Chương 1 giới thiệu khái quát về kết cấu BTCT bị cháy và việc sử dụng FRP trong gia cường kết cấu. Trong chương này, sự cần thiết, ý nghĩa khoa học, thực tiễn, các mục tiêu, và phạm vi nghiên cứu của luận án được trình bày. Chương 2 nghiên cứu tổng quan về dầm BTCT bị cháy, kỹ thuật gia cường FRP, và gia cường dầm BTCT bị cháy. Chương 3 trình bày chương trình thí nghiệm dầm BTCT bị cháy không có và có gia cường FRP.
Kết quả thí nghiệm dầm BTCT bị cháy không gia cường FRP được sử dụng phân tích và thảo luận trong chương 4. Chương 5 trình bày kết quả phân tích thí nghiệm và thảo luận gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy với các cấu hình khác nhau. Sau đó, các mô hình lý thuyết để tính toán khả năng chịu tải của dầm BTCT không có và có gia cường FRP được xây dựng và trình bày ở chương 6. Cuối cùng, chương 7 trình bày các kết luận, những đóng góp mới, và kiến nghị.
5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về dầm BTCT bị cháy, kỹ thuật gia cường FRP, và gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy.1 trình bày các nghiên cứu về dầm BTCT bị cháy. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật gia cường FRP được trình bày trong mục 2. Tiếp theo, mục 2.3 trình bày các nghiên cứu về gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy. Phần nhận xét và kết luận được trình bày ở cuối chương.
Tổng quan về dầm BTCT bị cháy Những tác động của lửa lên kết cấu BTCT đã được nghiên cứu ở nhiều mức độ khác nhau. Các nghiên cứu cho kết cấu khung BTCT đã được thực hiện bởi một số tác giả như Sharma và cộng sự [12], El-Fitiany và Youssef [13], Shah và cộng sự [14]. Đối với cột BTCT bị cháy, các công trình nghiên cứu của các tác giả đã được công bố như Demir và cộng sự [8], Shah và Sharma [10], Eamon và Jensen [15], Chen và cộng sự [16], Jau và Huang [17]. Tổng quan về dầm BTCT bị cháy được trình bày chi tiết sau đây.
Năm 2013, Gao và cộng sự [9] trình bày một mô hình FE 3D để dự đoán ứng xử cơ nhiệt của dầm BTCT bị cháy. Mô hình này có kể đến ứng xử liên kết trượt của bề mặt cốt thép và BT. Kết quả này được so sánh với dữ liệu thực nghiệm đã được công bố để kiểm tra độ chính xác của mô hình. Nhận thấy rằng kết quả của ứng xử bề mặt thép và BT dẫn đến các dự đoán chính xác hơn về độ võng của dầm BTCT bị cháy.
Các dự đoán từ mô hình này cũng cho phép kiểm tra chi tiết sự phân bố của ứng suất trong cốt thép và BT, dẫn đến hiểu rõ hơn về các phản ứng của dầm BTCT khi bị cháy. Mô hình FE được trình bày trong bài báo có thể được sử dụng trực tiếp trong thiết kế dựa trên tính năng (performance-based design) của dầm BTCT bị cháy. Mô hình này cũng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu tham số nhằm phát triển các nguyên tắc thiết kế đơn giản. Vào năm 2019, Thongchom và cộng sự [18] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng khai thác lên khả năng chịu uốn của dầm BTCT tiết diện chữ T bị cháy.
Hai dầm bị cháy đồng thời tác dụng tải không đổi bằng 22,6% độ bền uốn, trong khi một dầm còn lại bị cháy mà không chịu tải để làm dầm đối chứng. Kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ cốt thép và khả năng chịu tải nhiệt độ của dầm BTCT không bị ảnh hưởng đáng kể bởi tải trọng tác 6 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN dụng đồng thời khi cháy. Thời gian chịu lửa dựa trên nhiệt độ của cốt thép ít hơn dựa trên độ võng của dầm. Cháy làm giảm độ cứng và độ dẻo (ductility) nhiều hơn cường độ.
