Luận án: Ứng xử nén cột BTCT hư hỏng gia cường bằng tấm CFRP và BFRP - Huỳnh Xuân Tín

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH XUÂN TÍN ỨNG XỬ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP VÀ BFRP 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 HUỲNH XUÂN TÍN BEHAVIOR OF ENVIRONMENT-AFFECTED REINFORCED CONCRETE COLUMNS STRENGTHENED BY CFRP AND BFRP SHEETS A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY - 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH XUÂN TÍN ỨNG XỬ NÉN CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ HƯ HỎNG ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP VÀ BFRP Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số chuyên ngành: 9580201 Phản biện độc lập : TS.

Trần Văn Phúc Phản biện độc lập : PGS. Nguyễn Trung Hiếu Phản biện : PGS. Trần Cao Thanh Ngọc Phản biện : PGS. Bùi Quốc Bảo Phản biện : 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 Huỳnh Xuân Tín i TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án này trình bày nghiên cứu về ứng xử nén của cột BTCT có bê tông bị suy biến bởi tác động bởi ion sun-phát và có cốt thép chịu lực bị ăn mòn được bó hông bằng tấm sợi các-bon (CFRP) và tấm sợi ba-zan (BFRP). Mục tiêu chính của luận án là: (1) khảo sát thực nghiệm và đánh giá định lượng ảnh hưởng của ion sun-phát đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP cho cột BTCT; (2) phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc và đai đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP/BFRP cho cột BTCT chịu nén lệch tâm với độ lệch tâm khác nhau; (3) phân tích tương tác giữa các thành phần tham gia chịu lực (cốt đai, cốt dọc, lưới sợi CFRP/BFRP gia cường bó hông và dọc) và độ lệch tâm đến ứng xử tổng thể và khả năng chịu nén của cột BTCT; và (4) đề xuất quy trình tính khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép, độ lệch tâm, và số lớp tấm CFRP/BFRP bó hông. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm của luận án được thực hiện lần lượt dựa trên hai chương trình.

Chương trình thứ nhất nghiên cứu ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT có bê tông bị suy biến bởi tác động bởi ion sun-phát được thực hiện trên 24 mẫu cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP với số lớp CFRP thay đổi, cường độ bê tông và số chu kỳ khô/ướt tác động của môi trường ma-giê sun-phát thay đổi. Chương trình thứ hai nghiên cứu ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT bị ăn mòn cốt thép được gia cường bằng tấm CFRP và BFRP, được thực hiện trên 40 mẫu cột BTCT với các tham số thay đổi bao gồm mức độ ăn mòn của cốt thép, độ lệch tâm và số lớp tấm CFRP/BFRP. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của ăn mòn sun-phát cho thấy ion sun-phát làm giảm đáng kể đến độ cứng dọc trục của cột (lên tới 36,0% ), dẫn đến sự gia tăng đáng kể của chuyển vị dọc trục (lên tới 40,0%) và mức độ tăng này tăng theo số chu kỳ tác động và giảm theo sự gia tăng của cường độ bê tông và số lớp CFRP gia cường. Ion sun-phát làm giảm mạnh khả năng chịu lực của cột không gia cường (lên đến 29,4%), nhưng chỉ làm giảm nhẹ khả năng chịu nén của cột gia cường (xấp xỉ 3,7%).

Mức độ suy giảm này tăng theo số chu kỳ tác động và giảm dần khi cường độ bê tông và số lớp CFRP gia cường của mẫu cột tăng. Tấm CFRP cũng cho thấy tính hiệu quả cao trong việc ngăn ii chặn sự xâm nhập của ion sun-phát vào lõi bê tông (lên đến 90%); và hiệu quả việc ngăn chặn này có xu hướng giảm theo sự gia tăng của số chu kỳ tác động của ion sun-phát. Đặc biệt, tấm CFRP giúp cải thiện rất ấn tượng khả năng biến dạng của cột (từ 3 đến 5 lần) và sự gia tăng này tỷ lệ thuận với số lớp CFRP được gia cường. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng mức độ đóng góp của tấm CFRP bó hông chiếm từ 18% đến 46% trong tổng khả năng chịu lực của cột, và đóng góp này có xu hướng giảm theo sự gia tăng cường độ bê tông, tăng theo số lớp gia cường và bị ảnh hưởng không đáng kể bởi số chu kỳ tác động; trong khi, mức độ đóng góp của lõi bê tông vào tổng khả năng chịu lực của cột chiếm từ 54% đến 82%.

Kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của ăn mòn của cốt thép cho thấy cột không gia cường suy giảm mạnh khả năng chịu lực (lên đến 23%); trong khi đó tấm gia cường CFRP/BFRP ngăn chặn hiệu quả sự suy giảm khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT gây nên bởi sự ăn mòn của cốt thép và giúp cho khả năng chịu lực của cột gia cường tấm CFRP/BFRP chỉ bị suy giảm nhẹ (lớn nhất chỉ 11%). Hiệu quả gia cường tấm CFRP/BFRP trong việc cải thiện khả năng chịu nén lệch tâm của cột có xu hướng tăng theo mức độ ăn mòn của cốt thép (cao nhất là 47%). Sự gia tăng của độ lệch tâm làm giảm hiệu quả gia cường của tấm CFRP/BFRP và sự gia tăng này phụ thuộc không đáng kể vào loại tấm gia cường (CFRP hay BFRP), số lớp gia cường và cấu hình ăn mòn của cốt thép. Công thức hiệu chỉnh nhằm xác định khả năng chịu nén của cột BTCT được gia cường tấm CFRP/BFRP có xét tới ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép và độ lệch tâm được đề xuất trong nghiên cứu này cho kết quả gần với thực nghiệm, an toàn và có tính ổn định tốt.

Tuy vậy, trong bối cảnh các nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực này còn rất nhiều hạn chế, tính chính xác cũng như phạm vi áp dụng của các công thức hiệu chỉnh đề xuất trong nghiên cứu này cần được kiểm chứng và hoàn thiện hơn trong các nghiên cứu tiếp theo nhằm đảm bảo được tính tổng quát tốt hơn và tính chính xác cao hơn. iii ABSTRACT This study presents an experimental investigation on the effect of degraded concrete due to sulfate attacks and corroded longitudinal/transverse reinforcement on the behavior of reinforced concrete (RC) columns strengthened by CFRP and BFRP sheets. The main aims of this study include: (1) experimentally investigating and quantitatively evaluating the effect of sodium sulfate solution on the axial compressive behavior of CFRP- confined RC columns; (2) experimentally studying the effect of steel corrosion on the behavior of CFRP/BFRP-confined eccentrically-loaded RC columns; (3) analyzing the correlation between stirrups, longitudinal reinforcement, CFRP/BFRP sheets, as well as eccentricity and the behavior and loading capacity of columns; and (4) proposing a semi- empirical model to predict the load-carrying capacity of corroded RC columns strengthened with CFRP/BFRP under eccentric loading, which considers the corrosion level, eccentricity, and confining pressure. Two experimental programs are designed to fulfill the main aims of the study.

The first program is carried out to study the effect of wet-dry cycles of sodium sulfate solution on the behavior of twenty-four CFRP-confined mid-scale square RC columns. The second program investigates the effect of corrosion level of longitudinal and transverse reinforcement, relative eccentricity, type of FRP sheets (CFRP and BFRP), and thickness of FRP sheets on the behavior of forty mid- scale square RC columns. The experimental results on the effect of wet-dry cycles in a sodium sulfate solution showed that the sulfate attack significantly reduced the initial axial stiffness of the column by up to 36%. As a result, its ultimate axial displacement increased by up to 40%, and this increase tended to increase with the number of cycles and decrease with the increase of concrete strength and the number of CFRP layers.

The sulfate attack considerably reduced the strength of the unstrengthened columns (up to 29.4%), but it only slightly affected the capacity of the strengthened columns with a 3. The strength reduction increased with the number of wet-dry cycles. CFRP confinement effectively mitigated the penetration of sulfate ions into the concrete core and slowed the degradation of strength by up to 90%; as a result, and this mitigation tended to decrease with the increase of the number of wet-dry cycles. CFRP sheets improved axial iv displacement (from 3 to 5 times), and this improvement was proportional to the number of CFRP layers.

The experimental results show that the contribution of the CFRP sheet is from 18% to 46% of the total bearing capacity of the column; it tends to decrease with the increase of concrete strength, increases with the number of reinforcement layers, and is not significantly affected by the number of wet-dry cycles. Meanwhile, the contribution of the concrete core to the total bearing capacity of the column accounts for 54% to 82%. Steel corrosion significantly reduced the load-carrying capacity of unstrengthened columns under eccentric loading (up to 23%), while it only slightly decreased the capacity of the strengthened columns (up to 11%) due to the excellent confinement effect of FRP sheets. CFRP/BFRP sheets have proven to have excellent strengthening efficiency, as the capacity of the FRP-strengthened corroded RC columns increased by up to 47%.

However, the increase of the relative eccentricity from e/h=0.375 reduced the strengthening efficiency of FRP. A semi-empirical model, considering the effect of eccentricity, corrosion level, and FRP thickness, was proposed to predict the capacity of corroded RC columns strengthened with FRP sheets under eccentric loading. The predictions matched well with the experimental results, with a small coefficient of variation. It is worth mentioning that the number of experimental results of corroded reinforcement concrete columns is very limited.

Therefore, more studies on this topic are deemed necessary to provide more useful data and analysis so that CFRP/BFRP confinement can be applied to corroded reinforcement RC columns with high confidence. v LỜI CÁM ƠN Luận án này được thực hiện tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM dưới sự đồng hướng dẫn của PGS. Nguyễn Minh Long và PGS.

Ngô Hữu Cường. Các nghiên cứu được trình bày trong luận án này được tài trợ một phần kinh phí bởi đề tài nghiên cứu cấp Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) mã số B2020-20-02 và đề tài nghiên cứu cấp Trường Đại học Giao thông vận tải – Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh mã số T2020-PHII-003TĐ. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS. Nguyễn Minh Long, PGS.