Nâng cao khả năng kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông căng sau

Nâng cao hiệu năng kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông căng sau sử dụng cáp không bám dính, tối ưu hóa độ bền và tuổi thọ công trình.

• Tác giả: Phan Vũ Phương Hiệu
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Long
• Trường học: Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Nâng cao khả năng kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông căng sau
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• ABSTRACT
• LỜI CÁM ƠN
• 1. MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu FRP
• 1.1.2. Tổng quan về đặc tính bám dính giữa tấm CFRP và bê tông trong dầm bê tông
• 1.1.3. Ứng xử uốn của dầm BTUST gia cường tấm CFRP, khả năng biến dạng và hiệu quả gia cường của tấm CFRP
• 1.1.4. Mô hình và phương pháp xác định khả năng kháng uốn của dầm BTUST gia cường tấm CFRP
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.3. Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.4. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• 1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.5.1. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
• 1.5.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.5.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
• 2.1. CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 2.1.1. Cốt thép thường
• 2.1.2. Cáp ứng suất trước
• 2.1.3. Tấm sợi cacbon và keo epoxy
• 2.2. MẪU THÍ NGHIỆM
• 2.2.1. Thông số kỹ thuật các mẫu dầm BTUST dùng cáp không bám dính
• 2.2.2. Thông số kỹ thuật các mẫu thí nghiệm kéo trượt đơn
• 2.3. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC CHẾ TẠO MẪU DẦM BTUST
• 2.3.1. Công tác gia công cốt thép, ván khuôn và đúc mẫu dầm
• 2.3.2. Công tác gia cường tấm CFRP cho dầm BTUST
• 2.4. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC CHẾ TẠO MẪU KÉO TRƯỢT ĐƠN
• 2.4.1. Công tác ván khuôn và đúc mẫu kéo trượt
• 2.4.2. Công tác dán tấm gia cường
• 2.5. SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM, BỐ TRÍ THIẾT BỊ ĐO VÀ QUY TRÌNH GIA TẢI
• 2.5.1. Mẫu dầm BTUST
• 2.5.2. Mẫu kéo trượt đơn
• 3. ĐẶC TÍNH BÁM DÍNH CỦA LIÊN KẾT GIỮA TẤM CFRP VÀ BÊ TÔNG CHO DẦM BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH
• 3.1. ĐẶC TÍNH BÁM DÍNH CỦA LIÊN KẾT GIỮA TẤM CFRP - BÊ TÔNG
• 3.1.1. Kiểu phá hoại của liên kết CFRP - bê tông trong mẫu kéo trượt
• 3.1.2. Kiểu phá hoại của liên kết CFRP - bê tông trong mẫu dầm BTUST
• 3.1.3. Sự khác biệt về phân bố biến dạng bong tách tấm CFRP trong các mẫu kéo trượt so với mẫu dầm BTUST căng sau dùng cáp không bám dính
• 3.1.4. Sự khác biệt về quan hệ giữa ứng suất bám dính và độ trượt của liên kết tấm CFRP - bê tông trong mẫu kéo trượt so với mẫu dầm BTUST căng sau dùng cáp không bám dính
• 4. HIỆU NĂNG GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH
• 4.1. HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH
• 4.1.1. Khả năng kháng uốn, biến dạng và hấp thụ năng lượng của dầm
• 4.1.2. Ứng xử nứt của dầm
• 4.2. KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG CỦA TẤM CFRP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN
• 4.2.1. Nhóm dầm không chịu tác động bởi tải lặp: nhóm M (dầm không nứt trước khi gia cường) và nhóm RC (dầm nứt trước khi gia cường)
• 4.2.2. Nhóm dầm chịu ảnh hưởng của tải trọng lặp (nhóm C)
• 4.3. BIẾN DẠNG CỦA CÁP VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẤM CFRP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN
• 4.3.1. Nhóm dầm không chịu tác động bởi tải lặp: nhóm M (không nứt trước khi gia cường) và RC (nứt trước khi gia cường)
• 4.3.2. Nhóm dầm chịu ảnh hưởng của tải trọng lặp - nhóm C
• 4.4. BIẾN DẠNG CỦA BÊ TÔNG
• 4.4.1. Nhóm dầm không chịu tác động bởi tải trọng lặp: nhóm M (không nứt trước khi gia cường) và RC (nứt trước khi gia cường)
• 4.4.2. Nhóm dầm chịu ảnh hưởng của tải trọng lặp - nhóm C
• 4.4.3. Sự khác biệt về biến dạng bê tông trong nhóm dầm RC & C so với nhóm M
• 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• 5. ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH BIẾN DẠNG CÁP, MÔ HÌNH VÀ CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG BONG TÁCH CỦA TẤM CFRP
• 5.1. ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH BIẾN DẠNG CÁP CHO DẦM BTUST DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH GIA CƯỜNG TẤM CFRP
• 5.2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH BÁM DÍNH - TRƯỢT CHO LIÊN KẾT TẤM CFRP - BÊ TÔNG TRONG DẦM BTUST DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH
• 5.2.1. Kiểm chứng mức độ chính xác của các mô hình hiện có
• 5.2.2. Mô hình đề xuất
• 5.3. ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG BONG TÁCH TẤM CFRP CHO DẦM BTUST DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH
• 5.3.1. Các công thức hiện có và kiểm chứng
• 5.3.2. Công thức đề xuất
• 5.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông căng sau

Khả năng kháng uốn của tấm CFRP (Composite Fiber Reinforced Polymer) cho dầm bê tông căng sau là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực xây dựng. Tấm CFRP được biết đến với các đặc tính vượt trội như cường độ cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn. Việc sử dụng tấm CFRP trong gia cường dầm bê tông không chỉ giúp cải thiện độ bền mà còn tăng cường khả năng kháng uốn, điều này rất cần thiết trong các công trình xây dựng hiện đại.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của tấm CFRP trong xây dựng

Tấm CFRP có nhiều đặc điểm kỹ thuật nổi bật như cường độ kéo cao, khả năng chống ăn mòn và trọng lượng nhẹ. Những đặc điểm này giúp tấm CFRP trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc gia cường dầm bê tông, đặc biệt là trong các công trình yêu cầu tính bền vững cao.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng tấm CFRP cho dầm bê tông

Việc sử dụng tấm CFRP cho dầm bê tông mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu trọng lượng cấu trúc, tăng cường khả năng kháng uốn và kéo dài tuổi thọ của công trình. Điều này giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa trong tương lai.

