Thiết kế tăng cường cầu BTCT bằng dán FRP

Thiết kế tăng cường uốn cắt kết cấu BTCT hệ thống FRP dán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R -08 TS Tô Giang Lam Bộ môn Sức bền vật liệu - ĐHGTVT Nội dung • Tăng cường chịu uốn • • • • • Giả thiết Mô hình phá hủy Biến dạng giới hạn Thiết kế Giới hạn sử dụng • Tăng cường chịu cắt • Tăng cường khả chịu nén cột • Các vấn đề cần quan tâm khác Chương 10 Tăng cường khả chịu uốn • • • • • • Cho phép tăng khả chịu uốn mặt cắt khoảng 40% Đối với kết cấu tăng khả chịu uốn đến 160% Tăng cường khả chịu mô men âm mô men dương Tăng cường khả chịu uốn cấu kiện BTCT BTCTDUL Cải thiện phân bố vết nứt uốn giảm bề rộng vết nứt Tài liệu chưa hướng dẫn tăng cường khả chịu uốn tải trọng động đất Mục tiêu việc tăng cường để đảm bảo phương trình: (10.1) M  M n u Hiệu ứng việc tăng cường uốn Nhiều FRP Vừa FRP Tải trọng Ít FRP Không tăng cường Độ võng Giả thiết tính toán tăng cường uốn Mục 10.1.1 • Tính toán dựa vào kích thước thực tế cấu kiện đặc trưng vật liệu thực tế • Giả thiết mặt cắt ngang biến dạng phẳng (bao gồm FRP) • Biến dạng nén cực đại cu=0.003 • Bỏ qua khả chịu kéo bê tông • Liên hệ ứng suất – biến dạng FRP tuyến tính vật liệu FRP bị phá hoại • Dính bám tuyệt đối vật liệu FRP bê tông (không trượt phá hoại) • Bỏ qua biến dạng trượt lớp keo dính Lưu ý giả thiết sử dụng ACI 318 Mô hình độ bền giới hạn c c d h s Af  nt f w f  fe  bi fs f fe  E f  fe 1c  1c    M n  As f s  d    Af f fe  h   2     Mục 10.1.1 Mô hình phá hoại Với cấu kiện gia cường cần xem xét dạng phá hủy xẩy sau: Bê tông vùng nén bị vỡ trước cốt thép bị chảy Cốt thép chảy sau bê tông bị vỡ Cốt thép chảy sau FRP bị phá hủy Tách lớp bê tông bảo vệ biến dạng cắt kéo Lớp FRP tăng cường bị trượt không bám dính vào vật liệu cấu kiện tăng cường Phá hủy dạng phá hủy đột ngột thiết kế cần xem xét để tránh xẩy dạng phá hủy Dạng phá hủy mong muốn dạng dạng xem xét chi tiết sau Mô hình phá hoại Tải trọng Bê tông bị vỡ Không tăng cường Thép bắt đầu chảy dẻo Độ võng Khác với BTCT thường, sau cốt thép chảy dẻo, liên hệ ứng suất biến dạng tuyến tính với độ cứng Biến dạng bê tông vùng nén bị vỡ lớn cốt thép biến dạng nhiều kể từ bắt đầu chảy dẻo Mô hình phá hoại Tải trọng FRP bị phá hoại Không tăng cường Thép bắt đầu chảy dẻo Độ võng Sự phá hỏng FRP dạng: ứng suất FRP đạt tới giá trị ứng suất giới hạn lớp FRP bong khỏi bề mặt dán Dạng phá hoại có biến dạng phá hoại lớn cốt thép trải qua giai đoạn chảy dẻo Giới hạn biến dạng FRP Để không xẩy tượng bong lớp FRP vùng mà ứng suất kéo FRP đạt giá trị lớn ACI 440 R2 cung cấp công thức tính giá trị biến dạng mà biến dạng đạt giá trị lớp FRP bắt đầu bị bong khỏi vật liệu BTCT Biến dạng giới hạn phụ thuộc vào cường độ BT