Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon cfrp thi công trong môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN MINH NGA C C ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC R L T DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN MINH NGA ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC C C R L T DU Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LAN Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Văn Minh Nga C C DU R L T ii ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Học viên: Lê Văn Minh Nga, chuyên ngành: Kỷ thuật XDCT giao thơng Mã số: 85.80.205 Khóa K36.XGT Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám ngồi (vật liệu FRP) kết hợp keo epoxy áp dụng rộng rãi thế giới từ năm 1980 Châu Âu, Mỹ, Canada, Úc Nhật Bản nhờ có cường độ cao, khả chống ăn mòn tốt Vật liệu bắt đầu nghiên cứu sử dụng Việt Nam để sửa chữa tăng cường khả chịu lực cho kết cấu BTCT số lĩnh vực khác Do ưu điểm cường độ chịu kéo cao khơng bị ăn mịn mơi trường xâm thực FRP sử dụng để vừa bảo vệ vừa gia cường kết cấu BTCT ngập nước Luận văn nghiên cứu sở tính tốn thiết kế dầm BTCT gia cường vải sợi bon (CFRP) kết hợp chất dính bám keo Epoxy Qua thực nghiệm kết hợp sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ATENA để phân tích, đánh giá, so sánh khả chịu uốn dầm BTCT thường, dầm BTCT gia cường vải sợi cabon CFRP (thi công khô môi trường nước) Phần mềm ATENA phần mềm chuyên phân tích kết cấu BTCT phi tuyến làm việc giai đoạn đàn hồi giai đoạn xuất phát triển vết nứt đến phá hoại dầm Để kiểm chứng ứng xử khả chịu uốn dầm BTCT gia cường vải sợi cacbon (CFRP), chương trình thực nghiệm thực bao gồm: chế tạo 06 dầm BTCT, kích thước (150x150x2500) mm Trong 02 dầm khơng gia cường, 04 dầm gia cường vải sợi cacbon (02 dầm thi công khô 02 dầm thi công nước) Tiến hành thí nghiệm phá hoại dầm, trình thí nghiệm dầm, đại lượng biến dạng, độ võng, đồ vết nứt, kích thước vết nứt đo đạt theo cấp tải đến dầm bị phá hoại Kết nghiên cứu cho thấy, ứng xử dầm theo thực nghiệm phù hợp với tiêu chuẩn thiết bê tông cốt thép ACI kết phân tích phần mềm phần tử hữu hạn ATENA Từ khóa: Phần tử hữu hạn (PTHH), vật liệu sợi polymer (FRP), Bê tông cốt thép, bảo vệ bê tông, keo epoxy C C R L T DU ASSESSMENT OF CRIMPING CAPACITY OF REINFORCED CONCRETE BEAM REINFORCED WITH CFRP CONSTRUCTION IN WATER ENVIRONMENT Abstract The high-strength fiber-reinforced external bonded (FRP material) combined with epoxy resin has been widely used in the world since the mid-1980s in Europe, USA, Canada, Australia and Japan thanks to the high strength and good corrosion resistance This material is beginning to be researched and used in Vietnam to repair and strengthening the reinforced concrete structure and some other fields Due to the advantage of high tensile strength and no corrosion in aggressive environments the FRP is used to strengthening and protect concrete structure that flooded in water This thesis studies the basis of calculating the reinforced concrete beam design with carbon fiber fabric (CFRP) combined with epoxy resin Through combined experiments and using ATENA finite element software to analyze, evaluate and compare the bending resistance of normal reinforced concrete beams, reinforced concrete beams by CFRP (construction on dry and in lips water) ATENA software is a software specializing in analyzing