Phân tích đánh giá phương pháp tính toán dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng vật liệu frp theo tiêu chuẩn isis (canada),đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

LỜI CẢM ƠN Lời cho phép nhóm nghiên cứu gửi lời cảm ơn tới môn Cầu Hầm cho nhóm nghiên cứu có hội thực hiên đề tài Nhóm nghiên cứu xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn, Thạc sĩ Ngô Thanh Thủy Thạc sĩ Huỳnh Xn Tín Trong suốt q trình làm đề tài, thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ nhóm nghiên cứu hồn thành đề tài Do thời gian nghiên cứu có hạn trình độ cịn hạn chế nên đề tài nghiên cứu không tránh khỏi thiếu sót, nhóm nghiên cứu mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy bạn đọc! LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG I: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1.Sự cần thiết đề tài 1.2.Mục đích nghiên cứu 1.3.Phạm vi đề tài 1.4.Phương pháp nghiên cứu 1.5.Ý nghĩa đề tài CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Giới thiệu vật liệu FRP 2.2.Giới thiệu tiêu chuẩn 2.3.Giới thiệu số nghiên cứu gần dựa sở lý thuyết 2.4.Cơ sở lý thuyết tính tốn 2.4.1.Mơ hình ứng xử uốn tăng cường khả chịu uốn 2.4.2.Mơ hình ứng xử cắt tăng cường khả chịu cắt 16 CHƯƠNG III: CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ TĂNG CƯỜNG DẦM BTCT BẰNG TẤM SỢI CFRP 21 3.1.Đặc trưng học vật liệu 21 3.1.1 Bê tông 21 3.1.2 Cốt thép 22 3.1.3 Tấm sợi FRP 22 3.2.Khối ứng suất tương đương 23 3.3.Tăng cường khả chịu uốn 24 3.3.1 Hệ số sức kháng 24 3.3.2.Các hình thức phá hoại uốn 25 3.3.3.Mặt cắt hình chữ nhật có cốt thép chịu kéo 25 3.4.Tăng cường khả chịu cắt 28 3.4.1.Hệ số sức kháng 29 3.4.2.Nguyên tắc thiết kế 30 3.4.3.Các giới hạn tăng cường 32 3.4.4.Tăng cường tối thiểu 32 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN 34 4.1.Bài toán khả tăng cường cường độ uốn 34 4.1.1.Tiêu chuẩn ISIS (Canada): Xét trường hợp có cốt thép chịu kéo 34 4.1.2.Tiêu chuẩn ACI (Mỹ): 37 4.2 Bài toán khả tăng cường sức kháng cắt 39 4.2.1 Tiêu chuẩn ISIS (Canada): 39 4.2.2.Tiêu chuẩn ACI (Mỹ): 41 4.3.Tính tốn cách tra biểu đồ 43 4.4.So sánh tiêu chuẩn ISIS (Canada) tiêu chuẩn ACI (Mỹ) 46 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 48 5.1.Kết luận 48 5.2.Hạn chế hướng phát triển đề tài 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 CHƯƠNG I: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1.Sự cần thiết đề tài Hiện nay, cầu bê tông cốt thép (BTCT) loại cầu sử dụng rộng rãi chiếm đến 2/3 tổng số công trình cầu hệ thống sở hạ tầng giao thông vận tải giới Do điều kiện môi trường, công tác tu bảo dưỡng kém, công trình cầu BTCT có dấu hiệu suy giảm chất lượng Nhiều cơng trình cầu xuống cấp nghiêm trọng chưa có điều kiện thay Một số cầu có nguy