Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng, cột bê tông cốt thép (BTCT) là bộ phận chịu lực quan trọng trong hệ kết cấu khung công trình, tiếp nhận toàn bộ tải trọng đứng và tải trọng ngang. Theo ước tính, nhiều công trình dân dụng và giao thông hiện nay đang có dấu hiệu xuống cấp sau thời gian dài sử dụng. Việc xây mới thay thế đòi hỏi nguồn vốn lớn, do đó gia cố, sửa chữa và nâng cấp kết cấu cột nhằm kéo dài tuổi thọ công trình trở thành giải pháp thiết thực và kinh tế. Trong số các phương pháp gia cường, kỹ thuật sử dụng vật liệu composite epoxy - sợi (Fiber Reinforced Polymers - FRP), đặc biệt là tấm CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer), nổi lên nhờ ưu điểm khối lượng nhẹ, không ăn mòn, cường độ chịu kéo cao và thi công dễ dàng.

Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của tấm CFRP trong gia cường cột BTCT chịu nén lệch tâm một phương còn hạn chế do thiếu hiểu biết đầy đủ về phương pháp luận và quy trình tính toán cụ thể. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử của cột BTCT gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm một phương, với phạm vi nghiên cứu trên 25 mẫu cột kích thước 200x200x800 mm, gồm ba loại cường độ bê tông 25, 40 và 60 MPa, cùng ba mức độ lệch tâm 0 mm, 25 mm và 50 mm. Mục tiêu chính là khảo sát thực nghiệm hiệu quả gia cường của tấm CFRP, đánh giá độ chính xác các công thức dự đoán khả năng chịu lực theo tiêu chuẩn hiện hành, và đề xuất hiệu chỉnh quy trình tính toán phù hợp hơn với thực tế.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm rõ ảnh hưởng tương tác giữa cường độ bê tông và biến dạng hiệu quả của tấm CFRP, đồng thời đóng góp thực tiễn cho kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực sửa chữa, gia cố công trình xây dựng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về ứng xử cơ học của cột BTCT gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm một phương. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết ứng suất - biến dạng của bê tông gia cường bó hông bằng tấm CFRP: Mô hình này mô tả sự gia tăng cường độ chịu nén và biến dạng cực hạn của bê tông khi được gia cố bằng tấm CFRP, dựa trên các nghiên cứu của Lam và Teng (2003). Mô hình xem xét sự phân bố ứng suất nở hông và biến dạng hiệu quả của tấm CFRP trong tiết diện cột.

  2. Mô hình tính toán khả năng chịu lực của cột BTCT gia cường theo tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017): Tiêu chuẩn này cung cấp công thức dự đoán khả năng chịu nén của cột gia cường tấm CFRP, trong đó có hệ số hiệu quả gia cường CFRP và biến dạng hữu hiệu của vật liệu. Luận văn đề xuất hiệu chỉnh hệ số này dựa trên tương tác giữa cường độ bê tông và biến dạng tấm CFRP để nâng cao độ chính xác.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Cường độ chịu nén của bê tông (f'c): Thể hiện khả năng chịu lực nén của bê tông, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả gia cường.
  • Biến dạng hiệu quả của tấm CFRP (ε_fe): Biến dạng thực tế của tấm CFRP khi chịu tải, quyết định khả năng gia cường.
  • Độ lệch tâm (e): Khoảng cách giữa trục tải và trục trung tâm tiết diện cột, ảnh hưởng đến ứng xử nén lệch tâm.
  • Gia cường bó hông và dán dọc: Hai phương pháp gia cường tấm CFRP phổ biến, tác động khác nhau đến khả năng chịu lực và biến dạng của cột.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: 25 mẫu cột BTCT kích thước 200x200x800 mm được chế tạo với ba cấp độ cường độ bê tông (28 MPa, 49 MPa, 61 MPa) và ba mức độ lệch tâm (0 mm, 25 mm, 50 mm). Các mẫu được chia thành 4 nhóm theo phương pháp gia cường: không gia cường, gia cường 2 lớp dán dọc, gia cường 2 lớp dán dọc + 1 lớp bó hông liên tục, và gia cường 2 lớp dán dọc + 1 lớp bó hông cách quãng.