độ cứng lớp FRP tăng cường: f c'  fd  0.41  0.9 fu nE f t f Tăng cường chống cắt • Tăng cường chịu uốn • Tăng cường chịu cắt • • • • Cấu hình Mô hình phá hủy Biến dạng cắt có hiệu Thiết kế tăng cường khả chống cắt • Tăng cường khả chịu nén cột • Các vấn đề cần quan tâm khác Tăng cường chống cắt • Tính toán tăng cường chống cắt đơn giản so với tính toán tăng cường chống uốn • Gia cường cắt sử dụng để tăng khả chống cắt dầm, cột, tường cấu kiện khác • Gia cường cắt tăng tính dẻo cấu kiện, tính tăng đạt dạng phá hoại kết cấu chuyển từ phá hoại cắt sang phá hoại uốn Nếu kết cấu bị phá hoại uốn tính dẻo tăng lên • Gia cường chống cắt để thõa mẵn phương trình: Vn  Vu (11  1) Hiệu việc tăng cường cắt Tải trọng Gia cường lớp – dán mặt Gia cường lớp – dán mặt Không gia cường Độ võng Cách dán gia cường cắt Bọc kín (cột) Dán dải vuông góc Bọc chữ U – mặt Dán dải xiên Bọc mặt bên Dán liên tục Dạng phá hủy cắt • Bong FRP khỏi lớp BT: thường xẩy dán mặt dán mặt Biến dạng lớp FRP phá hoại nhỏ, nhiên lớp FRP tăng nhiều khả chịu cắt trước phá hoại • BT bị phá hoại (BT khả chống cắt Vc): thường xẩy mặt cắt bọc kín Do biến dạng giới hạn FRP lớn so với biến dạng BT nên chịu lực biến dạng cắt BT lớn tạo vết nứt lớn dẫn tới BT khả chịu cắt Đây dạng phá hoại đột ngột • FRP bị đứt: xẩy Chỉ xẩy vị trí tập trung ứng suất FRP có mô đun cao biến dạng giới hạn nhỏ Biến dạng có hiệu FRP • Biến dạng có hiệu: biến dạng lớp FRP mặt cắt gia cường phá hoại lực cắt Độ lớn biến dạng có hiệu phụ thuộc dạng phá hoại • Đối với m/c bọc kín, dạng phá hoại BT khả chịu cắt, tượng xẩy biến dạng FRP mức 0.004 • Đối với mặt cắt dán mặt mặt, dạng phá hoại bong lớp FRP Ứng suất FRP xẩy phá hoại bong lớp FRP tính theo tỷ lệ v với ứng suất giới hạn Tỷ lệ hàm cường độ BT cách dán Biến dạng FRP không vượt 75% biến dạng giới hạn Biến dạng có hiệu FRP  fe  0.004  0.75 fu Cho cách dán bọc kín mặt  fe   v  fu  0.004 Cho cách dán mặt mặt  f  k1     27  ' c kk L v  e 11900 fu  d fv  Le   df k2    d fv  Le  df  Cho cách dán mặt Cho cách dán mặt Dựa vào công thức ta thấy biến dạng có hiệu phụ thuộc vào Le- chiều dài dính bám chủ động Chiều dài phụ thuộc vào độ cứng lớp FRP gia cường giới thiệu slide sau Chiều dài dính bám chủ động • Khi chiều dài dính bám đủ lớn, lực kéo gây bong bật FRP khỏi bề mặt BT đạt giá trị định, chiều dài cần thiết để đạt giá trị lực kéo giới hạn gọi chiều dài dính bám chủ động • Chiều dài dính bám chủ động phụ thuộc vào độ cứng lớp FRP Le  23000  nt f Ef  0.58 (11  8) Le Chiều cao dán có hiệu • Từ chiều dài dính bám chủ động, ta tính chiều cao dán có hiệu dán tăng cường khả chịu cắt tương ứng với cách dán khác Dán mặt Dán mặt d fe  d fv  Le d fe  d fv  Le Khả chịu cắt gia cường Khả chịu cắt