Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Hiệu năng gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông căng sau dùng cáp không bám dính" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phan Vũ Phương, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Minh Long và PGS. Ngô Hữu Cường, bảo vệ năm 2022 tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp (mã số: 62580208).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Vật liệu polymer gia cường sợi carbon (CFRP) sở hữu các đặc tính kỹ thuật như cường độ chịu kéo cao, trọng lượng riêng nhẹ, không bị ăn mòn, không dẫn điện, không nhiễm từ và thi công thuận tiện. Giải pháp dán ngoài tấm CFRP đã được ứng dụng trong công tác sửa chữa và nâng cao khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) và bê tông ứng suất trước (BTUST). Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu đã công bố chỉ tập trung vào dầm BTUST sử dụng cáp bám dính. Đối với dầm BTUST sử dụng cáp không bám dính, số lượng nghiên cứu còn rất hạn chế và tồn tại các khoảng trống kỹ thuật:
- Chưa định lượng tường minh ảnh hưởng của số lớp tấm CFRP đến sự biến dạng của cáp không bám dính và khả năng kháng uốn tổng thể của dầm.
- Chưa khảo sát đầy đủ ứng xử của dầm gia cường dưới tác động của tải trọng lặp có biên độ cao (vượt qua mức tải gây nứt) và khả năng chịu tải còn lại ở giai đoạn đơn điệu sau lặp.
- Các tiêu chuẩn thiết kế gia cường hiện hành (như ACI 440.2R, CNR-DT 200 R1/2013, fib Bulletin 14) thiếu vắng các điều khoản thiết kế cụ thể dành riêng cho cấu kiện BTUST dùng cáp không bám dính, do quy luật bám dính – trượt giữa CFRP và bê tông trong dầm chịu uốn thực tế khác biệt so với các mẫu thử kéo trượt phẳng đơn thuần.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:
- Phân tích thực nghiệm đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông trên dầm BTUST dùng cáp không bám dính và làm rõ sự khác biệt với đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông trên các mẫu kéo trượt thông dụng hiện nay một cách có hệ thống.
- Phân tích thực nghiệm ứng xử và định lượng hóa hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính dưới tác dụng của tải trọng tĩnh đơn điệu, tải trọng lặp và tải trọng đơn điệu sau lặp.
- Xây dựng một mô hình bám dính – trượt của liên kết tấm CFRP – bê tông cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính và đề xuất một công thức mới tính biến dạng của cáp trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính có kể đến ảnh hưởng của tấm gia cường kháng uốn CFRP phục vụ cho quy trình thiết kế gia cường kháng uốn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Liên kết bám dính giữa tấm CFRP dán ngoài và bề mặt bê tông; ứng xử uốn, biến dạng của cáp ứng suất trước không bám dính, độ võng, bề rộng vết nứt và cơ chế phá hoại của dầm BTUST căng sau tiết diện chữ T kích thước lớn.
- Phạm vi thông số khảo sát:
- Số lớp tấm CFRP dán đáy dầm: 0, 2, 4 và 6 lớp.
- Tình trạng cấu kiện trước khi gia cường: dầm nguyên (chưa nứt) và dầm đã nứt trước do tải trọng.
- Chế độ chất tải: tải trọng tĩnh đơn điệu 4 điểm và tải trọng lặp hai pha (lên đến 128.000 chu kỳ tại mức tải cận trên $P_{upper,2} = 76\text{ kN}$).
- Cấu hình hệ neo dải U-CFRP: không neo, neo tập trung ở đầu dầm (AN2) và neo kết hợp phân bố đều dọc nhịp uốn (AN3r1).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu tiền đề
Luận án đã tổng hợp và hệ thống hóa các nhóm nghiên cứu trong y văn:
- Nghiên cứu về gia cường dầm BTCT và dầm BTUST cáp bám dính bằng tấm FRP: Meier (1995) cùng các tác giả tiếp nối đã chứng minh tấm FRP dán ngoài giúp tăng khả năng kháng uốn từ 20% đến 73% cho dầm BTUST dùng cáp bám dính. Các nghiên cứu của Rosenboom (2006), Kim et al. (2008), Burningham et al. (2014) chỉ ra rằng tấm CFRP làm tăng độ cứng sau nứt, kiểm soát bề rộng khe nứt nhưng độ dẻo của dầm có xu hướng giảm khi tăng số lớp gia cường.