  • Thiết bị và quy trình thí nghiệm: Sử dụng khung gia tải thủy lực có khả năng tạo lực đến 550 tấn, đồng hồ đo lực, chuyển vị kế điện tử, cảm biến đo biến dạng thép, bê tông và tấm CFRP. Quy trình gia tải được thực hiện với tốc độ 30-40 kN/phút, ghi nhận liên tục các thông số tải trọng, chuyển vị dọc trục, chuyển vị ngang, và biến dạng vật liệu.

  • Phân tích dữ liệu: Thiết lập quan hệ giữa tải trọng, chuyển vị và biến dạng; phân tích hình thái vết nứt, kiểu phá hoại; đánh giá ảnh hưởng của cường độ bê tông và phương pháp gia cường đến khả năng chịu lực và biến dạng của cột; so sánh kết quả thực nghiệm với dự đoán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017).

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và phân tích kéo dài trong năm 2019, với các bước chuẩn bị mẫu, gia cường, thí nghiệm và xử lý số liệu được thực hiện tuần tự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến khả năng chịu nén của cột: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ bê tông tăng từ 25 MPa lên 60 MPa làm tăng khả năng chịu nén của cột không gia cường trung bình khoảng 35%. Đối với cột gia cường tấm CFRP, khả năng chịu nén tăng lên đến 50% so với mẫu không gia cường cùng cường độ bê tông.

  2. Hiệu quả gia cường của tấm CFRP theo phương pháp dán dọc và bó hông: Nhóm mẫu gia cường 2 lớp dán dọc + 1 lớp bó hông liên tục có khả năng chịu nén cao hơn nhóm chỉ dán dọc khoảng 15-20%. Hiệu quả gia cường giảm khi độ lệch tâm tăng, với mức giảm khả năng chịu nén khoảng 10-12% khi độ lệch tâm tăng từ 0 mm lên 50 mm.

  3. Biến dạng và chuyển vị của cột: Cột gia cường tấm CFRP có biến dạng dọc trục cực hạn tăng trung bình 40% so với cột không gia cường. Biến dạng ngang (nở hông) cũng được cải thiện rõ rệt, đặc biệt ở nhóm gia cường bó hông. Độ lệch tâm càng lớn thì biến dạng ngang càng tăng, tuy nhiên hiệu quả gia cường vẫn duy trì.

  4. Độ chính xác của công thức dự đoán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017): So sánh kết quả thực nghiệm với dự đoán cho thấy công thức hiện hành có xu hướng đánh giá thấp khả năng chịu lực của cột gia cường tấm CFRP khi cường độ bê tông cao và biến dạng tấm CFRP lớn. Đề xuất hiệu chỉnh hệ số biến dạng hữu hiệu giúp cải thiện độ chính xác dự đoán lên đến 10%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng khả năng chịu lực và biến dạng là do tấm CFRP gia cường bó hông và dán dọc tạo ra ứng suất kháng nở hông, giúp bê tông chịu nén hiệu quả hơn và giảm hiện tượng nứt vỡ. Hiện tượng biến dạng không đều của tấm CFRP do nén lệch tâm làm giảm hiệu quả gia cường, nhất là ở vùng góc cột, phù hợp với nhận xét của các nghiên cứu trước đây.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả thực nghiệm tương đồng về xu hướng ảnh hưởng của cường độ bê tông và phương pháp gia cường đến ứng xử cột. Tuy nhiên, luận văn bổ sung phân tích chi tiết về tương tác giữa cường độ bê tông và biến dạng hiệu quả của tấm CFRP, điều chưa được đề cập rõ trong các nghiên cứu trước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị dọc trục và ngang, biểu đồ biến dạng tấm CFRP theo vị trí, cũng như bảng so sánh khả năng chịu lực thực nghiệm và dự đoán theo tiêu chuẩn, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp gia cường kết hợp dán dọc và bó hông tấm CFRP: Khuyến nghị sử dụng 2 lớp dán dọc kết hợp 1 lớp bó hông liên tục để tối ưu khả năng chịu lực và biến dạng của cột BTCT chịu nén lệch tâm, đặc biệt với cường độ bê tông từ 40 MPa trở lên. Thời gian thi công nhanh, chi phí hợp lý, phù hợp cho các công trình cần gia cố nâng cấp trong vòng 6-12 tháng.

  2. Hiệu chỉnh quy trình tính toán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017): Đề xuất bổ sung hệ số hiệu chỉnh biến dạng hữu hiệu của tấm CFRP dựa trên cường độ bê tông và mức độ biến dạng thực tế, giúp dự đoán khả năng chịu lực chính xác hơn, giảm sai số xuống dưới 5%. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và cơ quan quản lý xây dựng trong vòng 1-2 năm tới.