FRP tính toán tương tự khả chịu cắt cốt thép chịu cắt (cốt đai, cốt xiên) Vf  Afv f fe  sin   cos  d fv sf (11  3) Afv  2nt f w f (11  4) f fe   fe E f (11  5) Ảnh hưởng cách dán tới Vf Biến dạng có hiệu (mm/mm) 0.004 Bọc kín mặt – Phá hoại BT khả chống cắt 0.003 Phá hoại bong FRP 0.002 0.001 70000 210000 140000 ntfEf (N/mm) 280000 Biến dạng có hiệu không phụ thuộc vào độ cứng lớp FRP dán bọc kín mặt Trong trường hợp dán mặt, biến dạng có hiệu giảm dần tăng chiều dày số lớp FRP Khả chịu cắt FRP Vf (N/mm) Ảnh hưởng cách dán tới Vf 1600 1200 800 400 Phá hoại bong FRP 70000 210000 140000 ntfEf (N/mm) 280000 Từ biến dạng có hiệu, tính khả chịu cắt FRP, trường hợp dán kín mặt Vf tỷ lệ với chiều dày lớp FRP Trong trường hợp dán 2-3 mặt, tăng vật liệu dán không làm tăng nhiều Vf Khả chịu cắt m/c gia cường Khả chịu cắt mặt cắt sau gia cường tổng khả chịu cắt BT, cốt thép (cốt đai cốt xiên) vật liệu FRP Vn   Vc  Vs  f V f  (11  2)   0.85  f  0.95 ( ACI  318)  f  0.85 Dán kín mặt Dán mặt Quy định khoảng cách hàm lượng vâtj liệu gia cường ACI 440 2R-08 quy định khoảng cách giải vật liệu tăng cường cắt nhằm đảm bảo vật liệu gia cường vắt qua tất vết nứt xiên xuất Đồng thời giới hạn tổng khả chịu cắt cốt thép FRP quy định phụ thuộc vào khả chịu cắt BT nhằm chống lại khả phá hoại đột ngột BT bị nén s f ,max  w f  Vs  V f  0.66 f c' bd d (11  11) Thank you  [...]... chữ T, BTCT DWL v,v Cũng được tính toán gia cường dựa trên nguyên tắc trên Tăng cường chống cắt • Tăng cường chịu uốn • Tăng cường chịu cắt • • • • Cấu hình Mô hình phá hủy Biến dạng cắt có hiệu Thiết kế tăng cường khả năng chống cắt • Tăng cường khả năng chịu nén của cột • Các vấn đề cần quan tâm khác Tăng cường chống cắt • Tính toán tăng cường chống cắt đơn giản hơn so với tính toán tăng cường chống... tăng cường cắt Tải trọng Gia cường 2 lớp – dán 3 mặt Gia cường 1 lớp – dán 3 mặt Không gia cường Độ võng Cách dán gia cường cắt Bọc kín (cột) Dán dải vuông góc Bọc chữ U – 3 mặt Dán dải xiên Bọc 2 mặt bên Dán liên tục Dạng phá hủy cắt • Bong tấm FRP ra khỏi lớp BT: thường xẩy ra đối với dán 2 mặt và dán 3 mặt Biến dạng trong lớp FRP khi phá hoại còn nhỏ, tuy nhiên lớp FRP tăng nhiều khả năng chịu cắt... chống uốn • Gia cường cắt được sử dụng để tăng khả năng chống cắt của dầm, cột, tường và các cấu kiện khác • Gia cường cắt cũng tăng tính dẻo của cấu kiện, tính tăng này đạt được khi dạng phá hoại kết cấu chuyển từ phá hoại do cắt sang phá hoại do uốn Nếu kết cấu bị phá hoại do uốn thì tính dẻo tăng lên • Gia cường chống cắt để thõa mẵn phương trình: Vn  Vu (11  1) Hiệu quả của việc tăng cường cắt Tải... biến dạng trong FRP ở mức 0.004 • Đối với mặt cắt dán 2 mặt hoặc 3 mặt, dạng phá hoại là do bong lớp FRP Ứng