Dán cảm biến điện trở lên bề mặt tấm CFRP
4.4 Dụng cụ thí nghiệm
- Kích thủy lực 100 - 200 T, hiệu Larzep, sản xuất tại Tây Ban Nha
- Máy thử kéo nén Universal Testing Machine UTM 2294SV – Instron, USA có khả
năng gia tải tối đa 1000 kN, tốc độ gia tải tối đa 100mm/phút và được liên kết với máy tính để ghi nhận và xử lý dữ liệu.
- Bộ dụng cụ đo chuyển vị và nghi lại dữ liệu (dùng 2 phương pháp: đồng hồ cơ
học-dial gauge và bộ đầu đo kỹ thuật số-LVDT, gồm Displacement Transducer CDP và Data Logger TDS 303).
- Dụng cụđo biến dạng dùng phương pháp: cảm biến điện trở - Strain gage. - Dụng cụđo bề rộng vết nứt (dùng kính lúp-Microscope).
4.5 Bố trí thiết bị đo đạc và quy trình gia tải
4.5.1 Bố trí thiết bịđo
Dầm được thí nghiệm theo sơ đồ dầm đơn giản chiu tác dụng 2 lực tập trung (Hình 4.4 và 4.5). Biến dạng của cốt đai được đo thông qua 2 cảm biến điện trở (SG) dán trên bề mặt của cốt đai và 6 cảm biến khác được dùng để đo biến dạng của tấm FRP. Các cảm biến này được dán cùng tại vị trí như của cốt đai nhằm khảo sát sự
tương tác giữa cốt đai và tấm. Biến dạng của cốt dọc chịu kéo được xác định thông qua 2 cảm biến tại vị trí giữa nhịp và 4 cảm biến trong nhịp cắt gần vị trí vết nứt xiên (để xác định lực chốt chặn). Biến dạng của bê tông được đo thông qua 3 cảm biến khác dán ở thớ chịu nén của dầm cùng ở vị trí giữa nhịp dọc theo chiều cao dầm (Hình 4.19). Chuyển vị dầm được xác định thông qua 5 chuyển vị kế điện tử
(LVDTs) bố trí tại giữa nhịp, điểm đặt tải, và tại 2 gối tựa (Hình 4.19). Dầm được gia tải bằng 2 kích thủy lực 100 T theo từng cấp tải cho đến khi bị phá hoại hoàn toàn. Giá trị mỗi cấp tải phụ thuộc vào trạng thái làm việc của dầm. Trong giai đoạn trước khi vết nứt xuất hiện trong dầm, giá trị cấp tải vào khoảng 5~15 kN. Trong giai đoạn sau đó, giá trị mỗi cấp tải sẽđược tăng lên 20 ~ 50 kN. Sau mỗi cấp tải, sẽ
giữ tải trong thời gian khoảng 3 phút để tiến hành đo chuyển vị, biến dạng của bê tông, thép dọc, thép đai, tấm FRP và bề rộng khe nứt.
4.5.2 Quy trình gia tải
Dầm thí nghiệm được gia tải theo 2 giai đọan. Giai đoạn 1, các dầm BTCT chưa gia cường được gia tải với tốc độ chậm, mỗi cấp tải vào khoảng 5 kN để ghi nhận được vết nứt uốn đầu tiên. Sau đó, dầm tiếp tục được gia tải với mỗi cấp tải vào khoảng 10 kN cho đến khi xuất hiện vết nứt cắt đầu tiên, tiếp tục gia tải tới khi bề rộng vết nứt < 0.2-0.3 mm thì dừng gia tải, hạ tải và được gia cường bằng tấm FRP.
Sau khi các tấm gia cường đạt đủ cường độ (7 ngày), các dầm thí nghiêm tiếp tục
được gia tải giai đọan 2 theo từng cấp tải một cho đến khi bị phá hoại hoàn toàn. Giá trị mỗi cấp tải phụ thuộc vào trạng thái làm việc của dầm. Sau mỗi cấp tải, sẽ
giữ tải trong thời gian khoảng 3 phút để tiến hành đo chuyển vị, biến dạng của bê
Hình 4.19 Sơđồ thử tải và bố trí dụng cụ thí nghiệm L/2 L Đ m thép LVDT3 Roller LVDT1 L/2 LVDT2 LVDT4 LVDT5 D m truy n t i Steel loading frame Kích gia t i
Load cell
Strain gauge – bê tông Strain gauges
- FRP
L/3 L/3 L/3
tông, thép và bề rộng khe nứt và ghi nhận quá trình hình thành và phát triển của vết nứt.
