Nghiên cứu gia cường kết cấu nhịp cầu bà trà bằng tấm sợi carbon

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN TẤN DANH NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN TẤN DANH NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông Mã số: 60 58 02 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Xuân Toản tận tình hướng dẫn - bảo trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đường, Phòng KH, SĐH & HTQT Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Ban đào tạo Sau đại học - Đại học Đà Nẵng, quan, gia đình, bạn bè động viên tạo điều kiện cho học viên thời gian học cao học hoàn thành luận văn tốt nghiệp Với thời gian nghiên cứu lực thân hạn chế, luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót, tồn Học viên mong nhận ý kiến đóng góp từ phía thầy bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Đà Nẵng, tháng năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Tấn Danh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài 2 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu Kết cấu luận văn Chương - CÁC DẠNG HƯ HỎNG CẦU BTCT VÀ KHẢ NĂNG GIA CƯỜNG BẰNG TẤM SỢI CARBON 1.1 Các dạng hư hỏng cầu BTCT 1.1.1 Các dạng hư hỏng kết cấu dầm chủ bê tông cốt thép thường dự ứng lực 1.1.2 Các dạng hư hỏng kết cấu nhịp cầu BTCT 1.2 Hiện trạng hư hỏng Cầu Bà Trà 10 1.3 Khả áp dụng sợi carbon vào gia cường cầu BTCT 18 1.3.1 Đánh giá công nghệ dán CFRP 18 1.3.2 Áp dụng sợi carbon tăng cường kết cấu cầu Việt Nam 19 1.4 Kết luận chương 21 Chương - CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VỀ GIA CƯỜNG CẦU BTCT BẰNG TẤM SỢI CARBON 22 2.1 Xác định sức kháng uốn 22 2.2 Xác định sức kháng cắt 25 2.3 Xác định nội lực theo trạng thái giới hạn 26 2.4 Kiểm toán kiểm tra khả chịu lực kết cấu cầu BTCT 27 2.5 Kết luận chương 43 Chương - TÍNH TỐN GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON 44 3.1 Các số liệu cơng trình cầu Bà Trà 44 3.1.1 Kích thức hình học kết cấu nhịp 44 3.1.2 Số liệu dầm chủ 44 3.1.3 Vật liệu dầm chủ 44 3.1.4 Dầm ngang 45 3.1.5 Bản mặt cầu 45 3.1.6 Lề người 45 3.1.7 Lan can 45 3.1.8 Các đặt trưng hình học 46 3.2 Xác định nội lực cầu Bà Trà 48 3.2.1 Các tải trọng tác dụng lên dầm cầu 48 3.2.2 Tính hệ số phân bố hoạt tải theo 49 3.2.3 Các hệ số tải trọng 52 3.2.4 Tính toán nội lực tiết diện dầm 53 3.2.5 Tổ hợp nội lực 58 3.3 Xác định sức kháng uốn cầu Bà Trà 61 3.4 Xác định sức kháng cắt cầu Bà Trà 63 3.5 Kiểm tra khả chịu lực kết cấu trước gia cường 66 3.5.1 Khả chịu uốn kết cấu 66 3.5.2 Khả chịu cắt kết cấu 66 3.6 Kiểm tra khả chịu lực kết cấu sau gia cường 67 3.6.1 Các thông số kỹ thuật sợi gia cường 67 3.6.2 Kiểm tra khả chịu uốn kết cấu 68 3.6.3 Kiểm tra khả chịu cắt kết cấu 73 3.7 Kết luận chương 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON Học viên: Nguyễn Tấn Danh, Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 60.58.0205, Khóa:33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Trong cơng tác sửa chữa tăng cường kết cấu nhịp cầu BTCT bằng sợi CFRP, cần đặc biệt chú ý đặt CFRP vào vị trí cần tăng cường khả chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng khả chịu kéo sơị CFRP Vật liệu CFRP có cường độ chịu kéo mơ đun đàn hồi cao, đa dạng chủng loại, trọng lượng nhẹ, thi cơng dễ dàng nhanh chóng, khơng cần đập phá kết cấu giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, thi cơng khơng cần sử dụng coffa, tốn nhân cơng, khơng cần máy móc đặc biệt, khơng cần bão dưỡng chống rỉ trình khai thác Từ nhiều cơng thức trình bày, hệ thống hóa cơng thức bằng số sơ đồ khối để thuận tiện cho việc tính tốn Kết tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng sợi carbon, kết cấu đảm bảo khả chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ I, sức kháng uốn lớn vị trí nhịp tăng 15%, sức kháng cắt gối tăng lên 85%, đảm bảo cho cầu trì tải trọng khai thác HL93 Vì vậy, thấy rằng sử dụng sợi cacbon tăng cường cho dầm BTCT cải thiện đáng kể khả chịu lực dầm Từ khóa - sợi CFRP; trọng lượng nhẹ; mô đun đàn hồi cao; kết cấu nhịp; cầu Bà Trà (5 từ khóa) STUDY ON THE STRUCTURE OF CARBON CARBIDE FIBER SHRIMP Abstract - In the repair and reinforcement of reinforced concrete spheres with CFRP, special care should be taken to place the CFRP in place to increase the strength with the direction of the fiber in accordance with the force to take advantage of the ability Bearing of CFRP plate CFRP materials have high tensile strength and elastic modulus, variety of type, light weight, quick and easy construction, no need to smash the structure retains the old shape, use coffa, less labor, no special machinery, no anti-rust conditioning during the exploitation Since many formulas are presented, they have systematized the formulas with a number of block diagrams to facilitate the computation The results of calculating the Ba Tra bridge structure with carbon fiber sheet, the structure ensures the strength of the strength limit state I, the maximum bending resistance in the middle of the increase of 15%, the resistance Cutting at the pillow increased to 85%, ensuring the maintenance of the load bearing capacity of HL93 Therefore, it can be seen that the use of carbon fiber reinforcement for reinforced concrete beams significantly improved the bearing strength of the beams Key words - CFRP fiber sheet; light-weight; high elastic modulus; rhythmic structure; Ba Tra Bridge DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite sợi aramid) GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite sợi thủy tinh) CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite sợi cacbon) ACI : American Concrete Insitute (Tiêu chuẩn viện bê tông Mỹ) AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội viên chức giao thông đường Hoa Kỳ) ACMA : American Composites Manufactures Association Hiệp hội doanh nghiệp sản xuất composite Mỹ BTCT : Bê tông cốt thép BTCTDƯL : Bê tông cốt thép dự ứng lực CT : Công trình KC : Kết cấu TCN : Tiêu chuẩn ngành TTGH CĐ : Trạng thái giới hạn cường độ TTGH SD : Trạng thái giới hạn sử dụng FRP : Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite) DC DW LL PL : Tĩnh tải giai đoạn : Tĩnh tải giai đoạn : Hoạt tải xe HL93 : Hoạt tải người DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Mô men tĩnh đáy dầm 46 3.2 Mơ men qn tính 47 3.3 Đặc trưng hình học mặt cắt giai đoạn II 47 3.4 Hệ số phân bố ngang cho dầm 52 3.5 Bảng hệ số tải trọng 53 3.6 Bảng tổng hợp giá trị mômen mặt cắt hoạt tải gây 55 3.7 Bảng tổng hợp giá trị lực cắt mặt cắt hoạt tải gây 57 3.8 Bảng tổng hợp giá trị nội lực mặt cắt hoạt tải gây 58 3.9 Bảng tổng hợp giá trị nội lực dầm mặt cắt tỉnh tải gây 58 3.10 Bảng tổng hợp giá trị nội lực dầm mặt cắt tỉnh tải gây 58 3.11 Bảng tổng hợp giá trị nội lực mặt cắt người gây 58 3.12 Tổ hợp nội lực TTGHCĐ I dầm 59 3.13 Tổ hợp nội lực TTGHCĐ I dầm 60 3.14 Tổ hợp nội lực TTGHSD dầm 60 3.15 Tổ hợp nội lực TTGHSD dầm 60 3.16 Tổng hợp sưc kháng uốn danh định mặt cắt 63 3.17 Chiều cao chịu cắt hữu hiệu 64 3.18 Tổng hợp sức kháng cắt mặt cắt 65 3.19 Bảng kiểm tra sức kháng uốn dầm 66 3.20 Bảng kiểm tra sức kháng uốn dầm 67 3.21 Bảng tổng hợp thông số vật liệu 68 3.22 Bảng đặc trưng hình học 68 3.23 Bảng tổng hợp biến dạng ban đầu mặt cắt 69 Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.24 Bảng tổng hợp biến dạng sợi mặt cắt 70 3.25 Bảng tổng hợp chiều cao vùng bê tông chịu nén mặt cắt 70 3.26 Bảng tổng hợp biến dạng có hiệu sợi mặt cắt 70 3.27 Bảng tổng hợp biến dạng cáp DƯL