xuống cấp tải trọng khai thác tăng mạnh Vấn đề sửa chữa tăng cường cơng trình để trì nâng cao lực chúng trở nên thiết để đảm bảo an toàn cho khai thác Việc sử dụng sợi sửa chữa tăng cường kết cấu xây dựng nói chung kết cấu cầu nói riêng nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới năm gần Trên giới có số cơng trình, đề tài nghiên cứu, báo cáo khoa học ứng dụng thực tế hướng dẫn thiết kế quy trình cơng nghệ sửa chữa tăng cường dầm bê tông cốt thép sợi cacbon, quy trình ISIS Design Manual No.4-2011 Canada tài liệu tương đối đầy đủ 1.2.Mục đích nghiên cứu Đề tài tập trung giải vấn đề đặc tính kỹ thuật vật liệu FRP, hiệu kĩ thuật xây dựng mơ hình lý thuyết dự đoán làm việc vật liệu dầm Phân tích phương pháp tính tốn dầm bê tơng cốt thép (BTCT) tăng cường vật FRP theo tiêu chuẩn ISIS (Canada) Thơng qua việc tính tốn số ví dụ theo tiêu chuẩn, đề tài đánh giá tính hiệu việc tăng cường Đồng thời so sánh với kết tính tốn tiêu chuẩn ACI (Mỹ) 1.3.Phạm vi đề tài Đề tài tập trung vào nghiên cứu phạm vi tính tốn dầm bê tơng cốt thép tăng cường vật liệu FRP theo tiêu chuẩn ISIS (Canada) tiêu chuẩn ACI (Mỹ) Do việc dán sơi FRP bên ngồi đầm bê tơng cốt thép mang lại hiệu cao việc cải thiện khả làm viêc kết cấu nên đề tài tập trung làm rõ vấn đề 1.4.Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính tốn dựa mơ hình lý thuyết - Tính tốn hiệu tăng cường thơng qua lý thuyết tính tốn 1.5.Ý nghĩa đề tài Dựa kết phân tích mơ hình phân tích lý thuyết, dự đốn được ứng xử dầm dầm bê tông cốt thép tăng cường vật liệu FRP Việc tính tốn, thiết kế sửa chữa, tăng cường dầm BTCT khai thác thực nhằm nâng cao khả ứng xử dầm BTCT CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Giới thiệu vật liệu FRP Vật liêu FRP – Fiber Reinforced Polymer cà dạng vật liệu composite chế tạo từ vật liêu sợi, có loại vật liệu sợi thường sử dụng sợi carbon CFRP, sợi thủy tinh GFRP sợi armid AFRP Đặc tính loại sợi có cường độ chịu kéo cao, mơ đun đàn hồi lớn, trọng lượng nhỏ, khả chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian Các dạng FRP dùng xây dựng thường có dạng như: FRP dạng tấm; FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn Trong sữa chữa gia cố cơng trình xây dựng thường dùng loại FRP dạng FRP dạng vải Đề tài tập trung vào vật liệu sợi Carbon Hình 1: Quan hệ ứng suất biến dạng vật liêu FRP Dạng Dạng cuộn Dạng chế tạo sẵn Dạng Dạng băng 2.2.Giới thiệu tiêu chuẩn Trong năm gần đây, ISIS Canada (Trung tâm nghiên cứu kết cấu sáng tạo Canada) (2001) phát triển hệ thống lý thuyết tính tốn cơng nghệ áp dụng vật liệu FRP tăng cường, sửa chữa kết cấu Mơ hình tính toán lý thuyết đưa bao hàm tương đối đầy đủ nội dung phân tích kiểm toán kết cấu tăng cường chịu uốn chịu cắt cho dầm, tăng cường chịu cắt cho