Nghiên cứu thiết kế tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm dán Cacbon

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN DẠ THẢO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM DÁN CACBON Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số: 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GVC.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA Phản biện 1: GS TS Phan Quang Minh Phản biện 2: TS Đào Ngọc Thế Lực Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung Tâm Thông Tin – Học Liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung Tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài - Trên đường cơng nghiệp hóa, đại hóa phát triển đất nước, kinh tế nước ta có bước phát triển nhanh năm gần Đi kèm với phát triển kinh tế dân số ngày tăng dẫn đến công trình dân dụng, giao thơng xây dựng nhiều đặc biệt trung tâm thành phố Cho nên việc đầu tư nâng cấp, cải tạo nhằm nâng cao lực hoạt động, kéo dài tuổi thọ cầu, nhà dân dụng có đảm bảo chất lượng sử dụng yêu cầu thẫm mỹ nhiệm vụ cấp bách - Có nhiều nguyên nhân dẫn đến hỏng hóc cơng trình xuống cấp kể sau: Những sai sót giai đoạn thiết kế: - Những lỗi thiết kế bao gồm: · Các quy định tải trọng, dự báo mức tăng trưởng tải trọng chưa xác; · Các quy định vật liệu chưa đồng bộ; · Tiêu chuẩn thiết kế cịn chắp vá khơng thống - Sai sót vẽ thiết kế: Các lỗi vẽ khâu kiểm soát chất lượng Những sai sót giai đoạn thi cơng - Thi công không đạt chất lượng theo thiết kế: · Lớp bêtông bảo vệ không đủ đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn gây tượng rỉ cốt thép; · Độ đầm chặt kém, bêtông bị rỗng nhiều; · Bảo dưỡng khơng qui trình u cầu, làm bêtơng không đủ cường độ theo thiết kế, vết nứt xuất Footer Page of 126 Header Page of 126 - Thiếu việc kiểm soát chất lượng cơng trình; - Cơng tác giám sát cơng trình chưa quan tâm mức Sự cố giai đoạn sử dụng - Các cơng trình thường xun làm việc điều kiện tải công tác quản lý khai thác sử dụng cơng trình cịn nhiều bất cập; - Việc thay đổi cơng sử dụng cơng trình ngun nhân làm cho cơng trình xuống cấp nhanh chóng; - Những yếu tố ảnh hưởng môi trường làm việc cơng trình dẫn đến tượng cơng trình bị ăn mịn gây hư hỏng trước thời hạn thiết kế ban đầu và; - Thiếu việc bảo trì theo quy định đưa cơng trình vào sử dụng Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu cơng trình BTCT ứng dụng thực tế nước ta như: - Phương pháp bao bọc chỗ hư hỏng lớp bêtông BTCT; - Phương pháp dùng thép gia cường (dán thép); - Phương pháp dùng bêtông dự ứng lực căng ngoài; - Phương pháp sử dụng loại vật liệu composite sợi cường độ cao FRP (Fiber-Reinforced Polymer) Những nhược điểm số phương pháp sau: Ø Phương pháp bao bọc bê tông BTCT: - Ván khuôn lắp ghép cồng kềnh; - Thi công phức tạp khó khăn; Footer Page of 126 Header Page of 126 - Phải phá bỏ phần kết cấu cũ; - Liên kết bêtông cũ khó khăn thường khơng đảm bảo dính kết cần thiết; - Sự co ngót khác bêtông cũ lớp bêtông mới; - Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho công trình; - Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện