Dự báo khả năng chịu lực của cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm phẳng có thép dọc bị ăn mòn clorua (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN VĂN TUẤN DỰ BÁO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN LỆCH TÂM PHẲNG CÓ THÉP DỌC BỊ ĂN MÒN CLORUA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Hà Nội – 2023 MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Các ký hiệu Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .2 Cấu trúc luận văn NỘI DUNG CHƯƠNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ HẬU QUẢ ĂN MỊN CỐT THÉP TRONG KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP 1.1 Giới thiệu thực trạng ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép .3 1.1.1 Tổng quan ăn mịn bê tơng cốt thép cơng trình xây dựng nước nước ngồi 1.1.2 Các dạng hư hỏng bê tông cốt thép bị ăn mòn 1.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến q trình ăn mịn cốt thép 1.2.1 Clorua gây ăn mòn cốt thép 1.2.2 Ảnh hưởng chu kỳ khô – ướt lên q trình ăn mịn mơi trường chứa ion clorua 10 1.2.3 Ảnh hưởng xuất vết nứt lên q trình ăn mịn 11 1.2.4 Các giai đoạn ăn mòn cốt thép bê tông 12 1.3 Ảnh hưởng ăn mòn đến ứng xử vật liệu 13 1.3.1 Ứng xử cốt thép bị ăn mòn 13 1.3.2 Ứng xử bê tơng bị ăn mịn 24 1.3.3 Quan hệ lực dính thép - bê tông 33 1.4 Một số nghiên cứu thực nghiệm cột bê tông cốt thép bị ăn mòn 34 1.5 Một số nhận xét 39 CHƯƠNG MƠ HÌNH VẬT LIỆU VÀ BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC CỦA CỘT BÊ TÔNG CĨ CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN CHỊU NÉN LỆCH TÂM PHẲNG 40 2.1 Giới thiệu .40 2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn cột bê tơng cốt thép bị ăn mòn [10] 40 2.3 Đặc trưng vật liệu cốt thép bê tông xem xét ảnh hưởng ăn mòn 44 2.3.1 Cốt thép 44 2.3.2 Bê tông 44 2.4 Biểu đồ tương tác cho cột tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm phẳng 45 2.4.1 Khái niệm, nguyên lý xây dựng tác dụng biểu đồ tương tác 45 2.4.2 Phương trình xây dựng biểu đồ tương tác cho cột khơng bị ăn mịn .47 2.4.3 Biểu đồ tương tác cho cột bị ăn mòn cốt thép dọc 48 2.5 Sử dụng phần mềm XTRACT để xây dựng biểu đồ tương tác .49 2.6 Nhận xét 57 CHƯƠNG DỰ BÁO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MỊN 58 3.1 Ví dụ áp dụng 58 3.2 Các nội dung khảo sát 66 3.3 Đánh giá nhận xét kết 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 Kết luận 80 Kiến nghị .80 TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC KÝ HIỆU Chữ viết Tên đầy đủ tắt Cl- Ion clorua BT Bê tông CT Cốt thép BTCT Bê tông cốt thép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam As , A’ s Diện tích cốt thép chịu kéo, chịu nén Ac, u, h0 d, d’ Diện tích, bán kính trung bình, chu vi tiết diện Khoảng cách từ cốt thép chịu kéo, chịu nén đến gốc tọa độ tiết diện 𝐸𝑑 Tổng tải trọng dài hạn Ecm Modul đàn hồi bê tông 𝐸𝑏,𝜏 Modul đàn hồi bê tông thời gian 𝜏 Eb Ec,eff e F, F' Modul đàn hồi có 28 ngày Modul đàn hồi có kể đến tác động dài hạn từ biến Độ giãn dài tới hạn Đặc tính nguyên vẹn suy giảm cốt thép 𝛷 Đường kính ban đầu cốt thép Φ' Đường kính cịn lại 𝜎𝑐𝑟𝑖𝑡 Ti Cường độ uốn tới hạn Thời điểm bắt đầu ăn mòn icorr Mật độ dòng ăn mòn  co Biến dạng nén bê tông ứng với thời điểm ứng suất nén đạt giá trị lớn 𝜀𝑠𝑢 Biến dạng cực hạn không bị hư hại 𝜀′𝑠𝑢 Biến dạng cực hạn bị ăn mòn 𝜀𝑠𝑦 Biến dạng chảy 𝛼𝑝𝑖𝑡 fy Tỷ số diện tích mặt cắt giảm Cường độ chịu kéo fu Cường độ chịu kéo tới hạn