- Nghiên cứu về dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường FRP: Các công trình của El-Hacha et al. (2003), Lorenc & Kubica (2006), Le et al. (2018) bước đầu ghi nhận tấm FRP giúp tăng khả năng chịu tải và giảm độ võng của dầm từ 45% đến 62% so với dầm đối chứng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ khảo sát tải trọng tĩnh đơn điệu trên dầm nguyên và chưa thiết lập được quan hệ tương thích biến dạng giữa cáp không bám dính và tấm CFRP.
- Mô hình hóa đặc tính bám dính – trượt của liên kết FRP – bê tông: Các mô hình kinh điển dựa trên thí nghiệm kéo trượt một mặt (single-lap shear) hoặc kéo trượt hai mặt của Neubauer & Rostásy (1997), Monti et al. (2003), Lu et al. (2005), Dai et al. (2005), Savoia et al. (2009), Mazzotti et al. (2008). Các dạng quan hệ ứng suất bám dính – độ trượt ($\tau - s$) được đề xuất gồm: tuyến tính, đàn – dẻo, mềm hóa song tuyến tính và đường cong mềm hóa Popovics.
Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết
Trong dầm BTUST dùng cáp bám dính, giả thuyết tiết diện phẳng được thỏa mãn do có sự tương thích biến dạng giữa bê tông, cốt thép và cáp dọc theo chiều dài dầm. Ngược lại, trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính, biến dạng của cáp mang tính cục bộ phụ thuộc vào chuyển vị tại hai đầu neo, không tương thích với biến dạng của bê tông và tấm CFRP tại từng tiết diện.
Hầu hết các tiêu chuẩn hiện hành như ACI 440.2R-17 hay CNR-DT 200 R1/2013 đều sử dụng công thức tính biến dạng bong tách tấm $\varepsilon_{fd}$ dựa trên thí nghiệm kéo trượt một mặt phẳng kết hợp với hiệu chỉnh thực nghiệm trên dầm BTCT thường. Khi áp dụng các quy định này cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính, mức độ dự báo cường độ bám dính rất thấp (chỉ đạt trung bình khoảng 42% so với thực nghiệm) và không phản ánh được sự gia tăng biến dạng cáp khi có mặt của tấm CFRP và hệ neo U-wraps. Luận án lựa chọn giải quyết trực tiếp khoảng trống này thông qua thực nghiệm quy mô lớn và xây dựng mô hình giải tích phù hợp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình phân tích
- Cơ học rạn nứt và liên kết bám dính – trượt: Sử dụng quan hệ giữa ứng suất cắt tiếp $\tau(x)$, độ trượt $s(x)$ và năng lượng phá hủy bề mặt $G_f$ để mô tả quá trình truyền lực từ bê tông sang tấm CFRP qua lớp keo epoxy giữa hai vết nứt uốn liền kề (bong tách kiểu IC - Intermediate Crack debonding).
- Trạng thái cân bằng và tương thích biến dạng: Phân tích tiết diện chịu uốn phi tuyến, kết hợp điều kiện cân bằng nội lực với tính toán độ cong phân bố dọc trục dầm để xác định biến dạng gia tăng trong cáp không bám dính ($\Delta\varepsilon_{ps}$).
- Mô hình tính toán khả năng kháng uốn danh định: Dựa trên cấu trúc phương trình tổng quát phân tách thành phần kháng uốn của cáp ($M_{np}$), cốt thép thường ($M_{ns}$) và tấm CFRP dán ngoài ($M_{nf}$):
$$M_n = M_{ns} + M_{np} + \psi_f M_{nf}$$
SƠ ĐỒ PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TIẾT DIỆN CHỊU UỐN
Mặt cắt tiết diện chữ T Biểu đồ biến dạng Biểu đồ ứng suất
+----------------+ +------------+ +------------+
| | | \ | \ εcu | ////// | 0.85 fc'
+-------+ +-----+ | \ | +------------+
| | |---\--------| | |
| | (Trục trung hòa) ---- |----\-------| c | |
| | | \ | | |
| | (Cốt thép thường As) -|------\-----| εs |----------> | As*fs
| | (Cáp UST Aps) ------- |-------\----| εps |----------> | Aps*fps
========+==+====== |--------\---| | |
(Tấm CFRP dán đáy) --------------- |---------\--| εfd |----------> | Af*ffe
+------------+ +------------+
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Luận án kết hợp thực nghiệm quy mô lớn với phân tích dữ liệu cảm biến đo điện trở và đo chuyển vị quang học:
- Chương trình dầm kích thước lớn: 20 dầm BTUST tiết diện chữ T dài $L_0 = 4200\text{ mm}$, nhịp tính toán $L = 4000\text{ mm}$, chiều cao $h = 350\text{ mm}$, bề rộng cánh $b_{fb} = 350\text{ mm}$, bề rộng bụng $b_w = 150\text{ mm}$, chiều cao cánh $h_f = 70\text{ mm}$. Thí nghiệm uốn bốn điểm với nhịp chịu uốn thuần túy $L/3 = 1333\text{ mm}$.
