Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích ứng xử số của dầm BTCT gia cường tấm FRP bằng phần mềm PTHH Abaqus

NHIEM VU VA NỘI DUNG:- Tìm hiểu các phan tử, mô hình vật liệu va thuật toán giải phi tuyến của phan mềm phân tử hữu hạn 3 chiều ABAQUS.- Sử dụng phần mềm phan tử hữu han 3 chiều ABAQUS m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN TICH UNG XU SO CUA DAM BTCT GIA CƯỜNG

TAM FRP BANG PHAN MEM PTHH ABAQUSChuyên ngành : Xây dung Cong trình Dan dụng & Công nghiệpMã số : 60.58.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 08 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYÊN MINH LONG

TS NGÔ HỮU CƯỜNG

Cán bộ cham nhận xét 1: TS HỎ HỮU CHÍNH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, DHQG Tp HCMngày 01 tháng 02 năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS TS NGUYEN VAN YEN Chủ tịch2 TS HO HỮU CHINH Ủy viên3 TS LE VĂN PHƯỚC NHÂN Ủy viên4 TS NGÔ HỮU CƯỜNG Ủy viên5 TS NGUYEN SY LAM Thu kyXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn va Trưởng Khoa quan lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

PGS TS NGUYÊN VĂN YÊN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : VÕ TRÍ TOÀN MSHV : 10210251

Ngày, tháng, năm sinh : 20/11/1985 Nơi sinh : Vũng Tàu

Chuyên ngành: Xây dựng Công trình DD & CN Mã số : 605820I TÊN DE TAI: PHAN TICH UNG XỬ SỐ CUA DAM BTCT GIA CƯỜNG TAM

FRP BANG PHAN MEM PTHH ABAQUS

Il NHIEM VU VA NỘI DUNG:- Tìm hiểu các phan tử, mô hình vật liệu va thuật toán giải phi tuyến của phan mềm

phân tử hữu hạn 3 chiều ABAQUS.- Sử dụng phần mềm phan tử hữu han 3 chiều ABAQUS mô phỏng ứng xử chịu lực

của dầm.- Nghiên cứu ứng xử kháng uốn của dầm BTCT gia cường tấm FRP dựa trên tiêu

chuẩn Eurocode 2 So sánh kết quả với thực nghiệm và mô phỏng số.- Rút ra nhận xét và kết luận về khối lượng công việc đã thực hiện được.- Để xuất hướng phát triển của đề tải

II NGÀY GIAO NHIEM VU 02/07/2012IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VỤ: 30/11/2012v CÁN BỘ HƯỚNG DAN : TS NGUYÊN MINH LONG

TS NGÔ HỮU CƯỜNG

Tp HCM, ngày thang năm 2013CAN BỘ HƯỚNG DAN BAN QUAN LÝ CHUYEN NGANH

(Ho tén va chit ky) (Ho tén va chit ky)

TS NGUYEN MINH LONGTS NGO HỮU CƯỜNG

TRUONG KHOA KY THUAT XAY DUNG

(Ho tén va chit ky)

MỤC LỤC

CÁC KY HIỆU SU DUNG TRONG LUẬN VĂNDANH MỤC CÁC CHỮ VIET TAT

DANH MỤC CÁC HÌNH VỀDANH MỤC CÁC CHỮ VIET TATCHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU Trang 1

1.1 Đặt van dé Trang 1

1.2 Muc tiéu va pham vi nghién cuu Trang 3

1.3 Cau trúc luận văn Trang 4CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH PHAN TU HỮU HAN TRONG PHAN MEM ABAQUS

2.1 Giới thiệu Trang 6

2.2 Mô hình phân tử Trang 62.2.1 Mô hình phần tử bê tông Trang 62.2.2 Mô hình phan tử cốt thép Trang 72.2.3 Mô hình phan tử keo kết dính epoxy Trang 7

2.3 Mô hình vật liệu Trang 102.3.1 Mô hình phá hoại dẻo của kim loại Trang 102.3.2 Mô hình phá hoại dẻo của bê tông Trang 162.4 Mô hình ràng buộc — tương tác Trang 172.4.1 Mô hình tương tác ‘‘tie constraint”’ Trang 172.4.2 Mô hình tương tác ““embedded elements’”’ Trang 172.5 Phương pháp phân tích Trang 18

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

CHUONG 3 : PHAN TÍCH ANH HUONG YEU TO LIÊN KET BE MAT LEN

KHA NANG CHIU UON CUA DAM BTCT GIA CUONG TAM FRP

3.1 Giới thiệu Trang 193.2 Phân tích thực nghiệm Trang 193.2.1 Vật liệu thí nghiệm Trang 19

3.2.2 Dam thí nghiệm Trang 213.2.3 Tiến hành thí nghiệm Trang 233.2.4 Kết quả thí nghiệm Trang 233.3 Phân tích tải trọng cực hạn tác dụng lên dầm chịu uốn bang phan mém PTHH

Abaqus Trang 28

3.3.1 Mô phỏng và phân chia phan tử Trang 28

3.3.2 Mô hinh vật liệu Trang 29

3.3.3 Điều kiện ràng buộc liên kết Trang 323.3.4 Kết quả mô phỏng Trang 323.4 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng Trang 40CHƯƠNG 4 : PHAN TÍCH UNG XU CHÓNG CAT CUA DAM BTCT GIA

CUONG TAM FRP BANG CHUONG TRINH PTHH ABAQUS

4.1 Giới thiệu Trang 45

4.2 Phân tích ứng xử kháng cat của dầm BTCT gia cường tấm FRP theo thực

nghiệm Trang 454.2.1 Công tác thực nghiệm Trang 45

4.2.2 Tiến hành thí nghiệm Trang 464.2.3 Kết qua thí nghiệm Trang 474.3 Phân tích ứng xử số của dam BTCT gia cường tam FRP bằng phan mềm PTHH