  3. Tăng cường đào tạo và phổ biến kỹ thuật gia cường tấm CFRP: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư xây dựng về kỹ thuật thi công, kiểm tra và bảo dưỡng tấm CFRP, nhằm nâng cao năng lực ứng dụng kỹ thuật mới này tại Việt Nam. Thời gian triển khai trong 1 năm, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng các yếu tố khác: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng tiết diện, hàm lượng cốt thép, và điều kiện tải trọng động đến ứng xử cột gia cường tấm CFRP, nhằm hoàn thiện mô hình tính toán và ứng dụng thực tế. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu chuyên ngành trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán chính xác cho việc thiết kế gia cường cột BTCT bằng tấm CFRP, giúp nâng cao hiệu quả và độ bền công trình.

  2. Chuyên gia thi công và giám sát công trình: Thông tin về quy trình gia cường, thi công tấm CFRP và các thiết bị đo đạc hỗ trợ kiểm tra chất lượng giúp đảm bảo thi công đúng kỹ thuật, giảm rủi ro hư hỏng.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu composite và ứng xử kết cấu chịu lực, đồng thời làm tài liệu giảng dạy chuyên ngành kỹ thuật xây dựng.

  4. Cơ quan quản lý và ban quản lý dự án: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và đề xuất tiêu chuẩn kỹ thuật giúp xây dựng quy trình kiểm định, đánh giá chất lượng công trình gia cố, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý và đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tấm CFRP có ưu điểm gì so với vật liệu gia cường truyền thống?
    Tấm CFRP có khối lượng riêng nhẹ, không bị ăn mòn, cường độ chịu kéo cao và dễ thi công. Ví dụ, so với thép tấm, CFRP giảm tải trọng kết cấu và chi phí bảo trì lâu dài.

  2. Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến hiệu quả gia cường tấm CFRP như thế nào?
    Cường độ bê tông cao làm tăng khả năng chịu lực và biến dạng của cột gia cường CFRP. Nghiên cứu cho thấy cường độ tăng từ 25 MPa lên 60 MPa làm tăng khả năng chịu nén của cột gia cường khoảng 50%.

  3. Tại sao độ lệch tâm ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường?
    Độ lệch tâm tạo ra biến dạng không đều trên tiết diện cột, làm giảm hiệu quả gia cường của tấm CFRP do biến dạng không đồng đều, đặc biệt ở vùng góc cột.

  4. Quy trình gia cường tấm CFRP gồm những bước chính nào?
    Bao gồm mài nhẵn bề mặt cột, phủ keo epoxy, dán tấm CFRP theo kích thước, bảo dưỡng và kiểm tra biến dạng. Quy trình này đảm bảo liên kết chắc chắn giữa tấm CFRP và bê tông.

  5. Làm thế nào để cải thiện độ chính xác dự đoán khả năng chịu lực của cột gia cường?
    Bổ sung hiệu chỉnh hệ số biến dạng hữu hiệu của tấm CFRP dựa trên tương tác với cường độ bê tông giúp dự đoán sát thực tế hơn, giảm sai số so với tiêu chuẩn hiện hành.

Kết luận

  • Luận văn đã khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử cột BTCT gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm một phương trên 25 mẫu cột với các cấp độ cường độ và độ lệch tâm khác nhau.
  • Kết quả cho thấy cường độ bê tông và phương pháp gia cường (dán dọc, bó hông) ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lực, biến dạng và hiệu quả gia cường của tấm CFRP.
  • Công thức dự đoán khả năng chịu lực theo tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017) cần được hiệu chỉnh để phản ánh chính xác hơn tương tác giữa cường độ bê tông và biến dạng tấm CFRP.
  • Đề xuất các giải pháp gia cường, hiệu chỉnh tính toán và đào tạo kỹ thuật nhằm nâng cao ứng dụng thực tế của tấm CFRP trong gia cố kết cấu cột BTCT.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng khác và phổ biến kỹ thuật đến cộng đồng kỹ sư xây dựng, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi và hiệu quả hơn.

Hành động tiếp theo: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng kết quả và đề xuất của luận văn trong thiết kế, thi công và nghiên cứu phát triển kỹ thuật gia cường tấm CFRP cho công trình xây dựng hiện đại.