II. Vấn đề và thách thức trong việc gia cường dầm bê tông bằng tấm CFRP

Mặc dù tấm CFRP mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề và thách thức trong việc gia cường dầm bê tông. Một trong những thách thức lớn nhất là khả năng bám dính giữa tấm CFRP và bê tông. Nếu không được xử lý đúng cách, khả năng kháng uốn của dầm có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

2.1. Khả năng bám dính giữa tấm CFRP và bê tông

Khả năng bám dính giữa tấm CFRP và bê tông là yếu tố quyết định đến hiệu quả gia cường. Nghiên cứu cho thấy rằng đặc tính bám dính này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và chất lượng bề mặt bê tông.

2.2. Ảnh hưởng của tải trọng lặp đến khả năng kháng uốn

Tải trọng lặp có thể gây ra sự suy giảm khả năng kháng uốn của dầm bê tông gia cường bằng tấm CFRP. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tải trọng lặp có thể làm tăng độ nứt và giảm khả năng chịu lực của dầm.

III. Phương pháp gia cường dầm bê tông bằng tấm CFRP hiệu quả

Để nâng cao khả năng kháng uốn của dầm bê tông, nhiều phương pháp gia cường đã được nghiên cứu và áp dụng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả gia cường và đảm bảo an toàn cho công trình.

3.1. Phương pháp dán tấm CFRP lên bề mặt bê tông

Phương pháp dán tấm CFRP lên bề mặt bê tông là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Việc dán tấm CFRP cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ bám dính tối ưu và tránh hiện tượng bong tách.

3.2. Sử dụng hệ thống neo U wraps cho tấm CFRP

Hệ thống neo U-wraps giúp tăng cường khả năng bám dính của tấm CFRP với bê tông. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc cải thiện khả năng kháng uốn của dầm bê tông.

IV. Kết quả nghiên cứu về khả năng kháng uốn của dầm bê tông gia cường

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc gia cường dầm bê tông bằng tấm CFRP có thể nâng cao khả năng kháng uốn một cách đáng kể. Các thử nghiệm thực nghiệm cho thấy rằng tấm CFRP có thể làm tăng khả năng chịu lực và giảm độ nứt của dầm bê tông.

4.1. Kết quả thực nghiệm về khả năng kháng uốn

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng dầm bê tông gia cường bằng tấm CFRP có khả năng kháng uốn cao hơn so với dầm không gia cường. Sự cải thiện này có thể lên đến 65% trong một số trường hợp.

4.2. Ảnh hưởng của số lớp tấm CFRP đến hiệu quả gia cường

Số lớp tấm CFRP cũng ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tăng số lớp tấm CFRP có thể làm tăng khả năng kháng uốn, nhưng cũng cần cân nhắc đến chi phí và trọng lượng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu tấm CFRP

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy rằng tấm CFRP là một giải pháp hiệu quả cho việc gia cường dầm bê tông. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các phương pháp gia cường và cải thiện khả năng bám dính giữa tấm CFRP và bê tông.

5.1. Tương lai của nghiên cứu tấm CFRP trong xây dựng

Nghiên cứu về tấm CFRP trong xây dựng sẽ tiếp tục phát triển, với mục tiêu cải thiện hiệu quả gia cường và giảm thiểu chi phí. Các công nghệ mới có thể được áp dụng để nâng cao khả năng bám dính và độ bền của tấm CFRP.

5.2. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các mô hình tính toán chính xác hơn cho khả năng kháng uốn của dầm bê tông gia cường bằng tấm CFRP, cũng như nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu quả gia cường.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật "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 vào 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). Công trình được hướng dẫn bởi PGS. Nguyễn Minh Long và PGS. Ngô Hữu Cường.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, tác giả chỉ ra rằng vật liệu polymer gia cường sợi carbon (CFRP) có các đặc tính cơ lý như cường độ chịu kéo cao, trọng lượng riêng nhẹ, không bị ăn mòn, không dẫn điện, không nhiễm từ và quy trình thi công đơn giản. Giải pháp sử dụng tấm CFRP dán ngoài để sửa chữa và nâng cao khả năng chịu lực cho kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) và bê tông ứng suất trước (BTUST) đã chứng minh được hiệu quả kỹ thuật so với các biện pháp truyền thống (như mở rộng tiết diện bằng lớp áo bê tông, bọc thép hình hoặc căng cáp ngoài). Tuy nhiên, phần lớn các công bố khoa học trước đây tập trung vào cấu kiện BTCT thông thường hoặc cấu kiện BTUST sử dụng cáp bám dính. Đối với cấu kiện BTUST dùng cáp không bám dính, số lượng nghiên cứu còn rất hạn chế và tồn tại các khoảng trống kỹ thuật:

1. Chưa phản ánh đầy đủ và chưa định lượng hóa tường minh ảnh hưởng của tấm CFRP gia cường đến sự làm việc của cáp không bám dính và tổng thể ứng xử của dầm.
2. Chưa khảo sát đầy đủ ứng xử của dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường tấm CFRP dưới tác động của tải trọng lặp có biên độ dao động cao (vượt qua tải trọng gây nứt ban đầu).
3. Đặc tính bám dính giữa tấm CFRP và bề mặt bê tông – yếu tố chi phối cơ chế phá hoại bong tách – hầu như chỉ được khảo sát gián tiếp qua các thí nghiệm kéo trượt một mặt phẳng đơn giản, chưa được khảo sát hệ thống trên cấu kiện dầm chịu uốn kích thước lớn dùng cáp không bám dính.
4. Sự thiếu vắng hoàn toàn các điều khoản, chỉ dẫn thiết kế dành riêng cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường tấm CFRP trong các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế hiện hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể qua ba nội dung:

1. 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.
2. 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.
3. 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 bằng tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ứng xử bám dính của liên kết tấm CFRP - bê tông và khả năng chịu uốn của dầm BTUST căng sau sử dụng cáp không bám dính tiết diện chữ T được gia cường bằng tấm CFRP dán ngoài đáy dầm, kết hợp hoặc không kết hợp hệ neo dải chữ U bằng CFRP (U-wraps). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở cấu kiện dầm giản đơn chịu uốn bốn điểm, thực hiện thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm (BKSEL) với hai mươi dầm kích thước lớn và bảy mẫu kéo trượt đơn, khảo sát tải trọng tĩnh đơn điệu và tải trọng lặp biên độ cao (đến 128.000 chu kỳ).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được hệ thống hóa qua các giai đoạn phát triển và phân nhánh nghiên cứu liên quan đến vật liệu FRP và gia cường kết cấu:

Về lịch sử và đặc tính vật liệu composite: Tác giả điểm lại việc dùng sợi rơm rạ trộn đất sét làm tường nhà từ thời cổ đại để hạn chế nứt vỡ và tăng khả năng chịu lực [56]. Sau Thế chiến II, vật liệu composite nền polymer gia cường cốt sợi (FRP) bắt đầu được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự (vỏ tàu chiến, tàu ngầm, máy bay). Từ năm 1960, FRP được ứng dụng vào công trình dân dụng nhằm chống ăn mòn hóa chất trên bản mặt cầu và tường chắn biển [57]. Công trình của Meier (1987) [58] đánh dấu việc dùng tấm FRP dán ngoài thay thế bản thép gia cường cho dầm BTCT. Đến thập niên 1980, kỹ thuật này phát triển rộng ở châu Âu và Nhật Bản, sau đó phổ biến tại Bắc Mỹ và toàn cầu từ những năm 1990.

