Độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGÔ THANH THỦY ĐỘ TIN CẬY CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON (CFRP) CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CẦU HẦM Mà SỐ: 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGÔ THANH THỦY ĐỘ TIN CẬY CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON (CFRP) CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CẦU HẦM Mà SỐ: 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS-TS. TRẦN ĐỨC NHIỆM 2. PGS-TS. NGUYỄN NGỌC LONG HÀ NỘI - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Ngô Thanh Thủy ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận án Tiến sĩ Kỹ thuật “Độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP)”; Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Công Trình - Bộ môn Cầu hầm - Trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Phòng Thí Nghiệm Kết cấu công trình- Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, toàn thể quý thầy cô và các cán bộ quản lý đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này; Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Đức Nhiệm, PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài, hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn. Hà Nội, ngày 14 tháng 03 năm 2015 Tác giả Ngô Thanh Thủy iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục hình ảnh vi Danh mục bảng biểu ix Các chữ viết tắt xi Các ký hiệu xiii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CÓ SỬ DỤNG FRP 5 1.1. Sơ lược lịch sử ứng dụng FRP trong sửa chữa tăng cường kết cấu 5 1.2. Các đặc tính cơ bản của FRP 8 1.2.1. Các tính chất vật lý của vật liệu polymer cốt sợi FRP 8 1.2.2. Cường độ chịu kéo 9 1.2.3.Các tính chất dài hạn 9 1.2.4. Độ bền 10 1.3. Các ứng dụng của FRP 10 1.3.1. FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu 10 1.3.2. FRP làm cốt cho bê tông 12 1.3.3. FRP làm kết cấu chịu lực chính 14 1.4. Các Hướng dẫn hiện hành cho thiết kế kết cấu có sử dụng FRP 15 1.4.1. Các hướng dẫn thiết kế mặt cắt BTCT tăng cường bằng tấm sợi FRP 16 1.5. Độ tin cậy của kết cấu công trình 19 1.5.1. Khái niệm độ tin cậy 1.5.2. Cơ sở đánh giá độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi carbon 20 1.5.3. Chỉ số độ tin cậy 24 1.5.4. Phương pháp phân tích đặc trưng thống kê 28 1.6. Phân tích, đánh giá một số công trình nghiên cứu liên quan 31 1.8. Mục tiêu của đề tài 38 1.9. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 39 iv Kết luận chương 1 43 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY઺CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG CFRP TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH SỨC KHÁNG THEO ACI 440.2R-08 41 2.1.Các tính chất thống kê của đặc trưng hình học và vật liệu 41 2.2. Miền nghiên cứu của sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP 44 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP 44 2.4. Mô hình tải trọng 47 2.5. Phân tích chỉ số độ tin cậy 48 2.5.1. Xây dựng hàm trạng thái 48 2.5.2. Xây dựng chương trình phân tích chỉ số độ tin cậy βcủa dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP 49 2.5.3. Kết quả phân tích và nhận xét 59 2.6. Kết quả chương 2 78 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM BTCT CHỊU UỐN ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON 80 3.