Luận án Tiến sĩ Cơ kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt" là xây dựng mô hình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD; Xác định hiệu quả gia cường bằng BTCLD tới khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT thông qua nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Cơ kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CAO MINH QUYỀN NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 Nghiên cứu sinh: Cao Minh Quyền Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Xuân Huy GS.TS. SI LARBI Amir Hà Nội, 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Những số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày ….. tháng ….. năm 2023 Tác giả I
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. I MỤC LỤC ....................................................................................................... II DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................. VI DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ IX DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ............................................................. XI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỘT BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG BTCLD CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM ................................................................... 5 1.1. Sự làm việc của cột BTCT chịu tải trọng nén đúng tâm...................... 5 1.2. Các giải pháp gia cường cột BTCT phổ biến ....................................... 7 1.3. Nghiên cứu gia cường cột BTCT bằng BTCLD ................................... 9 1.3.1. Giới thiệu về BTCLD ........................................................................ 9 1.3.2. Các nghiên cứu thực nghiệm ........................................................... 12 1.3.2.1. Nghiên cứu thực nghiệm gia cường cấu kiện bê tông chịu nén bằng BTCLD ................................................................................................. 13 1.3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm gia cường cột BTCT bằng BTCLD ... 15 1.3.3. Các nghiên cứu lý thuyết ................................................................. 18 1.3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết cấu kiện bê tông chịu nén gia cường BTCLD .............................................................................................................. 18 1.3.3.2. Nghiên cứu lý thuyết cột BTCT gia cường BTCLD .................. 22 1.3.4. Các nghiên cứu mô phỏng số .......................................................... 25 1.3.4.1. Nghiên cứu mô phỏng số cấu kiện bê tông chịu nén gia cường BTCLD ................................................................................................. 25 1.3.4.2. Nghiên cứu mô phỏng số cột BTCT gia cường BTCLD ........... 27 1.4. Kết luận chương................................................................................... 28 II
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO KHẢ NĂNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CỦA CỘT BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG BTCLD ........................................................................................................... 31 2.1. Hiệu ứng bó ngang của cấu kiện bê tông gia cường BTCLD chịu nén đúng tâm ..................................................................................................... 31 2.2. Phân tích khả năng chịu nén đúng tâm của cấu kiện bê tông được gia cường BTCLD............................................................................................. 32 2.2.1. Tổng hợp dữ liệu ............................................................................. 32 2.2.2. Phân tích các tham số ảnh hưởng tới khả năng chịu nén đúng tâm của cấu kiện bê tông chịu nén gia cường BTCLD............................................ 43 2.3. Xây dựng mô hình dự báo ................................................................... 47 2.3.1. Đánh giá các mô hình dự báo .......................................................... 47 2.3.2. Xây dựng mô hình dự báo cường độ chịu nén đúng tâm của cấu kiện bê tông gia cường BTCLD ........................................................................ 51 2.3.3. Xây dựng mô hình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD .................................................................................... 54 2.4. Kết luận chương................................................................................... 