CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.2. Tổng quan nghiên cứu về ứng xử của cột BTCT gia cường kháng uốn và kháng nở hông bằng vật liệu CFRP
2.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Mirmiran và cộng sự (1998) [1] nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của hình dạng tiết diện, chiều cao của cột, liên kết bề mặt bê tông và tấm sợi FRP đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm FRP. Để khảo sát ảnh hưởng của hình dạng tiết diện cột, 18 mẫu cột vuông, kích thước 152.5x152.5x305mm và 49 mẫu cột tròn, kích thước 152.5x305 mm. Riêng ảnh hưởng của tỉ số chiều cao trên đường kính cột L/D được thực nghiệm trên 36 mẫu cột tròn, đường kính 152.5mm có tỉ số L/D thay đổi lần lượt là 2:1, 3:1, 4:1, và 5:1. Ảnh hưởng của liên kết bề mặt tấm sợi CFRP và bê tông được đánh giá trên tổng cộng 32 mẫu cột tròn kích thước 152.5x305 mm với hai loại liên kết mặt: keo và neo cơ học. Tất cả các cột đƣợc gia cường lần lượt 6, 10 và 14 lớp tấm GFRP. Tác giả đánh giáhiệu quả gia cường của tấm GFRP qua chỉ số MCR là một hàm của bán kính góc và cường độ tấm GFRP.
Kết quả cho thấy hiệu quả gia cường của tiết diện vuông thấp hơn tiết diện tròn và các mẫu đều có giá trị MCR>15%. Tỉ số độ mảnh của cột từ 2:1 đến 5:1 không ảnh hưởng đáng kể đến cường độ cũng như độ dẻo của tiết diện. Trong khi, liên kết dạng keo không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cột gia cường, nhưng dạng cơ học cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của tiết diện doứng suất kháng nở hông của tấm FRP gia cường được phân bố đều đặn hơn theo chu vi của tiết diện cột.
Parvin and Wang (2001) [2] phân tích thực nghiệm ứng xử cơ học của cột vuông gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm. Thí nghiệm được thực hiện trên 9 mẫu (108x108x305mm) với số lớp CFRP gia cường bó hông thay đổi (0,1, và 2 lớp). Các cột đƣợc nén lệch tâm với độ lệch tâm lần lƣợt là0, 7.6, và 15.2mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy tấm FRP làm tăng đáng kể cường độ và độ dẻo của cột dưới tải trọng lệch tâm, tuy nhiên hiện tượng biến dạng không đều của tấm CFRP (do ảnh hưởng của nén lệch tâm) làm giảm hiệu quả gia cường của tấm. Đối với cột vuông chịu nén lệch tâm, độ cứng củatấm CFRP là thông số quan trọng. Tấm CFRP phải đủ cứng để tạo nên hiệu ứng bó hông cho cột. Hiệu quả gia cường của tấm CFRP tỉ lệ với độ cứng của tấm. Ngoài ra, nhờ cơ chế kiểm soát hiện tƣợng phình hông, tấm CFRP làm tăng đáng kể khả năng nở hông của cột.
Hadi (2006) [3] khảo sát ứng xử của cột tròn được gia cường tấm CFRP bó hông trong cột bê tôngchịu nén lệch tâm có và không có cốt thép dọc trong cột.
Chương trình thực nghiệm được dựa trên 6 cột, kích thước 150x1400mm; tại vị trí tác dụng lực, tiết diện cột đƣợc mở rộng về một phía để tạo độ lệch tâm cho cột.
Cột C1 được bố trí cốt thép dọc (6d10) không gia cường tấm CFRP. Cột C2 được bố trí cốt thép dọc tương tự cột C1và gia cường bó hông bằng 1 lớp tấm CFRP; cột C3 không có cốt dọc và được gia cường bó hông bằng 1 lớp tấm CFRP tương tự cột C2. Cột C4 và C5, tương tự như cột C3, nhưng được bố trí bó hông bằng 2 lớp tấm CFRP. Cuối cùng, cột C6 được gia cường 5 lớp tấm CFRP. Kết quả cho thấy khả năng chịu lực, độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng của cột được gia cường bó hông bằng tấm CFRP đều cao hơn so với cột BTCT truyền thống tương ứng.
