Ứng Dụng FRP Trong Gia Cường Khung Kết Cấu BTCT Có Tường Xây Chịu Động Đất. Mô hình kết cấu bằng SAP2000 để so sánh với kết quả thực nghiệm_Bê tông cốt thép nâng cao_ Cao học xây dựng Đại học Bách Khoa TP.HCM

GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
GIỚI THIỆU
Đề tài được thực hiện với mục đích nghiên cứu ứng xử công trình khi được gia cường
với vật liệu FRP cho công trình ban đầu. Đề tài được thực hiện dựa trên thí nghiệm thực tế
được thực hiện đối với một công trình tại miền Nam nước Ý. Qua đó, thực hiện hai thí
nghiệm:
1. Công trình nguyên sơ chịu lực động đất.
2. Công trình được gia cường với vật liệu FRP chịu lực động đất.
Đồng thời tiến hành mô hình kết cấu bằng SAP2000 để so sánh với kết quả thực nghiệm.

1


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
MỤC LỤC
A. Thí nghiệm thực tế ............................................................................................... 3
I. Giới thiệu ........................................................................................................... 3
II. Thí nghiệm thực tế với công trình BTCT có tường Masonry ............................ 8
III.Thí nghiệm thực tế với công trình ban đầu được gia cường FRP ..................... 22
IV.Đánh giá kết quả và nhận xét ............................................................................ 31
B. Mô hình công trình với SAP2000 ....................................................................... 33
I. Mô hình công trình BTCT có tường Masonry .................................................... 9
II. Mô hình công trình được gia cường FRP ........................................................... 11
C. Nhận xét - Kết luận .............................................................................................. 14
D. Tính toán với phần mềm FRP-Analysis ............................................................ 14

2


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
A. THÍ NGHIỆM THỰC TẾ

I. Giới thiệu
Thử nghiệm sau đây đã được thực hiện trên một công trình bê tông cốt thép thực. Tòa nhà
đã được thử nghiệm cho đến khi sụp đổ dưới tác dụng của tải trọng đứng và tải trọng ngang
trong cấu hình ban đầu của nó để tính đến sự hiện diện của cầu thang, tường phân chia và tất
cả các yếu tố xây dựng khác (tường trong, trải, cửa sổ và khung cửa). Công trình được thử
nghiệm nằm ở huyện Bagnoli của Naples, trong khu vực của nhà máy thép trước tên là
ILVA.
Công trình thử nghiệm có thể được coi là đại diện của một số lượng lớn các công trình
BTCT miền Nam nước Ý, được xây dựng sau thế chiến II trong những năm 50, 60 và 70 khi
Naples đã được coi là một khu vực không chịu tác động địa chấn. Figure 1a cho thấy tòa
trước khi thử nghiệm.
Ở đây, tài liệu trình bày và thảo luận về kết quả của một cuộc điều tra dựa trên thực
nghiệm / mô hình đối với phản ứng khi chịu tải ngang của một công trình BTCT thực được
gia cường chống động đất bằng sợi carbon (C-FRP). Công trình được thử nghiệm lần đầu
dưới điều kiện ban đầu của nó, chịu tác động tuần hoàn . Cơ chế sụp đổ điển hình của công
trình BTCT có tường Masonry là sự hình thành các vết nứt chéo tại các tường phân chia.
Sau thí nghiệm đầu tiên, công trình được sửa chữa lại và gia cường với vật liệu C-FRP
dưới hình thức Near Mounted Surface Bars
Công trình cũng được thử nghiệm dưới tác dụng của tải trọng tuần hoàn và đã cho thấy
được hiệu quả của việc gia cường thêm vật liệu C-FRP với sự gia tang đáng kể khả năng
chuyển vị ngang của công trình
Mô tả công trình
Bản vẽ thiết kế ban đầu của công trình cho thây công trình chỉ được thiết kế chịu tải trọng
đứng. Tại sàn tầng 1, tất cả các dầm có kích thước 20cmx60cm, riêng đối với dầm chuyển
theo phương X thì tiết diện là 25cmx60cm. Tại sàn tầng 2, tất cả dầm có kích thước tiết diện
15cmx60cm, riêng với dầm chuyển theo phương X là 25cmx60cm. Cột có kích thước
30cmx30cm với 12 cấy thép có gân (đường kính 12mm) bố trí đều theo chuh vi tiết diện cột.
Chiều cao tầng 1:4.6m và tầng 2: 8.95m (tính từ mặt nền). Các chi tiết kết cấu được thiết kế
3

GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
theo tiêu chuẩn cũ của nước Ý (không có tính đến động đất). Ví dụ như, cốt đai của dầm và
cột không liên tục, khoảng cách đai khá lớn và đoạn uốn thép không đảm bảo. Ngoài ra, việc
đảm bảo chiêu dài neo hay đoạn nối chồng cốt thép không được quan tâm. Cùng với việc
không confinement tại các nút, chỗ giao nhau giữa cột và dầm. Đối với tường masonry, cấu
tạo gồm 2 lớp: lớp ngoài dày 10cm làm bằng semi-hollow tile block, lớp trong dày 10cm làm
từ semi-hollow light concrete block. Tường phân chia bên trong công trình dày 10cm làm từ
semi-hollow light concrete block.
Ứng xử của kết cấu được dự đoán sẽ chịu ảnh hưởng lớn bởi sự hiện diện của cầu thang
tang 1. Cầu thang được cấu thành từ 2 bản bê tông nới với nhau bởi chiếu nghỉ.

4


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

5


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

6


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

Figure 4: Geometry and reinforcement of the existing structure.

7

GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
II. Thí nghiệm thực tế với công trình BTCT có tường Masonry (Thí nghiệm PUSHOVER)
Loading and Measuring devices
Tòa nhà đã phải chịu một lực ngang, mô phỏng tác động của động đất, đã được áp dụng
một phần đại diện cho các kết quả của một phân bố lực hình tam giác tăng lên đỉnh công
trình.
Tải đứng chỉ được tạo ra bởi trọng lượng tòa nhà, bao gồm trọng lượng của tất cả các
thành phần KC sau khi hoàn thiện (tường ngăn, bên trong và bên ngoài khung hình và một số
đồ đạc).
Tải ngang được tạo ra bằng cách sử dụng 6 kích thủy lực,mỗi kích đẩy xa tối đa là 60 cm,
gây lực nén tối đa 496kN và lực kéo tối đa 264 kN (tương đương gây ra tổng lực đẩy tối da
cho công trình 2976 kN và tổng lực kéo 1584kN).
Tất cả được kết nới một máy bơm thủy lực bằng một mạch để đàm bảo áp lực trên các
kích là nhu nhau.Kích được đặt ở độ cao 7.31m với khoảng cách giữa các kích là 3.64m.Các
lực ngang được truyền vào 2 sàn thong qua một kết cấu khung thép

8


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
Phương thức tác dụng lực và dụng cụ
Tải được tác động thành 3 chu kỳ.Chu kỳ đầu tiên được thực hiện bằng cách tác dụng 1
lực đẩy vào công trình cho đến khi đạt giá trị +1872kN.Sau đó chuyển hướng tác dụng lực
ngược lại cho đến khi đạt giá trị -1588kN(khả năng kéo tối đa của kích)
Chu kỳ thứ 2,tương tự chu kỳ thứ nhất, tác dụng lực kéo đạt đến gia trị +2106kN rồi đảo
chiều lực đến khi đạt lực kéo -1572kN
Chu kỳ thứ 3, với mục đích gây ra mức độ nguy hiểm cao cho kết cấu,dự định sẽ tác động
lực đẩy mạnh vào công trình cho đến khi vượt qua ngưỡng chịu lực tối đa của công trình.

Phản lực tổng xác định từ việc đo lường áp lực,á lực này được ghi lại bằng một máy đo
KTS với độ chình xác 1bar
Chuyển vị ngang S của công trình được ghi lại Zeiss Trimble S10 (máy kinh vĩ bằng tia
Laser có độ chính xác đến 10mm) bằng phương phap2 sử dụng sự phản xạ từ các mục tiêu(8
điểm đo dạc). Đặc biệt, có 8 điểm được đo đạc, 4 điểm ở sàn tầng 1 và 4 điểm ở sàn tầng 2.
Ghi lại kết quả tại 8 điểm sau mỗi lần tác dụng lực

Kết quả thực nghiệm
Kết cấu bị tác dụng để tang chuyển vị ngang cho đến khi phát triển 1 cơ cấu phá hủy
“dẻo” rõ rang.Kết quả thí nghiệm được biểu diễn dưới dạng biểu đồ lực cắt – chuyển vị sau
9