57 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG BTCLD ............................................................................................... 58 3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 58 3.2. Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số đặc trưng cơ học của BTCLD ..................................................................................................................... 58 3.2.1. Cấp phối BTHM.............................................................................. 58 3.2.1.1. Thành phần cấp phối BTHM thứ nhất ....................................... 59 3.2.1.2. Thành phần cấp phối BTHM thứ hai ......................................... 61 3.2.2. Xác định cường độ chịu nén, kéo uốn của BTHM ........................... 63 3.2.3. Xác định mô đun đàn hồi của BTHM .............................................. 68 III
3.2.4. Xác định cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của bó sợi trần ...... 71 3.2.5. Xác định cường độ chịu kéo của lưới dệt trong BTHM ................... 73 3.2.6. Xác định cường độ dính bám và chiều dài neo có hiệu của lưới dệt trong BTHM ............................................................................................. 74 3.2.7. Xác định cường độ dính bám giữa bê tông thường và BTHM ......... 76 3.3. Nghiên cứu thực nghiệm cấu kiện bê tông chịu nén gia cường BTCLD ..................................................................................................................... 79 3.3.1. Vật liệu sử dụng .............................................................................. 80 3.3.2. Chương trình thí nghiệm ................................................................. 80 3.3.3. Phân tích kết quả thí nghiệm ........................................................... 82 3.4. Nghiên cứu thực nghiệm cột BTCT gia cường BTCLD .................... 85 3.4.1. Vật liệu sử dụng .............................................................................. 85 3.4.2. Chương trình thí nghiệm ................................................................. 85 3.4.3. Phân tích kết quả thí nghiệm ........................................................... 90 3.5. Kết luận chương................................................................................... 98 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH SỐ CỘT BTCT GIA CƯỜNG BẰNG BTCLD CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MẢNH VÀ TẢI TRỌNG NGANG ĐỒNG THỜI ................................................................. 101 4.1. Xây dựng mô hình ............................................................................. 101 4.1.1. Mô hình vật liệu ............................................................................ 101 4.1.1.1. Bê tông lõi và bê tông hạt mịn ................................................ 101 4.1.1.2. Cốt thép .................................................................................. 107 4.1.1.3. Lưới dệt thủy tinh ................................................................... 107 4.1.2. Mô hình hình học .......................................................................... 108 4.1.3. Tương tác giữa các thành phần vật liệu và lưới chia phần tử ......... 108 4.1.4. Kiểm chứng mô hình ..................................................................... 109 4.2. Phân tích tham số............................................................................... 113 IV
4.2.1. Ảnh hưởng của độ mảnh tới ứng xử của cột BTCT gia cường BTCLD ................................................................................................... 113 4.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng ngang tới ứng xử của cột BTCT gia cường BTCLD ................................................................................................... 116 4.3. Kết luận chương................................................................................. 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 120 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ................................ 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 124 V