Hình 4.21:Lắp đặt máy đo biến dạng
4.6 Kết quả thí nghiệm và thảo luận
Kết quả thí nghiệm 9 mẫu dầm được tổng hợp trong Bảng 4.7 và 4.8.
Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm giai đoạn 1
Kích thước fc,cube fsp,cube Vcr,flex Vcr,sh Vcr,0.2-0.3 Vu,tot,expεf,expεv,expεs,expεc,exp Kiểu Nhóm Mẫu dầm (mm) (MPa) (MPa) (kN) (kN) (kN) (kN) (‰) (‰) (‰) (‰) phá hoại G2-RC-1 10 28 55 90 - 2.04 1.48 1.02 S G2-GFRP-1 6 40 63 - - - - - 1 G2-CFRP-1 100×250 ×1700 10 40 70 - - - - - G2-RC-2 70 160 200 450 - 2.46 1.59 0.92 S G2-GFRP-2 100 160 180 - - - - - 2 G2-CFRP-2 200×500 ×3400 80 160 180 - - - - - G2-RC-3 180 330 390 960 - 2.46 1.60 0.82 S G2-GFRP-3 210 330 360 - - - - - 3 G2-CFRP-3 300×750 ×5100 23.7 4.41 180 390 500 - - - - - Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm giai đoạn 2
Kích thước fc,cube fsp,cube Vcr,flex Vcr,shVu,tot,exp Vu,exp εf,expεv,expεs,expεc,exp Kiểu Nhóm Mẫu dầm (mm) (MPa) (MPa) (kN) (kN) (kN) (kN) (‰) (‰) (‰) (‰) phá hoại G2-RC-1 10 28 90 45 - 2.04 1.48 1.02 S G2-GFRP-1 - - 125 62.5 5.14 1.92 1.65 1.82 S-D 1 G2-CFRP-1 100×250 ×1700 - - 140 70 3.92 2.21 1.81 2.01 S-D G2-RC-2 70 160 450 225 - 2.46 1.59 0.92 S G2-GFRP-2 - - 525 262.5 5.24 1.98 1.86 1.75 S-D 2 G2-CFRP-2 200×500 ×3400 - - 630 315 3.93 2.18 1.90 2.07 S-D G2-RC-3 180 330 960 480 - 2.46 1.60 0.82 S G2-GFRP-3 - - 1300 650 5.11 2.34 1.88 1.77 S-S 3 G2-CFRP-3 300×750 ×5100 23.7 4.41 - - 1460 730 3.84 1.85 1.87 1.95 S-D Ghi chú:
εf,exp : Biến dạng lớn nhất của tấm gia cường FRP;
εv,exp : Biến dạng lớn nhất cốt đai được đo cùng một vị trí với tấm gia cường;
εc,exp : Biến dạng lớn nhất bê tông; S : Kiểu phá hoại cắt của dầm;
S-D : Kiểu phá hoại cắt kết hợp với nén vỡ bê tông; S-S : Kiểu phá hoại cắt kết hợp bong tách tấm.
Các ký hiệu khác được trình bày trong Danh mục các ký hiệu.
4.6.1 Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm (a) Hình thái vết nứt của dầm trước khi gia cường
Để tạo sự tương đồng trong quá trình thí nghiệm, tất cả các dầm được gia tải đến khi xuất hiện vết nứt xiên có bề rộng 0.2-0.3 mm thì dỡ tải. Đầu tiên vết nứt uốn (vuông góc với trục dầm) xuất hiện ở giữa nhịp của dầm; tiếp tục tăng tải, số lượng các vết nứt tăng dần hướng về 2 gối tựa, bề rộng vết nứt phát triển; khi tải trọng tăng đến một giá trị đủ lớn, vết nứt xiên đầu tiên xuất hiện trong nhịp cắt và giữa thân của dầm, vết nứt xiên phát triển theo sự gia tăng của tải trọng theo 2 hướng gối tựa và điểm đặt lực (về cả số lượng và bề rộng).
