Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tải trọng lên kết cấu bê tông được tăng cường bằng vật liệu tổng hợp composite theo phương pháp dán trên bề mặt ngoài

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KS TRẦN VĂN THUYẾT NGHIÊN CƢ́U SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI TRỌNG LÊN KẾT CẤU BÊ TÔNG ĐƢỢC TĂNG CƢỜNG BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP COMPOSITE THEO PHƢƠNG PHÁP DÁN TRÊN BỀ MẶT NGOÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG - 2015 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM - - KS TRẦN VĂN THUYẾT NGHIÊN CƢ́U SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI TRỌNG LÊN KẾT CẤU BÊ TÔNG ĐƢỢC TĂNG CƢỜNG BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP COMPOSITE THEO PHƢƠNG PHÁP DÁN TRÊN BỀ MẶT NGOÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY; MÃ SỐ:60580202 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phan Anh HẢI PHÒNG - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn TS Nguyễn Phan Anh Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn có sở khoa học rõ nguồn gốc TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Văn Thuyết i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực luận văn, nỗ lực thân, xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc tới: Ban Giám hiệu, Khoa công trình, Viện đào tạo sau đại học thầy cô giáo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam giảng dạy nhiệt tình, tạo điều kiện để hoàn thành chương trình đào tạo, nâng cao kiến thức kiến thức chuyên ngành hoàn thành luận văn TS Nguyễn Phan Anh tận tình hướng dẫn để luận văn hoàn thành theo yêu cầu đề tài Các đồng nghiệp, bạn bè người thân gia đình giúp đỡ động viên suốt thời gian học tập làm luận văn TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Văn Thuyết ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng v Danh mục hình vẽ vi Mở đầu Chƣơng Tổng quan biện pháp tăng cƣờng khả chịu lực kết cấu bê tông vật liệu tổng hợp composite (FRP) 1.1 Khái niệm vật liệu tổng hợp composites (FRP) 1.2 Các phương pháp điển hình ứng dụng vật liệu FRP 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Tăng cường kết cấu phương pháp dán bề mặt vật liệu FRP … 11 1.2.3 Biện pháp liên kết gần bề mặt (NSM) FRP 17 Chƣơng Những mô hình phá hủy nghiên cứu sở lý thuyết tính toán…21 2.1 Những mô hình phá hủy kết cấu bê tông tăng cường FRP dán bề mặt 21 2.1.1.Mô hình phá hoại lực uốn căt 21 2.1.2 Mô hình phá hoại kết cấu bê tông gần với mặt liên kết 22 2.1.3 Mô hình phá hoại mặt dính bám 22 2.1.4 Mô hình phá hủy liên kết xuất vết nứt dầm 22 2.1.5 Mô hình phá hoại giàn FRP dán 23 2.1.6 Mô hình phá hoại kết hợp 24 2.1.7 Mô hình phá hoại tác động 24 2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán 24 2.2.1 Giới thiệu chung 25 2.2.2 Phân tích toán học 25 Chƣơng Tính toán kết cấu bê tông đƣợc tăng cƣờng phƣơng pháp dán FRP dƣới tác dụng tải trọng 39 3.1 Đề xuất ví dụ tính toán 39 3.1.1 Tính toán theo lý thuyết 39 iii 3.1.2 Tính toán theo phần mềm ABAQUS/CAE 40 3.2 