Khảo sát thực nghiệm ứng xử khung phẳng btct có tường chèn đã bị hư hỏng được gia cố bằng tấm frp chịu tải trọng đứng và ngang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HUỲNH THANH TUẤN

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ
KHUNG PHẲNG BTCT CÓ TƢỜNG CHÈN
ĐÃ BỊ HƢ HỎNG ĐƢỢC GIA CỐ BẰNG TẤM FRP
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ NGANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng và Cơng nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học :
Cán bộ hƣớng dẫn 1 :
PGS.TS NGUYỄN MINH LONG
Cán bộ hƣớng dẫn 2 :
PGS.TS NGÔ HỮU CƢỜNG
Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 07 tháng 07 năm 2019.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH
2. PGS.TS HỒ ĐỨC DUY
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Huỳnh Thanh Tuấn

Ngày, tháng, năm sinh:

MSHV: 1670102
Nơi sinh: TP.HCM

18/02/1991

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng và Cơng nghiệp
Mã số: 60580208
I. TÊN ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ KHUNG PHẲNG BTCT
CÓ TƢỜNG CHÈN ĐÃ BỊ HƢ HỎNG ĐƢỢC GIA CỐ BẰNG TẤM FRP
CHỊU TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ NGANG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Nghiên cứu tổng quan và lập quy trình khảo sát thực nghiệm.
 Khảo sát thực nghiệm ứng xử của khung phẳng BTCT chịu tải đứng và tải

ngang lặp tĩnh tăng dần cho đến khung bị phá hoại.
 Gia cƣờng khung bằng cách bơm keo và gia cố liên kết bằng tấm CFRP.
 Khảo sát thực nghiệm ứng xử khung sau khi gia cƣờng CFRP.
 So sánh ứng xử khung trƣớc và sau khi gia cƣờng.
 Đánh giá kết quả thí nghiệm và rút ra những nhận xét, kết luận, kiến nghị cũng

nhƣ đề xuất hƣớng phát triển đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019
IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Minh Long
PGS.TS Ngô Hữu Cƣờng

Tp. HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN
Kiến thức là một hành trang vững chắc song hành với mỗi ngƣời. Thông qua
đây, tôi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến q Thầy Cơ trƣờng Đại học Bách Khoa
TP.HCM, những ngƣời đã tâm huyết truyền đạt cho tôi kiến thức trong những năm
học qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sâu sắc Thầy hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn
Minh Long và Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cƣờng, là những ngƣời đã giúp tơi hình
thành nên ý tƣởng của đề tài, trực tiếp hƣớng dẫn tôi phƣơng pháp nghiên cứu, phân
tích góp ý và giúp đỡ tơi rất nhiều trong thời gian thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô và Cán bộ Phịng thí nghiệm Cơng
trình Khoa Kỹ thuật Xây dựng (BKSEL) Trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM đã
nhiệt tình hỗ trợ và giúp đỡ tơi hồn thành nghiên cứu này một cách tốt nhất.
Dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình nghiên cứu nhƣng luận văn này khơng
thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Kính mong q Thầy Cơ trong Hội đồng
chỉ dẫn thêm để tơi hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn q Thầy Cơ.
TP.HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

Huỳnh Thanh Tuấn

i


TĨM TẮT
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về lý thuyết và ứng dụng của tấm sợi carbon
(CFRP) trong việc gia cƣờng hệ kết cấu khung bê tông cốt thép nhằm tăng khả năng
chịu tải cực hạn của hệ, nhƣng các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các bộ phận
kết cấu riêng lẻ nhƣ dầm, cột và nút khung. Các nghiên cứu về hệ kết cấu cịn rất ít
cả về lý thuyết và thực nghiệm. Theo tác giả tìm hiểu, cho đến nay, ở Việt Nam

chƣa có bất kì một nghiên cứu nào về việc gia cố, phục hồi khả năng chịu lực của
khung đã bị hƣ hỏng. Nghiên cứu này đƣợc tiến hành nhằm khảo sát ứng xử, hiệu
quả phục hồi khả năng chịu tải đứng và ngang của 2 mẫu khung BTCT có tƣờng
chèn bằng gạch hoặc bằng BTCT đã bị hƣ hỏng đƣợc gia cố lại bằng tấm CFRP.
Kết quả nghiên cứu cho thấy khung đã bị hƣ hỏng đƣợc gia cố bằng tấm CFRP
không chỉ khơi phục lại khả năng chịu lực mà cịn khơi phục lại độ cứng, độ dẻo dai
và khả năng hấp thụ năng lƣợng của khung. Thêm vào đó, các vết nứt trên bộ phận
kết cấu bê tông không xuất hiện bên trong lớp tấm gia cố CFRP mà xảy ra ngay ở
mép tấm.

