Khảo sát thực nghiệm ứng xử khung phẳng bê tông cốt thép đã bị hư hỏng được gia cố liên kết bằng tấm frp chịu tải đứng và ngang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
--------------------

VƯƠNG HOÀNG TRIỀU

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ
KHUNG PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐÃ BỊ HƯ
HỎNG ĐƯỢC GIA CỐ LIÊN KẾT BẰNG TẤM FRP
CHỊU TẢI ĐỨNG VÀ NGANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, 06/2019


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
-------------------Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn 1:
PGS. TS. Ngô Hữu Cường
Cán bộ hướng dẫn 2:
PGS. TS. Nguyễn Minh Long
Cán bộ chấm nhận xét 1:
TS Trần Cao Thanh Ngọc
Cán bộ chấm nhận xét 2:
PGS.TS. Hồ Đức Duy

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.
HCM vào ngày

tháng

năm 2019.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Bùi Công Thành........................................................................................
2. ................................................................................................................................
3. ................................................................................................................................
4. ................................................................................................................................
5. ................................................................................................................................
CHỦ TỊCH

TRƯỞNG KHOA

HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : VƯƠNG HOÀNG TRIỀU

MSHV : 1570661

Ngày, tháng, năm sinh : 30/08/1992

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Mã số : 60580208

I. TÊN ĐỀ TÀI :
KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ KHUNG PHẲNG BÊ TÔNG
CỐT THÉP ĐÃ BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CỐ LIÊN KẾT BẰNG TẤM FRP
CHỊU TẢI 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 cường khung bằng cách bơm keo và gia cố liên kết bằng tấm CFRP.
− Khảo sát thực nghiệm ứng xử khung sau khi gia cường CFRP.
− So sánh ứng xử khung trước và sau khi gia cường.
− Đánh giá kết quả thí nghiệm và rút ra những nhận xét, kết luận, kiến nghị cũng như

đề xuất hướng phát triển đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/06/2019

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG
PGS.TS NGUYỄN MINH LONG

TP.HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


TĨM TẮT
Cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số trong gia cường
tấm sợi cacbon cho cơng trình BTCT nhưng chủ yếu tập trung vào việc gia cường các
cấu kiện bê tông riêng lẻ như dầm, cột, sàn, liên kết giữa dầm và cột… Các nghiên cứu
ở mức hệ kết cấu chưa được thực hiện nhiều, đặc biệt là khi hệ kết cấu đã bị mất khả
năng chịu lực. Nghiên cứu này tiến hành khảo sát thực nghiệm ứng xử của khung phẳng
một tầng một nhịp chịu tác động của tải trọng đứng không đổi và tải trọng ngang đẩy
dần cho đến khi phá hoại hồn tồn. Tiếp đó, khung hư hỏng được hồi phục lại bằng
cách bơm vật liệu keo Epoxy vào các chỗ nứt tách và liên kết khung được gia cường
bằng tấm CFRP. Sau đó, thí nghiệm lặp đẩy dần cũng được thực hiện với khung được
gia cường để xác định ứng xử và khả năng chịu lực của nó so với khung ban đầu. Kết
quả phân tích ứng xử tải – chuyển vị, hình thái vết nứt, sự phát triển của vết nứt, độ
cứng, khả năng hấp thụ năng lượng của khung cho thấy khung có khả năng hồi phục gần
như hoàn toàn sau khi được gia cường.


ABSTRACT

So far there have been many empirical studies and numerical simulations in reinforcing
carbon fiber panels for reinforced concrete works but mainly focused on strengthening
individual concrete components such as beams, columns, floors, links, between beams
and columns ... Studies at the structural level have not been done much, especially when
the structural system has lost its bearing capacity. This study carried out an experimental
survey of the behavior of single-span one-frame flat frame under the influence of
constant vertical load and horizontal load gradually pushing until complete destruction.
The damaged frame is then recovered by injecting Epoxy adhesive material into the
fractures and the frame bonding is reinforced with CFRP. Subsequently, a repetitive
repulsive test was also performed with the reinforced frame to determine its behavior
and bearing capacity compared to the original frame. Results of analysis of loaddisplacement behavior, crack morphology, crack development, hardness, energy
absorption capacity of the frame show that the frame has the ability to recover almost
completely after being reinforced.


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Ngô Hữu Cường và Thầy
PGS.TS. Nguyễn Minh Long đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và giúp đỡ tơi rất
nhiều trong suốt q trình nghiên cứu từ giai đoạn hình thành nên ý tưởng của đề tài,
hướng dẫn phương pháp nghiên cứu và đến giai đoạn hồn thành Luận văn thạc sĩ này.
Tơi cũng gửi lời cảm ơn đến các anh chị em trong Phịng thí nghiệm Kết cấu
Cơng trình (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
đã giúp đỡ và nhiệt tình hỗ trợ tơi để hồn thành đề tài này một cách tốt nhất.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường
Đại học Bách Khoa TP.HCM, đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tơi trong suốt khóa
Cao học vừa qua.
Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu nhưng không thể khơng có những thiếu
sót nhất định. Kính mong q Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và
hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô.

