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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ  ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Đề tài: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG SỢI CÁC BON Giáo viên hướng dẫn: Th.S Vũ Văn Toản Th.S Ngô Thanh Thủy Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tố Hiểu Lê Trung Hiếu Phùng Văn Giang Lớp : Cầu - Đường Bộ 1- K49 TP.Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2012 -1- NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN  ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ……………………………………………… TP.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 05 năm 2012 THS.VŨ VĂN TOẢN -2- NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN  ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ……………………………………………… TP.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 05 năm 2012 THS NGÔ THANH THỦY -3- LỜI CẢM ƠN  Trước hết chúng em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu 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 Trong suốt trình làm đề tài, thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ nhóm nghiên cứu hồn thành đề tài 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 Do thời gian nghiên cứu có hạn trình độ cịn hạn chế nên đề tài nghiên cứu khơng tránh khỏi thiếu sót, nhóm nghiên cứu mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy cô bạn đọc ! -4- MỤC LỤC  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6  PHẦN MỞ ĐẦU 8  CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FIBER REINFORCED POLYME ( FRP ) 12  1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU FRP 12  1.2 CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP 13  1.2.1 Cấu trúc vật liệu FRP 13  1.2.2 Các đặc trưng học vật liệu FRP 14  1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 14  CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT - TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG DẦM BTCT BẰNG TẤM VẬT LIỆU FRP 15  2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15  2.1.1.Giới thiệu nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm 15  2.1.2 Mơ hình tính tốn sức kháng uốn kết cấu tăng cường FRP 17  2.2 TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG SỢI FRP 26  2.2.1 Thiết kế sơ mặt cắt dầm BTCT thường chưa tăng cường FRP tiết diện chữ nhật 26  2.2.2 Tính tốn sức kháng uốn dầm chưa tăng cường FRP 27  2.2.3 Tính tốn thiết kế tăng cường dầm BTCT sợi FRP 29  2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35  CHƯƠNG III ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG FRP TRÊN MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 36  -5- 3.1.THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BTCT 36  3.1.1 Chuẩn bị thí nghiệm 36  3.1.2 Lắp đặt thiết bị tiến hành thí nghiệm 39  3.1.3.Kết thí nghiệm 40  3.2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM KHI ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG FRP 44  KẾT LUẬN 45  TÀI LIỆU THAM KHẢO 46  -6- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT  df Khoảng cách từ trọng tâm CFRP đến thớ chịu nén ngồi bê tơng; c Khoảng cách từ trục trung hịa đến thớ chịu nén ngồi bê tông; dS Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu kéo đến thớ chịu nén ngồi bê tơng; dS ' Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu nén đến thớ chịu nén ngồi bê tơng Af Diện tích mặt cắt ngang CFRP; AS Diện tích mặt cắt ngang cốt thép chịu kéo; AS ' Diện tích mặt cắt ngang cốt thép chịu nén f 'c Ứng suất nén lớn bê tông; εc Biến dạng bê tông Ec Mô đun đàn hồi bê tông α Hệ số giảm biến dạng có hiệu FRP; b Chiều rộng dầm mặt cắt hình chữ nhật, mm Efrp Module đàn hồi FRP, Mpa Es Module đàn hồi thép, MPa ffrp Ứng suất đàn hồi FRP, MPa ffu Cường độ cực hạn FRP, MPa tfrp Độ dày lớp FRP , mm εf Biến dạng FRP εfe Biến dạng