Nghiên cứu ứng xử trụ bê tông cốt thép gia cường vải sợi carbon trên mô hình số và thực nghiệm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA N C NG NC NG TR BÊ TÔNG CỐT THÉP G CƯỜNG C RBON TRÊN N Ố ÀT C NG LUẬN ĂN T ẠC Ĩ KỸ THUẬT XÂY D NG CÔNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng, Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA N NG NC CỐT THÉP G TRÊN C NG TR BÊ TÔNG CƯỜNG C RBON N Ố ÀT C NG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số: 8580205 LUẬN ĂN T ẠC Ĩ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LAN Đà Nẵng, Năm 2018 i LỜ C ĐO N Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Võ Minh Chí ii M CL C LỜ C ĐO N i M C L C ii TÓM TẮT iv DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH M C CÁC B NG vi DANH M C CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Đối tượng phạm vi nghiên cứu: .1 Phương pháp nghiên cứu: .1 C ƯƠNG CƠ Ở TĂNG CƯỜNG KH NĂNG C ỊU L C CỦA KẾT CẤU TR BÊTÔNG CỐT THÉP S D NG VẬT LI U CFRP 1.1 Khái niệm chung sửa chữa, gia cường BTCT .2 ự uống cấp kết cấu trụ T T th o thời gian 1.2.1 Các dạng hư hỏng Nguyên nhân hư hỏng .4 ác công nghệ sửa chữa, gia cường kết cấu trụ T T 1.3.1 Công nghệ tăng cường khả chịu lực kết cấu bê tông phương pháp bao bọc bê tông cốt thép 1.3.2 Công nghệ tăng cường khả chịu lực trụ BTCT công nghệ dán thép 1.3.3 Công nghệ tăng cường khả chịu lực kết cấu bê tông dự ứng lực (DUL) 1.3.4 Công nghệ tăng cường khả chịu lực kết cấu bê tông vật liệu CFRP .8 1.4 Kết luận 14 C ƯƠNG CƠ Ở THIẾT KẾ TR BTCT CHỊU NÉN UỐN 15 2.1 Thiết kế trụ BTCT chịu nén uốn th o tiêu chu n .15 2.1.1 Theo AASHTO LRFD, ACI 318 15 2.1.2 Theo Tiêu chu n Việt Nam (TCVN 5574-2012) 16 2.2 Thiết kế trụ T T th o phương pháp biểu đồ tương tác P-M 19 2.3 Phân tích sức kháng trụ phần mềm phân tích 23 2.3.1 Phần mềm CSiCOL .23 iii 2.3.2 Phần mềm ATENNA 27 2.4 Ví dụ số thiết kế trụ T T chưa gia cường gia cường CFRP : .37 2.4.1 Các thông số kỹ thuật 37 2.4.2 Tính tốn cho trụ chưa gia cường (n=0) .37 2.4.3 Tính toán cho trụ gia cường lớp CFRP (n=1) 41 2.4.4 So sánh biểu đồ đường cong A-B-C với giá trị Pu Mu yêu cầu 44 2.5 Kết luận 45 C ƯƠNG T C NG ĐO ĐẠC NG TR BTCT VÀ TR BTCT G CƯỜNG C R C ỊU NÉN L CH TÂM 46 3.1 Thiết kế chương trình thực nghiệm: .46 3.1.1 Các yêu cầu để thiết kế tăng cường khả chịu lực cho trụ BTCT .46 3.1.2 Các giả định thiết kế hệ tăng cường khả chịu lực cho trụ bê tông cốt thép sử dụng vật liệu CFRP .46 3.1.3 Mục tiêu thực nghiệm 47 .4 hương trình thực nghiệm 47 3.2 Trình tự thực nội dung đo đạc 50 3.3 Kết thực nghiệm .51 3.3.1 Kết tải trọng phá hủy chuyển vị ngang tối đa trụ BTCT chưa gia cường có gia cường CFRP 51 3.3.2 Kết mối quan hệ lực, biến dạng, chuyển vị trụ T T chưa gia cường .52 3.3.3 Kết mối quan hệ lực biến dạng, chuyển vị trụ BTCT gia cường CFRP 55 3.4 Kết phân tích phần mềm ATENA CSICOL9 60 3.4.1 Phần mềm ATENA .60 3.4.2 Phần mềm CSICOL9 vẽ biểu đồ tương tác P-M 62 3.5 So sánh kết thực nghiệm-phân