cột Tuy nhiên số nơi dung phân tích kết cấu khác kiểm toán theo trạng thái giới hạn sử dụng, tính tốn chống nứt cần nghiên cứu phất triển thêm 2.3.Giới thiệu số nghiên cứu gần dựa sở lý thuyết An et al (1991) xây dựng mơ hình để tính tốn ứng suất nội lực dầm BTCT tăng cường sợi thủy tinh (GFRP) Nghiên cứu dựa năm giả thiết sau: 1) biến dạng phân bố tuyến tính tồn dầm; 2) biến dạng nhỏ; 3) khơng tính đến khả chịu kéo bê tông; 4) bỏ qua biến dạng cắt; 5) GFRP dính bám tuyệt bề mặt dầm BTCT Bằng việc sử dụng lý thuyết dầm chịu uốn điều kiện biến dạng thông thường, ảnh hưởng thông số cường độ vật liệu, mô đun đàn hồi tỷ lệ lượng cốt thép với lượng GFRP so sánh với kết thí nghiệm báo cáo Theo mơ hình này, ứng xử dầm phân tích với độ xác định Triantifillou Plevris (1991) sử dụng điều kiện tương thích biến dạng học phá hủy để phân tích dầm BTCT tăng cường bên sợi cácbon Nghiên cứu dựa giả thiết đưa An et al (1991) với giả thiết ứng suất nén phân bố theo hình chữ nhật bê tơng bị phá hoại Các mômen tác động gây ba mô hình hư hỏng tính trước Các hư hỏng xảy biến dạng chảy cốt thép kéo theo đứt gãy CFRP; biến dạng chảy cốt thép gây nứt vỡ bê tông vùng chịu nén; nứt vỡ bê tông chịu kéo Các kết mơ hình so sánh với nghiên cứu thực nghiệm xem tin cậy Các mơ hình phân tích mơmen, độ cứng độ võng dầm BTCT có tăng cường FRP xây dựng Bhutta (1993) Trong mơ hình này, loại sợi thủy tinh, cacbon kelvar sử dụng Các dầm tăng cường sợi kelvar có khả chịu mô men độ cứng tăng lên nhiều tăng dầm tăng cường sợi thủy tinh Với dầm tăng cường sợi cacbon mức tăng khả chịu mô men nằm khoảng hai loại sợi Naaman Jeong (1995) xây dựng cách tiếp cận cho việc đo số dẻo Theo tác giả cách tiếp cận thông thường dựa chảy cốt thép không phù hợp để đánh giá dầm bê tông tăng cường FRP Điều xuất phát từ thực tế hầu hết vật liệu FRP khơng có khả bị chảy dẻo Định nghĩa số dẻo thể tỉ lệ tổng lượng dầm lượng đàn hồi giải phóng dầm bị phá hoại Chỉ số áp dụng cho dầm bê tông tăng cường bằngthép, FRP hay kết hợp hai loại Để đánh giá số dẻo đề xuất, 24 dầm BTCT DƯL thử nghiệm Kết cho thấy dầm BTCT DƯL FRP có tính dẻo dầm BTCT DƯL bó sợi thép Chỉ số dẻo đề xuất đánh giá xác tính dẻo dầm Wang Chen [2003] phát triển mơ hình lý thuyết đề xuất Arduini Nanni [1997], có xét thêm hiệu ứng gây vết nứt kéo xiên dính bám bê tơng với sợi CFRP Các giả thiết sử dụng mơ hình lý thuyết sau: (a) mặt cắt phẳng sau biến dạng (b) ứng xử bê tông vùng chịu kéo bị bỏ qua tính tốn uốn xét đến tính tốn chịu cắt (c) dính bám bê tơng sợi tuyệt đối (d) bỏ qua lớp vữa dính bám bê tơng sợi 2.4.Cơ sở lý thuyết tính tốn Giới thiệu sở lý thuyết để dự đoán ứng xử uốn, khả chịu tải hình thức phá hoại kết cấu BTCT tăng cường tâm sợi carbon 2.4.1.Mô hình ứng xử uốn tăng cường khả chịu