và; - Thay đổi kiến trúc tổng thể kết cấu sau gia cường Ø Phương pháp dán thép: - Lắp đặt thép khó khăn; - Thời gian thi công kéo dài cần nhiều thời gian tốn nhân công; - Bản thép cần phải điều chỉnh chế tạo gia công trước phức tạp; - Khó khăn cẩu lắp, thi cơng khu vực chật hẹp; - Khoan bắt bulông vào bêtông phát sinh cố làm giảm tiết diện chịu lực kết cấu; - Công việc hàn thép xảy hiểm họa cháy, nổ và; - Khó khăn việc quản lý chất lượng Ø Phương pháp dự ứng lực căng - Lắp ghép cồng kềnh; - Tốn nhiều thời gian thi công, lắp đặt căng kéo; - Phải thi công gia cố thêm ụ neo ụ chuyển hướng; - Yêu cầu vật liệu dầm phải có cường độ cao đắt tiền phát huy hiệu cáp DƯL; - Hiệu giải pháp tăng cường DƯL phụ thuộc vào việc kiểm soát mát DƯL, cơng việc địi hỏi nhân cơng thực phải có trình độ cao; Footer Page of 126 Header Page of 126 - Khó khăn biện pháp bảo vệ cốt thép căng chịu ảnh hưởng tác động môi trường và; - Ảnh hưởng đến thơng thuyền cơng trình giao thơng có u cầu thơng thuyền Xuất phát từ thực tế đó, đề tài Nghiên cứu thiết kế tăng cường khả chịu lực kết cấu bê tông cốt thép dán cacbon nghiên cứu ưu điểm công nghệ dán chất dẻo sợi carbon, nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ Trong lĩnh vực sửa chữa, cải tạo nâng cấp cơng trình xây dựng dân dụng, giao thông thủy lợi Mục tiêu nghiên cứu luận văn - Nghiên cứu trình xuống cấp, hư hỏng kết cấu BTCT - Nghiên cứu đặc trưng học vật liệu FRP - Tổng hợp sở lý thuyết, kết nghiên cứu thực nghiệm sử dụng công nghệ dán chất dẻo sợi carbon tác giả giới Thiết lập sơ đồ khối từ công thức ACI, tính tốn hiệu dầm BTCT tăng cường sợi FRP cho dầm, cột cụ thể; - Đánh giá công nghệ dán chất dẻo sợi carbon sửa chữa tăng cường kết cấu BTCT khả áp dụng công nghệ nước ta Phạm vi nghiên cứu - Các sở lý thuyết, mơ hình tính tốn lý thuyết tăng cường cho kết cấu BTCT công nghệ dán chất dẻo sợi carbon; - Nghiên cứu sử dụng công nghệ dán chất dẻo sợi cacbon để tăng cường khả chịu lực cho kết cấu BTCT Footer Page of 126 Header Page of 126 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính tốn dựa mơ hình lý thuyết; - Thu thập số liệu thực tế, tổng hợp, thống kê phân tích số liệu; - Tính tốn hiệu tăng cường thơng qua lý thuyết tính tốn kết cấu Cấu trúc luận văn Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát chung BTCT trình khai thác sử dụng số biện pháp sửa chữa, cải tạo gia cường cấu kiện bị hư hỏng, xuống cấp để khôi phục lại khả làm việc cơng trình Chương 1: Tổng quan BTCT, phương pháp gia cường kết cấu BTCT Chương 2: Sơ lược vật liệu FRP, lịch sử phát triển, đặc trưng học vật liệu FRP, giới thiệu ứng dụng vật liệu FRP sửa chữa tăng cường kết cấu BTCT, công nghệ thi công dán FRP Chương 3: Cơ sở lý thuyết, tính tốn tăng cường kết cấu bêtơng cốt thép dán carbon CFRP Cuối kết luận kiến nghị đề tài Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG TỔNG QUAN BÊTÔNG CỐT THÉP VÀ GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP 1.1 BÊTƠNG 1.1.1 Vật liệu cấu thành bêtơng 1.1.2.Tính chất bêtơng 1.2 Q TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT: 1.2.2 Ăn mòn