tích: .65 3.5.1 Lực tác dụng 65 3.5.2 So sánh thực nghiệm mơ hình ATENA 66 3.5.3 Biểu đồ so sánh kết trụ BTCT trụ T T gia cường CFRP .68 3.6 Kết luận 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .71 DANH M C TÀI LI U THAM KH O QUYẾT ĐỊN G O ĐỀ TÀI LUẬN ĂN (bản sao) iv NG NC NG TR CÁCBON TR N B T NG CỐT T É G CƯỜNG N Ố ÀT C NG BEHAVIOUR OF RESEACH REINFORCED CONCRETE COLUMN UNDER E STRENGTHENING USING CFRP LAMINATES BY THE FINITE ELEMENT METHOD MODEL AND EXPERIMENTS Tóm tắt Hiện nay, việc sử dụng sợi composit cường độ cao (Carbon fiber reinforced polymer) công tác gia cường kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép áp dụng phổ biến nước tiên tiến giới Trong số vật liệu composit dùng để gia cường kết cấu T T chịu nén uốn vật liệu sợi bon sử dụng rộng rãi Nghiên cứu tìm hiểu ứng trụ T T gia cường vải sợi FRP dính bám ngồi mơ phần mềm PTHH ATENA (phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu T T) thực nghiệm nén lệch tâm trụ T T gia cường vải sợi FRP dính bám ngồi Kiểm chứng ứng biến dạng, độ mở rộng vết nứt chuyển vị trụ chịu nén lệch tâm Từ khóa: Carbon Fiber R inforc d Polym r ( FRP), ê tông cốt thép ( T T), Phần tử hữu hạn (PTHH), omposit , ATENA Abstract Currently, the application of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) in strengthening of structures is very popular in developed countries around the world Among composite materials which are used for strengthening of concrete structures, CFRP materials have gained wide acceptance This study investigates the behavior of reinforced concrete column while it is wrapped by CFRP laminates The theory calculation of concrete column is performed by Excel and Mathcad software The finite element analysis of concrete column is operated by ATENA software (a FEM software developed by Cervanka Consulting for nonlinear analysis of reinforced concrete structures) The reinforced concrete column with CFRP is compressed in the laboratory The FEM results such as strain, crack growth and displacement then are validated by experimental results Key words: Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), Reinforced Concrete Column, Finite Element Method (FEM), ATENA, Composite v DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO: ACI: BTCT: American Association of State Highway and Transportation Officials American Concrete Institute Bê tông cốt thép CFRP: DUL: Carbon Fiber Reinforced Polymer Dự ứng lực PTHH: P-M: Phần tử hữu hạn Lực-Momen TCVN: Trụ BTCT1: Tiêu chu n Việt Nam Trụ bêtông cốt thép số Trụ BTCT2: Trụ bêtông cốt thép số Trụ BTCT CFRP1: Trụ bêtông cốt thép số Trụ BTCT CFRP2: Trụ bêtông cốt thép số chưa gia cường chưa gia cường có gia cường CFRP có gia cường CFRP vi DANH M C CÁC B NG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 ác đặc trưng học cốt sợi 10 1.2 ác đặc trưng học chất 11 1.3 2.1 Một số đặc trưng tiêu biểu hệ thống sợi FRP Bảng so sánh điểm A-B-C trụ T T chưa gia