suất trong FRP khi xẩy ra phá hoại bong lớp FRP này được tính theo một tỷ lệ v với ứng suất giới hạn Tỷ lệ này là một hàm của cường độ BT và cách dán Biến dạng trong FRP cũng không được vượt quá 75% biến dạng giới hạn Biến dạng có hiệu của FRP  fe  0.004  0.75 fu Cho cách dán bọc kín 4 mặt... có hiệu, khi tính ra khả năng chịu cắt của FRP, trong trường hợp dán kín 4 mặt thì Vf tỷ lệ với chiều dày lớp FRP Trong trường hợp dán 2-3 mặt, tăng vật liệu dán không làm tăng nhiều Vf Khả năng chịu cắt của m/c được gia cường Khả năng chịu cắt của mặt cắt sau khi được gia cường là tổng khả năng chịu cắt của BT, cốt thép (cốt đai và cốt xiên) và của vật liệu FRP Vn   Vc  Vs  f V f  (11  2)... năng chống cắt 0.003 Phá hoại bong FRP 0.002 0.001 0 70000 210000 140000 ntfEf (N/mm) 280000 Biến dạng có hiệu không phụ thuộc vào độ cứng của lớp FRP khi dán bọc kín 4 mặt Trong trường hợp dán 2 hoặc 3 mặt, biến dạng có hiệu giảm dần khi tăng chiều dày hoặc số lớp FRP Khả năng chịu cắt FRP Vf (N/mm) Ảnh hưởng của cách dán tới Vf 1600 1200 800 400 0 Phá hoại do bong FRP 70000 210000 140000 ntfEf (N/mm)... cân bằng, tính giá trị c’ sai Kiểm tra điều kiện c’- c <  đúng Tính khả năng chịu mô men của mặt cắt Kiểm tra các trạng thái làm việc Biến dạng trong BT do tĩnh tải khi dán kd c  fe  bi b BTCT thường  bi  M ip (h  kd ) I cr Ec BTCT DƯL Lớp FRP được dán vào bề mặt BT đã chịu lực do tĩnh tải, sau khi đã ninh kết và bám dính lớp gia cường không chịu được phần tĩnh tải đã có sẵn Như vậy cần thiết. .. ứng suất cốt thép trong trạng thái cường độ sử dụng Mô men Mu My Ms Không gia cường f s , s  0.8 f y (9  6) Độ cong Đối với m/c được gia cường FRP, cần thiết phải kiểm tra ứng suất trong cốt thép ở trạng thái cường độ sử dụng Theo ACI 440 2R – 08, ứng suất trong cốt thép được giới hạn bằng 80% giới hạn chảy trong trạng thái sử dụng để đảm bảo hệ số an toàn cần thiết Các trường hợp khác Đối với các... kéo gây bong bật tấm FRP khỏi bề mặt BT chỉ đạt một giá trị nhất định, chiều dài cần thiết để đạt được giá trị lực kéo giới hạn này được gọi là chiều dài dính bám chủ động • Chiều dài dính bám chủ động phụ thuộc vào độ cứng của lớp FRP Le  23000  nt f Ef  0.58 (11  8) Le Chiều cao dán có hiệu • Từ chiều dài dính bám chủ động, ta tính được chiều cao dán có hiệu trong dán tăng cường khả năng chịu... hạn của FRP rất lớn so với biến dạng BT nên khi chịu lực biến dạng cắt trong BT rất lớn và tạo ra vết nứt lớn dẫn tới BT mất khả năng chịu cắt Đây là dạng phá hoại đột ngột • FRP bị đứt: hiếm khi xẩy ra Chỉ xẩy ra ở vị trí tập trung ứng suất và FRP có mô đun cao trong khi biến dạng giới hạn nhỏ Biến dạng có hiệu của FRP • Biến dạng có hiệu: là biến dạng trong lớp FRP khi mặt cắt được gia cường phá