- Chương trình mẫu kéo trượt đơn: 7 mẫu kéo trượt một mặt để đối sánh trực tiếp cơ chế truyền ứng suất tiếp với mẫu dầm thực tế.
- Kỹ thuật đo đạc: Bố trí dày đặc các cảm biến đo biến dạng (strain gauges - SG) trên bề mặt tấm CFRP, cốt thép dọc, cáp ứng suất trước và bề mặt bê tông vùng nén; kết hợp các đầu đo chuyển vị LVDT đo độ võng tại giữa nhịp và các điểm đặt tải.
| Nhóm dầm |
Số lượng |
Tình trạng trước gia cường |
Chế độ gia tải |
Thông số biến thiên |
| Nhóm M |
6 dầm |
Dầm nguyên (chưa nứt) |
Tải trọng tĩnh đơn điệu |
Số lớp CFRP (0, 2, 4, 6); Hệ neo U (AN2, AN3r1) |
| Nhóm RC |
6 dầm |
Dầm nứt trước do tải |
Tải trọng tĩnh đơn điệu |
Số lớp CFRP (0, 2, 4, 6); Hệ neo U (AN2, AN3r1) |
| Nhóm C |
8 dầm |
Dầm nguyên |
Tải lặp 2 pha + Đơn điệu sau lặp |
Số lớp CFRP (0, 2, 4, 6); Cấu hình neo U; Số chu kỳ tải lặp |
| Kéo trượt |
7 mẫu |
Khối bê tông |
Kéo trượt đơn thuần túy |
Chiều dài bám dính; Số lớp tấm CFRP (1, 2, 3 lớp) |
Nguồn tư liệu và vật liệu chế tạo
- Bê tông: Cấp độ bền danh định có cường độ nén mẫu lăng trụ $f_c' \approx 35\text{--}40\text{ MPa}$.
- Cáp ứng suất trước: Cáp 7 sợi không bám dính bọc mỡ bọc nhựa HDPE đường kính danh nghĩa $d_{np} = 12.7\text{ mm}$, diện tích $A_{ps} = 98.7\text{ mm}^2$, giới hạn bền kéo $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, mô-đun đàn hồi $E_p = 195\text{ GPa}$.
- Tấm sợi carbon: Tấm sợi Carbotex UD 300 (ADCOS), chiều dày thiết kế $t_f = 0.167\text{ mm/lớp}$, cường độ chịu kéo $f_{fu} \ge 3800\text{ MPa}$, mô-đun đàn hồi $E_f \ge 230\text{ GPa}$, biến dạng kéo đứt danh định $\varepsilon_{fu} = 1.5%$.
- Keo liên kết: Keo epoxy hai thành phần Carbotex Impreg (ADCOS) có cường độ chịu kéo $f_{epoxy,u} \ge 30\text{ MPa}$, mô-đun đàn hồi $E_{epoxy} \ge 3.0\text{ GPa}$.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Đặt vấn đề. Tổng quan, mục tiêu, ý nghĩa và nội dung nghiên cứu
Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình ứng dụng vật liệu composite FRP trong xây dựng công trình, phân tích các cơ chế phá hoại của dầm bê tông dán ngoài tấm composite, và tổng kết các mô hình bám dính – trượt hiện hữu.
Chương này chỉ rõ sự khác biệt căn bản về mặt cơ học giữa dầm BTUST cáp bám dính và dầm cáp không bám dính khi gia cường FRP: dầm cáp không bám dính không có sự ràng buộc biến dạng cục bộ giữa bê tông và cáp, dẫn đến ứng xử uốn mở rộng vết nứt tập trung và làm thay đổi ứng suất bám dính của tấm CFRP dán ngoài. Từ đó, xác lập cơ sở khoa học, mục tiêu, đối tượng, nội dung và các bước triển khai của đề tài.