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cột BTCT phá hủy do ứng suất nén dọc trục và do uốn dọc [9] .......... 6 Hình 1.2. Cột BTCT bị phá hủy do nở ngang [9]................................................ 6 Hình 1.3. Công nghệ dán bản thép ngoài gia cường cột BTCT [10] ................... 7 Hình 1.4. Công nghệ áo BTCT gia cường cột BTCT [10] .................................. 8 Hình 1.5. Công nghệ sử dụng vật liệu FRP [10] ................................................. 8 Hình 1.6. Cấu tạo hệ thống gia cường sử dụng BTCLD [5] ................................ 9 Hình 1.7. Gia cường cột bằng BTCLD ............................................................. 10 Hình 1.8. Gia cường BTCLD cho dầm và sàn [13] ........................................... 11 Hình 1.9. Tăng cường sàn BTCT ở Koblenz, Đức[14] ..................................... 11 Hình 1.10. Sửa chữa, tăng cường cho kết cấu sàn BTCT bằng BTCLD sợi thủy tinh tại nhà xưởng công nghiệp EXEDY (Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc) [15] ............. 12 Hình 1.11. Kích thước hình học và cốt thép cột thí nghiệm [25]....................... 16 Hình 1.12. Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông gia cường BTCLD [28] 18 Hình 1.13. Hệ số tỉ lệ [29]............................................................................. 20 Hình 1.14. Mô hình phá hủy dẻo của bê tông ................................................... 26 Hình 2.1. Mô hình làm việc của cột gia cường BTCLD ................................... 32 Hình 2.2. Phân bố dữ liệu theo hình dạng tiết diện ........................................... 41 Hình 2.3. Biểu đồ phân bố chuẩn của các tham số trong các nghiên cứu .......... 43 Hình 2.4. Tỉ số fcc/fc0 khi fc0 thay đổi tương ứng với f.Ef ................................. 44 Hình 2.5. Tỉ số fcc/fc0 khi f.Ef thay đổi tương ứng với fc0 ................................ 45 2rc Hình 2.6. Tỉ số fcc/fc0 khi   thay đổi tương ứng với nf ......................... 46 D Hình 2.7. Mặt cắt ngang tương đương .............................................................. 49 Hình 2.8. Hệ số biến dạng có hiệu ke ................................................................ 52 Hình 3.1. Cốt liệu sử dụng cho cấp phối BTHM thứ nhất và máy sàng rung .... 59 Hình 3.2. Phụ gia khoáng và phụ gia siêu dẻo của cấp phối BTHM thứ nhất.... 61 Hình 3.3. Cốt liệu và phụ gia siêu dẻo sử dụng cho cấp phối BTHM thứ 2 ...... 62 VI
Hình 3.4. Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén của BTHM ......................................................................................................................... 63 Hình 3.5. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của BTHM ............................. 69 Hình 3.6. Biểu đồ so sánh mô đun đàn hồi của BTHM ..................................... 70 Hình 3.7. Lưới dệt thủy tinh SITgrid200 sử dụng trong nghiên cứu ................. 72 Hình 3.8. Mô hình thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của lưới dệt trần .... 72 Hình 3.9. Đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng đặc trưng lưới dệt trần thủy tinh ................................................................................................................... 73 Hình 3.10. Mô hình thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của lưới dệt trong BTHM .............................................................................................................. 74 Hình 3.11. Mô hình thí nghiệm xác định ứng xử dính bám giữa lưới dệt với BTHM ......................................................................................................................... 75 Hình 3.12. Tạo nhám bề mặt mẫu thí nghiệm dính bám ................................... 77 Hình 3.13. Sơ đồ thí nghiệm xác định cường độ dính bám giữa bê tông thường và BTHM .............................................................................................................. 78 Hình 3.14. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ dính bám giữa BTHM và BT thường .............................................................................................................. 78 Hình 3.15. Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang và số lớp BTCLD tới tỉ số fcc/fc0................................................................................................................. 83 Hình 3.16. Dạng phá hủy của các cấu kiện bê tông gia cường BTCLD ............ 85 Hình 3.17. Cấu tạo cột và mô hình thí nghiệm ................................................. 86 Hình 3.18. Công tác chế tạo và gia cường BTCLD mẫu thí nghiệm ................. 89 Hình 3.19. Sơ đồ bố trí thiết bị đo .................................................................... 90 Hình 3.20. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị giữa các mẫu thí nghiệm ...... 91 Hình 3.21. Biểu đồ tải trọng - biến dạng cốt thép đai của các mẫu thí nghiệm.. 92 Hình 3.22. Biểu đồ tải trọng - biến dạng cốt thép dọc của các mẫu thí nghiệm . 93 Hình 3.23. Dạng phá hủy của các cột tiết diện vuông ....................................... 94 Hình 3.24. Hiện tượng đứt bó sợi ở các cột tiết diện vuông gia cường BTCLD 95 Hình 3.25. Dạng phá hủy của các cột tiết diện tròn .......................................... 96 Hình 3.26. Hiện tượng đứt bó sợi ở các cột tiết diện tròn gia cường BTCLD ... 97 VII