TP. HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

Vương Hoàng Triều


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy
PGS.TS. Ngô Hữu Cường và Thầy PGS.TS. Nguyễn Minh Long.
Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về cơng việc thực hiện của mình.
TP.HCM, ngày 22 tháng 06 năm 2019

Vương Hoàng Triều


MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................6
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................7
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ .........................................................................................8
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ............................................................14
2.1. DẠNG PHÁ HOẠI ĐIỂN HÌNH CỦA DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP (BTCT)
KHI ĐƯỢC GIA CƯỜNG TẤM CFRP ....................................................................... 14
2.2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU FRP DÁN
NGOÀI .......................................................................................................................... 15
2.2.1 Tổng quan vật liệu CFRP ..........................................................................15
2.2.2 Kỹ thuật thi công ........................................................................................15
2.3. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ KHUNG BÊ TƠNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG TẤM
CFRP. ............................................................................................................................ 16

2.4. TÍNH TỐN THEO TIÊU CHUẨN ACI 440.2R-08 ........................................... 17
2.5. CÁC VẤN ĐỀ RÚT RA ........................................................................................ 17
CHƯƠNG 3. MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.................18
3.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................... 18
3.2. Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 18
3.2.1. Ý nghĩa khoa học .......................................................................................18
3.2.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................18
3.3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................. 18
3.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 19
CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ................................................20
4.1. VẬT LIỆU .............................................................................................................. 20
4.1.1. Vật liệu bê tông ..........................................................................................20
4.1.2. Cốt thép thường .........................................................................................21
4.1.3. Keo xử lý vết nứt........................................................................................21
4.1.4. Vật liệu CFRP và keo dán tấm .................................................................22
4.2. MẪU THÍ NGHIỆM .............................................................................................. 23
4.2.1. Thơng số mẫu thí nghiệm .........................................................................23
1


4.2.2. Quy trình thí nghiệm .................................................................................24
4.3. SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ ..................................................... 29
4.3.1. Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................................29
4.3.2. Bố trí thí nghiệm và quy trình gia tải ......................................................31
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ..................................................................32
5.1. PHÂN TÍCH KHUNG BTCT CHƯA GIA CƯỜNG CFRP. ................................ 32
5.1.1 Khung KA và KB (Nguyên bản) ...............................................................32
5.1.2 Các mốc chuyển vị ......................................................................................34
5.1.3 Biểu đồ quan hệ giữa lực, bê tông, thép và chuyển vị của khung KATGC.......................................................................................................................35
5.1.4 Biểu đồ quan hệ giữa lực, bê tông, thép và chuyển vị của khung KBTGC.......................................................................................................................37

5.2 KHUNG BTCT SAU KHI GIA TẢI XUẤT HIỆN VẾT NỨT: ............................ 38
5.2.1 Vết nứt khung KA-TGC ............................................................................38
5.2.2 Vết nứt khung KB-TGC ............................................................................41
5.3 SỐ LỚP FRP GIA CƯỜNG: ................................................................................... 44
5.4 KHUNG BTCT SAU GIA CƯỜNG CFRP. .......................................................... 44
5.4.1 Khung KA sau cường CFRP (KA-SGC) ..................................................50
5.4.2 Khung KB sau cường CFRP (KB-SGC) ..................................................51
5.5 BIỂU ĐỒ QUAN HỆ GIỮA LỰC, CẢM BIẾN BT, THÉP VÀ CHUYỂN VỊ
SAU KHI GIA CƯỜNG CFRP:.................................................................................... 52
5.5.1 Khung KA-SGC ..........................................................................................52
5.5.2 Khung KB-SGC ..........................................................................................55
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................63
6.1. Kết luận................................................................................................................... 63
6.2. Kiến nghị ................................................................................................................ 63
6.3. Điểm hạn chế của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 64
6.4. Hướng phát triển đề tài ........................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................65

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Gia cố, nâng sức chịu tải của cột bê tơng. .......................................................9
Hình 1. 2 Gia cố chống võng và chống nứt cho sàn mái. ..............................................10
Hình 1. 3 Gia cố sàn phịng đặt máy phát điện..............................................................10
Hình 1. 4 Mơ hình được thực hiện Niroomandi cùng cộng sự. .....................................11
Hình 1. 5 Mơ hình nút khung được gia cường của Hadigheh cùng cộng sự .................12

Hình 4. 1 Thí nghiệm nén mẫu BT ................................................................................21
Hình 4. 2 Keo xử lý bề mặt vết nứt. .............................................................................21

