Trong thập kỷ 1990s, các nhà nghiên cứu tập trung vào các vấn đề về cường độ và độ cứng [99]; độ dẻo [104]; kiểu phá hoại [124] [129] [46] của các dầm được tăng cường bằng tấm FRP dán ngồi. Tác giả Meier và cộng sự [99], Tom Norris và cộng sự [128] nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình dán các tấm sợi CFRP cho các dầm bê tơng BTCT. Kết quả cho thấy cường độ và độ cứng của các dầm được tăng cường bằng các tấm CFRP đơn hướng tăng lên đáng kể so với dầm đối chứng.
Naaman và Jeong [104] xây dựng một cách tiếp cận mới cho việc đo chỉ số dẻo với 24 dầm BTCT DƯL đã được thử nghiệm. Theo các tác giả này thì cách tiếp cận thơng thường dựa trên sự chảy của cốt thép là khơng phù hợp để đánh giá các dầm bê tơng được tăng cường bằng FRP. Điều này xuất phát từ thực tế là hầu hết các FRP khơng cĩ khả năng bị chảy dẻo. Định nghĩa chỉ số dẻo mới được thể hiện bằng tỉ lệ giữa tổng năng lượng của dầm và năng lượng đàn hồi được giải phĩng tại khi dầm bị phá hoại. Chỉ số này cĩ thể áp dụng cho các dầm bê tơng được tăng cường bằng thép, FRP hay kết hợp cả hai loại này. Kết quả cho thấy các dầm BTCT DƯL bằng FRP cĩ tính dẻo
kém hơn các dầm BTCT DƯL bằng các bĩ sợi thép. Chỉ số dẻo đề xuất cũng đánh giá chính xác tính dẻo của các dầm.
Tumialan et al., [129] nghiên cứu kiểu phá hoại bong trĩc của 16 mẫu dầm BTCT tăng cường bằng cách dán tấm sợi carbon ở thớ chịu uốn. Kết quả cho thấy cĩ 2 kiểu bong trĩc là (1) bong trĩc bê tơng ở cuối tấm do tập trung ứng suất chịu kéo trong tấm và ứng suất cắt và (2) bong trĩc bê tơng từ vết nứt giữa dầm ở cao độ cốt thép chịu kéo. Một hạn chế dễ nhận thấy trong giai đoạn này là các tác giả chỉ nghiên cứu trong phịng thí nghiệm mà chưa đưa vào các kết cấu thực tế. Các yếu tố như mỏi, suy giảm cường độ của tấm FRP dưới tác dụng của mơi trường, chưa được xem xét.
Trong giai đoạn từ năm 2000 đến nay, các tác giả nghiên cứu sâu hơn và rộng hơn các vấn đề về dầm được tăng cường bằng tấm FRP dán ngồi so với thập kỷ 1990s:
Các dạng phá hoại bong trĩc tấm FRP được nghiên cứu chi tiết hơn qua các nghiên cứu [113], [103], [111] và [122]. N. Maerz et. al. [103] tiến hành các thí nghiệm tại hiện trường xác định sự bong trĩc FRP và kéo bĩc lớp FRP. Tác giả Oral Buyukozturk et. al. [111] phân tích và mơ phỏng các kiểu phá hoại do bong tấm FRP tăng cường cho dầm thép và bê tơng cốt thép. S.T. Smith and R.J. Gravina [122] xác định tải trọng bắt đầu gây bong tấm dán gần vị trí vết nứt và chiều dài bong lớp dán làm mất khả năng chịu lực của kết cấu được tăng cường bằng tấm FRP. Các tác giả như Paththini et al. [115], Oguz Gunes et. al. [108], Oral Buyukozturk et. al. [110], Huy Binh Pham và Riadh Al-Mahaidi[75] [76] tiến xa hơn với các nghiên cứu tính tốn và dự đốn mơ hình bong trĩc tấm FRP. Paththini et al. [115], Oguz Gunes et. al. [108] ứng dụng mơ hình cơ học phá hủy để tính tốn bong trĩc của tấm sợi carbon dán ngồi. Huy Binh Pham và Riadh Al-Mahaidi[75],[76] phát triển phương pháp phần tử hữu hạn để xác định kiểu phá hoại và khả năng chịu lực của dầm BTCT tăng cường bằng tấm sợi carbon dán ngồi. Yasmeen Taleb Obaidatet al. [133] tập trung nghiên cứu phát triển mơ hình phần tử hữu hạn để tính tốn
phần tử bao gồm dầm BTCT và tấm sợi dán ngồi. Nguyễn Đại Minh [106] phân tích các kiểu phá hoại giịn của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP và phát triển các cơng thức đơn giản cho việc thiết kế. Ứng xử của dầm được so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Vấn đề xác định sự suy giảm khả năng chịu lực của vật liệu FRP dưới tác động của mơi trường đã được đánh giá bởi các nghiên cứu của G.F. Hawkins et. al.[71] và V.M.Karbhari [130].
