Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt sợ thủy tinh có hàm lượng cốt thấp bằng phương pháp thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN ĐỨC HOÀN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội - 2014 NGUY ỄN ĐỨC HO ÀN * LU ẬN VĂN THẠC SỸ * Ngành : K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG DD& CN * Năm - 201 4 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN ĐỨC HOÀN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Mã số: 60.58.02.08 CB HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HÙNG PHONG Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Đức Hoàn Sinh ngày: 28-09-1988 Nơi sinh: Long Xuyên – Kinh Môn- Hải Dương Nơi công tác: Công ty TNHH tư vấn Đại học Xây Dựng Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài : “Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt sợi thủy tinh có hàm lượng cốt thấp bằng phương pháp thực nghiệm” là luận văn do cá nhân tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tất cả các trích dẫn đã được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Đức Hoàn LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và luận văn thạc sỹ này, tôi đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học xây dựng. Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học xây dựng, Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Hùng Phong cùng Th.s Phan Minh Tuấn đã dành nhiều thời gian và tâm huyết tận tình giúp đỡ tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sỹ này. Tôi xin cám ơn công ty NUCETECH đã cung cấp vật liệu thanh GFRP để tôi hoàn thành luận văn này. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành chương trình cao học và luận văn này. Mặc dù tôi đã luôn cố gắng hoàn thành luận văn này, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè. Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Đức Hoàn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài: 1 2. Mục đích của đề tài: 1 3. Mục tiêu: 1 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1 5. Phương pháp nghiên cứu: 2 6.Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: 2 7. Kết quả đạt được: 2 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT SỢI THỦY TINH 3 1.1 Đặc trưng của vật liệu FRP: 3 1.1.1. Quy trình sản xuất 3 1.1.2. Tính chất vật lý: 5 1.1.3. Tính chất cơ học 6 1.1.4 Ứng xử phụ thuộc thời gian 10 1.1.5 Tác động của nhiệt độ cao và lửa cháy. 10 1.1.6. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng của cốt sợi thủy tinh. 11 1.2 Tình hình phát triển của vật liệu FRP trong lĩnh vực xây dựng 12 1.3 Phạm vi ứng dụng thanh FRP trong lĩnh vực xây dựng ở Việt Nam. 14 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CHỊU UỐN 16 2.1. Các vấn đề chung 16 2.1.1. Các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt thép chịu uốn 16 2.1.2. Các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt sợi thủy tinh 18 2.2 Thiết kế dầm bê tông cốt FRP chịu uốn theo tiêu chuẩn Mỹ ACI-440 18 2.2.1 Các đặc trưng tính toán của vật liệu. 18 2.2.2 Các giả thiết tính toán. 20 2.2.3 Tính toán cấu kiện bê tông cốt FRP chịu uốn theo trạng thái giới hạn 1 20 2.2.4 Tính toán cấu kiện bê tông cốt FRP chịu uốn theo trạng thái giới hạn 2 24 2.3 Thiết kế chịu uốn theo tiêu chuẩn Canada CSA-S806-02: 30 2.3.1 Các giả thiết tính toán: 30 2.3.2 Hệ số giảm cường độ vật liệu: 30 2.3.3 Cách thức phá hủy: 31 2.4 Thiết kế chịu uốn theo tiêu chuẩn Nga. 37 2.4.1 Các giả thiết tính toán: 37 2.4.2 Các đặc trưng vật liệu: 37 2.4.3 Tính toán theo cường độ trên tiết diện thẳng góc: 39 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM LƯỢNG THẤP CHỊU UỐN 41 