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

Đối với chu kỳ tải đầu tiên, những dấu hiệu nguy hiểm rõ rệt vẫn chưa xuất hiện ở mặt
ngoài của tường phân chia ngoài,những vết nứt với bề rộng nhỏ hơn 1mm được hình thành ở
mặt trong của tường ngoài .Đặc biệt là đối với các tường định hướng trong mặt phẳng của tải
trọng tác dụng.Ở cấp tải trọng lớn nhất (+1872kN), dịch chuyển trung bình của sàn tầng 2 là
1.004cm và của sàn tầng 1 là 0.414cm
Độ cứng ban đầu của công trình, được xem như là dịch chuyển trung bình của tầng 2,
bằng 3166kN/cm
Chu kỳ tải thứ 2, phản ứng của kết cấu được đặc trưng bởi sự giảm độ cứng và mức thiệt
hại nhỏ. Đặc biệt tại sàn tầng 1,nhận thấy có sự mở rộng các vết nứt đã xuất hiện ở chu kỳ tải
thứ 1 và dưới tác dụng của lực đẩy lớn nhất thì xuất hiện thêm nhung vết nứt ở mặt ngoài
chu vi tường phía tây (đối diện với cơ cấu phản ứng) tương ứng với tầng thứ nhất ( giữa 2
cửa sổ). Những vết nứt này nghiêng góc 450 và có bề rộng nhỏ hơn 1mm
Chuyển vị trung bình của tầng 2 và tầng 1 ứng với lực đẩy lớn nhất +2106kN là 1.318cm
và 0.779cm.Trong khi đó ứng với lực kéo lớn nhất (-1572kN) thì chuyễn vị trung bình của
10

GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
tầng 2 và tầng 1 là -0.717cm và -0.295cm. Độ cứng đo dược láy này là 1161kN/cm, chỉ bằng
37% độ cứng công trình lúc thực hiện chu kỳ tải đầu tiên.
Với chu kỳ tải thứ 3, các giai doạn trong quá trình ứng xử của kết cấu được thể hiện bằng
các điểm A, B, C, D, E, F trên biểu đồ sau

Giai đoạn đặt tải này được đặc trưng bởi sự suy giảm nhiều hơn của độ cứng (924kN/cm
chỉ bằng 29% độ cứng được đo tại thời điểm bắt đầu chu kỳ 2) bằng cách đạt được cường độ
lớn nhất (2501kN) và sự phát triển đầy đủ của cơ chế sụp đổ
Sau đó, một đánh giá ngắn từ các kết quả thử nghiệm quan sát thấy trong chu kỳ thứ ba sẽ
được minh họa như sau:
A/ Tính chất ứng xử tuyến tính của công trình giảm dáng kể khi chịu lực tổng 2350kN.
Lúc này, tầng 1 phát hiện những vết nứt đến 45o ở mặt ngoài chu vi tường phía đông (cùng
phía với cơ cấu phản ứng) trong khi đó bề rộng các vết nứt đã xuất hiện ở tướng phía đông
thì ngày càng mở rộng suốt chu kỳ tải 2. Do đó,chúng ta có thể nói rằng cơ chê phá hủy của
các bức tường có dạng dường chéo khi lực kéo tăng lên. Chuyển vị ngang lúc này
s1=1.249cm (tầng 1) và s2=2.106cm (tầng 2)

11


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

B/ Khả năng chịu lực ngang lớn nhất là 2106kN. Khi này chuyển vị trung bình tầng 1 là
1.873cm và tầng 2 là 2.935cm.Ứng với cấp tải này, gây nguy hiểm chủ yếu cho các phần tử
ở tầng 1. Với mức biến dạng này, tất cả các tường ngoài tầng 1 nghiêng theo hướng tải trọng
tác dụng nứt theo hình dạng rõ ràng, và có sự tách biệt giữa tường và kết cấu chịu lực BTCT
và có cả nứt do phá hủy cục bộ