cường gia cường CFRP 11 44 3.1 Kết tải trọng phá hủy chuyển vị ngang tối đa 51 3.2 Kết thực nghiệm trụ BTCT 52 3.3 Kết thực nghiệm trụ BTCT 53 3.4 Kết thực nghiệm trụ BTCT CFRP 55 3.5 Kết thực nghiệm trụ BTCT CFRP 57 3.6 Bảng tổng hợp tải trọng- độ mở rộng vết nứt phân tích phần mềm ATENA 60 3.7 Bảng tổng hợp tải trọng- chuyển vị ngang ATENA 61 3.8 Bảng so sánh lực tác dụng 65 3.9 Bảng tỷ lệ % trung bình tăng khả chịu lực trụ BTCT dán CFRP so với trụ BTCT 66 vii DANH M C CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Hư hỏng nứt 1.2 Hư hỏng chuyển vị 1.3 Hư hỏng bị ăn mòn 1.4 Hư hỏng bị xâm thực 1.5 Gia cường trụ T T th o phương pháp bao bọc bê tông cốt thép 1.6 Gia cố trụ thép hình 1.7 Cấu tạo vật liệu FRP (Gibson, 1994) 1.8 Khả chịu lực vật liệu FRP 1.9 Hướng phân bố cốt sợi 10 1.10 Các loại sản ph m vặt liệu FRP 12 1.11 Tăng cường khả chịu lực kết cấu BTCT vật liệu CFRP 13 2.1 Trụ chịu nén lệch tâm: Ứng suất-Biến dạng 15 đồ nội lực biểu đồ ứng suất tiết diện thẳng góc với 2.2 trục dọc cấu kiện bê tơng chịu nén lệch tâm tính th o độ 17 bền không kể đến làm việc bê tông vùng chịu kéo 2.3 đồ nội lực biểu đồ ứng suất tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện bê tông chịu uốn (nén lệch tâm) tính th o độ bền, có kể đến làm việc bê tông vùng chịu kéo 17 2.4 Biểu đồ tương tác 21 2.5 2.6 3.1 3.2 đồ khối thể q trình tính tốn P-M A,B,C Biểu đồ so sánh đường cong P-M Mơ hình ứng suất - biến dạng vật liệu bê tông, FRP, cốt thép sử dụng thiết kế theo tiêu chu n ACI đồ thực nén trụ 22 45 47 48 3.4 Di chuyển trụ vào bệ nén dán thiết bị đo 50 3.5 Lắp kích thiết bị đo 50 3.6 Tiến hành nén trụ 51 3.7 Quan hệ tải trọng chuyển vị trụ BTCT BTCT 54 viii Số hiệu Tên hình hình 3.8 Quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT1 BTCT2 Trang 54 3.9 Quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT1 BTCT2 54 3.10 Quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT 55 3.11 Quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT1 BTCT2 55 3.12 Quan hệ tải trọng chuyển vị trụ BTCT CFRP CFRP2 58 3.13 Quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ CFRP1 CFRP2 59 3.14 Quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ CFRP1 CFRP2 59 3.15 Quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ CFRP1 CFRP2 59 3.16 Quan hệ tải trọng- độ mở rộng vết nứt ATENA 61 3.17 Biểu đồ tải trọng- độ mở rộng vết nứt ATENA 66 3.18 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng chuyển vị thực nghiệm ATENA trụ T T chưa gia cường 67 3.19 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng chuyển vị thực nghiệm ATENA trụ BTCT có gia cường CFRP 67 3.20 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng chuyển vị thực nghiệm trụ BTCT BTCT CFRP 68 3.21 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT 68 3.22 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT CFRP 69 3.23 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT BTCT CFRP 69 3.24 