ABSTRACT
Although a significant number of studies have been conducted on the scientific
basis and results of application of carbon fiber reinforced polymer materials (CFRP)
on reinforced concrete components to increase the maximum load capacity of the
them, mainly focused on individual components such as reinforced beams, columns,
joints. The studies of structural frame system are limit in both theory and
experiment. According to the author, until now, there has not been any research on
reinforcement and restoration the bearing capacity of the damaged frame. This
study was conducted to investigate on response, effective of vertical and horizontal
load capacity restoration of damaged infilled reinforced concrete planar frame
strengthened by FRP. The study results show that the damaged frame reinforced
with CFRP not only restores initial bearing capacity but also increases the
maximum load of the frame. Additional, cracks in the concrete do not appear inside
the CFRP sheets, yet they only occur at the edges of the CFRP sheets.
ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu do chính tơi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn
của Thầy PGS.TS Nguyễn Minh Long và Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cƣờng.

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn là đúng sự thật và chƣa đƣợc công bố ở
các nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
TP.HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

Huỳnh Thanh Tuấn

iii


MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ......................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
TÓM TẮT .................................................................................................................. ii
ABSTRACT ............................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... vii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ ................................................................................... xi
CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN ..................................................................................1

1.1

Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................1

1.2

Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................3

1.3

Mục tiêu, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu ............................................7

1.3.1

Mục tiêu của đề tài ..................................................................................7

1.3.2

Phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu .....................................................7

1.4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................7

CHƢƠNG 2.
2.1

CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ..............................................9

Vật liệu ..........................................................................................................9

2.1.1

Bê tông ....................................................................................................9

2.1.2

Cốt thép .................................................................................................10
iv


2.1.3

Vật liệu FRP..........................................................................................10

2.1.4

Keo sữa chữa vết nứt ............................................................................11

2.1.5

Các vật liệu khác ...................................................................................12

2.2

Mẫu thí nghiệm ............................................................................................12

2.2.1

Mẫu khung BTCT có tƣờng chèn bằng gạch KG .................................13

2.2.2

Mẫu khung BTCT có tƣờng chèn bằng gạch BTCT KB ......................15

2.3

Quy trình chế tạo mẫu .................................................................................17

2.4

Thiết bị thí nghiệm ......................................................................................23

2.5

Các cơng tác kiểm tra trƣớc khi thí nghiệm ................................................25

2.6

Thơng số hiện trạng khung trƣớc khi thí nghiệm ........................................26

2.6.1

Khung KG .............................................................................................26

2.6.2

Khung KB .............................................................................................29

2.7

Sơ đồ bố trí chuyển vị kế, cảm biến ............................................................31

2.8

Quy trình thí nghiệm và gia cố khung .........................................................35

2.9

Phƣơng án gia cố tấm CFRP .......................................................................38

2.9.1

Phƣơng án gia cố tấm CFRP khung KG-S ...........................................38

2.9.2

Phƣơng án gia cố tấm CFRP khung KB-S ...........................................42

CHƢƠNG 3.
3.1

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................46

Kết quả thí nghiệm ......................................................................................46

3.1.1

Kiểu phá hoại mẫu ................................................................................46

3.1.2

Hình thái vết nứt phá hoại mẫu .............................................................47

3.1.3

Tổng hợp kết quả thí nghiệm ................................................................62

3.1.4

Quan hệ lực – chuyển vị ngang ............................................................63

3.1.5

Quan hệ lực – chuyển vị đứng ..............................................................64

v


3.1.6

Quan hệ lực – chuyển vị ngoài mặt phẳng............................................66

3.1.7

Quan hệ lực – biến dạng bê tông ..........................................................67

3.1.8

Quan hệ lực – biến dạng thép ...............................................................73

3.1.9

Quan hệ lực – biến dạng FRP ...............................................................76

CHƢƠNG 4.

KẾT LUẬN ....................................................................................77

4.1

Kết luận........................................................................................................77

4.2

Hạn chế của đề tài và hƣớng khắc phục ......................................................78

4.2.1

Hạn chế của đề tài .................................................................................78

4.2.2

Hƣớng khắc phục ..................................................................................78

4.3

Hƣớng phát triển đề tài ................................................................................79

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80
PHỤ LỤC 1: QUAN HỆ LỰC - CHUYỂN VỊ NGANG CÁC KHUNG QUA
TỪNG CHU KÌ .........................................................................................................83
PHỤ LỤC 2: TÍNH TỐN GIA CƢỜNG KHUNG BẰNG TẤM CFRP ...............90

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BTCT: Bê tông cốt thép
CFRP: Tấm sợi carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer)
ACI: Viện bê tông Hoa Kì (American Concrete Institute)
CSA: Hiệp hội tiêu chuẩn Canada (Canada Standards Association)
KG-N: Khung BTCT có tƣờng chèn bằng gạch nguyên mẫu
KG-S: Khung BTCT có tƣờng chèn bằng gạch bị hƣ hỏng, đã gia cố CFRP
KB-N: Khung BTCT có tƣờng chèn bằng BTCT nguyên mẫu
KB-S: Khung BTCT có tƣờng chèn bằng BTCT bị hƣ hỏng, đã gia cố CFRP

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
Pu : tải trọng ngang tác dụng lên khung tại đầu dầm trên

[kN]

 : chuyển vị

[mm]

 : biến dạng

[10-6]

Eb : khả năng hấp thụ năng lƣợng

[kN.mm]