fct Cường độ chịu kéo bê tông ban đầu fct,res Cường độ chịu kéo bê tông bị nứt fc Cường độ chịu nén ban đầu bê tông fcres Cường độ chịu nén bê tông bị nứt f sC Cường độ chịu kéo, nén lại sau bị ăn mòn thép dọc f0 Cường độ kéo, nén ban đầu thép dọc  ,  su α Hệ số hồi quy Hệ số thực nghiệm DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu hình Tên hình Trang Hình 1.1 Ăn mịn bê tơng cống Vàm Đồn, Bến Tre Hình 1.2 Ăn mịn bê tơng cống A1, HCM Hình 1.3 Ăn mòn BTCT dàn van cống sau 22 năm Nam Định Hình 1.4 Cột bị ăn mịn nhà thờ Goldthorpe, Nam Yorkshire (trái,) cột nhà thờ sửa chữa (phải) Hình 1.5 Các chắn bê tơng bị ăn mịn (trái), chắn sửa chữa thay (phải) Hình 1.6 Nhà thờ Trắng, Lytham St Annes (trái Ảnh: Phil Stringer) Dầm sàn bê tơng bị ăn mịn tháp nhà thờ Trắng hình phía bên phải cốt thép sau bóc bê tơng thi cơng sơn lót (phải) Hình 1.7 Hình thành mảng trắng bê tơng Hình 1.8 Vết nứt hình thành bê tơng Hình 1.9 Phá vỡ bê tơng Hình 1.10 Tách lớp bê tơng Hình 1.11 Sơ đồ tượng xảy q trình sấy khơ [25] 11 Hình 1.12 (a) Minh họa chu kỳ khơ - ướt giai đoạn khác (sự thay đổi tốc độ ăn mòn (CR) thép (đường chấm chấm) oxy (đường liền nét); (b) Sự thay đổi độ dày chất điện phân (d) mơ hình chất điện phân “vĩ mơ” [25] 11 Hình 1.13 Ảnh hưởng có vết nứt đến tuổi thọ bê tông cốt thép Nét đứt thể bê tông bị nứt so với nét liền thể 12 bê tơng khơng bị nứt [26, 27] Hình 1.14 Sơ đồ phát triển ăn mòn cốt thép theo thời gian [27] 13 Hình 1.15 Mặt cắt ngang dọc: tình hình thực tế mơ hình ăn mịn đồng 14 Hình 1.16 Tiết diện cốt thép ăn mịn điểm Val cộng đề xuất [22] 15 Hình 1.17 Rodriguez' cộng [23] 16 Hình 1.18 Đường cong tải trọng so với độ giãn dài cho đường kính mm [28] 17 Hình 1.19 Độ bền kéo so với mức độ ăn mòn: a) Thanh có đường kính 18 mm; b) Thanh có đường kính 12 mm, dựa liệu Almusallam cộng [28] Hình 1.20 a) Biến dạng cực đại (chiều dài thước đo 25 mm) với tổn hao diện tích mặt cắt ngang trung bình; b) Biến dạng cực hạn với 19 tỷ số diện tích mặt cắt nhỏ lớn [29] Hình 1.21 Cường độ cịn lại bê tơng trần bị ăn mịn, [30] 20 Hình 1.22 Ảnh hưởng ăn mòn đến tỷ số biến dạng giới hạn bê tơng [30] 21 Hình 1.23 a) Cường độ độ bền kéo so với tổn thất khối lượng (%); b) Độ giãn dài (%) so với độ giảm khối lượng (%) [31] 22 Hình 1.24 Mối quan hệ độ hao hụt khối lượng X[%] tính 23 bị ăn mòn: a) Độ bền chảy; b) Độ bền kéo; c) Mô đun đàn hồi; d) Độ giãn dài (%)[32] Hình 1.25 Các yếu tố dẫn đến hư hỏng bê tơng thời gian 26 Hình 1.26 a) Đường cong ứng suất-biến dạng bê tông dung dịch axit clohydric; b) Cường độ nén bê tông tiếp xúc với dung dịch natri clorua [35] 27 Hình 1.27 Sơ đồ ảnh hưởng ăn mịn cốt thép đến đặc tính học bê tơng 28 Hình 1.28 a) Dạng nứt ăn mịn cốt thép dầm BTCT; b) nứt vỏ bê tông dầm BTCT bị ăn mịn 28 Hình 1.29 a) Áp lực lên bê tông giãn nở sản phẩm ăn mòn 29 b) Các vùng nứt [38] Hình 1.30 Mơ hình hình học Molina cộng sự[41] 31 Hình 1.31 Quy luật ứng xử bê tơng chịu nén [20] 32 Hình 1.32 Ứng xử nén giảm phần tử bê tông bị nứt [42] 32 Hình 1.33 a) Quy luật ứng suất - biến dạng ứng suất bê tông chưa bị ảnh hưởng bị ăn mòn; b) Mơ hình FE nửa dầm RC [43] 33  Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Khả chịu lực cột bê tông cốt thép bị ăn mòn clorua - Phạm vi: Cột bê tơng cốt thép chữ nhật có cốt thép dọc bị ăn mịn mơi trường clorua chịu nén lệch tâm phẳng, tiết diện chữ nhật, ăn mòn đồng môi trường clorua Bỏ qua ảnh hưởng ăn mòn cốt đai  Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, phân tích tổng hợp  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Luận văn giới thiệu phương pháp tính tốn khả chịu lực cột bê tơng cốt thép bị ăn mịn mơi trường clorua có xem xét đến ảnh hưởng suy giảm cường độ bê tông lớp bê tơng bảo vệ bị bong tróc ăn mịn gây - Cung cấp cách tính tốn đơn giản hóa để kỹ sư thiết kế thực hành thuận tiện, giảm bớt việc sử dụng công cụ phức tạp khác dự báo  Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo, nội dung luận văn gồm ba chương: - Chương 1: Nhân tố ảnh hưởng hậu ăn mòn cốt thép kết cấu bê tông cốt thép - Chương 2: Mơ hình vật liệu biểu đồ tương tác cột bê tơng có cốt thép bị ăn mịn chịu nén lệch tâm phẳng - Chương 3: Dự báo khả chịu lực cột bê tông cốt thép bị ăn mòn Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lịng liên hệ với Trung Tâm Thơng tin Thư viện Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.1 - Nhà F - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 - Nguyễn Trãi - Thanh Xuân Hà Nội Email: huongdtl@hau.edu.vn ĐT: 0243.8545.649 TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Trong nghiên cứu này, phương pháp dự báo khả chịu lực lại cột BTCT bị ăn mòn chịu nén lệch tâm phẳng đề xuất dựa mơ hình vật liệu suy giảm ăn mịn bê tơng cốt thép hai cách: sử dụng cơng thức tính tốn tương tự tiêu chuẩn thiết kế sử dụng phần mềm XTRACT 3.0.8 Phương pháp dự báo kiểm chứng độc lập kết thí nghiệm cột ngắn BTCT có tiết diện 125 × 125 mm bị ăn mịn chịu nén lệch tâm phẳng cho thấy kết tính tốn lý thuyết phù hợp với thí nghiệm Một cột có kích thước 400 x 600 mm, thép dọc đối xứng chịu nén lệch tâm phẳng khảo sát khả chịu lực tình ăn mịn cốt thép dọc (bỏ qua ảnh hưởng ăn mòn cốt thép đai) với vị trí khác mức độ ăn mòn khoảng 0% đến 20% Những kết thu thể biểu đồ tương tác mômen lực dọc cột BTCT Từ kết nghiên cứu luận văn, số kết luận rút ra: - Ăn mịn cốt thép cạnh chịu nén cột làm giảm chiều cao làm việc tiết diện, làm cho mức độ suy giảm khả chịu lực cột nhiều so với ăn mòn xảy cạnh bên (trái phải) ăn mòn xảy cạnh chịu kéo tiết diện cột chịu nén lệch tâm bé (phá hoại vùng nén xảy trước); - Ăn mòn cốt thép chịu kéo gây suy giảm khả chịu lực lớn ăn mòn cốt thép chịu nén cạnh bên (trái phải) tiết diện cột chịu nén lệch tâm lớn (phá hoại cốt thép bị kéo đứt trước); - Khả chịu lực lại cột BTCT chịu nén lệch tâm phẳng phụ thuộc đồng thời vào vị trí mức độ ăn mòn cốt thép dọc; - Trong trường hợp tất cốt thép tiết diện ngang bị ăn mòn gây mức độ suy giảm khả chịu lực lớn  Kiến nghị - Nghiên cứu mơ hình tính tốn có kể đến ảnh hưởng cốt thép chịu nén bị ổn định cốt đai bị ăn mòn - Nghiên cứu mơ hình tính tốn mơ hình tính tốn có kể tới trượt tương đối cốt thép dọc bê tơng suy giảm lực dính TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: TCVN 10241:2017, Kết Cấu BTCT - Yêu Cầu chung Về Thiết Kế Độ Bền Lâu Và Tuổi Thọ Cơng Trình Trong Mơi Trường Xâm Thực Bộ KH&CN (1993), TCVN 3105:1993, Hỗn hợp bê tông nặng bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo bảo dưỡng mẫu thử, 1993 Bộ KH&CN (2012), TCVN 9348:2012, BTCT - Kiểm tra khả cốt thép bị ăn mòn - Phương pháp điện thế, 2012 Bộ KH&CN (2012), TCVN 9334:2012, Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén súng bật nẩy, 2012 Bộ KH&CN (2012), TCVN 9335:2012, Bê tông nặng - Phương pháp thử không phá hủy - Xác định cường độ nén sử dụng kết hợp máy đo siêu âm súng bật