luận án tiến sĩ nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG PHAN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT HỖN HỢP THÉP VÀ POLYME CỐT SỢI THỦY TINH Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG PHAN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT HỖN HỢP THÉP VÀ POLYME CỐT SỢI THỦY TINH Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 9580201 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS LÊ BÁ HUẾ Hà Nội - Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Phan Minh Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Bá Huế tận tình hướng dẫn, cho nhiều dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án nâng cao lực khoa học cho tác giả Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô Bộ môn cơng trình Bê tơng cốt thép trường Đại Học Xây Dựng có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng q báu cho tác giả q trình hồn thiện luận án Cảm ơn Phịng thí nghiệm LAS-XD125, Khoa xây dựng dân dụng công nghiệp, Khoa đào tạo Sau đại học nơi tác giả nghiên cứu hoàn thành luận án Cuối tác giả bày tỏ lòng biết ơn người thân gia đình động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn với tác giả trình thực luận án Tác giả luận án Phan Minh Tuấn iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt v Danh mục bảng ix Danh mục hình vẽ, đồ thị xi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP 1.1 Giới thiệu vật liệu polyme cốt sợi FRP 1.1.1 Đặc tính loại cốt FRP 1.1.2 Tính chất lý 1.1.3 Lịch sử phát triển cốt FRP vấn đề sử dụng cốt hỗn hợp thép FRP 1.2 Tổng quan nghiên cứu dầm bê tông cốt SGFRP 10 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu thực nghiệm 11 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu lý thuyết mơ hình số 23 1.2.3 Tổng quan nghiên cứu lý thuyết qua cơng thức tính tốn 29 1.3 Nhận xét rút từ tổng quan 34 Chương 2: XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TỐN DẦM BÊ TƠNG CỐT SGFRP CHỊU UỐN 36 2.1 Các dạng phá hoại dầm bê tông cốt SGFRP 36 2.2 Tính tốn dầm bê tơng cốt SGFRP theo phương pháp lặp 37 2.3 Tính tốn dầm bê tông cốt SGFRP theo công thức cốt hỗn hợp tương đương 46 2.3.1 Quan hệ ứng suất biến dạng cốt SGFRP tương đương 46 2.3.2 Xác định thông số đường quan hệ ứng suất-biến dạng cốt SGFRP 49 2.3.3 Sự làm việc dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 52 2.3.4 Hàm lượng mô men giới hạn dầm bê tông cốt SGFRP 54 2.3.5 Kiểm tra khả chịu lực dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 58 2.3.6 Thiết kế dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 62 2.3.7 Tính tốn độ võng dầm bê tơng cốt SGFRP tương đương 68 2.3.8 Tính tốn bề rộng vết nứt dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 79 2.3.9 Tính tốn độ dẻo dầm bê tông cốt SGFRP tương đương 85 iv 2.4 Nhận xét chương 91 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SGFRP 92 3.1 Mục tiêu nghiên cứu 92 3.2 Mẫu thí nghiệm 92 3.3 Thí nghiệm gia tải xác định mơ men uốn dầm 94 3.3.1 Thiết bị thí nghiệm 94 3.3.2 Thiết bị đo biến dạng (Strain