nonlinear reinforced concrete structures working in the elastic phase as well as the stage of appearance and development of cracks until damaging In order to verify the flexural behaviors of reinforced concrete beams reinforced with CFRP, an experimental program was implemented including manufacturing 06 reinforced concrete beams, size (150x150x2500) mm Of which 02 beams are not reinforced, 04 beams are reinforced with CFRP (02 beams constructed on dry and 02 beams constructed in the water) Conducting beam damage test, during beam testing, strain quantities, deflection, crack map, crack size are measured according to the load levels until the beam is damaged The results show that the experimental beam behavior is quite consistent with ACI's reinforced concrete design standards and analysis results using ATENA finite element software Key words: Finite element (PTHH), Fiber reinforced polymer (FRP), reinforced concrete, concrete protect, Epoxy resin iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài 2.Mục tiêu nghiên cứu đề tài 3.Đối tượng nghiên cứu 4.Phương pháp nghiên cứu 5.Bố cục đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1.1 CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC .3 1.2 CÁC DẠNG HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC .4 1.3 CÔNG NGHỆ BẢO VỆ, GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CFRP .6 1.3.1 Đặc tính vật lý vật liệu FRP 10 1.3.2 Đặc tính lý vật liệu FRP 10 1.3.3 Ứng xử vật liệu FRP phụ thuộc vào thời gian: 13 1.3.4 Chất lượng vật liệu FRP: 14 1.3.5 Một số công nghệ thi công vật liệu FRP: 14 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 16 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG17 BẰNG CFRP 17 2.1 THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG CFRP 17 2.1.1 Các yêu cầu để thiết kế tăng cường khả chịu lực cho kết cấu bê tông 17 2.1.2 Đánh giá đặc trưng lý vật liệu FRP thị trường Việt Nam theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08 tiêu chuẩn BD 90/05 21 2.2 TÍNH TỐN SỨC KHÁNG UỐN DẦM BTCT GIA CƯỜNG CFRP 24 2.2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn sức kháng uốn dần BTCT gia cường CFRP 24 2.2.2 Ví dụ tính toán sức kháng uốn dầm BTCT gia cường CFRP 35 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 39 C C DU R L T iv CHƯƠNG THỰC NGHIỆM DẦM BTCT GIA CƯỜNG CFRP DÁN DƯỚI NƯỚC 40 3.1 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 40 3.1.1 Chế tạo mẫu dầm BTCT cho thí nghiệm 40 3.1.2 Trình tự thực nghiệm dầm: .40 3.1.3 Sơ đồ thực nghiệm nén dầm .43 3.1.4 Kết thí nghiệm 43 3.2 TRÌNH TỰ MƠ PHỎNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN ATENA 51 3.3 KẾT QUẢ TỪ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM ATENA CHO DẦM BÊ TÔNG THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG CFRP 58 3.4 PHÂN TÍCH, BÀN LUẬN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 60 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 62 3.6 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) C C DU R L T v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng 1.1 Các đặc trưng học cốt sợi 1.2 Các đặc trưng học chất 1.3 Một số đặc trưng tiêu biểu hệ thống sợi FRP Các tiêu lý yêu cầu vật liệu FRP theo tiêu 2.1 chuẩn BD90/05 Các tiêu lý yêu cầu vật liệu FRP theo tiêu 2.2 chuẩn ACI440.2R-08 Giá trị ứng suất cộng thêm có xét đến giới hạn uwgs 2.3 suất lặp 3.1 Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT thường Dầm 3.2 Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT thường Dầm 3.3 Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP Khô 3.4 Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP Khô 3.5 Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP nước 3.6 Bảng số liệu đo đạc cho dầm BTCT CFRP nước C C DU R L T Trang 12 12 12 21 22 35 43 44 46 46 48 49 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 Tên hình Trang Cầu bê tông cốt thép Bến cảng, bến neo đậu thuyền Hư hỏng bị ăn mịn, xy hóa Bị hư hỏng ăn mòn trụ Hư hỏng nứt Hư hỏng chuyển vị Hư hỏng bị ăn mòn Hư hỏng bị xâm thực Các loại sản phẩm vặt liệu FRP Tăng cường khả chịu lực kết cấu BTCT vật liệu CFRP Mô hình ứng suất-biến dạng vật liệu bê tơng, FRP, cốt thép sử dụng thiết kế theo tiêu chuẩn ACI, Euro Code Bê tông bị phá hoại nén Bê tông bị phá hoại nén Phá họi uốn vết nứt Phát triển bê tông cốt sợi 5 6 C C R L T DU Phá hoại cắt vết nứt phát triển bê tông cốt sợi Vật liệu FRP bị phá hoại trước (bị đứt) Phá hoại tách lớp bê tông bảo vệ cốt thép Phá hoại bong dính Mơ hình ứng suất-biến dạng dạng phá hoại Mơ hình ứng suất-biến dạng dạng phá hoại Ứng suất τc xuất gữa bê tông sợi FRP có lực tác dụng F Bố trí phương vật liệu FRP cho tăng cường khả chịu lực cột Bố trí phương vật liệu FRP cho tăng cường khả chịu lực uốn cho sàn, dầm Phạm vi bố trí vật liệu FRP cho tăng cường khả chịu lực dầm Sơ đồi khối thể tình tự tính tốn, thiết kế tăng cường khả chịu lực kết cấu bê tơng vật liệu FRP Mơ hình tính tốn sức kháng uốn Giá trị biến dạng có hiệu vật liệu FRP sử dụng thiết kê 17 18 18 18 18 18 18 19 19 19 19 20 20 20 21 27 28 vii Số hiệu hình 2.18 2.19 2.20 3.1 3.2 3.3 3.7 3.8 3.9 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 Tên hình Trang Mơ hình tính tốn biến dạng ban đầu vật liệu FRP Mơ hình tính tốn biến dạng ban đầu vật liệu FRP Mơ hình tính tốn hệ số φ Bản vẽ thiết kết dầm Kê dán thiết bị để nén dầm Lắp đặt kích thiết bị đo chuyển vị Biểu đồ quan hệ tải trọng biến dạng kéo Biểu đồ quan hệ tải trọng biến dạng nén Biểu đồ quan hệ chuyển vị tải trọng Biểu đồ quan hệ tải trọng biến dạng kéo Biểu đồ quan hệ tải trọng biến dạng nén Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị Biểu đồ quan hệ tải trọng bề rộng vết nứt cho dầm bê tông thường sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ tải trọng bề rộng vết nứt cho dầm BTCT CFRP sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị nhịp cho dầm BTCT sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị nhịp cho dầm BTCT CFRP sử dụng phần mềm Atena Biểu đồ quan hệ tải trọng bề rộng vết nứt mơ hình thực nghiệm Biểu đồ quan hệ tải trọng bề rộng vết nứt mô hình thực nghiệm 29 29 31 40 41 41 44 45 45 49 50 50 C C DU R L T 58 59 59 60 60 61 viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACI BTCT CFRP FRP GFRP PTHH : Viện bê tông Hoa Kỳ : Bê tông cốt thép : Cốt sợi cac bon : Cốt sợi poolymer (Fiber reinforced Polymer) : Cốt sợi thủy tinh : Phần tử hữu hạn C C DU R L T 66 C C DU R L T 67 C C DU R L T 68 C C DU R L T 69 C C DU R L T 70 C C DU R L T 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận + Luận văn nêu tổng quan dạng kết cấu BTCT tiếp xúc với môi trường nứt, dạng hư hỏng phổ biến kết cấu BTCT cần thiết phải bảo vệ BTCT để đảm bảo tuổi thọ lâu dài kết cấu + Từ kết nghiên cứu tính tốn lý