Đánh giá hiệu quả tăng cường khả năng chịu nén của cấu kiện bê tông cốt thép được tăng cường tấm sợi cacbon,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

1 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài 10 Đối tượng nghiên cứu đề tài 10 Phương pháp nghiên cứu 10 Ý nghĩa đề tài 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FRP VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG 1.1 Sự hình thành vật liệu FRP 11 1.1.1 Chất dẻo 11 1.1.2 Cốt sợi 12 1.2 Vật liệu FRP 12 1.3 Các đặc trưng học vật liệu FRP 13 1.3.1 Mô đun đàn hồi 14 1.3.2 Cường độ 15 1.3.3 Mỏi 17 1.3.4 Từ biến 18 1.3.5 Đứt gãy từ biến 19 1.4 Kết luận chung 19 1.5 Công nghệ thi công 19 1.5.1 Các lưu ý chung 20 1.5.2 Chuẩn bị bề mặt 21 1.5.3 Các bước tiến hành 21 1.5.4 Trộn nhựa epoxy 22 1.5.5 Thi công lớp keo lót 22 1.5.6 Dán mỏng CFRP 23 1.5.7 Thử nghiệm FRP lắp đặt 24 1.5.8 Kiểm tra giám sát chất lượng 25 CHƯƠNG : TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG CỘT CHỊU NÉN BẰNG FRP 2.1 Tình hình nghiên cứu khả chịu nén cấu kiện tăng cường sợi cacbon 26 2.1.1 Ngoài nước 26 2.1.2 Trong nước 26 2.2 Tính tốn khả chịu nén cấu kiện BTCT tăng cường sợi cacbon theo ISIS (CANADA) 27 2.2.1 Cột tròn ngắn chịu nén tâm 27 2.2.1.1 Sự hạn chế nở hông 27 2.2.1.2 Giới hạn tăng cường 28 2.2.1.3 Sức kháng dọc trục 29 2.2.1.4 Ví dụ thiết kế cột tròn ngắn chịu nén tâm 30 2.2.2 Cột ngắn hình chữ nhật chịu nén tâm 32 2.2.2.1 Tăng cường 33 2.2.2.2 Giới hạn tăng cường 33 2.2.2.3 Sức kháng dọc trục 34 2.2.2.4 Ví dụ thiết kế cột hình chữ nhật chịu nén tâm 34 2.2.3 Tăng cường khả chịu cắt 36 2.2.3.1 Sức chống cắt 36 2.2.3.2 Giới hạn tăng cường 37 2.2.3.3 Tăng cường lực cắt tính cho cột với mặt cắt tròn 37 2.2.3.4 Ví dụ thiết kế tăng cường lực cắt tính cho cột với mặt cắt tròn 39 2.2.3.5 Tăng cường lực cắt tính cho cột với mặt cắt chữ nhật 40 2.2.3.6 Ví dụ thiết kế Tăng cường lực cắt tính cho cột mặt cắt chữ nhật.41 2.2.4 Các giới hạn tăng cường khả chịu tải dọc trục 42 2.2.4.1 Từ biến 42 2.2.4.2 Mỏi 43 2.2.4.3 Ví dụ thiết kế 43 CHƯƠNG : THÍ NGHIỆM TĂNG CƯỜNG CỘT CHỊU NÉN BẰNG FRP 3.1 Tính tốn cường độ chịu nén mẫu theo ISIS 45 3.1.1 Số liệu thí nghiệm 45 3.1.2 Tính cấp phối bê tơng 45 3.1.3 Tính tốn tăng cường cột tròn sợi cacbon FRP 47 3.1.3.1 Thiết kế mặt cắt cột tính khả chịu nén tâm 47 3.1.3.2 Tính khả cột chịu nén cột tròn tăng cường sợi cacbon FRP (theo ISIS -Canada) 48 3.1.4 Tính tốn tăng cường cột vng sợi cacbon FRP 50 3.1.4.1 Thiết kế mặt cắt cột tính khả chịu nén tâm 50 3.1.4.2 Tính khả cột chịu nén cột tăng cường sợi cacbon FRP (theo ISIS -Canada) 51 3.1.5 Kết luận 52 3.2 Thí nghiệm 53 3.2.1 