Nghiên cứu thiết kế tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm dán cacbon

Nghiên cứu thiết kế tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm dán cacbon

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khác . Tác giả luận văn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU .1 1. Tính cấp thiết của đề tài .1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn .4 3. Phạm vi nghiên cứu .5 4. Phương pháp nghiên cứu .5 5. Cấu trúc luận văn .5 CHƯƠNG 1 .7 TỔNG QUAN BÊTÔNG CỐT THÉP VÀ GIỚI THIỆU 7 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP .7 1.1. BÊTÔNG .7 1.1.1. Vật liệu cấu thành bêtông 7 1.1.2. Tính chất của bêtông .9 1.2. QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT 10 1.2.1. Các quá trình xuống cấp 10 1.2.2. Ăn mòn sun phát 11 1.2.3. Phản ứng kiềm-silica .11 1.2.4. Các dạng phá hoại khác 12 1.3. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT .12 1.3.1. Bêtông bị rỗ .12 1.3.2. Bêtông bị rỗng .13 1.3.3. Bêtông bị nứt nẻ 14 1.3.4. Bêtông bị vỡ lở 15 1.3.5. Bêtông quá khô .16 1.3.6. Suy thoái của bêtông .16 1.3.7. Sự làm việc mỏi của BTCT thường 16 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT 18 1.4.1. Gia cường kết cấu bằng cách tăng tiết diện .18 1.4.2. Gia cường cột bằng thép hình .19 1.4.3. Gia cường dầm bằng gối tựa cứng 20 1.4.4. Gia cường dầm bằng thanh căng ứng suất trước .21 1.4.5. Gia cường kết cấu BTCT theo công nghệ dán bản thép .21 1.5. GIA CƯỜNG KẾT CẤU BẰNG TẤM DÁN FRP .22 1.5.1. Đặc điểm của phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng tấm dán FRP 22 1.5.2. Các phương pháp thi công sửa chữa, gia cố kết cấu bằng tấm FRP .22 1.6. ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU 25 CHƯƠNG 2 27 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FIBER REINFORCED POLYME VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG DÁN TẤM COMPOSITE 27 2.1. SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU FRP VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN .27 2.2. CẤU TRÚC VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP .29 2.2.1. Cấu trúc vật liệu FRP 29 2.2.2. Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP .34 2.3. CÔNG NGHỆ DÁN TẤM DẺO SỢI FRP 36 2.4. THIẾT BỊ THI CÔNG .41 2.4.1. Thiết bị doa và mài bo tròn các góc cạnh của bêtông .41 2.4.2. Thiết bị sửa, đục bỏ và cắt bề mặt bêtông kém chất lượng, sứt vỡ .41 2.4.3. Thiết bị bơm keo Epoxy chám vá vết nứt (áp lực tối thiểu 2 bar) 41 2.4.4. Thiết bị làm sạch bề mặt bằng thủy lực 42 2.4.5. Thiết bị thổi bụi khô cầm tay 42 2.4.6. Thiết bị tẩm keo và dán tấm sợi 42 2.4.7. Bảo hộ lao động bao gồm 42 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 42 CHƯƠNG 3 .44 CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG 44 3.1. GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM. 44 3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết của Triantafillou, T. và Plevris, N. (1991) 44 3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm của Meier et al: .44 3.2. TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN VÀ SỨC KHÁNG CẮT CỦA KẾT CẤU DẦM BTCT 46 3.2.1. Mô hình tính toán sức kháng uốn của kết cấu tăng cường tấm FRP .46 3.2.2. Mô hình tính toán sức kháng cắt của kết cấu bằng tăng cường tấm FRP 51 3.3. TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM BTCT BẰNG TẤM SỢI FRP .52 3.3.1. Một số hình thức phá hoại do uốn