Luận án: Gia cường FRP cho dầm BTCT bị cháy - Nghiên cứu của Nguyễn Nguyên Vũ, ĐHBK TPHCM 2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGUYÊN VŨ GIA CƯỜNG FRP CHO DẦM BTCT BỊ CHÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYỄN NGUYÊN VŨ FRP STRENGTHENING OF POSTFIRE RC BEAMS A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY - 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGUYÊN VŨ GIA CƯỜNG FRP CHO DẦM BTCT BỊ CHÁY Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng Mã số chuyên ngành : 9580201 Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện: PGS.

Nguyễn Duy Liêm Phản biện: PGS. Nguyễn Văn Hiếu Phản biện: PGS. Hồ Đức Duy NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. LƯƠNG VĂN HẢI LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả.

Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Nguyên Vũ i TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án này nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép (BTCT) bị cháy không có và có gia cường bằng vật liệu polyme cốt sợi (FRP). Để đạt được mục tiêu này, nghiên cứu sẽ được chia làm bốn giai đoạn.

Giai đoạn 1 nghiên cứu dầm BTCT bị cháy không gia cường FRP nhằm đánh giá khả năng chịu tải của dầm BTCT sau hỏa hoạn, đây là bước quan trọng để cung cấp thông tin cho bước thiết kế gia cường tiếp theo. Nghiên cứu thực nghiệm trên 15 dầm BTCT, chia thành 5 nhóm bị cháy 0 (dầm đối chứng), 30, 45, 60, và 75 phút. Sau đó, các dầm này được gia tải đến khi phá hoại. Kết quả cho thấy độ cứng, tải trọng chảy, độ võng chảy, và độ dẻo là các đại lượng cần được ưu tiên trong việc đánh giá dầm BTCT bị cháy.

Nghiên cứu lý thuyết đã đề xuất mô hình tính mô men của dầm BTCT bị cháy. Giai đoạn 2 nghiên cứu dầm BTCT bị cháy gia cường thanh polyme sợi thủy tinh (GFRP) bằng kỹ thuật cắt rãnh (NSM). Nghiên cứu thực nghiệm trên 9 dầm BTCT, trong đó một dầm không bị cháy làm dầm đối chứng và 8 dầm được chia thành hai nhóm bị cháy 30 và 60 phút. Trong mỗi nhóm, một dầm không gia cường, trong khi ba dầm còn lại gia cường theo 3 cấu hình khác nhau.

Sau đó, các dầm được gia tải đến khi phá hoại. Kết quả thí nghiệm cho thấy kỹ thuật gia cường đã phục hồi khả năng chịu tải của dầm BTCT bị cháy một cách hiệu quả. Dạng phá hoại của dầm bị cháy được gia cường NSM GFRP là bong tách lớp bê tông (peeling-off); trong khi đó, dạng phá hoại của dầm đối chứng và dầm bị cháy không được gia cường là phá hoại uốn. Việc gia cường NSM GFRP đã phục hồi hoàn toàn hoặc tăng đáng kể cường độ chảy và cường độ tới hạn của các dầm BTCT lên đến 39%.

Độ võng chảy của dầm được gia cường cao hơn nhiều so với dầm đối chứng. Bên cạnh đó, độ võng tới hạn của các dầm này giảm đáng kể. Dẫn tới, các dầm bị cháy gia cường GFRP có độ dẻo thấp. Gia cường NSM GFRP đã cải thiện nhưng không phục hồi hoàn toàn độ cứng bị giảm do cháy.

Nghiên cứu lý thuyết đã đề xuất mô hình tính mô men của dầm BTCT bị cháy gia cường NSM FRP cho kết quả có độ chính xác phù hợp. Giai đoạn 3 nghiên cứu dầm BTCT bị cháy gia cường tấm polyme sợi carbon (CFRP) bằng kỹ thuật dán ngoài (EB) và NSM. Nghiên cứu thực nghiệm trên 16 dầm BTCT, ii chia thành 4 nhóm bị cháy 30, 45, 60, và 75 phút. Các dầm sau khi bị cháy sẽ được gia cường bằng kỹ thuật EB và NSM bằng cách dùng một lượng CFRP giống nhau để so sánh.

Sau đó, những dầm này được gia tải đến khi phá hoại. Dạng phá hoại và các đặc trưng cơ học của các dầm được so sánh với nhau và so sánh với dầm đối chứng. Kết quả cho thấy rằng các dầm gia cường CFRP bằng kỹ thuật EB và NSM đều bị phá hoại ở dạng bong tách lớp bê tông và sự kéo đứt của CFRP đã không xảy ra. Gia cường CFRP đã thay đổi đáng kể ứng xử của dầm BTCT bị cháy, dầm BTCT trở nên giòn hoặc có độ dẻo thấp.

Hiệu quả của các kỹ thuật gia cường EB và NSM là tương tự nhau và hiệu quả giảm khi thời gian cháy tăng lên. Gia cường CFRP tăng khả năng chịu tải chảy lên 27,5%40,9% đối với dầm BTCT cháy 3060 phút và khôi phục được khả năng chịu tải chảy cho dầm BTCT bị cháy 75 phút. Gia cường CFRP làm tăng đáng kể khả năng chịu tải tới hạn và mức độ tăng không chỉ phụ thuộc vào cấu hình gia cường mà còn cả thời gian cháy. Cả hai kỹ thuật gia cường EB và NSM đều khôi phục thành công độ cứng của dầm BTCT bị cháy.

