Các mô hình đánh giá sức kháng uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng tấm polime cốt sợi,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - NGUYỄN ĐỨC HUY “CÁC MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLIME CỐT SỢI” LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - NGUYỄN ĐỨC HUY “CÁC MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLIME CỐT SỢI” Ngành Chuyên ngành Mã số : Xây dựng Cơng trình Giao thơng : Xây dựng Cầu – Hầm : 60.58.25 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN ĐỨC NHIM TP H Chớ Minh - 2012 Lời cảm ơn Trong thời gian thực luận án, Tôi xin chân thnh cảm ơn ý kiến đóng góp Thầy, Cô giáo, quan tâm v hỗ trợ nhiệt tình bạn đồng nghiệp Bên cạnh đó, Tôi xin gửi lời cảm ơn đến môn Cầu Hầm, khoa Công trình v phòng Đo tạo Đại học & sau Đại học Trờng Đại học Giao thông Vận tải đà tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ T«i suèt thêi gian häc tËp vμ hoμn thμnh luận án Đặc biệt, Tôi xin trân trọng cảm ơn chân thnh đến Phó Giáo s Tiến sỹ Trần Đức Nhiệm đà tận tâm hớng dẫn Tôi trình lm luận án ny Xin trân trọng cảm ơn / Tp.Hồ Chí Minh, ngy 10 tháng 11 năm 2012 Nguyễn Đức Huy Lớp Cao học Xd Cầu – hÇm K17 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - Độc Lập – Tự Do – Hạnh phúc o0o NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên : NGUYỄN ĐỨC HUY Giới tính: Nam Ngày tháng năm sinh : 26/09/1984 Nơi sinh : Nghệ An Chuyên ngành : Xây dựng Cầu hầm Khóa : 17 TÊN ĐỀ TÀI: Các mơ hình đánh giá sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép tăng cường polime cốt sợi NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Các mơ hình đánh giá sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép tăng cường polime cốt sợi NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 02 tháng 06 năm 2011 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: HỌ VÀ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS TS Trần Đức Nhiệm Nội dung đề cương luận văn Hội đồng chuyên ngành thông qua NGƯỜI HƯỚNG DẪN BỘ MÔN CẦU HẦM TRƯỞNG BỘ MÔN PGS TS TRẦN ĐỨC NHIỆM PGS TS TRẦN ĐỨC NHIỆM Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm MỤC LỤC Danh mục hình ảnh……………………………………………… …… ….….….… Danh mục bảng biểu…………………………………………… …………………… Mở đầu………………………………………………………………… ……….……7 Tính cấp thiết đề tài……………………………………………… ….….… Mục tiêu nghiên cứu đề tài…………………………………… ….….… Đối tượng , phạm vi nghiên cứu đề tài …………………… …… ….….… Cấu trúc luận văn……………………….…………….………………….….….… Chương 1: Tổng quan công nghệ tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép áp dụng, so sánh đánh giá công nghệ……………… ……10 1.1.Tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép công nghệ đặt thêm cốt thép phun vữa xi măng………………………………………………… ………….12 1.2.Tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép cơng nghệ căng cáp dự ứng lực ngồi…………………………………………… ………………………… 15 1.3.Tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép công nghệ dán thép 17 1.4.Tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép công nghệ dán FRP 18 1.5 Kết luận chương 1.……………………………………………………………21 Chương 2: Các đặc trưng vật liệu ứng xử tải trọng polime cốt sợi dùng để tăng cường kết cấu cầu bê tông cốt thép………………………… 22 2.1 Lịch sử hình thành vật liệu FRP…… …………………… ……………….22 2.2 Vật liệu FRP… ……………… …… …………… ……………… .22 2.2.1 Chất dẻo…… ……………………… ………………… ……………….24 2.2.2 Cốt sợi……… ………………………………………………………… 26 2.3 Ứng xử uốn FRP…… …………………… ……………… 29 2.4 Ảnh hưởng tải trọng dài hạn………………… ………………………….30 2.4.1 Bê tông……… ……………………… ………………… …………… 30 2.4.2 Vật liệu FRP……… ………………………………………………… 31 2.5 Các tính chất học vật liệu FRP.… ……… ………………………….32 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm 2.5.1 Mô đun đàn hồi………………… ….…… …………… …………… 35 2.5.2 Cường độ……… ………………… … … ……………………… .35 2.5.3 Mỏi……………….……………… ….…… …………… …………… 37 2.5.4 Từ biến……… …………………… … … ……………………… .38 2.5.5 Đứt gãy từ biến………………… ….