ĐẶT VẤN ĐỀ Sửa chữa phục hồi lại khả năng chịu lực của kết cấu bê tông sau một thời gian dài sử dụng hay nâng cấp kết cấu do thay đổi tải trọng hoặc công năng sử dụng là một trong những vấn đề thường gặp hiện nay trong lĩnh vực xây dựng. Với những đặc tính nổi trội của vật liệu “polymer gia cường sợi” (FRP) như khối lượng riêng nhẹ, cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn, không bị nhiễm từ, dễ thi công, gia cường hoặc sửa chữa kết cấu bê tông bằng phương pháp dán ngoài bằng FRP hiện đang là một giải pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng trong vài thập niên gần đây bên cạnh các giải pháp truyền thống [1]-[4]. Ứng xử cắt của kết cấu gia cường bằng vật liệu FRP tuy đã được nghiên cứu nhiều trên cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) [5]-[16] và cả bê tông ứng suất trước (BTUST) sử dụng cáp bám dính – là cáp/ cốt thép căng có sự dính kết với bê tông xung quanh (BPC) [17]-[21] nhưng để hiểu được nó và các cơ chế đi kèm một cách toàn diện và đúng đắn thực sự là một vấn đề rất phức tạp và vẫn chưa được giải quyết một cách trọn vẹn [13], [15], [22]. Sự thiếu hụt kiến thức trong vấn đề này càng trở nên rõ nét đối với cấu kiện hay kết cấu BTUST sử dụng cáp không bám dính - là cáp/ cốt thép căng không có sự dính kết với bê tông xung quanh (UPC) khi mà số lượng các nghiên cứu trên đối tượng này rất ít cho đến thời điểm hiện tại.
Đặc biệt, chưa có một nghiên cứu nào ở Việt Nam trình bày về ứng xử cắt của kết cấu UPC gia cường tấm FRP. Mặc dù, các công trình có ứng dụng kết cấu UPC phổ biến ở các nước Châu Âu và Bắc Mỹ nhưng ở Việt Nam thì rất hạn chế. So với dầm BTCT, cáp trong dầm BPC và UPC giúp giảm ứng suất kéo xiên trong nhịp cắt, tăng khả năng kháng vết nứt xiên và làm chậm sự phát triển của nó [23]. Nhờ vậy, cáp có thể làm thay đổi kiểu phá hoại, ảnh hưởng đến khả năng làm việc của tấm FRP gia cường và khả năng kháng cắt của dầm BPC và UPC so với trường hợp dầm BTCT.
Thêm vào đó, ứng xử của dầm UPC hoàn toàn khác với dầm BPC. Ở dầm BPC, lực căng cáp được đảm bảo trên suốt chiều dài dầm do sự bám dính với bê tông; do đó, việc sử dụng phân tích tiết diện có thể phân tích ứng xử của kết cấu này. Trong khi đó, cáp trong dầm UPC, lực căng cáp chỉ được truyền vào dầm thông qua hai đầu neo, nên 1 không thể áp dụng phương pháp tiết diện cho loại dầm này [24], [25]. Việc sử dụng cáp bám dính giúp tăng độ cứng và cường độ của dầm hơn so với cáp không bám dính, trong khi cáp không bám dính giúp tăng độ dẻo cho dầm hơn so với cáp bám dính [26].
Đối với dầm UPC, ảnh hưởng của các yếu tố như cường độ bê tông, tỷ số nhịp cắt trên chiều cao làm việc của tiết diện dầm (a/de), chiều dày tấm FRP, kiểu gia cường (liên tục hay rời rạc) đến hiệu quả làm việc của tấm FRP, đặc biệt là trường hợp sử dụng tấm GFRP, vẫn còn là câu hỏi chưa có lời đáp. Bên cạnh các yếu tố vừa nêu, quỹ đạo cáp cũng có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử cắt của dầm gia cường [23]. So với quỹ đạo cáp thẳng, cáp cong có thể giúp kiểm soát tốt sự phát triển của các vết nứt xiên và làm tăng khả năng kháng cắt của dầm hiệu quả hơn so với cáp thẳng. Tuy nhiên cho đến nay, mức độ hiểu biết về ảnh hưởng của yếu tố này đến ứng xử của dầm UPC gia cường kháng cắt bằng vật liệu FRP vẫn còn rất hạn chế.
Dạng phá hoại của tấm FRP gia cường kháng cắt ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả gia cường kháng cắt của tấm FRP [20]. Nó gồm hai dạng chính là bong tách hoặc đứt tấm và chịu ảnh hưởng đáng kể bởi cấu hình gia cường cũng như đặc tính bám dính giữa tấm với bê tông. Cấu hình gia cường của tấm FRP tương đối đa dạng và phụ thuộc vào kiểu bọc tấm (bọc toàn bộ, bọc chữ U hay dán hai mặt), mật độ phân bố tấm dọc theo nhịp cấu kiện (tấm liên tục hay dải rời rạc) và hướng của tấm so với trục của cấu kiện cần gia cường. Đối với cấu hình gia cường dạng U, dạng gia cường phổ biến hiện nay, bong tách tấm thường là dạng phá hoại phổ biến nhất [7], [8], [10].