Kết tính toán 47 3.2.1 Ứng suất toàn liên kết 47 3.2.2 Ứng suất phần kết cấu bê tông 48 3.2.3 Xác định nội lực lớp keo kết dính epoxy 51 3.2.4 Tấm dán tăng cường CFRP 54 3.3 Kết luận chung………………… 57 Kết luận kiến nghị 58 Tài liệu tham khảo 60 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Một số đặc trưng lý điển hỉnh sợi thủy tinh 1.2 Một số đặc trưng lý điển hình sợi aramid 1.3 Một số đặc trưng lý điển hình sợi aramid 3.1 Số liệu tính toán 41 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang 1.1 Cấu tạo FRP 1.2 Tỉ lệ thành phần FRP 1.3 Cường độ chịu kéo FRP 1.4 Tăng cường kết cấu đáy dầm sàn dán thép (sử dụng đồng thời keo dán bu lông) Theillout, Pháp năm 1990 1.5 Vết gỉ thép dán tăng cường mặt bên dầm cầu đáy mặt cầu Bà Rèn 1.6 Vết gỉ thép dán phía đầu dầm Chiêm Hóa, Quảng Bình 1.7 Hiện trạng thép dán gia cường đáy kết cấu nhịp cầu Đức Phổ, Quảng Ngãi 10 1.8 Thử tải chất lượng cầu sau dán thép 11 1.9 Trình tự thi công theo phương pháp dán ướt 13 1.10 Công tác chuẩn bị bề mặt bê tông cho phương pháp thi công dán ướt 14 1.11 Dán FRP 15 1.12 Dùng cọ lăn xử lý liên kết 15 1.13 Hoàn thành liên kết 16 1.14 Dán FRP 16 1.15 Bước phủ lớp keo thứ hai 17 1.16 Hoàn thiện liên kết 17 vi 1.17 Hai loại liên kết kiểu NSM FRP 18 1.18 Các loại dài FRP 18 1.19 So sánh diện tích bề mặt dán 19 1.20 Trình tự thi công theo phương pháp NSM FRP 20 2.1 Mô hình phá hoại liên kết mô men uốn lực cắt 21 2.2 Mô hình phá hoại lớp bê tông thớ 22 2.3 Mô hình phá hủy bề mặt liên kết 22 2.4 Phá hoại liên kết lan truyền vết nứt 23 2.5 Mô hình phá hoại giòn 23 2.6 Mô hình phá hoại kết hợp 24 2.7 Mô hình tính toán 25 2.8 Trạng thái cân FRP 26 2.9 Mô hình tuyến tính 28 2.10 Mô hình song tuyến tính 29 2.11 Giai đoạn đàn hồi 32 2.12 Giai đoạn hóa dẻo 33 2.13 Giai đoạn III 36 2.14 Giai đoạn IV 37 3.1 Mô hình ví dụ tính toán 39 3.2 Các module phân tích ABAQUS/CAE 42 3.3 Phân tích ứng suất toàn liên kết 48 3.4 Phân tích ứng suất riêng phần kết cấu bê tông 48 vii mạng lưới bước quan trọng phức tạp, cần phải dựa vào kinh nghiệm để sử dụng tổng hợp nhiều loại kỹ h Job Trong module Job chủ yếu thực công năng: xây dựng biên tập công việc phân tích; giao công việc phân tích, tạo file INP; kiểm tra khống chế trạng thái vận hành công việc phân tích; vận hành công việc phân tích i Sketch Sử dụng module Sketch vẽ hình mặt phẳng hai chiều cấu kiện Khi tiến hành thao tác đây, ABAQUS/CAE tự động tiến vào môi trường đồ họa (1) Lựa chọn module Sketch môi trường (2) Xây dựng chỉnh sửa đặc trưng cấu kiện module Part (3) Phân tách mặt module Part, Assembly Mesh Trong menu lựa chọn File > Import > Sketch nhập file CAD hai chiều từ: AutoCAD (.dxf), IGES (.igs), ACIS (.sat) STEP (.stp) j Visualization Trong module Visualization hiển thị kết phân tích file ODB, nhấn nút biểu tượng vùng công cụ để xem kết 3.2 Kết tính toán Kết tính toán ứng suất chuyển vị cho phần tử kết cấu tăng cường FRP thể theo biểu đồ BIỂU ĐỒ CHUYỂN VỊ thiết lập dựa theo công thức : U2 = UX2 + UY BIỂU ĐỒ ỨNG SUẤT thiết lập dựa theo công thức Mises 3.2.1.