Trình tự đúc mẫu 53 3.2.2 Trình tự dán tăng cường sọi cacbon 55 3.2.2.1 Xử lý bề mặt mẫu 55 3.2.2.2 Cắt cac bon 56 3.2.2.3 Trộn keo 56 3.2.2.4 Dán cacbon 57 3.2.3 Thí nghiệm nén 59 3.2.3.1 Dụng cụ mẫu thí nghiệm 59 3.2.3.2 Tiến hành thí nghiệm 60 3.2.3.3 Kết thí nghiệm đánh giá 62 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI………………… 50 Về khả chịu lực dọc trục 64 Về vật liệu 64 Về khả thi công 65 Về kinh tế 65 Hướng phát triển đề tài 65 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………… …51 LỜI CẢM ƠN Trước hết chúng em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Cơ Sở II tạo điều kiện cho chúng em thực đề tài này, đặc biệt hướng dẫn nhiệt tình thầy VŨ VĂN TOẢN, NGƠ THANH THỦY, Trung tâm chuyển giao cơng nghệ thực hành, công ty tư vấn xây dựng giao thông giáo viên gợi ý đề tài trực tiếp hướng dẫn giúp chúng em học tập nghiên cứu, hoàn thành đề tài thời gian qui định Được hướng dẫn thầy cô, chúng em nghiên cứu vấn đề quan tâm, phát huy hết kiến thức học từ ghế giảng đường đọc nhiều tài liệu bổ ích cần thiết cho trình học nghiên cứu Qua chúng em chân thành cảm ơn góp ý sâu sắc, giúp đỡ tận tình thầy chun mơn giúp chúng em hồn thành đề tài Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng năm 2012 GVHD: Ths Vũ Văn Toản Ths Ngô Thanh Thủy SVTH: Phạm Minh Khiêm Lê văn Đoan Lê Huỳnh Minh Hưng Trần Xuân Chuyên Lớp: Cầu Đường Bộ - K49 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ac Diện tích lõi bê tơng, mm2 Ag Diện tích tồn mặt cắt ngang, mm2 Ah Diện tích cốt thép ngang, mm2 Ast Tổng diện tích cốt thép theo phương dọc, mm2 b Chiều rộng mặt cắt hình chữ nhật, mm bw Chiều rộng có hiệu nhỏ nhất, mm d Khoảng cách từ mặt nén lớn đến cốt thép chịu kéo, mm Dc Kích thước cột theo hướng tải tính từ tâm đến tâm kết cấu tăng cường ngang, mm Dg Đường kính ngồi cột trịn , mm Efrp Module đàn hồi FRP, MPa Es Module đàn hồi thép, MPa f’c Cường độ nén bê tông, MPa f’cc Cường độ nén bê tông bị hạn chế nở hông , MPa Ffrp Cường độ chịu kéo FRP, MPa ffpu Cường độ chịu kéo cực hạn FRP, MPa flfrp Áp lực nở hông cựa hạn tăng cường FRP, MPa fhy Ứng suất chảy cốt thép ngang, MPa fs Ứng suất cốt thép tải trọng xác định, MPa fy Ứng suất chảy cốt thép, MPa h Tổng độ dày phần tử , mm, ke Hệ số giảm cường độ tác dụng lệch tâm lu Chiều dài không giằng phần tử chịu nén n Số lớp tăng cường Nb Số lớp FRP PD Tải trọng tĩnh dọc trục, N Pf Tải trọng có hệ số, N Plt Tải trọng động, N Prmax Sứa kháng dọc trục có hệ số, N r Bán kính r góc bo, mm s khoảng cách cốt thép chịu cắt thép đo song song với chiều dọc trục phần tử, mm ( bước cốt đai) tfrp Độ dày lớp FRP tăng cường, mm Vb Sức