CHƯƠNG 1 1. GIỚI THIEU Với sự phát triển nhanh chóng của kinh tế và khoa học kỹ thuật, ngày càng có nhiều công trình lớn và hiện đại được xây dựng, các công trình cao tầng với những yêu cầu mới về hình dạng kiến trúc và sự đa dạng công năng nhằm phục vụ tốt cho các lĩnh vực kinh doanh, thương mại, giải tri., đòi hỏi cần phải có hệ kết cau phù hop. Nhằm đáp ứng những yêu câu kế trên, giải pháp dầm cao” ngày càng được áp dụng rộng rãi tai vi tri các tầng chuyển đổi kết cấu và vị trí lỗ mở vách cứng thang máy. Hiện nay, qua một thời gian sử dụng, một số lượng lớn các công trình đã và đang bị xuống cấp và hư hại do tác động của điều kiện tự nhiên và con người.
Để kéo dài tuổi tho sử dụng, các công trình này cần được gia cường hoặc sửa chữa nhằm làm tăng kha năng chịu lực, khắc phục những hư hỏng có thé gây sụp đồ công trình. Việc gia cường hiện nay thường được thực hiện bang cách sử dụng các vat liệu va các biện pháp kỹ thuật truyền thống như: i) đán thép tam lên bê mặt kết cấu; ii) tăng kích thước tiết điện của kết cấu bằng cách phủ thêm lớp áo thép hoặc bê tông; và iii) tạo thêm ứng suất bằng phương pháp căng sau. Gan đây, phương pháp sử dụng vật liệu “za polymer gia cường sợi” (Fiber Reinforced Polymers - FRP) đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả thay thé các kỹ thuật truyền thống đã dé cập nhờ vào những đặc tính nỗi bật của vật liệu FRP như khối lượng riêng nhẹ, không bị ăn mòn, có cường độ chịu kéo cao; cũng như công tác thi công đơn giản và nhanh chóng của phương pháp này. Các nghiên cứu của Deniaud và Cheng (2001), Schrnech (2001), Qu và cộng sự (2005), Leung và cộng sự (2007), Godat và cộng sự (2010) và Nguyen—Minh và cộng sự (2013) chỉ ra rằng khả năng kháng cắt của dầm gia cường tam FRP chịu ảnh hưởng đáng kế của yếu tố kích thước tiết diện.
Tuy nhiên, các nghiên cứu trên mới chỉ khảo sát ảnh hưởng yếu tố kích thước tiết diện trên các dầm gia cường với kích thước hình học tuân theo nguyên lý Bernouli (thường gọi là dầm Bernouli). So sánh với đầm Bernouli, ứng xử của dầm cao có rất nhiều khác biệt. Trong dầm cao, ứng xử cat đóng vai trò chủ đạo và hiệu ứng vom (arch action) rõ nét hơn rat nhiêu so với hiệu ứng dầm (beam action) làm cho các vết nứt xiên đầu tiên trong dầm cao thường xuất hiện ở vị trí giữa thân dầm trong nhịp cắt. Kiểu phá hoại này rất khác biệt với dầm Bernouli, nơi mà các vết nứt xiên do sự chi phối một phần của mô men luôn bắt đầu phát triển từ mép dưới của dầm.
Rõ ràng là sự khác biệt về mặt phân bố ứng suất và kiểu phá hoại như dé cập làm cho ứng xử của tam gia cường trong dầm cao cũng trở nên khác biệt so với dầm Bernouli. Cho đến hiện nay, số lượng các nghiên cứu về van dé ảnh hưởng kích thước tiết diện đến khả năng kháng cắt của dam cao gia cường tâm FRP van còn rat ít (Zhang và các cộng sự, 2004; Islam và các cộng sự, 2005). Van đề hiệu quả gia cường của tam FRP như thế nào và kha năng kháng cắt của dầm cao gia cường tam FRP ra sao khi kích thước của dâm thay đôi vân còn chưa có lời đáp. Trong thực tế, phương pháp gia cường dùng vật liệu FRP được ứng dụng rộng rãi hơn dé sửa chữa hoặc gia cô thêm cho các kết câu đang bị hư hỏng hoặc xuống cấp (kết cau đã bị nứt).