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 80 3.2. Địa điểm thực nghiệm 80 3.3. Các thí nghiệm vật liệu 81 3.3.1. Thí nghiệm Bê tông 81 3.3.2. Thí nghiệm cốt thép 84 3.3.2. Thí nghiệm kéo tấm FRP 85 3.4. Các đặc trưng hình học của mẫu dầm thí nghiệm 86 3.5. Tiến hành thí nghiệm 88 3.5.1. Chuẩn bị bề mặt bê tông và tấm CFRP 88 3.5.2. Dán tấm CFRP 88 3.5.3. Bố trí thiết bị đo đạc 89 3.5.4. Quy trình thí nghiệm 89 3.5.5. Kết quả thí nghiệm 90 v 3.6. Nhận xét về kết quả nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT tăng cường bằng tấm sợi carbon 100 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM CẦU TRẦN HƯNG ĐẠO CHỊU UỐN ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON 102 4.1. Mục tiêu của thực nghiệm cầu Trần Hưng Đạo 102 4.2. Địa điểm thực nghiệm 102 4.3. Hiện trạng công trình trước sửa chữa nâng cấp 103 4.4. Sửa chữa nâng cấp 104 4.5. Kiểm định sau khi sửa chữa nâng cấp 104 4.6. Xác định các thông số tính toán mặt cắt giữa nhịp 105 4.6.1. Kích thước hình học của mặt cắt 105 4.6.2. FRP 110 4.6.3. Vật liệu bê tông 111 4.6.4. Vật liệu thép 113 4.6.5. Hoạt tải 114 4.6.6. Tĩnh tải 116 4.7. Tính toán và phân tích độ tin cậy chịu uốn cho mặt cắt giữa nhịp 116 4.8. Kết luận về nghiên cứu ứng dụng đối với cầu Trần Hưng Đạo 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1. Đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của các loại FRP 9 Hình 1-2. Đường cong tuổi thọ mỏi của các loại FRP với các loại sợi khác nhau 10 Hình 1-3. FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu 11 Hình 1-4. FRP làm cốt cho bê tông 12 Hình 1-5. FRP dạng thanh hoặc bó dự ứng lực 13 Hình 1-6. FRP dạng ván khuôn giữ lại trong kết cấu 13 Hình 1-7. FRP làm kết cấu chịu lực chính 14 Hình 1-8. Kiểu phá hoại theo ACI 440.2R-08 19 Hình 1-9. Biểu đồ các hàm phân phối xác suất của sức kháng R, hiệu ứng tải S và lượng dự trữ an toàn G 24 Hình 2-1.Sơ đồ khối chương trình 51 Hình 2-2. Khối CI 52 Hình 2-3. Khối CIIa 53 Hình 2-4. Khối CIIb 54 Hình 2-5. Khối CIII 55 Hình 2-6. Khối CIV 56 Hình 2-7. Giao diện Nhập các số liệu thông số bê tông 57 Hình 2-8. Giao diện Nhập các số liệu thông số FRP 57 Hình 2-9. Giao diện Nhập các số liệu thông số thép 58 Hình 2-10. Giao diện Nhập các số liệu đặc trưng hình học 58 Hình 2-11. Giao diện Nhập các số liệu tải trọng 59 Hình 2-12. Giao diện Tính toán chỉ số độ tin cậy β 59 Hình 2-13. Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β 61 Hình 2-14. Các trường hợp ứng suất sử dụng trong cốt thép không đạt yêu cầu 61 Hình 2-15. Phân bố xác suất dạng đồ thị và dạng cột của mặt cắt 6 62 Hình 2-16. Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β 0 . 64 Hình 2-17. Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρ s /ρ bl và M L /M D 65 Hình 2-18. Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρ s / ρ bl và M L /M D 67 Hình 2-19. Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρ s / ρ bl và MPH 70 vii Hình 2-20. Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρ s / ρ bl và MPH 67 Hình 2-21. So sánh β với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến M L /M D 68 Hình 2-22. Sự khác biệt ∆β với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến M L /M D 69 Hình 2-23. Sự khác biệt ∆ĐTC với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến M L /M D 69 Hình 2-24. Sự khác biệt ∆βψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến M L /M D và ρ s /ρ bl 70 Hình 2-25. Xác suất xuất hiện giá trị β > 3.5 với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 70 Hình 2-26. Khác biệt xác suất xuất hiện giá trị β>3.5 với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 71 Hình 2-27. So sánh β với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến MPH 72 Hình 2-28. So sánh β trung bình vớiψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến MPH 72 Hình 2-29. So sánh β với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến hàm lượng FRP 73 Hình 2-30. So sánh β trung bình vớiψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến hàm lượng FRP 73 Hình 2-31. So sánh %TC với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến hàm lượng FRP (MC 1-8) 75 Hình 2-32. So sánh %TC với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến hàm lượng FRP (MC 9-16) 76 Hình 2-33. Sự khác biệt %TC với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến hàm lượng FRP 76 Hình 2-34. Sự khác biệt %TC đơn vị với ψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến hàm lượng FRP(ρ f ) (MC 1-8) 77 Hình 2-35. Sự khác biệt %TC đơn vị vớiψ f = 0.85 và ψ f = 0.90 với biến hàm lượng FRP(MC 9-16) 77 Hình 3-1. Cấu tạo dầm 87 Hình 3-2a. Chuẩn bị bề mặt bê tông và tấm CFRP 88 Hình 3-2b. Dán tấm FRP ở đáy dầm 89 Hình 3-3. Thí nghiệm dầm RC21 90 Hình 3-4. Thí nghiệm dầm S21-1 91 Hình 3-5. Thí nghiệm dầm S21-2 92 Hình 3-6. Thí nghiệm dầm S21-3 94 Hình 3-7. Thí nghiệm dầm RC25 94 Hình 3-8. Thí nghiệm dầm S25-1 95 Hình 3-9. Thí nghiệm dầm S25-2 96 viii Hình 3-10. Thí nghiệm dầm S25-3 97 Hình 3-11: Quan hệ lực - độ võng của các dầm thí nghiệm 97 Hình 3-12. Quan hệ lực (P)- biến dạng tấm CFRP (ε f ) và biến dạng bê tông (ε c ) của nhóm 1. 98 Hình 3-13. Quan hệ lực (P)- biến dạng tấm CFRP (ε f ) và biến dạng bê tông (ε c ) của nhóm 2. 99 Hình 4-1. Mặt cắt ngang cầu Trần Hưng Đạo. 103 Hình 4-2. Mặt cắt ngang dầm chủ cầu Trần Hưng Đạo. 106 Hình 4-3. Dạng phân bố của bề rộng B2+2a của 11 mặt cắt dầm 107 Hình 4-4. Dạng phân bố của chiều cao H2 của 11 mặt cắt dầm 107 Hình 4-5. Dạng phân bố của cường độ chịu kéo FRP 111 Hình 4-6. Dạng phân bố của biến dạng tương đối cực hạn FRP 111 Hình 4-7. Dạng phân bố của cường độ chịu nén bê tông mẫu khoan. 112 Hình 4-8. Dạng phân bố của cường độ chảy của cốt thép D25 chịu kéo 114 Hình 4-9. Chỉ số độ tin cậy cho cầu Trần Hưng Đạo 117 Hình 4-10. Độ tăng chỉ số độ tin cậy sau sửa chữa tăng cường 117 [...]... tài: ‘ Độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP) ’ Mục tiêu của nghiên cứu: • Nghiên cứu các ảnh hưởng của vật liệu, cấu tạo, và mô hình phân tích sức kháng uốn theo ACI440.2R-08 đến Độ tin cậy của mặt cắt dầm BTCT thường chịu uốn được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngoài • Phân tích và đề xuất hệ số chiết giảm khả năng chịu lực của vật... thống kê của các biến ngẫu nhiên bao gồm kích thước hình học mặt cắt, cường độ bê tông, cường độ cốt thép chịu kéo, và ảnh hưởng của mô hình phân tích đến sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm CFRP theo ACI 440.2R- 08 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: • Về lý thuyết: - Xây dựng phương pháp luận tính toán độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng dán tấm polymer. .. có sử dụng FRP • Chương 2: Phân tích chỉ số độ tin cậy, β, của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP trên cơ sở mô hình sức kháng theo ACI 