………………… …………… 39 2.5.6 Sự ăn mịn điện hố…… ………… … … ……………………… .40 2.5.7 Tác động kiềm axít………… ……… ………… …………… 40 2.6 Kỹ thuật thi công…………………….… ……… ………………………….40 2.6.1 Chuẩn bị bề mặt……………………….…… …………… …………… 40 2.6.2 Trộn nhựa epoxy……… …………… … … ……………………… .41 2.6.3 Thi công lớp keo lót……………… ….…… …………… …………… 42 2.6.4 Dán FRP……… ……………… … … ……………………… .43 2.7 Một số cơng trình sửa chữa tăng cường vật liệu FRP… …………… 45 2.7.1 Sửa chữa tăng cường cầu IBACH…….… … ……………………… .45 2.7.2 Sửa chữa tăng cường cầu MODOT G270 …………… …………….… 45 2.7.3 Sửa chữa tăng cường cầu Trần Hưng Đạo-Bình Thuận …………… … 46 2.7 Kết luận chương 2………………………… ………………….…………… 47 Chương 3: Phân tích mơ hình đánh giá sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép tăng cường polime cốt sợi……….………………………… 48 3.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình…………… ……………… ……………….48 3.2 Mơ hình thí nghiệm.……………… … …………… ……………… 58 3.2.1 Vật liệu dùng thí nghiệm …… …… ………………… ……………….58 3.2.1.1 Bê tơng……… ………………………………………………………… 58 3.2.1.2 Cốt thép………………… …… …………………… ……………… 59 3.2.1.3 Tấm FRP………… …… …… …………………… ……………… 59 3.2.1.4 Thí nghiệm kéo sợi CFRP …………………… …… ………… 60 3.2.2 Thiết kế dầm thí nghiệm …… …… ………………… ……………… 62 3.2.2 Tăng cường dầm thí nghiệm sợi CFRP……… ……………….62 3.2.2.1 Chuẩn bị bề mặt bê tông……….…………………………………… .62 3.2.2.2 Dán CFRP………… …… …………………… ……………… 63 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm 3.2.2.3 Thiết bị đo… …… …… …………………… ………………… … 63 3.3 Thiết kế tăng cường dầm bê tông cốt thép sợi CFRP ………… ….66 3.3.1 Ký hiệu……………………… ………………………………………… 66 3.3.2 Các giả thuyết dùng mơ hình…… …… …….… ……………… 68 3.3.3 Đặc trưng học vật liệu …… ………………… ……………… 68 3.3.3.1 Bê tông……………… ……….…………………………………… .68 3.3.3.2 Cốt thép…… ………… …… …………………… ……………… 69 3.3.3.3 Tấm sợi FRP…… …… …………………… ………………… … 70 3.3.3.4 Khối ứng suất tương đương …………………… ………………… … 70 3.3.4 Tính tốn tăng cường khả chịu uốn cho dầm FRP……… 72 3.3.4.1 Hệ số sức kháng… … ……….…………………………………… .72 3.3.4.2 Các hình thức phá hoại uốn …………………… ……………… 73 3.3.4.3 Mặt cắt hình chữ nhật…… ………………… ………………… .73 3.3.4.3.1 Mặt cắt hình chữ nhật đặt cốt thép đơn…… ……………… … 73 3.3.4.3.2 Mặt cắt hình chữ nhật đặt cốt thép kép…… …………………… … 77 3.3.4.4 Mặt cắt hình chữ T…… ………………… ………………… … 79 3.3.5 Một số ví dụ tính tốn thiết kế tăng cường dầm bê tơng cốt thép sợi FRP……………………………………………………………………………81 3.3.5.1 Trình tự tính tốn thiết kế …….………………………………… 81 3.3.5.2 Một số ví dụ minh hoạ………………………………… ……………… 84 3.4 Kết luận chương 3……… ……… ……………………… ……………… 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………… ……………… 99 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………… ……………… 100 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Một số hình ảnh cầu BTCT bị hư hỏng…………………………………….11 Hình 1-2 Tăng cường KCN cầu BTCT phương pháp phun vữa xi măng………13 Hình 1-3 Tăng cường cầu BTCT cách đặt thêm cốt thép…………………… 14 Hình 1-4 Tăng cường cầu BTCT phương pháp DUL ngồi……………………16 Hình 1-5 Tăng cường cầu BTCT phương pháp dán thép………………… 18 Hình 1-6 Tăng cường cầu BTCT phương pháp dán FRP.…………………21 Hình 2-1 Ví dụ sợi CFRP sử dụng để sửa chữa kết cấu bê tông………… 23 Hình 2-2 Vật liệu cấu thành nên FRP.…… ……………………………………… 23 Hình 2-3 Các đặc trưng ứng suất –biến dạng loại sợi điển hình…………… 27 Hình 2-4 Các dạng FRP sử dụng……………………………… …………… 28 Hình 2-5 Các vi sợi cácbon dùng sản xuất vật liệu FRP……………………….28 Hình 2-6 Các mơ hình phá hoại dầm BTCT tăng cường FRP……….30 Hình 2-7 Quan hệ biến dạng từ biến – thời gian bêtông tác động nén trục……………………………………………………………………………… 31 Hình 2-8 Đường cong ứng suất –biến dạng điển hình số sản phẩm FRP dùng tăng cường kết cấu BTCT………………………………………………………32 Hình 2-9 Biến dạng phá hoại thành phần vật liệu FRP biến dạng phá hoại chất nhỏ cốt sợi…………………………………………………… 37 Hình 2-10 Biến dạng phá hoại thành phần vật liệu FRP biến dạng phá hoại chất lớn cốt sợi………………………………….