Luận án TS Phan Vũ Phương: Gia cường kháng uốn dầm BTCT căng sau CFRP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN VŨ PHƯƠNG HIỆU NĂNG GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG CĂNG SAU DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN VŨ PHƯƠNG HIỆU NĂNG GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CỦA TẤM CFRP CHO DẦM BÊ TÔNG CĂNG SAU DÙNG CÁP KHÔNG BÁM DÍNH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng và Công Nghiệp Mã số chuyên ngành: 62580208 Phản biện độc lập 1: TS.

Trần Văn Phúc Phản biện độc lập 2: PGS. Nguyễn Trung Hiếu Phản biện 1: PGS. Lê Anh Thắng Phản biện 2: TS. Nguyễn Đình Hùng Phản biện 3: PGS.

Hồ Đức Duy NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Nguyễn Minh Long 2. Ngô Hữu Cường 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 Phan Vũ Phương i TÓM TẮT LUẬN ÁN Nhờ vào các đặc tính kỹ thuật nổi trội của vật liệu CFRP như có cường độ cao, trọng lượng riêng nhẹ, không dẫn điện, không nhiễm từ, không bị ăn mòn, thi công đơn giản, giải pháp sử dụng vật liệu CFRP cho công tác sửa chữa hoặc gia cường cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) và bê tông ứng suất trước (BTUST) đã cho thấy được tính hiệu quả cao của nó bên cạnh các giải pháp truyền thống hiện hữu. Tuy nhiên, một vài nghiên cứu hiện nay về ứng xử uốn của dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường tấm CFRP đều chưa đề cập đầy đủ và lượng hóa tường minh ảnh hưởng của tấm CFRP gia cường đến sự làm việc của cáp và dầm; và chưa thấy đề cập đến ảnh hưởng của tải trọng lặp. Bên cạnh đó, đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông là một yếu tố chủ đạo quyết định đến hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm BTCT và dầm BTUST; tuy nhiên, đặc tính này chưa được trình bày đầy đủ và có hệ thống, đặc biệt cho trường hợp dầm BTUST dùng cáp không bám dính.

Các vấn đề vừa nêu dẫn đến sự thiếu vắng của các điều khoản thiết kế cho trường hợp cấu kiện hay dầm BTUST dùng cáp không bám dính trong các hướng dẫn thiết kế gia cường hiện hành bằng vật liệu FRP. Luận án này nghiên cứu về đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông và hiệu năng gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính. Các mục tiêu chính của luận án bao gồm: (1) phân tích thực nghiệm đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông trên dầm BTUST dùng cáp không bám dính và làm rõ sự khác biệt với đặc tính bám dính của tấm CFRP với bê tông trên các mẫu kéo trượt thông dụng hiện nay một cách có hệ thống; (2) phân tích thực nghiệm ứng xử và định lượng hóa hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính; và (3) xây dựng một mô hình bám dính - trượt của liên kết tấm CFRP – bê tông cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính và đề xuất một công thức mới tính biến dạng của cáp trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính có kể đến ảnh hưởng của tấm gia cường kháng uốn CFRP phục vụ cho quy trình thiết kế gia cường kháng uốn bằng tấm CFRP cho dầm BTUST dùng cáp không bám dính. Phục vụ cho các mục tiêu thực nghiệm, chương trình thực nghiệm chính trên hai mươi dầm BTUST giản đơn dùng cáp không bám dính tiết diện chữ T kích thước lớn được ii thực hiện.

Các thông số khảo sát chính bao gồm số lớp tấm CFRP (0, 2, 4, và 6 lớp), tình trạng dầm trước khi gia cường (dầm nguyên và dầm nứt), loại tải trọng (tải trọng đơn điệu và tải trọng lặp), và kiểu neo U-CFRP (tập trung và phân bố đều). Ngoài ra, để phân tích và làm rõ sự khác biệt về đặc tính bám dính giữa tấm CFRP-bê tông trong các mẫu kéo trượt đơn thường dùng hiện nay so với của mẫu dầm BTUST dùng cáp không bám dính, chương trình thí nghiệm nhỏ hơn được tiến hành trên bảy mẫu kéo trượt. Kết quả thực nghiệm về đặc tính bám dính của tấm CFRP gia cường kháng uốn trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính cho thấy có sự khác biệt lớn về sự phân bố biến dạng và giá trị biến dạng bong tách của tấm CFRP trong các mẫu dầm BTUST dùng cáp không bám dính so với của các mẫu kéo trượt thuần túy (chênh lệch lên tới 250% so với dầm không neo và 490% so với dầm có neo). Kết quả kiểm chứng cho thấy các công thức dự đoán cường độ bám dính trong các nghiên cứu trước đây và trong các hướng dẫn, tiêu chuẩn thiết kế gia cường hiện hành dự đoán cường độ bám dính của tấm CFRP trong dầm BTUST dùng cáp không bám dính, đặc biệt khi dùng hệ neo CFRP dạng U- wraps rất thấp so với thực nghiệm (trung bình 42%).