Sau đó một năm, Cai và cộng sự [19] đã thực hiện phân tích FE sử dụng phần mềm Abaqus và phân tích phương pháp số sử dụng mô hình sợi để ước tính khả năng chịu tải của dầm BTCT bị cháy. Kết quả đã khẳng định vai trò quan trọng của chiều dày lớp BT bảo vệ, hàm lượng cốt thép dọc, thời gian cháy, và mặt bị cháy đối với khả năng chịu lửa của dầm BTCT. Trong năm này, Cai và cộng sự [20] cũng đã đề xuất mô hình dự đoán khả năng chịu uốn của dầm BTCT bị cháy bằng kỹ thuật AI. Mô hình này đã cung cấp một cách tiếp cận mới cho thiết kế thực hành.
Cùng năm này, Akca và Özyurt [21] đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng dầm BTCT bị cháy như làm nguội, xử lý lại, bảo dưỡng trong nước, và bảo dưỡng ở môi trường tự nhiên. Với mong muốn phục hồi các đặc tính cơ học của dầm BTCT bị cháy. Kết quả chỉ ra rằng các điều kiện bảo dưỡng sau cháy đã phục hồi đáng kể sự giảm độ cứng. Năm 2021, Tariq và cộng sự [22] [23] đã có 2 công trình nghiên cứu ứng xử uốn của dầm BTCT ăn mòn bị cháy.
Đầu tiên dầm BTCT được làm ăn mòn bằng phương pháp điện phân để đạt được mức ăn mòn tổn thất khối lượng 4% và 8%. Những dầm này sau đó bị cháy ở 400°C và 600°C, và cuối cùng gia tải đến phá hoại. Kết quả chỉ ra rằng tổ hợp ăn mòncháytải trọng đã làm giảm đáng kể cường độ và khả năng chịu uốn. Độ cứng giảm tới 50%, đây là mức giảm cao nhất so với các thông số khác.
Esfahani và cộng sự [24] đã nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của dầm BTCT đã bị hư hỏng và sau đó bị cháy. Thí nghiệm uốn ba điểm trên 15 dầm, có ba mức độ hư hỏng từ trước và tiếp xúc với nhiệt độ phòng, nhiệt độ 200°C, 400°C, 600°C, và 800°C. Sự thay đổi của hình dạng vết nứt, cấu trúc BT, chiều rộng vết nứt, và đường cong tải trọng độ võng đã được kiểm tra. Kết quả cho thấy cả nhiệt độ cao và hư hỏng trước đó đều ảnh hưởng đáng kể đến sự bắt đầu nứt của BT và chiều rộng vết nứt tối đa, làm giảm khả năng chịu uốn của dầm.
Độ cứng ban đầu giảm tối đa là 58%. Khả năng chịu uốn còn lại giảm tới 30% sau khi bị cháy. Ảnh hưởng của các vết nứt trước đó có ý nghĩa lớn trong tỷ lệ giảm độ dẻo khi bị cháy cao hơn so với các thông số khác. Sự giảm độ dẻo của các dầm không có và có hư hỏng từ trước lần lượt là 55% và 77%.
Liu và cộng sự 7 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN [25] đã nghiên cứu thực nghiệm và dùng phần mềm ANSYS phân tích ảnh hưởng của ba cấp độ tải được áp dụng trong quá trình thí nghiệm chịu lửa (không tải, chịu tải mà không làm nứt BT, và điều kiện sử dụng bình thường) và thời gian cháy tác dụng lên khả năng chịu uốn của dầm BTCT tiết diện chữ T. Kết quả cho thấy rằng sự gia tăng tải trọng và khoảng thời gian cháy làm tăng đáng kể nhiệt độ của cốt thép và BT, làm tăng độ võng, và giảm khả năng chịu tải. Cũng trong nằm này, Sharma và cộng sự [26] đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về ảnh hưởng của đoạn nối cốt thép tại vị trí nguy hiểm lên khả năng ứng xử của dầm BTCT bị cháy. Kết quả những dầm này bị suy giảm khả năng chịu tải hơn so với dầm đối chứng.
