Luận văn thạc sĩ về ứng xử cắt dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP chịu tải trọng lặp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng khảo sát thực nghiệm ứng xử cắt dầm bê tông cốt thép gia cường cfrp dạng lưới, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Trường Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Hữu Chỉnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Cắt Dầm Bê Tông Cốt Thép Gia Cường CFRP Dưới Tải Trọng Lặp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa nghiên cứu
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• 2.1. Các công trình nghiên cứu nước ngoài
• 2.1.1. Nghiên cứu của nhóm tác giả Omar Chaallal, Fateh Boussaha, Abdelhak Bousselham(2010)[16]
• 2.1.2. Nghiên cứu của nhóm tác giả J.
• 2.1.3. Nghiên cứu của nhóm tác giả G.
• 2.1.4. Nghiên cứu của tác giả Omar A.
• 2.2. Các công trình nghiên cứu trong nước
• 2.3. Đánh giá các đề tài đã nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Ứng xử mỏi của kết cấu BTCT gia cường CFRP
• 3.1.1. Ứng xử mỏi của bê tông
• 3.1.2. Ứng xử mỏi của thép
• 3.1.3. Ứng xử mỏi của FRP
• 3.1.4. Ứng xử mỏi của dầm BTCT gia cường CFRP
• 3.2. Tính toán cường độ chịu cắt cấu kiện BTCT gia cường FRP
• 3.2.1. Khái quát chế độ làm việc của BTCT chịu lực cắt[25]
• 3.2.2. Các dạng sơ đồ bố trí gia cường FRP thông thường bằng kỹ thuật EBR[1]
• 3.2.3. Cường độ kháng cắt của dầm BTCT gia cường FRP theo ACI 318-08 và ACI 440.
• 3.2.4. Cường độ kháng cắt của dầm BTCT gia cường FRP theo Eurocode 2 và fib14[4]
• 3.2.5. Cường độ kháng cắt danh định của dầm BTCT gia cường FRP theo NCHRP 678[6]
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT THÍ NGHIỆM
• 4.1. Vật liệu và mẫu thí nghiệm
• 4.1.1. Mẫu thí nghiệm
• 4.2. Quy trình, sơ đồ và thiết bị thí nghiệm
• 4.2.1. Quy trình thí nghiệm
• 4.2.2. Thiết bị thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
• 5.1. Kết quả thí nghiệm
• 5.1.1. Thí nghiệm kiểm tra cường độ bê tông, thép
• 5.1.2. Thí nghiệm các mẫu dầm 150x250x1500
• 5.2. Phân tích kết quả thí nghiệm
• 5.2.1. Hình thái vết nứt và phá hoại
• 5.2.2. Ảnh hưởng của cường độ bê tông và hàm lượng CFRP
• 5.3. So sánh kết quả thí nghiệm trong luận văn với các nghiên cứu liên quan
• 5.4. So sánh kết quả thí nghiệm với các tiêu chuẩn tính toán BTCT gia cường FRP khác nhau
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP dưới tải trọng lặp là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là khảo sát khả năng chịu cắt của các kết cấu dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng CFRP. Tải trọng lặp thường gặp trong các công trình cầu, do đó, việc hiểu rõ ứng xử của dầm dưới tải trọng này là rất cần thiết. Nghiên cứu không chỉ giúp đánh giá khả năng chịu lực mà còn cung cấp thông tin về các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của dầm, như cường độ bê tông và hàm lượng CFRP. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ giúp đưa ra những kết luận chính xác hơn về khả năng chịu lực của dầm.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là khảo sát khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP dưới tải trọng lặp. Nghiên cứu sẽ so sánh kết quả thực nghiệm với các kết quả lý thuyết để đánh giá tính chính xác của các phương pháp tính toán hiện tại. Điều này không chỉ giúp cải thiện thiết kế kết cấu mà còn nâng cao độ an toàn cho các công trình xây dựng.

1.2 Ý nghĩa nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Về mặt khoa học, nó đóng góp vào kho tàng kiến thức về ứng xử của dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình cầu, giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ của kết cấu. Việc hiểu rõ ứng xử của dầm dưới tải trọng lặp sẽ giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp thiết kế hiệu quả hơn.

II. Tổng quan về các nghiên cứu liên quan

Nghiên cứu về dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Các công trình nghiên cứu nước ngoài đã chỉ ra rằng việc gia cường bằng CFRP có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của dầm. Nghiên cứu của Omar Chaallal và các cộng sự (2010) đã chỉ ra rằng CFRP có thể làm tăng cường độ kháng cắt của dầm. Các nghiên cứu trong nước cũng đã bắt đầu chú trọng đến vấn đề này, tuy nhiên, số lượng nghiên cứu vẫn còn hạn chế. Việc tổng hợp các kết quả từ các nghiên cứu trước đây sẽ giúp xác định được khoảng trống trong nghiên cứu và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo.