sun phát 1.2.3 Phản ứng kiềm-silica 1.2.4 Các dạng phá hoại khác 1.3 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT 1.3.1 Bêtông bị rỗ 1.3.2 Bêtông bị rỗng 1.3.3 Bêtông bị nứt nẻ a Vết nứt co ngót b Vết nứt nghiêng c Vết nứt dọc d Vết nứt ngang mặt cầu e Vết nứt ngang bầu vùng chịu kéo chứa cốt thép dự ứng lực f Vết nứt dọc bầu dầm chứa cốt thép dự ứng lực g Vết nứt ngang đoạn đầu dầm h Vết nứt bên thớt gối 1.3.4 Bêtông bị vỡ lở 1.3.5 Bêtông khô Footer Page of 126 Header Page of 126 1.3.6 Suy thối bêtơng 1.3.7 Sự làm việc mỏi BTCT thường 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT 1.4.1 Gia cường kết cấu cách tăng tiết diện 1.4.2 Gia cường cột thép hình 1.4.3 Gia cường dầm gối tựa cứng 1.4.4 Gia cường dầm căng ứng suất trước 1.4.5 Gia cường kết cấu BTCT theo công nghệ dán thép 1.5 GIA CƯỜNG KẾT CẤU BẰNG TẤM DÁN FRP 1.5.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM DÁN FRP 1.5.2 Các phương pháp thi công sửa chữa, gia cố kết cấu FRP v Thi công dán FRP theo kiểu ướt (wet lay-up) v Thi công dán FRP theo kiểu ướt (wet lay-up) 1.6 ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU Trong phương pháp gia cường kết cấu phương pháp gia cường kết cấu bê tông dán FRP hạn chế mặt giá thành, sửa chữa gia cố cơng trình cách sử dụng vật liệu FRP có nhiều ưu điểm thi cơng đơn giản, nhanh chóng, khơng cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo ngun hình dạng kết cấu cũ, cơng trình sau gia cố có tính thẩm mỹ cao, đặc biệt với cơng trình địi hỏi khả chống thấm ăn mòn Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương nghiên cứu cấu trúc vật liệu bê tơng, q trình xuống cấp bê tơng, phương pháp đánh giá kiểm định chất lượng bê tơng , nêu ngun nhân gây hư hỏng kết cấu bê tông, đề xuất các phương pháp gia cường kết cấu bê tơng đề cập đến gia cường kết cấu bê tông dán FRP Trong chương nghiên cứu nhiều trình hình thành phát triển, đặc trưng học vật liệu FRP Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 10 - Thích hợp hóa học nhiệt với cốt sợi; 2.2.2 Các đặc trưng học vật liệu FRP Vật liệu FRP có cường độ độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố sợi đặc trưng học chất dẻo Đặc trưng học FRP phụ thuộc vào yếu tố đây: · Đặc trưng học sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh); · Đặc trưng học chất (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester); · Tỷ lệ sợi chất cấu trúc FRP và; · Hướng phân bố sợi chất 2.3 CÔNG NGHỆ DÁN TẤM DẺO SỢI FRP Bước 1: Công tác chuẩn bị bề mặt Bước 2: Quét keo lên bề mặt kết cấu Bước 3: Tẩm keo lên sợi Bước 4: Dán sợi lên kết cấu Bước 5: Hoàn thiện bề mặt 2.4 THIẾT BỊ THI CƠNG 2.4.1 Thiết bị doa mài bo trịn góc cạnh bêtơng 2.4.2 Thiết bị sửa, đục bỏ cắt bề mặt bêtông chất lượng, sứt vỡ 2.4.3 Thiết bị bơm keo Epoxy chám vá vết nứt (áp lực tối thiểu bar) 2.4.4 Thiết bị làm bề mặt thủy lực 2.4.5 Thiết bị thổi bụi khô cầm tay 2.4.6 Thiết bị tẩm keo dán sợi 2.4.7 Bảo hộ lao động Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 11 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương nghiên cứu cấu trúc đặc trưng học