Hadi (2007) [4] thực nghiệm trên 6 mẫu cột tròn (d=205mm, h=925mm), chia làm 2 nhóm mẫu không bố trí cột dọc và cốt đai, được gia cường bó hông và kháng uốn bằng tấm CFRP và GFRP với độ lệch tâm = 50mm. Mỗi nhóm mẫu gồm có một mẫu không gia cường dán dọc, một mẫu gia cường dán dọc 1 lớp FRP và một mẫu gia cường dán dọc 3 lớp FRP; tất cả các mẫu được gia cường bó hông bằng 3 lớp FRP. Ngoài ra, một cột với hình dạng và kích thước tương tự được bố trí cốt dọc (6d12) và cốt đai (d10s60) đƣợc sử dụng để đối chứng. Nghiên cứu đƣa ra kết luận rằng khả năng chịu lực và độ dẻo của cột được gia cường bằng CFRP hay GFRP đều tốt hơn so với cột BTCT đối chứng. Khả năng chịu lực của cột được gia cường bằng tấm GFRP tăng nhẹ so với cột đối chứng. Mặc dù đƣợc thí nghiệm nén lệch tâm, ứng xử của cột gia cường bằng tấm CFRP vẫn tốt hơn so với cột đối chứng và cột gia cường bằng tấm GFRP.
Maaddaway (2009) [5] khảo sát thực nghiệm ứng xử cơ học của cột gia cường bó hông bằng tấm CFRP chịu nén lệch tâm trên 12 cột vuông (125x125x1200mm).
Các cột được mở rộng tiết diện ở vùng chịu tải với kích thước 250x250mm nhằm tạo ra độ lệch tâm. Tỉ số giữa độ lệch tâm và chiều cao tiết diện cột e/h trong thí nghiệm lần lƣợt là 0.3, 0.43, 0.57 và 0.86. Thí nghiệm đƣợc chia làm 3 nhóm: cột không gia cường (UW); cột gia cường toàn phần (full wrapping, FW); và cột gia cường bán phần (partial wrapping, PW). Kết quả cho thấy gia cường 1 lớp tấm CFRP kiểu FW (toàn phần) làm tăng khả năng chịu tải của cột lên 37% với e/h=0.3,
8
trong khi chỉ làm tăng 3% với e/h=0.86. Mức độ gia tăng tỉ lệ nghịch với tỉ số độ lệch tâm. Hiệu quả gia tăng khả năng chịu tải do gia cường kiểu PW (bán phần) thấp hơn so với kiểu FW khoảng 5%. Kiểu gia cường FW làm tăng biến dạng chịu nén tới hạn của bê tông từ 64 đến 124% so với cột không được gia cường, trong khi kiểu gia cường PW làm tăng thấp hơn khoảng 12% so với kiểu FW.
Hadi (2009) [6] nghiên cứu về ứng xử cơ học của cột BTCT cường độ cao được gia cường bằng vật liệu CFRP chịu nén lệch tâm. Nghiên cứu được thực hiện trên 16 mẫu với 12 mẫu cột tiết diện tròn (h=925mm, d=205mm) và 4 mẫu dầm. Thí nghiệm chia làm 4 nhóm: nhóm 1 gồm các mẫu cột BTCT đối chứng; nhóm 2 gồm 4 mẫu cột BTCT được gia cường bó hông bằng 3 lớp CFRP; nhóm 3 gồm 4 mẫu BTCT được gia cường thêm 1% sợi thép vào bê tông; và nhóm 4 gồm 4 mẫu cột BTCT gia cường thêm 1% sợi thép và đồng thời được gia cường bó hôngbằng 3 lớp CFRP. Các mẫu trong mỗi nhóm đƣợc thí nghiệm với độ lệch tâm lần lƣợt là 0, 25, và 50mm; mẫu cuối cùng đƣợc thí nghiệm nhƣ mẫu dầm. Kết quả cho thấy tấm CFRP gia cường bó hônglàm tăng đáng kể khả năng chịu lực của cột. Sợi thép bổ sung vào mẫu cột làm tăng độ dẻo của cột. Thí nghiệm uốn 4 điểm chỉ ra rằng tấm FRP làm tăng khả năng kháng uốn của cột, giảm biến dạng nở hông. Sợi thép không làm tăng khả năng chịu lực của cột nhiều nhƣ tấm CFRP nhƣng làm tăng mạnh độ dẻo cho cột.
