Đặt vấn đề xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của tấm CFRP so với trường hợp cột nén đúng tâm (Parvin và Wang, 2001). Một số các nghiên cứu khác về ứng xử nén lệch tâm một phương của cột bê tông và BTCT gia cường tấm CFRP theo dạng bó hông và dán dọc như của Mirmiran và cộng sự (1998), Li và Hadi (2003), Hadi (2005, 2006, 2007, 2009), El-Maaddawy (2009); Sadeghian và cộng sự (2010), Hadi và Widiarsa (2012), Song và cộng sự (2013), Gajdosova và Bilcik (2013) cho thấy các yếu tố như là hình dạng và kích thước tiết diện cột, tỉ lệ mô hình của mẫu thí nghiệm, hàm lượng cốt đai, số lớp FRP gia cường bó hông và dán dọc, kiểu gia cường bó hông toàn phần hay bán phần, góc sợi gia cường, cường độ bê tông, và độ mảnh của mẫu cột có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của cột gia cường tấm CFRP bó hông và dán dọc. Các nghiên cứu cũng nhận xét rằng tấm CFRP bó hông làm tăng hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP dán dọc, tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, vấn đề lượng hóa ảnh hưởng này vẫn chưa thấy đề cập trong các nghiên cứu vừa nêu. Ngoài ra, vấn đề ảnh hưởng của tương tác giữa cốt thép dọc, cường độ bê tông và tấm FRP gia cường dán dọc đến hiệu quả gia cường của tấm FRP cũng như ứng xử của cột BTCT gia cường bó hông và dán dọc bằng tấm CFRP vẫn chưa được trình bày tường minh.
Đề tài nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử chịu nén đúng tâm và lệch tâm một phương của cột bê tông cốt thép có cường độ bê tông khác nhau, được gia cường tấm CFRP với các cấu hình gia cường khác nhau (2 lớp CFRP dán dọc, 2 lớp CFRP dán dọc + 1 lớp CFRP bó hông cách quãng, và 2 lớp CFRP dán dọc + 1 lớp CFRP bó hông liên tục), với độ lệch tâm khác nhau. Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 24 mẫu cột có kích thước 200 x 200 x 800 mm. Mục tiêu chính của đề tài gồm: (1) phân tích định lượng hiệu quả gia cường của tấm CFRP bó hông và dán dọc trong việc cải thiện khả năng chịu lực và biến dạng của cột BTCT có cường độ bê tông khác nhau, được gia cường với các cấu hình khác nhau, chịu nén lệch tâm một phương với độ lệch tâm thay đổi; (2) khảo sát ảnh hưởng tương tác giữa tấm CFRP dán dọc và bó hông, giữa cốt dọc và tấm CFRP dán dọc, và giữa cốt đai và tấm CFRP bó hông đến khả năng chịu lực với cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm một phương; và (3) phân tích và đánh giá mức độ chính xác của công thức dự đoán 2 Chương 1: Đặt vấn đề khả năng chịu lực của cột BTCT gia cường tấm CFRP trong tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017) cho trường hợp cột gia cường tấm CFRP với các cấu hình khác nhau chịu nén lệch tâm một phương với độ lệch tâm thay đổi. 3 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu.
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2. SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LƢỚI SỢI FRP 2.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển Vật liệu gia cường FRP được giới thiệu lần đầu vào thập niên 50 (Bank, 2006). Vật liệu này được cấu tạo từ 2 thành phần chính là chất kết dính và sợi. Chất kết dính được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến nhất hiện nay nhựa polymer.