K : độ cứng của mẫu khung

[kN/mm]

i : độ dẻo dai của mẫu khung

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tông ......................................................................9
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của tấm CFRP dùng trong thí nghiệm ........................10
Bảng 2.3: Thơng số kỹ thuật của keo Carbotex Impreg............................................11
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1401:.............................................11
Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1400:.............................................12
Bảng 2.6: Thơng số hiện trạng, kích thƣớc hình học mẫu KG trƣớc thí nghiệm: ....27
Bảng 2.7: Thơng số hiện trạng, kích thƣớc hình học mẫu KB trƣớc thí nghiệm:.....29
Bảng 2.8: Các cấp chuyển vị trong quá trình gia tải .................................................35
Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả thí nghiệm ....................................................................62

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Các phƣơng pháp gia cố kết cấu hiện nay ..................................................2
Hình 1.2: Cơng trình cải tạo gia cƣờng CFRP khơng ứng suất trƣớc. ........................2
Hình 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tơng ......................................................................9
Hình 2.2: Mơ hình 3D khung KG .............................................................................13
Hình 2.3: Các thơng số cấu tạo hình học khung KG.................................................14
Hình 2.4: Mơ hình 3D khung KB..............................................................................15
Hình 2.5: Mặt cắt ngang cấu tạo tƣờng BTCT khung KB ........................................16
Hình 2.6: Chân đế đƣợc gia cơng tại xƣởng .............................................................17

Hình 2.7: Gia cơng lắp dựng thép chân đế. ...............................................................17
Hình 2.8: Thép chủ đƣợc hàn vào chân đế ................................................................18
Hình 2.9: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng thép .........................................................18
Hình 2.10: Tiến hành đúc mẫu thí nghiệm................................................................19
Hình 2.11: Kiểm tra độ sụt bê tơng ...........................................................................19
Hình 2.12: Khoan cấy bu lơng và lắp chân đế ngàm tại phịng thí nghiệm ..............20
Hình 2.13: Hệ khung chống phản lực trong q trình thí nghiệm ............................20
Hình 2.14: Hệ khung cố định kích ............................................................................21
Hình 2.15: Hệ khung giữ kích sau khi hồn thiện ....................................................21
Hình 2.16: Gia cơng hệ khung thép bảo vệ ...............................................................22
Hình 2.17: Mẫu thí nghiệm hồn chỉnh tại phịng thí nghiệm ..................................22
Hình 2.18: Lắp đặt chuyển vị kế ...............................................................................23
Hình 2.19: Liên kết ngàm tại chân cột ......................................................................23
Hình 2.20: Kích thủy lực ...........................................................................................24
Hình 2.21: Data logger ghi nhận kết quả ..................................................................24
Hình 2.22: Thơng số cảm biến đo biến dạng thép, tấm CFRP..................................25
Hình 2.23: Kiểm tra kéo bu lơng neo ........................................................................25
Hình 2.24: Kiểm tra lực siết bu lơng .........................................................................26
Hình 2.25: Mẫu đƣợc kiểm tra độ lệch trƣớc khi thí nghiệm ...................................26
Hình 2.26: Kích thƣớc thực tế khung KG ................................................................28
viii


Hình 2.27: Kích thƣớc thực tế khung KB .................................................................30
Hình 2.28: Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế ......................................................................31
Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị kế CV6 ......................................................................31
Hình 2.30: Sơ đồ bố trí cảm biến bê tơng .................................................................32
Hình 2.31: Sơ đồ bố trí cảm biến cốt thép ................................................................33
Hình 2.32: Sơ đồ bố trí cảm biến tấm FRP ...............................................................34
Hình 2.33: Đóng ti bơm áp lực keo epoxy ................................................................36

Hình 2.34: Bơm tĩnh tƣờng BTCT bằng xy lanh ......................................................36
Hình 2.35: Cơng tác mài bê tơng ..............................................................................37
Hình 2.36: Cơng tác dán tấm CFRP vào bề mặt bê tơng cần gia cố .........................37
Hình 2.37: Mơ hình Sap khung KG-N ......................................................................38
Hình 2.38: Biều đồ moment KG-N ...........................................................................39
Hình 2.39: 3D phƣơng án gia cố FRP cho khung KG-S ...........................................39
Hình 2.40: Phƣơng án gia cố khung KG-S ...............................................................40
Hình 2.41: Chi tiết gia cố các nút khung KG-S (phóng đại).....................................41
Hình 2.42: Hình ảnh gia cố khung KG-S thực tế ......................................................41
Hình 2.43: Hình ảnh nút khung KG-S đƣợc gia cố thực tế.......................................42
Hình 2.44: Mơ hình Sap khung KB-N ......................................................................42
Hình 2.45: Biểu đồ moment khung KB-N ................................................................43
Hình 2.46: Phƣơng án gia cố khung KB-S ...............................................................43
Hình 2.47: Chi tiết gia cố các nút khung KB-S (phóng đại) .....................................44
Hình 2.48: Hình ảnh gia cố khung KB-S thực tế ......................................................45
Hình 2.49: Nút khung gia cố CFRP (ảnh thực tế) .....................................................45
Hình 3.1: Khung bị phá hoại tƣờng và chân cột .......................................................46
Hình 3.2: Vết nứt phá hoại cột xảy ra tại mép ngồi tấm CFRP ..............................47
Hình 3.3: Hình thái vết nứt khung KG-N .................................................................49
Hình 3.4: Hình ảnh thực tế vết nứt tƣờng khung KG-N ...........................................50
Hình 3.5: Hình ảnh thực tế vết nứt cột khung KG-N ................................................51
Hình 3.6: Hình thái vết nứt khung KG-S ..................................................................53
Hình 3.7: Khung KG-S bị nứt trên tƣờng (ảnh thực tế) ............................................54
ix