uốn Mơ hình lý thuyết giới thiệu An et.al (1991) Mơ hình sử dụng giả thiết tương hích biến dạng, điều kiện cân điều kiện sau: Bỏ qua bê tông chịu kéo Biến dạng phân bố tuyến tính mặt cắt ngang Biến dạng nhỏ Bỏ qua biên dạng cắt Dính bám lớp vật liệu khác tuyệt đối Đường cong ứng suất - biến dạng bê tông xấp xỉ hóa theo sơ đồ hình 2.1 (Park & Paulay, 1975) 7 Đường cong ứng suất - biến dạng cốt thép xấp xỉ hóa theo sơ đồ hình 2.2 (Park & Paulay, 1975) Hình 2.1 Đường cong ứng suất – biến dạng bê tơng Hình 2.2 Đường cong ứng suất – biến dạng cốt thép Đường cong ứng suất - biến dạng bê tơng xấp xỉ hóa theo đường cong Hognestad có sử dụng hai hàm xấp xỉ hình 2.1 Hàm thứ hàm parabol kéo dài đến hết ứng suất nến lớn (fc’) Hàm cịn lại tuyến tính giảm dần từ ứng suất nén lớn đến điểm biến dạng lớn Với mơ hình này, biến dạng lớn bê tông 0.003, tương đối thiên an tồn cản trở biến dạng bê tơng cốt thép đai Đường cong ứng suất - biến dạng cốt thép xấp xỉ hóa theo đường sơ đồ đàn dẻo lý tưởng hình 2.1 với ứng suất chảy thực tế (fy) 483 Mpa xác định thí nghiêm Mơ đun đàn hồi lấy 200000Mpa Dưới điểm chảy ứng suất coi không đổi bị phá hoại, bỏ qua tượng hóa cứng Đường cong ứng suất - biến dạng vật liệu CFRP xác định thí nghiệm nhà khoa học nghiên cứu Các sợi phân bố 0/900 ứng xử tuyến tính ứng suất biến dạng trung bình lớn 340Mpa 0.012mm/mm Với sợi phân bố 450 , đường cong ứng suất biến dạng trung bình lớn 89 Mpa 0.039mm/mm Mặc dù biến dạng vật liệu CFRP thí nghiệm đồng trục vượt 0.039mm/mm, giả định sau liên kết với bê tơng biến dạng CFRP vượt ngồi điểm Mơ hình lý thuyết xây dựng dựa nội lực, biến dạng ứng suất mặt cắt ngang dầm liên hợp Hình 2.3 Sử dụng tam giác đồng dạng, trị số biến dạng tương ứng CFRP ( ε FRP ), cốt thép chịu kéo ( ε S ) cốt thép chịu nén ( ε S ' ) tính tốn sau: Trong đó: ε EC biến dạng nén bê tơng thớ chịu nén ngồi cùng; d FRP 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 bê tông; dS' khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu nén đến thớ chịu nén - As   d2  3   28, 62  1927, 27mm2 Bước 3: Khoảng cách c từ mép chịu kéo phía tới trục trung hịa xác định từ phương trình: 1  c  fc'  1  b  c2   frp  E frp  Afrp   cu   bi   s  f y  As   c   frp  E frp  Afrp   cu  h  Thay số vào phương trình ta có: 1  c  fc'  1  b  c2   frp  E frp  Afrp   cu   bi   s  f y  As   c   frp  E frp  Afrp   cu  h   0, 787  0,  42  0,865  300  c  0, 75  37000  612   0, 0035    0,85  420 1927, 27   c 0, 75  37000  612  0, 0035  600   5146,5078  c2  628594,89  c  35664300   c  164,31  chọn c  42,17 Bước 4: Khi biết c, cần kiểm tra xem biến dạng FRP vượt biến dạng cho phép chưa:  frp   cu  hc 600  164,31  0, 0035   0, 0093   frpu  0.015 =>sai,tiếp tục bước c 164,31 So sánh:  frp   frpu (a) : Nếu (a) sai