Hình 4. 3 Keo bơm xử lý vết nứt. ..................................................................................22
Hình 4. 4 Tấm CFRP sợi cacbon (CFRP) .....................................................................22
Hình 4. 5 Mặt cắt ngang cột và mặt cắt ngang dầm ......................................................23
Hình 4. 6 Mẫu khung bê tơng cốt thép của thí nghiệm. ................................................24
Hình 4. 7 Trộn hỗ hợp keo epoxy. .................................................................................25
Hình 4. 8 Phết keo lên tấm CFRP..................................................................................25
Hình 4. 9 Một góc khung đã hồn thành cơng tác dán tấm CFRP. ...............................26
Hình 4. 10 Khung đã hồn thành cơng tác dán tấm CFRP. ...........................................27
Hình 4. 11 Cảm biến bê tơng .........................................................................................28
Hình 4. 12 Dán cảm biến tấm CFRP. ............................................................................28
Hình 4. 13 Sơ đồ thí nghiệm của nghiên cứu. ...............................................................29
Hình 4. 14 Khung hồn chỉnh chuẩn bị cho cơng tác thí nghiệm. ................................29
Hình 4. 15 Chuyển vị kế được gắn vào khung BTCT. ..................................................30
Hình 4. 16 Kích tạo lực tập trung trong khung..............................................................30
Hình 5. 1 Khung nguyên bản ban đầu chưa gia tải. ......................................................32
Hình 5. 2 Sơ đồ bố trí cảm biến cho cốt thép và bê tơng. .............................................33
Hình 5. 3 Sơ đồ bố trí cảm biến cho cốt thép và bê tơng. .............................................34
Hình 5. 4 Biểu đồ quan hệ lực và cảm biến thép cột trong khung KA-TGC ................35
Hình 5. 5 Biểu đồ quan hệ lực và cảm biến BT trong khung KA-TGC ........................35
Hình 5. 6 Biểu đồ bao chuyển vị của khung phẳng BTCT KA-TGC. ..........................36
3


Hình 5. 7 Biểu đồ quan hệ lực và cảm biến thép cột, dầm trong khung KB-TGC .......37
Hình 5. 8 Biểu đồ quan hệ lực và cảm biến BT trong khung KB-TGC ........................37
Hình 5. 9 Biểu đồ bao chuyển vị của khung phẳng BTCT KB-TGC. ..........................38
Hình 5. 10 Vết nứt chân cột khung KA-TGC ...............................................................39
Hình 5. 11 Vết nứt đỉnh cột khung KA-TGC ................................................................39
Hình 5. 12 Vết nứt xuất hiện ở mặt trước sau khi đẩy khung KA. ...............................40
Hình 5. 13 Vết nứt xuất hiện ở mặt sau của khung sau đẩy khung KA. .......................40

Hình 5. 14 Vết nứt xuất hiện sau gia tải khung KB-TGC .............................................41
Hình 5. 15 Vết nứt đỉnh cột khung KB-TGC ................................................................42
Hình 5. 16 Vết nứt xuất hiện ở mặt trước trước khi đẩy khung KB-TGC. ...................43
Hình 5. 17 Vết nứt xuất hiện ở mặt trước sau khi đẩy khung KB-TGC .......................43
Hình 5. 18 Vết nứt xuất hiện ở đáy dầm tầng một khi đẩy khung KB-TGC ................44
Hình 5. 19 Khoan lỗ, đóng ty vào các vết nứt của khung .............................................45
Hình 5. 20 Trám vết và các chân lỗ ty trước khi tiến hành bơm keo ............................45
Hình 5. 21 Xử lý bề mặt để dán tấm CFRP sau khi bơm keo .......................................46
Hình 5. 22 Vị trí và phương án dán CFRP và cách dán. ...............................................47
Hình 5. 23 Một góc khung ở đỉnh cột hồn thành cơng tác gia cường CFRP...............47
Hình 5. 24 Một góc khung ở chân cột hồn thành cơng tác gia cường CFRP ..............48
Hình 5. 25 Một trục khung hoàn thành gia cường CFRP. .............................................48
Hình 5. 26 Khung sau khi gia cường CFRP hồn thành khung KA. ............................49
Hình 5. 27 Vết nứt mặt trước khung KA-SGC..............................................................50
Hình 5. 28 Vết nứt mặt sau khung KA-SGC. ................................................................51
Hình 5. 29 Vết nứt mặt trước khung KB-SGC. .............................................................51
Hình 5. 30 Vết nứt mặt sau khung KB-SGC. ................................................................52
Hình 5. 31 Biểu đồ bao cảm biến tấm KA-SGC ...........................................................53
Hình 5. 32 Đường bao chuyển vị 2 chuyển vị kế ở 2 đầu khung KA-SGC. .................53
Hình 5. 33 Tương quan giữa chuyển vị của KA-TGC và KA-SGC .............................54
Hình 5. 34 Biểu đồ bao cảm biến tấm KB-SGC ...........................................................55
Hình 5. 35 Đường bao chuyển vị 2 chuyển vị kế ở 2 đầu khung KB-SGC. .................56
Hình 5. 36 Tương quan giữa chuyển vị của KB-TGC và KB-SGC ..............................56
Hình 5. 37 Biểu đồ chỉ số dẻo .......................................................................................59
4


