảnhhưởng của cường độ chịu nén khối xây gạch bê tông trong gia cường khung BTCT bằng FRP.Kết quả cho thấy tường xây khi thay đổi cường độ từ 1.7 - 9.0 MPa làm tăng khả năng chịu tảitrọng ngang 40-120% so với khung không có tường Và khi được gia cường bang FRP tăng từ13-46% so với không gia cường

Ma cùng cộng sự (2016) [20] thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về hiệu quả kháng chấncủa các khung với đầy đủ dầm cột sàn BTCT thu nhỏ được gia cường thêm CFRP trước khiđộng đất Nghiên cứu khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của sàn, dầm ngang và các cách thứcgia cường FRP khác nhau đến kiểu phá hoại và hiệu quả kháng chấn của các mẫu khung thunhỏ FRP làm biến đổi kiểu phá hoại sang khớp dầm như mong muốn, có vai trò rõ rệt trongviệc cải thiện khả năng tiêu tán năng lượng và độ dẻo của khung Khi gia cường CFRP với cáccách thức khác nhau, nghiên cứu cũng chứng minh được chỉ các mẫu khung gia cường cácvùng khớp dẻo của cột cho hiệu quả kháng chấn tốt nhất

Okahashi và Pantelides (2017) [21] tiến hành nghiên cứu trên hai nút khung BTCT, trong

đó có một nút khung được gia cường bằng CFRP theo mô hình thanh chống - giằng (STM).Kết quả thí nghiêm cho thấy nút khung được gia cường bằng CFRP đạt tải trọng ngang cực

đại gấp 1.5 lần so với mẫu nút khung không gia cường Đồng thời nghiên cứu khi tiến hành

mô phỏng mô hình STM, nút khung không gia cường đạt 95% lực cắt nút, trong khi nút khunggia cường CFRP đạt 90% lực cắt nút thực nghiệm

Capani cùng cộng sự (2017) [22] khảo sát thực nghiêm 10 mẫu cột BTCT tiết diện chữnhật bị hư hỏng và gia cố lại bằng CFRP, trong đó có hai mẫu đối chứng không gia cườngCFRP Nghiên cứu đánh giá ứng xử, kiểu phá hoại của mẫu dưới tải trọng nén dọc trục Cácmẫu đã được sửa chữa trước khi gia cố bằng CFRP Tương ứng với phương pháp gia cố đơnhướng hay đa hướng, tải trọng phá hoại cải thiện từ 4-10% và 22-29% so với mẫu đối chứng.Gần đây hơn, Li, Chen cùng các cộng sự (2019) [23] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệp

và mô phỏng số 9 mẫu khung BTCT có tường chèn chịu các vụ nổ khí Trong đó các mẫutường được gia cường bang CFRP theo dạng phân bố, dạng tập trung và mẫu đối chứng khônggia cường Bài báo các mẫu tường đã thay đổi ứng xử từ một chiều sang hai chiều sau khi giacường CFRP Các mẫu tường được gia cường phá hủy ở các cạnh và giữa nhịp Phương án giacường theo dải tập trung có tác dụng rõ rệt trong việc cải thiện hiệu quả chống nổ Các môphỏng số sau khi được hiệu chỉnh cho thấy chuyển vị cực đại và mức độ phá hủy của tườnggiảm đáng kể khi tăng chiều dày tường, và ngược lại

Allam cùng các cộng sự (2019) [24] tiến hành nghiên cứu thực nghiêm trên 8 mẫu nútkhung BTCT chịu tải trọng lặp tĩnh để mô phỏng động đất Trong đó có 4 mẫu nút khungnguyên mẫu và 4 mẫu được gia cường bằng sợi carbon hoặc sợi thủy tinh Kết quả chỉ ra rằngcác mẫu được gia cường FRP đồng thời tăng khả năng kháng chấn, độ cứng, độ dẻo dai tại cácnút khung Mẩu thí nghiêm được gia cường bằng sợi carbon có khả năng chịu lực tăng 1.34lần, đồng thời khả năng tiêu tán năng lượng tăng 4.6 lần so với mẫu đối chứng

Ở Việt Nam, gần đây, việc gia cường kết cấu cũng bắt đầu được nghiên cứu rộng rãi Trong

đó chủ yếu là tấm sợi thủy tinh, như tác giả Nguyễn Hùng Phong (2014) Tạp chí Xây dựngtháng 3, Nghiên cứu thực nghiêm về gia cường kháng cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi thủytinh Nguyễn Văn Mợi, Nguyễn Tấn Dũng, Hoàng Phương Hoa (2011), “Nghiên cứu giảipháp gia cường dầm bê tông cốt thép bằng các tấm vật liệu composite sợi carbon”, Tạp chíkhoa học công nghệ, Đại học Đà Nắng Phan Vũ Phương (2014), nghiên cứu về “Ảnh hưởngyếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm cao BTCT gia cường tấmCFRP” Võ Như Quang Vinh (2015), nghiên cứu “Phân tích ảnh hưởng tương tác của cường