gauges) 95 3.3.3 Cốp pha 96 3.3.4 Cốt thép cốt GFRP 97 3.3.5 Đổ bê tông bảo dưỡng 98 3.3.6 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông 99 3.3.7 Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi bê tông 100 3.3.8 Thí nghiệm định đặc trưng học cốt thép 101 3.3.9 Thí nghiệm xác định đặc trưng học cốt GFRP 102 3.3.10 Quy trình thí nghiệm 103 3.4 Tổng hợp, đánh giá kết thí nghiệm 104 3.4.1 Số liệu thí nghiệm cách xử lý 104 3.4.2 Sự làm việc dầm thí nghiệm 104 3.4.3 Giá trị mô men gây nứt Mcr 106 3.4.4 Giá trị mơ men thép chảy My cho nhóm dầm cốt hỗn hợp 107 3.4.5 Giá trị mô men giới hạn Mu 108 3.4.6 Quan hệ lực độ võng 109 3.4.7 Quan hệ lực bề rộng vết nứt: 117 3.4.8 Độ dẻo dầm 129 3.5 Nhận xét chương 131 KẾT LUẬN 132 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 PHỤ LỤC PL1 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ Latinh viết hoa A Diện tích tiết diện Lực nén dầm DFĐộ dẻo dầm EbMô đun đàn hồi bê tông Eb,redGiá trị mô đun đàn hồi bê tông quy đổi nén C Eb1Giá trị mô đun đàn hồi bê tông quy đổi ban đầu EcMô đun đàn hồi bê tông EfMô đun đàn hồi cốt GFRP EIMô đun đàn hồi giai đoạn I cốt hỗn hợp SGFRP EIIMô đun đàn hồi giai đoạn II cốt hỗn hợp SGFRP EsMô đun đàn hồi cốt thép EsfMô đun đàn hồi cốt hỗn hợp SGFRP Esf,redIGiá trị mô đun đàn hồi giai đoạn I quy đổi cốt SGFRP Esf,redII Giá trị mô đun đàn hồi giai đoạn II quy đổi cốt SGFRP I Mơ men qn tính tiết diện bê tơng IredMơ men qn tính tiết diện quy đổi IsfMơ men quán tính tiết diện cốt chịu kéo LChiều dài nhịp dầm LsfKhoảng cách sở vết nứt thẳng góc kề MMơ men uốn McrcMơ men hình thành vết nứt MmaxMơ men uốn giới hạn lớn để dầm phá hoại dẻo Mmax,eMô men uốn giới hạn lớn hiệu để dầm phá hoại dẻo MminMô men uốn giới hạn nhỏ để dầm phá hoại dẻo MuMô men uốn giới hạn P Rb Rbm Lực tác dụng Cường độ chịu nén tính tốn bê tông theo trạng thái giới hạn I Cường độ chịu nén trung bình bê tơng mẫu lập phương vi Rbn Rbser Rbt Rbtn Rbtser Rf Rfn Rs Rsf,u Rsf,y Rsn St,red T Tf Ts Wpl Wred Cường độ chịu nén tiêu chuẩn bê tông Cường độ chịu nén tính tốn bê tơng theo trạng thái giới hạn II Cường độ chịu kéo tính tốn bê tông theo trạng thái giới hạn I Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn bê tông Cường độ chịu kéo tính tốn bê tơng theo trạng thái giới hạn II Cường độ tính tốn cốt GFRP Cường độ tiêu chuẩn cốt GFRP Cường độ tính tốn cốt thép Cường độ giới hạn kéo cốt hỗn hợp SGFRP Cường độ chảy cốt hỗn hợp SGFRP Cường độ tiêu chuẩn cốt thép Mô men tĩnh diện tích tiết diện quy đổi Lực kéo dầm Lực kéo cốt GFRP Lực kéo cốt thép Mô men kháng uốn đàn hồi tiết diện quy đổi Mô men kháng uốn Chữ Latinh viết thường acrc f'c Bề rộng vết nứt Chiều rộng dầm Chiều dầy lớp bê tông bảo vệ Độ võng dầm Cường độ chịu nén đặc trưng bê tông mẫu lăng trụ f'c Cường độ chịu nén trung bình bê tơng mẫu lăng trụ b c f m fcu fy h h0f h0s Cường độ chịu nén đặc trưng bê tông mẫu lập phương Giới hạn chảy cốt thép Chiều cao dầm Chiều cao hữu ích dầm tới trọng tâm cốt GFRP Chiều cao hữu ích dầm tới trọng