Kiểu phá hoại này làm dầm bị phá hoại đột ngột và hạn chế mức đóng góp của tấm vào khả năng kháng cắt của cấu kiện vì tấm chưa phát huy được tối đa khả năng làm việc của nó như ở dạng phá hoại đứt tấm. Nhiều nghiên cứu trên dầm BTCT [27], [28], [29] chỉ ra rằng việc sử dụng hệ neo giúp hạn chế kiểu phá hoại này hoặc trì hoãn tối đa quá trình bong tách sớm của tấm nhằm giúp tăng hơn nữa sự đóng góp của tấm FRP vào khả năng kháng cắt cũng như giúp cải thiện độ dẻo cho dầm khi mà việc gia cường bằng cách bó toàn bộ tiết diện dầm không thực sự khả thi bởi sự khó khăn khi thi công. Tuy nhiên, các nghiên cứu về vấn đề này trên dầm BPC vẫn còn rất hạn chế và đặc biệt vẫn chưa có một nghiên cứu nào trên cấu kiện UPC. Hiệu quả thực sự của hệ neo cho tấm FRP gia cường kháng cắt dạng U trên dầm UPC vẫn còn chưa có lời đáp.
2 Sự thiếu vắng của các dữ liệu thực nghiệm về ứng xử cắt của dầm UPC gia cường tấm FRP còn được xem là nguyên nhân chính làm cho các tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế hiện hành [30]- [33] chưa thể xây dựng và bổ sung được các điều khoản tính toán sức kháng cắt của dầm UPC được gia cường kháng cắt bằng tấm FRP dán ngoài. Hiện nay, mô hình tính toán khả năng kháng cắt của các dầm BTCT hoặc BTUST gia cường tấm FRP trong các hướng dẫn hiện hành đều được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm của các dầm BTCT gia cường tấm FRP và sử dụng nguyên lý cộng tác dụng sức kháng cắt của thành phần tiết diện bê tông, cốt đai và tấm FRP, bỏ qua sự tương tác giữa chúng, và không xét đến ảnh hưởng của tỷ số a/de đến sự làm việc của tấm FRP. Trong thực tế, các kết quả nghiên cứu trên dầm BTCT gia cường tấm FRP đã cho thấy rằng các thành phần này có sự tương tác lẫn nhau, trong đó tỷ số a/de làm thay đổi góc nứt xiên, cường độ bám dính của tấm FRP với bê tông và ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng của tấm FRP [34], [15]. Ứng suất nén trước do cáp tạo ra làm cho ứng xử của dầm BPC và UPC trở nên giòn hơn so với dầm BTCT, ảnh hưởng đến khả năng kháng cắt của vùng bê tông chịu nén, tăng khả năng chịu kéo xiên của bê tông, làm đóng vết nứt, tăng hiệu ứng cài móc của cốt liệu, từ đó có thể làm thay đổi trường biến dạng của tấm FRP gia cường kháng cắt trong nhịp cắt.
Tất cả điều này cho thấy, rất cần có thêm các mô hình mới, miêu tả chính xác hơn bản chất ứng xử của các dầm BTUST gia cường tấm FRP, đặc biệt là dầm UPC. Các mô hình này cần thể hiện được đầy đủ hơn các cơ chế kháng cắt cũng như sự tương tác giữa chúng nhằm giúp cho việc dự đoán được tường minh và tin cậy hơn. Từ những vấn đề vừa được trình bày ở trên, luận án này nghiên cứu và phân tích ứng xử cắt của dầm UPC được gia cường kháng cắt bằng tấm CFRP/GFRP dạng U. Trong đó, luận án tập trung đánh giá và làm rõ ảnh hưởng của một số yếu tố chính như quỹ đạo căng cáp, cường độ bê tông, tỷ số nhịp cắt trên chiều cao làm việc của dầm a/de, hàm lượng và loại tấm gia cường (GFRP và CFRP), sơ đồ gia cường (dạng dải U rời rạc và liên tục), hệ neo và phân tích ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố này đến hiệu quả gia cường của tấm gia cường CFRP/GFRP đối với dầm UPC tiết diện chữ T.
Để phục vụ cho công tác tính toán và thiết kế, luận án cũng xây dựng một mô hình và đề xuất công thức mới để dự đoán khả năng kháng cắt của dầm UPC gia cường tấm CFRP/GFRP có xét đến đầy đủ các cơ chế kháng cắt và sự tương tác giữa các cơ chế này. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN, MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương này giới thiệu về tổng quan nghiên cứu bao gồm các vấn đề về vật liệu FRP, các nghiên cứu về ứng xử cắt dầm bê tông cốt thép (BTCT), bê tông ứng suất trước sử dụng cáp bám dính (BPC) và không bám dính (UPC) gia cường bằng tấm FRP, và các yếu tố chính ảnh hưởng đến ứng xử cắt của chúng. Mục tiêu chương là nhằm phác họa được một bức tranh rõ nét và đầy đủ nhất về các hiểu biết liên quan đến ứng xử cắt của dầm UPC gia cường bằng tấm FRP cũng như mô hình và phương pháp xác định khả năng kháng cắt của chúng để từ đó có thể thấy được những tồn tại chưa được giải quyết và những vấn đề cần được làm sáng tỏ hơn. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất mục tiêu, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể, đảm bảo được ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu.1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Vật liệu FRP Với ưu điểm nổi trội của vật liệu FRP so với của thép như khối lượng riêng nhẹ, cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn, dễ thi công, nên vật liệu FRP được ứng dụng phổ biến trong việc sửa chữa và gia cường kết cấu hiện nay.
Kỹ thuật gia cường kết cấu dùng tấm FRP thay thế cho kỹ thuật dùng tấm thép được thực hiện lần đầu tiên tại Châu Âu và Nhật Bản trong những thập niên 1980. Tại châu Âu, nghiên cứu thực nghiệm sử dụng tấm FRP để nâng cấp kết cấu bê tông đầu tiên là tại Đức vào năm 1978 [35] và ứng dụng đầu tiên dùng tấm CFRP để gia cường kháng uốn cho cầu BTCT là tại Thụy Sĩ [36]. Tại Nhật Bản, ứng dụng đầu tiên của tấm FRP là trong gia cường kháng nở hông cho cột BTCT vào những thập niên 1980 [37], [38].