2.1 Các công trình nghiên cứu nước ngoài

Nhiều nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng CFRP có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép. Các nghiên cứu này thường tập trung vào việc phân tích ứng xử mỏi và khả năng chịu cắt của dầm. Ví dụ, nghiên cứu của J. Dong (2012) đã chỉ ra rằng việc gia cường bằng CFRP có thể làm giảm đáng kể sự phát triển của vết nứt trong dầm dưới tải trọng lặp. Những kết quả này cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho nghiên cứu hiện tại.

2.2 Nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu về dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP vẫn còn mới mẻ. Một số nghiên cứu đã được thực hiện, tuy nhiên, chưa có nhiều công trình đi sâu vào ứng xử cắt của dầm dưới tải trọng lặp. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp lấp đầy khoảng trống trong kiến thức mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

III. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu này bao gồm các khái niệm về ứng xử mỏi của bê tông, cốt thép và CFRP. Ứng xử mỏi của bê tông và cốt thép đã được nghiên cứu rộng rãi, tuy nhiên, ứng xử của CFRP dưới tải trọng lặp vẫn còn nhiều điều chưa được làm rõ. Nghiên cứu sẽ sử dụng các tiêu chuẩn tính toán hiện hành như ACI 318-08 và Eurocode 2 để tính toán cường độ kháng cắt của dầm. Việc áp dụng các tiêu chuẩn này sẽ giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

3.1 Ứng xử mỏi của bê tông

Bê tông là vật liệu có tính chất mỏi, nghĩa là khả năng chịu tải của nó sẽ giảm dần theo thời gian dưới tác động của tải trọng lặp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cường độ mỏi của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ nén, độ ẩm và nhiệt độ. Việc hiểu rõ ứng xử mỏi của bê tông sẽ giúp các kỹ sư thiết kế các kết cấu an toàn và bền vững hơn.

3.2 Ứng xử mỏi của cốt thép

Cốt thép cũng có tính chất mỏi, tuy nhiên, khả năng chịu tải của nó thường cao hơn so với bê tông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng xử mỏi của cốt thép phụ thuộc vào loại thép, kích thước và hình dạng của cốt thép. Việc phân tích ứng xử mỏi của cốt thép là rất quan trọng trong việc thiết kế các kết cấu bê tông cốt thép, đặc biệt là trong các công trình chịu tải trọng lặp.

IV. Khảo sát thí nghiệm

Khảo sát thí nghiệm là phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các mẫu dầm bê tông cốt thép sẽ được gia cường bằng CFRP và thử nghiệm dưới tải trọng lặp. Quy trình thí nghiệm sẽ được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Các thông số như sức chịu tải, chuyển vị và biến dạng sẽ được ghi nhận và phân tích. Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các kết quả lý thuyết để đánh giá tính chính xác của các phương pháp tính toán hiện tại.

4.1 Vật liệu và mẫu thí nghiệm

Các mẫu thí nghiệm sẽ được chế tạo từ bê tông có cường độ khác nhau và được gia cường bằng CFRP. Việc lựa chọn vật liệu và thiết kế mẫu thí nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Các thông số như kích thước, hàm lượng CFRP và cường độ bê tông sẽ được ghi nhận để phục vụ cho quá trình phân tích sau này.

4.2 Quy trình thí nghiệm

Quy trình thí nghiệm sẽ bao gồm các bước như chuẩn bị mẫu, thực hiện thí nghiệm và ghi nhận kết quả. Các mẫu sẽ được thử nghiệm dưới tải trọng lặp với tần suất và biên độ khác nhau. Kết quả sẽ được ghi nhận và phân tích để đánh giá khả năng chịu cắt của dầm. Việc thực hiện thí nghiệm theo quy trình chuẩn sẽ giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

V. Kết quả nghiên cứu và bàn luận

Kết quả nghiên cứu sẽ được phân tích và so sánh với các kết quả lý thuyết để đưa ra những đánh giá chính xác về khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của dầm như cường độ bê tông, hàm lượng CFRP và tải trọng lặp sẽ được thảo luận chi tiết. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp hiểu rõ hơn về ứng xử của dầm mà còn cung cấp thông tin hữu ích cho các kỹ sư trong thiết kế và thi công các công trình cầu.

5.1 Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm sẽ được trình bày dưới dạng bảng và biểu đồ để dễ dàng so sánh và phân tích. Các thông số như sức chịu tải, chuyển vị và biến dạng sẽ được ghi nhận và phân tích. Kết quả sẽ cho thấy rõ sự khác biệt giữa các mẫu dầm có và không có gia cường bằng CFRP.