• R. Capozucca, M. Nilde Cerri [116], Zhishen Wu et. al.[132], Owen Rosenboom et. al.[112] nghiên cứu ứng xử động cũng như mỏi của các loại vật liệu FRP: carbon , thuỷ tinh, FBO và sợi bazan.
• Marta Kaluza, Andrzej Ajdukiewicz [94] nghiên cứu phương pháp tạo ứng suất trước cho các dải CFRP là một phương pháp mới khai thác hiệu quả cường độ và khả năng chịu biến dạng của vật liệu CFRP. • Trong giai đoạn này, các tác giả Tarek Alkhrdaji [126] và Robin
Hutchinson et al. [119] đã đưa ứng dụng tấm FRP dán ngồi vào các cầu ở Bang Broon County, MO, Hoa Kỳ và ở miền tây Canada. Kết quả cho thấy tấm FRP đã chứng tỏ được các ưu điểm về nhẹ và thi cơng nhanh chĩng dễ dàng.
Trong giai đoạn từ năm 2000 đến nay, các tác giả đã nghiên cứu và chứng minh được tấm sợi carbon cĩ thể ứng dụng một cách hiệu quả trong sửa chữa tăng cường cầu. Chỉ cĩ rất ít các nghiên cứu đề cập đến vấn đề dùng lý thuyết độ tin cậy để nghiên cứu khả năng chịu lực của kết cấu tăng cường bằng tấm sợi carbon.
Ở Việt Nam các nghiên cứu về FRP cĩ phần chậm hơn so với thế giới. Lý do đơn giản là giai đoạn trước năm 2000, giá thành FRP quá cao, khĩ cĩ khả năng ứng dụng ở Việt Nam, nên tấm FRP chưa là một đề tài hấp dẫn. Tuy nhiên, từ năm 2000 đến nay, với sự phát triển của cơng nghệ trên thế giới, giá thành trở nên hợp lý hơn thì đã xuất hiện các nghiên cứu của các tác giả như
Ngơ Quang Tường [29], Nguyễn Tấn Dũng, Nguyễn Văn Mợi, Hồng Phương Hoa[5], Nguyễn Chí Thanh [18], Lê Khắc Ánh [1]. Các tác giả chủ yếu nghiên cứu kiểm chứng lại các kết luận về ưu điểm của tấm FRP dán ngồi trong sửa chữa tăng cường kết cấu: (1) FRP cĩ cường độ và độ bền rất cao, khối lượng riêng thấp, thi cơng dễ dàng nhanh chĩng, ít tốn nhân cơng, khơng cần máy mĩc đặc biệt, (2) cĩ thể thi cơng trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, khơng ảnh hưởng đến xung quanh nên cĩ thể tiến hành thi cơng khi cơng trình vẫn tiếp tục hoạt động, (3) khối lượng gia cố thấp, khơng làm thay đổi kiến trúc và cơng năng của cơng trình, đảm bảo tính mỹ thuật cao, khơng cần bảo trì. Nhĩm tác giả Nguyễn Tấn Dũng [5] và Nguyễn Chí Thanh [18] tiến hành các thí nghiệm và tính tốn hiệu quả tăng cường về mơ men và lực cắt cho dầm bằng tấm BTCT.