Về đặc tính cơ lý điển hình của sợi và chất kết dính: Luận án dẫn các số liệu từ [59], [60], [61] chỉ ra sợi carbon dòng PAN cường độ cao có mô đun đàn hồi 200–240 GPa, cường độ chịu kéo đạt 3500 MPa, biến dạng kéo đứt 1,8%; dòng sợi Pitch có mô đun đàn hồi lên tới 400–800 GPa, cường độ 3000–3500 MPa. Chất kết dính epoxy có mô đun đàn hồi 2,1–5,0 GPa, cường độ chịu kéo 35–100 MPa.

Về nghiên cứu dầm BTCT và dầm BTUST gia cường uốn bằng FRP:

• Đối với cấu kiện BTCT: Các công trình của Meier và cộng sự [11]–[17] đã xây dựng các nguyên lý dán ngoài bằng tấm composite.
• Đối với dầm BTUST dùng cáp bám dính: Các tác giả [18]–[26], [98] xác nhận tấm FRP làm tăng khả năng kháng uốn từ 20% đến 73% (và lên tới 167% đối với dầm không hư hỏng), làm chậm biến dạng cáp, cải thiện độ cứng sau nứt.
• Đối với dầm BTUST dùng cáp không bám dính: Chỉ có một số ít tác giả như [27]–[30], [62], [63] tiến hành khảo sát. Điển hình là nghiên cứu của Kim và cộng sự [29] đã thử nghiệm hiệu chỉnh công thức tính biến dạng của cáp bám dính trong AASHTO [103] để áp dụng cho cáp không bám dính, nhưng chưa xây dựng được cơ sở ứng xử tổng thể có xét đến cơ chế liên kết bám dính tiếp diện.
• Về tác động của tải trọng lặp: Nghiên cứu của [31] xác nhận tải lặp gây hiện tượng từ biến trong bê tông và thúc đẩy bong tách tấm sớm. Các công bố của [32], [55] khảo sát dầm cáp bám dính dưới tải lặp chỉ giới hạn ở biên độ nhỏ (cận trên tải lặp chỉ từ 83–121% tải nứt hoặc 24–33% tải cực hạn), chưa phản ánh tình trạng cấu kiện làm việc ở chu kỳ tải cao tiệm cận trạng thái giới hạn sử dụng.
• Về mô hình bám dính - trượt và cơ chế bong tách: Các nghiên cứu thực nghiệm bám dính chủ yếu dựa vào mô hình kéo trượt một mặt [39]–[48], kéo trượt hai mặt hoặc kéo uốn [49], [50]. Các dạng quan hệ bám dính - trượt gồm: tuyến tính, đàn - dẻo [73]–[75], làm mềm song tuyến tính của Neubauer và Rostásy [66], Monti và cộng sự [76], Nakaba và cộng sự [77], Savoia và cộng sự [78], Ferracuti và cộng sự [79], Lu và cộng sự [81]; và dạng làm mềm theo đường cong Popovics của Dai, Ueda, Sato [44], [45], Mazzotti và cộng sự [82], [83], Zhou và cộng sự [68], [84], [85]. Các công thức xác định cường độ bám dính tiêu biểu gồm công thức của Maeda và cộng sự [86], Chen và Teng [3], [92].
• Về cơ chế phá hoại: Luận án dẫn theo Teng và cộng sự [96] bốn dạng phá hoại cơ bản trong cấu kiện BTCT dán FRP; Smith và Teng [4] phân chia thành bong tách đầu mút tấm và bong tách do vết nứt uốn/uốn - cắt (bong tách kiểu IC). Các tiêu chuẩn CNR-DT 200 R1/2013 [1], ACI 440.2R-08/17 [2], fib Bulletin 14 [51], [52] xác định biến dạng bong tách dựa trên hiệu chỉnh từ số liệu kéo trượt phẳng thuần túy.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Luận án tập trung giải quyết bài toán ứng xử tiếp diện thực tế của liên kết CFRP - bê tông ngay trên dầm BTUST dùng cáp không bám dính chịu uốn (thay vì mẫu kéo trượt phẳng đơn giản); định lượng sự biến thiên biến dạng cáp khi có sự tương tác của tấm CFRP; kiểm chứng ứng xử của dầm dưới tải lặp biên độ cao; và xây dựng mô hình bám dính - trượt cùng công thức biến dạng cáp để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp cơ sở lý thuyết về cơ học phá hủy rạn nứt (fracture mechanics), lý thuyết phân tích biến dạng tương thích phi tuyến trên tiết diện cấu kiện bê tông chịu uốn, và cơ học môi trường liên kết tiếp diện. Trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính, cáp di chuyển tự do trong ống bọc dẫn đến biến dạng của cáp phân bố đều dọc toàn bộ chiều dài tự do thay vì tương thích cục bộ tại từng tiết diện như cáp bám dính. Luận án phân tích sự làm việc của dầm dựa trên phương trình cân bằng nội lực, điều kiện biến dạng nén cực hạn của bê tông $\varepsilon_{cu}$, năng lượng bong tách tấm $\Gamma_{Fm}$, và sự suy giảm độ cứng dưới chu kỳ uốn lặp.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích dữ liệu:

• Chế tạo và gia tải thực nghiệm 20 dầm BTUST tiết diện chữ T kích thước lớn (chiều cao $h = 350$ mm, bề rộng cánh $b_f = 350$ mm, bề dày cánh $h_f = 80$ mm, bề rộng sườn $b_w = 120$ mm, nhịp tính toán $L = 3600$ mm, chiều dài toàn phần $L_0 = 3800$ mm).
• Chế tạo và thí nghiệm kéo trượt đơn 07 mẫu bê tông dán tấm CFRP để đối chiếu trực tiếp cơ chế bám dính phẳng thuần túy với bám dính trên dầm uốn.
• Phân bố nhóm dầm:
  • Nhóm M: Gồm các dầm nguyên vẹn trước khi gia cường, chịu tải trọng tĩnh đơn điệu.
  • Nhóm RC: Gồm các dầm đã bị gia tải gây nứt trước khi dán tấm gia cường, chịu tải trọng tĩnh đơn điệu.
  • Nhóm C: Dầm chịu tải trọng lặp biên độ cao theo hai pha (Pha 1 và Pha 2 với 128.000 chu kỳ lặp, cận trên $P_{upper,2} = 76$ kN), sau đó gia tải tĩnh đơn điệu đến khi phá hoại hoàn toàn.
• Thông số khảo sát biến thiên: Số lớp tấm gia cường CFRP đáy dầm (0, 2, 4, 6 lớp); cấu hình hệ neo dải U-CFRP (không neo, neo tập trung hai đầu dầm, neo phân bố kết hợp nhịp uốn và gối tựa).
• Dữ liệu và thiết bị thu thập: Sử dụng hệ thống cảm biến điện trở đo biến dạng (strain gauges - SG) gắn dọc tấm CFRP, trên cáp ứng suất trước, cốt thép dọc và bề mặt bê tông vùng nén; đầu đo chuyển vị biến trở LVDT xác định độ võng giữa nhịp; cảm biến lực (load cells); và thiết bị quang học theo dõi vết nứt.

Nhóm vật liệu / Cấu kiện	Chỉ tiêu cơ lý kỹ thuật	Giá trị theo văn bản luận án
Tấm sợi carbon (CFRP)	Loại sản phẩm: Carbotex UD 300 (ADCOS)	Bề dày danh nghĩa $t_f = 0,167$ mm/lớp
	Cường độ chịu kéo danh định	$f_{fu} \ge 3800$ MPa
	Mô đun đàn hồi kéo danh định	$E_f \ge 230$ GPa
	Độ giãn dài cực hạn danh định	$\varepsilon_{fu} = 1,7%$
Chất kết dính	Keo epoxy 2 thành phần: Carbotex Impreg	Cường độ bám dính với bê tông $> 1,5$ MPa
	Mô đun đàn hồi keo $E_{epoxy}$	$2,5 - 3,5$ GPa
Cáp ứng suất trước	Loại cáp: 7 sợi xoắn mác 1860 MPa	Đường kính danh nghĩa $d_{np} = 12,7$ mm
	Diện tích danh nghĩa $A_p$	$98,7$ mm$^2$
	Giới hạn chảy danh định $f_{py}$	$1670$ MPa
	Giới hạn bền kéo cực hạn $f_{pu}$	$1860$ MPa
	Mô đun đàn hồi danh nghĩa $E_p$	$195 - 200$ GPa
Cốt thép thường	Thép dọc chịu kéo / nén (CB400V)	Giới hạn chảy $f_y = 400$ MPa
	Thép đai chịu cắt (CB240T)	Giới hạn chảy $f_{yw} = 240$ MPa
Bê tông dầm	Cấp độ bền nén mẫu lập phương 28 ngày	$f_{c,cube} = 45 - 50$ MPa

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan, mục tiêu, ý nghĩa và nội dung nghiên cứu

Chương 1 tổng thuật các nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu FRP, liên kết bám dính tiếp xúc CFRP - bê tông và các mô hình tính toán khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép cũng như bê tông ứng suất trước. Tác giả phân tích chi tiết các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành gồm tiêu chuẩn Ý CNR-DT 200 R1/2013, tiêu chuẩn Mỹ ACI 440.2R-08/17, và hướng dẫn của fib Bulletin 14.

Văn bản chỉ ra rằng công thức tính biến dạng bong tách tấm $\varepsilon_{fd}$ theo ACI 440.2R: $$\varepsilon_{fd} = 0{,}083\sqrt{\frac{f'c}{n E_f t_f}} \le 0{,}9,\varepsilon{fu}$$ được xây dựng thuần túy dựa trên các phép hồi quy từ thí nghiệm kéo trượt một mặt phẳng. Khi đưa vào tính toán cho dầm chịu uốn kích thước lớn dùng cáp không bám dính, công thức này không phản ánh được tác động của gradient mô men uốn, độ cong của dầm và biến dạng nứt uốn, dẫn đến việc đánh giá quá thấp khả năng làm việc thực tế của tấm CFRP. Chương này xác lập khung nghiên cứu, xác định mục tiêu và kế hoạch khảo sát 20 dầm chữ T cùng 7 mẫu kéo trượt đơn.

Chương 2: Chương trình thực nghiệm

Chương 2 mô tả toàn bộ quy trình thiết kế, gia công, chế tạo và kiểm tra thực nghiệm của 20 dầm BTUST căng sau không bám dính và 7 mẫu kéo trượt đơn. Các mẫu dầm có tiết diện chữ T được đúc tại xưởng thí nghiệm, bảo dưỡng và tạo ứng suất trước bằng kích thủy lực đơn sợi. Lực căng ban đầu trong cáp được theo dõi chặt chẽ qua cảm biến lực đặt tại đầu neo.

Quy trình tạo vết nứt trước cho nhóm dầm RC được thực hiện bằng cách gia tải tĩnh trước khi tiến hành dán các lớp tấm CFRP đáy dầm. Bề mặt bê tông vùng dán được mài phẳng, làm sạch bụi bẩn, lăn keo lót epoxy và dán từng lớp sợi carbon Carbotex UD 300 đúng quy chuẩn công nghệ. Hệ dải neo chữ U (CFRP U-wraps) được dán ôm sát hai bên sườn dầm nhằm khảo sát tác dụng ngăn chặn sự bong tách sớm của tấm đáy.