nẩy, 2012 Bộ KH&CN (2012), TCVN 9356:2012, Kết cấu BTCT - Phương pháp điện từ xác định chiều dày lớp bê tông bảo vệ, vị trí đường kính cốt thép bê tơng, 2012 Đặng Vũ Hiệp, Vũ Ngọc Anh (2014), Ảnh hưởng hướng đổ bê tơng tới ăn mịn cốt thép hậu tới khả neo cốt thép, Tạp chí Xây dựng 5/2014 Vũ Hồng Hiệp, Đặng Vũ Hiệp, Vũ Ngọc Anh (2022), Phương pháp thực hành khảo sát kết cấu BTCT bị ăn mòn, Tạp chí Khoa học Kiến trúc Xây dựng 45, 8/2022 Vũ Ngọc Anh (2014), Ăn mòn cốt thép hưởng hưởng tới ứng xử kết cấu bê tơng cốt thép Tạp chí Xây dựng, số 5, 2014 10 Vũ Hoàng Hiệp (2021), Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng quy trình đánh giá tình trạng kỹ thuật kết cấu bê tơng cốt thép bị ăn mịn Việt Nam”, 2021, Mã số RD 29-20 11 TCVN 5574:2018, Thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép, xuất lần 3, 2018 Tiếng Anh: 12 T Vidal, A Castel, R Francois “Analyzing crack width to predict corrosion in reinforced concrete” Cement and Concrete Research 34 (2004) 165–174 13 Hoang Hiep Vu, Ngoc Anh Vu, Raoul Franỗois Effect of corrosion of tensile rebars and stirrups on the flexural stiffness of reinforced concrete members” European Journal of Environmental and Civil Engineering, Volume 18, Issue 3, 2014 14 ASTM-C876-15-Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete 15 ASTM Committee G-1 on Corrosion of Metals Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens; ASTM International: West Conshohocken, PA, USA, 2003; Volume 3, pp 17-25 16 C Andrade and C Alonso,“Corrosion rate monitoring in the laboratory and on-site”, Constructionand Building Materials, Vol 10, No 5, pp 315-328, 1996 17 Castel A., “Couplage mécanique et corrosion dans les éléments de béton armé”, Thèse de Doctorat de l’Université Paul Sabatier de Toulouse, 2000 18 Tuutti K., corrosion of steel in concrete, Swedish Cement and Concrete Researche Institute, Ed., Stockholm, 1982 19 Du, Y G., Clark, L A., Chan, A H C., “Residual capacity of corroded reinforcing bars”, Magazine of Concrete Research, 5(3): 135-147, 2005 20 Biondini, F., Vergani, M Damage modeling and nonlinear analysis of concrete bridges under corrosion Roc of 6th International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 2012; 949-957 21 Coronelli, D., Gambarova P Structural assessment of corroded reinforced concrete beams: modelling guidelines J Struct Eng 2004; 130(8):1214-24 22 Kallias AN, Rafiq MI Finite element investigation of the structural response of corroded RCbeams Eng Struct 2010; 32: 2984-94 23 Val D V., and Melchers R E Reliability of deteriorating RC slab bridges J Struct Eng., 1997; 123(12): 1638–1644 24 Rodriguez J., Ortega L.M., Casal J., Diez J.M Assessing structural conditions of concretestructures with corroded reinforcement In: Dhir RK, Jones MR, editors Concrete repair, rehabilitation and protection E&FN Spon; 1996, p 65-78 25 Piya Chotickai, Pichai Tongya, Satja Jantharaksa 2020 “Performance of corroded rectangular RC columns strengthened with CFRP composite under eccentric loading” Construction and Building Materials 268: 121134 26 M Stratmann 1987.” The investigation of the corrosion properties of metals, covered with adsorbed electrolyte layers-A new experimental technique” Corrosion Science 27 (8) 869 27 R Franỗois, G Arliguie, J.