Hình 5. 38 Biểu đồ diện tích hấp thụ năng lượng khung KA và KB ............................60
Hình 5. 39 Tương quan giữa thực nghiệm của A. Niroomandi 2010 cùng cộng sự và
khi dùng phần mềm FE..................................................................................................61

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4. 1 Giá trị cường độ của BT................................................................................20
Bảng 4. 2 Kích thước cấu kiện khung phẳng. ...............................................................23
Bảng 5. 1 Độ lệch trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng khung. ..................................49
Bảng 5. 2 Chỉ số dẻo của khung TGC và SGC. ............................................................58
Bảng 5. 3 Hấp thụ năng lượng của khung KA và KB ...................................................60
Bảng 5. 4 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm ................................................................61
Bảng 5. 5 Bảng giá trị lực lớn nhất giữa trước và sau gia cường. .................................62

6


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt:
ACI: Tiêu chuẩn tính tốn bê tơng cốt thép của Mỹ
BT: Bê tông
BTCT: Bê tông cốt thép.
GFRP: Tấm FRP sợi thủy tinh.
CFRP: Tấm FRP sợi carbon (Carbon-fiber-reinforced polymer)
KA-TGC: Khung phẳng KA trước gia cường
KA-SGC: Khung phẳng KA sau gia cường
KB-TGC: Khung phẳng KB trước gia cường
KB-SGC: Khung phẳng KB sau gia cường

Ký hiệu:
∆Umax – Chuyển vị lớn nhất phá hoại khung

μ∆ - Chỉ số dẻo của khung
∆yc – Chuyển vị của khung là thép chảy
Pmax - Chuyển vị lớn nhất trong khung
K - Độ cứng của khung
Eb - Khả năng hấp thụ năng lượng

7


CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép (BTCT) là dạng kết cấu được sử dụng phổ biến
trong các cơng trình xây dựng từ xưa cho đến nay. Theo thời gian làm việc, kết cấu
BTCT chịu nhiều tác động khác nhau như tác động cơ học, tác động của mơi trường
(nhiệt độ, độ ẩm…) có thể gây ra các hư hỏng trên kết cấu hoặc làm suy giảm chất lượng
vật liệu bê tông và làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Bên cạnh đó, trong q trình
sử dụng có thể có sự thay đổi, gia tăng tải trọng tác dụng lên kết cấu do thay đổi công
năng sử dụng, hoặc xảy ra các tác động bất thường chưa được tính đến trong giai đoạn
thiết kế.
Tình trạng cơng trình bê tơng cốt thép (BTCT) bị xuống cấp theo thời gian, chất lượng
thi công công trình khơng đảm bảo và việc gia tăng tải trọng sử dụng lên cơng trình địi
hỏi cơng trình cần được gia cố/gia cường để tránh hư hỏng, sụp đổ. Trong các hình thức
phá hoại kết cấu BTCT, phá hoại cắt diễn ra rất đột ngột và nguy hiểm, do đó, việc gia
cường, gia cố chịu cắt cho cơng trình cần đảm bảo độ an toàn cao.
Kỹ thuật sửa chữa và nâng cấp kết cấu bê tông cốt thép hay bê tơng sử dụng vật liệu
CFRP dán ngồi hiện nay đã cho thấy được hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật nhờ vào
những đặc tính vượt trội về cường độ chịu kéo cao, khối lượng riêng nhẹ, không bị ảnh
hưởng đáng kể bởi các yếu tố bất lợi của mơi trường, tính đơn giản trong thi cơng và
tính thẩm mỹ trong các vấn đề về kiến trúc. Kỹ thuật này có thể dùng để cải tạo cơng
trình lâu năm, cũ, nâng cấp, cải tạo các cơng trình sau khi sử dụng hay sau khi chịu tác
dụng của động đất. Thực tế việc gia cường bằng vật liệu CFRP đang rất phổ biến và

ngày càng thông dụng ở nước ta.
Giải pháp gia cố chịu cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi liên tục cường độ cao CFRP
(fiber reinforced polymer) là một giải pháp tương đối đơn giản, cho phép thi cơng nhanh
và ít gây ảnh hưởng tới kiến trúc cơng trình. Ngồi việc gia cố kháng cắt, giải pháp dán
tấm CFRP còn giúp bảo vệ kết cấu BTCT khỏi tác dụng xâm thực của mơi trường và
đóng vai trị neo cho gia cố kháng uốn bằng cách dán tấm CFRP ở đáy dầm. Có nhiều
hình thức gia cường kháng cắt dầm BTCT bằng tấm CFRP như gia cường dạng tấm liên
8


tục trên suốt chiều dài dầm hoặc gia cường theo từng băng, gia cường theo phương thẳng
đứng hay phương xiên, gia cường dán ba mặt dầm hoặc hai mặt bên của dầm, để cải
thiện về mặt chịu tải trọng cũng như cơng năng nhằm đảm bảo an tồn, tăng tuổi thọ
hoặc tăng hiệu quả sử dụng của cơng trình cần phải gia cường, sửa chữa các bộ phận kết
cấu công trình đó.