tiếp tục bước 5, tiếp tục bước Bước 5: Mô men kháng uốn tính tốn xác định theo cơng thức: a a M r  s  f y  As  (d  )   frp  E frp  Afrp   frp  (h  ) 2 Với a  1  c  0,865 164,31  142,13 mm 35 M r  0,85  420 1927, 27  (540  142,13 142,13 )  0, 75  37000  612  0, 0093  (600  ) 2 M r  406007992 N mm  406kN m Để tránh phá hoại giòn tức thời FRP cần đảm bảo cốt thép chịu kéo phải chảy dẻo trước, có nghĩa cần thỏa mãn điều kiện:  s  u    s  0,0035  d c   y (b) c f 540  164,31 420  0,008   y  y   0,0021  thỏa mãn 164,31 E y 105 Nếu (b) không xảy ra, cần giảm diện tích FRP tính lại để đảm bảo cốt thép chảy dẻo trước thiết kế cuối Bước 6: Giả thuyết phá hoại xảy FRP bị kéo đứt Khi biến dạng FRP thời điểm phá hoại biến dạng cho phép vật liệu FRP:  frp   frpu biến dạng thớ bê tơng có giá trị nhỏ  cu Xác định chiều cao khu vực chịu nén bê tông Cc theo công thức: Cc  Ts  T frp hay c  1  fc'  1  b  c  s  f y  As   frp  E frp  Afrp   frpu Bước 8: Kiểm tra biến dạng thớ chịu nén ngồi bê tơng phải nhỏ  cu  c   frpu  c   cu hc Bước 9: Tính tốn mơ men kháng uốn tính tốn mặt cắt ngang theo cơng thức: 36 a a   M r  s  f y  As   d     frp  E frp  Afrp   frpu   h   s 2 2   Ứng dụng toán khả tăng cường cường độ uốn VBA Excel 4.1.2.Tiêu chuẩn ACI (Mỹ): - Cường độ chịu nén bê tông: fc’= 42Mpa - Giới hạn chảy thép: fy= 420Mpa 300 - Cốt thép chịu kéo: 3φ28.6 mm - Mu= 400 KN.m, Ms= 274KN.m 540 -Chiều dày lớp: tf= 1.02mm -Cường độ chịu kéo tới hạn: ffu*= 621 N/mm2 -Biến dạng phá hoại: εfu= 0.015 -Modun đàn hồi: Ef= 37000 Mpa Bài giải Tính tốn đặc tính vật liệu: ffu= CE ffu*= 0,95 621= 590 Mpa εfu= CE εfu*= 0,95 0,015= 0,0142 Tính tốn sơ bộ: Đặc tính bê tông: 37 600  Sợi carbon: 1  1, 05  0, 05 f c' 42  1, 05  0, 05  0, 7456 6,9 6,9 Ec  4700 fc '  4700 42  30459,5Mpa pi.d  1927, 273mm2 Diện tích cốt thép: As  Diện tích FRP: Af  n.t f b  2.1,02.300  612mm2 Xác định biến dạng ban đầu đáy dầm: bi  M DL (d f  kd ) I cr Ec 0 Xác định biến dạng FRP phá hoại bong:  fd  0, 41 fc ' 42  0, 41  0, 0097  0,9 fu 2.Ef t f 2.37000.1, 02 Tính chiều cao vùng chịu nén: c= 0,2d= 0,2 540= 108 mm Biến dạng có hiệu FRP:  fe  0, 003 ( d f  c)  bi   fd c (600  108)  0, 003   0, 0136  0, 0097 108 Vậy lấy εfe= 0,0097  fc= (εfe+ εbi).( c 108 )  0, 0097.( )  0, 0021 df c 600  108 Tính tốn biến dạng cốt thép có:  s  ( fe  bi ).( d c 540  108 )  0, 0097.( )  0, 0085 df c 600  108 Tính tốn ứng suất thép FRP: fs=Es.εs= fy= 420 Mpa Vậy fs=420Mpa ffe=Ef εfe=37000 0,0097= 360 Mpa Tính c c '  1  1, f c ' 1, 7.42   0, 0023 Ec 30459,5 4c ' c 4.0, 0023  0, 0021   0, 75 6c ' 2c 6.0, 0023  2.0, 0021 38 1  => c 3c '.c  c 3.0, 0023.0, 0021  0, 00212 = 0,86  3.1c '2 3.0, 75.0, 00232 As f s  Af f fe 1 fc '.1.b  1935, 48.420  612.330  126,56mm  108mm 0,86.42.0, 75.300 Từ c tính ta tính lại c theo bước giá trị c la xấp xỉ dừng lai: Ta có: c= 145mm, εs= 0,0087, fs= fy= 420 Mpa β1=0,75, α1=0,87, ffe=360Mpa Tính cường độ chịu uốn thiết kế: Sự góp phần thép vào uốn: M ns  As f s (d  1.c 0, 75.145 )  1927,3.420.