12


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
Tường hướng tây, bên cạnh sự mở rộng vết nứt với góc 45o trong mảng tường giữa 2 cửa
sổ, tại vị trí phía trên bên phải của tường kế tiếp, sự phá hủy cục bộ tại góc tường ngăn cách
được nhì thấy khá sớm, đó là do sự tập trung lực ngang từ khung BTCT truyền qua.
Sự phá hủy tại các tường phân cách này được gây ra bởi những vết nứt ở đầu cột, báo
trước sự há hủy cắt tại những phần tử lịa này.
Ở phía đông, trong tất cả các tường của first order giữa cửa sổ và cột là những vết nứt rõ
rệt với góc nghiêng 45o do các lực kéo xéo(sụp đổ do sực ph1 hủy xéo của lực kéo). Hơn
nữa, ở phía đông, on the top left corner of the wall from the side of the reactive structure có
sự phá hủy cục bộ của tướng ngăn. Những tấm tường bên trong côn trình mà lực tác dụng
nằm trong mặt phẳng của nó thì bề rộng vết nứt gia tăng rõ rệt
Mức độ phá hủy này được thể hiện trong hình sau:

13


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

14


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

C/ (F=2152 kN, s1=4,187 cm, s2=5,244 cm). Thiệt hại chủ yếu là ở tầng 1. Thực chất sự
gia tăng chuyển vị ngang gây ra chỉ do sự trượt (drift) của tầng 1 trong khi sự trôi dạt tầng 2
chỉ với giả trị nhỏ (the inter-story drift of the second level suffered a light reduction.)
D/ Sự phá hủy bên ngoài tòa nhà được chỉ ra ở mặt Đông và tây trong hình 13 và 14. Đặc

biệt trong các phần tử tường, cơ cấu phá hủy được đặc trưng bởi sự nứt nghiêng, các vết nứt
nghiêng 45o đã xuất hiện trước thì ngày càng rộng hơn, có trường hợp xuất hiện thêm những
vết nứt mới bên cạnh những vết nứt cũ
Ở bức tường phía tây, bây giờ quan tấm đến sự sụp đổ do phá hủy cục bộ tại góc tường,
tại đó ta quan sát được góc nghiêng vết nứt là 45o. Hiện tượng này cho ta thấy được cách mà
tiến trình phá hủy của các phần tử loại này biến cơ chế sụp đổ thành cơ chê phá hoại xiên.
Hơn nữa ở mức độ biến dạng này, cho thấy được sự phát triển đầy đủ sự sụp đổ do lực cắt
đầu cột bên ngoài trên mặt đứng hướng tây. Tường phía tây quan tâm đến cơ chế phối hợp
giữa phá hoại cục bộ và phát triển nứt xiên, sự sụp đổ này rõ rang là do lực cắt đầu cột tại
góc tường bị phá hủy.

15


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

16


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

17


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

Tại mức biến dạng lớn nhất của công trình, chuyển vị tầng 1 là 19.359cm và tầng 2 là
20.261cm. Các chuyển vị này có giá trị lực ngoài bằng 1425kN.Trong giai đoạn này, cơ cấu
sàn “in the first order” đã phát triển hoàn toàn và mức độ thiệt hại là rất thỏa đáng.
Người ta đã nhận thấy khá rõ sự tuột đai cũng như sự boong tróc lớp betong bảo vệ trên

đầu cột ngoài khoảng 50cm. Giai đoạn này, một phần tường ngoài phía tây phía trên cửa sổ
trung tâm đã sụp đổ.
F/ Tình trạng công trình lúc dỡ tải được thể hiện trong những hình sau, cho các phần tử
mặt ngoài công trình. Biến dạng thường trực (lâu dài) là rất lớn và được định vị tại first order
- được xác nhận bằng chuyển vị thực tế và bằng chuyển vị dư.
Kiểm tra những con số này, chúng ta có thể nhận thấy mức độ thiệt hại và khoanh vùng
thiệt hại nằm tầng đầu tiên. Đặc biệt, bên cạnh những thiệt hại trước đây thì giai đoạn dỡ tải
gây ra sự sụp đổ một phần, đặc biệt là mặt trong tường ngăn.
Các biến dạng vĩnh viễn của kết cấu gây thiệt hại nghiên trọng không chỉ trong các kết
cấu tường, mà còn trong bê tông cốt thép như cột hay cầu thang.