Hình 1. 1 Gia cố, nâng sức chịu tải của cột bê tông.

9


Hình 1. 2 Gia cố chống võng và chống nứt cho sàn mái.

Hình 1. 3 Gia cố sàn phịng đặt máy phát điện.
Các cơng trình nghiên cứu bao gồm thực nghiệm và mơ phỏng số của các tác giả
nước ngồi:
Niroomandi cùng cộng sự (2010) nghiên cứu khả năng chịu động đất của khung BTCT
thông thường được gia cường thêm tại các liên kết bằng tấm FRP. Tác giả cùng cộng sự
đưa ra hiệu quả của FRP gia cường tại các liên kết trong việc tăng cường hiệu suất địa
chấn và hệ số hành vi địa chấn (R) của các khung BTCT thông thường. Độ cứng uốn

10


của các khung FRP được gia cường của khung được xác định đầu tiên bằng cách sử
dụng các phân tích phi tuyến của các mơ hình FE chi tiết của hỗn hợp BTCT- khớp FRP. Độ cứng khớp được gia cường sau đó được thực hiện vào mơ hình FE của khung
để thực hiện phân tích tĩnh (pushover) phi tuyến trên khung FRP gia cường. Mức độ
hiệu suất địa chấn và các thành phần nhân tố R của khung được gia cường sau đó được
so sánh với các khung của khung ban đầu và cùng một khung được gia cường với các
khung thép, được báo cáo trước đây. Kết quả cho thấy mức độ hiệu suất và hệ số hành
vi địa chấn của khung BTCT được gia cường FRP được tăng cường đáng kể so với
khung ban đầu.

Hình 1. 4 Mơ hình được thực hiện Niroomandi cùng cộng sự.
Hadigheh cùng cộng sự (2014) đã nghiên cứu thực nghiệm và mô hình số trên một tám
tầng thu nhỏ và hai khung kích thước thật thấp tầng kháng moment (OMRF) được gia
cường FRP tại các liên kết. Thêm vào đó, độ cứng quay của các liên kết được thực hiện
thành các mô hình đẩy để dự đốn hiệu suất địa chấn và hệ số ứng xử của các khung
được gia cường. Thông qua nghiên cứu tác giả chỉ ra rằng FRP gia cường thêm có hiệu
quả hơn các thanh giằng thép được tăng cường vào các khung.

11


Hình 1. 5 Mơ hình nút khung được gia cường của Hadigheh cùng cộng sự
Niroomandi (2017) nghiên cứu sự cải thiện về độ dẻo dai và hệ số ứng xử động đất của
khung BTCT thông thường được gia cố bằng tấm sợi FRP.
Các nghiên cứu này tập trung vào hệ khung, gia cường tại các liên kết bị phá
hoại, đánh giá hiệu quả làm việc của khung tại các nút cho thấy hiệu quả của việc gia
cường CFRP trong kết cấu được gia cường.
Các cơng trình và đề tài nghiên cứu trong nước:

Nguyễn Hùng Phong nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng cắt cho dầm bê tông
cốt thép bằng tấm sợi thủy tinh. Bốn dầm giống nhau được chế tạo, trong đó, ba dầm
được gia cường bằng tấm sợi thủy tinh với các hình thức gia cường khác nhau. Kết quả
thí nghiệm cho thấy, tấm sợi thủy tinh làm gia tăng đáng kể khả năng chịu cắt và làm
tăng độ cứng, độ dẻo của dầm. Các yếu tố về cấu tạo như độ dính kết giữa bê tơng và
tấm gia cường, đoạn neo của tấm, bán kính cong góc gia cường, chất lượng lớp bê tông
bảo vệ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả gia cường.
Trần Văn Huy cùng cộng sự nghiên cứu so sánh các phương pháp thiết kế tăng cường
khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép bằng vật liệu FRP dán gần bề mặt theo ACI
440.2R-08 và ISIS (Canada). Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm BTCT bằng
phương pháp dán gần bề mặt (NSM) vật liệu FRP giải quyết được các vấn đề tồn tại của
phương pháp dán ngoài (EB) do vật liệu FRP được bảo vệ tốt hơn đối với các tác động
12