Ứng suất toàn liên kết 47 Hình 3.3: Phân tích ứng suất toàn liên kết 3.2.2.Ứng suất phần kết cấu bê tông Hình 3.4: Phân tích ứng suất riêng phần kết cấu bê tông 48 Hình 3.5: Biểu đồ chuyển vị (U1) kết cấu bê tông Hình 3.6: Biểu đồ chuyển vị (U2) kết cấu bê tông 49 Hình 3.7: Biểu đồ chuyển vị (U3) kết cấu bê tông Hình 3.8: Biểu đồ chuyển vị tổng thể kết cấu bê tông 50 Hình 3.9: Biểu đồ ứng suất kết cấu bê tông 3.2 Xác định nội lực lớp keo kết dính epoxy Hình 3.10: Sự phân bố ứng suất lớp keo dính epoxy 51 Hình 3.11: Biểu đồ chuyển vị (U1) lớp kết dính epoxy Hình 3.12: Biểu đồ chuyển vị (U2) lớp kết dính epoxy 52 Hình 3.13: Biểu đồ chuyển vị (U3) kết cấu bê tông Hình 3.14: Biểu đồ chuyển vị lớp kết dính epoxy 53 Hình 3.15: Biểu đồ ứng suất lớp kết dính epoxy 3.2.4 Tấm dán tăng cường C-FRP Hình 3.16: Phân bố ứng suất CFRP 54 Hình 3.17: Chuyển vị (U1) CFRP Hình 3.18: Chuyển vị (U2) CFRP 55 Hình 3.19: Chuyển vị (U3) CFRP Hình 3.20: Chuyển vị CFRP 56 Hình 3.21: Biểu đồ ứng suất CFRP 3.3 Kết luận chung Thông qua việc nghiên cứu mô 3D kết cấu bê tông tăng cường vật liệu FRP theo phương pháp dán phủ bên bề mặt, xác định chuyển vị ứng suất phần tử vật liệu BÊ TÔNG – CHẤT KẾT DÍNH EPOXY – FRP Dựa vào biểu đồ ứng suất chuyển vị phần tử thuộc kết cấu, ta đánh giá vị trí có nội lực lớn nguy hiểm để bố trí tăng cường vật liệu cho kết cấu trình chịu tải Qua đó, xác định dạng phá hoại mô hình điển hình hình thức kết cấu tăng cường 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Về mặt lý thuyết, đề tài trình bày cách tổng quan mô hình phá hủy hệ thống kết cấu bê tông bê tông cốt thép tăng cường khả chịu lực biện pháp dán FRP trực tiếp bề mặt Những mô hình hình giúp làm sáng tỏ dạng kết cầu tăng cường kiểu xảy hư hỏng cố Ngoài ra, đề tài phân tích chi tiết rõ ràng trường hợp xảy hệ thống liên kết chịu tải trọng Với việc sử dụng công thức cụ thể nêu trên, người thiết kế thi công tính toán trực tiếp đơn giản mà không cần dùng đến phần mềm tính toán phức tạp - Về mặt tính toán, đề tài áp dụng phần mềm ABAQUS để mô ví dụ kết cấu bê tông liên kết với FRP thông qua lớp keo dính bám epoxy dạng 3D Đây phần mềm tương đối phức tạp nay, đặc biệt nước ta Mô thông qua phần mềm giúp xác định chi tiết ứng suất, chuyển vị thành phần liên kết kết cấu bê tông, lớp keo dính bám epoxy CFRP Đây mô xác giúp người thiết kế có kết xác mong muốn - Ưu điểm nghiên cứu: thông qua sở phân tích lý thuyết phần mềm mô xác kết cấu giúp làm sáng tỏ pháp pháp tính toán thiết kế kiểm tra loại kết cấu bê tông bê tông cốt thép tăng cường khả chịu lực theo phương pháp - Nhược điểm nghiên cứu: thông qua dạng biểu đồ kết chuyển vị ứng suất thành phần liên kết hoàn toàn có độ tin cậy Nhưng kết cần phải có thực nghiệm để có thêm kết so sánh 58 Kiến nghị - Có thể ứng dụng phần mềm ABAQUS vào phân tích nhiều lĩnh vực phạm vi ABAQUS đặc biệt mạnh toán tấm, vỏ, lớp kết cấu chịu loại tải trọng phức tạp Cần phải có tập trung nghiên cứu sâu thêm phần mềm để đáp ứng đa dạng yêu cầu thiết kế - Ở Việt Nam ta ứng dụng công nghệ tăng cường