Abaqus Trang 49

4.3.1 Thông số mô hình vật liệu Trang 49HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

4.3.2 Phương pháp mô phỏng số trong Abaqus Trang 514.3.3 Kết quả phân tích Trang 514.4 So sánh kết qua mô phỏng số và thực nghiệm Trang 51CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN LÝ THUYET KHẢ NANG CHIU UON CUA DAM

GIA CƯỜNG DUA TREN TC EUROCODE 2

5.1 Giới thiệu Trang 59

5.2 Tính toán tải trọng cực hạn lên dầm chịu uốn bang ly thuyét dựa trên tiêu chuẩn

Euro code 2 Trang 59

5.2.1 Tính toán tải trọng cực hạn lên dầm BTCT Trang 595.2.2 Tính toán tải trọng cực hạn lên dầm BTCT gia cường tam FRP kích thước

50x1.2x1560mm Trang 61

5.3 So sánh kết quả thực nghiệm va tinh toán lý thuyết của dam chịuuốn Trang 645.4 Tính toán tải trọng cực hạn lên dầm chịu cắt theo lý thuyết Trang 65CHƯƠNG 6: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

6.1 Kết luận Trang 696.2 Kiến nghị Trang 69TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 70

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂNCác ký hiệu sử dung chung

Ký tự Mô tả

SiuIre

Gy

h

ng

s%

maxlyWr

LtZp

b,G¡

Don vi

Nhịp chịu uốn - khoảng cach từ lực tập trung tới gối tựa [mm]Diện tích cốt thép chịu cat [mm]Diện tích cốt thép chịu kéo [mm]Diện tích của FRP [mm]Bé rộng dam [mm]

Cánh tay don, tương tự 4, trong TCXDVN 356:2005 [mm]

Chiều cao hữu hiệu của FRP [mm]

Khoảng cach từ diém xa nhat chịu nén của dâm tới cạnh trên cua FRP [mm]

Khoảng cách từ điểm xa nhất chịu kéo của dầm tới cạnh dưới của FRP [mm]Modun đàn hồi của FRP | MPa]Modun đàn hồi của cốt thép | MPa]Modun đàn hồi của bêtông [MPa]Ung suat kéo chinh [MPa]Ung suat nén chinh [MPa]Cường độ chịu nén mẫu trụ của bê tông [MPa]

Cuong do chiu kéo cua FRP [MPa]

Ung suất hữu hiệu của FRP [MPa]Nang luong pha huy cua bétong [N/mm]Chiéu cao dam [mm]Số lớp FRP gia cường [ ]Khoảng cách của các cốt đai [mm]Ung suất chảy dẻo của cốt thép [MPa]Chiều dài bám dính lớn nhất của FRP [mm]Chiều dày của FRP [mm]Chiều rộng của dải FRP [mm]

Toa độ đỉnh hữu hiệu cua FPR [mm]Tọa độ đáy hữu hiệu của FPR [mm]

Hệ số chiều dai bám dính [ ]Biến dạng kéo chính [ ]HVTH: VO TRI TOAN

&; Biến dạng nén chính;; Bién dạng hữu hiệu của vật liệu FRPfu Bién dang cực han của vật liệu FRP

Pr Ham luong FRP gia cuongt ave Cường độ bám dính trung bình cua bêtông

/„ Ứng suất cắt lớn nhất trong bêtôngOfmax Ung suất lớn nhất trong FRP

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

[ ][ ][ ][ ]

[MPa][MPa][MPa]

DANH MỤC HINH VEChuơng 2

2.1 Phan tử khối 8 nút C3D8R2.2 Phần tử nút T3D2

2.3 Mô tả hình học phần tử kết dính2.4 Quan hệ ứng suất — chuyên vi phan tử dính kết2.5 Đường cong ứng suất — biến dạng đến phá hoại của vật liệu kim loại2.6a Sự phá hoại theo nhiều đoạn tuyến tính

2.6b Phá hoại tuyến tính

2.6c Phá hoại theo đường cong lity thừa

2.7 Tiêu chuẩn phá hoại dựa trên năng lượng tiêu tán2.8 Đường cong ứng suất - biến dạng kéo đơn trục2.9 Đường cong ứng suất - biến dạng nén đơn trục2.10 Mô hình ứng suất — biễn dạng vật liệu đàn dẻo lý tưởng2.11 Mô hình ứng suất — biến dang vật liệu Bilinear

2.14 Mô hình ứng suất — biến dạng vật liệu Trilinear

0607070912131314141516161718

20202121222223

3.8 Sơ đồ đặt tải trọng3.9 Máy gia tải dầm3.10 Quan hệ tải trong-chuyén vị của nhóm dam BTCT (RB)3.11 Phá hoại uỗn của nhóm dầm BTCT (RB)

3.12 Quan hệ tải trong-chuyén vị của dam BTCT gia cường FRP (RBI)3.13 Quan hệ tải trong-chuyén vị của dam BTCT gia cường FRP (RB2)3.12 Quan hệ tải trong-chuyén vị của dam BTCT gia cường FRP (RBI)3.13 Quan hệ tải trong-chuyén vị của dam BTCT gia cường FRP (RB2)3.14 Quan hệ tải trong-chuyén vị của dam BTCT gia cường FRP (RB3)3.15 Dé thị so sánh kết qua ứng suat-chuyén vị các nhóm mẫu thí nghiệm3.16 Sự phá hoại của dầm gia cường tam FRP

3.17 Mô hình 1⁄4 dầm3.18 Mô hình phân chia phần tử3.19a Đồ thị ứng suất - biến dạng của vật liệu bê tông3.19b Dé thị năng lượng phá hoại nứt

