Các nghiên cứu thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT ĐỂ TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.4 Các nghiên cứu tăng cường khả năng chịu cắt

1.4.1 Các nghiên cứu thực nghiệm

Hiện nay, đã có một số lượng lớn nghiên cứu về việc sử dụng TRC để tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT [47-59]. Trong các nghiên cứu này, TRC được “trát” lên các mặt của dầm để các bó sợi làm việc tương tự như cốt thép đai hay cốt thép xiên. Các nghiên

35

cứu này tập trung vào phân tích ứng xử chịu cắt của dầm được tăng cường bằng TRC, với các cấu trúc tăng cường khác nhau như tăng cường ở 2 mặt, 3 mặt và 4 mặt của dầm; thay đổi loại lưới sợi, số lớp lưới sợi, phương của lưới sợi; thay đổi loại bê tông hạt mịn; khảo sát ảnh hưởng của các thiết bị neo cơ học v.v. Đồng thời, TRC cũng được so sánh với FRP trong hiệu quả tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT [42]. Các nghiên cứu kể trên đều được thực hiện đối với kết cấu dầm BTCT được gia cường khi chưa chịu lực. Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào về việc sử dụng TRC để tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT đang chịu lực (tải trọng được duy trì trong quá trình tăng cường) được công bố.

1.4.1.1 Đánh giá hiệu quả tăng cường sức kháng cắt bằng TRC

Blanksvọrd [18] thớ nghiệm với dầm BTCT cú kớch thước lớn 180 ì 500 ì 4500 mm, được tăng cường bằng lưới sợi cỏc bon ở 2 mặt bờn của dầm (Hỡnh 1.28). Blanksvọrd bố trí cốt đai dày ở một bên dầm, và thay đổi bước cốt đai ở bên còn lại. Khả năng chịu lực của dầm được tăng cường sức kháng cắt bằng TRC có thể tăng lên đến 97% so với dầm đối chứng, và có dạng phá hoại do cắt tại thời điểm lưới sợi bị kéo đứt, đi kèm với vết nứt nghiêng lớn.

Hỡnh 1.28 Thớ nghiệm tăng cường sức khỏng cắt của Blanksvọrd [18]

Triantafillou và Papanicolaou [63] đã thí nghiệm uốn 4 điểm với các dầm BTCT có kích thước 150 × 300 × 2600 mm được tăng cường sức kháng cắt bằng TRC, sử dụng 1 và 2 lớp lưới sợi các bon. Cốt thép đai loại S220 có đường kính 5,5 mm được đặt cách nhau 220

36

mm trong đoạn chịu cắt (Hình 1.29). Lưới sợi các bon có cường độ chịu kéo 3350 MPa, mô đun đàn hồi 255 GPa được bọc quanh 4 mặt của dầm, với góc nghiêng ±10° giữa bó sợi với trục dầm. Kết quả thí nghiệm cho thấy, dầm được tăng cường có khả năng chịu lực lớn hơn 72% và 109% so với dầm đối chứng, tương ứng với 1 và 2 lớp lưới sợi.

Hình 1.29 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt của Triantafillou và Papanicolaou [63]

Si Larbi [58] thí nghiệm với các dầm ngắn có kích thước 150 × 220 × 700 mm, có tỷ số chiều dài chịu cắt trên chiều cao có hiệu (a/d) bằng 1,4 và được tăng cường bằng lớp TRC tiết diện chữ U. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khả năng chịu lực của dầm tăng cường có thể tăng 69% so với dầm đối chứng.

2 12 2 6

6

150 220

570 530

TRC

Dầm đối chứng Dầm đối chứng

Hình 1.30 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt của Si Larbi [58]

Tetta [60] nghiên cứu ứng xử chịu cắt của dầm BTCT có kích thước 102 × 206 × 1677 mm, được tăng cường ở một bên dầm (vị trí không có cốt thép đai). Các dầm được tăng

37

cường theo các cấu trúc khác nhau, bao gồm trát ở 2 mặt, 3 mặt và 4 mặt. Đồng thời, số lớp lưới cũng thay đổi từ 1 đến 3 lớp lưới sợi các bon. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khả năng chịu lực được cải thiện từ 9% đến 132% so với các dầm đối chứng.