18


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

19


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

Những hình ảnh sau cho thấy sự hư hỏng kết cấu ở giai doạn cuối của thí nghiệm. Đặc
biệt chúng ta có thể thấy sự sụp đổ hoàn toàn của tường ngoài, sự hư hỏng cầu thang và
những khớp dẻo phát triển tại vị trí chân cột

20


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

21


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
III. Thí nghiệm thực tế với công trình ban đầu được gia cường FRP
Mục đích chính của việc sữa chữa và gia cường công trình là nhằm mô phỏng việc gia
cường chống động đất cho một kết cấu được xây dựng trước khi quy phạm chống động đất
được ban hành.
Một số loại hình gia cường đã được đánh giá, tuy nhiên tất cả đều sử dụng vật liệu
composite.Phương pháp sử dụng FRP được xem là đại diên cho các kỹ thuật gia cường
chống địa chấn khác nhau đã được nghiên cứu.
Đặc biệt, đầu tiên cần đặt vào các nút vữa (mortat joint) vài FRP-rod theo phương ngang.
Hai là, đưa thép FRP vào tường Masonry như 1 phần tử thanh giằng theo phương X. Cuối
cùng, dán các vải vật liệu FRP vào mặt bên tường.
Giải đầu tiên được lựa chọn bởi vì nó là không xâm lấn, không ảnh hưởng đến thẩm mỹ
mặt ngoài và với giải pháp này chúng ta có thể đạt được một số cải thiện quan trọng đối với
tính dẻo bởi các minh chứng từ các thử nghiệm gần đây được thực hiện bởi Nanni et al
(2004)

22


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

Concrete repairing and FRP strengthening
Sau thử nghiệm đầu tiên, công trình được sửa chữa lại một phần. Đặc biệt chì có những
khu cột bị hư hỏng và các tường ngoài được xây lại và gia cường them bằng cách sử dụng
FRP theo quy chuẩn Near Mounted Surface Bars techniques. Những phần từ khác như cột
trong cong trình, tường ngăn bên trong hay cầu thang thì không được sữa lại và có thể bỏ qua
các thành phần này khi phân tích ứng xử kết cấu.

Các tấm nề đã được xây dựng lại bằng cách sử dụng vật liệu có hình học và tính chất cơ
học càng gần càng tốt với những yếu tố nguyên gốc. Sau khi dựng nên các tấm tường ngoài
thì bề mặt tường được gia cường bằng kỹ thuật miết lại chỉ tường KC bằng FRP. Kỹ thuật
này bao gồm việc đặt thanh composite FRP tại chỗ nối các lớp vữa, và sử dụng vữa phổ biến
để liên kết. Vật liệu sử dụng cho repointing là:
Sand-blasted carbon fiber rods có những đặc điểm hình học và tính chất cơ học sau
1.5 mm tick and 5 mm wide rectangular cross-section;
23


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH
- Characteristic tensile strength (ACI 440.1R-01 2002): 1300 MPa;
- Average tensile modulus (ACI 440.1R-01 2002): 70000 MPa;
- Average ultimate deformation (ACI 440.1R-01 2002): 1.8%.
- Pre-mixed, thixotropic, fiber reinforced, shrinkage compensated cement
mortar (“Emaco® Formula Tixo” by
Degussa Construction Chemical) having the following main nominal
properties:
- Compressive strength (28 days) (EN 12190 2000): > 60 MPa;
- Adhesive strength (EN 12615 2001): > 6 MPa;
- Modulus of elasticity (EN 13412 2003): > 28000 (± 2000) MPa.
The installation procedure consisted in the following phases (Fig. 14):
- (a) Grinding of joints: this phase consists of the cutting out part of the
mortar using a grinder;
- (b) Installation of carbon fiber rods in the bed-joints previously raked out;
- (c) Bonding of carbon fiber rods with the pre-mixed cement mortar.
Việc sửa chữa và gia cường phần đầu hư hỏng của các cột bên ngoài được thực hiện bằng
cách loại bỏ bê tông bị phá hủy và xây dựng lại BT được phủ "Emaco ® Formula Tixo" precement mortar. Hình sau đây cho thấy các vật liệu được sử dụng và một số giai đoạn nâng
cấp kết cấu.

24


GVHD: TS HỒ HỮU CHỈNH

Quá trình cấp tải và thiết bị
Dự kiến thực hiện 2 chu kỳ tải. Chu kỳ đầu tiên thực hiện bằng cách tác dụng vào công
trình một lực đẩy cho đến khi tổng lực tác dụng là 510kN. Sau đó đổi chiêu lực đến khi đạt
giá trị -633kN. Cuối cùng là dỡ tải cho công trình

25