Hình 3.27. Sự làm việc của cốt thép dọc trong các mẫu thí nghiệm .................. 97 Hình 4.1. Mô hình SCDP chịu nén của bê tông lõi và BTHM ........................ 103 Hình 4.2. Phân vùng tính chất vật liệu bê tông lõi và BTHM ......................... 106 Hình 4.3. Ứng xử chịu kéo của bê tông .......................................................... 106 Hình 4.4. Mô hình ứng suất - biến dạng của cốt thép...................................... 107 Hình 4.5. Mô hình ứng suất - biến dạng của lưới dệt ...................................... 108 Hình 4.6. Mô hình lưới chia phần tử cho các thành phần vật liệu ................... 109 Hình 4.7. So sánh quan hệ lực - chuyển vị giữa mô hình số và thực nghiệm .. 111 Hình 4.8. Sự làm việc của cốt thép trong mô hình số...................................... 111 Hình 4.9. So sánh dạng phá hủy giữa mô hình số và thực nghiệm .................. 112 Hình 4.10. Mô hình cốt thép và lưới dệt trong phần mềm ABAQUS.............. 114 Hình 4.11. Mối quan hệ tải trọng - chuyển vị dọc trục của cột BTCT gia cường BTCLD có độ mảnh khác nhau ...................................................................... 115 Hình 4.12. Phá hủy do bê tông bị nén vỡ của cột BTCT gia cường BTCLD có độ mảnh khác nhau ............................................................................................. 116 Hình 4.13. Mối quan hệ tải trọng - chuyển vị ngang đỉnh cột ......................... 117 VIII
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Tổng hợp dữ liệu thực nghiệm cấu kiện bê tông chịu nén gia cường BTCLD ............................................................................................................ 33 Bảng 2.2. Bảng mô tả các tham số của bộ dữ liệu được thu thập ...................... 40 Bảng 2.3. Một số mô hình dự báo khả năng chịu lực của cấu kiện bê tông chịu nén ......................................................................................................................... 48 Bảng 2.4. Sai số bình phương trung bình MSE của các mô hình dự báo ........... 51 Bảng 2.5. So sánh khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD xác định theo mô hình dự báo và thực nghiệm ................................................. 56 Bảng 3.1. Thành phần cấp phối hạt của cát Quartz ........................................... 60 Bảng 3.2. Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz ................................................... 60 Bảng 3.3. Thành phần BTHM theo cấp phối thứ nhất....................................... 61 Bảng 3.4. Thành phần cấp phối hạt của cát Phong Điền và cát Móng Cái ........ 62 Bảng 3.5. Thành phần BTHM theo cấp phối thứ hai ........................................ 62 Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của BTHM theo cấp phối thứ nhất .................................................................................................................. 64 Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của BTHM theo cấp phối thứ nhất ......................................................................................................................... 65 Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của BTHM theo cấp phối thứ 2 ......................................................................................................................... 66 Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của BTHM theo cấp phối thứ 2 ... 67 Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của BTHM ............... 69 Bảng 3.11. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm tính chất cơ học của BTHM ..... 70 Bảng 3.12. Đặc trưng của lưới dệt sử dụng trong nghiên cứu ........................... 72 Bảng 3.13. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi của bó sợi trần ................................................................................................................... 73 Bảng 3.14. Cường độ dính bám và chiều dài neo có hiệu của lưới dệt trong BTHM ......................................................................................................................... 76 Bảng 3.15. Kết quả thí nghiệm cường độ dính bám giữa BTHM và BT thường 79 IX