(540  )  394769418,8N mm  394, 7kN m 2 Sự góp phần FRP vào khả chịu uốn: M ns  A f f fe (d  1.c 0, 75.145 )  612.360.(600   110194425N mm  110, 2kN m 2 Cường độ uốn: M n  (M ns   f M nf )  0,9(394,7  0,85.110, 2)  439,5kN.m  M u  400kN m  s  0,005 theo 10.2.7 chọn   0,9 4.2 Bài toán khả tăng cường sức kháng cắt 4.2.1 Tiêu chuẩn ISIS (Canada): - bw=300mm - h=600mm  Thép có: - As  300mm2 - d  540mm - f y  400Mpa  Cốt đai: - S=425mm - f y  600Mpa - Av  74mm2  Bê tông: - fc'  45Mpa 39  Vật liệu FRP: E frp  227530Mpa  frpu  0, 017 Sức kháng cắt bê tông: Vc  0,  c  fc,  bw  d  0,  0,6  45  300  540  130407 N Sức kháng cắt cốt đai: Vs  s  f y  Av  d S  0,85  600  74  540  90576 N 225 Tỷ lệ lượng FRP tăng cường:   t frp  bw  frp     w frp      S frp    0,165   254  4       5,5 10 300 508      Trong đó: Afrp   w frp  t frp   254  0,165  83,82mm2 Chiều dài neo có hiệu: Le  25350 25350   56,33mm 0,58 (t frp  E frp ) (0,165  227530)0,58 k1 , k2 Lần lượt thông số xét đến cường độ chiu cắt bê tơng cách bố trí sợi bon Ta có: 2  f '   45  k1   c      1,38  27, 65   27, 65  k2  d frp  ne  Le d frp  600  1 56,33  0,91 600 Với ne=1 Biến dạng có hiệu FRP:  frpe     frp  k1  k2  Le 9525  0,8  0, 75 1,38  0,91 56,33  0, 0045 9525 Tính tỷ số biến dạng có hiệu biến dạng cực hạn FRP: 2 2     ' 3 f   45 c     R    1    0,85 1,35  4     E frp 5,5 10  227530   frp        frpe  R   frpu  0,543  0,017  0,0092 40 0,3  0,543 Suy ra:  frpe   0,004;0,0092;0,0045 FRP bao quanh dầm  frpe  0, 003 Ta chọn:  frpe  0, 003 Sức kháng cắt FRP: V frp   frp  E frp   frpe  Afrp  d frp   sin   cos  S frp 0, 75  227530  0, 003  83,82  600  1   508  50682 N  Sức kháng cắt tính toán: Vr  Vc  Vs  V frp  130407  90576  50682  271665N Ứng dung toán khả tăng cường sức kháng cắt VBA Excel 300 4.2.2.Tiêu chuẩn ACI (Mỹ): Ta có: Sức kháng cắt bê tơng Vc= 200kN Vs= 90kN 610 41 560 Sức kháng cắt thép Lực cắt tải trọng gây ra: Vn=250kN  Sợi carbon: - Chiều dày tấm: tf= 0,165mm - Cường độ chịu kéo tới hạn: ffu*=3790 Mpa - Biến dạng phá hoại: εfu*=0,017mm/mm - Mô đun đàn hồi : Ef=227530 Mpa n Ta tăng cường sợi carbon, dán theo kiễu chữ U Khoảng 1,5m đầu dầm( khu vực có lực cắt tác dụng lớn sức kháng cắt Tính tốn đặc tính vật liệu: 250 ffu= CE ffu*= 0,95 3790= 3600 Mpa 217,5 εfu= CE εfu*= 0,95 0,017= 0,016 Tính biến dạng hữu hiệu FRP : U-wrap Chiều dài đường dán hoạt động: Le  23300 23300   50,8mm 0,58 (n.t f Ef ) (1.0,165.227530)0,58 k1  ( k2  kv  1500 f c ' 23 28 )  ( )  1, 0245 27 27 d fv  Le d fv  610  50,8  0,91 