Hình 3.8: Khung KG-S bị nứt tại chân cột (ảnh thực tế) ..........................................55
Hình 3.9: Hình thái vết nứt khung KB-N ..................................................................57
Hình 3.10: Khung KB-N bị nứt trên tƣờng (ảnh thực tế) .........................................58
Hình 3.11: Bản vẽ hình thái vết nứt khung KB-S .....................................................60

Hình 3.12: Khung KB-S bị nứt trên tƣờng (ảnh thực tế) ..........................................61
Hình 3.13: Khung KB-S bị nứt phá hoạt tại chân cột ngoài tấm CFRP (ảnh thực tế)
...................................................................................................................................61

x


DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 3.1: Quan hệ lực – chuyển vị ngang ............................................................63
Biểu đồ 3.2: Quan hệ lực – chuyển vị 1 ....................................................................65
Biểu đồ 3.3: Quan hệ lực – chuyển vị 8 ....................................................................65
Biểu đồ 3.4: Quan hệ lực – chuyển vị 4 ....................................................................66
Biểu đồ 3.5: Quan hệ lực – chuyển vị 2 ....................................................................66
Biểu đồ 3.6: Quan hệ lực – chuyển vị 5 ....................................................................67
Biểu đồ 3.7: Quan hệ lực – biến dạng bê tông khung KG-N ....................................67
Biểu đồ 3.8: Quan hệ lực – biến dạng bê tông khung KG-S.....................................68
Biểu đồ 3.9: Quan hệ lực – biến dạng bê tông dầm khung KG-S .............................69
Biểu đồ 3.10: Quan hệ lực – biến dạng bê tông cột khung KG-S .............................69
Biểu đồ 3.11: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tƣờng (1) khung KG-S ..................70
Biểu đồ 3.12: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tƣờng (2) khung KG-S ..................70
Biểu đồ 3.13: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tƣờng (3) khung KG-S ..................71
Biểu đồ 3.14: Quan hệ lực – biến dạng bê tông dầm khung KB-S ...........................71
Biểu đồ 3.15: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tƣờng (1) khung KB-S ...................72
Biểu đồ 3.16: Quan hệ lực – biến dạng bê tông tƣờng (2) khung KB-S ...................72
Biểu đồ 3.17: Quan hệ lực - biến dạng thép dầm khung KG-N ................................73
Biểu đồ 3.18: Quan hệ lực - biến dạng thép cột khung KG-N ..................................73
Biểu đồ 3.19: Quan hệ lực - biến dạng thép cột khung KG-S ..................................74
Biểu đồ 3.20: Quan hệ lực - biến dạng thép khung KB-N ........................................75
Biểu đồ 3.21: Quan hệ lực - biến dạng thép khung KB-S ........................................75
Biểu đồ 3.22: Quan hệ lực – biến dạng tấm FRP ......................................................76

xi


CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, gia cố cơng trình là một hƣớng đi mới. Đặc biệt với điều kiện xây
dựng hiện nay, với mật độ xây dựng cao trong các thành phố lớn, các công trình cũ
đã qua sử dụng bị hƣ hỏng hoặc đã bị xuống cấp cần đƣợc khôi phục để tiếp tục sử
dụng là rất lớn. Thêm nữa, các cơng trình đang sử dụng cần có nhu cầu cải tạo cơng
năng, nâng tầng và nâng cấp cơng trình thì cũng cần đƣợc gia cƣờng bằng phƣơng
pháp thích hợp. Trƣớc đây, thép tấm, cốt thép, hoặc cáp thép thƣờng đƣợc sử dụng
để gia cƣờng cấu kiện và kết cấu bê tông cốt thép, nhƣng với trọng lƣợng nặng của
chúng, tính dễ bị ăn mòn của vật liệu thép và sự phức tạp trong công tác gia cố đã
làm cho các giải pháp gia cƣờng này phần nào ít đƣợc ƣa chuộng.
Mặc dù có nhiều phƣơng pháp gia cố kết cấu nhƣ Hình 1.1, song tấm CFRP
vẫn là giải pháp tối ƣu với trọng lƣợng nhẹ, bề dày rất mỏng, không làm tăng tải
trọng cơng trình, giữ ngun diện tích sử dụng, thuận tiện cho thi công, đồng thời
tăng hiệu quả kinh tế và tính thẩm mỹ.