3.20 Biểu đồ ứng suất chảy dẻo của thép3.21 Biểu đồ ứng suất — bién dạng của lớp kết dính3.22 Lớp dính kết 2 phần tử

3.23 Điều kiện ràng buộc3.24 Quan hệ tải trọng - chuyển vị của nhóm dầm BTCT không gia

cường tam FRP (RB) theo mô phỏng số (Abaqus)3.25 Quan hệ tải trọng - chuyển vị của nhóm dầm BTCT gia cường tam

CFRP kích thước 50x1.2x1560mm (RB1) theo mô phỏng số (Abaqus)3.26 Ứng suất phá hoại của lớp kết dính chiều dài 1560mm tai thời điểm

tải trọng tác dụng lên dầm đạt cực hạn theo mô phỏng số (Abaqus)HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

23232424252525252626272828293030303132

33

33

3.27 Ứng suất của tam FRP kích thước 50x1.2x1560mm tại thời điểm phá hoại 353.28 Quan hệ tải trọng - chuyển vị của nhóm dầm BTCT gia cường tam

FRP kích thước 50x1.2x1040mm (RB2) theo mô phỏng số (Abaqus) 353.29 Ứng suất phá hoại của lớp kết dính chiều dài 1040mm tại thời điểm

tải trọng tác dụng lên dầm đạt cực hạn theo mô phỏng số (Abaqus) 363.30 Ứng suất của tam FRP kích thước 50x1.2x1040mm tại thời điểm phá hoại 373.31 Quan hệ tải trọng - chuyển vị của nhóm dầm BTCT gia cường tam

FRP kích thước 50x1.2x520mm (RB3) theo mô phỏng số (Abaqus) 373.32 Ứng suất phá hoại của lớp kết dính chiều dài 520mm tại thời điểm

tải trọng tác dụng lên dầm đạt cực hạn theo mô phỏng số (Abaqus) 383.33 Ứng suất của tam FRP kích thước 50x1.2x520mm tại thời điểm pháhoại 393.34 Đồ thị so sánh kết quả lực — chuyển vị của dam BTCT thông thường

(nhóm RB) theo thực nghiệm và mô phỏng số 403.35 Đồ thị so sánh kết quả lực — chuyển vị của dam BTCT gia cường tam FRP

kích thước 50x1.2x1560mm (nhóm RB1) theo thực nghiệm và mô phong số 413.36 Đồ thị so sánh kết quả lực — chuyển vị của dam BTCT gia cường tam FRP

kích thước 50x1.2x1040mm (nhóm RB2) theo thực nghiệm va mô phong số 423.37 Đồ thị so sánh kết quả lực — chuyển vị của dam BTCT gia cường tam FRP

kích thước 50x1.2x520mm (nhóm RB3) theo thực nghiệm va mô phỏngsố 43

Chuơng 4

4.1 Kích thước va cau tạo dầm BTCT 464.2 Dam BTCT gia cường CFRP 90/300mm (RS1) 464.3 Sơ đồ đặt tải trọng 474.4 Quan hệ tải trọng - chuyển vị của nhóm dầm BTCT (RS) 474.5 Phá hoại cắt của nhóm dầm BTCT (RS) 48HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

4.6 Quan hệ tải trong-chuyén vị của nhóm dầm BTCT gia cường tam FRP4.7 Phá hoại cat của nhóm dam BTCT gia cường tam FRP (RS1)

4.8 Quan hệ ứng suat-bién dạng của mẫu bê tông chịu nén TN4.9 Biểu đồ ứng suất chảy dẻo của thép

4.10 Mô phỏng 1⁄4 cau kiện dam4.11 Điều kiện ràng buộc biên4.12 Quan hệ tải trọng - chuyển vị của nhóm dam BTCT (RS) theo mô phỏngsố (Abaqus)

4.13 Ứng suất của thép chịu kéo tại thời điểm dầm bị phá hủy (nhóm RS)4.14 Quan hệ tải trong-chuyén vị của nhóm dầm BTCT gia cường tam

FRP (RS1) theo mô phỏng số (Abaqus)4.15 Ung suất của thép chịu kéo tại thời điểm dầm bi phá hủy (nhóm RS1)4.16 Ứng suất của tam FRP tại thời điểm dầm bị phá hủy (nhóm RS1)4.17 Biéu đồ so sánh dam BTCT thông thường không gia cường theo mô

phỏng số (Abaqus) và thực nghiệm4.18 Biéu đồ so sánh dam BTCT gia cường tam FRP (RS1) theo môphỏng số (Abaqus) và thực nghiệm

4.19 Biéu đồ so sánh dầm BTCT gia cường tam FRP (RS1) và dam BTCTthông thường không gia cường theo mô phỏng số (Abaqus)

Chuong 5

5.1 Biểu dé quan hệ ứng suất - bién dang của bê tông5.2 Đồ thị ứng suất biến dạng mặt cắt ngang dầm5.3 Đồ thị ứng suất biến dạng mặt cat ngang dầm gia cường (THỊ)5.4 Đồ thị ứng suất biến dạng mặt cắt ngang dầm gia cường (TH2)

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

48

495051

51

5252

535354

55

56

57

58596061

DANH MỤC CÁC CHU VIET TATACI American Concrete Institute

AFRP Aramid fiber-reinforced polymer.