đối với dầm BTCT tăng cường tấm sợi FRP .52 3.3.2. Hệ số sức kháng 52 3.3.3. Khối ứng suất chữ nhật tương đương .53 3.3.4. Dầm BTCT thường có tiết diện chữ nhật có cốt thép chịu kéo .54 3.3.5. Dầm BTCT thường có tiết diện chữ T 59 3.3.6. Dầm BTCT DƯL tiết diện chữ T 62 3.4. TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG CẮT CHO DẦM BTCT 66 3.4.1. Tính toán tăng cường sức kháng cắt .66 3.4.2. Kiểm tra khoảng cách các dải FRP, giới hạn lực cắt tăng cường 67 3.4.3. Sơ đồ khối tính toán lực cắt tăng cường 68 3.4.4. Neo tấm sợi FRP trong mô hình tăng cường sức kháng cắt 69 3.5. KIỂM TRA ỨNG SUẤT THEO TẢI TRỌNG KHAI THÁC 69 3.5.1. Dầm bêtông cốt thép thường: 69 3.5.2. Dầm bêtông cốt thép dự ứng lực .71 3.6 . CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN VÀ KHÁNG CẮT CỦA KẾT CẤU BTCT .71 3.7. KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG BẰNG TẤM DÁN FRP .75 3.7.1. Thiết kế tăng cường khả năng chịu lực của cột BTCT bằng tấm dán FRP .75 3.7.2. Kiểm tra ứng suất của bê tông và cốt thép trong cột chịu nén dưới tác dụng tải trọng khai thác .76 3.7.3. Các bước thiết kế cột chịu nén gia cường tấm dán FRP .77 3.7.4. Ví dụ thiết kế cột tròn được gia cường bởi tấm dán carbon .78 3.8 .SỐ LIỆU THỰC TẾ: Tăng cường sàn tầng L13 và sàn tầng L14 .79 3.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG .82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT Bêtông cốt thép BTCTDƯL Bêtông cốt thép dự ứng lực DƯL Dự ứng lực TCN Tiêu chuẩn ngành FRP Fiber Reinforced Polymer AFRP Aramid Fiber Reinforced Polymer GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer ACI American Concrete Institu AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials ACMA American Composites Manufactures Association DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Các đặc trưng loại sợi carbon khác nhau 31 2.2 Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau 32 2.3 So sánh đặc trưng ba loại sợi 32 2.4 Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền 34 2.5 Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP 35 2.6 Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu FRP 35 3.1 Ứng suất giới hạn của các loại vật liệu FRP 70 3.2 Hệ số chiết giảm do môi trường đối với hệ thống tấm sợi FRP và phụ thuộc vào điều kiện môi trường 70 3.3 Số liệu ban đầu và kết quả tính tăng cường sức kháng uốn cho dầm chữ T BTCT thường 72 3.4 Số liệu ban đầu và kết quả tính toán tăng cường sức kháng uốn dầm BTCT DƯL (giả định) 73 3.5 Số liệu ban đầu và kết quả tính toán tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT 75 3.6 Số liệu ban đầu và kết quả tính toán tăng cường khả năng chịu lực của cột 79 3.7 Kiểm tra sàn sau khi gia cường bằng tấm FRP 82 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Mặt cắt bêtông 8 1.2 Quá trình xuống cấp của bêtông và ăn mòn cốt thép 10 1.3 Gia cường dầm 18 1.4 Gia cường cột BTCT bằng các thép góc ứng suất trước 19 1.5 Các gối tựa đỡ bớt tải cho dầm 20 1.6 Gia cường dán bản thép xà mũ cầu Trần Thị Lý, TP. Đà Nẵng 22 1.7 Các bước thi công tấm dán FRP 24 1.8 Thi công dán tấm FRP theo phương pháp ướt 25 2.1 Một số sản phẩm vật liêu FRP 27 2.2 Biểu đồ phân bố ứng dụng vật liệu FRP ở Mỹ 29 2.3 Cấu trúc vật liệu FRP 29 2.4 Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP 35 2.5 Sửa chữa lớp bề mặt bêtông có chất lượng kém 37 2.6 Xử lý các vết nứt có chiều rộng > 0.30mm