Hình 1.31 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt của Tetta [60]

D’Ambrisi [25] đã thực hiện nghiên cứu đối với các dầm BTCT được tăng cường sức kháng cắt với lưới sợi carbon và PBO. Các dầm được tăng cường với 1 đến 2 lớp lưới sợi, được thiết kế với cùng cấu tạo tăng cường kháng uốn, còn cấu tạo tăng cường kháng cắt khác nhau (Hình 1.32). Kết quả thí nghiệm cho sức kháng cắt của dầm AC1 và CC1 tăng 25,77% và 28,73% so với dầm đối chứng. Các dải TRC có tiết diện chữ U cho phép điều chỉnh dạng phá hoại do cắt ở các mẫu AC2 và CC2 thành dạng phá hoại do uốn ở các mẫu AC1 và CC1.

Hình 1.32 Cấu tạo dầm tăng cường sức kháng cắt của D’Ambrisi (et. al [25]) 1.4.1.2 Ảnh hưởng của loại lưới sợi

Blanksvọrd [18] khảo sỏt với 3 loại lưới sợi cỏc bon cú cường độ chịu kộo thay đổi từ

38

3800 MPa đến 4300 MPa. Kết quả thí nghiệm cho thấy, các dầm được tăng cường xảy ra phá hoại do cắt tại thời điểm lưới sợi bị kéo đứt đi kèm với vết nứt nghiêng lớn, với khả năng chịu lực có thể tăng lên lần lượt là 64%, 97%, và 63% so với dầm đối chứng. Đồng thời, việc sử dụng lưới sợi có khoảng cách giữa các bó sợi nhỏ mang lại khả năng chịu cắt lớn hơn, nhờ hiệu quả chống nứt tốt của loại lưới sợi này.

Azam và Soudki [15] khảo sát ảnh hưởng của các loại lưới sợi khác nhau đến hiệu quả tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT có kích thước 150 × 350 × 2400 mm. Các dầm BTCT không sử dụng cốt thép đai, chỉ có cốt thép dọc chịu kéo, được bọc TRC ở 2 mặt và 3 mặt. Nghiên cứu này sử dụng 1 loại lưới sợi thủy tinh và 2 loại lưới sợi các bon, có lực chịu kéo trên chiều dài lần lượt là 100, 135 và 325 kN/m. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khả năng chịu cắt của dầm tăng lên 46%, 26%, và 105%, tương ứng với 3 loại lưới sợi. Điều này cho thấy sử dụng lưới sợi có khoảng cách nhỏ giữa các bó sợi mang lại hiệu quả tăng cường sức kháng cắt.

Tzoura [30] khảo sát hiệu quả tăng cường bằng TRC cho dầm BTCT có tiết diện chữ T chịu tải trọng lặp. Tzoura sử dụng 2 loại lưới sợi có cùng khoảng cách giữa các bó sợi (cùng số lượng bó sợi), nhưng hàm lượng sợi (độ mịn) khác nhau, lần lượt là 174 g/m2 and 348 g/m2. Báo cáo của Tzoura cho thấy, khi tăng cường bằng 1 và 2 lớp lưới sợi, dầm sử dụng loại sợi có độ mịn lớn sẽ có hiệu quả tăng cường lớn hơn 133% và 183% so với loại còn lại.

Escrig [33] nghiên cứu ứng xử chịu cắt của dầm BTCT có kích thước 300 × 300 × 1700 mm, được tăng cường bằng TRC. Escrig sử dụng 4 loại lưới sợi, lần lượt là các bon, PBO, basalt và sợi thủy tinh với cường độ chịu kéo lần lượt là 4320 MPa, 5800 MPa, 2990 MPa và 2610 MPa. Sức kháng cắt của các dầm được tăng cường lần lượt là 43% với sợi PBO, 31% với sợi basalt, 36% với lưới sợi các bon và sợi thủy tinh. Báo cáo của Escrig cho thấy, ứng xử dính bám giữa lưới sợi với bê tông hạt mịn và giữa TRC với bê tông nền ảnh hưởng lớn đến ứng xử chịu lực của kết cấu được tăng cường. Theo đó, sợi thủy tinh và sợi basalt có dính bám tốt với bê tông hạt mịn nên dầm được tăng cường khai thác hiệu quả khả năng chịu lực của loại sợi này. Sợi các bon và sợi PBO với cường độ chịu kéo rất cao nhưng có dính bám kém hơn với bê tông hạt mịn, làm giảm hiệu quả tăng cường sức kháng cắt của dầm.