Nhóm 1 (G2-RC-1, G2-GFRP-1, G2-CFRP-1) - 100×250×1700 mm
• Vết nứt thẳng góc với trục dầm bắt đầu xuất hiện ở cấp tải 6-10 kN ở vùng giữa dầm. Đến cấp tải 28-40 kN, vết nứt xiên đầu tiên xuất hiện ở giữa thân dầm trong nhịp cắt và phát triển nhanh theo 2 hướng gối tựa và điểm đặt lực. Tiếp tục tăng tải đến 55-70 kN, vết nứt xiên có bề rộng từ 0.2-0.3 mm thì ngừng gia tải.
Nhóm 2 (G2-RC-2, G2-GFRP-2, G2-CFRP-2) - 200×500×3400 mm
• Sự hình thành và phát triển vết nứt tương tự như nhóm 1 trong đó vết nứt thẳng góc với trục dầm bắt đầu xuất hiện ở cấp tải 70-100 kN. Đến cấp tải 160 kN, vết nứt xiên đầu tiên xuất hiện. Ở cấp tải 180-200 kN, vết nứt xiên có bề rộng từ 0.2-0.3 mm.
Nhóm 3 (G2-RC-3, G2-GFRP-3, G2-CFRP-3) - 300×750×5100 mm
• Sự hình thành và phát triển vết nứt tương tự như nhóm 1 và 2 trong đó vết nứt thẳng góc với trục dầm bắt đầu xuất hiện ở cấp tải 180-210 kN. Đến cấp tải 330-390 kN, vết nứt xiên đầu tiên xuất hiện. Ở cấp tải 360-500 kN, vết nứt xiên có bề rộng từ 0.2-0.3 mm.
(b) Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của dầm sau khi gia cường
Kết quả thí nghiệm cho thấy tất cả các dầm đều bị phá hoại do cắt (Hình 4.23) trong đó 3 dầm BTCT đối chứng (G2-RC-1, G2-RC-2, G2-RC-3) phá hoại cắt
thuần tuý; 5 dầm gia cường (G2-GFRP-1, G2-CFRP-1, G2-GFRP-2, G2-CFRP-
2, G2-CFRP-3) bị phá hoại cắt - nén vỡ của bê tông, dầm gia cường G2-GFRP-3 bị phá hoại cắt kết hợp với bong tách cục bộ tấm GFRP. Đối với dầm BTCT đối chứng, quan sát thấy rằng, khi tăng tải không có sự tăng thêm về số lượng vết nứt uốn nhưng có sự phát triển về bề rộng. Khi tải trọng tăng đến một giá trị đủ
lớn, vết nứt xiên bắt đầu phát triển; lúc này vết nứt uốn phát triển chậm, vết nứt xiên phát triển theo sự gia tăng của tải trọng từ gối tựa hướng về điểm đặt lực (cả về số lượng và bề rộng). Vết nứt xiên đóng vai trò chủ đạo làm cho dầm bị
phá hoại. Đối với dầm gia cường, quá trình hình thành và phát triển vết nứt cũng tương tự như trên nhưng vết nứt xiên phát triển với số lượng trong vùng bị cắt tương đối nhiều và bề rộng vết nứt quan sát được nhỏ. Và khi gần đạt đến tải phá hoại, vết nứt uốn phát triển trở lại, biến dạng bê tông vùng nén tăng nhanh, dầm bị phá hoại cắt kết hợp nén vỡ của bê tông. Nhìn chung, tấm FRP giúp tái phân bốứng suất cắt trong vùng chịu cắt làm cho bề rộng vết nứt xiên nhỏ hơn, từđó làm hạn chế kiểu phá hoại dòn đột ngột của dầm. Đối với các dầm nhóm 1 (các dầm có kích thước nhỏ nhất), vết nứt xiên bắt đầu xuất hiện tại cấp tải 28- 40 kN và bị phá hoại ở cấp tải 90 kN (dầm BTCT đối chứng) và cấp tải 125-140 kN (dầm gia cường). Với các dầm nhóm 2 (các dầm có kích thước trung bình), vết nứt xiên xuất hiện ở cấp tải 160 kN và bị phá hoại tại cấp tải 450 kN (dầm BTCT đối chứng) và tại cấp tải 525-630 kN (dầm gia cường). Với các dầm nhóm 3 (các dầm có kích thước lớn nhất), vết nứt xiên xuất hiện ở cấp tải 330-
390 kN và bị phá hoại tại cấp tải 960 kN (dầm BTCT đối chứng) và tại cấp tải 1300-1460 kN (dầm gia cường).