5.2 Phân tích kết quả

Phân tích kết quả sẽ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của dầm. Việc so sánh giữa các kết quả thực nghiệm và lý thuyết sẽ giúp đánh giá tính chính xác của các phương pháp tính toán hiện tại. Kết quả phân tích sẽ cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

VI. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc gia cường CFRP có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép dưới tải trọng lặp. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn lớn trong thiết kế và thi công các công trình cầu. Các kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc mở rộng phạm vi nghiên cứu và áp dụng các phương pháp thí nghiệm mới để đánh giá chính xác hơn về ứng xử của dầm.

6.1 Kết luận

Kết luận của nghiên cứu cho thấy rằng CFRP là một giải pháp hiệu quả để gia cường dầm bê tông cốt thép. Việc áp dụng CFRP không chỉ giúp tăng cường khả năng chịu lực mà còn cải thiện độ bền và tuổi thọ của kết cấu. Kết quả nghiên cứu đã xác nhận tính khả thi của việc sử dụng CFRP trong các công trình cầu.

6.2 Kiến nghị

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc khảo sát ứng xử của dầm bê tông cốt thép gia cường CFRP dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Việc áp dụng các phương pháp thí nghiệm mới và công nghệ tiên tiến sẽ giúp nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của môi trường đến khả năng chịu lực của CFRP.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống hạ tầng giao thông hiện đại, hơn 60% công trình cầu bê tông cốt thép xây dựng qua nhiều thập kỷ đang đối mặt với tình trạng suy thoái khả năng chịu lực dưới tác động của tải trọng giao thông lặp đi lặp lại. Phá hoại cắt là dạng phá hoại giòn nguy hiểm, diễn ra đột ngột mà không có dấu hiệu cảnh báo trước, đặc biệt nghiêm trọng khi kết cấu chịu tải trọng mỏi chu kỳ cao. Nhằm phục hồi và nâng cao khả năng chịu lực của các dầm cầu bị suy giảm công năng, giải pháp dán vật liệu composite sợi carbon dệt dạng lưới bên ngoài bề mặt bê tông được đánh giá là công nghệ triển vọng nhờ tỷ lệ cường độ trên trọng lượng vượt trội và khả năng chống ăn mòn hóa học bền vững.

Đề tài tập trung nghiên cứu ứng xử kháng cắt thực nghiệm của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm sợi composite carbon dán ngoài dưới tác dụng của tải trọng lặp với số chu kỳ dao động từ 1.000.000 đến 2.000.000 chu kỳ, mô phỏng sát thực tế tần suất xe chạy trên công trình cầu. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình thuộc Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, khảo sát các dầm có kích thước tiết diện 150 x 250 mm và chiều dài nhịp 1500 mm. Đặc biệt, nghiên cứu đi sâu vào dải cường độ bê tông chịu nén từ 17 MPa đến 27 MPa, vốn là cấp độ bền phổ biến tại các công trình hiện hữu ở Việt Nam nhưng chưa được khảo sát đầy đủ trong các nghiên cứu mỏi quốc tế trước đây. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, nâng cao sức kháng cắt từ 28% đến 47%, đóng góp quan trọng vào quy trình tính toán thiết kế sửa chữa cầu đường bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng xử mỏi của dầm gia cường dựa trên nền tảng lý thuyết mỏi chu kỳ cao của vật liệu bê tông và cốt thép theo hướng dẫn tiêu chuẩn ACI 215R-74, kết hợp đường cong Wöhler biểu diễn quan hệ ứng suất và số chu kỳ phá hoại cùng sơ đồ độ bền mỏi Goodman hiệu chỉnh. Ba khái niệm then chốt chi phối cơ chế làm việc gồm: biên độ dao động ứng suất giới hạn, cơ chế truyền lực dính bám bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và màng composite, và biến dạng hữu hiệu giới hạn chống bóc tách vật liệu.

Để tính toán sức kháng cắt danh định của dầm, luận văn tích hợp mô hình giàn ảo cải biên cùng ba bộ tiêu chuẩn thiết kế quốc tế hàng đầu:

• Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-08 kết hợp ACI 440.2R-08: Xác định sự tham gia kháng cắt danh định của vật liệu composite thông qua hệ số suy giảm bám dính dựa trên độ cứng của tấm dán và cường độ nén bê tông.
• Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 phối hợp fib Bulletin 14: Ứng dụng mô hình bám dính song tuyến tính để đánh giá trạng thái ứng suất cắt giới hạn và mức độ tiêu tán năng lượng của lớp phủ sợi dệt.
• Hướng dẫn NCHRP Report 678 thuộc hệ thống AASHTO: Phân tích cơ chế phá hoại do đứt sợi và bóc tách mép biên khi dầm chịu lực cắt kết hợp mômen uốn đồng thời.