39 1.4.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng lưới sợi

Al-Salloum [13] nghiên cứu ưng xử của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC, sử dụng 2 và 4 lớp lưới sợi basalt. Đồng thời, góc nghiêng của bó sợi với trục dầm được thay đổi từ 0º/90º đến ±45º. Kết quả thí nghiệm, việc sử dụng 4 lớp lưới sợi có khả năng chịu cắt lớn hơn 37% so với dầm sử dụng 2 lớp lưới sợi, và làm thay đổi từ dạng phá hoại do cắt sang phá hoại do uốn ở mức chuyển vị lớn hơn (tính dẻo cao hơn). Điều này chứng tỏ, hiệu quả tăng cường sẽ được cải thiện đáng kể khi tăng hàm làm lưới sợi (tăng số lớp lưới sợi).

Thí nghiệm của Triantafillou và Papanicolaou [63] cho thấy, dầm BTCT được tăng cường bằng 2 lớp lưới sợi bị phá hoại do uốn, trong khi dầm tăng cường bằng 1 lớp lưới sợi bị phá hoại đột ngột do cắt. Đồng thời, dầm được tăng cường có khả năng chịu lực lớn hơn 72% và 109% so với dầm đối chứng, tương ứng với 1 và 2 lớp lưới sợi.

Tetta [60] thay đổi lớp lưới sợi tăng cường từ 1 đến 3 lớp. Kết quả thí nghiệm cho thấy, dầm tăng cường bằng 2 lớp và 3 lớp có khả năng chịu lực lớn hơn 57% và 92% so với dầm tăng cường bằng 1 lớp lưới sợi. Điều này chứng tỏ, hiệu quả tăng cường sẽ được cải thiện đáng kể khi tăng hàm làm lưới sợi (tăng số lớp lưới sợi). Việc sử dụng nhiều lớp lưới sợi không chỉ cải thiện khả năng chịu lực cho dầm mà còn tạo nên hiệu ứng “cài khóa”

(interlocking) tốt hơn cho lớp TRC, ngăn cản sự phá hoại do bong tách hoặc tuột lưới sợi.

1.4.1.4 Ảnh hưởng của loại bê tông hạt mịn

Bảng 1.2 Đặc tớnh cơ học của cỏc loại bờ tụng hạt mịn Blanksvọrd sử dụng [18]

Loại bê tông hạt mịn

Khối lượng riêng (g/cm3)

Đường kính cốt liệu lớn nhất

(mm)

Cường độ chịu kéo

(MPa)

Cường độ chịu nén

(MPa)

Mô đun đàn hồi (GPa)

1 1,85 0,8 5,0 22 18,0

2 1,89 1,0 9,0 45 26,5

3 2,00 2,0 11,0 77 35,0

Blanksvọrd [18] tăng cường sức khỏng cắt cho dầm BTCT với 3 loại bờ tụng hạt mịn khác nhau, bao gồm: Loại 1 có đường kính cốt liệu nhỏ, tốc độ đóng rắn nhanh; loại 2 và loại 3 sử dụng bê tông hạt mịn kết hợp với sợi ngắn polypropylene. Đặc tính cơ học của các loại bê tông hạt mịn này được thể hiện ở Bảng 1.2. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng cùng loại và cùng số lớp lưới sợi, khả năng chịu lực của dầm tăng cường bằng bê

40

tông hạt mịn loại 1 và loại 2 tăng lên 42% và 63% so với dầm đối chứng. Tương tự, khi có cùng loại lưới sợi, dầm tăng cường bằng bê tông hạt mịn loại 2 và loại 3 có khả năng chịu lực tăng 97% và 90% so với dầm đối chứng. Điều này chứng tỏ việc sử dụng bê tông hạt mịn có đặc tính cơ học cao hơn, kết hợp với loại sợi phân tán phù hợp sẽ cải thiện hiệu quả tăng cường của TRC.