Bảng 3.16. Chi tiết các tổ mẫu thí nghiệm ........................................................ 81 Bảng 3.17. Tổng hợp kết quả tỉ số fcc/fc0 thí nghiệm ......................................... 82 Bảng 3.18. Số lượng mẫu cột thí nghiệm.......................................................... 87 Bảng 3.19. Tải trọng giới hạn của các mẫu thí nghiệm ..................................... 90 Bảng 3.20. So sánh khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD giữa mô hình dự báo với thí nghiệm ................................................................. 98 Bảng 4.1. Một số tính chất cơ học của bê tông lõi và BTHM sử dụng trong mô hình số............................................................................................................ 104 Bảng 4.2. Các tham số mô hình bê tông phá hủy dẻo ..................................... 105 Bảng 4.3. So sánh tải trọng phá hủy giữa mô hình số và thực nghiệm ............ 110 Bảng 4.4. Chi tiết đặc điểm hình học của các mô hình số ............................... 113 Bảng 4.5. Tải trọng và chuyển vị giới hạn của các cột có độ mảnh khác nhau 115 Bảng 4.6. Tải trọng nén dọc trục không đổi của các mô hình số ..................... 117 Bảng 4.7. So sánh tải trọng ngang giới hạn và chuyển vị tương ứng giữa cột gia cường và không gia cường ............................................................................. 118 X
DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa PTHH Phần tử hữu hạn BTCT Bê tông cốt thép BTHM Bê tông hạt mịn BTCLD Bê tông cốt lưới dệt FRP Polymer cốt sợi FRP E0 Mô đun đàn hồi của bê tông lõi Ec Mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn Ef Mô đun đàn hồi của cốt lưới dệt Es Mô đun đàn hồi của cốt thép Rs; Rsc Cường độ chịu kéo và nén của cốt thép flu Ứng suất bó ngang có hiệu do lớp BTCLD gây ra ffu Cường độ kéo đứt của cốt lưới dệt fc0 Cường độ chịu nén của bê tông lõi không có hiệu ứng bó ngang fcc Cường độ chịu nén của bê tông lõi có hiệu ứng bó ngang fc’ Cường độ chịu nén danh định của bê tông lõi f’cm Cường độ chịu nén danh định của BTHM nf Số lớp gia cường BTCLD tf Chiều dày danh nghĩa của lớp lưới dệt tm Chiều dày lớp bê tông hạt mịn f Tỉ lệ thể tích bó ngang  f  4nf .t f / D  Tỉ sổ giữa đường kính bo góc và cạnh mặt cắt ngang   2r / D(a) ke Hệ số biến dạng có hiệu a Hệ số hình dạng XI
 c0 Biến dạng tương ứng với ứng suất đỉnh của bê tông không bó ngang cu Biến dạng giới hạn bê tông không bó ngang cc Biến dạng tương ứng với ứng suất đỉnh của bê tông được bó ngang ccu Biến dạng giới hạn của bê tông được bó ngang A Diện tích mặt cắt ngang của tiết diện Af Diện tích mặt cắt ngang của bó sợi trên 1 m chiều dài cột Ac Diện tích của bê tông lõi Ast Diện tích của toàn bộ cốt thép chịu lực Ae Diện tích bê tông chịu nén có hiệu L0 Chiều dài tính toán của cột  Độ mảnh của cột imin Bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện r Bán kính bo góc b,h Kích thước cạnh của tiết diện hình chữ nhật bn, hn Kích thước cạnh của tiết diện hình chữ nhật sau khi được bo góc D Đường kính tiết diện tương đương R2 Giá trị bình phương hiệu chỉnh MSE Sai số bình phương trung bình XII
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Từ thời La Mã cổ đại bê tông đã được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng có những ưu điểm vuợt trội về khả năng chịu lực, tuổi thọ cao, bền vững trước ảnh hưởng của môi trường. Khi xi măng được phát minh vào những năm đầu thế kỷ 19 thì việc kết hợp giữa bê tông và xi măng đem lại hiệu quả cao và được sử dụng ngày một rộng rãi. François Coignet, nhà tư bản công nghiệp người Pháp, là người tiên phong trong việc phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) và kết cấu bê tông đúc sẵn. Coignet là người đầu tiên sử dụng cốt thép cho bê tông trong xây dựng các công trình nhà ở dân dụng. Tại Việt Nam, BTCT được đưa vào sử dụng từ những năm cuối thế kỷ 19 cho các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi… Sau thời gian dài đưa vào sử dụng, nhiều công trình đã bắt đầu xuống cấp ở nhiều mức độ khác nhau, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới vấn đề khai thác sử dụng. Bên cạnh các yếu tố ảnh hưởng như môi trường nhiệt đới khắc nghiệt với khí hậu nóng ẩm đặc trưng thì nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người dẫn đến sự gia tăng tải trọng sử dụng. Điều này cũng làm tốc độ và mức độ xuống cấp của công trình BTCT ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, giải pháp thay thế các công trình cũ, xuống cấp bằng cách xây mới tỏ ra không hiệu quả do chi phí xây dựng ở các thành phố lớn rất cao, các vấn đề phát sinh trong quá trình phá dỡ, xây mới rất phức tạp như vấn đề tác động đến môi trường, đảm bảo giao thông