Nhóm dầm	Ký hiệu mẫu dầm thí nghiệm	Số lớp đáy	Tình trạng ban đầu	Kiểu tải trọng	Cấu hình hệ neo U-CFRP
Nhóm M	M0 (đối chứng)	0	Nguyên vẹn	Tĩnh đơn điệu	Không bố trí
	M2, M4, M6	2, 4, 6	Nguyên vẹn	Tĩnh đơn điệu	Không bố trí
	M4-AN2	4	Nguyên vẹn	Tĩnh đơn điệu	Neo dải U tập trung hai đầu dầm
	M4-AN3rl	4	Nguyên vẹn	Tĩnh đơn điệu	Neo dải U phân bố giữa nhịp & gối
Nhóm RC	RC0 (đối chứng)	0	Đã tạo nứt trước	Tĩnh đơn điệu	Không bố trí
	RC2, RC4, RC6	2, 4, 6	Đã tạo nứt trước	Tĩnh đơn điệu	Không bố trí
	RC4-AN2	4	Đã tạo nứt trước	Tĩnh đơn điệu	Neo dải U tập trung hai đầu dầm
	RC4-AN3rl	4	Đã tạo nứt trước	Tĩnh đơn điệu	Neo dải U phân bố giữa nhịp & gối
Nhóm C	C0 (đối chứng)	0	Nguyên vẹn	Tải lặp & sau lặp	Không bố trí
	C2, C4, C6	2, 4, 6	Nguyên vẹn	Tải lặp & sau lặp	Không bố trí
	C4-AN2	4	Nguyên vẹn	Tải lặp & sau lặp	Neo dải U tập trung hai đầu dầm
	C4-AN3rl	4	Nguyên vẹn	Tải lặp & sau lặp	Neo dải U phân bố giữa nhịp & gối

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 trình bày các phát hiện về cơ chế truyền ứng suất và dạng phá hoại của liên kết tiếp diện. Trong khi các mẫu kéo trượt đơn luôn phá hoại ở dạng trượt phá vỡ lớp vữa bề mặt bê tông mỏng, thì liên kết trong dầm BTUST uốn chịu tác động đồng thời của biến dạng nứt uốn (bong tách kiểu IC) và ứng suất trượt cục bộ.

• Phân bố biến dạng tấm CFRP trong dầm uốn có độ dốc lớn hơn rất nhiều tại các tiết diện lân cận vết nứt uốn so với sự truyền ứng suất trên mẫu kéo trượt đơn.
• Giá trị biến dạng bong tách thực nghiệm của tấm CFRP trên các dầm BTUST cáp không bám dính cao hơn đáng kể so với mẫu kéo trượt đơn thuần túy: chênh lệch đạt tới 250% đối với các dầm không dùng neo dải U, và lên tới 490% đối với các dầm có bố trí neo dải U-wraps.
• Kiểm chứng các mô hình dự đoán cường độ bám dính hiện hành (Chen & Teng, Neubauer & Rostásy, Khalifa) cho thấy các công thức này chỉ đánh giá được trung bình 42% cường độ bám dính thực tế trong dầm BTUST có neo dải U-wraps.

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 cung cấp số liệu thực nghiệm toàn diện về hiệu quả chịu uốn:

• Khả năng kháng uốn: Tấm CFRP làm tăng tải trọng cực hạn của dầm lên đến 65% so với dầm đối chứng không gia cường. Tuy nhiên, mức độ gia tăng hiệu quả trên mỗi lớp giảm dần khi tăng số lớp sợi từ 2 lên 4 và 6 lớp (hiệu ứng phi tuyến theo số lớp).
• Kiểm soát nứt và độ cứng: Ở cấp tải giới hạn sử dụng, tấm CFRP giúp kiểm soát bề rộng vết nứt rất rõ rệt, làm giảm bề rộng vết nứt uốn tới 84% so với dầm đối chứng; đồng thời làm tăng chuyển vị dẻo cực hạn của dầm lên tới 65%.
• Ứng xử dưới tải trọng lặp (Nhóm C): Trong quá trình chịu tải lặp (128.000 chu kỳ), việc dán tấm CFRP giúp giảm chuyển vị dư tới 19%, giảm biên độ chuyển vị dao động tới 34%, và giảm bề rộng vết nứt lớn nhất tới 21% so với dầm không gia cường chịu tải tương đương.
• Tác động sau tải lặp: Tải lặp làm suy giảm độ cứng và khả năng kháng uốn ở giai đoạn sử dụng của dầm sau lặp (tăng bề rộng nứt khoảng 21%), nhưng không làm thay đổi đáng kể khả năng chịu tải cực hạn tại trạng thái phá hoại cuối cùng.
• Biến dạng cáp không bám dính: Do sự kiềm chế biến dạng kéo đáy dầm của tấm CFRP, tốc độ phát triển biến dạng trong cáp không bám dính chậm lại trong giai đoạn đầu, nhưng tại thời điểm phá hoại, cáp đạt được biến dạng cuối cùng cao hơn so với dầm không dán tấm.
• Vai trò của hệ neo: Cấu hình neo U-wraps phân bố đều (AN3rl) cho hiệu quả hạn chế bong tách vượt trội hơn so với neo tập trung hai đầu (AN2), ngăn ngừa phá hoại giòn và cải thiện độ dẻo của dầm.

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 các công thức giải tích mới phục vụ thiết kế:

1. Đề xuất mô hình bám dính - trượt mới: Luận án hiệu chỉnh mối quan hệ ứng suất bám dính - độ trượt ($\tau - s$) trên cơ sở xét đến ảnh hưởng của độ cứng dọc trục tấm gia cường $E_f t_f$, cường độ bê tông $f'_c$ và sự kẹp giữ của dải neo U-CFRP.
2. Công thức xác định biến dạng bong tách tấm CFRP ($\varepsilon_{fd,pre}$): Tác giả thiết lập công thức tính biến dạng bong tách có kể đến độ cong dầm và tương tác vết nứt uốn, khắc phục tình trạng ước lượng quá an toàn của ACI 440.2R và CNR-DT 200.
3. Công thức tính biến dạng cáp không bám dính ($\varepsilon_{ps,CFRP}$): Luận án đề xuất công thức mới xác định mức gia tăng ứng suất/biến dạng của cáp ứng suất trước không bám dính tại thời điểm dầm đạt khả năng kháng uốn cực hạn, có kể đến sự tham gia của độ cứng tấm CFRP: $$\varepsilon_{ps,CFRP} = f(\varepsilon_{pe}, c/d_p, L_{ap}, E_f A_f)$$ Kết quả so sánh giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm trên 20 mẫu dầm cho thấy hệ số tương quan (CORR) cao, hệ số biến thiên (COV) thấp, xác nhận độ tin cậy của các đề xuất.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

• Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện trên 20 dầm BTUST căng sau dùng cáp không bám dính kích thước lớn và 07 mẫu kéo trượt đơn, làm rõ quy luật truyền lực tiếp xúc giữa tấm CFRP và bê tông dưới tác động uốn thực tế.
• Chứng minh và định lượng được sự sai khác căn bản giữa biến dạng bong tách của tấm CFRP trong dầm uốn so với mẫu kéo trượt phẳng đơn thuần (chênh lệch từ 250% đến 490%), khẳng định các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành đang đánh giá quá thấp khả năng làm việc của tấm CFRP trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính.
• Xây dựng thành công mô hình toán học bám dính - trượt tiếp diện riêng biệt cho dầm BTUST cáp không bám dính gia cường tấm CFRP.
• Thiết lập công thức giải tích tính toán biến dạng của cáp ứng suất trước không bám dính tại trạng thái cực hạn có tích hợp thông số độ cứng của tấm dán đáy dầm CFRP.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng kỹ thuật:

• Cung cấp quy trình định lượng hiệu quả gia cường kháng uốn giúp kỹ sư kết cấu xác định chính xác số lớp CFRP cần dán, tránh lãng phí vật liệu do áp dụng sai công thức của dầm cáp bám dính.
• Định lượng hóa ảnh hưởng của tải trọng lặp biên độ cao (128.000 chu kỳ), khẳng định dầm gia cường bằng tấm CFRP kết hợp dải neo U vẫn duy trì khả năng chịu tải cực hạn ổn định trong giai đoạn sau lặp.
• Kiến nghị cấu hình bố trí neo dải chữ U bằng tấm CFRP dạng kết hợp nhịp uốn và vùng gối (AN3rl) thay vì chỉ neo tập trung ở hai đầu gối tựa (AN2) để ngăn chặn tối đa dạng phá hoại tách lớp bảo vệ bê tông (IC debonding).
• Cung cấp bộ công thức hoàn chỉnh để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu bê tông bằng tấm composite dán ngoài.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Chương trình thực nghiệm chỉ giới hạn trên kết cấu dầm giản đơn tiết diện chữ T chịu uốn 4 điểm; chưa khảo sát hệ dầm liên tục nhiều nhịp – nơi xuất hiện vùng mô men âm tại gối tựa.
• Chỉ khảo sát loại cáp không bám dính đặt trong lòng cấu kiện (internal unbonded tendons), chưa mở rộng cho kết cấu căng cáp ngoài (external tendons).
• Tải trọng lặp mới dừng lại ở 128.000 chu kỳ nhằm mô phỏng tác động mỏi chu kỳ thấp đến trung bình; chưa thực hiện thí nghiệm mỏi chu kỳ cao (hàng triệu chu kỳ) để đánh giá giới hạn mỏi dài hạn của keo epoxy.
• Chưa khảo sát các yếu tố suy giảm liên kết do môi trường khắc nghiệt như chu kỳ nhiệt ẩm, tia cực tím hoặc môi trường xâm thực mặn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

• Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho hệ dầm BTUST liên tục có vùng mô men đổi chiều gia cường tấm CFRP.
• Khảo sát ứng xử của cấu kiện gia cường dùng cáp dự ứng lực ngoài kết hợp tấm CFRP.
• Thử nghiệm độ bền mỏi dài hạn của liên kết CFRP - bê tông dưới tải trọng lặp trên 2.000.000 chu kỳ.
• Nghiên cứu độ bền lâu dài của lớp keo kết dính epoxy và tấm sợi carbon trong môi trường khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Luận án cung cấp phương pháp luận thực nghiệm quy chuẩn trên cấu kiện kích thước lớn, kỹ thuật dán cảm biến vi mô để bóc tách quy luật biến dạng bám dính - trượt, và phương pháp phân tích phi tuyến tiết diện bê tông ứng suất trước.
• Đối với kỹ sư kết cấu và đơn vị tư vấn sửa chữa công trình: Cung cấp chỉ dẫn trực tiếp về cấu tạo hệ neo dải U-wraps, tính toán kiểm tra khả năng chịu tải dầm cầu hoặc dầm sàn bê tông căng sau không bám dính cần nâng cấp tải trọng khai thác.
• Đối với ban soạn thảo tiêu chuẩn xây dựng: Các công thức tính biến dạng bong tách tấm $\varepsilon_{fd}$ và biến dạng cáp $\varepsilon_{ps,CFRP}$ ở Chương 5 là cơ sở thực tế trực tiếp để bổ sung các điều khoản tính toán cho cấu kiện BTUST dùng cáp không bám dính vào tiêu chuẩn thiết kế gia cường kết cấu bằng FRP trong nước và quốc tế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao biến dạng bong tách tấm CFRP trong dầm BTUST cáp không bám dính lại chênh lệch lớn (250% – 490%) so với mẫu kéo trượt phẳng đơn?
Trong mẫu kéo trượt đơn, liên kết chịu lực kéo trượt thuần túy trên mặt phẳng không có ứng suất uốn. Ngược lại, trong dầm BTUST uốn thực tế, sự phân bố ứng suất chịu tác động của độ cong dầm, gradient mô men, và đặc biệt là sự xuất hiện của các vết nứt uốn làm thay đổi cơ chế truyền lực; đồng thời hệ neo dải chữ U (CFRP U-wraps) giữ chặt mép dầm, cản trở sự tách lớp sớm của bê tông bảo vệ, cho phép tấm đáy đạt mức biến dạng kéo lớn hơn nhiều trước khi bị bong tách.

2. Tải trọng lặp ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu lực của dầm BTUST cáp không bám dính gia cường CFRP?
Dưới tác động của 128.000 chu kỳ tải lặp có cận trên $P_{upper,2} = 76$ kN, độ cứng của dầm bị suy giảm do tích lũy biến dạng dẻo trong bê tông và nứt mỏi vi mô. Ở giai đoạn sau lặp, dầm bị giảm khả năng kháng uốn trong giai đoạn sử dụng (tăng chuyển vị dư và bề rộng vết nứt), tuy nhiên khả năng chịu lực cực hạn ở trạng thái giới hạn bền hầu như không bị suy giảm đáng kể so với dầm chỉ chịu tải tĩnh đơn điệu.

3. Tại sao việc tăng số lớp tấm CFRP từ 2 lên 4 và 6 lớp lại có hiệu quả gia cường không tỷ lệ thuận tuyến tính?
Khi tăng số lớp dán, độ cứng dọc trục của tấm CFRP ($E_f t_f$) tăng lên làm tăng ứng suất cắt tập trung tại mặt tiếp xúc giữa tấm và bê tông lân cận mép vết nứt uốn. Ứng suất cắt cục bộ tăng nhanh thúc đẩy hiện tượng bong tách giòn sớm của lớp bê tông bảo vệ (IC debonding) trước khi vật liệu composite phát huy tối đa cường độ chịu kéo cực hạn của nó.