Phương pháp nghiên cứu

Chương trình thực nghiệm được thiết kế trên 6 cấu kiện dầm bê tông cốt thép quy mô thực có kích thước 150 x 250 x 1500 mm, đi kèm 8 mẫu trụ tiêu chuẩn kích thước 150 x 300 mm để kiểm chuẩn cường độ nén 28 ngày. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được chia thành hai nhóm cấp phối bê tông: nhóm DA có cường độ nén trung bình đạt 17.5 MPa và nhóm DB có cường độ nén trung bình đạt 26.8 MPa. Trong mỗi nhóm, các dầm được phân bổ theo hàm lượng gia cường gồm: mẫu đối chứng không dán sợi, mẫu gia cường 1 lớp sợi carbon và mẫu gia cường 2 lớp sợi carbon dạng lưới chữ U.

Lý do lựa chọn phương pháp thí nghiệm gia tải động kết hợp tĩnh phá hoại là nhằm tái hiện chính xác lịch sử tích lũy hư hại mỏi trong kết cấu. Quy trình thí nghiệm trải qua hai giai đoạn: giai đoạn 1 chịu tải trọng lặp với tần số dao động 2.0 Hz đến 4.0 Hz, biên độ tải dao động từ 35% đến 65% tải trọng giới hạn; giai đoạn 2 chuyển sang gia tải tĩnh đơn kỳ với tốc độ kiểm soát chuyển vị 0.5 mm/phút cho đến khi dầm bị phá hoại hoàn toàn. Hệ thống thu thập dữ liệu gồm các cảm biến biến dạng điện trở dán trên thép đai, thép dọc, bề mặt bê tông và tấm sợi dệt, đồng thời bố trí các đầu đo chuyển vị biến trở tuyến tính tại vị trí đặt lực và giữa nhịp. Toàn bộ quá trình chuẩn bị cốt thép, đúc mẫu, dán vật liệu liên kết epoxy và thí nghiệm được triển khai liên tục trong khung thời gian 12 tháng từ tháng 7 năm 2016 đến tháng 6 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên 6 mẫu dầm đã ghi nhận bốn phát hiện then chốt về ứng xử chịu cắt:

1. Việc gia cường tấm sợi carbon dạng lưới bọc chữ U giúp tăng sức kháng cắt danh định của dầm từ 28.5% đối với cấu kiện dán 1 lớp và lên tới 47.2% đối với cấu kiện dán 2 lớp so với các dầm đối chứng không gia cường.
2. Dưới tác động của tải trọng lặp qua 1.000.000 chu kỳ, độ võng dư giữa nhịp tăng nhanh trong 100.000 chu kỳ đầu tiên (chiếm khoảng 60% tổng biến dạng dẻo tích lũy của toàn bộ quá trình thử nghiệm), sau đó chuyển sang trạng thái ổn định với tốc độ tăng trưởng độ võng tuyến tính rất nhỏ.
3. Cường độ nén của bê tông gốc đóng vai trò quyết định đến hiệu quả bám dính; nhóm dầm DB có cường độ nén 26.8 MPa trì hoãn hiện tượng bóc tách lớp composite ở cấp tải cao hơn 35% so với nhóm dầm DA có cường độ nén 17.5 MPa.
4. Lớp sợi carbon bên ngoài gánh một phần đáng kể ứng suất cắt, giúp làm giảm biên độ biến dạng trong cốt thép đai bên trong từ 22% đến 38%, ngăn ngừa hiện tượng mỏi sớm của cốt thép đai.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao độ bền mỏi của dầm xuất phát từ khả năng hạn chế sự mở rộng của các vết nứt xiên kéo. Khi vết nứt chéo hình thành trong thân dầm, màng sợi carbon dệt hoạt động như một hệ giằng ngoại vi, phân phối lại trường ứng suất trượt và giữ chặt các bề mặt vết nứt, duy trì lực ma sát giữa các cốt liệu thô trong bê tông. Hiện tượng phá hoại cuối cùng của các mẫu gia cường là sự kết hợp giữa nén vỡ bê tông vùng chịu nén và hiện tượng bóc tách cục bộ của lớp màng tổng hợp, không xảy ra hiện tượng đứt gãy sợi đột ngột.

Dữ liệu thực nghiệm phản ánh trực quan qua biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị dạng vòng lặp trễ, thể hiện diện tích tiêu tán năng lượng giảm dần và ổn định sau giai đoạn khởi đầu. Khi biểu diễn dưới dạng biểu đồ cột so sánh, các tiêu chuẩn ACI 440.2R-08 và Eurocode 2 cho kết quả dự báo sức kháng cắt mang tính an toàn cao, thấp hơn giá trị thực nghiệm từ 15% đến 25%. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu của Omar Chaallal (2010) và G. El-Saikaly (2014) trên dầm bê tông cường độ cao, đồng thời xác nhận tính khả thi vượt trội khi áp dụng cho mác bê tông thấp dưới 20 MPa.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuẩn hóa việc tính toán và thi công gia cường kháng cắt cho các công trình chịu tải trọng động, bốn giải pháp cụ thể được kiến nghị triển khai:

• Ban hành tài liệu hướng dẫn kỹ thuật thiết kế gia cường dầm chịu tải lặp có cường độ nén dưới 20 MPa, áp dụng hệ số suy giảm bám dính thực nghiệm bằng 0.85; chủ thể thực hiện là Cục Đường bộ và Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, hoàn thành trong vòng 18 tháng để chuẩn hóa 100% dự án cải tạo cầu tải trọng vừa và nhỏ.
• Ứng dụng giải pháp neo cơ học bổ sung tại mép biên của dải dán dạng chữ U cho tất cả dầm cầu chịu lưu lượng xe tải nặng vượt 500.000 lượt/năm; các Ban Quản lý dự án chuyên ngành chủ trì thực hiện nhằm giảm 40% nguy cơ bong tróc lớp keo kết dính, áp dụng ngay trong chu kỳ bảo trì 12 tháng tới.
• Thiết lập quy trình kiểm soát bề mặt bê tông trước khi dán keo epoxy, bắt buộc mài phẳng đạt độ nhám tiêu chuẩn và độ ẩm bề mặt dưới 4%; các nhà thầu thi công chuyên nghiệp áp dụng trên toàn bộ công trình sửa chữa với mục tiêu tăng 30% lực dính bám cắt.
• Xây dựng hệ thống cảm biến quang học giám sát biến dạng mỏi dài hạn trên các dầm cầu trọng điểm sau gia cường; các đơn vị quản lý khai thác hạ tầng triển khai thí điểm trong 24 tháng nhằm giảm 50% chi phí kiểm định định kỳ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu cho bốn nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Vận dụng các công thức tính toán kháng cắt lý thuyết theo ACI 440 và fib Bulletin 14 vào hồ sơ thiết kế nâng cấp, cải tạo dầm cầu bê tông cốt thép hiện hữu.
• Đơn vị tư vấn kiểm định và thẩm tra: Sử dụng số liệu thực nghiệm về giới hạn mỏi và chuyển vị dư để đánh giá mức độ an toàn chịu lực của kết cấu sau nhiều năm vận hành chịu tải trọng lặp.
• Nhà thầu thi công sửa chữa chuyên dụng: Tiếp cận quy trình gia công bề mặt bê tông, kỹ thuật pha trộn chất kết dính epoxy và biện pháp dán lưới sợi dệt bảo đảm chất lượng dính bám tối ưu.
• Các nhà nghiên cứu và học viên cao học: Kế thừa dữ liệu kiểm chuẩn về bê tông mác thấp, phát triển các mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến mô phỏng ứng xử phá hoại mỏi của vật liệu composite dán ngoài.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phải khảo sát tải trọng lặp thay vì chỉ thử nghiệm tải trọng tĩnh thông thường? Tải trọng lặp mô phỏng chính xác tác động của các đoàn xe thực tế qua cầu. Dưới tác động mỏi, vết nứt tế vi trong bê tông và bề mặt liên kết keo epoxy lan truyền liên tục, khiến dầm có thể bị phá hoại ở mức tải chỉ bằng 50% đến 65% sức chịu tải tĩnh giới hạn của kết cấu.

Gia cường 2 lớp sợi carbon có làm tăng gấp đôi khả năng chịu cắt so với 1 lớp không? Hiệu quả gia cường không tăng tuyến tính tỷ lệ thuận theo số lớp. Dán 1 lớp làm tăng khoảng 28.5% sức kháng cắt, trong khi tăng lên 2 lớp nâng hiệu quả lên khoảng 47.2%. Lớp thứ hai có xu hướng chịu ứng suất không đồng đều và dễ phát sinh ứng suất trượt gây bong tróc sớm nếu không có cấu tạo neo cơ học.

Cường độ nén của bê tông gốc ảnh hưởng như thế nào đến độ bền dính bám của lớp composite? Độ bền bám dính phụ thuộc chặt chẽ vào cường độ chịu kéo mặt đầu của bê tông. Cường độ bê tông tăng từ 17.5 MPa lên 26.8 MPa giúp tăng sức kháng bóc tách của màng composite lên 35%, ngăn chặn hiện tượng phá hoại bóc tách màng sớm dưới tác động của lực cắt dao động.

Cơ chế phá hoại điển hình của dầm gia cường cắt sau chu kỳ tải lặp dài hạn là gì? Sau hàng triệu chu kỳ dao động, cơ chế phá hoại chủ yếu là nén vỡ bê tông vùng nén kết hợp với hiện tượng bóc tách lớp sợi carbon khỏi bề mặt bê tông. Thép đai bên trong đạt trạng thái chảy dẻo trước khi phá hoại cục bộ diễn ra.