Ngoài ra, dạng phá hoại là bong tách BT tại mối nối cốt thép. Tonidis và cộng sự [27] đã sử dụng phương pháp số để mô phỏng vị trí nối cốt thép trong dầm BTCT bị cháy. Kết quả chỉ ra rằng đối với các vị trí có đoạn nối cốt thép tại vị trí nguy hiểm thì việc tăng lớp BT bảo vệ cũng sẽ không cải thiện được khả năng chịu tải. Cuối cùng, một phương pháp đơn giản thiết kế nối cốt thép cho dầm BTCT bị cháy được đề xuất.
Gedam [28] đã đề xuất một phương pháp thiết kế chống cháy cho dầm BTCT bị cháy bằng cách sử dụng một mô hình truyền nhiệt đơn giản. Kết quả chỉ ra rằng lớp BT bảo vệ và loại cốt liệu đóng vai trò quan trọng trong khả năng chống cháy của dầm BTCT. Ngoài ra, khả năng chống cháy của dầm BTCT bị ảnh hưởng đáng kể bởi các dạng phá hoại. Xét đến thông tin rất hạn chế thu được từ các sự kiện cháy thực, Kodur và Agrawal [29] đã đề xuất một phương pháp năm bước để dự đoán cường độ còn lại của BT bị cháy, trong đó việc kiểm tra hư hỏng bằng mắt của các thành phần kết cấu cũng đóng vai trò quan trọng.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu về kết cấu BTCT bị cháy còn hạn chế và nghiên cứu riêng cho cấu kiện dầm BTCT thì còn hạn chế hơn. Vào năm 2010, Dương và Giang [30] đã khảo sát hư hỏng kết cấu BTCT bị cháy. Kết quả chỉ ra rằng cường độ chịu nén của BT giảm, mô đun đàn hồi của BT và cốt thép giảm. Sự bong tróc trên bề mặt BT do cháy ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của kết cấu.
Sau đó vào năm 2017, Giang [31] đã nghiên cứu phương pháp gán tải nhiệt độ vào mô hình tính toán khả năng chịu lửa được đánh giá bằng thí nghiệm dầm bị cháy theo tiêu chuẩn ISO 834 [32]. Việc phân tích bằng phương pháp FE với hai cách gán tải nhiệt (gán vào phần tử hiệu ứng bề mặt và 8 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN gán trực tiếp vào các nút) lên dầm có đặt sẵn các cụm dây đo nhiệt. Kết quả cho thấy cách gán tải nhiệt trực tiếp vào các nút sẽ cho kết quả gần với số liệu đo của thực nghiệm. Năm 2019, Thắng và Trung [33] đã phân tích sự suy giảm khả năng chịu uốn của dầm BTCT bị cháy.
Kết quả cho thấy hệ số suy giảm của dầm BTCT ở nhiệt độ cao tỷ lệ thuận với kích thước tiết diện và khoảng cách từ mặt BT tới trọng tâm cốt thép dọc, nhưng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi cường độ chịu nén của BT. Tổng quan về gia cường FRP Vật liệu FRP Hình 2.1 mô tả thành phần vật liệu FRP, gồm các sợi có cường độ chịu kéo cao trong nền polyme. Nền polyme gồm epoxy, vinylester, hay polyester, nhưng phổ biến nhất là epoxy. Nền polyme thường cứng nhưng giòn, được trộn với vật liệu sợi có khả năng chịu kéo cao để tạo ra vật liệu có độ bền cơ học và độ đàn hồi lớn.
Ngày nay, các loại sợi này thường được làm từ carbon, thủy tinh, aramid, hoặc basalt [34].