Lê Khắc Ánh [1] 2012: đưa ra các kết luận về (1) việc thiết kế sửa chữa gia cường cầu cần một giải pháp tổng thể, trong đĩ việc tăng cường dầm, bản bằng FRP chỉ là một khâu quan trọng trong giải pháp tổng thể; và (2) về khả năng áp dụng ở Việt Nam: cơng nghệ sửa chữa phù hợp với năng lực thi cơng của các đơn vị ngành quản lý đường bộ Việt Nam và các điều kiện về khí hậu, nhiệt độ, độ ẩm, khơng quá ảnh hưởng đến FRP.
Nhìn chung các nghiên cứu từ nước ngồi đến trong nước rất đa dạng nhưng đều tiến hành theo phương pháp bán xác suất, chưa đề cập đầy đủđến tính chất thống kê của các tham số thiết kế.
Các nghiên cứu nước ngồi đã dùng lý thuyết độ tin cậy đánh giá trên nhiều lĩnh vực khác nhau như:
• Hệ số an tồn cho tải trọng và sức kháng [132] [118] [40] [124] [109] [51]. Tác giả Wu và Yih-Tsuen [132] nghiên cứu phương pháp tính tốn phần tử đơn theo hai cấp độ của độ tin cậy: cấp độ 1 dùng các hệ số an tồn từng phần; và cấp độ 2 sử dụng phân bố của các đại lượng ngẫu nhiên và tính giá trị xác suất xảy ra sự cố Pf theo phương pháp gần đúng
của Rackwitz-Fiessler và Chen-Lind. Andrzej S Nowak và Maria M Szerszen [40] ứng dụng lý thuyết độ tin cậy để tính các hệ số tải trọng và sức kháng theo LRFD thơng qua việc lựa chọn chỉ số độ tin cậy mục tiêu. Okeil et al. [109] đề xuất hệ số sức kháng Φ tính chung cả thép và FRP với mơ hình hàm trạng thái theo AASHTO - LRFD [31][80][88]. • Mỏi: Fares Hindie [66] đánh giá độ tin cậy chịu mỏi của dầm thép hình
hộp sử dụng đường cong S-N theo AASHTO và phương pháp FOSM theo chỉ số độ tin cậy mục tiêu. Phương pháp LEFM và lý thuyết cơ học phá huỷ của vật liệu đàn hồi tuyến tính để đánh giá bề rộng vết nứt. Kết quả cho thấy chỉ số độ tin cậy theo AASHTO và LEFM khá giống nhau với tuổi thọ thiết kế cầu 50 năm.
• Hàm lượng cốt thép trong mặt cắt BTCT: Abdulrahim M. Arafah [32] dùng lý thuyết độ tin cậy để nghiên cứu ứng xử ở trạng thái giới hạn chịu uốn của các dầm cĩ hàm lượng cốt thép lớn nhất theo ACI 318M- 95. Tác giả giới thiệu phương pháp đánh giá độ tin cậy của mặt cắt phá hoại giịn; từ đĩ, cĩ thể xác định được hàm lượng cốt thép tối đa tùy theo chỉ số độ tin cậy yêu cầu.
• Tuổi thọ cầu : Ferhat Akgül và Dan M. Frangopol [67] nghiên cứu đánh giá tải trọng và độ tin cậy theo tuổi thọ trên các cầu hiện cĩ gồm cầu BT DUL, BTCT thường, dầm thép cuộn và phẳng. Mối liên hệ giữa kết quả nghiên cứu theo độ tin cậy với các phương pháp đánh giá tuổi thọ cầu hiện hữu là nội dung ưu tiên cao nhất.
• Xác định xác xuất phá hoại của kết cấu: Cardoso JB, Almeida, JR, Dias JM, Coelho PG, [56] xác định xác xuất phá hoại của kết cấu bằng tích hợp giữa mơ phỏng mạng nơ-ron (NN) và mơ phỏng Monte Carlo (MCS) dựa trên tối ưu hĩa độ tin cậy.