Sadeghian và cộng sự (2010) [7] phân tích thực nghiệm ứng xử cơ học của cột chữ nhật được gia cường bằng vật liệu CFRP chịu nén lệch tâm. Chương trình được thực hiện trên 7 mẫu cột (200x300x2700mm) có độ lệch tâm (200 và 300mm), số lớp gia cường (2, 3 và 5) và góc sợi gia cường so với trục cột thay đổi (0, 45, và 90o). Hai mẫu không gia cường (U); hai mẫu gia cường 2 lớp dán dọc trục và 1 lớp bó hông (L2T); hai mẫu khác gia cường dán 4 lớp dọc trục và 1 lớp bó hông (L4T); và cột cuối cùng được gia cường bằng 2 lớp bóchéo (DD’). Độ lệch tâm của cột trong thí nghiệm nén lần lượt là 200 và 300mm. Kết quả cho thấy các mẫu gia cường có ứng xử tương tự nhau. Phá hoại của tấm FRP phần lớn xảy ra ở giữa cột. Các lớp gia cường bó hông cải thiện tốt liên kết giữa những lớp gia cường dán dọc và bê tông. Khả năng chịu lực của mẫu S300-L4T tăng 127% so với mẫu U300 (mẫu không gia cường), và tăng 51%
so với mẫu S300-L2T. Lớp gia cường bó hông
không cải thiện hiệu quả khả năng chịu lực của cột khi chịu nén lệch tâm. Các mẫu có chuyển vị ngang nhƣ nhau.
Hadi và Widiarsa (2012) [8] nghiên cứu về ảnh hưởng số lớp CFRP gia cường dán dọc, độ lệch tâm, lớp CFRP gia cường bó hông đến ứng xử của cột BTCT chịu nén lệch tâm. Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên 12 mẫu cột vuông (200x200x800mm) nén lệch tâm. Cột sử dụng bê tông cường độ cao (HSC). Mẫu thí nghiệm được chia làm 3 nhóm: không gia cường, bó 1 lớp, bó 3 lớp, và dán 1 lớp dọc đồng thời bó 2 lớp với 3 độ lệch tâm khác nhau 0, 25, 50mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy các lớp CFRP gia cường bó hông tăng đáng kể khả năng chịu lực lên tới 84% và cải thiệt rỏ rệt độ dẻo của cột.
Wang và cộng sự (2012) [9] nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ mô hình, hàm lƣợng cốt thép dọc và đai của cột, số lớp CFRP bó hông và bản chất tải trọng (tải trọng đơn điệu, tải lặp) đến ứng xử nén dọc trục của 34 mẫu cột vuông. Nghiên cứu chỉ ra rằng tấm CFRP làm tăng đáng kể khả năng biến dạng dọc trục của cột, nhƣng chỉ làm tăng nhẹ cường độ dọc trục của nó. Quan hệ ứng suất biến dạng của mẫu chịu nén tĩnh và mẫu chịu nén lặp tương đồng nhau. Vùng giữa của tấm CFRP bó hông có khả năng biến dạng tốt hơn so với vùng góc cho thấy sự nguy hiểm của vùng góc. Hệ số làm việc hiệu quả của tấm CFRP bó hông tại vùng góc đối với cột kích thước lớn và trung bình theo nghiên cứu này lần lượt là 0.4 và 0.6. Nghiên cứu cũng chỉ ra hàm lượng cốt thép đai ảnh hưởng đến khả năng biến dạng, quan hệ ứng suất - biến dạng, và giá trị biến dạng dẻo của cột gia cường bó hông bằng tấm CFRP.
Một số những nghiên cứu khác trong cùng lĩnh vực nhƣ của Pessiki et al.
(2001), Shao và cộng sự (2006), Lam và cộng sự (2006),Rocca (2007), Ilki và cộng sự (2008), Lam và Teng (2009), Turgat và cộng sự (2010), De Luca và Nanni (2011), Song và cộng sự (2013), và Gajdoso và và Bilcik (2013) phân tích ảnh hưởng của yếu tố kích thước hình học của cột, hàm lượng cốt thép đai trong cột, tải trọng lặp và độ mảnh của cột đến ứng xử của cột BTCT gia cường tấm CFRP và kết quả cho thấy hiệu quả gia cường kháng nở hông của tấm CFRP giảm so với trường hợp cột nén đúng tâm; đồng thời không giống như trong trường hợp nén đúng tâm,
10
hiệu quả gia cường của tấm CFRP chịu ảnh hưởng đáng kể bởi hàm lượng cốt đai, tỉ lệ mô hình và yếu tố độ mảnh của cột.