Đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm abaqus

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ` CHÂU HƯỜNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số : 60.58.02.05 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng - Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHĐN Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ Phản biện 1: TS LÊ THỊ BÍCH THỦY Phản biện 2: TS HOÀNG PHƯƠNG HOA Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng, họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 10 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong mục tiêu phát triển đất nước ta đến năm 2020 trở thành nước cơng nghiệp, nhu cầu xây dựng sở hạ tầng cần thiết nhằm phục vụ cho tăng trưởng nhanh chóng nhu cầu phát triển mạng lưới giao thông vận tải Song song với việc xây dựng việc trì sửa chữa cơng trình cũ phải trọng Trước mắt nhà nước thay số cầu yếu làm thêm nhiều cầu phải sửa chữa tăng cường cầu yếu cầu chưa đáp ứng tải trọng khai thác thời gian lâu dài thời gian Bên cạnh đó, cơng tác tu, sửa chữa cịn nhiều bất cập, chưa triệt để dẫn đến chưa đạt hiệu cao Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu kinh tế, kỹ thuật Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu hiệu biện pháp gia cường nhằm nâng cao khả chịu tải cầu cũ đặc biệt cầu bê tông cốt thép thường nước ta cần thiết số lượng cầu bê tông cốt thép thường chiếm tỉ lệ lớn giải toán giữ vững trạng thái kỹ thuật mạng lưới cầu đường ô tô điều kiện nguồn nhân sách hạn hẹp Việc nâng cấp sửa chữa, gia cường cầu cũ thường nhằm mục đích: - Tăng cường khả chịu uốn - Tăng cường sức kháng cắt - Tăng cường độ cứng cầu, giảm độ võng, … Bên cạnh đó, việc nghiên cứu vật liệu có cường độ cao, trọng lượng nhẹ, thi cơng đơn giản,… đóng vai trị quan trọng Để làm sở gia cường cầu thực tế, tác giả chọn đề tài“ Đánh giá hiệu gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng sợi thủy tinh thực nghiệm phần mềm Abaqus” Đối tƣợng nghiên cứu - Cơng trình cầu bê tơng cốt thép thường - Phần mềm tính tốn Abaqus Phạm vi nghiên cứu - Tính tốn gia cường sức kháng uốn, kháng cắt sợi thủy tinh - Kiểm chứng phần mềm thực nghiệm gia cường sức kháng uốn, kháng cắt sợi thủy tinh Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Tính tốn sức kháng lý thuyết tính tốn - Kiểm chứng hiệu gia cường phần mềm Abaqus - Kiểm chứng hiệu gia cường mơ hình thực nghiệm - Đánh giá hiệu biện pháp gia cường sợi thủy tinh Phƣơng pháp nghiên cứu - Tính tốn gia cường cho cơng trình cầu BTCT thường thực tế, sau quy đổi mơ hình dầm thí nghiệm tương đương thơng qua độ cứng Trên mơ hình dầm thí nghiệm này, tác giả tiến hành: + Nghiên cứu sở lý thuyết + Nghiên cứu mơ hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH để ph n tích kết cấu dầm BTCT thường phần mềm Abaqus 3 + Nghiên cứu mơ hình thực nghiệm + So sánh, đánh giá hiệu gia cường Kết cấu đề tài Chƣơng 1: Tổng quan biện pháp gia cƣờng Tổng quan cầu bê tông cốt thép thường Một số biện pháp gia cường cầu cũ Xu hướng áp dụng biện pháp gia cường Những vấn đề gặp phải công tác sửa chữa, gia cường cầu 1.5 Kết luận Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn dầm BTCT gia cƣờng GFRP Phương pháp tính tốn truyền thống 2.2 Phương pháp tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn 2.3 Bài toán quy đổi 2.4 Tính tốn phương pháp truyền thống 2.5 Tính toán phần mềm Abaqus 2.6 Kết luận Chƣơng 3: Bài toán thực nghiệm đánh giá hiệu gia cƣờng 3.1 Cơ sở toán thực nghiệm 3.2 Kết thí nghiệm 3.3 Đánh giá hiệu gia cường sức kháng uốn, sức kháng cắt 3.4 Kết luận Kết luận kiến