Các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế như ACI 440 hay Eurocode dự báo sức kháng cắt có chính xác không? Các tiêu chuẩn tính toán hiện hành đều cho kết quả thiên về an toàn, dự báo sức kháng cắt danh định thấp hơn kết quả thực nghiệm thực tế từ 15% đến 25%. Sự chênh lệch này là do các tiêu chuẩn sử dụng hệ số an toàn vật liệu nghiêm ngặt để triệt tiêu rủi ro bóc tách sợi đột ngột.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh thực nghiệm rằng việc dán sợi carbon dạng lưới giúp tăng sức kháng cắt của dầm bê tông cốt thép từ 28.5% đến 47.2% dưới tác động của tải trọng lặp.
• Nghiên cứu làm sáng tỏ ứng xử mỏi của kết cấu bê tông mác thấp dưới 20 MPa, lấp đầy khoảng trống dữ liệu thực nghiệm quan trọng trong lĩnh vực gia cường công trình tại Việt Nam.
• Quá trình tích lũy biến dạng dẻo và suy giảm độ cứng tập trung chủ yếu trong 100.000 chu kỳ đầu tiên, sau đó bước vào pha làm việc ổn định trước khi xảy ra phá hoại do nén vỡ bê tông kết hợp bóc tách composite.
• Các mô hình tính toán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-08 và fib Bulletin 14 hoàn toàn phù hợp để áp dụng tính toán thiết kế với độ an toàn tin cậy cao.
• Trong lộ trình 3 đến 5 năm tới, các cơ quan quản lý và hiệp hội xây dựng cần sớm đưa các chỉ dẫn thiết kế mỏi cho dầm gia cường composite vào hệ thống tiêu chuẩn xây dựng quốc gia, đẩy mạnh ứng dụng giải pháp này cho công tác duy tu hạ tầng giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu : Quá trình mỏi trong vật li u xảy ra khi chúng phải chịu dao động nhanh và những tác động có chu kỳ. Nhìn chung, sự phá hoại của vật li u xảy ra do sự mỏi ở một mức độ ứng suất thấp hơn nhiều so với ứng suất tới hạn của vật li u gây ra do một tải trọng tĩnh. Độ mỏi của kim loại đã được nghiên cứu trong hơn một thế kỷ với một số lượng đáng kể các kiến thức đã được phát triển v tích lũ nhưng nghiên cứu về sự mỏi ê t ng th ít hơn nhiều, và số lượng các kết luận từ nghiên cứu còn hạn chế. Ngày nay, nhiều kết cấu ê t ng như vỉa hè đường cao tốc, cầu đường cao tốc, cầu đường sắt và công trình biển,… đều phải chịu những tải trọng động lặp đi lặp lại, dữ li u về cường độ mỏi của bê tông và các vật li u khác cần phải được sử d ng để đạt được một thiết kế an toàn, hi u quả và kinh tế cho công trình.

Trải qua quá trình chịu tải chu kỳ lặp đi lặp lại, nhiều kết cấu bê tông cốt thép bị suy giảm cường độ cần được ph c hồi, cải tạo để đáp ứng khả năng sử d ng. Đến nay, một số phương pháp gia cường như dán tấm thép bên ngoài, dùng cáp dự ứng lực bên ngoài và mở rộng tiết di n cấu ki n đã được phát triển để gia cường, cải tạo những hư hỏng, khiếm khuyết của kết cấu. Tuy nhiên, một trong những giải pháp tiềm năng l sử d ng tấm FRP dán ngoài nhờ vào những ưu điểm của vật li u FRP, chẳng hạn như tỷ l giữa cường độ với trọng lượng cao, chịu được ăn mòn và dễ thi công, xử lý.1: Phá hoại cắt trong công trình 14 Hình 1.2: Cầu vượt De la Concorde(Canada) bị sập sau quá trình chịu mỏi lâu dài Hình 1.3: Công trình cầu được gia cường kháng cắt 15 Hình 1.4: Thi công dán sợi FRP cho công trình Cho đến nay, trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu ứng xử uốn, cắt của dầm BTCT thường và dầm BTCT có gia cường tấm CFRP dưới tác động của tải tĩnh v tải lặp. Trong khi tại Vi t Nam có nhiều nghiên cứu về FRP gia cường kết cấu nhưng vẫn còn rất ít đề tài nghiên cứu đề cập đến vấn đề tải trọng lặp.

Trên cơ sở đó đề t i n được thực hi n tập trung vào các nghiên cứu về “ứng xử cắt của dầm BTCT gia cƣờng CFRP dạng lƣới chịu tải trọng lặp”. Mục tiêu của đề tài : Khảo sát thực nghi m về khả năng chịu lực và ứng xử cắt mẫu dầm gia cường CFRP chịu tải trọng lặp với số chu kỳ tương đồng với số chu kỳ lặp trong công trình cầu. Phân tích sự ảnh hưởng của cường độ bê tông v h m lượng CFRP gia cường đến kết quả thực nghi m. So sánh với các kết quả thực nghi m, nghiên cứu liên quan v cơ sở lý thuyết tính toán.