loại vật liệu FRP; so sánh đặc trưng học loại sợi FRP; giới thiệu công nghệ dán máy thi công dán tâm sợi FRP Vật liệu FRP có nhiều ứng dụng sửa chữa tăng cường kết cấu.Qua nghiên cứu đặc trưng học vật liệu FRP công nghệ thi cơng dán sợi FRP, nhận thấy có: + Chủng loại đa dạng; + Trọng lượng nhẹ; + Cường độ chịu kéo cao nhiều lần so với thép +Thi công đơn giản thời gian thi cơng ngắn Trong đó, đặc biệt vật liệu CFRP vượt trội GFRP AFRP hầu hết tiêu, ngoại trừ giá thành vật liệu Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu CFRP vào ngành xây dựng điều kiện cụ thể nước ta việc cần thiết Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN VÀ CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG 3.1 GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết Triantafillou, T Plevris, N (1991) 3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm Meier et al 3.2 TÍNH TỐN SỨC KHÁNG UỐN VÀ SỨC KHÁNG CẮT CỦA KẾT CẤU DẦM BTCT 3.2.1 Mơ hình tính tốn sức kháng uốn kết cấu tăng cường FRP 3.2.2 Mơ hình tính tốn sức kháng cắt kết cấu tăng cường FR 3.3 TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM BTCT BẰNG TẤM SỢI FRP 3.3.1 Một số hình thức phá hoại uốn dầm BTCT tăng cường sợi FRP 3.3.2 Hệ số sức kháng 3.3.3 Khối ứng suất chữ nhật tương đương 3.3.4 Dầm BTCT thường có tiết diện chữ nhật có cốt thép chịu kéo 3.3.5 Dầm BTCT thường có tiết diện chữ T 3.3.6 Dầm BTCT DƯL tiết diện chữ T 3.4 TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG CẮT CHO DẦM BTCT 3.4.1 Tính tốn tăng cường sức kháng cắt 3.4.2 Kiểm tra khoảng cách dải FRP, giới hạn lực cắt tăng cường 3.4.3 Sơ đồ khối tính tốn lực cắt tăng cường 3.4.4 Neo sợi FRP mơ hình tăng cường sức kháng cắt Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 3.5 KIỂM TRA ỨNG SUẤT THEO TẢI TRỌNG KHAI THÁC 3.5.1 Dầm bêtông cốt thép thường 3.5.2 Dầm bêtông cốt thép dự ứng lực 3.6 CÁC VÍ DỤ TÍNH TỐN SỨC KHÁNG UỐN VÀ KHÁNG CẮT CỦA KẾT CẤU BTCT v Thiết kế tăng cường sức kháng uốn cho dầm BTCT dán carbon: Bảng 3.3 Số liệu ban đầu kết tính tăng cường sức kháng uốn cho dầm chữ T BTCT thường dán carbon: Số liệu ban đầu kết tính tốn Đơn vị Dầm T Kích thước hình học mặt cắt Chiều cao dầm Chiều dày cánh Chiều rộng cánh Chiều dày sườn dầm mm mm mm mm 1000 200 2000 200 Kg/m3 N/mm2 2500 40 0,003 N/mm2 N/mm2 400 200000 0,002 12f25 Đặc trưng vật liệu 2.1 Bê tông Tỷ trọng bê tông Cường độ chịu nén bê tông Biến dạng cực hạn bê tông 2.2 Cốt thép Giới hạn chảy cốt thép Mô đun đàn hồi cốt thép Biến dạng chảy cốt thép Số cốt thép dọc 2.3 Tấm sợi cacbon Biến dạng cực hạn sợi FRP Footer Page 15 of 126 0,017 Header Page 16 of 126 14 Số liệu ban đầu kết tính tốn Chiều rộng tăng cường FRP Chiều dày FRP Mô đun đàn hồi FRP Hệ số sức kháng FRP Số lớp Đơn vị mm mm N/mm2 Dầm T 200 1,2 165000 0,85 Kết tính tốn - Trục trung hịa qua cánh (Tính theo tiết diện chữ nhật) c< hf kN.m kN.m % Bê tông vỡ 1847 3987,8 115,9% N/mm2 229,23 N/mm2 251,11 Mô hình phá hoại dầm Mơ men kháng uốn trước tăng cường Mô men kháng uốn sau tăng cường Hiệu tăng cường Kiểm tra tải trọng khai thác Kiểm tra ứng suất cốt thép fs,s