tâm cốt thép h0s Chiều cao hữu ích dầm tới trọng tâm cốt hỗn hợp SGFRP f Chiều dầy (chiều cao) phần tử bê tông thứ i hi Tỷ số diện tích cốt thép với cốt GFRP, As/Af x Chiều cao bê tông vùng nén quy đổi x*Chiều cao bê tông vùng nén x*RChiều cao bê tông vùng nén giới hạn m vii x*R,e Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn hiệu x*R,y x*y Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn Chiều cao bê tông vùng nén thép chảy xR xR,e Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn quy đổi Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn hiệu quy đổi xR,y xy Chiều cao bê tông vùng nén giới hạn quy đổi Chiều cao bê tông vùng nén thép chảy quy đổi Khoảng cách từ thớ bê tông chịu kéo nhiều đến trọng tâm tiết diện quy đổi yt Chữ Hy Lạp αm εs2 εsf αR εsf,el αR, η µmax e εsfu αR, µmax1 y µmax2 αsf, I αsf, II εb εb0 εb1 εb2 εbi εf εfu εs εs,e l εs0 G k G h i G G m T = T B B H B m B B l B ợ B n B g T c H ố t d ọ c t ố i đ a đ ể d ầ m p h h o i d ẻ o k h i m = ∞ Mô đun EI = Ta có σ kmEs + Ef =101064 (Mpa) km +1 EI = E I = 357,16 (Mpa) km +1 28723(Mpa) Diện tích cốt tương đương PL-7 A → Af (mm ) sf +1 Chọn cốt GFRP 3φ12 có A s thép 2φ12 có As = 226, (mm2) PL-8 PHỤ LỤC Ví dụ minh họa việc tính tốn độ võng cho dầm bê tơng cốt SGFRP : Tương tự ví dụ phụ lục 1, cho dầm đơn giản, nhịp dầm L=2,3m chịu hai tải trọng tập trung P, khoảng cách từ gối tựa đến lực tập trung L = 0,9m Dầm có kích thước bxh = 200x300mm, bê tơng cấp độ bền B30 có R b = 17 Mpa, dầm bố trí cốt GFRP chịu lực 3φ12 phía ngồi với lớp bê tông bảo vệ c=20mm cốt thép chịu lực 2φ12 phía Biết cốt GFRP có cường độ Rfn = 900Mpa, môđun Ef = 45000Mpa, thép chịu lực nhóm CB300-V có mơđun Es = 200000Mpa Hãy tính tốn thiết lập quan hệ lực độ võng dầm Để xác định độ cong (hay độ võng dầm), ta cần thay giá trị tính tốn vật liệu thành giá trị tiêu chuẩn hay giá trị tính tốn theo trạng thái giới hạn Cường độ bê tông Rb , n = Rb , ser = 22 Cường độ cốt GFRP R  0,8.900 = 720 (Mpa) Từ ta tính giá trị đặc trưng cốt tương đương: EI = 101064 (Mpa); EII = 28723 (Mpa); Rsf,y = 167,6 (Mpa); Rsf,y = 579,6 (Mpa); Các giá trị mô men nứt Mcrc = 7,22 (kNm) mô men chảy My = 22,3 (kNm) Lần lượt cho tải trọng tăng dần từ tài trọng giới hạn theo cấp, ứng với cấp ta xác định giá trị độ võng tương ứng Từ đó, thiết lập đường quan hệ lực độ võng dầm sau: 60.00 50.00 P (kN) 40.00 30.00 20.00 Hình PL4.1 Biểu đồ quan hệ lực độ võng Mpa PL-9 PHỤ LỤC Ví dụ minh họa việc dự đoán bề rộng vết nứt cho dầm bê tông cốt SGFRP : Hãy thiết lập quan hệ lực bề rộng vết nứt II acrc (tính theo SP 295.1 325800.2017) với dầm có thơng số sau: Dầm đơn giản, nhịp dầm L=2,3m chịu hai tải trọng tập trung P, khoảng cách từ gối tựa đến lực tập trung L1 = 0,9m Dầm có kích thước bxh = 200x300mm, bê tông cấp độ bền B30, dầm bố trí cốt GFRP chịu lực 3φ12 phía ngồi với lớp bê tông bảo vệ c=20mm cốt thép chịu lực 2φ12 phía Biết cốt GFRP có cường độ Rfn = 900Mpa, mơđun Ef = 45000Mpa, thép chịu lực nhóm CB300-V có mơđun Es = 200000Mpa Cường độ bê