bằng keo chuyên dụng 37 2.7 Công tác bo tròn cạnh với bán kính tối thiểu 20mm 37 2.8 Công tác vệ sinh bề mặt 37 2.9 Quy trình thi công quét keo lên bề mặt kết cấu 38 2.10 Tẩm keo lên tấm sợi (trường hợp tăng cường cho cột) 39 2.11 Tẩm keo lên tấm sợi (trường hợp tăng cường cho dầm) 39 2.12 Công tác dán tấm sợi carbon cho dầm và cột 39 2.13 Gia cường chịu dầm BTCT bằng tấm FRP 40 2.14 Gia cường chịu cắt dầm BTCT bằng tấm FRP 40 2.15 Công tác hoàn thiện 40 2.16 Thiết bị doa và mài bo tròn các góc, cạnh kết cấu bêtông 41 2.17 Thiết bị sửa, đục bỏ và cắt kết cấu bêtông 41 2.18 Thiết bị bơm keo tram vết nứt kết cấu bêtông 41 2.19 Thiết bị làm sạch bằng thủy lực kết cấu bêtông 42 2.20 Thiết bị thổi bụi kết cấu bêtông 42 2.21 Thiết bị thổi bụi kết cấu bêtông 42 3.1 Mô hình thí nghiệm Meier et al 45 3.2 Ứng suất biến dạng của bêtông (Hognestad’s) 47 3.3 Mô hình lý thuyết tăng cường sức kháng uốn 47 3.4 Bố trí tấm sợi FRP tăng cường sức kháng cắt 51 3.5 Biểu đồ ứng suất - biến dạng dầm BTCT tăng cường tấm FRP 53 3.6 Ứng suất - biến dạng trường hợp dầm bị phá hoại do bêtông nén vỡ 55 3.7 Ứng suất - biến dạng trường hợp dầm bị phá hoại do đứt tấm sợi 56 3.8 Ứng suất - biến dạng trường hợp dầm bị phá hoại đồng thời 58 3.9 Sơ đồ khối tính sức kháng uốn dầm BTCT tiết diện chữ nhật 59 3.10 Tiết diện chữ T dầm BTCT tăng cường tấm FRP 60 3.11 Sơ đồ khối tính sức kháng uốn dầm BTCT tiết diện chữ T 61 3.12 Ứng suất - biến dạng tiết diện chữ T dầm BTCT DƯL 62 3.13 Biểu đồ biến dạng dầm BTCT DƯL trường hợp phá hoại đồng thời 63 3.14 Biểu đồ biến dạng dầm BTCT DƯL trường hợp tấm sợi đứt 64 3.15 Tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi FRP 67 3.16 Sơ đồ khối tính toán lực cắt dầm BTCT tăng cường tấm sợi FRP 68 3.17 Các mô hình tăng cường sức kháng cắt 69 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển đất nước, nền kinh tế nước ta có những bước phát triển rất nhanh trong những năm gần đây. Đi kèm với sự phát triển kinh tế dân số ngày càng tăng dẫn đến các công trình dân dụng, giao thông càng được xây dựng nhiều đặc biệt tại các trung tâm thành phố. Cho nên việc đầu tư nâng cấp, cải tạo nhằm nâng cao năng lực hoạt động, kéo dài tuổi thọ những cây cầu, nhà dân dụng . hiện có đảm bảo chất lượng sử dụng và yêu cầu thẫm mỹ là nhiệm vụ hết sức cấp bách. - Có nhiều nguyên nhân dẫn đến những hỏng hóc và công trình xuống cấp có thể kể ra như sau: Những sai sót trong giai đoạn thiết kế: - Những lỗi do thiết kế bao gồm: • Các quy định về tải trọng, dự báo mức tăng trưởng của tải trọng chưa chính xác; • Các quy định về vật liệu chưa đồng bộ; • Tiêu chuẩn thiết kế còn chắp vá không thống nhất. - Sai sót trong bản vẽ thiết kế: Các lỗi trong bản vẽ do khâu kiểm soát chất lượng kém. Những sai sót trong giai đoạn thi công - Thi công không đạt chất lượng theo thiết kế: • Lớp bêtông bảo vệ không đủ đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn gây ra hiện tượng rỉ cốt thép; • Độ đầm chặt kém, bêtông bị rỗng nhiều; • Bảo dưỡng không đúng qui trình yêu cầu, làm bêtông không đủ cường độ theo thiết kế, vết nứt xuất hiện. 1 . cầu bằng biện pháp DƯL căng ngoài Xuất phát từ thực tế đó, đề tài Nghiên cứu thiết kế tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm dán. cạnh kết cấu b tông 41 2.17 Thiết bị sửa, đục bỏ và cắt kết cấu b tông 41 2.18 Thiết bị bơm keo tram vết nứt kết cấu b tông 41 2.19 Thiết bị làm sạch bằng