………………… 37 Hình 2-11 Đường cong tuổi thọ mỏi loại FRP sử dụng loại sợi khác nhau………………………………………………………………………………… 39 Hình 2-12 Cơng tác chuẩn bị bề mặt…………………………………………………41 Hình 2-13 Chuấn bị keo pha keo để sửa chữa……………………………….……42 Hình 2-14 Tiến hành quét keo lên bề mặt……………………………….………… 43 Hình 2-15 Thi cơng dán FRP lên bề mặt kết cấu……… ……….….………… 45 Hình 2-16 Mặt cắt ngang cầu Trần Hưng Đạo…………………… ….…………….46 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm Hình 3-1 Đường cong ứng suất-biến dạng bê tông……………… ….………….49 Hình 3-2 Đường cong ứng suất-biến dạng cốt thép…………… ….………… 49 Hình 3-3 Biểu đồ biến dạng ,ứng suất nội lực dầm tăng cường sợi CFRP………………………………………………………………………………51 Hình 3-4 Tích phân đường cong ứng suất –biến dạng bê tơng……………… 54 Hình 3-5 Phân tử dầm chịu uốn…………………………………….……………… 57 Hình 3-6 Sơ đồ chất tải thí nghiệm……………………… ……….……………… 57 Hình 3-7 Biểu đồ ứng suất-biến dạng cốt thép…………… ….………… 59 Hình 3-8 Mơ hình thí nghiệm kéo mẫu CFRP………………….….………… 61 Hình 3-9 Biểu đồ ứng suất-biến dạng sợi phân bố theo góc 0/900………….61 Hình 3-10 Mặt cắt ngang dầm thí nghiệm………… 62 Hình 3-11 Sơ đồ bố trí máy đo biến dạng cốt thép 64 Hình 3-12 Sơ đồ bố trí máy đo biến dạng CFRP.……………… 64 Hình 3-13 Sơ đồ gia tải thủy lực …………… 65 Hình 3-14 Gía gia tải thủy lực …………… .65 Hình 3-15 Đường cong ứng suất-biến dạng bê tơng thép…… ….………….69 Hình 3-16 Đường cong ứng suất-biến dạng sợi FRP…….… ….………….70 Hình 3-17 Phân bố ứng suất biến dạng (Trường hợp mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép đơn)……… 71 Hình 3-18 Phân bố ứng suất biến dạng (Trường hợp mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép kép)……… 71 Hình 3-19 Các thơng số hình học mặt cắt chữ T……………………………… 80 Hình 3-20 Phân bố biến dạng giả thuyết bê tơng chịu nén bị phá hoại………… 82 Hình 3-21 Phân bố biến dạng giả thuyết CFRP bị kéo đứt…… ………… 83 Hình 3-22 Sơ đồ dầm BTCT mặt cắt chữ nhật bố trí cốt thép đơn dán FRP… 84 Hình 3-23 Sơ đồ dầm BTCT DUL dán FRP tăng cường………………………93 Hình 3-24 Tăng cường khả chịu uốn cho dầm chữ T… ………………………98 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 So sánh đặc trưng điển hình vật liệu tăng cường cho bê tông.……33 Bảng 2-2 Một số đặc trưng sản phẩm FRP điển hình……………………… 34 Bảng 2-3 Một số đặc trưng hệ thống FRP dùng cho tăng cường kết cấu … 34 Bảng 2-4 So sánh định tính ba loại FRP chính………………………………… … 35 Bảng 2-5 Hệ số kháng ăn mòn loại vật liệu FRP……………………… … 40 Bảng 3-1 Hệ số sức kháng cho bê tông cốt thép…………………………… … 72 Bảng 3-2 Các thông số dầm BTCT…………………………… ……………….85 Bảng 3-3 Các thông số kỹ thuật FRP………………………… …………… …86 Bảng 3-4 Các thông số dầm BTCT DUL…………………… …………… … 93 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm Mức độ ảnh hưởng biến dạng FRP xác định biểu thức sau: hc    bi   fd  c   frp  0,003  600 mm  110 mm    0,000179  0,0131 110    frp  0,003  frp  0,0131  0,0082   frp   fd  0,0082 Lúc FRP bị phá hoại tiết diện, biến dạng phá hoại bê tông  c nhỏ 0,003 ta dùng tam giác đồng dạng để tính sau: 110 mm  c      (0,0082  0,000179 )   0,00188 hc  600 mm  110 mm   c  ( frp   bi ) Bước 7: Tính tốn biến dạng cốt thép Biến dạng cốt thép dùng tam giác đồng dạng để tính d c  550mm  110mm    (0,0082  0,000179 )   0,0075 hc  600mm  110mm   s  ( frp   bi ) Bước 8: Xác định ứng suất cốt thép FRP: Ứng suất cốt thép xác định biểu thức: f s  E s s  f y f s  ( 200 kN / mm )( 0,0075 )  1,5kN / mm  0,420 kN / mm 2 Do la lấy: f s  0,420 kN / mm Ứng suất FRP xác định biểu thức: f frp  E f  f  37000kN / mm )(0,0082)  303N / mm  0.303kN / mm Bước 9: Tính toán nội lực kiểm tra biểu thức: Ứng suất bê tơng tính theo ACI 318-05 Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng đường cong parabon: 1  4 c'   c 1,71 f c' '   với c Ec 6 c'  2 c 1  4(0,00195)  0,00188  0,746 6(0,00195)  2(0,00188 ) Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 