-C Maso, Durabilitộ du bộton armộ soumis l'action des chlorures Annales de l'I.T.B.T.P., 529, 1994, pp 1–48 28 K Tuutti, Corrosion of Steel in Concrete, Swedish Cement and Concrete Research Institute, 1982 29 Almusallam A.A Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars Construction and Building Materials, 2001; 15: 361368 30 Palsson, R., and Mirza, M S Mechanical Response of Corroded Steel Reinforcement of Abandoned Concrete Bridge ACI Structural Journal, 2002; 99(2):157-162 31 Du, Y.G., Clark, L.A., Chan, A.H.C Residual capacity of corroded reinforcing bars Magazine of Concrete Research, 2005; 57(3): 135-147 32 Kobayashi, K The seismic behaviour of RC members suffering from chloride-inducedcorrosion FIB 2nd Int Congress Naples, Italy, 2006; 1548 33 Lee, H.S., Cho, Y.S Evaluation of the mechanical properties of steel reinforcement embedded in concrete specimen as a function of the degree of reinforcement corrosion International Journal of Fracture, 2009; 157: 81-88 34 Biondini, F., Vergani, M Damage modeling and nonlinear analysis of concrete bridges under corrosion Roc of 6th International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 2012; 949-957 35 Apostolopoulos C.A., Papadakis V.G Consequences of steel corrosion on the ductility properties of reinforcement bar Construction and Building Materials, 2008; 22: 2316-2324 36 Fan, Y.F., Chen, Y.S., Hu, Z.Q.Li, X Experimental study on compressive strength of corroded concrete Proceedings of 31st Conferenc on Our World in Concrete & Structures, 16-17 August 2006, Singapore 37 Bazant, Z P Physical model for steel corrosion in concrete sea structures – Application Journal of the Structural Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers Vol 105, ST6, June 1979, pp 1155-1166 38 Bhargava, K., Ghosh, A., Mori, Y., Ramanujam, S (2006) Analytical model for time to cover cracking in RC structures due to rebar corrosion Nucl Eng Des., 236(11): 1123–1139 39 Liu, T., and Weyers, R W Modeling the dynamic corrosion process in chloride contaminated 40 Alonso C., Andrade C., Rodriguez J., Diez J.M., Factors controlling cracking of concrete affected by reinforcement corrosion, Mater Struct 1998; 31: 435–441 41 Vidal, T., Castel, A., Francois, R Analyzing crack width to predict corrosion in reinforced concrete, Cement and Concrete Research, 2004; 34: 165-174 42 Molina F J., Andrade C and Alonso C Cover cracking as a function of bar corrosion: Part II - Numerical model Materials and structures, 1993; 26: 532-548 43 Vecchio F.J., Collins M.P (1993) Compression Response of Cracked Reinforced Concrete Journal of Structural Engineering, 119(12): 3590-3610 44 Hanjari KM, Kettil P, Lundgren K Analysis of Mechanical Behavior of Corroded Reinforced Concrete Structures ACI Structural Journal 2011;108 (5):532-41 45 Auyeung, Yubun, Balaguru, P and Chung Lan Bond Behaviour of Corroded Reinforcement Bars ACI journal, 2000; 97-M28: 214-220 46 Tepfers, R Cracking of concrete cover along anchored deformed reinforcing bars Mag Concr Res., (1979); 31(106), 3–12 47 Cairns, J., Du, Y., Law, D Influence of corrosion on the friction characteristics of the steel/concrete interface Construction and Building Materials, 2007; 21: 190-197 48 Biondini, F., Vergani, M Damage modeling and nonlinear analysis of concrete bridges under corrosion Roc of 6th International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 2012; 949-957 49 C.B Chadwell and R.A Imbsen XTRACT: A Tool for Axial Force Ultimate Curvature Interactions Structures Congress 2004