Chương 2: Chương trình thực nghiệm
Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị vật liệu, đúc dầm, kỹ thuật căng cáp sau và công nghệ dán tấm gia cường CFRP ngoài công trường phòng thí nghiệm (BKSEL):
- Trình tự chế tạo: Chế tạo cốt thép thường, ván khuôn dầm chữ T, luồn ống ghen và cáp không bám dính, đổ bê tông và bảo dưỡng. Tiến hành kéo căng cáp đạt lực căng ban đầu $F_{pi}$ sau khi trừ các tổn hao ma sát và neo.
- Quy trình gia cường: Mài nhám bề mặt bê tông đáy dầm để lộ cốt liệu thô, làm sạch bụi bằng khí nén, quét lớp keo lót, dán từng lớp tấm Carbotex UD 300 tẩm keo epoxy Carbotex Impreg, ép bọt khí và dán phủ hệ dải neo U-CFRP theo đúng thiết kế.
- Quy trình thí nghiệm tải lặp nhóm C:
- Pha 1: 10.000 chu kỳ tải lặp với dải tải trọng $[P_{lower,1}, P_{upper,1}] = [8\text{ kN}, 38\text{ kN}]$ (dưới tải gây nứt).
- Pha 2: 128.000 chu kỳ tải lặp với dải tải trọng $[P_{lower,2}, P_{upper,2}] = [16\text{ kN}, 76\text{ kN}]$ (vượt quá tải gây nứt, tương ứng trạng thái giới hạn sử dụng).
- Pha 3: Gia tải tĩnh đơn điệu đến khi phá hoại hoàn toàn để đánh giá khả năng chịu tải còn lại.
SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM DẦM CHỮ T VÀ HỆ NEO U-WRAPS
P/2 P/2
=============|=========================|=============
| AN2 [ Vùng mô men hằng số ] AN2 |
| +---+ +---+ | h = 350 mm
| | | --- Dải neo U (AN3r1) --- | | |
| +---+ +--+ +--+ +--+ +--+ +---+ |
|===========|==|===|==|===|==|===|==|===============|
Gối tựa <------- Nhịp L = 4000 mm -------> Gối tựa
(Khớp) (Con lăn)
Chương 3: Đặc tính bám dính của liên kết giữa tấm CFRP và bê tông cho dầm bê tông ứng lực trước dùng cáp không bám dính
Chương 3 tập trung phân tích cơ chế bám dính cục bộ và sự phân bố biến dạng của tấm CFRP:
- Kiểu phá hoại bám dính: Trên mẫu kéo trượt đơn, phá hoại diễn ra chủ yếu ở lớp bê tông sát mặt tiếp xúc keo mỏng (khoảng vài milimét). Trong khi đó, ở dầm BTUST dùng cáp không bám dính, phá hoại bám dính bị chi phối bởi các vết nứt uốn chính; vết nứt uốn mở rộng đẩy nhanh quá trình bong tách tấm cục bộ (IC debonding) lan truyền về hai phía đầu gối tựa.
- Sự khác biệt về biến dạng bong tách: Biến dạng bong tách thực nghiệm $\varepsilon_{fd,exp}$ của tấm CFRP trên dầm BTUST dùng cáp không bám dính cao hơn đáng kể so với biến dạng xác định từ mẫu kéo trượt thuần túy. Mức chênh lệch đạt tới 250% đối với dầm không bố trí neo U và lên tới 490% đối với dầm có bố trí hệ neo dải U-CFRP.
- Kiểm chứng các mô hình hiện hành: Các công thức dự đoán cường độ bám dính $\tau_{max}$ của Chen & Teng, Monti, Lu et al., và tiêu chuẩn CNR-DT 200 đánh giá thấp ứng suất bám dính thực tế trong dầm chịu uốn, chỉ phản ánh trung bình 42% giá trị đo được trên dầm có neo.
Chương 4: Hiệu năng gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông ứng suất trước dùng cáp không bám dính
Chương 4 đánh giá toàn diện hiệu quả làm việc của tấm CFRP trên các nhóm dầm thí nghiệm:
- Khả năng chịu lực và biến dạng: Việc dán tấm CFRP giúp nâng cao khả năng kháng uốn của dầm lên đến 65% so với dầm đối chứng không gia cường. Tấm CFRP giúp khôi phục hoàn toàn và làm tăng độ cứng sau nứt của dầm nứt trước (nhóm RC). Tuy nhiên, hiệu suất gia cường trên mỗi lớp có xu hướng giảm dần khi tăng số lớp tấm CFRP từ 2 lên 4 và 6 lớp.