mặt cắt 71 3.28 Bảng tổng hợp ứng suất cáp DƯL sợi mặt cắt 71 3.29 Bảng tổng hợp α1, β1 mặt cắt 72 3.30 Bảng tổng hợp chiều cao vùng bê tông chịu nén mặt cắt 72 3.31 Bảng tổng hợp sức kháng uốn mặt cắt 72 3.32 Bảng tổng hợp thông số vật liệu gia cường chịu cắt mặt cắt 73 3.33 Bảng tổng hợp thông số vật liệu gia cường chịu cắt mặt cắt 73 3.34 Bảng tổng hợp biến dạng sợi chịu cắt chịu cắt mặt cắt 74 3.35 Bảng tổng hợp khả tăng cường sợi mặt cắt 74 3.36 Bảng tổng hợp sức kháng cắt dầm sau tăng cường mặt cắt 74 74 - Hệ số triết giảm k1: k1 = ( 145.037fc' )2/3 4000  d fv − Le    d fv  - Hệ số triết giảm k2: k =  - Hệ số dính bám sợi: k v = k1k Le  0.75 11900ε fu - Biến dạng có hiệu sợi: εfe = k vεfu  0.004 Bảng 3.34 Bảng tổng hợp biến dạng sợi chịu cắt chịu cắt mặt cắt Kí hiệu Gối L/8 Chiều dài dính bám có hiệu Le 20,12 20,12 Hệ số triết giảm k1 k1 1,172 1,172 Hệ số triết giảm k2 k2 0,939 0,948 Hệ số dính bám sợi kv 0,230 0,233 Biến dạng có hiệu sợi εfe 0,0019 0,0019 c Tính tốn khả tăng cường sợi - Diện tích sợi chống cắt: Afv = 2nt f w f L/4 30,07 1,172 0,933 0,342 0,0028 Đơn vị mm - Ứng suất trong sợi: ffe = εfe Ef - Sức kháng cắt sợi: Vf = Afv f fe (sinα + cos )d fv sf Bảng 3.35 Bảng tổng hợp khả tăng cường sợi mặt cắt Kí hiệu Afv Gối 800,00 L/8 800,00 L/4 400,00 Diện tích sợi chống cắt Ứng suất trong ffe 178,30 180,08 264,86 sợi Sức kháng cắt sợi Vf 235,35 280,92 238,38 d Tính toán sức kháng cắt dầm sau tăng cường - Hệ số sức kháng cắt  =0,9 Đơn vị mm2 Mpa KN - Hệ số triết giảm sức kháng cắt sợi  f =0,85 - Sức kháng cắt tính tốn sau tăng cường: Vn =  (Vc + Vs + f V f ) Bảng 3.36 Bảng tổng hợp sức kháng cắt dầm sau tăng cường mặt cắt Kí hiệu Sức kháng cắt danh định cốt thép Sức kháng cẳt sợi Sức kháng cắt tính tốn Gối min(Vn1,Vn2) 234,16 fVf Vn 200,05 390,79 L/8 L/4 Đơn vị 152,03 123,82 KN 238,78 351,73 202,62 293,80 KN KN 75 Lực cắt tính tốn với TH1 Vu 363,75 295,16 228,20 KN Kết luận Đạt Đạt Đạt - Qua kết tính tốn gia cường sức kháng cắt vị trí Gối, L/8, L/4 sức kháng uốn dầm đạt tăng lên 85% nhịp, 157% tiết diện L/8, 163% vị trí L/4 Lực cắt BIỂU ĐỒ SO SÁNH LỰC CẮT TTGH DC1 (HL93) VỚI SỨC KHÁNG CẮT SAU KHI GIA CƯỜNG 450.00 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 - Vu Vr 363.75 351.73 293.80 390.79 295.16 228.20 363.75 390.79 295.16 351.73 228.20 293.80 132.92 112.82 112.82 132.92 L/2 chiều dài nhịp 3.7 Kết luận chương Kết tính tốn dầm BTCT cầu Bà Trà, sử dụng lớp sợi Tấm Tyfo SCH41 tăng cường sức kháng uốn cho dầm hiệu tăng cường sức kháng uốn nhịp tăng lên 15%, sức kháng cắt gối tăng lên 85%, đảm bảo cho cầu trì tải trọng khai thác HL93 Qua nhận thấy việc tăng cường khả chịu lực cho dầm BTCT bằng sợi cacbon cải thiện đáng kể khả làm việc dầm so với trước tăng cường 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn tiến hành nghiên cứu gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng phương gia cường bằng sợi carbon để đảm bảo khả chịu tải cầu thực tế khai thác Các kết đạt luận văn bao gồm: - Qua kiểm tra theo TTGH CD1 ta thấy giá trị thỏa mãn Dầm cầu sau tăng cường bằng vật liệu FRP tất tiết diện cầu có khả chịu tải trọng tương đương với tải trọng xe thiết kế HL93 - Sau gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng sợi carbon, kết cấu đảm bảo khả chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ I, sức kháng uốn lớn vị trí nhịp tăng 15%, sức kháng cắt gối tăng lên 85%, đảm bảo cho cầu trì tải trọng khai thác HL93 - So sánh với kết gia cường vào năm 2012, cầu Bà Trà cần gia cường tăng thêm 01 lớp dán sợi carbon nhịp vị trí sườn dầm để đảm bảo khả khai thác với tải trọng HL93 - Nghiên cứu cho thấy vật liệu sợi carbon có nhiều ưu điểm như: Cường độ chịu kéo mô đun đàn hồi lớn trọng lượng nhỏ, khả chịu tác