(a) (b)
Hình 4.23: Hình thái vết nứt và kiểu phá hoại điển hình của dầm thí nghiệm: (a)
dầm gia cường; (b) dầm BTCT đối chứng
4.6.2. Tương tác giữa tấm và cốt đai
Biến dạng của cốt đai và tấm FRP được đo bằng cảm biến điện trở tại cùng một vị
trí trên dầm gia cường, đồng thời trong dầm BTCT đối chứng tương ứng, biến dạng cũng được đo tại cùng vị trí. Mục đích là để khảo sát ảnh hưởng tương tác giữa biến dạng của cốt đai và của tấm đến khả năng kháng cắt của cốt đai, của tấm và của dầm gia cường.
Hình 4.24 thể hiện mối quan hệ lực-biến dạng của tấm và cốt đai trong các dầm nhóm 1. Kết quả cho thấy trước khi vết nứt cắt xuất hiện, biến dạng cốt đai trong dầm BTCT đối chứng tương đối nhỏ, nhưng biến dạng cốt đai và tấm trong dầm gia cường tăng ngay sau những bước tải đầu tiên. Điều này được giải thích là do trong các dầm gia cường, đã tồn tại vết nứt cắt có sẵn, làm phát sinh hiện tượng tập trung biến dạng trong tấm và cốt đai tại vị trí vết nứt này. Sau khi vết nứt cắt xuất hiện trong dầm BTCT đối chứng, biến dạng cốt đai của dầm tăng nhanh. Trong trường hợp các dầm gia cường, khi tải trọng tiếp tục tăng, biến dạng của tấm tăng nhanh hơn so với cốt đai. Xét tại cấp tải tới hạn của dầm BTCT đối chứng (90 kN), biến dạng của cốt đai đo được trong dầm BTCT đối chứng là 2.04‰. Kết quả này cho
thấy cốt đai đã chảy dẻo. Tương ứng với cấp tải trên, biến dạng của cốt đai và tấm trong dầm gia cường G2-GFRP-1 là 0.96‰ và 0.98‰, và dầm G2-CFRP-1 là 1.03‰ và 0.97‰. Khi dầm gần đạt đến cấp tải tới hạn, biến dạng của tấm GFRP tăng nhanh hơn rất nhiều so với biến dạng tấm CFRP, đồng thời trong dầm gia cường, biến dạng tấm cũng tăng nhanh hơn so với biến dạng cốt đai. Tại cấp tải phá hoại, biến dạng của cốt đai và tấm lần lượt là 1.92‰ và 5.14‰ trong dầm gia cường tấm GFRP, và 2.12‰ và 3.92‰ trong dầm gia cường tấm CFRP.