BTCT Bêtông cốt thép

CFRP Carbon fiber-reinforced polymer.FRP Fiber-Reinforced Polymer

FIB Federation Internationale de Beton

GFRP Glass fiber-reinforced polymer.TCXDVN Tiêu Chuẩn Xây Dựng Việt Nam

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

CHƯƠNG 1

¬ MỞ DAU1.1 Đặt van de

Hiện tại ở nước ta có nhiều công trình có các cau kiện bị nứt võng lớn do cácnguyên nhân chủ quan và khách quan như thiết kế thiếu, hoặc do chất lượng thi công

và vật liệu kém, hoặc do chịu sự xâm thực cua môi trường, hoặc do công trình bi quá

tuổi thọ nên không đáp ứng được yêu cầu về cường độ/biến dạng cho việc sử dụngbình thường nên cần phải được gia cường Ngoài các biện pháp gia cường truyềnthống đã được nêu trong các sách hướng dẫn về kỹ thuật gia cô sửa chữa công trình,gần đây việc sử dụng phương pháp gia cường đơn giản nhưng hiệu quả bằng cách dántam FRP vào cấu kiện kết cau đã được dé cập nhiều trong các công trình nghiên cứukhoa học lý thuyết và thực nghiệm trong và ngoai nước, và tuy phương pháp này đãđược áp dụng khá rộng rãi ở nước ngoài nhưng vẫn còn chưa được áp dụng rộng rãi ở

nước ta.

Thực trạng việc áp dụng phương pháp dán tam FRP ở nước ta chưa được phổbiến theo tác giả nhận định chủ yếu là do nguyên nhân sau : Các nghiên cứu trước đâyvề khả năng kháng uốn và cắt của dầm gia cường chỉ tập trung ở những nghiên cứuthực nghiệm đơn giản nên khi áp dụng cho những công trình cụ thể kỹ sư sẽ có nhữnglúng túng nhất định khi đánh giá khả năng chịu lực của các cấu kiện gia cường Cácphương pháp tính toán lý thuyết trước đây chưa phản ánh đúng bản chất liên kết củatam FRP với dầm bê tông cốt thép, thường coi liên kết của tam dán FRP với dầm làliên kết lý tưởng, không xảy ra hiện tượng trượt giữa tam dán gia cường và bé mặt caukiện, nhưng thực tế sự phá hoại của liên kết giữa tam gia cường và cấu kiện được giacường thường xảy ra trước thời điểm tắm FRP bị phá hoại, dẫn đến các tính toán lýthuyết thường đánh giá cao hơn khả năng chịu lực thực tế của cầu kiện được gia

cuong.

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phan cứng máy tinh va cácphan mềm ứng dung, tác giả sử dụng phần mềm phan tử hữu hạn ba chiều ABAQUSđể mô phỏng ứng xử chịu lực của dầm được gia cường tâm FRP, đồng thời xác định

khả năng chịu tải cực hạn của dâm Y nghĩa của việc mô phỏng sô này là ở bat ky công

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

trình thực tế nào kỹ sư cũng có thể tiên liệu trước khả năng chịu tải dầm sau khi giacường bang phần mềm ABAQUS từ đó xác định được các thông số thiết kế gia cườnghợp lý và hiệu quả Ngoài ra, kết quả mô phỏng số giúp đánh giá ứng xử chịu lực củacầu kiện đơn giản và hiệu quả hơn việc thực hiện các thí nghiệm tốn thời gian và kinh

Chajes đã tiến hành thí nghiệm với 12 dầm tiết diện chữ T Các lọai vật liệuCFRP, GFRP và AFRP đã được sử dung [12] Tất cả các dầm đều không được bố trícốt thép đai Kết quả thực nghiệm cho thấy các dầm bị phá họai dưới tác dụng của ứngsuất kéo chính và tiếp theo là FRP bị kéo rách Không có hiện tượng bóc tách của FRPva ứng suất trong các sợi FRP chưa đạt tới độ bên cực hạn của nó Kha năng kháng cắtcủa các dầm tăng từ 60 đến 150% Ông đã dé xuất phương pháp tính toán lực cắt doFRP chịu, tương tự như với thép dai Biến dạng lớn nhất của FRP được lay bang biéndang kéo cực hạn của bêtông Tuy nhiên các mẫu thử sử dung trong nghiên cứu là rấtnhỏ va chỉ mới một phương thức dán 3 mặt được sử dung, vì vậy các kết luận và đề

xuât của ông có tính giới hạn.

Sato đã thử nghiệm 6 dầm kích thước (200x300x2200)mm với nhịp chịu cất700mm và nhịp thông thủy 1600mm [13] Kết quả thử nghiệm cho thấy: khả năngkháng cat của dầm tăng đáng kể, phương thức dán 3 mặt hiệu quả hon so với phươngthức dán 2 mặt, phân bố biến dạng của CFRP doc theo vết nứt là không đều: lớn hơn ởđiểm giữa các vết nứt và nhỏ nhất ở các đầu vết nứt Phân bố biến dạng của CFRP làtương tự như ở thép đai Do đạc bién dạng của thép đai ở một dầm cho thay lực cat do

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

CFRP chịu là lớn hơn so với lực do thép đai chịu Phá hoai xảy ra tại nhịp chịu cắt bởihiện tượng bóc tách giữa bêtông và vật liệu liên kết epoxy.

Umezu đã tiễn hành thí nghiệm với 26 dầm gối tựa đơn nhăm xác định hiệu quảsử dụng tắm vải sợi CFRP và AFRP, phương thức dán 4 mặt được sử dụng cho toàn bộcác dầm [14] Hầu hết các mẫu thử bị phá họai do bóc tách ở lớp bêtông bảo vệ dướiFRP tại vị trí xung quanh các vết nứt Tải trọng lớn nhất đạt được vào thời điểm vếtnứt xiên xâm nhập vào vùng phía trên của dầm và tạo nên hư hỏng không sửa chữađược đối với cơ chế kháng cắt của bêtông Lực cắt dự đoán do FRP chịu được phântích bang mô hình giàn ảo, dựa trên ứng suất trung bình của FRP va bằng độ bền chịukéo cực hạn của FRP nhân với hệ số giảm có giá tri từ 0,4+1,2 xác định qua thí

nghiệm

Gan đây nhất ,tác giả Yasmeen của đại học Lund University đã có bai báo cáotrong đó dé cập đến van đề mô phỏng ứng xử của lớp kết dính tam CFRP với dầmBTCT [15] Kết qua thu được gần sát với thực tế ,do đó những công thức tính toán

theo kiên nghị của ông có độ tin cậy rât cao.