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT BTCT CFRP 70 68 3.5.3 Biể đồ so sánh kết qu trụ BTCT trụ BTCT 3.5.3.1 So sánh quan hệ tải trọng chuyển vị ng CFRP O ÁNH KẾT QUẢ HUYỂN VỊ VÀ TẢI TRỌNG GIỮA KẾT QUẢ THỰ NGHIỆ T T VÀ T T CFRP 1.4 CHUYỂN VỊ (mm) 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 400 600 800 1000 TẢI TRỌNG (KN) Cột BTCT1 cột BTCT Côt BTCT CFRP1 Cột BTCT CRFP Hình 3.20 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng chuyển vị thực nghiệm trụ BTCT BTCT CFRP 3.5.3.2 So sánh quan hệ tải trọng biến dạng Strain (µ) QUAN HỆ GIỮA TRAIN VÀ TẢI TRỌNG TRÊN TRỤ T T 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 500 600 700 TẢI TRỌNG (KN) Cột BTCT1 cột BTCT Hình 3.21 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT 69 Strain (µ) O ÁN -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 -200 KẾT Q T TRỌNG À B ẾN DẠNG BTCT C R 200 400 600 800 1000 TẢI TRỌNG (KN) Cơt BTCT CFRP1 Cột BTCT CRFP Hình 3.22 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT CFRP O ÁN KẾT Q T TRỌNG À B ẾN DẠNG G Ữ KẾT Q T C NG BTCT VÀ BTCT CFRP 300 Strain (µ) 250 200 150 100 50 -50 200 400 600 800 1000 TẢI TRỌNG (KN) Cột BTCT1 cột BTCT Côt BTCT CFRP1 Cột BTCT CRFP Hình 3.23 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT BTCT CFRP 70 O ÁN KẾT Q T TRỌNG À B ẾN DẠNG G Ữ KẾT Q T C NG BTCT VÀ BTCT CFRP Strain (µ) -200 200 400 600 800 1000 -400 -600 -800 -1000 -1200 TẢI TRỌNG (KN) Cột BTCT1 cột BTCT Cơt BTCT CFRP1 Cột BTCT CRFP Hình 3.24 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng biến dạng strain trụ BTCT BTCT CFRP - Từ kết phân tích trên, việc gia cường vải sợi CFRP dính bám ngồi cho trụ T T có ngh a mặt cường độ, tăng sức kháng trụ, sức kháng trụ tăng - Hạn chế vết nứt trụ chịu nén lệch tâm - Ít ảnh hưởng đến chuyển vị ngang trụ chịu lực nén lệch tâm 3.6 K t luận - Việc áp dụng phương pháp gia cường cho kết cấu trụ BTCT vải sợi CFRP dính bám làm gia tăng sức kháng nén uốn lớn Với mơ hình trụ BTCT thực tế đề tài sức kháng nén lệch tâm tăng với lớp CFRP dày 0.22 mm - Khả làm việc trụ gia cường vải sợi CFRP phụ thuộc vào độ dính bám bề mặt bê tơng vải sợi CFRP nên q trình thi cơng ảnh hưởng đến giá trị sức kháng thực tế trụ - Kết thực nghiệm phân tích lý thuyết th o phương pháp khác cho thấy sức kháng nén lệch tâm độ cứng uốn ngang trụ gia cường cao trụ chưa gia cường Với trụ kích thước (20x20 )cm, gia cường lớp vải sợi carbon dày 0.22mm độ tăng sức kháng nén lệch tâm theo thực nghiệm 29.57% Kết phân tích sức kháng nén theo phần mềm chênh lệch nhiều 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ K t luận: Nội dung thực luận văn “ ụ BTCT ố ” với phạm vi nghiên cứu trụ nén lệch tâm, luận văn thu kết sau T T chịu - Khi cần thiết gia tăng sức kháng nén-uốn trụ T T sử dụng giải pháp dán vải FRP k o po y chuyên dụng giải pháp thi công dể dàng hiệu - Kết tính tốn sức kháng nén lệch tâm trụ gia cường FRP th o phương pháp ACI318, TCVN 5574- cao trụ chưa gia cường 