Kết quả thực nghiệm về ứng xử uốn của dầm BTUST dùng cáp không bám dính gia cường tấm CFRP chịu tải trọng tĩnh đơn điệu và tải trọng lặp cho thấy biến dạng cáp trong các dầm gia cường chịu tác động đáng kể bởi tấm CFRP gia cường kháng uốn và hệ neo CFRP dạng dải U. Tấm CFRP ảnh hưởng đáng kể đến khả năng kháng uốn (tăng đến 65%), bề rộng vết nứt (giảm đến 84% trong giai đoạn sử dụng) và chuyển vị của dầm (tăng đến 65%); tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng tỉ lệ nghịch với số lớp tấm CFRP. Tải trọng lặp ảnh hưởng đáng kể đến khả năng kháng uốn còn lại, biến dạng và bề rộng vết nứt của dầm gia cường ở giai đoạn thí nghiệm tải đơn điệu sau lặp, đặc biệt trong giai đoạn sử dụng, nhưng không đáng kể trong giai đoạn bền. Trong giai đoạn chịu tải trọng lặp, tấm CFRP làm giảm đáng kể chuyển vị dư (đến 19%), chuyển vị (đến 34%) và bề rộng vết nứt lớn nhất của dầm (đến 21%) so với các dầm tương ứng trong nhóm chịu tải trọng tĩnh đơn điệu; và sự giảm này tỉ lệ thuận với số lớp gia cường và số chu kỳ gia tải lặp.

Hệ neo U-wraps với vùng bố trí khác nhau ảnh hưởng rõ nét đến dạng phá hoại của dầm, làm tăng đáng kể biến dạng cuối cùng của tấm CFRP và cáp, và độ dẻo của dầm. Biến dạng bong tách của tấm CFRP tính toán từ các hướng dẫn và tiêu chuẩn iii thiết kế gia cường kết cấu bê tông dùng tấm FRP dán ngoài hiện hành, mặc dù đều cho kết quả an toàn, nhưng nhìn chung, đang đánh giá thấp giá trị biến dạng bong tách của tấm CFRP cho trường hợp dầm BTUST dùng cáp không bám dính. Công thức tính biến dạng của cáp không bám dính có kể đến ảnh hưởng của tấm CFRP được đề xuất trong luận án cho kết quả gần với thực nghiệm với độ phân tán thấp và dễ sử dụng. Công thức này và mô hình tính biến dạng bong tách của tấm CFRP được đề xuất trong luận án có thể được dùng để bổ sung vào các điều khoản thiết kế gia cường kháng uốn cho dầm BTUST cáp không bám dính dùng tấm CFRP vốn còn thiếu trong các tiêu chuẩn hiện hành.

iv ABSTRACT Thanks to the outstanding technical characteristics of CFRP materials such as high strength, lightweight, non-conductivity, non-magnetism, non-corrosiveness, simple construction, the solution of using CFRP materials for retrofitting or strengthening of reinforced concrete (RC) and post-tensioned concrete (PC) structures has shown its high efficiency besides existing traditional solutions. However, the current limited studies on the flexural behavior of unbonded post-tensioned reinforced concrete (UPC) beams strengthened with CFRP sheets have not fully mentioned and quantified the influence of CFRP sheets for strengthening on the performance of the tendons and the beams, and the effects of repeated loads as well on the performance of UPC beams. Another pivotal factor controlling the effectiveness of the CFRP strengthening system for RC and PC beams is the interfacial bond behavior of CFRP sheets and concrete. However, this behavior has not been fully and systematically investigated in the published literature, especially in the case of PC beams using unbonded tendons.

The problems mentioned above lead to the absence of design provisions for PC members using unbonded tendons in current design guidelines for strengthening concrete structures using FRP materials. This thesis studies the interfacial bond behavior of CFRP-to-concrete joints and the flexural-strengthening efficiency of CFRP sheets on UPC beams. The main objectives of the thesis include: (1) experimentally analyze the interfacial bond behavior of CFRP sheets and concrete on UPC beams and clarifying the difference between this bond behavior and the CFRP-to-concrete bond behavior on single-lap shear specimens (the prevailing bond behavior) in a systematic way; (2) experimentally investigate of the behavior and quantification of the flexural-strengthening efficiency of CFRP sheets on UPC beams, and (3) develop an interfacial bond-slip model of CFRP-to-concrete joints for UPC beams and propose a new formula for calculating the strain of unbonded tendons in UPC beams including the effect of CFRP sheets serving for the design procedure of flexural strengthening using CFRP sheets for UPC beams. Regarding the experimental program, the test consisted of 20 large-scale UPC T-beams.

The main survey parameters included the number of CFRP sheet layers (0, 2, 4, and 6 v layers), beam condition before strengthened (uncracked and pre-cracked), loading type (monotonic and repeating loading), and CFRP U-wrap anchors type (concentrated and evenly distributed). In addition, to analyze and clarify the difference between the interfacial CFRP-to-concrete bond in UPC beams and that in single-lap shear specimens which are commonly used, a small test program was conducted on seven single-lap shear specimens. The experimental results showed that the interfacial bond behavior in the beams was very different from that in the single-lap shear tests in terms of the debonding strain and strain distribution of CFRP sheets (up to 250% compared to the beams without U-wraps and 490% compared to beams with U-wraps). The test results also showed that the accuracy of some existing codes and models in estimating the bond strength of CFRP- to-concrete joints in UPC beams (especially with CFRP U-wrap anchor systems) are very low compare to experimental data (42% on average).

The experimental results on the flexural behavior of UPC T-beams strengthened with CFRP sheets under monotonic and repeated loads showed that the use of CFRP sheets and CFRP U-wrap anchors significantly affected the tendon strain. CFRP sheets significantly affected the beam flexural resistance (increased by up to 65%), crack width (decreased by up to 84% in the serviceability stage), and beam displacement (increased by up to 65%); however, this enhancement tended to decrease as the CFRP sheet ratio increased.