440.2R-08 • Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT chịu uốn được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon • Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm dầm cầu Trần Hưng Đạo chịu uốn được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon Kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết... Hoa Kỳ) BTCT Bê tông cốt thép RC Bê tông cốt thép thường PSC Bê tông cốt thép dự ứng lực DUL Dự ứng lực FRP Fiber Reinforced Polymer- vật liệu polymer cốt sợi AFRP Aramit Fiber Reinforced Polymer -tấm polymer cốt sợi a-ra-mit CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer -tấm polymer cốt sợi carbon GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer -tấm polymer cốt sợi thủy tinh ĐKTC Điều kiện tăng cường MPH Kiểu (Mode) phá hoại... dạng tấm sợi và dạng thanh chữ nhật hoặc tròn (NSM) 11 FRP có thể sử dụng sửa chữa – tăng cường kết cấu cầu và nhà cửa chịu tải trọng tĩnh và tải trọng động: dầm, sàn bê tông chịu uốn; dầm bê tông chịu cắt và nâng cao khả năng chịu lực và độ dẻo dai của cột bê tông (Hình 1-3) a) b) c) d) e) g) Hình 1-3 FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu a) Lắp đặt tấm cứng FRP tăng cường chịu uốn cho dầm b) Lắp đặt tấm. .. lực của vật liệu CFRP và phạm vi ứng dụng giải pháp tăng cường chịu uốn dầm BTCT thường bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngoài Phương pháp nghiên cứu: • Phương pháp lý thuyết: ứng dụng lý thuyết độ tin cậy với mô hình phân tích và phân bố hợp lý của các biến ngẫu nhiên để xác định chỉ số độ tin cậy của mặt cắt dầm BTCT chịu uốn được tăng cường bằng tấm CFRP • Phương pháp thực nghiệm: tiến hành các... cường chịu uốn cho dầm b) Lắp đặt tấm sợi FRP tăng cường chịu uốn cho dầm c) Lắp đặt tấm sợi FRP tăng cường chịu cắt cho dầm d) Lắp đặt thanh FRP chữ nhật hoặc tròn (NSM) tăng cường chịu uốn 12 cho sàn e) Lắp đặt tấm sợi FRP cho cột mặt cắt tròn g) Lắp đặt FRP dạng tấm mỏng có khả năng uốn cong cho cột mặt cắt tròn 1.3.2 FRP làm cốt cho bê tông [57] FRP làm cốt cho bê tông có ba dạng chính là: thanh hoặc... Kiểu 3: Cốt thép chảy kéo theo bê tông bị nén vỡ Kiểu 4: Bong bê tông ở vị trí cuối tấm Kiểu 5: Bong tróc tấm FRP khỏi bề mặt bê tông FIB Bulletin No 14 [68] theo hai trạng thái: Liên hợp hoàn toàn và Liên hợp không hoàn toàn Mặt cắt chịu uốn có 7 kiểu phá hoại: Bê tông bị nén vỡ trước khi cốt thép bị kéo chảy Cốt thép chảy kéo theo tấm FRP bị đứt Cốt thép chảy kéo theo bê tông bị nén vỡ Bong tấm FRP... nghiên cứu trên thế giới đã đề cập đến thiết kế trên cơ sở độ tin cậy ở những góc độ khác nhau Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa đề cập đầy đủ đến vấn đề đánh giá độ tin cậy chịu uốn của mặt cắt dầm BTCT tăng cường bằng tấm sợi carbon dán ngoài Như vậy việc nghiên cứu ứng dụng tấm sợi carbon trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy là vấn đề thời sự hiện nay được các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam quan tâm... các kết quả đánh giá tính hợp lý của các giá trị và phân bố các biến ngẫu nhiên đã sử dụng và mô hình phân tích sức kháng uốn theo ACI440.2R-08 3 Đối tượng nghiên cứu: Dầm BTCT thường được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon dán ngoài Phạm vi nghiên cứu : • Tính toán và phân tích chỉ số độ tin cậy β của các mặt cắt chữ nhật dầm BTCT thường được tăng cường bằng tấm CFRP • Tiến hành các thực nghiệm