- Ứng xử nứt và chuyển vị giai đoạn sử dụng: Tấm CFRP phân tán vết nứt uốn thành nhiều vết nứt nhỏ li ti, làm giảm bề rộng vết nứt lớn nhất ở cấp tải giới hạn sử dụng lên đến 84% và làm tăng chuyển vị cực hạn của dầm lên đến 65% khi kết hợp hệ neo dải U.
- Tác động của tải trọng lặp (nhóm C):
- Sau 128.000 chu kỳ lặp ở Pha 2, dầm gia cường bị suy giảm khả năng kháng uốn còn lại ở giai đoạn sử dụng (giảm đến 19% so với dầm tương đương chịu tải đơn điệu thuần túy), chuyển vị dư tăng lên đến 34% và bề rộng vết nứt tăng 21%.
- Trong quá trình chịu tải lặp, tấm CFRP giúp kiểm soát biến dạng và độ võng: làm giảm chuyển vị dư đến 19%, giảm chuyển vị lớn nhất đến 34% và giảm bề rộng vết nứt đến 21% so với dầm đối chứng không dán CFRP ($C_0$).
- Ở trạng thái giới hạn bền cuối cùng, tải trọng lặp không làm thay đổi đáng kể tải trọng phá hoại cực hạn $P_u$ của dầm gia cường.
- Vai trò của hệ neo U-CFRP: Hệ neo dạng dải U phân bố đều dọc nhịp uốn (AN3r1) ngăn ngừa hiệu quả hiện tượng bong tách sớm, chuyển đổi dạng phá hoại từ bong tách giòn (DB/IC-DB) sang nén vỡ bê tông vùng nén kèm chảy dẻo cáp (FC-TY), gia tăng đáng kể độ dẻo và biến dạng cực hạn của cáp và tấm CFRP.
| Thông số đánh giá |
Dầm đối chứng ($M_0, RC_0, C_0$) |
Dầm gia cường CFRP (2 - 6 lớp) |
Hiệu quả cải thiện tối đa |
| Tải trọng phá hoại ($P_u$) |
Cấp tải tiêu chuẩn theo thiết kế |
Tăng đều theo số lớp gia cường |
Tăng đến 65% |
| Bề rộng vết nứt ($w_{cr}$) |
Mở rộng tập trung tại giữa nhịp |
Phân bố đều, hạn chế độ mở rộng |
Giảm đến 84% (ở tải sử dụng) |
| Chuyển vị giữa nhịp ($\delta_u$) |
Chuyển vị phá hoại tiêu chuẩn |
Tăng khả năng hấp thụ năng lượng |
Tăng đến 65% (nhờ hệ neo U) |
| Biến dạng bong tách ($\varepsilon_{fd}$) |
Không áp dụng |
Đạt từ 40% đến 85% $\varepsilon_{fu}$ |
Gấp 2.5 - 4.9 lần mẫu kéo trượt |
| Kiểm soát suy thoái do tải lặp |
Độ võng tích lũy và nứt phát triển |
Giảm chuyển vị dư và vết nứt lặp |
Giảm chuyển vị dư 19%, vết nứt 21% |
Chương 5: Đề xuất công thức tính biến dạng cáp, mô hình và công thức xác định biến dạng bong tách của tấm CFRP
Chương 5 phát triển hệ thống mô hình toán học và công thức tính toán phục vụ thiết kế:
- Công thức dự đoán gia tăng biến dạng cáp không bám dính ($\Delta\varepsilon_{ps,CFRP}$): Xây dựng dựa trên giải tích độ cong dọc trục dầm có kể đến sự tham gia chịu lực của diện tích tấm FRP ($A_f$), mô-đun $E_f$, chiều cao làm việc $d_f$ và tỷ số chiều dài nhịp trên chiều cao làm việc ($L/d_p$):
$$\Delta\varepsilon_{ps,CFRP} = f\left(\varepsilon_{cu}, c, d_p, L_{ap}, A_f E_f, \text{hệ số liên tục } \Omega_u\right)$$
- Mô hình quan hệ bám dính – trượt ($\tau - s$) mới: Đề xuất biểu thức giải tích đường cong mềm hóa có hiệu chỉnh hệ số hình học và ứng suất kéo do uốn cục bộ, cho phép xác định chính xác năng lượng bong tách $G_f$ cho dầm BTUST không bám dính.