4. Dạng bố trí neo dải U-CFRP nào mang lại hiệu quả cao nhất cho dầm BTUST cáp không bám dính?
Kết quả thực nghiệm xác nhận hệ neo dải U bố trí phân bố kết hợp giữa nhịp uốn và vùng gối tựa (cấu hình AN3rl) mang lại hiệu quả vượt trội so với bố trí tập trung ở hai đầu dầm (AN2). Cấu hình phân bố khống chế hiệu quả sự lan truyền của các vết nứt uốn dọc chiều dài nhịp, ngăn ngừa bong tách dọc lớp cốt thép đáy và giúp cấu kiện duy trì độ dẻo cao hơn.

5. Luận án giải quyết vấn đề không tương thích biến dạng của cáp không bám dính bằng giải pháp toán học nào?
Tác giả thiết lập công thức xác định biến dạng tính toán của cáp $\varepsilon_{ps,CFRP}$ thông qua phân tích biến dạng tổng thể của toàn bộ chiều dài dầm, tích hợp các tham số về tỷ số chiều cao vùng nén trên chiều cao làm việc ($c/d_p$), chiều dài cáp giữa hai đầu neo ($L_{ap}$), và bổ sung tham số độ cứng của tấm composite gia cường dán ngoài ($E_f A_f$).

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Vũ Phương là công trình nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết hoàn chỉnh về ứng xử bám dính tiếp diện và khả năng gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông căng sau dùng cáp không bám dính. Luận án đã làm sáng tỏ sự khác biệt căn bản về cơ chế phá hoại bong tách giữa dầm chịu uốn thực tế và các mẫu kéo trượt quy ước, chỉ ra sự thiếu hụt và mức độ đánh giá quá thấp của các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế hiện hành. Các mô hình bám dính - trượt và công thức tính biến dạng cáp được đề xuất trong công trình cung cấp cơ sở khoa học tin cậy để bổ sung vào tiêu chuẩn tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông ứng suất trước bằng vật liệu composite.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUÓC GIA TP. HÒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN VŨ PHƯƠNG HIỆU NÂNG GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG CÀNG SAU DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH LUẬN ÁN TIẾN Sì TP. HÒ CHÍ MINH - NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN VŨ PHƯƠNG HIỆU NĂNG GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG CĂNG SAU DỪNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH Chuyên ngành: Kỳ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng và Công Nghiệp Mã số chuyên ngành: 62580208 Phàn biện độc lập 1: TS.

Trần Văn Phúc Phản biện độc lập 2: PGS. Nguyễn Trung Hiếu Phản biện 1: PGS. Lê Anh Thắng Phản biện 2: TS. Nguyễn Đình Hùng Phản biện 3: PGS.

Hồ Đức Duy NGƯỜI HƯỚNG DẦN: 1. Nguyền Minh Long 2. Ngô Hữu Cường LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu cùa bán thân tác giả. Các kết quá nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giã luận án Chừ ký Phan Vũ Phương i TÓM TẮT LUẬN ÁN Nhờ vào các đặc tính kỹ thuật nôi trội của vật liệu CFRP như có cường độ cao, trọng lượng riêng nhẹ, không dẫn điện, không nhiễm từ, không bị ăn mòn, thi công dơn giản, giải pháp sử dụng vật liệu CFRP cho công tác sửa chữa hoặc gia cường cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) và bê tỏng ứng suất trước (BTUST) đã cho thấy được tính hiệu quả cao cúa nó bên cạnh các giải pháp truyền thống hiện hữu. Tuy nhiên, một vài nghiên cứu hiện nay về ứng xử uốn của dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường tấm CFRP đều chưa đề cập đầy đú và lượng hóa tường minh ánh hưởng cua tấm CFRP gia cường đến sự làm việc của cáp và dầm; và chưa thấy đề cập đến ánh hường của tải trọng lặp. Bên cạnh đó, đặc tính bám dính cua tấm CFRP với bê tông là một yếu tố chú đạo quyết định đến hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm BTCT và dầm BTUST; tuy nhiên, đặc tính này chưa được trình bày đầy đủ và có hệ thống, đặc biệt cho trường hợp dầm BTUST dùng cáp không bám dính.

Các vấn đề vừa nêu dẫn đến sự thiếu vắng của các điều khoản thiết kế cho trường hợp cấu kiện hay dầm BTUST dùng cáp không bám dính trong các hướng dẫn thiết kẻ gia cường hiện hành bang vật liệu FRP. Luận án này nghiên cứu về đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông và hiệu năng gia cường kháng uốn cúa tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính. Các mục tiêu chính của luận án bao gồm: (1) phân tích thực nghiệm đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông trên dầm BTƯST dùng cáp không bám dinh và làm rõ sự khác biệt với đặc tính bám dính cùa tấm CFRP với bê tông trên các mầu kéo trượt thông dụng hiện nay một cách có hệ thống; (2) phân tích thực nghiệm ứng xử và định lượng hỏa hiệu quá gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính; và (3) xây dựng một mô hình bám dính - trượt cúa liên kết tấm CFRP - bê tông cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính và đề xuất một công thức mới tính biến dạng cùa cáp trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính có kể đến ảnh hướng cùa tấm gia cường kháng uốn CFRP phục vụ cho quy trình thiết kế gia cường kháng uốn bang tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính. Phục vụ cho các mục tiêu thực nghiệm, chương trình thực nghiệm chính trên hai mươi dầm BTUST gian đơn dùng cáp không bám dính tiết diện chữ T kích thước lớn được ii thực hiện.

Các thông sổ khảo sát chính bao gồm số lớp tấm CFRP (0, 2, 4, và 6 lớp), tình trạng dầm trước khi gia cường (dầm nguyên và dầm nứt), loại tài trọng (tải trọng đơn điệu và tài trọng lặp), và kiểu neo U-CFRP (tập trung và phân bố đều). Ngoài ra, đề phân tích và làm rõ sự khác biệt về đặc tính bám dính giữa tấm CFRP-bê tông trong các mầu kéo trượt đơn thường dùng hiện nay so với cùa mầu dam BTUST dùng cáp không bám dính, chương trình thí nghiệm nhỏ hơn được tiến hành trên bay mẫu kéo trượt. Kết quả thực nghiệm về đặc tính bám dính của tấm CFRP gia cường kháng uốn trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính cho thấy có sự khác biệt lớn về sự phân bố biến dạng và giá trị biến dạng bong tách cúa tarn CFRP trong các mẫu dam BTUST dùng cáp không bám dính so với cua các mầu kéo trượt thuần túy (chênh lệch lên tới 250% so với dầm không neo và 490% so với dầm có neo). Kết quả kiểm chứng cho thấy các công thức dự đoán cường độ bám dinh trong các nghiên cứu trước đây và trong các hướng dẫn, tiêu chuẩn thiết ke gia cường hiện hành dự đoán cường độ bám dính cua tấm CFRP trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính, đặc biệt khi dùng hệ neo CFRP dạng U- wraps rất thấp so với thực nghiệm (trung bình 42%).