• Quy luật phân phối xác suất: Gongkang Fu and John W. van de Lindt [72] thu thập hơn 100 triệu xe tải suốt bang Michgan kết hợp với các
nghiên cứu trước đĩ và phân chia theo 72 trường hợp hiệu ứng tải bất lợi trên 20 cầu được chọn ngẫu nhiên và xác định quy luật phân phối xác suất với tuổi thọ cầu là 75 năm. Phân bố Gumbel cho hoạt tải phù hợp nhất với kết quả phân tích. Micheal H. Faber [100] đề cập đến các yếu tố ngẫu nhiên chưa xác định được bằng số ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết cấu cơng trình như sai sĩt của con người, biện pháp đánh giá khả năng hiện cĩ của kết cấu và vấn đề giảm khả năng chịu lực của kết cấu theo thời gian.
• Tải trọng động: Kenneth J. Fridley and Zhiyuan Ma [84] đánh giá độ tin cậy của cột trụ, cầu chịu tải trọng động. Các dữ liệu về động đất, chuyển vị của kết cấu, độ dẻo và phát tán năng lượng được sử dụng để tính tốn hệ số phá hủy. Các phương pháp tăng cường khác nhau về khối lượng, độ cứng, độ nhớt, độ dẻo theo các nghiên cứu trước được sử dụng và so sánh với kết cấu khơng được tăng cường.F. Azhdary and N. Shabakhty [65] nghiên cứu chuyển vị của kết cấu nhà cao tầng chịu tải trọng động đất. Xét đến tính chất khơng chắc chắn của tải trọng, vật liệu và phương pháp phân tích. Kết quả cho thấy đặc trưng hình học ảnh hưởng nhiều nhất, kế đến là tĩnh tải và hoạt tải. Đề xuất mơ hình tải trọng ngang bất lợi cho kết cấu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Mơ hình tải trọng: Andrzej S. Nowak [41] phát triển mơ hình tải trọng cho cầu trên cơ sở các dữ liệu thống kê của tĩnh tải, xe tải nặng và hoạt tải khảo sát được đối với mơ men nhịp giản đơn, lực cắt và mơmen âm ứng với chiều dài nhịp khác nhau. Tải trọng ứng với thời gian khai thác tối đa 75 năm được xác định.
• Bản mặt cầu: David Ferrand [60] tập trung vào việc xây dựng mơ hình phân bố ứng suất biến dạng trong bản mặt cầu; từ đĩ phát triển phương pháp đánh giá bản mặt cầu ở trạng thái giới hạn sử dụng dựa trên độ tin cậy.
• Mức độ an tồn mục tiêu: Andrzel Nowak and Maria Kaszinska [44] xác định “mức độ an tồn mục tiêu” phụ thuộc vào 2 yếu tố: hậu quả khi kết cấu bị phá hoại và chi phí. Với các cơng trình mang tính lịch sử cịn phải xét đến yếu tố xã hội và chính trị. Báo cáo tổng kết lại các chỉ số độ tin cậy cho cơng trình nhà cửa và cầu thiết kế theo ACI 318 và ASSHTO LRFD. Chỉ số độ tin cậy mục tiêu cho kết cấu cầu cũ nhỏ hơn cầu thiết kế mới do xét đến vấn đề kinh tế.
• Thiết kế: S.-W. Kim and K.-D. Suh [123] thiết kế mái dốc đê chắn sĩng trên phương pháp hệ số độ tin cậy riêng theo FORM. Chỉ số độ tin cậy mục tiêu ứng với độ an tồn bình thường theo chỉ số độ tin cậy trung bình của 12 mặt cắt đê chắn sĩng ở Hàn Quốc. Kết cấu hiện hữu cĩ chỉ số độ tin cậy rất gần với chỉ số độ tin cậy mục tiêu.