Rõ ràng rằng, có một sự khác biệt cơ bản về mặt ứng xử giữa các kết cầu chưa nứt và các kết cau đã bị nứt. Điều này hàm ý rang, ảnh hưởng của yếu tố kích thước đến hiệu quả gia cường của tam FRP có thé không giống nhau trong 2 trường hợp vừa nêu. Việc giải thích một cách định lượng ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến khả năng kháng cat của dầm cao gia cường trong trường hợp gia cường dầm nguyên và khi có sẵn vết nứt vẫn chưa được đề cập. Điều nay cho thấy, rất cân thiết có thêm các nghiên cứu về lĩnh vực nay để làm sáng tỏ các vân đê vừa nêu.
Cho đến hiện nay, mô hình thanh chống giăng (Strut and Tie Model - STM) do Schlaich va Schafer (1983) đề xuất thường được sử dung dé thiết kế kết cầu BTCT, đặc biệt cho những vùng có dạng hình học phức tạp mà tại đó các giả thuyết đơn giản về biến dạng (tuyến tính) không còn đúng. Việc xây dựng mô hình thanh chéng-giang (STM) cho kết cầu BTCT được dựa trên sự phân bố ứng suất chính trong kết cau. Để xác định sự phân bố ứng suất, có thể sử dụng lý thuyết đàn hồi băng phương pháp giải tích hoặc phố biến nhất là sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn (PTHH). Bằng cách sử dụng các đường hoặc các mặt đăng ứng suất (stress isolines hay isosurfaces) có thé xây dựng hệ giàn gồm các thanh chống và giăng.
Mô hình này đã chứng tỏ được tính hợp ly của nó trong việc dự đoán khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT truyền thống và được chấp nhận trong hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay (ACI 318, 2011 và EC 2, 2004). Tuy nhiên, đối với trường hợp các dầm gia cường, tâm FRP làm tái phân bố ứng suất trong vùng cắt, giảm ứng suất kéo trong bê tong, cốt đai và cả cốt dọc (Nguyen-Minh và cộng su, 2013) và từ đó giảm bề rộng vết nứt cắt, tăng hiệu ứng cài móc và giá trị ứng suất kéo dư của bê tông từ đó làm thay đối kích thước và tăng khả năng chịu lực các thanh chống nén. Trong trường hợp này, việc áp dụng thuần túy các điều khoản khi xây dựng và tính toán mô hình STM như trong dầm cao BTCT truyền thống có thé dẫn đến kết quả thiếu chính xác và không phản ánh đúng cơ chế làm việc thực tế của dâm cao gia cường tâm FRP. Dé tài khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của yếu tố kích thước tiết diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt của dầm cao BTCT khi có vết nứt sẵn, gia cường tâm CFRP theo dạng U (kiểu dán theo dải, liên tục 3 mặt).
Chương trình thực nghiệm được tiễn hành trên 9 mẫu dầm, chia làm 3 nhóm với tỉ lệ mô hình khác nhau (1:2:3). Ngoài ra, dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề tài có đề xuất một số hiệu chỉnh cho mô hình thanh chống — giang cho dầm cao BTCT khi gia cường tam FRP phục vụ cho việc dự đoán khả năng kháng cắt của chúng. ® Dam cao (Deep Beams): dam được gọi là dam cao khi thỏa mãn tỉ số giữa nhịp thông thủy và chiều cao dâm bé hơn hoặc bằng bốn, hoặc trên dam xuất hiện tải trọng tập trung trong khoảng bé hon 2 lan chiéu cao dam tính từ mép gối đỡ (theo mục 10.1 tiêu chuẩn ACI 318 — 2011).1 So lược về vật liệu FRP Vật liệu FRP được cau tạo từ 2 thành phan chính: chất kết dính và sợi. Chất kết dính được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau (epoxy, polyester, vinylester), phố bién nhất hiện nay là từ nhựa polymer.
Trong khi đó, sợi gia cường là thành phần chủ yếu tạo nên các đặc tính cơ lý cho FRP và cũng được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Phố biến nhất hiện nay là từ thủy tinh (glass fibers), aramid (aramid fibers) và carbon (carbon fibers). Tùy vào loại sợi được sử dụng mà vật liệu FRP sẽ được phân loại va có tên gọi tương ứng: GFRP (sợi thủy tinh), AFRP (sợi aramid) va CFRP (sợi carbon). Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tắm, FRP dang thanh, FRP dạng cap, FRP dang vải, dạng cuộn,.