động môi trường cao, phương pháp thi cơng đơn giản tác động đến kết cấu trạng Tuy nhiên luận văn số hạn chế: Luận văn chưa sâu vào nghiên cứu so sánh phương pháp gia cường bằng sợi carbon với hình thức gia cường khác như: dán thép, căng cáp dự ứng lực Hướng nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu tính tốn lựa chọn giải pháp gia cường cầu Bà Trà TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ Giao thông vận tải (2002), Mở rộng nâng cấp, sửa chữa cầu Sài Gịn phương pháp dự ứng lực ngồi, Tập 1, Cơ sở tính tốn cấu tạo kết cấu bê tơng dự ứng lực ngồi [2] KS Nguyễn Xn Bích (2005), Sữa chữa gia cố kết cấu BTCT, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Tấn Dũng (2010), Nghiên cứu công nghệ dán chất dẻo sợi bon để sửa chữa tăng cường khả chịu lực kết cấu nhịp giản đơn cầu dầm bê tông cốt thép, Luận án thạc sỹ kỹ thuật [4] TS Hoàng Phương Hoa (2012), Khai thác sữa chữa – gia cố cơng trình cầu, NXB xây dựng, Hà Nội [5] Nguyễn Việt Hùng, Lưu Quang Thìn, Phân tích PTHH dầm bê tông cốt thép gia cường dải Polymer cốt sợi, Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ cố hư hỏng cơng trình xây dựng [6] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 - 05 (2005), NXB Giao thông Vận tải [7] TS Phạm Văn Thoan (2013), Hướng dẫn thiết kế Cầu bê tông cốt thép theo 22TCN272-05, NXB Xây dựng [8] Nguyễn Chí Thanh (2011), “Nghiên cứu thực nghiệm sức chịu tải dầm bê tông cốt thép chịu uốn gia cường bằng composite”, Tạp chí Người Xây Dựng, số 238, Tháng 8, năm 2011 [9] Nguyễn Chí Thanh (2011), “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn bê tông cốt thép gia cường bằng composite”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi mơi trường, số 34, Tháng 9, năm 2011 [10] Nguyễn Chí Thanh (2014), “Khảo sát số sức không uốn mặt cắt bê tông cốt thép gia cường bằng composite”, Tạp chí Tài Nguyên nước, số 04, Tháng 10, năm 2014 [11] Nguyễn Chí Thanh (2016), “Khảo sát ứng xử kết cấu cống bê tông cốt thép trước sau gia cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp (FRP)”, Tạp chí Tài nguyên nước, Số 01, 2016 [12] Ngô Quang Tường (2007), “Sửa chữa gia cố công trình bê tơng cốt thép bằng phương pháp dán nhờ sử dụng vật liệu FRP”, Tạp chí Phát triển KH&CN, Số 10, 2007 Tiếng Anh [13] ACI 440.2R-08 (2008), Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich, July, 2008 [14] ACI 318-95 (1999), Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-95) and Commentary (318R-95), American Concrete Institute (ACI), Fifth Printing, Farmington Hills, Michigan, USA, 369 pp, 1999 [15] ACI 440R (1996), State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) for Concrete Structures, ACI Manual of Concrete Practice, Part 5, American Concrete Institute, Detroit, MI, 68 pp, 1996 [16] ACI Committee 440H (2000), Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich, 97 pp, 2000 [17] M Achintha, C Burgoyne: Fracture Mechanics of Plate Debonding, FRPRCS- 8, Greece, July 16-18, 2007 [18] M Achnintha, C Burgoyne: Strain Enery of Beams with External FRP Reinforcement, FRPRCS-8, Greece, July 16-18, 2007 ... trung nghiên cứu áp dụng gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà sợi carbon Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Cầu Bà Trà lý trình Km 1077+482 nằm tuyến Quốc lộ - Phạm vi nghiên. .. khả chịu lực kết cấu cầu BTCT 2.5 Kết luận chương Chương Tính tốn gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng sợi carbon 3.1 Các số liệu cơng trình cầu Bà Trà 3.2 Xác định nội lực cầu Bà Trà 3.3 Xác... cầu hành, tiêu chuẩn 22TCN 272-05 để gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng sợi carbon Kết cấu luận văn Chương Các dạng hư hỏng cầu BTCT khả gia cường bằng sợi carbon 1.1 Các dạng hư hỏng cầu