1.2.2 Trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu gia cường kết cau bê tông bang vật liệu FRP còn rấtmới mẻ, số lượng báo va dé tải nghiên cứu về vật liệu nay còn khá ít Các nghiên cứuchỉ mới dừng lại ở mức độ tính chất cơ lý, độ bên hóa học của vật liệu ; hầu như chưacó hướng dẫn tính toán về gia cường BTCT bang FRP Một số nghiên cứu được thựchiện tại Việt Nam trong những năm gan đây như :

- Tạ Thanh Binh, Gia cường dầm sàn BTCT chịu uốn bằng tam polyme soi carbon(CFRP), Tạp chí Xây Dựng — Số 5/2002-Trang 28-60

- Phạm Huy Bình, Riadh Al-Mahaidi, Doan Dinh Kiến, Tăng cường khả năng chịu lựccủa kết cấu bê tông băng phương pháp dán tam nhựa composite, Tạp chí Xây Dung -Số 10/2002-Trang 30-32

- Đoàn Huỳnh Thuận (2004), Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong dam BTCT có giacường bang tam CFRP, Luận văn thạc sĩ

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

- Đặng Văn Tài (2004), Phân tích và tính toán cột BTCT có gia cường băng tam FRP,

1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiền cứu

Trong luận văn này tác giả tập trung nghiên cứu ứng xử và các dạng phá hoại

uốn của dam BTCT gia cường FRP có nguồn gốc carbon (CFRP) với 3 mục tiêu sau:- Khảo sát hiệu qua gia cường kháng uốn — kháng cắt cho dim BTCT bang phươngpháp mô phỏng số băng phần mém Abaqus

- Xác định ảnh hưởng của kích thước bể mặt liên kết tam FRP với dầm bê tông cốtthép tới khả năng chịu tải dầm gia cường

- Đề xuất quy trình tính toán thiết kế kha năng kháng uốn của dam BTCT gia cường ápdụng cho tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép Eurocode 2

Đối tượng nghiên cứu ở luận văn là: khả năng kháng uốn của dầm BTCT giacường tắm FRP khi chịu tải trọng tập trung Các vẫn đề khác như : ứng xử của dầmcao, ứng xử của dầm dưới tác động lặp hay tác động dài hạn của tải trọng cũng như tácđộng của nhiệt độ hay hỏa hoạn không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận văn

này.

Dé đạt được các mục tiêu dé ra, chương trình khảo sát mô phỏng số cho 5 loạidầm : dam BTCT có kích thước 150x300x1560mm „dầm BTCT gia cường tam FRPkích thước 50 x 1.2 x 1560mm, dầm BTCT gia cường tam FRP kích thước 50 x 1.2 x1040m , dầm BTCT gia cường tâm FRP kích thước 50 x 1.2 x 520mm, dầm BTCT giaHVTH: VÕ TRÍ TOÀN

Cường tam FRP kích thước 50 x 1.2 x 300mm Quan hệ lực - biến dạng, các hình thức

phá hoai, tải trọng cực han đã được khảo sát Sau cùng, qui trình tính toán kha năng

kháng uốn — kháng cắt của dầm BTCT gia cường FRP, áp dụng cho tiêu chuẩn thiết kếbê tông cốt thép Eurocode 2, đã được kiến nghị căn cứ vào kết quả mô phỏng và dựatrên nghiên cứu các qui trình tính toán trong các hướng dẫn hay tiêu chuẩn thiết kế của

các nước tiên tiên trên thê giới.

1.4 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm sáu chương:- Chương 1: Mở dau

- Chương 2: Tác giả giới thiệu tổng quan về lý thuyết mô hình phan tử, vật liệu , môhình tương tác trong phần mềm Abaqus Các mô hình này chủ yếu dựa trên tiêu chuẩn

Eurocode 2

- Chương 3: Tác giả trình bày chỉ tiết mô phỏng số để xác định khả năng chịu uốn củadầm BTCT và dầm BTCT sau khi gia cường tâm FRP ,kết quả so sánh với thựcnghiệm dé xác định độ tin cậy của bài toán mô phỏng

- Chương 4 : Tác giả trình bày chỉ tiết mô phỏng số để xác định khả năng chịu cắt củadầm BTCT và dầm BTCT sau khi gia cường tâm FRP ,kết quả so sánh với thựcnghiệm dé xác định độ tin cậy của bài toán mô phỏng

- Chương 5: Tính toán khả tăng chịu tai của dầm chịu uốn — cắt theo tính toán lýthuyết.Kết quả được so sánh với thực nghiệm

- Chương 6: Trình bày các kết luận rút ra được từ nghiên cứu, đồng thời nêu lên cáckiến nghị cho những nghiên cứu tiếp theo

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

CHƯƠNG2 : MÔ HÌNH PHẢN TỬ HỮU HẠN

TRONG PHAN MEM ABAQUS.