nghị Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG 1.1 Tổng quan cầu bê tông cốt thép thƣờng 1.2 Một số biện pháp gia cƣờng cầu cũ 1.2.1 Gia cường thép 1.2.2 Gia cường căng cáp dự ứng lực 1.2.3 Tăng cường mở rộng tiết diện 1.2.4 Gia cường vật liệu composite 1.3 Xu hƣớng áp dụng biện pháp gia cƣờng Hiện biện pháp gia cường sợi GFRP sử dụng phổ biến nước phát triển số đặc tính ưu việt so với vật liệu truyền thống Tấm sợi GFRP đánh giá loại vật liệu có tính mang lại hiệu kinh tế cao ngành công nghiệp xây dựng gia cường kết cấu cơng trình giao thơng Song nhìn chung hệ thống giao thơng đường nước ta, cơng trình cầu sửa chữa, gia cường xu hướng áp dụng biện pháp gia cường sợi GFRP cần thiết Phương pháp 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 giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao 1.4 Những vấn đề cịn gặp phải cơng tác sửa chữa, gia cường cầu Công tác quản lý, tu, sữa chữa công trình số vấn đề mà ngành GTVT tỉnh, Thành phố đảm nhiệm Tình trạng cơng trình cầu cũ đặc biệt cơng trình cầu BTCT thường ngày xuống cấp, g y trở ngại lớn cho vận tải Địi hỏi cơng tác tu, sửa chữa gia cường cầu cấp thiết Song công tác cịn nhiều khó khăn, bất cập do: - Tổ chức cấu quản lý cơng trình cầu bị xuống cấp, đặc biệt công trình cầu yếu, hư hỏng chưa có tính thống rõ ràng, Nhiều địa phương quản lý lỏng lẻo chòng chéo lên nhau, kiểm tra không thường xuyên, không đánh giá mức độ hư hỏng cơng trình cầu theo thực trạng, phương pháp kiểm tra kỹ thuật chuẩn đốn cịn lạc hậu - Nguồn ng n sách hàng năm đầu tư cho công tác tu, sửa chữa hạn chế - Cải tiến biện pháp thi cơng gia cường, sửa chữa cịn nhiều hạn chế, phương pháp thủ công chủ yếu - Lựa chọn giải pháp gia cường, sửa chữa chưa thực mang lại tính kinh tế hiệu cao Từ lý trên, nhận thấy vấn đề mà ngành GTVT cần quan tâm là: - Tăng cường nguồn lực có trình độ chun mơn chế quản lý phương pháp làm việc công tác quản lý cơng trình, đặc biệt cơng trình cầu xuống cấp hư hỏng - N ng cao trình độ, kỹ thuật áp dụng cơng nghệ tiên tiến công tác sửa chữa, gia cường - Khuyến khích nhiều nghiên cứu biện pháp gia cường, sửa chữa để đề xuất giải pháp cách hợp lý có hiệu 1.5 Kết luận Tóm lại, với q trình hình thành phát triển việc sử dụng kết cấu bê tông cốt thép x y dựng cơng trình giới nước Ngồi việc x y dựng cơng trình việc gia cường, n ng cấp cơng trình xuống cấp đáng quan t m Trong biện pháp gia cường vật liệu GFRP có ưu điểm trội cường độ cao, độ bền cao, thi công đơn giản có tiềm phát triển Vì chương 2, tác giả tập trung nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn kết hợp với phần mềm mơ nhằm đưa kết xác để áp dụng vào cơng trình cầu thực tế 7 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DẦM BTCT GIA CƢỜNG GFRP 2.1 Phƣơng pháp tính tốn truyền thống 2.1.1 Các giả thiết 2.1.2 Tính tốn dầm đối chứng 2.1.3 Tính tốn gia cường GFRP 2.2 Phƣơng pháp tính tốn phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.2.1 Cơ sở tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn phần mềm Abaqus 2.3 Bài toán quy đổi 2.3.1 Cơ sở quy đổi [7] 2.3.2 Bài toán nghiên cứu 2.3.3 Sức kháng uốn, kháng cắt dầm thực tế chưa gia cường 2.3.4 Tính tốn gia cường GFRP dầm thực tế: 2.4.Tính tốn phƣơng pháp truyền thống 2.4.1 Sức kháng uốn, kháng cắt dầm đối chứng thực nghiệm 2.5 Tính tốn phần mềm Abaqus 2.5.1 Mơ hình phần mềm Abaqus 2.6 Kết luận - Trong chương 2, dựa tiêu chuẩn ACI 440; 22 TCN 272-05 học cổ điển, tác giả tính tốn sức kháng uốn kháng cắt, diễn biến ứng suất, độ võng dầm trước sau gia cường GFRP Bên cạnh đó, tác giả tính tốn theo phương pháp