độ chịu nén bê tông và hàm lượng tấm CFRP đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT kết hợp

ứng lực trước” Lương Nguyễn (2015), nghiền cứu “Phân tích ảnh hưởng của tỷ số nhịp cắt chiều cao làm việc của tiết diện dầm đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm BTCT kếthợp ứng suất trước gia cường tấm CFRP” Trương Thị Phương Quỳnh (2017), nghiên cứu về

-“Ảnh hưởng của hệ neo CFRP dạng u đến hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP chodầm bê tông ứng suất trước” Vũ Thành Đạt (2017), “Khảo sát ứng xử uốn của dầm BTCT giacường CFRP chịu tải trọng lặp”

Nghiên cứu tiến sĩ của Đinh Lê Khánh Quốc (2017) [25] về “ứng xử của khung phangBTCT có tường xây chèn dưới tác động của tải họng ngang” cho thấy khung tường xây chènvới khe hở hợp lý có cấp tải gây nứt tường, khung gần như đồng thời và đạt khả năng chịu tảicực hạn Đồng thời, độ cứng của tường xây chèn sau khi nứt không giảm đột ngột mà vẫn cònkhả năng tham gia chịu lực cùng khung BTCT Nghiên cứu cũng kiến nghị xem xét đến độcứng của tường xây chèn khi tính toán công trình chịu tải trọng ngang, lưu ý tăng cường khảnăng chịu lực của kết cấu tại các tầng mềm của công trình

Các nghiên cứu trong nước kể trên đều cho thấy sự gia tăng đáng kể về khả năng chịu lựccủa dầm sau khi được gia cường tấm CFRP Nhưng chỉ giới hạn ở cấu kiện dầm riêng lẻ, chưakhảo sát kết cấu khung với dầm và cột làm việc kết hợp Mục đích chính của nghiên cứu này

là khảo sát hoàn chỉnh ứng xử của một khung BTCT phang có chèn tường BTCT hoặc tườnggạch Mô hình thí nghiêm của nghiên cứu còn phản ánh thực tế với các lỗ khoét cửa sổ trêntường chèn Đặc biệt nghiên cứu thực hiện với khung đã bị hư hỏng, mất khả năng chịu lực vàgia cố lại

1.3 Mục tiêu, phu’ong pháp và phạm vỉ nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Khảo sát thực nghiệm ứng xử, khả năng chịu tải đứng và ngang kết hợp của khung BTCT

có tường chèn bằng gạch hoặc BTCT có lỗ mở đã bị hư hỏng sau khi gia cố các nút khungbằng tấm CFRP

1.3.2 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Phương pháp: Nghiên cứu khảo sát, đánh giá bằng thực nghiêm

Phạm vi: Giới hạn việc nghiên cứu cho khung BTCT phẳng một tầng, một nhịp có tườngchèn, có lỗ mở, chịu tải trọng tĩnh

Đề tài này nhằm khảo sát, đánh giá các giá trị thực nghiệm của việc thiết kế gia cường,khôi phục khả năng chịu lực của khung BTCT có tường chèn đã bị hư hỏng bằng tấmCFRP.

Tạo nguồn cơ sở dữ liệu đối chiếu cho các nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của khungBTCT có tường chèn đã bị hư hỏng gia cường bằng tấm CFRP chịu tải đứng và ngangkết hợp

❖ Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần làm sáng tỏ, mở rộng ứng dụng tấm CFRP vào việc thiết kế và thi công gia cố, cải tạo các công trình đã qua sử dụng bị hư hỏng hoặc các công trình có nhu cầu nâng cấp, mở rộng ở nước ta

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH THựC NGHIỆM

2.1 Vật liệu

2.1.1 Bê tông

Bê tông đúc mẫu thí nghiệm được thiết kế theo cấp phối gồm 490 kg xi măng PCB40, 743

kg cát, 1052 kg đá, 167 lít nước và 6.37 kg phụ gia Plast 257 Cường độ chịu nén mẫuđược dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn sau thời gian 28 ngày được trình bày trong bảng2.1

Bảng 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông

Đơn

Cột — dầm

Hình 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông

2.1.2 Cốt thép

Cốt thép dọc sử dụng thép CB400-V có fy = 400 Mpa, fu = 570 Mpa, module đàn hồi E =

200000 MPa Đường kính 20mm cho chân đế và đường kính 16mm cho cấu kiện dầm cột

Cốt thép đai sử dụng thép CB240-T có fy = 240 Mpa, fu = 380 Mpa, module đàn hồi E =

210000 MPa Đường kính 8mm cho đai cột, dầm Vách BTCT dùng lưới thép hàn đườngkính 6mm

2.1.3 Vật liệu FRP

Tấm CFRP với các thông số kỹ thuật được cung cấp bời nhà sản xuất được trình bày trongbảng 2.2 Keo dán tấm CFRP là loại keo epoxy Carbotex Impreg hai thành phần A-B với các thông số kỹ thuật được nhà sản xuất cung cấp như bảng 2.3