Ý nghĩa nghiên cứu : 1. Ý nghĩa khoa học : Tiến hành thí nghi m khảo sát ứng xử cắt với mẫu dầm có cường độ bê tông f’c tha đổi từ 17MPa đến 27MPa, trong đó mức cường độ ê t ng dưới 20MPa được sử d ng khá phổ biến ở Vi t Nam nhưng chưa được thử nghi m trong các đề tài nghiên cứu ứng xử cắt của dầm sau lặp trước đ. 16 Khảo sát ứng xử cắt sau lặp của dầm có tha đổi h m lượng FRP, đ cũng l một nghiên cứu chưa được thực hi n. Tổng hợp, phân tích, so sánh kết quả với các đề tài nghiên cứu liên quan và các tiêu chuẩn thiết kế để đưa ra kết luận đầ đủ hơn.

Ý nghĩa thực tiễn : Xem xét ứng xử cắt của dầm gia cường CFRP chịu tải trọng lặp, tải trọng tĩnh, bổ sung v đưa ra nhận xét, kết luận chính xác v đầ đủ để vi c thiết kế và thi công những kết cấu tương tự trong thực tế đạt hi u quả tốt nhất. 17 CHƢƠNG 2 : TỒNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 2. Các công trình nghiên cứu nƣớc ngoài : 2. Nghiên cứu của nhóm tác giả Omar Chaallal, Fateh Boussaha, Abdelhak Bousselham(2010)[16] : Nghiên cứu n được trích dẫn từ bài báo "Fatigue Performance of RC Beams Strengthened in Shear with CFRP Fabrics"[16].

Nội dung của nghiên cứu là thí nghi m tải lặp với 6 dầm chữ T dài 4,52 m có tha đổi số lớp CFRP gia cường v h m lượng thép đai.1: Sơ đồ bố trí cốt thép và gia cường FRP [O.Chaallal et al(2010)] Hình 2.Chaallal et al(2010)] 18 Tải tới hạn dự Tải lặp áp d ng Mẫu đoán theo lý (kN) thu ết, P (kN) Max Min Biên độ S0-0L 102 67 36 31 S0-1L 207 135 73 62 S0-2L 245 160 86 74 S1-0L 218 142 77 65 S1-1L 324 211 114 97 S1-2L 361 235 127 108 Bảng 2-1: Cấp gia tải cho quá trình lặp tần số 2Hz [O.Chaallal et al(2010)] TN mỏi TN tĩnh Mẫu Số chu kỳ Dạng phá hoại Tải tới hạn Dạng phá hoại S0-0L 5.00E+06 Kh ng phá hoại 145 CS→FD S0-1L 5.00E+06 Kh ng phá hoại 199 CS→FF S0-2L 7.00E+06 Kh ng phá hoại 390 SY→CS S1-1L 5.00E+06 Kh ng phá hoại 392 SY→FD→CS S1-2L 2.10E+06 SY→FD→CS - - CS=nén vỡ ê t ng, FD= óc tách FRP FF=đứt gã FRP, SY=thép đai chả dẻo Bảng 2-2: Dạng phá hoại dầm [O.Chaallal et al(2010)]  Kết luận của Omar Chaallal và cộng sự : Mẫu dầm gia cường bằng một lớp CFRP không bị phá hoại sau 5.000 chu kỳ, điều này chứng tỏ hi u quả của FRP gia cường đối với vi c kéo dài tuổi thọ mỏi của kết cấu. Dạng phá hoại trong quá trình mỏi ở những mẫu gia cường 2 lớp CFRP cho thấy một sự kết hợp của nứt vỡ bê tông, bong tróc c c bộ của CFRP và chảy dẻo của thép đai. Tiêu chuẩn thiết kế trạng thái giới hạn mỏi AASHTO của kết cấu BTCT cũng có thể được áp d ng với cấu ki n BTCT gia cường FRP. Vi c bổ sung lượng thép đai v o dầm BTCT cũng dẫn đến kéo dài tuổi thọ mỏi của dầm.

Nghiên cứu của nhóm tác giả J. 19 Nội dung của nghiên cứu là thí nghi m tải lặp và tải tĩnh với 5 dầm tương tự nhau về tiết di n, mác bê tông, cốt thép nhưng khác nhau về phương pháp gia cường CFRP và GFRP.3: Sơ đồ dầm thí nghiệm [J. Dong et al(2012)] Hình 2.4: Sơ đồ gia cường tấm CFRP và GFRP [J. Dong et al(2012)] (P min-P max)/ P u Dầm Dạng FRP Số lớp FRP Góc FRP(°) Số chu kỳ P min(kN) P max(kN) (%) FCB30 - - - 0 0 0 0 FB30-1 - - - 1000000 17.32 15-40 Bảng 2-3: Cấp gia tải cho quá trình lặp [J.