Sợi là thành phần chủ yếu tạo nên các đặc tính cơ lý cho FRP, sợi được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến nhất hiện nay là từ thủy tinh (glass fibers), aramid (aramid fibers) và carbon (carbon fibers). Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian …Tùy vào loại sợi được sử dụng mà vật liệu FRP sẽ được phân loại và có tên gọi tương ứng khác nhau là GFRP, AFRP và CFRP (viết tắt của chữ tiếng Anh Carbon Fiber Reinforced Polymer hoặc Carbon Fiber Reinforced Plastic). Sợi cacbon trên thị trường thường có đường kính 7 - 10μm được cấu tạo từ khoảng 30. Sản phẩm này được sản xuất chủ yếu bởi một số công ty như Toray, Toho Rayon và Mitsubishi Rayon của Nhật; Hexcel, Zoltek, Aldila, Hughes Brothers, Strongwell và FyfeCo của Mỹ; SGL của Đức; Tai-Quang của Hàn Quốc; Formosa của Đài Loan-Trung Quốc; Clever Reinforcement AG, Sika của Thụy Sĩ; S&P ở Áo; và số ít các công ty khác nắm được kỹ thuật công nghệ để sản xuất sợi cacbon.
Theo nhu cầu sử dụng khác nhau, các nhà sản xuất tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm định hình dưới dạng cuộn sợi, dạng thanh, lưới (vải) sợi dệt sẵn. Đối với lưới sợi carbon hiện nay có 4 dạng phổ biến là: dệt trơn; dệt chéo; trơn mịn và sọc đơn (Hình 2. 4 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu.1: Một số dạng sản phẩm lưới sợi carbon Việc sử dụng vật liệu FRP để gia cường kết cấu bê tông đã được triển khai thực hiện cuối những năm 1980 ở châu Âu (đặc biệt là Thụy Sĩ) và ở Nhật Bản. Một thời gian sau nó được nghiên cứu ứng dụng tại Hoa Kỳ và Canada.
Ban đầu, việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc gia cường cho kết cấu chịu uốn bê tông và gỗ. Tiếp nối là các nghiên cứu sử dụng các loại tấm và vải FRP để phục hồi các cột bê tông ; đặc biệt là các trụ cầu đường cao tốc chịu tải trọng ngang do động đất. Gia cường chống cắt bằng vật liệu FRP cho dầm bê tông đã được nghiên cứu từ những năm đầu thập niên 1990 và được ứng dụng nhiều trong các kết cấu bê tông, đặc biệt là kết cấu bê tông dự ứng lực dầm chữ T (Bank, 2006). Việc kết dính tấm, vải gia cường FRP lên bề mặt kết cấu dầm bê tông chịu uốn đã được nghiên cứu ứng dụng đầu tiên ở Thụy Sĩ vào cuối những năm 1980 bởi Meier và các đồng nghiệp của tại Trung tâm EMPA (1995).
Vải sợi FRP đã được sử dụng trong hàng trăm tòa nhà, cây cầu và các ống khói ở châu Âu (Taerwe và Matthys, 1999). Kể từ giữa năm 1990, sau khi dùng cho kết cấu ứng lực bằng vật liệu FRP được thương mại hóa, hàng trăm dự án nghiên cứu và hàng ngàn ứng dụng FRP để gia cường cho kết cấu chịu tải trọng tĩnh hoặc động (tải trọng xe cộ, gió) đã được thực hiện trên toàn thế giới (Bank, 2006).2 Tính chất của lƣới sợi carbon (CFRP) Các loại lưới sợi cacbon đều có đặc điểm chung là có độ bền rất cao, dễ uốn theo hình dạng bất kỳ, trơ về mặt hóa học nên không chịu tác động của môi trường xâm thực. Cường độ chịu kéo và độ dẻo dai phụ thuộc vào kiểu sợi, hướng sợi và chất lượi sợi. Các tính chất của vật liệu này được thể hiện tại Bảng 2.