kháng cắt cho phép bê tông theo quy định CSA-S6 88, Mpa Vc Sức kháng cắt có hệ số bê tơng, N Vfrp Sức kháng cắt FRP, N Vr Sức kháng có hệ số, N Vs Sức kháng trượt có hệ số cốt thép, α1 Hệ số ứng suất trung bình khối nén hình chữ nhật với cường độ chịu nén quy định bê tông αpc Hệ số ứng xử cột tròn αpr Hệ số ứng xử cột hình chữ nhật ε frp Biến dạng FRP ε frpe Biến dạng có hiệu FRP c Hệ số sức kháng bê tông frp Hệ số sức kháng FRP s Hệ số sức kháng cốt thép λ Yếu tố xét đến bê tơng có tỷ trọng thấp θ Góc chống nén chủ yếu với trục dọc góc nghiêng vết nứt, lấy 30 ° cho trụ cầu, 45 ° cho kết cấu tường chắn w Tỉ số thể tích cường độ FRP so với cường độ bê tông MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài  Ứng dụng vật liệu CFRP tăng cường sửa chữa kết cấu BTCT Trong trình khai thác, kết cấu BTCT cần sửa chữa tăng cường để trì cải thiện khả làm việc an tồn Các nguyên nhân sai sót q trình thiết kế thi cơng cơng trình, cố xảy khai thác gây hư hỏng cho cơng trình, u cầu phải chịu tải trọng tăng lên, thay đổi mục đích sử dụng,v.v… Do vật liệu CFRP có cường độ cao trọng lượng nhẹ, đặc tính chống tải trọng mỏi tốt, khả chống ăn mòn cao dễ dàng thi công bề mặt bê tông, việc sử dụng CFRP xây dựng cơng trình đạt bước tiến lớn thập kỷ qua Các tiến công nghệ lĩnh vực làm cho việc sử dụng CFRP tăng lên nhanh chóng với độ cứng cường độ cao, đặc biệt sửa chữa tăng cường kết cấu BTCT Trên sở kết nghiên cứu ngày hoàn thiện yêu cầu mặt môi trường, chịu tải tuổi thọ kết cấu BTCT sửa chữa tăng cường, CFRP sử dụng cách có hiệu  Cơng nghệ ứng dụng vật liệu CFRP sửa chữa tăng cường kết cấu Vật liệu CFRP phát triển vòng hai thập kỷ gần trở thành vật liệu ý nhiều ứng dụng cho kết cấu cơng trình Ngồi ưu điểm tiềm bật xây dựng, cịn thể loại vật liệu có hiệu kinh tế nhiều lĩnh vực khác tăng cường kết cấu bê tông, khối xây, thép gỗ Các ứng dụng vật liệu tăng cường kết cấu có thay cho vật liệu dự dứng lực Việc tăng cường khả chịu lực kết cấu ngày sử dụng nhiều vật liệu ngành xây dựng ứng dụng bao gồm tăng cường khả chịu tải kết cấu cũ để đáp ứng tăng tải trọng, tăng cường chống động đất sửa chữa kết cấu bị hư hỏng Tăng cường kết cấu phổ biến chi phí thay kết cấu hư hỏng lớn nhiều so với phương án sử dụng FRP Do có độ cứng lớn, FRP sử dụng nhằm giảm độ võng dầm, bọc quanh dầm để chống lại phá hoại cắt, bọc quanh cột để tăng cường khả chịu nén Khi sử dụng thay cho thép, FRP sử dụng để tăng khả chịu lực cho kết cấu bê tông Loại vật liệu thường sử dụng làm cốt dự ứng lực có độ cứng cường độ cao Ưu điểm FRP so với thép sử dụng làm vật liệu dự ứng lực có trọng lượng nhẹ chống ăn mịn, đảm bảo cho điều