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của tấm CFRP dùng trong thí nghiệm

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của keo Carbotex Impreg

2.1.4 Keo sữa chữa vết nứt

Keo Epoxy SL 1401 dùng để trám bề mặt vết nứt với thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp như bảng 2.4 Thời gian keo bắt đầu làm việc trong vòng 30 phút và khô cứng sau 3 giờ ở điều kiện 25°c

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1401:

Keo Epoxy SL 1400

Keo Epoxy SL 1400 dùng để bơm đầy vết nứt theo các thông số kỹ thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất theo bảng 2.5 Keo đạt cường độ và độ cứng sau 7 ngày

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1400:

Keo Epoxy SL 1400

Cường độ chịu lực trên bề mặt xi

2.1.5 Các vật liệu khác

❖ Thép tấm Q345B cường độ fy = 345 Mpa, fu = 450 Mpa, module đàn hồi E = 200000 Mpa dùng để gia công chân đế, các mặt bích đỉnh dầm, cột

❖ Vữa xi măng xây tô mác 75

❖ Bulong neo và liên kết cấp độ bền 10.9 dùng để ngàm chân đế với nền BTCT

❖ Bulong khoan cấy hóa chất ramset G5

2.2 Mẩu thí nghiệm

Chương trình thí nghiệm bao gồm 02 mẫu: 01 khung BTCT có tường chèn bằng gạchđinh dày 90mm (KG) và 01 khung BTCT có tường chèn bằng BTCT 67mm (KB)

2.2.1 Mấu khung BTCT có tường chèn bằng gạch KG

Hình 2.2: Mô hình 3D khung KGKhung BTCT một tầng, một nhịp có tường chèn bằng gạch KG có chiều cao 3m2 tính từnền phòng thí nghiệm và được ngàm chặt vào nền bằng 20 bu lông Cả hai cột kích thướcbxh = 250x300 mm, bên trong có 6 thanh thép dọc đường kính 16mm, cốt đai đường kính8mm cách khoảng 100 đến 200mm Đoạn chân cột dày 250mm, rộng 1000mm, bên trongcấu tạo 16 thanh thép đường kính 20mm hàn neo vào chân đế bằng thép tấm Dầm trên vàdầm dưới có kích thước và cấu tạo tương tự Chiều cao 350mm, bề rộng 200mm, bêntrong có 6 thanh thép dọc đường kính 16mm, cốt đai đường kính 8mm cách khoảng100mm ở đoạn đầu dầm L/4, đoạn giữa dầm L/2 cốt đai cách khoảng 200mm Tường đượcxây bằng gạch đinh kích thước 90x90x180mm, mạch vữa 15mm, không tô vữa hoàn thiện

bề mặt Trên tường có hai lỗ mở rộng 1300mm, cao 1150mm cho mỗi ô Chi tiết mẫu trình

2.3 Quy trình chế tạo mẫu

Bước 1: Gia công chân đế thép

Hình 2.6: Chân đế được gia công tại xưởng

Bước 2: Gia công lắp dựng thép chân đế, các thép chủ được hàn vào bản thép

Hình 2.7: Gia công lắp dựng thép chân đế

Hình 2.8: Thép chủ được hàn vào chân đế

Bước 3: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng thép và tiến hành đúc mẫu tuần tựchân đế, dầm dưới - cột - dầm trên - tường BTCT (cho khung KB)

Hình 2.9: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng thép

Hình 2.10: Tiến hành đúc mẫu thí nghiêm

Hình 2.11: Kiểm tra độ sụt bê tôngBước 4: Khoan cấy bu lông và lắp đặt chân đế dưới tại phòng thí nghiệm

Hình 2.12: Khoan cấy bu lông và lắp chân đế ngàm tại phòng thí nghiêm

Bước 5: Gia công hệ khung giữ kích thủy lực

Hình 2.13: Hệ khung chống phản lực trong quá trình thí nghiệm

Hình 2.14: Hệ khung cố định kích

Hình 2.15: Hệ khung giữ kích sau khi hoàn thiệnBước 6: Gia công hệ khung thép bảo vệ trong quá trình thí nghiệm

Hình 2.16: Gia công hệ khung thép bảo vệBước 7: Chuyển mẫu thí nghiêm vào phòng thí nghiêm, lắp đặt hệ khung bảo

vệ, sau đó lắp đặt các khối tải bê tông kích thước 0.95m X 1.2m X 1.05m

Hình 2.17: Mẩu thí nghiệm hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm

Bước 8: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng bê tông, chuyển vị kế

Hình 2.18: Lắp đặt chuyển vị kế

Bước 9: Chân cột được ngàm với nền móng

Hình 2.19: Liên kết ngàm tại chân cột

2.4 Thiết bị thí nghiệm

Các thiết bị chính dự kiến phục vụ thí nghiệm:

Khung kích gia tải : Tải họng tối đa 6000 kN;

Kích thủy lực gia tải : Tải họng tối đa 6000 kN;