Trong sửa chữa va gia cỗ công trình xây dựng, thường dùng các loại FRP dang tam và dạng thanh.1: Một số đặc tính cơ lý điển hình của sợi (Tan, 2003) LOẠI SƠI MODUN CƯỜNG ĐỘ KHÓI LƯỢNG DAN HOI CHIU KEO RIENG (GPa) (MPa) (kG/m”) A-Glass 68.95 3309 2546 Thuy tinh E-Glass 75.5 3619 1744 Carbon Intermediate- strength 241.2: Một số đặc tính cơ lý điển hình của chất kết dính (Andre, 2007) LOẠI CHẤT MÔĐUN CƯỜNG ĐỘ KHÔI LƯỢNG KÉT DÍNH DAN HOI CHIU KÉO RIENG (GPa) (MPa) (kG/m?) Epoxy 2-5 35-100 1100-1300 Polyester 2-4,5 40-90 1000-1450 Vinylester 3 70 1200 (a) (b) (Cc) Hình 2.1: Các dạng FRP được sử dụng hiện nay: (a) tắm; (b) cuộn; (c) thanh Hinh 2.2: Cac dang FRP duoc su dung hién nay (tiếp theo): (d) dạng chế tạo sẵn; (e) dạng băng Bảng 2.3: Một số đặc tính cơ lý điển hình của tắm FRP FRP LOAISOI TRONG CHIEU CƯỜNG ĐỘ MÔ DUN LƯỢNG DAY CHIU KEO DAN HOI (g/cm?) (mm) (MPa) (GPa) TyfoSHE-51 Glass 930 13 575 26,1 TyfoSCH-35 Carbon -- 0,89 991 78,6 Mitsubishi (www.com) Replark 20 Carbon 200 0,11 3400 230 Replark 30 Carbon 300 0,17 3400 230 Replark MM Carbon -- 0,17 2900 390 Replark HM Carbon 200 0,14 1900 640 Sika (www.com) Hex 100G Glass 913 1,0 600 26,1 Hex 103C Carbon 618 1,0 960 73,1 CarboDur S Carbon 2240 1,2-1A4 2800 165 CarboDur M Carbon 2240 1,2 2400 210 CarboDur H Carbon 2240 1,2 1300 300 Degussu Building Systems (www.com) Mbrace EG 900 Glass 900 0,35 1517 724 Mbrace CF 530 Carbon 300 0,17 3500 373 Mbrace AK 60 Aramid 600 0,28 2000 120 Carbon HS 6000 —— 4000 —— ” Glass 2000 —] Stee/ tendons Stee/ bar 1 2 3 4 5 Hình 2.3: Quan hệ ứng suất - bién dạng của vật liệu FRP và thép (Carolin, 2003) Tam FRP được dùng dé thay thé các vật liệu gia cường truyền thong nhờ vào các ưu điểm: khả năng chống mai mòn cao, trọng lượng nhỏ, cách điện chịu nhiệt tốt, cường độ chịu kéo cao, bên theo thời gian,. Trong van dé gia cường, vật liệu FRP ở dạng tam được sử dụng phổ biến nhất. Tam FRP có thé được sử dụng dé tang kha năng chiu cắt, uốn của dầm và sản BTCT chịu tải trọng tinh hoặc động. Ngoài ra, tam FRP còn được sử dụng nhiều trong việc tăng cường khả năng chịu nén-uốn va tăng độ dẻo dai cho cột BTCT, đặc biệt dưới tac dung của tải trọng động.
Khi lắp đặt tam FRP không cần có nhiều nhân công, máy móc thiết bị; quá trình thi công diễn ra nhanh chóng, công trình đi vào hoạt động ngay sau khi sửa chữa, gia có. Sửa chữa với vật liệu FRP hầu như không làm gia tăng kích thước tiết diện, mỹ quan công trinh, va ảnh hưởng dén công năng sử dung công trình. Tang cường khả năng Gia cỗ sàn BTCT bang tâm FRP chịu uôn va cat của dam Hình 2.