(a) Bổ sung cột thép để giảm nhịp nhà

(b)Tăng cƣờng các bộ phận kết cấu bằng cốt thép

(c) Lắp đặt tấm thép để gia cố dầm

(d) Căng cáp ngoài các bộ phận kết cấu

1


(e) Kết hợp nhiều phƣơng pháp gia cố

(f) Lắp đặt CFRP ứng suất trƣớc

Hình 1.1: Các phƣơng pháp gia cố kết cấu hiện nay

Hình 1.2: Cơng trình cải tạo gia cƣờng CFRP không ứng suất trƣớc.
Hiện nay, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về cơ sở khoa học, và kết quả ứng
dụng tấm sợi carbon vào kết cấu công trình, nhƣng chủ yếu tập trung vào các cấu
kiện riêng lẻ nhƣ dầm, cột, nút khung. Các nghiên cứu về hệ kết cấu cịn rất ít cả về
lý thuyết và thực nghiệm. Theo tác giả tìm hiểu, cho đến nay, ở Việt Nam chƣa có
bất kì một nghiên cứu nào về việc gia cố, phục hồi khả năng chịu lực của khung đã
bị hƣ hỏng.

2


Với tình hình nghiên cứu và nhu cầu tất yếu của ngành xây dựng, việc nghiên
cứu ứng dụng tấm CFRP vào gia cố khung phẳng đã bị hƣ hỏng chịu đồng thời tải
trọng đứng và ngang là một đề tài cấp thiết, có khả năng ứng dụng cao.

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu
Trong việc phân tích tính tốn thiết kế hiện nay ở nƣớc ta, hiện chƣa có tiêu
chuẩn thiết kế đối với vật liệu gia cƣờng CFRP, việc phân tích tính tốn chỉ dựa trên
các tiêu chuẩn nƣớc ngoài nhƣ: ACI 440.2R-08 [1] và CSA S806-02 [2].
Trong những năm gần, ngày càng có nhiều nghiên cứu sâu rộng về tính hiệu quả

của việc tăng cƣờng và sửa chữa các cấu kiện BTCT đang sử dụng đƣợc bọc bên
ngoài bằng CFRP. Các nghiên cứu về cấu kiện BTCT riêng lẻ đƣợc gia cƣờng thêm
FRP nhƣ dầm (Li cùng cộng sự, 2002 [3], 2006 [4]; Rougier cùng Luccioni, 2007
[5]), cột (Binici cùng Mosalam, 2007 [6]; Ozcan cùng cộng sự, 2008 [7]; Promis
cùng cộng sự, 2009 [8]; Rougier cùng Luccioni, 2007 [5]), và khớp liên kết
(Alhaddad và cộng sự, 2012 [9]; Mahini cùng Ronagh, 2010 [10]) đã cho thấy hiệu
quả của phƣơng pháp gia cƣờng. Ngoài ra, một số nghiên cứu cũng nhấn mạnh đến
các vấn đề kỹ thuật liên quan nhƣ phá hoại giòn (brittle debonding failure) và các
phƣơng pháp đƣợc sử dụng để khắc phục những vấn đề này (Gravina cùng cộng sự,
2013 [11]; Kalfat cùng cộng sự, 2013 [12]).
Zou cùng cộng sự (2007) [13] đã khảo sát một khung ba tầng đƣợc gia cƣờng với
CFRP xung quanh các cột khung. Nghiên cứu cho thấy rằng khả năng chịu lực của
các cột tăng lên trong khi độ cứng cột đƣợc cải thiện nhẹ. Việc tăng độ cứng của các
cột dẫn đến khả năng kháng chấn tác động lên khung cao hơn. Kiểu phá hoại của
khung đã đƣợc thay đổi từ một cơ chế bên hông cột thành kiểu biến dạng khung tốt
hơn với cơ chế ứng xử cột mạnh dầm yếu. Ngoài ra, ứng xử của một khung ba tầng
đƣợc gia cƣờng CFRP dƣới các thử nghiệm bán tĩnh đã đƣợc nghiên cứu bởi
Pampanin và các cộng sự (2007) [14]. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng CFRP
xung quanh các khớp có thể dẫn đến sự hình thành các khớp dẻo (the plastic hinges)
trong các dầm bên ngoài (chứ không phải trong các khớp nối cột dầm).
Niroomandi cùng cộng sự (2010) [15] đã đánh giá hiệu quả của một khung
BTCT gia cƣờng thêm CFRP. Mối quan hệ moment – góc xoay của các nút khung
3


BTCT đƣợc gia cƣờng thêm CFRP, đƣợc phát triển bởi Mahini cùng Ronagh (2010)
[10], kết quả thu đƣợc bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS (2005). Họ cho thấy
hiệu suất và hệ số ứng xử kháng chấn của khung BTCT đƣợc gia cƣờng CFRP đã
đƣợc cải thiện hoặc thậm chí tăng cƣờng đáng kể so với khung gốc không gia
cƣờng. Vì tồn bộ ứng xử đỉnh (post-peak) khó phân tích đƣợc khi sử dụng