0 20 40 60 80 100 120 140 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 G2-CFRP-1-DAI G2-CFRP-1-TAM G2-RC-1 G2-GFRP-1-DAI G2-GFRP-1-TAM Hình 4.24: Quan hệ lực và biến dạng của cốt đai và tấm CFRP, GFRP của các dầm nhóm 1 (100×250×1700 mm)
Hình 4.25 thể hiện mối quan hệ lực-biến dạng của tấm và cốt đai trong các dầm nhóm 2. Ứng xử của cốt đai và tấm của các dầm nhóm 2 có xu hướng tương tự như
của các dầm nhóm 1. Ở cấp tải phá hoại (450 kN), biến dạng của cốt đai đo được trong dầm BTCT đối chứng là 2.46‰. Tương ứng với cấp tải trên, biến dạng của cốt đai và tấm trong dầm gia cường tấm GFRP là 1.39‰ và 2.84‰, và của dầm gia cường tấm CFRP là 1.34‰ và 2.02‰. Tại cấp tải phá hoại, biến dạng của cốt đai và tấm của các dầm gia cường lần lượt là 1.98‰ và 5.24‰ (dầm gia cường tấm GFRP), và 2.18‰ và 3.93‰ (dầm gia cường tấm CFRP). Biến dạng (%) Vto t, ex p ( kN )
0 100 200 300 400 500 600 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 G2-CFRP-2-DAI G2-CFRP-2-TAM G2-RC-2-DAI G2-GFRP-2-DAI G2-GFRP-2-TAM Hình 4.25: Quan hệ lực và biến dạng của cốt đai và tấm CFRP, GFRP của dầm nhóm 2 (200×500×3400 mm)
Hình 4.26 thể hiện mối quan hệ lực-biến dạng của tấm và cốt đai trong các dầm nhóm 3, nhóm có kích thước hình học lớn nhất. Tương tự nhóm 1 và 2, trước khi vết nứt cắt xuất hiện, cốt đai trong dầm BTCT đối chứng hầu như không làm việc, trong khi, cốt đai và tấm trong dầm gia cường bị biến dạng ngay từ những bước gia tải đầu tiên. Sau khi vết nứt cắt xuất hiện, biến dạng của cốt đai trong dầm BTCT tăng nhanh. Xu hướng này cũng được thể hiện trong các dầm gia cường, đồng thời có thể thấy biến dạng trong tấm tăng nhanh hơn so với cốt đai. Ở cấp tải phá hoại (960 kN), biến dạng của cốt đai đo được trong dầm BTCT đối chứng là 2.46‰. Tại cấp tải này, biến dạng của cốt đai và tấm trong dầm gia cường tấm GFRP là 1.08‰ và 1.89‰, và của dầm gia cường tấm CFRP xấp xỉ 1‰ và 1.59‰. Tại cấp tải phá hoại, biến dạng của cốt đai và tấm trong các dầm gia cường là 2.34‰ và 5.11‰ (dầm gia cường tấm GFRP), và 1.85‰ và 3.84‰ (dầm gia cường tấm CFRP).
Biến dạng (%) Vto t, ex p ( kN )
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 G2-CFRP-3-DAI G2-CFRP-3-TAM G2-RC-3-DAI G2-CFRP-3-DAI G2-CFRP-3-TAM Hình 4.26: Quan hệ lực và biến dạng của cốt đai và tấm CFRP, GFRP của dầm nhóm 3 (300×750×5100 mm)
4.6.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình đến biến dạng của tấm
Kết quả trong Bảng 4.8 cho thấy biến dạng lớn nhất của tấm trong nhóm 1, nhóm 2 và nhóm 3 lần lượt là 5.14‰, 5.24‰, 5.11‰ đối với tấm GFRP, và 3.92‰, 3.93‰, 3.84‰ đối với tấm CFRP. Kết quả này chứng tỏ biến dạng của tấm không bị ảnh hưởng đáng kể bởi yếu tố kích thước tiết diện (Hình 4.27). Kết luận này dường như
tương phản với một số kết luận đã có vềảnh hưởng của yếu tố kích thước đến hiệu quả gia cường của tấm trong một số các nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, các nghiên cứu này chỉ tập trung trên các dầm gia cường chưa bị nứt. Trên các dầm gia cường loại này, bề mặt gia cường và hiệu ứng cài móc trong bê tông đóng vai trò vô cùng quan trọng đến hiệu quả gia cường của tấm. Tuy nhiên, đối với các dầm có sẵn vết nứt, vai trò của biến dạng tập trung lại đóng vai trò quyết định. Ngoài ra, vết nứt có sẵn làm cho ảnh hưởng của hiệu ứng cài móc trong dầm không còn mạnh mẽ nữa. Tất cả những điều này có thể là những nguyên nhân làm giảm mạnh ảnh hưởng của yếu tố kích thước đến hiệu quả gia cường của tấm trong