có hiệu FRP -7- εs Biến dạng cốt thép chịu kéo ε’s Biến dạng cốt thép chịu nén Mn Mô men kháng danh định Mr Mơ men kháng tính tốn Ms Mơ men sử dụng β1 Tỷ số chiều cao khối ứng suất chịu nén chữ nhật chiều cao khu vực chịu nén CE Hệ số chiết giảm môi trường fS ứng suất cốt thép chịu kéo; ES Mô đun đàn hồi cốt thép chịu kéo; fy ứng suất chảy cốt thép; fS' ứng suất cốt thép chịu nén; fs,s ứng suất cốt thép ff,s Ứng suất RFP Icr Mô men kháng nứt ε bi Biến dạng ban đầu đáy dầm εc Biến dạng bê tông kd Chiều cao trục bị nứt n Số lớp FRP -8- PHẦN MỞ ĐẦU  1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện cơng trình phục vụ dân sinh sau thời gian đưa vào sử dụng , số cơng trình xuống cấp Ngun nhân dẫn đến hỏng hóc cơng trình xuống cấp kể sau : Thứ nhất, sai sót giai đoạn thiết kế: - Những lỗi thiết kế gồm :  Các quy định tải trọng , dự báo mức tăng tải trọng chưa xác  Các quy định vật liệu chưa đồng  Tiêu chuẩn thiết kế chắp vá khơng thống - Sai sót vẽ thiết kế : lỗi vẽ khâu kiểm soát chất lượng Thứ hai, sai sót giai đoạn thi cơng : - Thi cơng không đạt chất lượng theo thiết kế :  Lớp bê tông bảo vệ không đủ đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn gây tượng gỉ cốt thép  Độ đầm chặt bê tông bị rồng nhiều  Bão dưỡng khơng quy trình u cầu làm bê tông không đạt đủ cường độ theo thiết kế , vết nứt xuất - Thiếu việc kiểm soát chất lượng cơng trình - Cơng tác giám sát cơng trình chưa quan tâm mức Thứ ba, cố giai đoạn sử dụng : - Các công trình thường xuyên làm việc điều kiện tải công tác xử lý khai thác sử dụng cịn nhiều bất cập -9- - Việc thay đổi cơng sử dụng cơng trình ngun nhân làm cho cơng trình xuống cấp nhanh chóng - Thiếu việc bảo trì quy định đưa cơng trình vào sử dụng Hiện có nhiều phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép ứng dụng thực tế nước ta : - Phương pháp dùng thép gia cường (dán thép ) - Phương pháp dùng bê tơng DUL căng ngồi - Phương pháp sử dụng vật liệu composite sợi cường độ cao FRP (Fiber-Reinforced Polymer) Ngoại trừ phương pháp gia cường vật liệu composite cường độ cao, phương pháp khác có nhược điểm sau: Phương pháp: bao bọc bê tông (BTCT ) - Ván khuôn lắp ghép cồng kềnh - Thi công phức tạp khó khăn - Phải phá bỏ phần kết cấu cũ - Liên kết bê tông cũ thường khó khăn khơng đảm bảo dính kết cần thiết - Sự co ngót khác bê tông cũ bê tông - Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho cơng trình - Làm thay đổi kiến trúc tổng thể kết cấu sau gia cường Phương pháp: dán thép - Lắp đặt thép khó khăn - Thời gian thi công kéo dài , gây tốn - Bản thép chế tạo gia công phức tạp - Khó khăn cẩu lắp thi cơng khu vực chật hẹp Phương pháp: DUL căng -32- - Giá trị giả định ban đầu c xác định kiểm tra lại theo công thức: c  A s  f s  A f  f fe  A 's  f 's 0.85 f ' c.1.b 226  420  120  1330  157  71  134.73mm 0.85  25  0.85  100 Kiểm tra:  fu   bi   c ( h  c ) c  0.0142  2.946 105  0.01423  1.609 103 ( 200  134.73 134.73 )  7.79 104  Dầm bị phá hoại theo mơ hình bê tơng bị vỡ Bước 10 Xác định khả chịu lực dầm bê tông cốt thép gia cố FRP Khả chịu lực dầm bê tông cốt thép gia cố FRP tính tốn theo cơng thức sau : Mn  As f s (d  c.1 c c. )  A 's f 's (  d ')  0.85 Af f fe (h  ) 2 Mn  226 420 (170  134.73 0.85 134.73 0.85 134.73 0.85 ) 157 71(  30)  0.851201330 (200  ) 2 =30369201.56 Nmm =30.369KNm  Mr =  Mn =0.9×30,306= 27.33 KN m Bước 11 Kiểm tra khả làm việc kết cấu dán FRP chịu tải - Ứng suất kéo cốt thép trạng thái chịu mô men Ms (không nhân hệ số) phải thỏa điều kiện : fS   M s   bi A f E f (h  kd / 3)  (d  kd ).E s As Es (d  kd / 3)(d  kd )  A 's Es (kd/3-d').(kd-d')+A f E f (h  kd / 3)(h  kd )  0.8 f y Với Ms : mô men sử dụng : Ms = 0.1176 KN m = 117.6 KN mm kd : chiều cao trục bị nứt, kd= 63.89 mm -33- Af =120 mm2 , As =226 mm2,A’s =157 mm2 Es = 200KN/mm2, Ef = 170KN/ mm2, fy =0.42KN/mm2  fs=1.899×10-3 KN/mm2