ANSYS, Niroomandi cùng cộng sự (2010) [10] đã tập trung vào cƣờng độ đỉnh của
khung phẳng và các nút khung đƣợc gia cƣờng trong nghiên cứu của họ.
Nghiên cứu của Hadigheh cùng các cộng sự (2013) [16] thu đƣợc kết quả độ
cứng kháng uốn sẽ tăng thêm tại các khớp liên kết đƣợc gia cƣờng thêm CFRP bằng
việc sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus (2007) và đã chứng minh hiệu quả
của ứng xử khung BTCT cột mạnh dầm yếu đƣợc gia cƣờng tại các khớp liên kết
bởi tấm FRP.
Ronagh cùng Eslami (2013) [17] đã thành công chỉ ra sự tăng cƣờng khả năng
kháng uốn của khung BTCT 8 tầng hợp chuẩn đại diện cho một cơng trình kết cấu
trung tầng sử dụng sợi thủy tinh / sợi cacbon (GFRP / CFRP) để gia cƣờng. Nghiên
cứu của Hadigheh (2014) [18] đã chứng minh rằng gia cƣờng CFRP có thể cải thiện
trên tất cả các khả năng chịu lực bên trong của khung bằng mơ hình số Abaqus mô
phỏng các nút khung BTCT trƣớc và sau khi gia cƣờng. Một phép phân tích chuyển
động phi tuyến cũng đƣợc thực hiện trong nghiên cứu của ông trên các khung (trƣớc
và sau khi tăng cƣờng) để nghiên cứu ảnh hƣởng của giằng thép và việc gia cƣờng
CFRP đối với ứng xử kháng chấn của các khung. Kết quả cho thấy rằng gia cố
CFRP có thể nâng cao hệ số ứng xử, R, của các khung từ 3 – 24%. Việc gia cƣờng
CFRP khơng chỉ duy trì khả năng chịu tải bên trong của một khung bị hƣ hỏng mà
cịn làm tăng hiệu quả kháng chấn của nó.
Batikha cùng Alkam (2015) [19] sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn 2D nghiên
cứu ảnh hƣởng của cƣờng độ chịu nén khối xây gạch bê tông trong gia cƣờng khung
BTCT bằng FRP. Kết quả cho thấy tƣờng xây khi thay đổi cƣờng độ từ 1.7 - 9.0
MPa làm tăng khả năng chịu tải trọng ngang 40-120% so với khung khơng có
tƣờng. Và khi đƣợc gia cƣờng bằng FRP tăng từ 13-46% so với không gia cƣờng.

4


Ma cùng cộng sự (2016) [20] thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về hiệu quả
kháng chấn của các khung với đầy đủ dầm cột sàn BTCT thu nhỏ đƣợc gia cƣờng

thêm CFRP trƣớc khi động đất. Nghiên cứu khảo sát và đánh giá ảnh hƣởng của
sàn, dầm ngang và các cách thức gia cƣờng FRP khác nhau đến kiểu phá hoại và
hiệu quả kháng chấn của các mẫu khung thu nhỏ. FRP làm biến đổi kiểu phá hoại
sang khớp dầm nhƣ mong muốn, có vai trị rõ rệt trong việc cải thiện khả năng tiêu
tán năng lƣợng và độ dẻo của khung. Khi gia cƣờng CFRP với các cách thức khác
nhau, nghiên cứu cũng chứng minh đƣợc chỉ các mẫu khung gia cƣờng các vùng
khớp dẻo của cột cho hiệu quả kháng chấn tốt nhất.
Okahashi và Pantelides (2017) [21] tiến hành nghiên cứu trên hai nút khung
BTCT, trong đó có một nút khung đƣợc gia cƣờng bằng CFRP theo mô hình thanh
chống – giằng (STM). Kết quả thí nghiệm cho thấy nút khung đƣợc gia cƣờng bằng
CFRP đạt tải trọng ngang cực đại gấp 1.5 lần so với mẫu nút khung không gia
cƣờng. Đồng thời nghiên cứu khi tiến hành mơ phỏng mơ hình STM, nút khung
khơng gia cƣờng đạt 95% lực cắt nút, trong khi nút khung gia cƣờng CFRP đạt 90%
lực cắt nút thực nghiệm.
Capani cùng cộng sự (2017) [22] khảo sát thực nghiệm 10 mẫu cột BTCT tiết
diện chữ nhật bị hƣ hỏng và gia cố lại bằng CFRP, trong đó có hai mẫu đối chứng
khơng gia cƣờng CFRP. Nghiên cứu đánh giá ứng xử, kiểu phá hoại của mẫu dƣới
tải trọng nén dọc trục. Các mẫu đã đƣợc sửa chữa trƣớc khi gia cố bằng CFRP.
Tƣơng ứng với phƣơng pháp gia cố đơn hƣớng hay đa hƣớng, tải trọng phá hoại cải
thiện từ 4-10% và 22-29% so với mẫu đối chứng.
Gần đây hơn, Li, Chen cùng các cộng sự (2019) [23] đã tiến hành nghiên cứu
thực nghiệp và mơ phỏng số 9 mẫu khung BTCT có tƣờng chèn chịu các vụ nổ khí.
Trong đó các mẫu tƣờng đƣợc gia cƣờng bằng CFRP theo dạng phân bố, dạng tập
trung và mẫu đối chứng không gia cƣờng. Bài báo các mẫu tƣờng đã thay đổi ứng
xử từ một chiều sang hai chiều sau khi gia cƣờng CFRP. Các mẫu tƣờng đƣợc gia
cƣờng phá hủy ở các cạnh và giữa nhịp. Phƣơng án gia cƣờng theo dải tập trung có
tác dụng rõ rệt trong việc cải thiện hiệu quả chống nổ. Các mô phỏng số sau khi