từ mơi trường bên ngồi. Bài báo trình bày kết quả phân tích so sánh giữa hai hướng dẫn
thiết kế tăng cường sức kháng uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng phương pháp NSM
theo ACI 440.2R-08 (Mỹ) và ISIS (Canada).
Nguyễn Trung Hiếu và Lý Trần Cường nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả gia cường dầm
bê tông bị nứt bằng vật liệu tấm sợi các bon CFRP. Các tác giả nghiên cứu kết quả
nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của dầm BTCT chịu uốn bị nứt được gia cường
bằng vật liệu tấm sợi các bon (CFRP). 6 mẫu dầm thí nghiệm có cùng kích thước hình
học và cấu tạo cốt thép đã được chế tạo, trong đó 2 mẫu dầm không được gia cường, 2
mẫu dầm không bị nứt và 2 mẫu bị nứt trước được gia cường kháng uốn bằng tấm sợi
CFRP. Kết quả thí nghiệm thu được về cơ chế phá hoại, tải trọng nứt... cho thấy hiệu
quả của việc sử dụng tấm sợi CFRP trong gia cường kháng uốn kết cấu dầm BTCT bị
nứt.
Qua cái bài báo và các nghiên cứu trong và ngoài nước đã nêu ở trên cho thấy việc sử
dụng tấm CFRP trong gia cường hiện tai được sử dụng rất nhiều cho các khung, nút
khung, dầm, cột.

Hiện nay, các tiêu chuẩn hay hướng dẫn thiết kế gia cường kết cấu sử dụng vật liệu FRP
như ACI 440.2R-08 (2008), ISIS (Canada) đều đưa ra các chỉ dẫn cho việc đánh giá
định lượng ảnh hưởng hiệu quả làm việc của tấm CFRP gia cường
Đề tài nghiên cứu thực nghiệm khảo sát ứng xử khung bê tơng cốt thép một nhịp một
tầng có vết nứt được gia cường CFRP chịu tải đứng và ngang kết hợp. Chương trình
thực nghiệm được tiến hành trên khung BTCT chịu tải trọng đẩy ngang và chịu tải trọng
đứng đồng thời được sữa chữa tại các liên kết dầm-cột và cột-gối tựa bằng tấm sợi CFRP.
Hai khung chịu tải trọng có chu kỳ định sẵn và gia tải cho đến khi bị phá hủy. Điểm
mạnh của nghiên cứu này so với các nghiên cứu trước đây là thực hiện việc khôi phục
lại khung bằng keo epoxy bơm vào các vết nứt sau khi khung bị phá hủy, thực hiện gia
cường tấm CFRP tại các nút của khung sau hồi phục bằng keo Epoxy và tiến hành cơng
tác thí nghiệm trên khung đã gia cường để đánh giá khả năng hồi phục của khung so với
khung nguyên bản ban đầu. Đánh giá về khả năng chịu lực, ứng xử của khung, vết nứt
hình thành và phát triển trong quá trình gia tải, so sánh độ cứng, khả năng hấp thụ năng
lượng của khung trước khi gia cường và sau khi gia cường.

13


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1. DẠNG PHÁ HOẠI ĐIỂN HÌNH CỦA DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP (BTCT)
KHI ĐƯỢC GIA CƯỜNG TẤM CFRP
Khác với cốt thép, vật liệu CFRP có ứng xử gần như đàn hồi lý tưởng cho đến
khi phá hoại. Thí nghiệm trên các dầm BTCT gia cường bằng tấm CFRP của Meier và
Kaiser (1991) và của Meier và Deuring (1991) cho thấy, tấm CFRP làm tăng độ cứng
và khả năng chịu lực của dầm, tuy nhiên, dầm có thể bị phá hoại đột ngột khi đạt đến tải
trọng cực hạn. Dầm gia cường tấm CFRP bị phá hoại do đứt tấm CFRP hoặc bong tách
tấm CFRP do mất kết dính với bề mặt bê tơng. Kiểu phá hoại này có thể gây nên sự
giảm đột ngột khả năng chịu lực của dầm và dẫn đến kiểu phá hoại dòn.
Colotti và Spadea (2001) chỉ ra nguyên nhân tấm CFRP bị bong tách trong nghiên

cứu của hai tác giả là do hiện tượng tập trung ứng suất cắt lớn ở mặt tiếp xúc tại các
điểm đầu của tấm dán dọc gây ra bong tách FRP hoặc xé toạc lớp bê tông bảo vệ sát với
lớp cốt thép chịu lực bên trong. Việc bong tách bắt đầu từ các điểm đầu dán tấm CFRP
và từ đó phát triển dọc theo trục dầm. Vết nứt uốn, xiên và ngang hình thành trong bê
tơng góp phần góp phần làm cho tấm CFRP tách ra khỏi dầm.
Bonacci và Maalej (2001) chỉ ra việc đánh giá tiềm năng thực sự của việc sử dụng
FRP để sửa chữa và tăng cường các thành viên RC, và kết luận rằng các nghiên cứu
trong tương lai về ứng dụng FRP cho các thành viên RC nên tập trung vào các điều kiện
tương tự như những gì được quan sát trên thực địa, bao gồm các tác động của tải bền
vững trong quá trình sửa chữa / tăng cường cũng như thiệt hại do ăn mòn và tải trọng.
Teng cùng cộng sự (2003) chỉ ra rằng dạng phá hoại chủ yếu của dầm bê tông cốt
thép (BTCT) gia cường vật liệu CFRP là do sự bong tách tấm CFRP ra khỏi bề mặt bê
tông trước khi tấm CFRP bị phá hoại. Đây là dạng phá hoại không mong đợi vì khơng
tận dụng được hết khả năng chịu lực của tấm CFRP.