Al-Salloum [13] so sánh 2 loại bê tông hạt mịn, bao gồm: bê tông có gốc xi măng và bê tông có gốc polymer. Báo cáo của Al-Salloum cho thấy, không có sự khác biệt đáng kể về hiệu quả tăng cường giữa các loại bê tông hạt mịn khi sử dụng 2 lớp lưới sợi basalt. Tuy nhiên, khi sử dụng 4 lớp lưới sợi, mẫu thí nghiệm sử dụng bê tông hạt mịn gốc polymer có khả năng chịu lực cao hơn 16% so với loại còn lại.

1.4.1.5 Ảnh hưởng của cấu trúc tăng cường

Tetta [60] sử dụng 3 cấu trúc để tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT: trát ở 2 mặt bên, 3 mặt tiết diện chữ U và đầy đủ 4 mặt của dầm, với số lớp lưới sợi thay đổi từ 1 đến 3 lớp. Kết quả cho thấy hiệu quả của việc tăng cường ở 3 và 4 mặt lớn hơn nhiều so với tăng cường 2 mặt bên, khi xét cùng số lớp lưới sợi. Cụ thể, việc tăng cường 3 mặt có khả năng chịu lực tăng từ 20% đến 30% so với dầm tăng cường 2 mặt (SB). Tuy nhiên, bọc đầy đủ 4 mặt là cấu trúc tăng cường hiệu quả nhất, với sức kháng cắt lớn hơn 72% đến 96% so với các dầm bọc 2 mặt. Đồng thời, hầu hết các dầm được tăng cường bị phá hoại do cắt, trừ dầm được tăng cường cả 4 mặt sử dụng 2 và 3 lớp lưới sợi bị phá hoại do uốn. Dạng phá hoại này giúp cho dầm tăng cường đạt được mức tải trọng rất cao, tương ứng với khả năng chịu uốn của dầm.

Triantafillou và Papanicolaou [63] tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT theo 2 cấu trúc: bọc 4 mặt thông thường và bọc 4 mặt với góc nghiêng ±10° giữa bó sợi với trục dầm.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, khả năng chịu lực của dầm được tăng cường tăng thêm 109%

và 104% so với dầm đối chứng, tương ứng với 2 cấu trúc kể trên. Cả 2 loại dầm đều xảy ra phá hoại do uốn. Điều này chứng tỏ, không có sự khác biệt đáng kể về hiệu quả tăng cường giữa 2 loại cấu trúc này.

Al-Salloum [13] sử dụng 2 và 4 lớp lưới sợi basalt để tăng cường sức kháng cắt của dầm với góc nghiêng của bó sợi với trục dầm được thay đổi từ 0º/90º đến ±45º. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng 2 lớp lưới sợi, khả năng chịu lực của các dầm được tăng

41

cường theo 2 cấu trúc này xấp xỉ nhau. Tuy nhiên, khi sử dụng 4 lớp lưới sợi, hiệu quả tăng cường của dầm sử dụng sợi phương ±45º gấp 1,5 lần so với dầm tăng cường theo phương 0°/90°.

Azam và Soudki [15] khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc tăng cường bằng TRC, với việc trát ở 2 mặt và 3 mặt (chữ U), sử dụng 1 loại lưới sợi thủy tinh và 2 loại lưới sợi các bon.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng sợi các bon, không có sự khác biệt đáng kể về khả năng chịu lực giữa của các dầm được tăng cường theo 2 cấu trúc trên. Tuy nhiên, khi sử dụng sợi thủy tinh, khả năng chịu lực của dầm tăng cường tăng lên 18% và 46% so với dầm đối chứng, tương ứng với việc trát 2 mặt và 3 mặt. Azam và Soudki, cho rằng nếu có dính bám tốt giữa lưới sợi với bê tông hạt mịn và giữa TRC với bê tông nền, không cần thiết phải tăng cường theo dạng chữ U (3 mặt). Tất cả các dầm được tăng cường đều xảy ra dạng phá hoại do cắt khi xảy ra nứt nghiêng lớn xuất phát từ điểm gia tải.