5

đƣợc hiệu chỉnh cho thấy chuyển vị cực đại và mức độ phá hủy của tƣờng giảm
đáng kể khi tăng chiều dày tƣờng, và ngƣợc lại.
Allam cùng các cộng sự (2019) [24] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên 8
mẫu nút khung BTCT chịu tải trọng lặp tĩnh để mô phỏng động đất. Trong đó có 4
mẫu nút khung nguyên mẫu và 4 mẫu đƣợc gia cƣờng bằng sợi carbon hoặc sợi
thủy tinh. Kết quả chỉ ra rằng các mẫu đƣợc gia cƣờng FRP đồng thời tăng khả năng
kháng chấn, độ cứng, độ dẻo dai tại các nút khung. Mẫu thí nghiệm đƣợc gia cƣờng
bằng sợi carbon có khả năng chịu lực tăng 1.34 lần, đồng thời khả năng tiêu tán
năng lƣợng tăng 4.6 lần so với mẫu đối chứng.
Ở Việt Nam, gần đây, việc gia cƣờng kết cấu cũng bắt đầu đƣợc nghiên cứu rộng
rãi. Trong đó chủ yếu là tấm sợi thủy tinh, nhƣ tác giả Nguyễn Hùng Phong (2014)
Tạp chí Xây dựng tháng 3, Nghiên cứu thực nghiệm về gia cƣờng kháng cắt cho
dầm BTCT bằng tấm sợi thủy tinh. Nguyễn Văn Mợi, Nguyễn Tấn Dũng, Hoàng
Phƣơng Hoa (2011), “Nghiên cứu giải pháp gia cƣờng dầm bê tông cốt thép bằng
các tấm vật liệu composite sợi carbon”, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Đại học Đà
Nẵng. Phan Vũ Phƣơng (2014), nghiên cứu về “Ảnh hƣởng yếu tố kích thƣớc tiết
diện đến ứng xử và khả năng kháng cắt dầm cao BTCT gia cƣờng tấm CFRP”. Võ
Nhƣ Quang Vinh (2015), nghiên cứu “Phân tích ảnh hƣởng tƣơng tác của cƣờng độ
chịu nén bê tông và hàm lƣợng tấm CFRP đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT
kết hợp ứng lực trƣớc”. Lƣơng Nguyễn (2015), nghiên cứu “Phân tích ảnh hƣởng
của tỷ số nhịp cắt – chiều cao làm việc của tiết diện dầm đến ứng xử và khả năng
kháng cắt của dầm BTCT kết hợp ứng suất trƣớc gia cƣờng tấm CFRP”. Trƣơng
Thị Phƣơng Quỳnh (2017), nghiên cứu về “Ảnh hƣởng của hệ neo CFRP dạng U
đến hiệu quả gia cƣờng kháng uốn của tấm CFRP cho dầm bê tông ứng suất trƣớc”.
Vũ Thành Đạt (2017), “Khảo sát ứng xử uốn của dầm BTCT gia cƣờng CFRP chịu
tải trọng lặp”.
Nghiên cứu tiến sĩ của Đinh Lê Khánh Quốc (2017) [25] về “Ứng xử của khung
phẳng BTCT có tƣờng xây chèn dƣới tác động của tải trọng ngang” cho thấy khung
tƣờng xây chèn với khe hở hợp lý có cấp tải gây nứt tƣờng, khung gần nhƣ đồng

thời và đạt khả năng chịu tải cực hạn. Đồng thời, độ cứng của tƣờng xây chèn sau
6


khi nứt khơng giảm đột ngột mà vẫn cịn khả năng tham gia chịu lực cùng khung
BTCT. Nghiên cứu cũng kiến nghị xem xét đến độ cứng của tƣờng xây chèn khi
tính tốn cơng trình chịu tải trọng ngang, lƣu ý tăng cƣờng khả năng chịu lực của
kết cấu tại các tầng mềm của cơng trình.
Các nghiên cứu trong nƣớc kể trên đều cho thấy sự gia tăng đáng kể về khả năng
chịu lực của dầm sau khi đƣợc gia cƣờng tấm CFRP. Nhƣng chỉ giới hạn ở cấu kiện
dầm riêng lẻ, chƣa khảo sát kết cấu khung với dầm và cột làm việc kết hợp. Mục
đích chính của nghiên cứu này là khảo sát hoàn chỉnh ứng xử của một khung BTCT
phẳng có chèn tƣờng BTCT hoặc tƣờng gạch. Mơ hình thí nghiệm của nghiên cứu
cịn phản ánh thực tế với các lỗ khoét cửa sổ trên tƣờng chèn. Đặc biệt nghiên cứu
thực hiện với khung đã bị hƣ hỏng, mất khả năng chịu lực và gia cố lại.

1.3

Mục tiêu, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu của đề tài
Khảo sát thực nghiệm ứng xử, khả năng chịu tải đứng và ngang kết hợp của
khung BTCT có tƣờng chèn bằng gạch hoặc BTCT có lỗ mở đã bị hƣ hỏng sau khi
gia cố các nút khung bằng tấm CFRP.
1.3.2 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Phƣơng pháp: Nghiên cứu khảo sát, đánh giá bằng thực nghiệm.
Phạm vi: Giới hạn việc nghiên cứu cho khung BTCT phẳng một tầng, một nhịp
có tƣờng chèn, có lỗ mở, chịu tải trọng tĩnh.