14


2.2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU FRP DÁN
NGOÀI
2.2.1 Tổng quan vật liệu CFRP
Tấm sợi carbon được viết tắt là CFRP có tên đầy đủ là Carbon Fiber Reinforced Polymer
hoặc Carbon Fiber Reinforced Plastic vật liệu bao gồm một loại polymer (thường là
duroplastics, nhựa nhiệt dẻo) được sử dụng như một loại vật liệu ma trận trong đó sợi
carbon với đường kính của một vài micromet được nhúng. Chúng bao gồm các dạng
cuộn sợi, dạng thanh, vải dệt sẵn định hình cho việc chịu lực và mỗi dạng lại có nhiều
mức cường độ chịu kéo khác nhau từ thấp đến siêu cao. Căn cứ vào các sản phẩm đó,
các nhà thiết kế có thể chọn ra những dải vật liệu phù hợp cho việc gia cường vào cấu
trúc theo u cầu đã tính tốn.
CFRP nói chung là loại vật liệu có trọng lượng nhẹ, cường độ chịu kéo cao và khơng bị

ăn mịn. Sợi Carbon rất bền và có khả năng chống chịu tốt trong điều kiện mơi trường
nóng ẩm nhờ vào khả năng khơng hấp thụ độ ẩm. Đối với tác động dài hạn, sợi Carbon
cũng cho thấy khả năng kháng mỏi rất tốt. Với tác dụng nhiệt, sợi Carbon có hệ số giản
nở là âm và rất bé theo chiều dọc, do đó tạo ra được độ ổn định tuyệt vời trong quá trình
làm việc.
Đối với tác động dài hạn, sợi Carbon cũng cho thấy khả năng kháng mỏi rất tốt. Với tác
dụng nhiệt, sợi Carbon có hệ số giản nở là âm và rất bé theo chiều dọc, do đó tạo ra được
độ ổn định tuyệt vời trong quá trình làm việc.Chúng bao gồm các dạng cuộn sợi, dạng
thanh, vải dệt sẵn định hình cho việc chịu lực và mỗi dạng lại có nhiều mức cường độ
chịu kéo khác nhau từ thấp đến siêu cao
Đặc điểm nổi bật khi gia cố kết cấu bằng tấm sợi Carbon (CFRP - Carbon Fiber):
• Khơng đục phá kết cấu hiện có.
• Khơng ảnh hưởng đến kiến trúc hiện trạng của cơng trình.
• Khơng làm tăng tải trọng của cơng trình.
• Thời gian thi cơng nhanh.
2.2.2 Kỹ thuật thi công
Thông thường việc thi công tấm FRP gồm các bước: chuẩn bị sửa chữa bề mặt
bê tông, sơn lót tăng cường độ bám dính, trét phẳng bề mặt, phủ keo hoặc nhựa dán, đặt

15


tấm dán lên lớp keo, chờ lớp keo khô với thời gian quy định rồi dán các lớp tiếp theo,
cuối cùng đợi cấu kiện khơ hồn tồn thì sơn phủ bảo vệ và thẩm mỹ.
Hiện nay phổ biến nhất là hai phương pháp thi công đối với loại vật liệu tấm (sheet) và
vải (fabric) FRP: dán theo phương pháp khô (dry lay-up) và dán theo phương pháp ướt
(wet lay -up).
Thi cơng dán theo phương pháp khơ (dry lay-up)
Q trình thi cơng dán tấm FRP bằng phương pháp khơ có thể chia làm sáu bước:
Bước 1: Chuẩn bị bề mặt bê tơng