khả chịu lực kết cấu hữu bê tông cốt thép phương pháp dán bề mặt FRP số công trình cầu đường Còn lĩnh vực xây dựng dân ụng công nghiệp chưa có Hiện sở lý thuyết để tính toán phương pháp khẳng định số nước tiến tiến giới Mỹ, Nhật, Úc đề nghị quy trình quy phạm nước nên sớm cập nhật áp dụng - Do phương pháp phạm vị áp dụng hạn chế với công trình làm việc môi trường nhiệt độ cao chịu tải trọng va đập trực tiếp lên bề mặt FRP Nên đề tài kiến nghị lên sớm hoàn thiện sở nghiên cứu tính toán phương pháp liên kết gần bề mặt (NSM) phương pháp khắc phục hai nhược điểm kể phương pháp mà đề tài nghiên cứu 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1) Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 - 05 2) Nguyễn Phan Anh, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm 2012-2013, Đại học Hàng Hải Việt Nam 3) Nguyễn Phan Anh (2012), Luận án tiến sĩ, Đại học công nghệ Wuhan 4) D.T.Bergado, J.C.Chai, M.C.Alfaro, A.S.Balasubramaniam (1996), Những biện pháp kỹ thuật cải tạo đất yếu xây dựng, Bản dịch Nguyễn Uyên Trịnh Văn Cương, NXB Giáo Dục 60 Tiếng Anh 5) Taljsten B FRP Strengthening of Existing Concrete Structures Design Guidelines, Second edition Division of Structural Engineering, Lulea University of technology, ISBN 91-89580-03-6, 2003 6) Hejll A, Carolin A and Taljsten B Strengthenging with CFRP under simulated live loads FRPRCS-06, Singapore, July, 2003 7) Taljsten B, Elfgren L Strengthening of concrete beams for shear using CFRP-materials: Evaluation of different application methods Composites Part B Eng., 31: 87-96, 2000 8) ABAQUS, 2009, Standard User’s Manual, Version 6.9-2, Pawtucket, RI 9) ACI Committee 440 2003 Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP bars ( ACI 440.1R-03) American Concrete Institute 10) ACI Committee 440 2008 Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP System for strengthening Concrete Structures (ACI 440.2R-08) American Concrete Institute (ACI) 11) Carmichael, Benjamin M, and Robert W Repair of the Uphapee Creek Bridge with FRP Laminates Final Report RP-930-466-2, Auburn, Alabama, Auburn University Highway Research Center, 2005 12) Seracino R, Raizal Saifulnaz MR and Oehlers DJ Generic Debonding Resistance of EB and NSM Plate-to-Concrete Joints Journal of Composites for Construction 11, No 1: 62-70, 2007 13) Seracino R, Rudolf, Nicola MJ, Ali M, Mark W and Oehlers DJ Bond strength of Near-surface Mounted FRP trip-to-Concrete Joints Journal of composites for Construction 11, No 4: 401-409, 2007 61 ... liệu FRPs hay vật liệu tổng hợp composites Do vậy, đề tài Nghiên cứu ảnh hƣởng tải trọng lên kết cấu bê tông đƣợc tăng cƣờng vật liệu tổng hợp composite theo phƣơng pháp dán bề mặt ngoài đề tài... dụng kết cấu bê tông chịu tải trọng tăng cường FRP biện pháp dán bề mặt Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu: ... tượng nghiên cứu: Kết cấu bê tông tăng cường vật liệu FRP theo phương pháp dán bề mặt Phạm vi nghiên cứu: mô hình phá hủy loại kết cấu này, sử dụng phần mềm ABAQUS để xác định nội lực kết cấu thông