kiện thích hợp môi trường biển Việc ứng dụng vật liệu composit việc gia cố sửa chữa kết cấu BTCT có nhiều tiềm Kỹ thuật sửa chữa vật liệu composit bao gồm việc dán FRP lên bề mặt BTCT dầm, bọc quanh cột BTCT FRP có nhiều ưu điểm bật so với loại vật liệu xây dựng truyền thống cường độ cao so với trọng lượng thân nhẹ, chống ăn mòn, chịu thời tiết, ổn định kích thước, khả dẫn nhiệt thấp hệ số dãn nở nhiệt thấp, khơng có từ tính, sức bền nén cao, sức bền điện mơi cao bảo dưỡng Sửa chữa gia cố kết cấu bê tơng nói chung thường tốn kỹ thuật phức tạp Vấn đề đặt cần phải dựa khảo sát kỹ để định khối lượng thời gian cho công việc sửa chữa Một dự báo sở khảo sát kỹ làm cho việc đánh giá mang tính tế nhằm khoa học khả thi Những kết đánh giá làm cho việc sửa chữa phù hợp kinh tế nhằm kéo dài tuổi thọ sử dụng kết cấu BTCT 10 o Có độ bền dài hạn với tuổi thọ 30 năm nhiệt độ khai thác từ -20 C o đến +40 C, phù hợp với điều kiện khí hậu nước ta, đặc biệt miền Nam Mục tiêu nghiên cứu đề tài  Đánh giá khả tăng cường sợi cacbon về: + Khả chịu lực + Vật liệu + Thi công + Kinh tế  Tạo tiền đề cho việc sửa chữa tăng cường kết cấu nước ta tương lai Đối tượng nghiên cứu đề tài Với mục tiêu đối tượng nghiên cứu tăng cường kết cấu chịu nén sợi FRP Các kết cấu tăng cường nghiên cứu đề tài: + Cột ngắn mặt cắt tròn + Cột ngắn mặt cắt vuông Đánh giá khả tăng cường vật liệu FRP thông qua khả chịu nén mẫu thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu nghiên cứu sở lý thuyết, tính tốn, tham khảo tài liệu tiếng Anh - Thí nghiệm mẫu để kiểm tra lý thuyết tính tốn Ý nghĩa đề tài Là tiền đề cho việc tăng cường sửa chữa cấu kiện chịu nén Việt Nam tương lai 52 f cc' 1 f c' w   pc 27.184 1 25   0.087 (2-15) – Áp lực giới hạn nở hông yêu cầu: flfrp  wc fc'  0.087  0.75  25  1.631MPa (2-14) – Tính tốn số lượng yêu cầu lớp FRP Nb  Nb  flfrpbh 2 frp E frp frpt frp (b  h) 1.631  150  150  1.287  0.75  240000  0.0015  0.176  (150  150) (2-13)  Chọn lớp ( biến dạng tương đối cực hạn FRP = 0.0015) - Tính tốn chịu tải dọc trục cột có hệ số tăng cường FRP: flfrp  flfrp  w  N b frp E frp frpt frp (b  h) bh   0.75  240000  0.0015  0.176  150  150  150  150 flfrp c f c'   2.534MPa 2.534  0.135 0.75  25 f cc'  f c' 1   prw  f cc'  25 1  1.0  0.135   28.379MPa Pr max  ke 1c f cc' ( Ag  As )  s f y As  Pr max  0.85 0.85  0.75  28.379(22500  452)  0.9  420  452  484279 N  484.279 KN  Sauk hi tăng cường lớp FRP sức chịu nén cột tăng lên: 484.279  395.016  100  23% 395.016 3.1.5 Kết luận 53 Trong kết tính tốn với cột trịn u cầu lớp FRP tăng cường tăng cường khả chịu tải dọc trục 113%, cột vuông yêu cầu lớp tăng cường tăng 