610 k1k2 Le 1, 0245.0,91.50,8   0, 249  0, 75 11900. fu 11900.0, 016 Biến dạng hữu hiệu:  fe  Kv  fu  0, 249.0,016  0,00398  0.004 Sức tăng cường cắt FRP: - Diện tích: Afv= 2n tf.wf= 2.1.0,165.254= 83,82 mm2 - Ứng suất hữu hiệu: ffe=  fe Ef=0,00398.227530.10-3= 0,905 kN/mm2 - Sức kháng cắt FRP: Vf  Afv f f e d fv Sf  83,82.0,905.560  136, 4kN 311,5 42 Sức kháng cắt mặt cắt: Vn  (Vc  Vs   f V f )  0,75(200  90  0,85.136,5)  304, 455  250kN Đảm bảo khả chịu lực 4.3.Tính tốn cách tra biểu đồ Trong phần này, cung cấp cách đầy đủ biểu đồ thiết kế để tăng cường độ uốn dầm bê tông cốt thép dán FRPs đơn hướng bên Các biểu đồ dựa việc xây dựng phương pháp trình bày tốn, giả định hệ số sức kháng vật liệu cốt thép bê tông c  0, s  0.85 , tương ứng Mỗi biểu đồ thiết kế tương ứng với mặt cắt ngang hình chữ nhật với tỷ lệ chiều cao d/h, cốt thép có cường độ chảy fy , momen yêu cầu tăng cường ΔM Đối với tỷ lệ cốt thép gia cường ρs, cường độ bê tông danh định fc’ với đường cong thích hợp ta có giá trị  frp  frp E frp với  frp  khác ρs    s y  frp  frp E frp Afrp bh Ứng với giá trị , dựa vào đường cong ta xác định  frp Bài tốn: Sử dụng đặc tính bê tơng thép cho mặt cắt thiết kế, tính tốn Afrp cần thiết để tăng khả chịu uốn 40% Số liệu: Mặt cắt: b = 400 mm ;h = 600mm thép: As = 1500 mm2 ; d = 546 mm ; f y = 400 MPa bê tông: f ‘c= 35MPa FRP: Afrp = ? ; E frp = 155GPa; frpu = 0.0155 ;  frp = 0.75 Cường độ cần tăng cường:  M = 40% Tính d/ h lự chọn biểu đồ phù hợp: d/ h = 546/ 600 = 0.91; sử dụng Figure B.94 43 Tính ρs chọn giá trị s   frp  frp E frp từ biểu đồ: As 1500   0.0069 bd 400  546 Vì vậy, nội suy ta có  frp  frp E frp = 60 MPa Trong trường hợp này, phá hoại xảy kéo đứt sợi FRP Tính  frp Afrp frp  60 1500   0.000516  frp E frp 0.75 155000 Afrp   frp  b  h  0.000516  400  600  124 mm2 Nhận xét: Phương pháp tra biểu đồ giúp tính tốn sơ diện tích sợi FRP cần thiết cách nhanh chóng 44 45 4.4.So sánh tiêu chuẩn ISIS (Canada) tiêu chuẩn ACI (Mỹ) Các hệ số triết giảm môi trường lấy giống tiêu chuẩn ACI, ISIS Ảnh hưởng mơi trường: điều kiện mơi trường có ảnh hưởng trực tiếp đến keo dán sợi loại FRP khác Quá trình ảnh hưởng lâu dài Các đặc tính kỹ thuật (ví dụ: cường độ chịu kéo, biến dạng kéo tới hạn, mô đun đàn hồi …) loại FRP khác bị giảm tiếp xúc với loại môi trường như: Kiềm, nước muối, chất hóa học, tia cực tím, nhiệt độ, độ ẩm cao v.v… BẢNG HỆ SỐ CHIẾT GIẢM DO MÔI TRƯỜNG CỦA TẤM SỢI FRP Điều kiện tiếp xúc Loại sợi Hệ số triết giảm môi trường Tiếp xúc Cacbon 0.95 Thủy tinh 0.75 Aramid 0.85 Carbon 0.85 Thủy tinh 0.65 Aramid 0.75 Môi trường khắc nghiệt Carbon 0.85 (nhà máy hóa chất, nhà Thủy tinh 0.5 máy xử lý nước thải ) 0.7 Tiếp xúc ( cầu, trụ ) Aramid Trạng thái giới hạn cường độ  Cường độ chịu uốn Công thức