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học:

Đa số các nghiên cứu hiện nay về ứng dụng tấm CFRP đƣợc thực hiện trên các
cấu kiện BTCT riêng lẻ nhƣ dầm, cột với mục đích gia tăng khả năng chịu lực
cực hạn của cấu kiện.
Đề tài này nhằm khảo sát, đánh giá các giá trị thực nghiệm của việc thiết kế gia
cƣờng, khôi phục khả năng chịu lực của khung BTCT có tƣờng chèn đã bị hƣ
hỏng bằng tấm CFRP.
7


Tạo nguồn cơ sở dữ liệu đối chiếu cho các nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của
khung BTCT có tƣờng chèn đã bị hƣ hỏng gia cƣờng bằng tấm CFRP chịu tải
đứng và ngang kết hợp.
 Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần làm sáng tỏ, mở rộng ứng dụng tấm CFRP vào

việc thiết kế và thi công gia cố, cải tạo các cơng trình đã qua sử dụng bị hƣ
hỏng hoặc các cơng trình có nhu cầu nâng cấp, mở rộng ở nƣớc ta.

8


CHƢƠNG 2.

CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM

2.1 Vật liệu
2.1.1 Bê tơng
Bê tơng đúc mẫu thí nghiệm đƣợc thiết kế theo cấp phối gồm 490 kg xi măng
PCB40, 743 kg cát, 1052 kg đá, 167 lít nƣớc và 6.37 kg phụ gia Plast 257. Cƣờng

độ chịu nén mẫu đƣợc dƣỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn sau thời gian 28 ngày
đƣợc trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tơng
Đợt đổ
BT
Dầm đáy
Cột –
dầm trên

Hạng mục
Kiểm
nghiệm
Kiểm
nghiệm

Kiểu
mẫu

Đơn
vị
đo

MLP

Mpa

65.6

67.5

54.6

--

--

MLP

Mpa

58.6

48.9

58

54.7

62.5

Cấp /
Mác

Thơng số kiểm nghiệm

Hình 2.1: Thí nghiệm nén mẫu bê tơng

9

B45

(M600)
B40
44.8
(M500)
--


2.1.2 Cốt thép
Cốt thép dọc sử dụng thép CB400-V có fy = 400 Mpa, fu = 570 Mpa, module đàn
hồi E = 200000 MPa. Đƣờng kính 20mm cho chân đế và đƣờng kính 16mm cho
cấu kiện dầm cột.
Cốt thép đai sử dụng thép CB240-T có fy = 240 Mpa, fu = 380 Mpa, module đàn
hồi E = 210000 MPa. Đƣờng kính 8mm cho đai cột, dầm. Vách BTCT dùng lƣới
thép hàn đƣờng kính 6mm.
2.1.3 Vật liệu FRP
Tấm CFRP với các thông số kỹ thuật đƣợc cung cấp bởi nhà sản xuất đƣợc trình
bày trong bảng 2.2. Keo dán tấm CFRP là loại keo epoxy Carbotex Impreg hai
thành phần A-B với các thông số kỹ thuật đƣợc nhà sản xuất cung cấp nhƣ bảng 2.3.
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của tấm CFRP dùng trong thí nghiệm
Loại tấm carbon cƣờng độ cao

UD 230

Trọng lƣợng (g/m2)

230

Bề dày (mm)

0.51

Cƣờng độ chịu kéo (N/mm2)

4900

Biến dạng kéo đứt (%)

> 2.1%

Module đàn hồi (Gpa)

240

Bể rộng tấm (mm)

500

Chiều dài cuộn (m)

100

10


Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của keo Carbotex Impreg
Độ nhớ khi trộn

± 3700 mPa.s

Thời gian khô:

± 30 min. (20oC)

Tỷ trọng:

1,1 kg/l

Cƣờng độ chịu kéo:

60 N/mm2

Cƣờng độ chịu nén:

90 N/mm2

Cƣờng độ chịu uốn:

90 N/mm2

Module đàn hồi:

3000 - 3500 N/mm2

Tỉ lệ trộn:

Thành phần A: 2,35 kg và thành phần B: 0,65 kg

Độ dính:

> 3 N/mm2 (bê tơng)

2.1.4 Keo sữa chữa vết nứt
Keo Epoxy SL 1401 dùng để trám bề mặt vết nứt với thông số kỹ thuật do nhà sản
xuất cung cấp nhƣ bảng 2.4. Thời gian keo bắt đầu làm việc trong vịng 30 phút và
khơ cứng sau 3 giờ ở điều kiện 250C.
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của keo Epoxy SL 1401:
Keo Epoxy SL 1400
Cƣờng độ chịu kéo (MPa)

20

Cƣờng độ chịu uốn (MPa)

30

Cƣờng độ chịu nén (MPa)

65

Keo Epoxy SL 1400 dùng để bơm đầy vết nứt theo các thông số kỹ thuật đƣợc cung
cấp bởi nhà sản xuất theo bảng 2.5. Keo đạt cƣờng độ và độ cứng sau 7 ngày.

11