23% khả chịu lực Điều chứng tỏ hiệu tăng cường cho mặt cắt tròn, hiệu tăng cường cho mặt cắt hình vng 3.2 Thí nghiệm Những khó khăn gặp phải thí nghiệm để đánh giá kết tính tốn  Hạn chế dụng cụ phục vụ thí nghiệm  Ván khn : có loại ván khuôn + Khuôn lập phương 15 x 15 x 45 cm + Khn hình trụ Dg =15 cm, Lu = 30cm  Thiết bị nén mẫu : hmax = 40 cm Theo tiêu chuẩn tỷ lệ h/Dg  Do chọn h = 39 cm Thì Dg = 13cm Khó khăn việc bố trí cốt đai ván khuôn  Vật liệu sợi cacbon hạn chế: nên hạn chế số lượng mẫu 3.2.1 Trình tự đúc mẫu  Khn mẫu :  khn mẫu hình trụ trịn Dg = 150 mm, Lu = 300 mm  khn mẫu hình trụ vng 150 x 150 mm, Lu =300 mm  khuôn hình lập phương 150 x 150 x150 mm 54  Cốt thép : f Cốt chủ đặt dọc trục  12 g Cốt đai đặt hai đầu cột   Trộn bê tông - Cân vật liệu Đá x2 Cát Xi măng 55  Trộn loại vật liệu : Hỗn hợp cát + đá + xi măng  Tiến hành đổ mẫu  Tháo ván khn bảo dưỡng 3.2.2 Trình tự dán tăng cường sọi cacbon 3.2.2.1 Xử lý bề mặt mẫu Hỗn hợp bê tông 56 Dùng máy mài nhẵn bề mặt mẫu bo trịn góc mẫu trụ vuông, lau bụi, bề mặt mẫu phải khô kiểm tra độ ẩm nhỏ 4% 3.2.2.2 Cắt cac bon - Tấm cacbon FRP loại C240 – 300g/m2 - 65 x 30 cm cho trụ mặt cắt tròn - 70 x 30 cm cho trụ mặt cắt hình vng 3.2.2.3 Trộn keo Keo gồm loại keo trộn với nhau: S&P Resin 220 Kom.A S&P Resin 220, trộn theo tỉ lệ : trộn với chất đông cứng B5 57 Chú ý trộn keo phải đeo găng tay Khối lượng keo: kg keo + 0.5l chất chống đông 3.2.2.4 Dán cacbon  Bôi keo lên bề mặt 58  Dán lớp FRP => dùng lăn ép mặt, ép chặt sợi cacbon vào bề mặt trụ cột  Bôi tiếp lớp thứ hai  Dán lớp thứ => Lưu ý dán theo chiều ngược lại  Tiếp tục thoa thêm lớp keo bên ngồi Dùng lăn, lăn cho dính chặt Chú ý ép chặt điểm nối cuối 59 3.2.3 Thí nghiệm nén 3.2.3.1 Dụng cụ mẫu thí nghiệm - Máy nén bê tơng - Mẫu trụ mặt cắt vuông: chưa tăng cường tăng cường - Mẫu trụ mặt cắt tròn : chưa tăng cường tăng cường - Mẫu lập phương 15 x 15 x 15 cm: mẫu 60 3.2.3.2 Tiến hành thí nghiệm Lần lượt cho mẫu vào máy nén, nén bị phá hoại Đọc giá trị lực nén đồng hồ Xem xét đánh giá vết nứt phá hoại mẫu  Mẫu trụ mặt cắt vuông Phá hoại chưa tăng cường Phá hoại tăng cường 61  Mẫu trụ mặt cắt tròn Phá hoại chưa tăng cường Phá hoại mẫu tăng cường 62 3.2.3.3 Kết thí nghiệm đánh giá 1- Thí nghiệm f’c Nén mẫu 15 x 15 x15 cm ta có kết sau : Mẫu Lực nén phá hoại (kN) Ứng suất(MPa) 510 23 580 26 – Thí nghiệm đánh giá hiệu tăng cường Bảng tổng hợp kết thí nghiệm : Tên gọi Lực nén Ứng suất Hiệu tăng (kN) (MPa) cường (%) Mẫu trụ mặt Chưa tăng cường 450 20 cắt vuông Đã tăng cường 675 30 Chưa tăng cường 280 16 Đã tăng cường 1035 59 Chưa tăng cường 255 14 Đã tăng cường 905 51 Mẫu