Nghiên cứu lý thuyết đề xuất mô hình tính mô men của dầm BTCT bị cháy gia cường EB và NSM FRP cho thấy độ chính xác phù hợp. Giai đoạn 4 nghiên cứu dầm BTCT bị cháy gia cường tấm CFRP bằng kỹ thuật EB có sử dụng hệ neo U (U-wrap). Nghiên cứu thực nghiệm trên 11 dầm BTCT bị cháy với thời gian khác nhau, sau đó được gia cường chịu uốn và chịu cắt bằng CFRP. Kết quả chỉ ra rằng hỏa hoạn đã dịch chuyển từ dạng phá hoại uốn sang dạng phá hoại uốn-cắt của dầm BTCT bị cháy.

Dầm BTCT bị cháy được gia cường CFRP thì dạng phá hoại là bong tách lớp bê tông. Gia cường FRP làm tăng đáng kể độ võng chảy 57,3−97,3% nhưng giảm độ võng tới hạn 43,0−55,5% khi so sánh với dầm đối chứng. Do đó, độ dẻo giảm 69,7−74,7% và được phân loại là độ dẻo thấp. Việc gia cường CFRP đã thành công trong việc tăng cường độ cho dầm bị cháy 30 phút lên 19,7% khi so sánh với dầm đối chứng.

Hỏa hoạn làm giảm đáng kể độ cứng của dầm bị cháy 46,4−49,2% so với dầm đối chứng, trong khi việc gia cường CFRP cho dầm bị cháy không phục hồi hoàn toàn độ cứng. Nghiên cứu lý thuyết đề xuất mô hình xác định khả năng chịu tải của dầm BTCT bị cháy không có và có gia cường EB CFRP có sử dụng U-wrap. iii ABSTRACT This dissertation presents an experimental and theoretical investigation on the flexural performance of postfire reinforced concrete (RC) beams without/with fiber reinforced polymer (FRP) retrofitting. To achieve this aim, the research will be divided into four parts as follows.

Part one presents a study on postfire RC beams without FRP retrofitting because evaluating the performance of postfire RC beams is a crucially important step to provide information for structural engineers on the next step of retrofitting design. Experiments were performed on 15 RC beams, which were classified into 5 groups exposed to 0, 30, 45, 60, and 75 min of fire. These beams were then loaded to failure. The results showed that significant changes in yield stiffness, yield deflection, and ductility confirmed these high-priority parameters in evaluating postfire RC beams.

An analytical model for estimating the moment of postfire RC beams was proposed. Part two presents a study on postfire RC beams with near-surface mounted glass fiber- reinforced polymer (NSM GFRP) retrofitting. Experiments were performed on 9 RC beams: one beam was not exposed to fire (control specimen) and eight beams were divided into two groups exposed to fire for 30 and 60 min. In each group, one beam was not retrofitted, whereas the other three beams were retrofitted using NSM GFRP.

After retrofitting, all beams were loaded until failure. The experimental results confirmed that the retrofitting technique effectively recovered the strengths of postfire RC beams. The failure mode of the GFRP retrofitted beams was the peeling-off of concrete, whereas that of the control and unretrofitted postfire beams was flexural failure via the yielding of tension steel. The NSM GFRP retrofitting fully recovered or significantly increased the yield and ultimate strengths of postfire RC beams by up to 39%.

The yield deflection capacity of the NSM GFRP retrofitted postfire beams was much higher than that of the control beam; however, the ultimate deflection capacity of these beams significantly decreased. Consequently, the GFRP retrofitted postfire beams were of low ductility because of the peeling-off of concrete. NSM GFRP retrofitting slightly improved but did not completely recover the yield stiffness reduced by fire. An analytical model for estimating the moment of postfire RC beams retrofitted with NSM GFRP was proposed.

iv Part three presents a study on postfire RC beams retrofitted with external bonded (EB) and NSM carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheet. Experiments were performed on 16 RC beams, which were divided into four groups exposed to 30, 45, 60, and 75 min of fire. After exposure to fire, these beams were strengthened by EB and NSM technique using the same amount of CFRP for comparison. These specimens were then loaded until failure.

The results are compared with one another and compared with control specimens. It is found that both EB and NSM CFRP retrofitted beams failed in the form of peeling off of concrete, whereas no rupture of CFRP was observed. CFRP retrofit significantly changed the behavior of postfire RC beams, being brittle or exhibiting low ductility. The effectiveness of EB and NSM CFRP techniques was similar and it decreased with the increase in fire duration.

CFRP retrofit increased the yield load-carrying capacity by 27.9% for 3060-min postfire RC beams and recovered the yield load-carrying capacity for 75-min postfire RC beams. CFRP retrofit significantly increased the ultimate load-carrying capacity, whereas its increasing levels depended not only on the CFRP retrofit but also on the fire duration. Both CFRP retrofitting techniques successfully recovered the yield stiffness of postfire RC beams. An analytical model for estimating the moment of postfire RC beams with EB and NSM CFRP retrofitting was proposed.

Part four presents a study on postfire RC beams retrofitted with EB CFRP sheet using U wraps. Experiments were conducted on 11 RC beams, which were exposed to different fire durations and retrofitted with CFRP in flexure and shear. The experimental results indicated that fire shifted the flexure failure to flexure-shear failure of postfire RC beams. CFRP retrofitted postfire RC beams experienced progressive peeling-off failure.

FRP retrofitting significantly increased the yield deflection by 57.3% but decreased the ultimate deflection by 43.5% compared with that of the control beam. Consequently, the ductility was reduced by 69.7%, categorized as low ductility. CFRP retrofitting successfully increased the strengths of 30-min postfire beams by up to 19.7% higher than that of the control beam. Fire significantly decreased the stiffness of postfire beams by 46.2% compared with that of the control beam, whereas CFRP retrofitting did not fully recover the stiffness of postfire beams.

A simple model of moment capacity of postfire beams with CFRP retrofits was developed.