2.1 GIỚI THIEUPhần mềm Abaqus được sử dụng rất phố biến trên thế giới do có các ưu điểm nổibật như thư viện phần tử và vật liệu phong phú và được áp dụng trong việc mô phỏngkết cầu các bài toán trong các lĩnh vực như xây dựng và cơ khí Trong chương nay tácgiả giới thiệu các loại phần tử trong Abaqus sử dụng để mô phỏng cấu kiện cần gia

Hình 2.1 Phần tử khối 8 nút C3D8R.Khi khai báo phan tử bê tông bằng C3D8R, sau mỗi bước phân tích ma trận độcứng phân tử và ma trận tải trọng sẻ được hiệu chỉnh theo quy luật ứng xử đã được xác

định.

Tenso ứng suât và biên dạng 3 chiêu của phân tử được biêu diễn như sau:

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

Ơn A ƠI 6n lạ ÊlàØ = On 93 › é& = Ø2 2a

Sym O33 Sym Đa2.2.2 Mô hình phân tử cốt thép (Truss elements T3D2)

Cốt thép được mô phỏng bang phan tử ứng suất 1 chiều như hình 2.2 Mỗi nútcó 3 bậc tự do Ứng suất và chuyển vi cua phan tử T3D2 là đơn trục (chi ton tại ø¡¡ vàE11)

2In _h

Hình 2.2 Phan tử ứng suất T3D2.2.2.3 Mô hình phân tử keo dính kết epoxy

2.2.3.1 Quan hệ ứng suất kéo - chuyền vị.Trong mô hình bề mặt dính kết giữa các mặt, lớp dính kết này được mô phỏngbằng phần tử COH3D8 Lớp này có bề dày rất mỏng (có thể xem như bằng 0) Môhình phan tử kết dính được thực hiện ngay ở bước dau tiên trước khi có tải trọng tácdung, sự phá hủy của phan tử nay được lan truyền dan cho đến giai đoạn bề mặt liênkết bị phá hủy hoàn toàn Ứng xử phá hủy của lớp kết dính này được mô tả là đàn hồituyến tính dưới ứng suất kéo hay cắt, nhưng không ảnh hưởng bởi ứng suất do nén.2.2.3.2 Mô hình không gian của phần tử kết dính

Phan tử dính kết được xem như gồm 2 mặt với cùng một bề dày Biến dạng củaphân tử này dưới ứng suất kéo được xác định bằng chuyển vị tương đối giữa các điểm

_ lạ, Kne Hạ, | on |

t—=<¢f, p= | A, Keo Kes =, ¿ = Ke

| ty i Kane Kee Kee | ee J

Trong đó ứng suất kéo t bao gồm 3 thành phan : tạ, t, , t, tương ứng với 3 chuyén vị ồn

|||||ồ (ỗ:.ð ) ồ.(ồ.,ỗ ) separation

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất — chuyên vị của phan tử kết dính.2.2.3.3.3 Phá hủy ban đầu của phan tử kết dính

Abaqus đưa ra tiêu chuẩn thời điểm bắt đầu phá hủy xảy ra khi ứng suất hoặc biếndang cua | diém trén phan tử kết dính đạt tới giá tri giới hạn

a Tiêu chuẩn ứng suất cực dai Tiêu chuẩn này xác định thời điểm bat đầu phá hoại khi 1 trong 3 thành phan ứngsuất của lớp kết dính đạt gia tri cực dai

b Tiêu chuân biên dạng cực đại.

Tiêu chuẩn này xác định thời điểm bắt đầu phá hoại khi 1 trong 3 thành phan biếndạng của lớp kết dính đạt giá trị cực đại

c Tiêu chuân quan hệ bậc 2 của ứng suat

Tiêu chuẩn này xác định điểm bắt đầu phá hủy khi quan hệ của 3 thành phần ứngsuất thỏa mãn phương trình dưới đây

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

d Tiêu chuẩn quan hệ bậc 2 của biến dang Tiêu chuẩn nay xác định điểm bat đầu phá hủy khi quan hệ của 3 thành phan biến

dạng thỏa mãn phương trình dưới đây.

2.3 MÔ HÌNH VAT LIEU !'“2.3.1 Mô hình dẻo cổ điển của vật liệu kim loại.Mô hình này dựa trên nguyên lý dẻo cua Mises hoặc Hill thiết lập Vật liệu kim loại cóthé mô hình dẻo đăng hướng hoặc dị huớng theo yêu cầu của người dùng đồng thờithiết lập tiêu chuẩn phá hoại dựa trên ứng suất hoặc bién dạng cực đại Mô hình nàycũng cho phép người dùng sử dụng vận tốc biến dạng cho đến trạng thái phá hủy.2.3.1.1 Mô hình đàn - dẻo đắng hướng

Mô hình này rất phố biến trong khai báo vật liệu có tính déo.Uu điểm của thiết lập môhình này là ma trận được lập 1 cách dễ dàng do đó thời gian thực hiện bài toán phântích là ngắn

Tiêu chuẩn Mises dựa trên giả thiết không có thay đối bién dạng thé tích đàn hỏi, từ đóxem như sự thay đối mô đun biến dạng là không nhiều Khối lượng bién dang được

_3(—2vw)

EBVà G ( mơ đun trượt) = 20+)

VTrong biến dạng đàn hỏi hình học và thành phần độ lệch ứng suất được tính tốn như

de” : tốc độ biến dạng dẻo.