6.6% - Kết thực nghiệm nén lệch tâm trụ T T( 0)cm gia cường lớp vải sợi CFRP dày 0.22mm cho thấy sức kháng nén lệch tâm tăng 29.57%, chuyển vị ngang cột chưa gia cường cấp tải trọng phá hủy P=610 KN 1.16 mm Chuyển vị ngang cột CFRP cấp tải P=6 KN 0.77 mm Như vậy, chuyển vị cột có dán FRP giảm 33.5% - Từ biểu đồ quan hệ lực nén -biến dạng lực nén-chuyển vị ngang cho thấy trụ FRP có ứng tuyến tính (quan hệ gần đường thẳng) so với trụ T T không gia cường FRP cấp lực lớn - Kết phân tích sức kháng nén lệch tâm từ phần mềm I OL9 ANTENA khác nhiều phương pháp tính hai phần mềm khác I OL9 ác định sức kháng cực hạn th o phương pháp biểu đồ tương tác P- ACI, ATENA phân tích phi tuyến kết cấu T T th o phương pháp PTHH nên ứng th o ATENA phụ thuộc nhiều thông số vật liệu mơ hình điều kiện biên tốn Ki n nghị: ó thể sử dụng vật liệu sợi carbon gia cường, sửa chữa kết cấu trụ bê tơng cốt thép chịu nén-uốn có nhiều ưu điểm thi công dể dàng, hiệu tăng sức kháng độ cứng uốn ngang lớn ướng nghiên cứu ti p th : - Nghiên cứu tính kinh tế loại sợi carbon k o po y có thị trường - Nghiên cứu đặc tính bền lâu kết cấu gia cường FRP th o thời gian - Nghiên cứu sử dụng FRP gia cường bảo vệ kết kết cấu nước 72 DANH M C TÀI LI U THAM KH O Ti ng Việt [1] ộ GTVT ( 005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường 22TC 2-05 [2] T Nguyễn Trung Hòa ( 009) Thiết kế kết cấu BTCT theo tiêu chuẩn C 31 [3] Nguyễn Đình ống, Ngơ Thế Phong, Phan Quang inh ( 000) ết cấu Bê t ng cốt th p- phần cấu kiện bản, NXB Khoa học kỹ thuật [4] TCVN 5574-2012 Tiêu chu n thiết kế kết cấu BTCT [5] Nguyễn Lan, Trần Minh (2017), “Gia cường sàn BTCT sợi cacbon dính bám ngồi”, Tạp chí Xây dựng, số 12/2017 [6] T ao Văn Lâm, T Nguyễn Lan (2016), “Đánh giá hiệu biện pháp gia cường sức kháng uốn cầu bê tông cốt thép thường kết thực nghiệm mô số”, Tạp chí Giao thơng vận tải, tháng 07/2016 [7] Nguyễn Trọng Ngh a, Giải pháp tiên tiến sữa chữa tăng cường khả chịu lực kết cấu betong sử dụng vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám ngồi FRP Ti ng Anh [8] ACI SP-17(11) Volume THE REINFORCED CONCRETE DESIGN MANUAL in Accordance with ACI 318-11 [9] 440.2R-08 Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures [10] ATENA Program Documentation Part 1- Theory [11] ATENA Program Documentation Part 3-1, Example Manual [12] CSICOL9 manuals ... tốn cấu kiện bê tơng chịu nén lệch tâm cần phải thực theo điều kiện (2.5) (2.6) Trong công thức  hệ số, lấy sau + bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ, bê tông rỗng: 1,00 + bê tông tổ ong... Trụ b? ?tông cốt thép số Trụ BTCT CFRP1: Trụ b? ?tông cốt thép số Trụ BTCT CFRP2: Trụ b? ?tông cốt thép số chưa gia cường chưa gia cường có gia cường CFRP có gia cường CFRP vi DANH M C CÁC B NG Số hiệu... biến dạng (Mpa) :Giá trị biến dạng bê tông (mm/mm) oodun đàn hồi bê tông (Mpa) ường độ chịu nén quy định bê tông (Mpa) : Biến dạng nén dọc trục tới hạn bê tông : Biến dạng quy đổi th o đường