88 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm 3 c'  c   c2 3(0,00195)(0,00188)  (0,00188)   0,877 1  31 c'2 3(0,746)(0,00195) Cân lực theo phương nằm ngang ta xác (c) M r  ( 1 c f c'  1cb )( d  1c / 2) c  s As f s   frp A frp f frp 0.9  1935  420  0.78  600  303   197,737 mm  110mm 0,877  30  0,746  300  0.75  f c' 1b c  Xác định lại c lập lại từ bước -9 Bước 10: Hiệu chỉnh c thỏa mãn:Tiếp tục thực tương tự Từ bước đến bước phải thực loạt nhiều lần xác định giá trị c đến đạt giả sử c=197 mm  600 mm  197 mm    0,000179  0,006 197    frp  0,003 Lúc FRP chưa bị phá hoại tiết diện, biến dạng phá hoại bê tông  c nhỏ 0,003 ta dùng tam giác đồng dạng để tính sau:  c    ( ,006  ,000179 hc  c  ( frp   bi ) 197 mm   )   ,003  600 mm  197 mm  Ứng suất bê tơng tính theo ACI 318-05 Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng đường cong parabol: 1  4 c'   c 1,71 f c' '   với c Ec 6 c'  2 c 1  4(0,00195)  0,003  0,842 6(0,00195)  2(0,003) 3 c'  c   c2 3(0,00195)(0,003)  (0,003)   0,89 1  31 c'2 3(0,842)(0,00195) Cân lực theo phương nằm ngang ta được: c  s As f s   frp A frp f frp 0.9  1935  420  0.78  600  303   172.633mm  197mm 0,842  30  0,89  300  0.75  f c' 1b  c Tiếp tục thực ta giả sử c=172 mm Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 89 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm  600 mm  172 mm    0,000179  0,0072 172    frp  0,003  Lúc FRP chưa bị phá hoại tiết diện, biến dạng phá hoại bê tơng  c nhỏ 0,003 ta dùng tam giác đồng dạng để tính sau: 172 mm  c      ( 0,0072  0,000179 )   0,002965 hc  600 mm  172 mm   c  ( frp   bi ) Ứng suất bê tơng tính theo ACI 318-05 Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng đường cong parabol: 1  4 c'   c 1,71 f c' '   với c Ec 6 c'  2 c 1  4(0,00195)  0,003  0,842 6(0,00195)  2(0,003) 1  3 c'  c   c2 3(0,00195 )( 0,003)  (0,003)   0,89 3 1 c' 3(0,842 )( 0,00195 ) Cân lực theo phương nằm ngang ta xác (c) c  s As f s   frp A frp f frp 0.9  1935  420  0.78  600  303   172.633mm  197 mm 0,842  30  0,89  300  0.75  f c' 1b  c đạt giá trị:c = 172 mm; d c  550mm  172 mm    (0,0082  0,000179 )   0,0074 ; hc  600mm  172 mm   s  ( frp   bi ) f s  f y  420 N / mm   0,842;   0,89; f fd  303 N / mm Bước 11: Tính tốn khả chịu uốn dầm: Khà chịu uốn cốt thép  c 0,842  172    M ns  As f s  d    1935  420   550   2     M ns  388,136  106 Nmm Khả chịu uốn FRP  c 0,842  172    M nf  A f f f  h    600  303   600       Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 90 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm M nf  95,915  10 Nmm Bước 12: Xác định khả chịu uốn tiết diện: Bởi  s  0,0074  0,005 nên hệ số giãm khả chịu kéo   0,90 M u  M n   M ns   f M nf   0,9388,136kN m  0,85(95,915kN m)  422,7kN m Khả chịu uốn dầm BTCT sau tăng cường FRP tăng lên so với trước chưa tăng cường là:   422,7  353,057 100  19,73% 353,057 VÍ DỤ 2: Xác định sức chịu tải dầm BTCT dài 4m tiết diện hình chữ nhật: bxh = 20x40 cm, cốt thép dọc chịu nén Φ 16 chịu kéo Φ 20 loại thép AII, cốt thép đai loại AI Φ10 @ 175mm, bê tông cấp B20, chiều dày lớp bê tông bảo vệ 2cm Các số liệu ban đầu tra bảng phụ lục sau: f c'  11,5MPa , thép chủ f s  280 MPa Momen kháng giới hạn tiết diện tính theo cơng thức sau: C   1c f c' 1cb   s f s' As' T   s f s As Điều kiện cân lực : T=C  s As f s   s As' f s' 0,75  1256  280  0,9  402  280   117,34mm c  ' 0,83  0,75  11,5  0,94  200  c f c 1 b Giả thuyết phá hoại đồng thời Khi điều kiện cân thỏa mãn, momen kháng giới hạn tiết diện cho biểu thức : M r  ( 1c f c' 1cb)(d  1c / 2)   s f s' As' (d  d ) M r  (0,83  0,75  11,5  0,94  117 ,34  200 )(360  0,94  117 ,34 / 2)   0,9  280  402 (360  28)  81774871(Nmm)  81,77(kNm) Trong đó: c  0,75 : hệ số sức kháng bê tông  s  0,9 : hệ số sức kháng cốt thép  frp  0,78 : hệ số sức kháng FRP Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 91 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm 1 : hệ số trung bình cường độ bê tơng thiết kế tiết diện hình chữ nhật 1  0,85  0,0015 f c'  0,85  0,0015.11,5  0,83  0,67 1 : hệ số chiều sâu vùng chịu nén đến trục trung hịa tiết diện hình chữ nhật 1  0,97  0,0025 f c'  0,97  0,0025.11,5  0.94  0,67 f c : cường độ chịu nén bê tông , MPa f frpu : Cường độ chịu kéo giới hạn FRP, MPa Trường hợp : tăng cường khả chịu uốn dầm BTCT phương pháp dán thêm đáy dầm CFRP dày 4mm rộng 60 mm với f frp  1954 MPa , Afrp  400mm Momen kháng giới hạn tiết diện tính theo công thức sau: C   1c f c' 1cb   s f s' As' T   s f s As   frp f frp A frp Điều kiện cân lực : T=C  s As f s   s As' f s'   frp f frp A frp c  c f c' 1 b 0,75  1256  280  0,9  402  280  0,78  1954  240   392,5mm 0,83  0,75  11,5  0,94  200 Khi điều kiện cân thỏa mãn, momen kháng giới hạn tiết diện cho biểu thức : M r  ( 1 c f c'  1cb )( d   1c / 2)   s f s' As' ( d  d ' ) M r  (0,83  0,75  11,5  0,94  392,5  200)(360  0,94  392,5 / 2)   0,9  280  402(360  28)  126353096(Nmm)  126,35(kNm) Kết luận: khả chịu uốn dầm BTCT sau tăng cường CFRP dày 4mm rộng 60mm là:  126,35  81,77 100  49,51% 81,77 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 92 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật  GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm VÍ DỤ 3: TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BTCT DƯL BẰNG TẤM FRP Một dầm BTCT DƯL nhịp dài tính tốn (8,84m) Cáp cường độ cao bó sợi (1860 N / mm ) 610mm 8840mm w DL ,w 102mm LL 517mm 635mm lớp FRP (1,00mm x 610mm ) Hình 3-23 Sơ đồ dầm BTCT DƯL dán FRP tăng cường Bảng 3-4 Các thông số dầm BTCT DUL Chiều dài tính tốn dầm l Bề rộng khoang l Bề rộng dầm w Bề rộng cánh dầm b f pu 8,84 m 9,14 m 610 mm 2210 mm 517 mm 635 mm 102 mm 27,6 N / mm 12,7 mm 1138 N / mm 1586 N / mm 1860 N / mm Ep 1,96  10 N / mm M n khơng có FRP 455 kN  m dp h Chiều dày cánh h f f c' Đường kính cáp f pe f py Bảng 3-5 Các thông số kỹ thuật FRP 1,00 mm Chiều dày lớp t f Cường độ chịu kéo giới hạn f fu* 621 N / mm Độ giãn dài đứt  *fu 0,015 mm / mm Mô đun đàn hồi E f 37.000 N / mm 610 mm Bề rộng w f Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 93 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm Bước 1: Xác định tính chất vật liệu thống FRP Dầm BTCT được tăng cường bắng cách dán FRP thớ chịu kéo Do hệ số ảnh hưởng môi trường lấy theo bảng 9.1 ( CE  0,95 ) f fu  C E f fu*  0,95 621 N / mm   590 N / mm  fu  C E   *fu  0,95 0,015mm / mm   0,0142 mm / mm Bước 2: Tính tốn sơ đặc tính bê tông Ec  4700 f c'  4700 27,6  24.700( N / mm ) 1  1,05  0,05 f c'  0,85 6,9 Diện tích cáp dự ứng lực: Aps  (5)( 99 mm )  495mm Diện tích FRP: A f  nt f w f  (1)(1,00mm )( 610 mm )  610 mm Diện tích tiết diện dầm: Acg  be h f  bw ( h  h f )  ( 2210 mm )(102 mm )  ( 610 mm )( 612 mm  102 mm )  5,5  105 mm bf Chiều cao trục trung hòa: yt  (h  h f )  h 2f   bw ( h  h f ) h f   2    238mm Acg Mơ men qn tính tiết diện nguyên: h f  bw ( h  h f )3 h  hf    b f h f  y1     bw ( h  h f ) y1  Ig  12  12   2210mm  102mm Ig   2210mm  102mm(238  51) 12 610mm  5333   610mm  533 (238  368)  2,13  1010 mm 12 b f h 3f    Bán kính quán tính hồi chuyển: r Ig  Acg 2,13  1010  197 mm 5,5  105 Biến dạng ảnh hưởng dự ứng lực: f 1138  pe  pe   0,00589 E p 1,96  105 Lực dự ứng lực gây ra: Pe  Aps f pe  495  1138  563,310 N Độ lệch tâm dự ứng lực tạo ra: e  d p  yt  571  238  333mm Bước 3: Xác định biến dạng mặt dầm: Biến dạng dầm xác định dầm chưa bị nứt có tải trọng tác động lên dầm thời điểm lắp đặt FRP gọi tĩnh tải Khoảng cách từ dầm đến trọng tâm tiết diện yb  h  yt  635  238  397mm Biến dạng mép dầm Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 94 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm  bi   pe  eyb  M DL yb 1    Ec Acg  r  Ec I g  bi   563,310 333  397  199  106  397  1  3  10    10 24.700  5,5  10  197  24.700  2,13  10 Bước 4: Xác định biến dạng hệ thống FRP: Xác định biến dạng FRP dựa mơ hình phá hoại khơng dính định biểu thức sau:  fd  fd xác f c'  0,42  0,9 fu nE f t f 27,6 N / mm  fd  0,42  0,013  0,9(0,0142 )  0,0128 1(37.000 N / mm )(1,016 mm ) Bởi biến dạng FRP nhỏ biến dạng đứt, nên phải thiết kế theo hệ thống FRP Bước 5: Dự tính c, chiều sâu trục trung hòa: Chiều sâu trục trung hịa dự tính hợp lý (c=0,1h) Giá trị kiểm tra lại sau c  0,1h  (0,10)( 635mm )  635mm Bước 6: Xác định ảnh hưởng biến dạng FRP Mức độ ảnh hưởng biến dạng FRP xác định biểu thức sau: df c    bi   fd c    fe  0,003  635mm  63,5mm    0,00003  0,027 63 ,    fe  0,003  fe  0,027  0,0113   fe   fd  0,0113 Chú ý chọn chiều sâu trục trung hịa, FRP bị phá hoại điều kiện thứ kiểm soát, điều kiện thứ xảy bê tơng bị phá hoại Bước 7: Tính tốn biến dạng cáp dự ứng lực Biến dạng cáp dự ứng lực áp dụng biểu thức sau:  dp  c    (0,0113  0,00003) 571mm  63,5mm   0,01   635mm  63,5mm  df c  pnet  ( fe   bi ) Pe  e2  1    e pnet  0,035 Ac Ec  r   3332  563,310 1    0,01  0,016  0,035  ps  0,00589  5,5  105  24.700  197  Bước 8: Xác định ứng suất cáp dự ứng lực FRP: Ứng suất cáp dự ứng lực cấp cáp 270 xác định biểu thức:  ps   pe  Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 95 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật f ps 196.500 ps   0,276 1860    ps  0,007  GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm for  ps  0,0086 for  ps  0,0086 f ps  1860  0,276  1831N / mm 0,016  0,007 Ứng suất FRP xác định biểu thức: f fe  E f  fe  (37.000 N / mm )(0,0113)  418 N / mm Bước 9: Tính tốn hệ số nén bê tông  ,  Biến dạng bê tông giai đoạn phá hoại : c   63,5   (0,0113  0,00003)   0,0013   635  63,5  df c   c  ( fe   bi ) Biến dạng  c' tương ứng với f c' xác định biểu thức sau:  c'  1,7 f c' 1,7(27,6)   0,0019 Ec 24.700 Ứng suất bê tơng thính theo ACI 318-05 Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng đường cong parabon: 17 f c' 4 c'   c ' 1  ' với  c  Ec 6 c  2 c 4(0,0019 )  0,0013 1   0,716 6(0,0019)  2(0,0013) 3 c'  c   c2 3(0,0019 )( 0,0013)  ( 0,0013)   0,738 1  3 1 c' 3(0,716 )( 0,0019 ) Bước 10: Xác định nội lực kiểm tra phương trình cân lực Cân lực theo phương nằm ngang ta xác định (c) c Ap f ps  Af f fe 1 f c' 1b  ( 495mm )(1831N / mm )  (620mm )( 418 N / mm )  36mm  63,5mm (0,738)( 27,6 N / mm )(0,716)( 2210)  Xác định lại c lập lại từ bước -10 Bước 11: Hiệu chỉnh c thỏa mảng: Từ bước đến bước 10 phải thực loạt nhiều lần xác định giá trị c đến đạt Kết tìm thể dây: c = 47mm;  ps  0,016 ; f ps  f y  1831N / mm  fs  0,0113;  c  0,00091 f fes  418 N / mm 1  0,698; 1  0,577 ( 495 N / mm )(1831N / mm )  (620mm )( 418 N / mm ) c  47mm (0,577 )( 27,6 N / mm )( 0,698)( 2210 mm ) c  47mm  47mm đạt Cuối ta xác định giá trị c tìm Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 96 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm Bước 12: Tính tốn khả chịu uốn dầm: Khà chịu uốn cốt thép 1c   0,786(131mm )    M ns  Ap f ps  d p    ( 495mm )(1830 N / mm ) 571,5mm      M ns  1,140  108 N  mm  114kN  m Khả chịu uốn FRP 1c   0,70( 47mm )  2   M nf  Af f f  d f    (620mm )( 418 N / mm ) 635mm      M nf  160 ,1  108 N  nn  160,1kN  m Bước 13: Xác định khả chịu uốn tiết diện: Bởi  ps  0,016  0,015 nên hệ số giãm khả chịu kéo   0,90  f  0,85 M n   M ns  f M nf   0,9506,1kN m  0,85(160,1kN m) M n  573kN m  M u  539kN m Kết luận: khả chịu uốn dầm BTCT sau tăng cường CFRP dày 1mm rộng 610mm là: 539  455  100  18,4% 455  VÍ DỤ 4: TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG CHO CÁC DẦM T Dựa sơ đồ bước tính tốn cho trường hợp cụ thể, số bảng tính lập phần mềm Microsoft Excel u cầu: tính tốn thiết kế tăng cường khả chịu uốn cho dầm chữ T BTCT thường Hình 3-24 Tấm sợi CFRP sử dụng để dán vào mặt dầm Số liệu đầu vào kết tính thống kê theo bảng Số liệu đầu vào Chiều rộng cánh (mm) Bề dày cánh (mm) Bề dày sườn dầm (mm) Chiều cao dầm (mm) Cường độ bê tơng (MPa) Ví dụ Ví dụ Ví dụ 900 1400 1400 65 140 140 250 200 200 500 1200 1200 45 28 28 Tỷ trọng bê tông (kg/m3) Biến dạng giới hạn bê tông bị nứt vỡ Cốt thép dọc (số thanh, đường kính mm) Giới hạn chảy cốt thép (MPa) Mô đun đàn hồi cốt thép (MPa) Biến dạng chảy thép Chiều rộng CFRP (mm) 2500 0.003 325 400 205000 0.00215 50 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 2500 0.003 22 400 200000 0.002 150 2500 0.003 22 400 200000 0.002 180 Trang 97 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật Chiều dày CFRP (mm) Biến dạng giới hạn vật liệu CFRP Mô đun đàn hồi vật liệu CFRP (MPa) Hệ số sức kháng CFRP Kết Hình thức phá hoại khống chế Mô men kháng uốn trước tăng cường (kN.m) Mô men kháng uốn sau tăng cường (kN.m) Hiệu tăng cường (%) GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm 1.2 0.0155 155000 0.75 2x1.3 0.0155 155000 0.75 2x1.4 0.0155 155000 0.75 CFRP CFRP Bê tông 232 2036 2036 285 23 2650 30 2798 37 Hình 3-24 Tăng cường khả chịu uốn cho dầm chữ T 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương giới thiệu sở lý thuyết xây dựng mơ hình phân tích kết cấu dầm BTCT tăng cường khả chống uốn sợi CFRP dán bên Một số ví dụ sử dụng số liệu thực tế thực nhằm minh họa phương pháp tính hiệu tăng cường Qua ví dụ thấy việc dán sợi CFRP bên cho dầm BTCT cũ mang lại hiệu cao việc cải thiện khả làm việc kết cấu Khả chịu uốn dầm BTCT tăng lên từ 15% đến 50% So sánh với kết thực nghiệm kết báo cáo giới, kết đạt từ mơ hình phân tích phần phù hợp Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 98 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  KẾT LUẬN: + Tăng cường kết cấu cầu BTCT dán FRP bên để tăng khả chịu uốn cho dầm phù hợp hiệu tăng cường kiểm chứng qua hàng loạt nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm Như Chương 3, khả chịu uốn dầm BTCT tăng lên khoảng 15%-50% Như hiệu tăng cường đáp ứng hầu hết yêu cầu thực tế sửa chữa tăng cường kết cấu cầu BTCT cũ + Về phù hợp đặc trưng học vật liệu FRP với mục đích sửa chữa, tăng cường kết cấu BTCT cũ Với tính trội trọng lượng nhẹ, cường độ cao, độ bền chống ăn mòn cao đa dạng chủng loại, v.v… vật liệu FRP mang lại giải pháp sửa chữa, tăng cường kết cấu tập hợp nhiều ưu điểm so với loại vật liệu truyền thống không làm tăng tĩnh tải kết cấu; dễ dàng thi công; độ bền cao phù hợp với hầu hết thể loại kết cấu + Giải pháp tính tốn, thiết kế sửa chữa, tăng cường FRP dán bên ngồi kết cấu xây dựng dựa mối quan hệ nội lực, ứng suất, biến dạng thường dùng cho kết cấu BTCT thông thường, Điều quan trọng cần xét yếu tố trạng cơng trình cần sửa chữa, tăng cường cường độ vật liệu, mát ứng suất trước… + Khả áp dụng Việt Nam trở nên cấp thiết nhiều nguyên nhân, chủ yếu xuống cấp cơng trình, tăng lên tải trọng, thay đổi tiêu chuẩn thiết kế…  KIẾN NGHỊ + Trong tiêu cuẩn Thiết kế Cầu(22TCN-272-05) chưa có phần dành cho vật liệu FRP Do chưa có hướng dẫn quy chuẩn cho việc tính tốn, thiết kế kết cấu BTCT tăng cường vật liệu sợi theo qui trình mà phải tham khảo số tài liệu tham khảo tài liệu ISIS Canada, ACI, v.v… Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 99 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm + Xây dựng Sổ tay hướng dẫn thiết cách sử dụng tính tốn vật liệu FRP để tăng cường cho kết cấu từ dễ dàng việc phân tích thiết kế kết cấu, trình tự cơng nghệ thi công + Triển khai áp dụng cho sửa chữa tăng cường hệ thống cầu BTCT cũ việt nam Trên sở thống kê, đánh giá, cần phân loại hệ thống cầu BTCT phạm vi nước theo hệ thống đường phân cấp quản lý: cầu Quốc lộ, cầu Tỉnh lộ, cầu huyện lộ cầu giao thông nông thôn Hàng năm tổng hợp kết áp dụng, đúc kết kinh nghiệm tiến tới xây dựng quy trình hồn chỉnh sử dụng vật liệu polime cốt sợi cacbon phục vụ cho công tăng cường sửa chữa cầu BTCT + Một nguyên nhân mà việc áp dụng vật liệu polime cốt sợi cacbon vào tăng cường sửa chữa cầu chưa sử dụng nhiều giá thành vật liệu cịn cao Nên nhà