• Tăng cường kết cấu bằng FRP: Nikolaos Plevris, Thanasis C. Triantafillou, and Daniele Veneziano [107] [122] nghiên cứu độ tin cậy chịu uốn của kết cấu được tăng cường bằng tấm cứng CFRP. Các tham số thống kê nghiên cứu bao gồm cường độ bê tơng, biến dạng cực hạn và diện tích tấm CFRP. Đề xuất hệ số chiết giảm cường độ φ= 0.80. Raffaello Fico [117] nghiên cứu thanh GFRP làm cốt cho dầm bê tơng với mơ hình hàm trạng thái theo Design guidelines CDR-DT 203/2006 “Guide for design and construction of concrete structure reinforced with FRP bars” để tính tốn sức kháng. Các tham số thống kê của sức kháng do sai số của vật liệu (M) và quá trình chế tạo (F) được tính tốn dựa vào Mơ phỏng Monte-Carlo; và do sai số của phương pháp phân tích (P) được tính tốn dựa vào các kết quả thực nghiệm.
Các nghiên cứu ngồi nước ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trải dài trên nhiều lĩnh vực khác nhau và rất phong phú. Tuy nhiên nghiên cứu về FRP chỉ dừng ở cấp độ 1 của lý thuyết độ tin cậy là các hệ số an tồn từng phần [107].
Chưa cĩ nghiên cứu nào ứng dụng cấp độ 2 của lý thuyết độ tin cậy, sử dụng phân bố của các đại lượng ngẫu nhiên và tính giá trị xác suất xảy ra sự cố Pf theo phương pháp Rackwitz-Fiessler và Chen-Lind.
Ở Việt Nam, trong thời gian qua, cĩ nhiều tác giả như Phan Văn Khơi, Lê Xuân Huỳnh và đồng nghiệp[6][7], Nguyễn Văn Phĩ, Nguyễn Xuân Chính và đồng nghiệp[12], Trần Đức Nhiệm [9][10][11], Bùi Đức Năng [8], Phạm Văn Thứ [19][20][21][22], Nguyễn Vi và đồng nghiệp [30], Nguyễn Trọng Phú [13][14][15], Ngơ Châu Phương[16] v.v... đã cĩ các cơng trình nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê, lý thuyết độ tin cậy để giải các bài tốn liên quan đến tính tốn, đánh giá các kết cấu nĩi chung, đánh giá cơng nghệ thi cơng bê tơng, xác định đặc điểm phân phối xác suất của bê tơng, cốt thép, đất nền và bước đầu nghiên cứu xác định các hệ số vượt tải.
Nguyễn Trọng Phú [15] nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá độ tin cậy đối với một số kết cấu nhịp dầm hộp BTCT DUL ở Việt Nam; khảo sát độ nhạy và xác định mức độ phân tán đặc trưng bởi hệ số biến sai của các đại lượng: kích thước hình học mặt cắt ngang hình hộp, cường độ bê tơng, cường độ và mơ đun đàn hồi của cốt thép dự ứng lực, cường độ và mơ đun đàn hồi của cốt thép thường.
Ngơ Châu Phương [16] dùng lý thuyết độ tin cậy xác định hệ số sức kháng chung (ϕ) dọc trục cọc khoan nhồi mĩng mố trụ cầu theo điều kiện cường độ đất nền cho loại đất hỗn hợp dính và rời, thi cơng cọc theo phương pháp ướt (vữa sét) ở khu vực Tp.Hồ Chí Minh.
Các nghiên cứu trong nước về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy cũng khá đa dạng. Tuy nhiên, chưa cĩ nghiên cứu nào 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 ngồi theo ACI 440.2R-08.
Nghiên cứu các ảnh hưởng của vật liệu, đặc trưng hình học, và mơ hình phân tích sức kháng uốn đến Độ tin cậy của dầm BTCT thường chịu uốn được
tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngồi.
Phân tích và đề xuất phạm vi ứng dụng giải pháp tăng cường chịu uốn dầm BTCT thường nhịp giản đơn bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngồi và hệ số chiết giảm khả năng chịu lực của vật liệu CFRP trong mơ hình tính tốn.
1.8. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu tính tốn và phân tích chỉ số độ tin cậy, β, của mặt