PTHH việc sử dụng phần mềm Abaqus để mô làm việc dầm Kết tính tốn lý thuyết cho ta khối lượng vật liệu cần thiết để gia cường sức kháng dầm (dầm thực tế dầm mơ hình) Mơ men giới hạn theo tính tốn lý thuyết tăng 29,57%, theo kết phân tích phần mềm tăng 32,92% lực cắt giới hạn theo tính tốn lý thuyết tăng 53,45%, để kiểm chứng thực nghiệm, tác giả tiến hành gia cường dầm mơ hình đo đạc hiệu thực tế Quá trình tiến hành thực nghiệm, đo đạc, so sánh với kết tính tốn lý thuyết phần mềm thực chương 9 Chƣơng 3: BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƢỜNG 3.1 Cơ sở toán thực nghiệm 3.1.1 Q trình chế tạo dầm thí nghiệm 3.1.2 Q trình gia cường 3.1.3 Q trình thí nghiệm 3.2 Kết thí nghiệm 3.2.1 Kết thí nghiệm q trình nén tạo nứt Nhằm mơ làm việc dầm cũ, tiến hành nén tạo nứt trước gia cường để mô gần với thực tế làm việc cầu bê tông cốt thép cũ vật liệu gia cường Hình 3-17: Quan hệ tải trọng – độ võng trình nén tạo nứt dầm 10 Hình 3-18: Quan hệ tải trọng - ứng suất trình nén tạo nứt dầm Nhận xét: Dựa vào biểu đồ hình 3.16 3.17, ta thấy sai số thực nghiệm tính tốn lý thuyết tương đối nhỏ (sai số trung bình độ võng 15,10, sai số trung bình ứng suất 7,11%) 3.2.2 Kết thí nghiệm dầm chưa gia cường Để đánh giá hiệu biện pháp gia cường, tiến hành thí nghiệm dầm chưa gia cường để đối chứng Hình 3-19: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm đối chứng 11 Hình 3-20: Quan hệ tải trọng - độ võng dầm đối chứng Nhận xét: Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng hình 3.19, ta thấy cấp tải P < 10 kN (dầm chưa nứt), sai số thực nghiệm, lý thuyết phần mềm tương đối nhỏ Khi P > 10 kN, vết nứt phát triển phức tạp, sai số lớn dần 3.2.3 Kết thí nghiệm dầm gia cường GFRP Hình 3-21: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP 12 Hình 3-22: Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường GFRP Hình 3-23: Quan hệ tải trọng - độ võng theo kết thực nghiệm Nhận xét: - Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất hình 3.20, ta thấy sai số đo đạc thực nghiệm tính tốn lý thuyết 39,89%, sai số đo đạc thực nghiệm phần mềm 46,33%, sai số lớn sai số đo đạc q trình thí nghiệm 13 - Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng hình 3.2 , ta thấy sai số đo đạc thực nghiệm tính tốn lý thuyết 9,36%, sai số đo đạc thực nghiệm phần mềm 5, 3% Sự sai khác biểu đồ ứng suất dạng phi tuyến tính tốn lý thuyết tác giả nội suy ứng suất theo biểu đồ tuyến tính để xét đến giảm độ cứng tiết diện - Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất hình 9, ta thấy tải trọng đạt 30kN, theo kết tính tốn lý thuyết phần mềm cốt thép đạt cường độ giới hạn, toàn ứng suất tăng tải trọng truyền vào GFRP làm ứng suất sợi tặng đột ngột đến đứt - Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng-độ võng dầm đối chứng dầm gia cường GFRP hình 3.22, ta thấy dầm gia cường GFRP hạn chế độ 25,65% độ võng 3.2.4 Kết thí nghiệm dầm gia cường GFRP keo sikadur 330 keo TCK 1400 Nhằm kiểm chứng làm việc loại keo Sikadur 330 keo Epoxy TCK 1400 với sợi GFRP thực nghiệm, ta tiến hành thí nghiệm gia cường kháng uốn với loại keo Hình 3-24: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP 14 Hình 3-25: Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường GFRP Nhận xét: Dựa vào biểu đồ hình 3.23 hình 3.24 ta thấy ứng suất độ võng GFRP dầm xấp xỉ Sai số nhỏ dầm phá hoại GFRP bị đứt nên sử dụng loại keo để dán GFRP 3.3 Đánh giá hiệu gia cƣờng sức kháng uốn, kháng cắt Bảng 3-1: Momen giới hạn Mômen giới hạn (N.mm) Đối chứng Dán GFRP Hiệu Lý thuyết Phần mềm Thực nghiệm Độ dự trữ lý thuyết thực nghiệm 