3.1 Mục tiêu của nghiên cứu 41 3.2 Mẫu thí nghiệm 41 3.3 Chuẩn bị thí nghiệm 43 3.3.1 Cốt GFRP 43 3.3.2 Cốp pha 43 3.3.3 Đổ bê tông và bảo dưỡng 45 3.3.4 Thiết bị đo 45 3.4 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của vật liệu 47 3.4.1 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của bê tông: 47 3.4.3 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của cốt FRP 51 3.5 Tính toán dự đoán khả năng chịu lực của các dầm 52 3.6 Sơ đồ thí nghiệm và bố trí dụng cụ đo 53 3.6.1 Sơ đồ thí nghiệm: 53 3.6.2 Sơ đồ bố trí thiết bị đo: 53 3.6.3 Thiết bị gia tải: 54 3.6.4 Quy trình thí nghiệm 54 3.6 Tính toán xử lý kết quả thí nghiệm 55 3.6.1 Tải trọng phá hoại, cơ chế phá hoại 55 3.6.2 Quan hệ Tải trọng– độ võng (P-δ) 56 3.6.3 Quan hệ Tải trọng– Ứng suất cốt GFRP 58 3.6.3 Quan hệ biến dạng cốt GFRP và biến dạng bê tông vùng nén 60 3.6.4 Sự phát triển vết nứt trên kế cấu thí nghiệm 61 3.6.5 Quan hệ tải trọng- biến dạng bê tông vùng nén. 65 KẾT LUẬN 66 CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN A f : diện tích cốt PCS, mm 2 A f,min : diện tích cốt PCS tối thiểu cần thiết để cấu kiện uốn không bị phá hỏng khi bị nứt, mm 2 A s : diện tích cốt thép chịu kéo, mm 2 a : bề cao của khối ứng suất chữ nhật tương đương, mm b : bề rộng của tiết diện chữ nhật, mm C : khoảng cách bước hay kích thước lớp bảo vệ, mm C E : hệ số giảm do môi trường đối với các loại sợi khác nhau và các điều kiện phơi lộ khác nhau, được cho trong bảng 4.1 c : khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trục trung hòa, mm c b : khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trục trung hòa trong điều kiện suất biến dạng cân bằng, mm d : khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trọng tâm của cốt kéo, mm d b : đường kính của thanh cốt, mm d c : bề dày lớp bêtông bảo vệ đo từ thớ kéo ngoài cùng đến tâm của thanh hay của vùng sợi gần nhất với thớ đó, mm E c : môđun đàn hồi của bêtông, MPa E f : môđun đàn hồi thiết kế hay được bảo đảm của PCS được xác định bằng môđun trung bình của bộ mẫu thử (E f : E f,ave ), .MPa E f,av e : môđun đàn hồi trung bình của PCS, MPa E s : môđun đàn hồi của thép, MPa f c ′ : cường độ nén quy định của bêtông, MPa : căn bậc 2 của cường độ nén quy định của bêtông, MPa f f : ứng suất trong cốt PCS chịu kéo, MPa f fu : cường độ kéo thiết kế của PCS có xét sự giảm do môi trường sử dụng, MPa : cường độ kéo được bảo đảm của thanh PCS, được xác định bằng cường độ kéo trung bình của bộ mẫu thử, trừ đi ba lần độ lệch tiêu chuẩn (f u * : f u,ave − 3σ), MPa f s : ứng suất cho phép trong cốt thép, MPa f u,ave : cường độ kéo trung bình của bộ mẫu thử, MPa f y : ứng suất chảy quy định của cốt thép không ứng lực trước, MPa . h : bề cao toàn thể của cấu kiện uốn, mm I : mômen quán tính, mm 4 I cr : mômen quán tính của tiết diện đã biến đổi do nứt, mm 4 I e : mômen quán tính hữu hiệu, mm 4 I g : mômen quán tính nguyên, mm 4 k : tỉ số của bề cao trục trung hòa so với bề cao của cốt k b : hệ số phụ thuộc độ dính kết : chiều dài vượt nhịp của cấu kiện, m : chiều dài triển khai, mm M a : Mômen lớn nhất trong cấu kiện tại giai đoạn tính toán độ võng, N- mm M cr : mômen gây nứt, N-mm M n : khả năng chịu uốn danh nghĩa, N-mm M u : mômen có nhân hệ số tại tiết diện, N-mm n f : tỉ số giữa môđun đàn hồi của thanh PCS so với môđun đàn hồi của bêtông s : khoảng cách đai hay bước của cốt xoắn liên tục, và khoảng cách thanh PCS dọc, mm V c : cường độ cắt danh nghĩa tạo bởi bêtông, N V n : cường độ cắt danh nghĩa tại tiết diện, N V s : sức chống cắt tạo bởi đai thép, N V u : lực cắt có nhân hệ số tại tiết diện, N w : bề rộng vết nứt