- Công thức tính biến dạng bong tách tấm CFRP ($\varepsilon_{fd}$): Bổ sung hệ số ảnh hưởng của độ cong dầm và tác dụng cản bong tách của hệ neo U-wraps. Kết quả tính toán từ công thức đề xuất có độ phân tán thấp và khớp với dữ liệu thực nghiệm hơn so với các tiêu chuẩn ACI 440.2R-17 và CNR-DT 200 R1/2013.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Làm rõ bản chất cơ học bám dính trong dầm BTUST cáp không bám dính: Chứng minh bằng thực nghiệm rằng cơ chế bám dính và biến dạng bong tách của tấm CFRP dán ngoài trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính lớn hơn từ 2.5 đến 4.9 lần so với mẫu thí nghiệm kéo trượt phẳng đơn thuần, do ảnh hưởng tích cực của trường ứng suất uốn và sự phân bố độ cong dọc dầm.
- Thiết lập mô hình bám dính – trượt chuyên biệt: Xây dựng mô hình quan hệ ứng suất bám dính – độ trượt ($\tau - s$) phản ánh đúng điều kiện làm việc thực tế của dầm BTUST dùng cáp không bám dính có và không có hệ neo dải U.
- Mô hình hóa sự gia tăng biến dạng trong cáp không bám dính: Đề xuất công thức giải tích tính toán độ gia tăng biến dạng của cáp ứng suất trước không bám dính ($\Delta\varepsilon_{ps,CFRP}$) ở trạng thái giới hạn có xét đến sự tham gia của tấm gia cường CFRP.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng
- Cơ sở dữ liệu thực nghiệm quy mô lớn: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đầy đủ về ứng xử uốn, biến dạng cáp, hình thái nứt và cơ chế phá hoại của 20 dầm BTUST chữ T kích thước lớn dưới các chế độ tải trọng tĩnh đơn điệu và tải trọng lặp biên độ cao.
- Giải pháp bố trí neo U tối ưu: Khẳng định cấu hình neo U-CFRP phân bố dọc nhịp uốn (AN3r1) mang lại hiệu quả cao hơn cấu hình chỉ neo tập trung ở hai đầu (AN2), giúp phát huy tối đa cường độ tấm CFRP và bảo đảm tính dẻo dai cho kết cấu.
- Đề xuất hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế: Cung cấp quy trình tính toán và các công thức thiết kế hoàn chỉnh giúp bổ sung các điều khoản cho cấu kiện BTUST dùng cáp không bám dính gia cường bằng tấm FRP dán ngoài – nội dung hiện đang còn thiếu trong các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế và Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên phạm vi và đối tượng được xác lập trong luận án, các hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:
- Tiết diện và sơ đồ kết cấu: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên dầm đơn giản tiết diện chữ T chịu uốn 4 điểm. Cần mở rộng khảo sát trên các dạng tiết diện khác (tiết diện hộp, chữ I, dầm bản rỗng) và trên dầm liên tục nhiều nhịp có vùng mô men âm đổi chiều.
- Chế độ tải trọng và môi trường: Chương trình tải lặp thực hiện ở nhiệt độ phòng thí nghiệm thông thường với 128.000 chu kỳ. Cần nghiên cứu thêm ứng xử mỏi dài hạn với số chu kỳ lớn hơn ($N > 2 \times 10^6\text{ chu kỳ}$) kết hợp các điều kiện môi trường xâm thực, nhiệt ẩm chu kỳ hoặc hiện tượng từ biến nhiệt của lớp keo epoxy.
- Hệ vật liệu gia cường khác: Mở rộng nghiên cứu cho các loại vật liệu polymer cốt sợi khác (như GFRP, BFRP, AFRP) hoặc công nghệ gia cường dán bản CFRP kéo căng trước (prestressed CFRP plates).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Công trình Xây dựng / Cầu đường: Tham khảo phương pháp luận thiết kế chương trình thực nghiệm kích thước lớn, kỹ thuật bố trí cảm biến đo biến dạng nội tại và quy trình xây dựng mô hình bám dính – trượt phi tuyến.