tông Rb , n = Rb , ser = 22Mpa Cường độ cốt thép Rs , n = 300 Mpa Cường độ cốt GFRP R  0,8.900 = 720 (Mpa) Từ ta tính giá trị đặc trưng cốt tương đương: EI = 101064 (Mpa); EII = 28723 (Mpa); Rsf,y = 167,6 (Mpa); Rsf,u = 579,6 (Mpa); Các giá trị mô men nứt Mcrc = 7,22 (kNm) mô men chảy My = 22,3 (kNm) P (kN) Lần lượt cho tải trọng tăng dần từ tài trọng giới hạn theo cấp, ứng với cấp ta xác định giá trị bề rộng vết nứt tương ứng Từ đó, thiết lập đường quan hệ lực bề rộng vết nứt dầm hình sau: Hình PL5.1 Biểu đồ quan hệ lực bề rộng vết nứt PL-10 PHỤ LỤC Vị trí cảm biến để đo biến dạng bê tông, cốt thép cốt GFRP quan hệ lực biến dạng bê tông, cốt GFRP cốt thép theo kết thực nghiệm: P Hình PL6.1 Vị trí cảm biến nhóm dầm D1, D2 D3 P P BT GR2 GR1 G2 G1 Hình PL6.2 Vị trí cảm biến nhóm dầm D4, D5 80 70 60 P (kN) 50 40 30 20 -5000 -2500 10 0 Hình PL6.3 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D1-1 PL-11 80 70 60 50 P (kN) BD T1 40 BD T2 30 BD G1 BD G2 20 BD BT 10 -5000 -2500 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 25000 ε.10−6 Hình PL6.4 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D1-2 80 70 60 P (kN) 50 40 30 20 10 -7500 -5000 -2500 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 25000 27500 30000 32500 ε.10−6 Hình PL6.5 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D2-1 PL-12 90 80 70 P (kN) 60 50 40 30 20 -7500 -5000 -2500 10 0 ε.10−6 P (kN) Hình PL6.6 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D2-2 -5000 -2500 Hình PL6.7 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D3-1 100 90 80 70 P (kN) 60 50 40 30 20 10 Hình PL6.8 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D3-2 5 7 P (kN) 5 5 5 BD G1 BD G2 BD BT BD T1 BD T2 -5686 -2843 2843 5686 8529 11372 14215 17058 19901 22744 25587 28430 31273 34116 36959 39802 ε.10−6 Hình PL6.9 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D4-1 PL-14 80 70 60 50 P (kN) BD G1 40 BD G2 BD GR1 30 BD GR2 BD BT 20 10 -5000 -2500 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 25000 ε.10−6 P (kN) Hình PL6.10 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D4-2 -5000 -2500 Hình PL6.11 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D5-1 PL-15 85 80 75 70 65 60 55 50 BD G1 P (kN) 45 BD G2 40 35 BD GR1 30 BD GR2 25 BD BT 20 15 10 -5000 -2500 2500 5000 7500 10000 12500 ε.10−6 15000 17500 20000 22500 25000 Hình PL6.12 Biểu đồ quan hệ lực biến dạng vật liệu dầm D5-2 ... FRP Nghiên cứu đề xuất quy trình tính tốn cụ thể đầy đủ làm việc chịu uốn dầm bê tông cốt hỗn hợp thép polyme cốt sợi thủy tinh (dầm bê tông cốt SGFRP) tuân thủ theo TCVN 5574:2018 việc làm cần... cho dầm cốt FRP sử dụng cốt hỗn hợp thép GFRP (cốt SGFRP) Đây loại cốt nghiên cứu luận án 1.2 Tổng quan nghiên cứu dầm bê tông cốt SGFRP Thanh polyme cốt sợi FRP coi vật liệu thay cho cốt thép. .. phân tích làm việc dầm bê tông cốt thép, cốt FRP cốt hỗn hợp thép FRP Tiêu chuẩn CNR DT 203/2006 dự đốn tốt làm việc dầm bê tông cốt FRP cốt hỗn hợp thép FRP Các mơ hình số tin cậy cho dầm có hàm