lớn nhất, mm α 1 : tỉ số giữa ứng suất trung bình của khối ứng suất chữ nhật tương đương so với f c ’ β : tỉ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo tại biên so với khoảng cách từ trục trung hòa đến tâm của cốt chịu kéo (Mục 5.3.1) β 1 : hệ số lấy bằng 0,85 đối với cường độ bêtông f c ’ tới 28 MPpa. Với cường độ lớn hơn 28 MPa, hệ số này sẽ giảm liên tục với mức 0,05 cho mỗi giá trị 7 MPa vượt quá 28 MPa nhưng không lấy nhỏ hơn 0,65 β d : hệ số giảm dùng tính độ võng ∆ (cp +sh) : độ võng bổ sung do từ biến và co ngót dưới tải trọng dài hạn, mm ε c : suất biến dạng (biến dạng tỉ đối) của bêtông ε cu : suất biến dạng (biến dạng tỉ đối) cực hạn của bêtông ε f : suất biến dạng đứt thiết kế của cốt PCS : suất biến dạng đứt được bảo đảm của cốt PCS, xác định bằng suất biến dạng trung bình lúc phá hủy của bộ các mẫu thử trừ đi 3 lần độ lệch tiêu chuẩn ( ε fu * : ε u,ave − 3σ ), mm ε u,ave : suất biến dạng kéo trung bình lúc phá hủy của bộ các mẫu thử η : tỉ số của khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trọng tâm của cốt kéo (d) so với bề cao toàn thể của cấu kiện uốn (h) ρ b : tỉ số cốt thép tạo nên điều kiện suất biến dạng cân bằng ρ f : tỉ số cốt PCS ρ min : tỉ số cực tiểu đối với cốt thép σ : độ lệch tiêu chuẩn φ : hệ số giảm cường độ DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1:Khối lượng riêng điển hình của thanh FRP Bảng 1.2:Hệ số giãn nở nhiệt điển hình của thanh FRP Bảng 1.3:Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP Bảng 1.4:Giá trị tối thiểu của cường độ chịu kéo được đảm bảo đối với các thanh FRP thủy tinh và cácbon Bảng 1.5:Các ưu điểm và bất lợi của cốt FRP Bảng 2.1:Hệ số giảm do môi trường đối với các loại sợi và điều kiện phơi lộ khác nhau Bảng 2.2:Giá trị điển hình của tỉ số cốt cân bằng đối với tiết diện chữ nhật có f’c=34.5 MPa Bảng 2.3:Giá trị giới hạn bề rộng khe nứt Bảng 2.4:Độ võng cho phép lớn nhất Bảng 2.5:Chiều dày tối thiểu khuyến nghị để thiết kế Bảng 2.6:Hệ số giảm cường độ vật liệu theo TC Canada Bảng 2.7:Giá trị tiêu chuẩn nhỏ nhất về vật liệu FRP theo TC Nga Bảng 2.8:Hệ số điều kiện sử dụng của kết cấu đặt cốt composit (Nga) Bảng 2.9:Hệ số xét đến tác dụng dài hạn của tải trọng Bảng 3.1:Bảng cấp phối vật liệu cho 1m3 bê tông Bảng 3.2:Kết quả thí nghiệm bê tông Bảng 3.3:Kết quả thí nghiệm cốt GFRP Bảng 3.4:Bảng tổng hợp kết quả dự báo khả năng chịu uốn của các dầm Bảng 3.5:Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm dầm Bảng 3.6:Bảng tổng hợp bề rộng vết nứt trong dầm Bảng 3.7:Bảng tổng hợp các chỉ tiêu tại thời điểm dầm đạt trạng thái giới hạn 2 [...]... lực, độ võng, bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt GFRP - So sánh sự làm việc của dầm bê tông cốt GFRP và dầm BTCT 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng của nghiên cứu là dầm bê tông cốt GFRP với hàm lượng cốt thấp (hàm lượng cốt nhỏ hơn hàm lượng cốt cân bằng) và mẫu kéo thanh GFRP đúng tâm Phạm vi nghiên cứu các đặc trưng cơ học, khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP theo trạng thái giới... và rút ra kết luận khi sử dụng bê tông cốt sợi thủy tinh trong thiết kế và xây dựng ở Việt Nam 3 Mục tiêu: - Xác định khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP bằng nghiên cứu thực nghiệm; tìm hiểu quan hệ Tải trọng- Độ võng của dầm bê tông cốt GFRP với hàm lượng cốt thấp - Tìm hiểu các cơ chế phá hoại của dầm bê tông cốt GFRP - Nhận xét sự làm việc, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, độ võng,... hoại dầm bê tông cốt GFRP có hàm lượng cốt thấp 2 5 Phương pháp nghiên cứu: Thí nghiệm trên mẫu thử lăng trụ và mẫu dầm bằng vật liệu bê tông cốt sợi thủy tinh Kết hợp với so sánh công thức tính toán lý thuyết theo nghiên cứu của tiêu chuẩn Hoa kỳ ACI 6.Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Cơ sở khoa học của đề tài là các nghiên cứu rộng rãi về lý thuyết và thực nghiệm trong các tiêu chuẩn của các... liệu không đẳng hướng, không có sự chảy dẻo nên cần có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tính lý thuyết tính toán 2 Mục đích của đề tài: Tìm hiểu những ưu điểm và tính chất cơ bản của cốt sợi thủy tinh và một số hạn chế của nó và khả năng ứng dụng cốt sợi thủy tinh trong kết cấu xây dựng Thông qua nghiên cứu thực nghiệm mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Dựa vào các kết quả thực nghiệm để đánh giá, so sánh... mẫu dầm thí nghiệm bằng bê tông cốt GFRP và bê tông thường, đã đánh giá được những hiệu quả của dầm bê tông cốt GFRP như: tăng khả năng chịu lực tới hạn của dầm Tuy nhiên dầm có bề rộng khe nứt khá lớn, vết nứt xuất hiện và phát triển rất nhanh lên phía trên của dầm Độ cứng của dầm giảm đột ngột khi dầm bị nứt dẫn đến hiện tượng tụt lực khi gia tải Ngoài ra trong quá trình thí nghiệm dầm GFRP có hàm lượng. .. ra, việc dùng bê tông cường độ cao cho phép tận dụng tốt hơn cường độ khá cao của thanh FRP, tăng độ cứng của tiết diện đã nứt Bê tông cường độ cao giòn hơn bê tông thường còn làm giảm biến dạng tổng thể của cấu kiện chịu uốn Trong khuôn khổ luận văn, tác giả thiết kế mẫu thí nghiệm dùng bê tông cường độ cao và chọn trường hợp cốt sợi thủy tinh bị đứt trước 2.2 Thiết kế dầm bê tông cốt FRP chịu uốn. .. II: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CHỊU UỐN 2.1 Các vấn đề chung 2.1.1 Các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt thép chịu uốn Theo dõi sự phát triển của ứng suất và biến dạng trên tiết diện thẳng góc của dầm trong quá trình thí nghiệm, ta thấy có thể chia thành các giai đoạn sau : Giai đoạn I : Khi mômen còn bé (tải trọng nhỏ) có thể xem như vật liệu làm việc đàn hồi, quan hệ ứng... trọng- biến dạng bê tông vùng nén 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài: Sợi thủy tinh là một vật liệu mới có nhiều đặc tính ưu việt như cường độ chịu kéo lớn hơn thép nhiều lần, trọng lượng nhẹ lại không bị gỉ, ăn mòn Việc ứng dụng sợi thủy tinh thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông đã được nhiều nước áp dụng trong đó có Việt Nam Sự làm việc của kết cấu có cốt FRP khác với sự làm việc của cốt thép thông thường... thẳng góc của cấu kiện chịu uốn đặt cốt composit khi tính toán theo cường độ Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm dầm BTCT chịu uốn Hình 3.2: Công tác cốt thép và cốt GFRP Hình 3.3: Cốp pha dầm thí nghiệm Hình 3.4: Cốt GFRP và cốt thép chuẩn bị đổ bê tông Hình 3.5: Dầm được đổ bê tông Hình 3.6: Thiết bị đo chuyển vị Hình 3.7: Strain gauges trong cốt thép và cốt GFRP Hình 3.8: Strain gauges trong bê tông Hình... số; Khả năng chịu uốn danh nghĩa của cấu kiện bê tông cốt FRP được xác định dựa trên sự tương thích biến dạng, cân bằng nội lực và cách phá hủy khống chế b Cách thức phá hủy Khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt FRP phụ thuộc vào cách thức phá hủy là do bê tông bị phá hủy hay cốt FRP bị đứt Cách thức phá hủy có thể được xác định bằng cách so sánh tỉ số cốt cân bằng, tức là tỉ số khi bê tông vỡ và . NGUYỄN ĐỨC HOÀN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN THẠC SỸ . đoan Luận văn thạc sỹ ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài : Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt sợi thủy tinh có hàm lượng cốt thấp bằng phương. NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