Contamine [24] nghiên cứu ứng xử của dầm BTCT được tăng cường sức kháng cắt bằng TRC được trát ở 3 mặt của dầm, với 2 cấu trúc, bao gồm: các dải TRC có tiết diện chữ U được tăng cường liên tục theo chiều dài dầm, và các dải gián đoạn với khoảng cách giữa các dải thay đổi. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, các dầm được tăng cường bằng dải TRC liên tục và dải gián đoạn có khả năng chịu lực tăng lần lượt là 38% và 7% so với dầm đối chứng. Dầm được tăng cường bằng dải TRC liên tục bị phá hoại do uốn, còn các dầm tăng cường bằng các dải gián đoạn bị phá hoại đột ngột do các bó sợi bị kéo tuột.

1.4.1.6 Ảnh hưởng của thiết bị neo cơ học

Brückner [9] đã thực hiện thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT có tiết diện chữ T (Hình 1.33). Lưới sợi thủy tinh kháng kiềm 1200 tex, với các bó sợi nghiêng

±45° so với trục cấu kiện, được bọc xung quanh sườn dầm, với số lớp lưới sợi thay đổi từ 2 đến 6 lớp. Lực kéo từ cốt lưới dệt sẽ được truyền đến sườn dầm thông qua lực dính bám giữa bê tông hạt mịn và bê tông nền. Tuy nhiên, rất khó để bố trí một đoạn neo của lớp TRC tăng cường vào miền chịu nén ở phần cánh dầm chữ T. Nếu khu vực dính bám bị phá hoại, lớp TRC tăng cường sẽ bị bong tách ra khỏi sườn dầm. Do đó, Brückner sử dụng thêm thiết bị neo để tăng khả năng dính bám cho lớp TRC tăng cường. Cụ thể, lớp TRC tăng cường được neo bằng một tấm thép góc, dán trực tiếp lên lớp TRC tại mép cánh của dầm bằng lớp epoxy dính bám. Theo phương thẳng đứng, tấm thép góc được neo bằng bu

42

lông chịu kéo với phần cánh của dầm chữ T. Báo cáo của Brückner [9] cho thấy, khi tăng cường dầm chữ T với 2 lớp lưới sợi dệt và có sử dụng neo cơ học, khả năng chịu lực của dầm được tăng cường xấp xỉ bằng trường hợp không sử dụng neo cơ học. Đồng thời, dạng phá hoại do bong tách không xảy ra đối với các thí nghiệm này. Khi tăng cường dầm với 3 lớp lưới sợi dệt trở lên mà không sử dụng thiết bị neo, sự phá hoại do bong tách sẽ xảy ra, làm giảm hiệu quả chịu cắt của TRC. Cụ thể, với dầm tăng cường sử dụng 6 lớp lưới sợi, khả năng chịu lực tăng 7% khi không sử dụng neo, và tăng 17% khi sử dụng neo. Điều này cho thấy, khi số lớp lưới dệt sử dụng lớn hơn hoặc bằng 3 lớp, cường độ chịu kéo của lưới sợi chỉ được khai thác hiệu quá nếu sử dụng thiết bị neo.

1000 F 1000

200 200

300 Khu vực tăng cường 300

2400

180 120180 480

330 120

450 ỉ20

ỉ12

TRC TRC

ỉ8a100

ỉ8a200

Không sử dụng neo cơ học Sử dụng neo cơ học Lưới sợi thủy tinh Neo

Hình 1.33 Cấu tạo dầm tăng cường sức kháng cắt của Brückner [9]

Tzoura [30] sử dụng thiết bị neo bằng bu lông để tránh phá hoại do bong tách lớp TRC dính bám vào mặt bên của sườn dầm T chịu tải trọng lặp. Các bu lông có đường kính 6 mm, neo vào 2 bên nách dầm theo phương 45º, với chiều dài neo 80 mm, với khoảng cách giữa các bu lông là 100 mm và 150 mm. Kết quả thí nghiệm cho thấy, các dầm tăng cường bằng TRC không sử dụng bu lông neo có khả năng chịu lực lớn hơn 65% so với dầm đối chứng, và hầu hết bị phá hoại do bong tách. Các dầm được tăng cường có khả năng chịu lực tăng 126% và 104% so với dầm đối chứng, tương ứng với khoảng cách bu lông neo là 100 mm và 150 mm. Các dầm này chủ yếu bị phá hoại do các bó sợi bị kéo tuột. Điều này chứng tỏ, đối với các dầm chữ T, việc sử dụng các bu lông neo với khoảng