Bước 2: Sơn lót kết cấu cần gia cố
Bước 3: Phủ bột trét làm phẳng bề mặt
Bước 4: Phủ lớp keo thứ nhất
Bước 5: Dán tấm FRP
Bước 6: Phủ lớp keo thứ hai
Thi công dán tấm FRP theo kiểu ướt (wet lay-up)
Phương pháp dán tấm FRP theo kiểu ướt về trình tự rất giống với phướng pháp
khơ. Tuy nhiên phương pháp ướt khác biệt trong bước thoa keo nhúng tấm nhựa FRP.
Khi dán tấm FRP bằng phương pháp ướt ta chỉ sử dụng tấm vải FRP dạng khô chưa tẩm
nhựa. Tấm FRP khô sẽ được tẩm đẫm nhựa đến khi bão hồ và được dán lên bề mặt bê
tơng đã được xử lý kỹ.
2.3. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG TẤM
CFRP.
Niroomandi cùng cộng sự [2010] đánh giá hiệu suất của một khung RC gia cường
thêm FRP. Mối quan hệ moment xoay của các nút RC được gia cường thêm CFRP sợi
ngoại quan, được phát triển bởi Mahini và Ronagh [2010], thu được bằng cách sử dụng
phần mềm ANSYS [2005]. Họ cho thấy mức độ hiệu suất và hệ số ứng xử địa chấn của
khung RC được gia cường FRP đã được cải thiện hoặc thậm chí tăng cường đáng kể so
với khung gốc.
Hadigheh cùng cộng sự [2013] thu được thêm độ cứng theo moment quay của
các liên kết được gia cường thêm FRP sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS
[2007] và đã chứng minh hiệu suất của các cột khung - dầm RC yếu được tăng cường
tại các khớp bởi FRP. Gần đây hơn, Ronagh và Eslami [2013] đã chỉ ra sự tăng cường
16


uốn cong thành cơng của nghiên cứu điển hình mã tương thích 8 tầng của khung RC như
một đại diện của trung gian các cấu trúc sử dụng các polyme gia cố bằng sợi thủy tinh /
sợi carbon (GFRP / CFRP).
2.4. TÍNH TỐN THEO TIÊU CHUẨN ACI 440.2R-08

Hiện trong nước chưa có các tiêu chuẩn thiết kế, thi cơng gia cường kết cấu BTCT
sử dụng FRP việc tính tốn thiết kế được thực hiện theo một số tiêu chuẩn nước ngoài
như ISIS (Canada); ACI 40.2R-08. Trong bài luận văn này sử dụng phương pháp tính
tốn theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-08.
2.5. CÁC VẤN ĐỀ RÚT RA
Các nghiên cứu trước đây tập trung nghiên cứu dầm, cột, nút khung, khung phẳng, khung
không gian, gia cường CFRP tại các nút khung để mô tả ứng xử tại nút khung khi gia
cường và khả năng làm việc sau gia cường tại nút của khung không gian hay khung
phẳng so với các khung BTCT thông thường.
Nghiên cứu này là một phần nhỏ so với các nghiên cứu trong và ngoài nước, tập trung
nghiên cứu ứng xử của khung bê tông cốt thép trước và sau khi gia cường CFRP, phát
triển vết nứt, phá hoại của khung BTCT, phá hoại của tấm CFRP. Chính yêu của nghiên
cứu này là làm rõ các ứng xử thép, bê tông, chuyển vị của khung một nhịp một tầng
được phục hồi bằng keo và tấm CFRP sau khi bị phá hoại tại các nút khung, cụ thể là
bốn nút ở bốn góc khung phẳng. Quan hệ giữa lực và chuyển vị của khung, tải trọng phá
hủy khi gia tải, chỉ ra được khả năng hồi phục bằng keo và tấm CFRP là đạt hiệu quả.

17


CHƯƠNG 3. MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU
3.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Dựa vào kết quả đã trình bày ở phần tổng quan, đề tài nghiên cứu này sẽ tập trung
vào những mục tiêu chính sau:
Khảo sát vết nứt của khung BTCT phẳng một nhịp và một tầng sau khi gia cường
CFRP để so sánh kết quả của khung nguyên bản.
Khảo sát ứng xử của tấm CFRP sau gia cường bằng tải trọng ngang và tải trọng
đứng kết hợp đồng thời, sự làm việc của CFRP và bong tách.
Khảo sát vết nứt của khung BTCT sau phá hoại khi đã gia cường CFRP.

So sánh làm việc của khung thí nghiệm thực tế trước gia cường và sau gia cường,
đánh giá khả năng làm việc và hồi phục của khung phẳng trong nghiên cứu.
3.2. Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU
3.2.1. Ý nghĩa khoa học
Đề tài nghiên cứu tập trung vào khung phẳng sau khi bị phá hoại do tác dụng của
ngoại lực. Xử lý làm thí nghiệm của khung cung cấp các giá trị thực nghiệm về ứng xử
chịu tải của khung phẳng BTCT chịu tải ngang và đứng đồng thời với sự tham gia của
vật liệu gia cường CFRP. Tải trọng lớn nhất mà khung sau gia cường có thể chịu được
khi tác dụng tải cũng như dạng phá hoại của kết cấu.
3.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Xác định khả năng chịu lực của kết cấu sau khi gia cường bằng vật liệu CFRP,
cũng như độ bám dính của vật liệu CFRP với vật liệu bê tông, phục vụ cho các công tác
gia cố, gia cường tăng khả năng chịu lực của kết cấu cơng trình bị hư hỏng hoặc bị yếu
về mặt chịu lực do thay đổi kết cấu cơng trình cho các kỹ sư trong nước.
3.3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu của đề tài này là làm thực nghiệm tại phịng thí
nghiệm trên hai khung phẳng.

18