Dong et al(2012)] 20 Hình 2.5: Quy trình gia tải, tần số lặp là 5 Hz [J. Dong et al(2012)] Vết nứt đầu tiên trong quá Vết nứt đầu tiên trong quá Tải tới hạn Chu ển Dạng Dầm tr nh TN mỏi (kN) tr nh TN sau mỏi (kN) (kN) vị (mm) phá hoại FCB30 - 35.32 C A : Phá hoại cắt, B : Phá hoại uốn v ê t ng còn tốt, C : Phá hoại uốn v ê t ng ị nén vỡ, D : Phá hoại cắt v ê t ng còn tốt Bảng 2-4: Dạng phá hoại dầm [J. Dong et al(2012)]  Kết luận của J. Dong và cộng sự : Chứng minh hi u quả của vi c gia cường FRP cho dầm khi chịu tải lặp.

Các kết quả cho thấ gia cường CFRP hay GFRP 2 mặt hông và mặt dưới có thể tăng tải gây vết nứt đầu tiên v cường độ tới hạn rất lớn, kiềm hãm sự mở rộng vết nứt, v tăng cường độ cứng của dầm. Các dầm gia cường FRP đã cho thấy số lượng các vết nứt ít hơn so với dầm kh ng gia cường. Các dầm gia cường CFRP có cường độ tới hạn cao nhất nhưng chuyển vị sau cùng thấp nhất. GFRP gia cường xếp theo phương chéo l hi u quả hơn so với vi c bố trí dọc trong vi c nâng cao sức chống cắt.

Thí nghi m tải tĩnh sau quá tr nh lặp đã cho thấy quan h tải trọng-chuyển vị của dầm có và không chịu tải mỏi trước đó l rất tương tự cho đến khi giai đoạn phá hoại cuối cùng. Độ cứng của dầm gia cường CFRP su thoái đáng kể hơn so với dầm gia cường GFRP sau một tri u chu kỳ lặp. Khả năng chịu cắt của dầm thí nghi m so với lý thuyết tính toán được là rất gần nhau. Nghiên cứu của nhóm tác giả G.

Nội dung của nghiên cứu là thí nghi m với 9 dầm chữ T dài 4.52 m có tha đổi h m lượng thép đai với 3 nhóm dầm: nhóm đối chứng, 2 nhóm mô phỏng trường hợp thực tế: kết cấu gia cường do nâng cấp tải sử d ng, kết cấu sửa chữa để đáp ứng đáp ứng tải sử d ng hi n tại. Bảng 2-5: Nhóm dầm thí nghiệm [G.El-Saikaly et al(2014)] Hình 2.6: Sơ đồ dầm thí nghiệm [G.El-Saikaly et al(2014)] 22 Lực phá Tải lặp áp d ng (kN) Nhóm Mẫu hoại P n Max (65%) Min (35%) Biên độ lực a CON-S0 137 89 49 40 Nhóm CON-S1 365 237 127 110 Control CON-S3 294 191 103 88 EBS-S0-A 196 127 69 58 Nhóm A EBS-S1-A 393 255 137 118 EBS-S3-A 335 218 118 100 EBS-S0-B 137b 89b 49b 40 Nhóm B EBS-S1-B 365b 237b 127b 110 EBS-S3-B 294b 191b 103b 88 a Lực phá hoại được lấ từ những mẫu tương tự được test dưới tải tĩnh b Trong mẫu nhóm B, tải lặp được lấ 65% v 35% tải phá hoại của dầm kh ng gia cường được test dưới tải tĩnh Bảng 2-6: Cấp gia tải cho quá trình lặp tần số là 3 Hz [G.El-Saikaly et al(2014)] TN mỏi TN tĩnh sau mỏia Nhóm Mẫu Số chu kỳ(x103) Dạng phá hoại Lực phá hoại Dạng phá hoại CON-S0 5000 Kh ng phá hoại 148 Cắt Nhóm CON-S1 3807 Cắt - - Control CON-S3 6000 Kh ng phá hoại 348 Cắt EBS-S0-A 6000 Kh ng phá hoại 209 Cắt Nhóm A EBS-S1-A 5026b Uốn - - EBS-S3-A 5621 Uốn - - EBS-S0-B 6000 Kh ng phá hoại 241 Cắt Nhóm B EBS-S1-B 6000 Kh ng phá hoại 433 Cắt EBS-S3-B 6000 Kh ng phá hoại 362 Cắt a Đối với mẫu kh ng ị phá hoại trong quá tr nh thử mỏi sau 6 tri u chu kỳ b Thép dọc của mẫu EBS-S1-A chả dẻo tại 4.35 tri u chu kỳ Bảng 2-7: Kết quả thí nghiệm [G.El-Saikaly et al(2014)]  Kết luận của G.