15241133 13667500 18667500 - - 19747882 18167500 21667500 9,72% 19,27% 29,57% 32,92% 16,07% Độ dự trữ phần mềm thực nghiệm 15 Bảng 3-2: Lực cắt giới hạn Lực cắt Giới hạn Lý thuyết Thực nghiệm Đối chứng 33061 54262.4 Dán GFRP 50732 55062 Hiệu 53,45% 1,47% (N) Nhận xét: - Từ bảng so sánh momen giới hạn ta thấy lý thuyết nhỏ thực nghiệm có xét đến hệ số an tồn Mơ men giới hạn có độ trữ an toàn lý thuyết thực nghiệm dầm gia cường GFRP 9,72%, độ trữ an toàn phần mềm thực nghiệm 9,27% - Từ kết momen giới hạn dầm BTCT gia cường GFRP, ta thấy sức kháng uốn theo lý thuyết tăng 29,57%, theo phần mềm tăng 32,93% thực nghiệm tăng 6,07% Qua thấy việc gia cường kháng uốn GFRP cãi thiện đáng kể khả kháng uốn dầm - Từ bảng so sánh lực cắt giới hạn ta thấy theo lý thuyết hiệu gia cường 53.45% thực nghiệm tăng khơng đáng kể ( 47%) Vì cần tiến hành thêm thí nghiệm để kiểm tra hiệu gia cường kháng cắt GFRP 3.4 Kết luận - Trong chương đo đạc số liệu thực nghiệm giới hạn kháng uốn, giới hạn kháng cắt, diễn biến ứng suất, độ võng dầm đối chứng dầm gia cường Từ cho thấy khả cải thiện sức kháng uốn độ võng sợi thủy tinh Sau đó, so sánh thực 16 nghiệm kết lý thuyêt; phần mềm để khẳng định độ tin cậy phương pháp tính tốn Kết sở để gia cường cơng trình cầu thực tế so sánh hiệu phương pháp gia cường khác - Ngoài ra, tác giả so sánh ứng suất, độ võng momen giới hạn thực nghiệm dầm gia cường GFRP loại keo Sikadur 330 Epoxy TCK 1400 Từ kết luận làm việc tương đương loại keo mặt kỹ thuật 17 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng sợi thủy tinh phương pháp gia cường đơn giản, thực nhanh chóng với mức kinh phí tương đối thấp khơng làm tăng kích thước cấu kiện Kết đánh giá hiệu gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng sợi thủy tinh thực nghiệm, lý thuyết phần mềm Abaqus cho thấy phương pháp gia cường làm tăng đáng kể khả kháng uốn dầm Sau tiến hành nghiên cứu biện pháp gia cường theo phương pháp tính tốn truyền thống, theo phương pháp phần từ hữu hạn mơ hình thực nghiệm đề tài thu kết cụ thể sau: - Sức kháng uốn thực nghiệm tăng 6,07%, độ võng giảm 25,65% gia cường kháng uốn GFRP Từ cho thấy hiệu gia cường kháng uốn GFRP - Sức kháng cắt thực nghiệm tăng không đáng kể (1,47%) cần tiến hành nghiệm nhiều mẫu để kiểm tra lại - Mơ men giới hạn có độ dự trữ an toàn lý thuyết thực nghiệm dầm gia cường GFRP 9,72%, độ dự trữ an toàn phần mềm thực nghiệm từ 19,27% Từ khẳng định độ tin cậy phương pháp tính tốn - Kiểm chứng thực nghiệm cho thấy dán GFRP keo Sikadur 330 keo Epoxy TCK 400 khơng có tách lớp dầm làm việc đến vật liệu gia cường bị phá hoại Hiệu gia 18 cường GFRP loại keo tương đương nên việc lựa chọn loại keo phụ thuộc vào giá thành sản phẩm Bên cạnh đó, cần tiếp tục có nghiên cứu độ bền dạng vật liệu GFRP tác động tác nh n môi trường, cụ thể tác động độ ẩm, tia tử ngoại tác nh n ăn mịn điều kiện khí hậu Việt Nam Ngoài ra, nghiên cứu độ mỏi dầm gia cường ứng với tải trọng khác  ... sở gia cường cầu thực tế, tác giả chọn đề tài“ Đánh giá hiệu gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng sợi thủy tinh thực nghiệm phần mềm Abaqus? ?? Đối tƣợng nghiên cứu - Cơng trình cầu bê. .. tăng kích thước cấu kiện Kết đánh giá hiệu gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng sợi thủy tinh thực nghiệm, lý thuyết phần mềm Abaqus cho thấy phương pháp gia cường làm tăng đáng kể khả... cắt sợi thủy tinh Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Tính tốn sức kháng lý thuyết tính toán - Kiểm chứng hiệu gia cường phần mềm Abaqus - Kiểm chứng hiệu gia cường mơ hình thực nghiệm - Đánh giá hiệu