5 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu.1: Tính chất cơ lý của vật liệu CFRP (theo ACI 440.2R, 2017) Tính chất cơ lý Giá trị Khối lượng riêng (tấn/m3) 1,5 - 1,6 Hệ số giãn nở nhiệt Theo chiều dọc (x106/ oC) 22 - 50 Tính chất cơ học Mô đun đàn hồi nhỏ nhất (GPa) 100 - 1040 Cường độ chịu kéo (MPa) 2.200 Biến dạng nhỏ nhất (%) 0,2 – 1,5 2.3 Tính chất của keo kết dính Chất kết dính giữa các sợi carbon và giữa tấm, sợi carbon với bê tông gồm có keo epoxy, polyester, vynil-ester, trong đó, hiện nay sử dụng phổ biến là keo epoxy, keo dán này có những đặc tính như: Có khả năng tự thẩm thấm xuyên qua các lỗ siêu nhỏ trong bê tông, nhằm tạo sự liên kết gắn chắc giữa vật liệu gia cường và bê tông (Hình 2.2); Thẩm thấu sâu và liên kết đồng đều giữa các sợi carbon; Có độ nhớt thấp, nhằm đảm bảo sự thấm đồng đều khi thi công; Keo dán bền với hầu hết môi trường xâm thực, có độ bám dính rất cao.2: Khả năng tự thẩm thấu của keo Epoxy 6 Chương 2: Tổng quan nghiên cứu. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG XỬ CỦA CỘT BTCT GIA CƢỜNG KHÁNG UỐN VÀ KHÁNG NỞ HÔNG BẰNG VẬT LIỆU CFRP 2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Mirmiran và cộng sự (1998) [1] nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của hình dạng tiết diện, chiều cao của cột, liên kết bề mặt bê tông và tấm sợi FRP đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm FRP. Để khảo sát ảnh hưởng của hình dạng tiết diện cột, 18 mẫu cột vuông, kích thước 152.5x305mm và 49 mẫu cột tròn, kích thước 152. Riêng ảnh hưởng của tỉ số chiều cao trên đường kính cột L/D được thực nghiệm trên 36 mẫu cột tròn, đường kính 152.5mm có tỉ số L/D thay đổi lần lượt là 2:1, 3:1, 4:1, và 5:1.
Ảnh hưởng của liên kết bề mặt tấm sợi CFRP và bê tông được đánh giá trên tổng cộng 32 mẫu cột tròn kích thước 152.5x305 mm với hai loại liên kết mặt: keo và neo cơ học. Tất cả các cột được gia cường lần lượt 6, 10 và 14 lớp tấm GFRP. Tác giả đánh giá hiệu quả gia cường của tấm GFRP qua chỉ số MCR là một hàm của bán kính góc và cường độ tấm GFRP. Kết quả cho thấy hiệu quả gia cường của tiết diện vuông thấp hơn tiết diện tròn và các mẫu đều có giá trị MCR>15%.
Tỉ số độ mảnh của cột từ 2:1 đến 5:1 không ảnh hưởng đáng kể đến cường độ cũng như độ dẻo của tiết diện. Trong khi, liên kết dạng keo không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cột gia cường, nhưng dạng cơ học cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của tiết diện do ứng suất kháng nở hông của tấm FRP gia cường được phân bố đều đặn hơn theo chu vi của tiết diện cột. Parvin and Wang (2001) [2] phân tích thực nghiệm ứng xử của cột vuông gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm. Thí nghiệm được thực hiện trên 9 mẫu (108x108x305mm) với số lớp CFRP gia cường bó hông thay đổi (0, 1, và 2 lớp).
Các cột được nén lệch tâm với độ lệch tâm lần lượt là 0, 7. Kết quả nghiên cứu cho thấy tấm FRP làm tăng đáng kể cường độ và độ dẻo của cột dưới tải trọng lệch tâm, tuy nhiên hiện tượng biến dạng không đều của tấm CFRP (do ảnh hưởng của nén lệch tâm) làm giảm hiệu quả gia cường của tấm. Đối với cột vuông chịu nén lệch tâm, độ cứng của tấm CFRP là thông số quan trọng. Tấm CFRP phải đủ cứng để tạo nên hiệu ứng bó hông cho cột.