thông suốt, sự ảnh hưởng tới các công trình lân cận…Đặc biệt là yếu tố lịch sử, văn hóa gắn liền với một số công trình. Vì vậy phương án gia cường/sửa chữa các công trình cũ trở nên cấp thiết và là một vấn đề thời sự hiện nay. Trên thế giới đã áp dụng nhiều công nghệ vào việc sửa chữa/gia cường kết cấu BTCT như công nghệ áo BTCT (Reinforced Concrete Jacket), công nghệ dự ứng lực ngoài, công nghệ dán bản thép ngoài, công nghệ sử dụng vật liệu Polymer cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer - FRP)…Trong đó, vật liệu composite, đặc biệt là carbon epoxy, được phát triển như là loại vật liệu dùng để sửa chữa và gia cường các kết cấu BTCT. Lý do chủ yếu là vì đặc tính cơ học rất tốt của chúng cũng như khả năng thi công dễ dàng, nhanh chóng và không ảnh hưởng đến kiến 1
trúc. Mặc dù chúng tương thích với nhiều yêu cầu khác nhau (và phù hợp với nhiều loại cấu kiện) nhưng FRP được sử dụng chủ yếu để tăng cường khả năng chịu uốn, ngoài ra nhược điểm của FRP là chịu nhiệt kém [1] và không thân thiện với môi trường, chưa phù hợp với xu thế phát triển bền vững. Nguyên nhân là do lớp chất nền bằng nhựa epoxy dùng để liên kết cũng như phân phối lực giữa các sợi và giữa kết cấu được gia cường – vật liệu gia cường gây nguy hại tới sức khỏe con người trong quá trình thi công và quá trình sử dụng khi công trình xảy ra cháy nổ. Bắt đầu từ những năm 1980, tại Đức đã có những nghiên cứu về loại vật liệu được gọi là bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete – TRC) gồm 2 thành phần chính là lưới dệt và bê tông hạt mịn. Trong đó lưới sợi dệt được làm từ những sợi cơ bản, có nguồn gốc đa dạng như các bon, thủy tinh, sợi thép… với chiều dài không giới hạn được bó lại với nhau thành các bó sợi nhỏ. Các bó sợi được dệt thành tấm lưới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế cốt thép. Dễ dàng nhận thấy lưới sợi dệt có bề mặt lớn hơn nhiều so với cốt thép truyền thống, do đó tạo ra lực dính bám lớn hơn, giảm chiều dài neo, bề rộng vết nứt nhỏ. Các nghiên cứu về đặc tính cơ học của chúng, chứng minh cơ chế làm việc chung và sự truyền ứng suất một cách hiệu quả giữa lưới dệt và chất kết dính [2–4]. Một số nghiên cứu cũng kiểm tra tính phù hợp của bê tông cốt lưới dệt (BTCLD) trong việc gia cường kết cấu thực tế [5]. Bên cạnh đó, BTCLD rất thân thiện với môi trường, khắc phục được nhược điểm của FRP khi sử dụng chất kết dính epoxy gây nguy hại cho sức khỏe con người trong quá trình thi công và khai thác công trình. Tại Việt Nam, sử dụng BTCLD tăng cường kết cấu vẫn là một vấn đề khá mới mẻ. Phần lớn các nghiên cứu hay ứng dụng BTCLD tại Việt Nam và trên thế giới chủ yếu áp dụng cho các cấu kiện chịu uốn như dầm, sàn [5, 6]. Các nghiên cứu đối với cột BTCT chịu nén đúng tâm gia cường BTCLD còn rất hạn chế về số lượng [7, 8]. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử chịu nén đúng tâm của cột bê tông cốt thép gia cường bằng bê tông cốt lưới dệt” trong đó sử dụng một số loại vật liệu địa phương đã được đề xuất thực hiện trong luận án này. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu  Xây dựng mô hình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD;  Xác định hiệu quả gia cường bằng BTCLD tới khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT thông qua nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Cột BTCT gia cường bằng BTCLD b) Phạm vi nghiên cứu: Cột BTCT được gia cường BTCLD chịu nén đúng tâm có xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng uốn dọc. BTCLD sử dụng loại lưới dệt thủy tinh SITgrid200 và BTHM tạo thành tử một số loại cốt liệu địa phương được khai thác phổ biến tại Việt Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tiến hành tổng hợp các kết quả thí nghiệm đã được công bố và phân tích các tham số ảnh hưởng quan trọng tới khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD. Song song với đó, luận án tiến hành đánh giá độ chính xác của các mô hình dự báo được công bố để xây dựng mô hình dự báo dựa trên mô hình có độ chính xác cao nhất hiện nay.  Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện chương trình thí nghiệm trên quy mô vật liệu để xác định các tính chất cơ học đặc trưng của BTHM và lưới dệt thuye tinh cũng như khả năng dính bám và sự làm việc chung giữa các thành phần vật liệu. Chương trình nghiên cứu thực nghiệm trên quy mô kết cấu của luận án được tiến hành trên 2 loại mẫu thử là cấu kiện bê tông và cột BTCT gia cường BTCLD chịu nén đúng tâm trong phòng thí nghiệm.  Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) trên phần mềm ABAQUS. Độ tin cậy của mô hình số được kiểm chứng bởi các kết quả thực nghiệm. Trên cơ sở đó, các nghiên cứu tham số bao gồm ảnh hưởng của độ mảnh và tải trọng ngang tới ứng xử của cột BTCT gia cường BTCLD sẽ được tiến hành trên mô hình số đã xây dựng. 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án  Làm rõ được ứng xử của cột BTCT gia cường BTCLD thông qua phân tích lý thuyết, thí nghiệm, mô phỏng.  Xây dựng được mô hình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT gia cường BTCLD có xét tới ảnh hưởng của hiệu ứng uốn dọc. Mô hình dự báo được luận án xây dựng có xét tới ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang nên có độ chính xác cao hơn, áp dụng hiệu quả cho nhiều loại tiết diện hơn so với mô hình tốt nhất đã tồn tại hiện nay.  Cung cấp các kết quả thí nghiệm ở quy mô vật liệu có độ tin cậy cao. Đồng thời cho thấy tiềm năng ứng dụng BTCLD sử dụng một số loại vật liệu địa phương (cát Phong Điền, cát Móng Cái) có giá thành cạnh tranh để gia cường kết cấu BTCT nói chung và cột BTCT nói riêng.  Cung cấp, bổ sung bộ dữ liệu kết quả thí nghiệm nén đúng tâm cột BTCT gia cường BTCLD với hình dạng tiết diện, số lớp gia cường khác nhau sử dụng một số vật liệu địa phương được khai thác phổ biến, phù hợp với điều kiện thi công ở Việt Nam.  Xây dựng được các mô hình phi tuyến trên phần mềm ABAQUS cho phép mô tả ứng xử của cột BTCT gia cường BTCLD với độ chính xác cao. 6. Nội dung và cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về cột BTCT được gia cường bằng BTCLD chịu nén đúng tâm. Chương 2: Nghiên cứu phát triển mô hình dự báo khả năng chịu nén đúng tâm của cột BTCT được gia cường bằng BTCLD. Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm gia cường cột BTCT bằng BTCLD. Chương 4: Nghiên cứu mô hình số cột BTCT gia cường bằng BTCLD có xét đến ảnh hưởng của độ mảnh và tải trọng ngang đồng thời. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỘT BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG BTCLD CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM 1.1. Sự làm việc của cột BTCT chịu tải trọng nén đúng tâm Sự phá hủy của các tòa nhà BTCT được ghi nhận do sự hư hỏng của các cấu kiện như cột, dầm, tường chịu lực, tường chèn, bản sàn, liên kết…Trong đó cột là cấu kiện chính chịu tải trọng thẳng đứng trước khi truyền tải trọng tới móng. Sự phá hủy của chỉ một cấu kiện cột có thể dẫn tới sự sụp đổ lũy tiến cho toàn bộ kết cấu. Do vậy, việc xác định được khả năng chịu tải dọc trục của cột trong quá trình thiết kế là vô cùng quan trọng. Trong công trình thực tế, sự làm việc chịu nén đúng tâm một cách tuyệt đối của cột là không tồn tại. Tuy nhiên, để có thể quan sát được rõ ứng xử của cột BTCT và hiệu quả gia cường cột BTCT bằng BTCLD, mô hình thực nghiệm cột chịu nén đúng tâm được lựa chọn để tiến hành nghiên cứu. Đây là mô hình đơn giản nhất nhưng cũng phản ánh được đủ những ứng xử cơ bản của cột trong thực tế. Đối với các cột BTCT chịu nén đúng tâm, các nguyên nhân phá hủy chính được ghi nhận gồm: phá hủy do ứng suất nén dọc trục, phá hủy do uốn dọc, phá hủy nở ngang do thiếu cốt thép đai. Phá hủy do ứng suất nén dọc trục: Cột là cấu kiện có khả năng chịu nén tốt trong khi các cấu kiện khác như dầm chỉ có một phần tiết diện chịu ứng suất nén. Cốt thép dọc cũng tham gia chịu nén cùng phần tiết diện bê tông trong cột BTCT. Phá hủy do ứng suất nén dọc trục của cột BTCT có thể xảy ra theo các trường hợp sau: - Ứng suất nén dọc trục lớn hơn so với tổng khả năng chịu nén của phần tiết diện bê tông và cốt thép. - Khả năng biến dạng của bê tông và cốt thép khác nhau. Trong khi bê tông có biến dạng giới hạn khoảng 0,35% thì biến dạng giới hạn của cốt thép khoảng 15%  22% lớn hơn nhiều hơn so với bê tông. Khi ứng suất nén dọc trục lớn, biến dạng trong bê tông vượt quá 0,35% sẽ xảy ra hiện tượng cột phá hủy do bê tông bị nén vỡ đột ngột. 5
a) Phá hủy do ứng suất nén dọc trục b) Phá hủy do uốn dọc Hình 1.1. Cột BTCT phá hủy do ứng suất nén dọc trục và do uốn dọc [9] Phá hủy do uốn dọc: dạng phá hủy này xảy ra khi các cột có độ mảnh lớn bị mất ổn định do chuyển vị ngang theo phương vuông góc với trục cột. Việc tăng độ mảnh của cột làm tăng mô men uốn dọc tại khu vực giữa chiều dài cột, điều này đồng thời làm giảm khả năng chịu tải trọng nén của cột. Phá hủy nở ngang do thiếu cốt thép đai: Tại các vị trí thép đai đặt với khoảng cách lớn hoặc vị trí các mối nối thép dọc không đủ chiều dài nối chồng và neo buộc không đảm bảo, biến dạng nở ngang của cột lớn. Điều này có thể gây ra hiện tượng thép đai tại đây bị đứt, cốt thép dọc bị phình và bê tông bị nứt vỡ. Hình 1.2. Cột BTCT bị phá hủy do nở ngang [9] 6