2.3.1.3 Phá hoại ban đầu của kim loại chảy dẻo.a Tiêu chuẩn chảy dẻo do kéo

Mơ hình tiêu chuẩn cho trạng thái chảy dẻo giả thiết biến dạng dẻo tại thời điểm bắt

Giá trị @, gia tăng cùng với sự gia tăng của chuyển vị dẻo Chương trình Abaqus thực

hiện những bước phân tích trong đĩ chênh lệch Aø, được xác định như sau:

HVTH: VÕ TRÍ TỒN

S.-Hình 2.5: Đường cong ứng suất — biến dạng đến phá hoại cua vật liệu kim loại

Trong đó :ø,„¿, cu lần lượt là ứng suất chảy dẻo và biến dạng dẻo tương ứng trước khi

Tiêu chuẩn sự phát triển phá hoại dựa trên chuyển vị thực có thể mô phỏng theo 3

d= d(u") nhu hinh 2.6a.

b Dang pha hoai tuyén tinh

Trong đó a : số lũy thừa.

|||||||

|’cI

=8

U,

Hình 2.6c: Phá hoại theo đường cong lity thừa

2.3.1.5 Xác định tiêu chuẩn phát triển phá hoại dựa trên năng lượng tiêu tán trong giai

đoạn phá hoại.Gia tri năng lượng tiêu tan đặc trưng Gs Khi Gr =0 sự phá hoại tức thời sẽ xảy ra.

2.7, với giá tri phá hoại đặc trưng d.

2.3.2 Mô hình phá hoại dẻo của bê tông

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

Trong chương trình Abaqus cung cấp mô hình vật liệu phá hoại dẻo của bê tông(concrete damaged plasticity) dé mô phỏng vật liệu bê tông cũng như các vật liệu bangiòn khác Mô hình này giả thiết phá hoại của bê tông do 2 nguyên nhân : nứt do kéo

và nén vỡ.

Dưới ứng suất do kéo quan hệ ứng suất — biến dạng là tuyến tính cho tới khi đạt ứng

suât kéo cực hạn o,,

(a)

Hình 2.8: Đường cong ứng suất — biến dạng kéo đơn trụcHình 2.8 thé hiện đường cong ứng suất — biến dạng nén đơn trục Trường hợpphá hoại do nén, thì đường vật liệu được thể hiện bằng một đường thăng từ góc toạ độđến điểm A, sau đó cường độ bị giảm đi do có sự xuất hiện của những vết nứt li ti bêntrong vật liệu Những vết nứt li ti tiếp tục phát triển, đoạn thăng từ B tới C vết nứt li tiphát triển thành những vết nứt lớn Biến dạng phi tuyến chính là biến dạng dẻo, nóicách khác khi dỡ tải biến dạng đàn hỏi (E„) có thể được phục hồi lại từ biến dang tong(biến dạng dẻo + biến dạng đàn hồi, Ep + E¿) Hiện tượng trong vùng AB, vùng BC

tương ứng với ứng xử tăng bên và hóa mêm của khôi răn.

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

ÉP eo osHình 2.9: Đường cong ứng suất — biến dạng nén don trục

2.3.2 Mô hình phá hoại của thép

Hai đặc trưng cơ bản của thép là điểm chảy và mô dun đàn hồi £, Thép thườngthường dùng trong xây dựng có giới hạn dẻo khi kéo và nén xấp xỉ nhau

a Mô hình đàn — dẻo lý tưởng.

⁄# =E.e, Trong đoạn : ¢, <é,,.

f= Sy: Trong đoạn : ¢, >£,

fs

fy |

22

&s

StrainHinh 2.11: M6 hinh ung suất — biến dang vat liệu Bilinear

c Mô hình Tri-linear.

f, =E,6€, Trong đoạn : ¢, <é,,.S=f,- Trong đoạn : ¢,, <é, <é,,.⁄ =f, + Eg AE, — 8) Trong đoạn : €,, >£, >£„.

2.4.2 Mô hình tương tac “embedded elements”

HVTH: VO TRI TOAN

Mô hình này dùng để áp dụng khi 1 hoặc một nhóm phan tử được nhúng vàophần bao quanh (host elements) Áp dụng trong trường hợp khai báo tương tác giữaphân tử cốt thép nhúng trong lớp bê tông Các bậc tự do của mỗi nút phân tử cốt thépphụ thuộc vào bậc tự do của phân tử bao (bê tông).

2.5 PHƯƠNG PHAP PHAN TÍCHTrong Abaqus có rất nhiều phương pháp khác nhau để phân tích một bai toán kết cau

như phương pháp static general, phương pháp explicit dynamic, phương pháp

Riks [16] Mỗi phương pháp được áp dụng trong những mục đích phân tích kết cầukhác nhau như phân tích tĩnh và động kết cấu, phân tích xác định tải trọng cực hạn,biến dạng cực hạn Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, tác giả sử dụngphương pháp Riks với những ưu điểm : áp dụng cho bài toán tải trọng tác dụng lên kếtcầu theo từng bước phân tích, tại mỗi bước tải kết quả đưa ra quan hệ ứng suất chuyển

vị tại điêm cân phân tích từ đó xác định tải trọng cực hạn lên kêt câu.

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

CHƯƠNG3 : PHAN TÍCH ANH HUONG YEU TO LIÊN KET

BE MAT DEN KHA NANG CHIU UON CUA DAM BTCT KHI

GIA CUONG TAM FRP

3.1 GIỚI THIEUDựa vào lý thuyết mô hình trong phần mềm Abaqus, tác giả sẻ tiến hành môphỏng để tính toán khả năng chịu uốn cực hạn của dầm BTCT và dầm BTCT khi đượcgia cường tam FRP với những chiều dài tam FRP khác nhau Cụ thé tác giả sẻ mô

phỏng dựa trên công trình nghiên cứu thực nghiệm của tác gia Yasmeen Taleb Obaidat