- Kỹ sư kết cấu và đơn vị tư vấn thiết kế, thẩm tra: Ứng dụng trực tiếp công thức tính toán biến dạng cáp không bám dính và biến dạng bong tách tấm $\varepsilon_{fd}$ để tính toán gia cường sửa chữa dầm sàn BTUST căng sau trong các công trình dân dụng, công nghiệp và cầu đường.
- Các ban biên soạn tiêu chuẩn xây dựng: Sử dụng kết quả và các kiến nghị của luận án làm căn cứ khoa học để xây dựng, bổ sung các điều khoản thiết kế gia cường kết cấu BTUST dùng cáp không bám dính bằng vật liệu FRP dán ngoài.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao biến dạng bong tách của tấm CFRP trên dầm thực tế lại cao hơn nhiều so với thí nghiệm kéo trượt đơn?
Trong thí nghiệm kéo trượt đơn thuần túy, mẫu thử chỉ chịu lực kéo dọc trục phẳng trên bề mặt bê tông không nứt. Trong dầm BTUST chịu uốn thực tế, sự xuất hiện của các vết nứt uốn phân bố dọc nhịp, sự biến dạng cong của cấu kiện và đặc biệt là sự ngăn chặn bong tách cục bộ của hệ dải neo U-CFRP đã làm thay đổi trạng thái ứng suất tiếp tại vùng liên kết, giúp tấm CFRP đạt mức biến dạng cao hơn từ 250% (không neo) đến 490% (có neo) trước khi bị bong tách hoàn toàn.
2. Tải trọng lặp ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu uốn và độ cứng của dầm gia cường?
Dưới tác dụng của 128.000 chu kỳ tải lặp ở Pha 2 (với cận trên $P_{upper,2} = 76\text{ kN}$ vượt quá tải gây nứt), hiện tượng tích lũy biến dạng dẻo và từ biến trong bê tông khiến dầm gia cường bị giảm khoảng 19% khả năng chịu tải ở giai đoạn sử dụng, đồng thời chuyển vị dư tăng đến 34% và bề rộng vết nứt tăng 21% so với dầm tương đương chịu tải tĩnh đơn điệu thuần túy. Tuy nhiên, ở trạng thái giới hạn bền phá hoại cuối cùng, tải trọng phá hoại cực hạn $P_u$ của dầm không bị suy giảm đáng kể.
3. Tấm CFRP dán đáy dầm có tác động như thế nào đến sự làm việc của cáp ứng suất trước không bám dính?
Sự có mặt của tấm CFRP dán ngoài giúp tăng độ cứng kháng uốn của dầm sau khi nứt, phân tán độ mở rộng của các vết nứt uốn, từ đó làm chậm tốc độ gia tăng ứng suất đột ngột trong cáp và cho phép cáp đạt được mức biến dạng kéo cực hạn lớn hơn trước khi kết cấu bị phá hoại.
4. Bố trí hệ neo U-CFRP theo cách nào mang lại hiệu quả gia cường cao nhất?
Kết quả thực nghiệm cho thấy việc bố trí hệ neo U-CFRP phân bố đều dọc theo chiều dài nhịp chịu uốn kết hợp neo ở đầu dầm (cấu hình AN3r1) mang lại hiệu quả vượt trội so với việc chỉ neo tập trung ở hai đầu tấm (cấu hình AN2). Cấu hình phân bố giúp kìm giữ tấm CFRP dọc theo các vết nứt uốn chính, ngăn ngừa hiện tượng tách lớp sớm và chuyển đổi trạng thái phá hoại của dầm sang dạng phá hoại dẻo dai (nén vỡ bê tông đi kèm chảy dẻo cáp).
Kết luận
Luận án của tác giả Phan Vũ Phương đã giải quyết một cách có hệ thống vấn đề hiệu năng gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông ứng suất trước căng sau sử dụng cáp không bám dính thông qua chương trình thực nghiệm quy mô lớn và phân tích lý thuyết chuyên sâu. Công trình đã làm sáng tỏ cơ chế truyền lực và biến dạng bám dính thực tế giữa tấm CFRP và bê tông trong điều kiện làm việc chịu uốn tĩnh và uốn lặp, chứng minh sự đánh giá chưa sát thực tế của các tiêu chuẩn hiện hành đối với loại cấu kiện này. Các mô hình bám dính – trượt và công thức dự báo biến dạng cáp mới được đề xuất có độ tin cậy cao, đóng góp cơ sở lý luận và thực tiễn quan trọng để hoàn thiện các hướng dẫn tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông trong tương lai.