xác định Theo tiêu chuẩn ACI :   M n     M ns   f M nf   hệ số triết giảm cường độ Trong trường hợp sử dụng sợi FRP để dán bên ngồi khả tăng cường uốn giảm tính dẻo vật liệu ban Để trì mức độ tính dẻo thích hợp ta cần phải kiểm tra biến dạng thép trạng thái giới hạn 0.9 for  t  0.005    0.25( t   sy )     0.65   0.005   sy   0.65 for     t sy   46  f  0.85 (hệ số triết giảm cho FRP) Theo tiêu chuẩn ISIS: a a  M n  s f s As (d  )   frp E frp frp Afrp (h  ) s : hệ số sức kháng thép  frp : hệ số sức kháng vật liệu FRP (  frp = 0,75) Mặc dù tăng cường FRP để tăng khả chịu uốn khả chống đứt cốt thép đóng vai trị quan trọng định  Sức kháng cắt Theo tiêu chuẩn ACI: Vn  (Vc  Vs   f V f )  : Hệ số triết giảm cường độ tính chung cho bê tông, cốt thép FRP Theo tiêu chuẩn ISIS Canada: Vr  Vc  Vs  V frp Ứng với loại vật liêu có hệ số sức kháng tương ứng Trạng thái giới hạn sử dụng: độ võng mở rộng vết nứt (tính cho hai tiêu chuẩn)  Ứng suất thép không vượt 80% ứng suất chảy thép  Ứng suất bê tông không vượt 45% cường độ chịu nén bê tông   f s , s  0.8 f y       f c , s  0.45 f c '  Từ biến đứt gãy (tính cho hai tiêu chuẩn): để tránh tượng trên, ứng suất FRP: f frp  0.5 f frpu Biểu đồ ứng suất biến dạng: 47 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 5.1.Kết luận Đề tài xây dựng nhằm mục đích ứng dụng phát triển việc tính tốn dầm BTCT tăng cường vật liệu FRP theo tiêu chuẩn ISIS (Canada) Từ đó, ta có sở tính tốn để so sánh với tiêu chuẩn tính tốn khác Thơng qua việc tính tốn, kĩ sư tìm phương pháp tính tốn tối ưu, đáng tin cậy để áp dụng vào thực tế Đồng thời, nhóm nghiên cứu lập trình phần mền tính tốn khả chịu uốn sức kháng cắt dầm tăng cường vật liệu FRP VBA excel Nhóm nghiên cứu hy vọng đề tài mang ý nghĩa thiết thực bạn sinh viên Giao thơng độc giả có quan tâm đến việc tăng cường dầm vật liệu FRP 5.2.Hạn chế hướng phát triển đề tài  Hạn chế: Do thời gian nghiên cứu có hạn kiến thức cịn hạn hẹp, nhóm nghiên cứu nhận thấy đề tài cịn số thiếu sót: Chưa nghiên cứu việc tính tốn dầm có mặt cắt chữ nhật có cốt thép kép mặt cắt chữ T  Hướng phát triển đề tài: có thời gian, nhóm nghiên cứu phát triển đề tài theo hướng nghiên cứu dầm BTCT dự ứng lực mặt cầu tăng cường vật liệu FRP 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Tác giả Nguyễn Quang Mạnh- Luận văn thạc sỹ Khoa học kỹ thuật (Việt Nam)  2 Strengthening Reinfored Concrete Structures with Externally – Bonded Fibre Reinforced polymers - Tiêu chuẩn ISIS (Canada) 3 Guide for the design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures - Tiêu chuẩn ACI Mỹ  4 Tác giả: TS.Ngô Quang Tường, Đại học Bách khoa Tp HCM ThS Võ Văn Tuấn, Đại học Kiến trúc Tp HCM - Phương pháp sử dụng vật liêu FRP sửa chữa gia cố cơng trình bê tơng cốt thép 49