trụ mặt cắt Mẫu tròn Mẫu 50 269 255 Bảng tổng hợp kết tính tốn theo ISIS Canada: Lực nén Ứng suất Hiệu tăng (kN) (MPa) cường (%) Chưa tăng cường 395.016 18 Đã tăng cường 484.279 20 Chưa tăng cường 333.454 19 Tên gọi Mẫu trụ mặt cắt vng 23 63 Mẫu trụ mặt cắt trịn Đã tăng cường 711.379 40 113 KẾT LUẬN : Kết thí nghiệm đánh giá hiệu tăng cường vật liệu FRP cho cột vng cột trịn Khả tăng cường cột tròn vật liệu FRP có hiệu so với cột vng HQTC (%) 269 255 113 50 23 Loai cot Vng Trịn Trịn 64 Kết lý tính tốn Kết thí nghiệm Đánh giá hiệu tăng cường sợi FRP theo tính tốn thí nghiệm KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Về khả chịu lực dọc trục Đề tài nghiên cứu giới thiệu trình tự tính tốn, thi cơng sửa chữa tăng cường kết cấu BTCT sợi cacbon FRP Qua kết tính tốn thực thí nghiệm đánh giá hiệu tăng cường sợi cac bon FRP cho cấu kiện chịu nén Cấu kiện có mặt cắt hình trịn tăng cường hiệu so với mặt cắt hình vng  Theo lý thuyết:  Mặt cắt hình vng : 23 % tăng cường lớp  Mặt cắt hình trịn : 113 % tăng cường lớp  Theo thực nghiệm  Mặt cắt hình vng : 50 % tăng cường lớp  Mặt cắt hình trịn : 255%-269 % tăng cường lớp Về vật liệu Vật liệu FRP tính phù hợp cho việc sửa chữa tăng cường nhẹ, cường độ cao, độ cứng lớn độ bền cao Mặt khác nhu cầu sửa chữa, nâng cấp hệ thống cầu BTCT Việt Nam lớn Do cơng nghệ dán sợi FRP hứa hẹn tiềm lớn vài năm tới Một số công ty lớn lĩnh vực vật 65 liệu composit tiếp cận với thị trường Việt Nam để triển khai công nghệ Về khả thi công Công nghệ dán sợi FRP tương đối đơn giản Đây hội cho kỹ sư Việt Nam tiếp cận với công nghệ mới, đồng thời mở lựa chọn có hiệu cao cho kỹ sư tư vấn, nhà quản lý sở hạ tầng giao thông vận tải Việt Nam định giải pháp sửa chữa, tăng cường kết cấu BTCT như: trụ cầu, cột, dầm, sàn nhà… Về kinh tế Khi sử dụng công nghệ dán sợi CFRP: Các số liệu sau tham khảo từ công ty Fyfe Asia: Tyfo SCH41 Carbon Giá USD2600/cuộn 55m + keo Tyfo S Epoxy cần cho cuộn Tyfo S Epoxy Giá USD250/bộ, gồm phần A (keo) B (chất hóa cứng) Ước tính chi phí hồn thiện 1m bề mặt có dán sợi CFRP dao động khoảng 60-150USD, tương đương khoảng triệu Hướng phát triển đề tài Tiếp tục nghiên cứu đánh giá hiệu tăng cường sợi cacbon cho cấu kiện BTCT chịu nén lệch tâm 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quang Mạnh, “Chương 4: ứng dụng vật liệu CFRP tăng cường sửa chữa kết cấu cầu BTCT” Luận văn Thạc sỹ KHKT Kết cấu bê tông cốt thép – Trường Đại học Giao Thông Vận Tải “Strengthening Reinforced Concrete Structures with Externally-Bonded Fibre Reinforced Polymers” ISIS Canada M4 Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures ACI 440R - 08