thuyết thực nghiệm cho thấy BTCT có gia cường vải CFRP làm tăng độ cứng chống uốn dầm, giảm độ mở rộng vết nứt bê tông vùng kéo (ở cấp tải) Sức kháng uốn dầm BTCT thí nghiệm có dán CFRP lớp dày 0.4mm tăng 32% + Kết thực nghiệm cho thấy sức kháng uốn dầm BTCT gia cường CFRP dán nước không suy giảm nhiều so với dán khô, nhiên dạng phá hoại uốn dầm dán CFRP nước tách lớp CFRP bê tông vùng kéo Điều chứng tỏ lực liên kết lớp keo Eopxy dán nước thấp dán khơ + Vật liệu CFRP nước chịu tác động tia UV so với khô nên cường độ kéo khơng suy giảm, nên dùng để bảo vệ gia cường kết cấu BTCT nước Kiến nghị Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện lực dính kết CFP-bê tơng dán nước; nghiên cứu giải pháp thi công dán CFRP nước phù hợp an toàn Hướng nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu suy giảm lực dính kết theo thời gian; khả bảo vệ BTCT dán nước theo thời gian C C DU R L T DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] ACI 440.1R-06, Guide for the design and construction of structural concrete Reinforced with FRP Bars and ACI 440.5-08 specification for concrete Reinforced polyme, Reinforcing Bars Antonio Nanni, Antonio De Luca, Hany Jawaheri Zadeh Reinforced Concrete withFRP Bars: Mechanics and Design, CRC Press International Standard Book Number-13: 978-0-303-87439-5 (eBook PDF) Cao Văn Lâm, Nguyễn Lan (2016), “Đánh giá hiệu biện pháp gia cường sức kháng cắt cầu bê tông cốt thép thường phần mềm Abaqus thực nghiệm” Tạp chí GTVT Nguyễn Ngọc Long, Ngô Văn Minh, Trần Thê Truyền, Nguyễn Đắc Đức (2015), “Ứng dụng công nghệ dán FRP sửa chữa tăng cường cầu”, Tạp chí GTVT Hoàng Phương Hoa, Phan Duy Minh (2014), “Nghiên cứu gia cường dầm bê tông cốt thép vật liệu composite sợi cacbon”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 3(76), trang 28 - 31 Hoàng Phương Hoa (2011) “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite lĩnh vực cải tạo, sửa chữa cơng trình xây dựng khu vực Miền TrungTây Ngun”, Đề tài năm 2011 Nguyễn Trung Hiếu (2015), “Nghiên cứu thực nghiệm gia cường sức kháng cắt cho dầm bê tông cốt thép sợi thủy tinh”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Xây dựng, số 3, trang 01 - Vũ Văn Thành, Chỉ dẫn thi công, kiểm tra nghiệm thu kết cấu tăng cường vật liệu FRP Nguyễn Trâm, Trần Quốc Ca, Kết cấu composites NXB Xây Dựng 2012 Nguyễn Trâm, “Sử dụng vật liệu mới, Chất dẻo cốt sợi kết cấu bê tông”, Báo người Xây dựng số tháng năm 2006 Tổng hội xây dựng Việt Nam năm 2006 Nguyễn Trâm Composite-Vật liệu xây dựng kỷ XXI Nguyễn Trung Hòa (2003), Kết cấu BTCT theo qui phạm Hoa Kỳ, NXB xây dựng, Hà Nội 2003 Ngô Văn Minh, Bùi Tiến Thành, Nguyễn Tuấn Bình, Đỗ Anh Tú, Hướng dẫn tăng cường kết cấu Cầu BTCT vật liệu FRP theo Tiêu chuẩn ACI 440, NXB xây dựng, Hà Nội 2016 C C DU R L T U D L T C C R C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T ...ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN MINH NGA ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC C C R L... R L T ii ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Học viên: Lê Văn Minh Nga, chuyên ngành: Kỷ thuật XDCT giao thơng... cấu BÊ TƠNG CỐT THÉP tiếp xúc với môi trường nước Chương 2: Cơ sở lý thuyết thi? ??t kế kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP gia cường CFRP Chương 3: Thực nghiệm dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP gia cường CFRP dán nước