nước cần có chế ưu tiên tạo điều kiện cho doanh nghiệp phát triển theo hướng sản xuất loại vật liệu nước, làm giảm giá thành vật liệu cách đáng kể, góp phần làm giảm giá thành sửa chữa tăng cường cầu CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 TCN 272-05 (2005) Tiêu chuẩn thiết kế cầu Bộ Giao thông vận tải Nguyễn Văn Nhậm, Nguyễn Mạnh Nguyễn Ngọc Long (2005) Quản lý khai thác, kiểm định sửa chữa, gia cố cầu Đại học Giao thông vận tải Phùng Mạnh Tiến, Đánh giá tình trạng kỹ thuật cơng trình cầu.Hội nghị KH-KT công nghệ mới.2002 Phạm Duy Hữu,Vật liệu xây dựng mới,NXB.GTVT 2002 Nguyễn Viết Trung,Những phương pháp sửa chữa nâng cấp cơng Trình BTCT NXB.GTVT 1994 Nguyễn Viết Trung,Khai thác , sửa chữa , tăng cường cầu.ĐH GTVT 2003 Ngô Thanh Thuỷ Chuyên đề nghiên cứu sinh Đại học giao thông vận tải Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 100 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm GS TS.Nguyễn Viết Trung, TS Lê Thị Bích Thuỷ, Cơng nghệ dán thép gia cố sửa chữa cầu kết cấu bê tông cốt thép.(2006) Nhà xuất xây dựng American Concrete Institute (2000) Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures ACI Committee 440-F Draft Document 10 Arduini M, Nanni A (1997) Parametric study of beams with externally bonded FRP reinforcement ACI Structural Journal, Vol 94(5), pp 493–501 11 CSA-A23.3-94.(1994) Design of concrete structures Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario 12 CSA-S6-88.(1988) Design of highway bridges Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario 13 Drimoussis A, Cheng JJR (1995) Shear strengthening of concrete bridge girders using carbon fibre-reinforced plastic sheets Fourth International Bridge Engineering Conference, Vol San Francisco (California, USA), pp 337–347 14 http://www.fyfeco.com/ Trang web hãng cung cấp vật liệu FRP 15 ISIS Canada (2001) Strengthening reinforced concrete structures with externally bonded fibre reinforced polymer Design Manual 16 M’Bazaa, I., Missihoun, M., and Labossiere, P (1996) Strengthening of Reinforced Concrete Beams with CFRP Sheets Proceedings of the First International Conference on Composites in Infrastructure, Tucson, AZ, pp 746759 17 Meier, U., and Kaiser, H (1991) Strengthening of Structures with CFRP Laminates Proceedings of Conference on Advanced Composites Materials in Civil Engineering Structures, ASCE, Las Vegas, pp 224-232 18 Meier, U., Deuring, M., Meier, H., and Schweger, G (1992) Strengthening of 19 Structures with CFRP Laminates: Research and Applications in Switzerland Proceeding of the First International Conference on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures, Sherbrooke, pp 243-251 20 Naaman, A and Joeng, S (1995) Structural Ductility of Concrete Prestressed Beams with FRP Tendons Proceeding of the Second International RILEM Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 101 Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD:PGS.TS Trần Đức Nhiệm Symposium – Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, Ghent, Belgium, pp 379-386 21 Norris, T., and Saadatmanesh, H (1994) Improving the Serviceability of Concrete Beams using Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Sheets, FHA, Grant No DDEGRF-93-P-05 22 Norris T, Saadatmanesh H, Ehsani MR (1997) Shear and flexural strengthening of R/C beams with carbon fibre sheets Journal of Structural Engineering, Vol 123(7), pp 903 –911 23 Park, R and Paulay, T (1975) Reinforced Concrete Structures, John Wiley and Sons, New York 24 Ritchie, P., Thomas, D., Lu, W.L., and Connelly, G (1991) External Reinforcement of Concrete Beams Using Fiber Reinforced Plastics ACI Structural Journal, ACI, Vol 88, pp 490-500 25 Swiss Code.(1989) Schweizerischer Ingenieur-und Architecten-Verein, SIA 162, Betonbauten (Concrete Structures) Swiss Code SN 562 162 Học Viên: Nguyễn Đức Huy , Lớp Cao Học Cầu Hầm K17 Trang 102