I , Trong những nghiên cứu mô phỏng trước đây, các tác giả đã đưa ra mô hình trongđó xem tâm FRP liên kết hoàn hảo với dầm bê tông Các kết quả này không hoàn toànchính xác trong trường hợp liên kết giữa tam FRP va dầm xảy ra phá hoại trước thờiđiểm tam FRP bị kéo đứt Khi ấy tam FRP thực tế đạt ứng suất nhỏ hơn nhiều so vớiứng suất cực hạn Điều này giải thích tại sao trong một số kết quả mô phỏng trước đây,dầm gia cường dat tải trọng cực han lớn hon rất nhiều so với khả năng thực tẾ của nó

Mục đích mô phỏng của tác giả trong chương này nhằm xác định khả năng chịutải cực hạn của dầm bê tông cốt thép chịu uốn Giả thiết đưa ra phá hủy của dầm giacường xảy ra tại thời điểm ứng suất của thép chịu kéo đạt trạng thái chảy dẻo và liênkết giữa tắm FRP và dầm bê tông cốt thép đạt tới trạng thái phá hủy Những kết quảmô phỏng này sẻ được so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó tác giả đưa ra được ảnhhưởng của yếu tô liên kết bề mặt liên quan tới kha năng chịu tải cực hạn của cau kiệnBTCT khi chịu uốn

3.2 PHAN TÍCH THỰC NGHIỆM

3.2.1 Vật Liệu Thí Nghiệma Vật liệu bê tông:

Bêtông sử dụng trong thí nghiệm có cường độ chịu nén tối đa là 30MPa Cườngđộ bêtông được kiểm tra qua nén mẫu thử lăng trụ đường kính 150mm cao 300mm

- Ứng suất nén : / =30MPa

- Ứng suất kéo : f, = 0,334 f = 1,81MPa

HVTH: VO TRI TOAN

- Hệ số nở hông : y =0.2.

Mô hình phá hoại dẻo được áp dụng cho sự làm việc của bê tông, theo mô hình

này bê tông bị phá hủy do vết nứt kéo và nén vỡ.Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đối với thành phần ngắn hạn của tải trọng dọctrục được thể hiện qua biéu đồ :

* Quan hệ giữa ứng suât và biên dạng của thép.

Hình 3.3 : Tam FRP dạng cuộnTam FRP trong thí nghiệm có bề rộng 50mm, bé dày 1,2mm, chiều dài của tâmtùy theo từng thí nghiệm Ứng suất cực hạn của tam là 1300 MPa, môđun dan hồi

165Gpa.

Tam FRP được dán vào dam bang 1 lớp keo epoxy với các thông số sau:

Cường độ chịu | Modun dan Độ dãn dài

—=12¿10o8 100 mr

2012

1960 mm 150 mmHình 3.4: Kích thước và cấu tao dam BTCTx

-+.BThí nghiệm được tiễn hành trên 4 loại dầm cấu tạo khác nhau, trong mỗi loại tácgia dùng 2 mẫu dam, từ đó kết quả sẻ được lay theo giá trị trung bình của 2 mau nay.-Loại 1 (kí hiệu RB:control beam) : dam BTCT ban đầu không gia cường tâm FRP

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

-Loại 2 (kí hiệu RBI): dầm BTCT gia cường tam FRP có kích thước 50 x 1.2 x

1560mm.

P/2 P/ L2

bu 1560 mm |Hình 3.5: Chiéu dai tam FRP của dâm BTCT gia cường (RB1)-Loại 3 (kí hiệu RB2): dầm BTCT gia cường tam FRP có kích thước 50 x 1.2 x

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

3.2.4 Kết Qua Thí Nghiêma Dam BTCT không gia cường tam FRP

Kết quả chuyền vị thu được dưới cấp tải trọng tăng dan đến khi phá hủy biểu diễn

trong hình 3.10.

Tác giả nhận thấy sai lệch của 2 mẫu thí nghiệm là tương đối nhỏ, nên kết quả thu

được có độ tin cậy cao.

Vết nứt đầu tiên xuất hiện trên dầm khi tải trọng đạt 60KN Tải trọng tối đa là120KN, khi ay chiều dài vết nứt không gia tăng nữa nhưng bề rộng tăng liên tục

QUAN HỆ LỰC - CHUYEN VỊ

140120 ————

b Dam BTCT gia cường tam CFRP kích thước 50 x 1.2 x 1560mm (nhóm RB1)Sự phá hủy của dam RBI xảy ra khi tải trọng lên dầm dat Pax = 158 KN So sánhvới kết qua thí nghiệm dầm BTCT thông thường không gia cường (RB), khả năng chịutải của dầm tăng lên 31%.

Sự phá hủy của dầm RB2 xảy ra khi tai trọng lên dầm dat P„z 142 KN So sánhvới kết quả thí nghiệm dầm BTCT thông thường không gia cường (RB), khả năng chịutải của dầm tăng lên 18 %

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

d Dam BTCT gia cường tam FRP kích thước 50 x 1.2 x 520mm (nhóm RB3)Sự phá hủy của dầm RB2 xảy ra khi tải trọng lên dầm đạt Pmax= 128 KN So sánhvới kết qua thí nghiệm dầm BTCT thông thường không gia cường (RB), khả năng chịutải của dầm tăng lên 7 %.

1 2 4 6 8 10 12

Hình 3.14 : Quan hệ tải trọng-chuyển vị của dâm BTCT gia cường FRP (RB3)

e Do thi so sánh ket quả thí nghiệm của các dam

0 2 x 6 § I0 12

Hình 3.15 : Đồ thị so sánh kết quả ứng suất-chuyển vị các nhóm mẫu TN

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN

g Đánh giá sự phá hoại của dam BTCT gia cường tam FRP

trọng cực hạn, liên kết bề mặt của tắm FRP bị phá hoại Cụ thé tam FRP bị bóc tách rakhỏi lớp bê tông dầm dù tam FRP chưa đạt tới trạng thái phá hoại

HVTH: VÕ TRÍ TOÀN