Kết quà thực nghiệm về ứng xử uốn cua dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường tẩm CFRP chịu tải trọng tĩnh dơn điệu và tải trọng lặp cho thấy biển dạng cáp trong các dầm gia cường chịu tác động đáng kê bời tấm CFRP gia cường kháng uốn và hệ neo CFRP dạng dải u. Tấm CFRP ành hưởng đáng kể đến khả năng kháng uốn (tăng đen 65%), bề rộng vết nứt (giảm đến 84% trong giai đoạn sứ dụng) và chuyên vị của dầm (tăng đến 65%); tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng tì lệ nghịch với sổ lớp tắm CFRP. Tải trọng lặp ảnh hưởng đáng kể đến khả năng kháng uốn còn lại, biến dạng và bề rộng vết nứt của dầm gia cường ở giai đoạn thí nghiệm tải đơn điệu sau lặp, đặc biệt trong giai doạn sử dụng, nhưng không dáng kế trong giai doạn bền. Trong giai đoạn chịu tái trọng lặp, tấm CFRP làm giảm đáng kể chuyển vị dư (đến 19%), chuyển vị (đến 34%) và bề rộng vết nứt lớn nhất của dầm (đến 21%) so với các dam tương ứng trong nhóm chịu tải trọng tình đơn điệu; và sự giàm này tỉ lệ thuận với sổ lớp gia cường và số chu kỳ gia tải lặp.

Hệ neo U-wraps với vùng bố trí khác nhau ảnh hưởng rõ nét đến dạng phá hoại của dầm, làm tăng đáng kể biến dạng cuối cùng của tấm CFRP và cáp, và độ deo của dam. Biến dạng bong tách cùa tarn CFRP tính toán từ các hướng dần và tiêu chuẩn iii thiết kể gia cường kết cẩu bê tông dùng tấm FRP dán ngoài hiện hành, mặc dù đều cho kết quà an toàn, nhưng nhìn chung, đang đánh giá thấp giá trị biến dạng bong tách của tấm CFRP cho trường hợp dầm BTUST dùng cáp không bám dính. Công thức tính biến dạng của cáp không bám dính có kể đến ảnh hưởng cùa tấm CFRP được đề xuất trong luận án cho kết quả gần với thực nghiệm với độ phân tán thấp và dề sư dụng. Công thức này và mô hình tính biến dạng bong tách của tấm CFRP được đề xuất trong luận án có thế được dùng để bố sung vào các điều khoản thiết kế gia cường kháng uốn cho dầm BTUST cáp không bám dính dùng tấm CFRP vốn còn thiếu trong các tiêu chuẩn hiện hành.

iv ABSTRACT Thanks to the outstanding technical characteristics of CFRP materials such as high strength, lightweight, non-conductivity, non-magnetism, non-corrosiveness, simple construction, the solution of using CFRP materials for retrofitting or strengthening of reinforced concrete (RC) and post-tensioned concrete (PC) structures has shown its high efficiency besides existing traditional solutions. However, the current limited studies on the flexural behavior of unbonded post-tensioned reinforced concrete (UPC) beams strengthened with CFRP sheets have not fully mentioned and quantified the influence of CFRP sheets for strengthening on the performance of the tendons and the beams, and the effects of repeated loads as well on the performance of UPC beams. Another pivotal factor controlling the effectiveness of the CFRP strengthening system for RC and PC beams is the interfacial bond behavior of CFRP sheets and concrete. However, this behavior has not been fully and systematically investigated in the published literature, especially in the case of PC beams using unbonded tendons.

The problems mentioned above lead to the absence of design provisions for PC members using unbonded tendons in current design guidelines for strengthening concrete structures using FRP materials. This thesis studies the interfacial bond behavior of CFRP-to-concrete joints and the flexural-strengthening efficiency of CFRP sheets on UPC beams. The main objectives of the thesis include: (1) experimentally analyze the interfacial bond behavior of CFRP sheets and concrete on UPC beams and clarifying the difference between this bond behavior and the CFRP-to-concrete bond behavior on single-lap shear specimens (the prevailing bond behavior) in a systematic way; (2) experimentally investigate of the behavior and quantification of the flexural-strengthening efficiency of CFRP sheets on UPC beams, and (3) develop an interfacial bond-slip model of CFRP-to-concrete joints for UPC beams and propose a new formula for calculating the strain of unbonded tendons in UPC beams including the effect of CFRP sheets serving for the design procedure of flexural strengthening using CFRP sheets for UPC beams. Regarding the experimental program, the test consisted of 20 large-scale UPC T-beams.

The main survey parameters included the number of CFRP sheet layers (0, 2, 4, and 6 V layers), beam condition before strengthened (uncracked and pre-cracked), loading type (monotonic and repeating loading), and CFRP U-wrap anchors type (concentrated and evenly distributed). In addition, to analyze and clarify the difference between the interfacial CFRP-to-concrete bond in UPC beams and that in single-lap shear specimens which are commonly used, a small test program was conducted on seven single-lap shear specimens. The experimental results showed that the interfacial bond behavior in the beams was very different from that in the single-lap shear tests in terms of the debonding strain and strain distribution of CFRP sheets (up to 250% compared to the beams without U-wraps and 490% compared to beams with U-wraps). The test results also showed that the accuracy of some existing codes and models in estimating the bond strength of CFRP- to-concrete joints in UPC beams (especially with CFRP U-wrap anchor systems) are very low compare to experimental data (42% on average).

The experimental results on the flexural behavior of UPC T-beams strengthened with CFRP sheets under monotonic and repeated loads showed that the use of CFRP sheets and CFRP U-wrap anchors significantly affected the tendon strain. CFRP sheets significantly affected the beam flexural resistance (increased by up to 65%), crack width (decreased by up to 84% in the serviceability stage), and beam displacement (increased by up to 65%); however, this enhancement tended to decrease as the CFRP sheet ratio increased.