Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THÁI MINH CHÁNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ GIA CƯỜNG AFRP Chun ngành: xây dựng dân dụng công nghiệp Mã số ngành: 60.58.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học 1: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán hướng dẫn khoa học 2: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày……tháng ….năm…… iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LÂP – TỰ DO – HẠNH PHÚC TP HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN THÁI MINH CHÁNH Ngày, tháng, năm sinh: 24/04/1982 Chuyên ngành: Phái: Nam Nơi sinh: Tây Ninh Xây dựng dân dụng cơng nghiệp MSHV: 02105493 Khóa (Năm trúng tuyển): 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊTƠNG CỐT THÉP CĨ GIA CƯỜNG AFRP 2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tiến hành thực nghiệm để xác định tiêu lý vật liệu AFRP - So sánh đánh giá kết thực nghiệm khả chịu uốn dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP - Phát triển phương pháp tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép có gia cường FRP theo tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05 – 02 – 2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05 – 11 – 2007 5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH TS HỒ HỮU CHỈNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM QL CHUYÊN NGÀNH iv LỜI CẢM ƠN Luận văn kết trình học tập nghiên cứu Trong thực luận văn cố gắng, nổ lực thân chủ yếu, cịn có giúp đỡ động viên nhiều người Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ người Đầu tiên, xin cảm ơn PGS.TS Bùi Công Thành TS Hồ Hữu Chỉnh gợi ý hướng đề tài nghiên cứu, tận tình hướng dẫn đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn Hai thầy đưa ý tưởng nghiên cứu tạo điều kiện cho phát triển ý tưởng Kiến thức hai thầy giúp vượt qua vấn đề khó khăn gặp phải thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Quốc Thơng, Th.S Kim Huy Hồng, Th.S Hồ Đức Duy bạn sinh viên hỗ trợ lúc thí nghiệm Cho tơi gửi lời cảm ơn đến phịng thí nghiệm Kết cấu xây dựng phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, thuộc khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM tạo điều kiện thuận lợi cho thực nghiên cứu Cuối cùng, ơn hỗ trợ, khuyến khích, động viên từ gia đình, bạn bè thầy mơn Cơng Trình, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng thời gian học tập thời gian thực luận văn Học viên TRẦN THÁI MINH CHÁNH v TÓM TẮT FRP vật liệu lựa chọn hàng đầu công nghiệp ôtô hàng không không gian, từ 15 năm vật liệu FRP gia tăng sử dụng cơng trình xây dựng : FRP dạng thanh, cáp ứng suất trước dùng làm cốt chịu lực bê tông, FRP dạng tấm, vải, cuộn dùng để gia cường kết cấu bê tông cốt thép, gỗ Tuy nhiên tài liệu hướng dẫn tính tốn thiết kế kết cấu bê tơng có gia cường FRP cịn hạn chế, đặc biệt Việt Nam Luận văn có mục tiêu : (1) Tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu làm việc dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP (2) Phát triển phương pháp tính tốn bán thực nghiệm khả chịu uốn kết cấu bê tơng cốt thép có gia cường AFRP theo hai tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCXDVN 356 : 2005 (3) So sánh đánh giá kết tính tốn theo phương pháp đề nghị với kết thực nghiệm Các kết luận văn hữu ích cho người kỹ sư thiết kế sở khoa học cho nghiên cứu kết cấu bê tơng cốt có gia cường FRP vi MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn thạc sỹ .iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt .v Mục lục vi Danh mục ký hiệu .vii Danh mục chữ viết tắt .viii Chương : Mở đầu 1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình nghiên cứu .2 1.2.1 Ngoài nước 1.2.2 Trong nước 1.3 Mục tiêu luận văn 1.4 Nhiệm vụ luận văn 1.5 Cấu trúc luận văn Chương : Khái niệm chung FRP 2.1 Khái niệm 2.1.1 Vật liệu FRP 2.1.2 Tính chất lý vật liệu FRP 2.1.2.1 Tính chất sợi (fibres) 2.1.2.2 Các chức thành phần polyme 10 2.1.2.3 Tính chất vật liệu FRP 12 2.1.2.4 Chế tạo vật liệu FRP 16 vi 2.2 So sánh FRP thép 18 2.3 Module đàn hồi 21 2.4 Cường độ 21 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu FRP 22 2.5.1 Độ bền mỏi FRP 22 2.5.2 Từ biến 23 2.5.3 Nhiệt độ 23 2.5.4 Độ ẩm 24 2.5.5 Bức xạ cực tím 24 2.5.6 Môi trường kiềm 25 2.5.7 Cháy 25 2.6 Ưu khuyết điểm FRP 25 2.7 Qui trình thi cơng FRP để gia cường/sửa chữa kết cấu bê tông 26 2.8 Ứng dụng FRP lĩnh vực xây dựng 29 Chương : Khả chịu uốn kết cấu dầm 41 3.1 Mơ hình phân tích ứng xử bê tơng có gia cường FRPs 41 3.1.1 Các giả thiết 41 3.1.2 Các hệ số vật liệu 43 3.2 Phương pháp tính tốn gia cường dầm phương FRPs theo ISIS Canada 43 3.2.1 Các kiểu phá hoại 43 3.2.2 Tính tốn 43 3.2.2.1 Cốt đơn 44 3.2.2.2 Cốt kép 51 vi 3.3 Phương pháp tính khả chịu uốn dầm phát triển từ tiêu chuẩn TCXDVN 356 : 2005 53 3.2.2.1 Cốt đơn 54 3.2.2.2 Cốt kép 59 Chương : Nghiên cứu thực nghiệm 61 4.1 Mục tiêu nghiên cứu 61 4.2 Phương pháp nghiên cứu 61 4.3 Vật liệu thí nghiệm 65 4.4 Tiến hành thí nghiệm 71 4.5 Thí nghiệm uốn dầm 150x150x600 74 4.5.1 Mô tả thí nghiệm 74 4.5.2 Kết thí nghiệm 76 4.5.3 Nhận xét 82 4.6 Thí nghiệm uốn dầm 150x200x3900 82 4.6.1 Mô tả thí nghiệm 82 4.6.2 Kết thí nghiệm 85 4.7 So sánh đánh giá kết phân tích kết thực nghiệm 88 4.7.1 Kết tính khả chịu uốn kết cấu dầm bê tông theo ISIS Canada 88 4.7.2 Kết tính khả chịu uốn theo phương pháp bán thực nghiệm phát triển dựa TCXDVN 356:2005 89 4.7.3 Tính tốn độ võng dầm có gia cường FRP phát triển dựa tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 90 4.7.4 Tổng hợp kết 94 vi Chương : Kết luận kiến nghị 97 5.1 Kết luận 97 5.2 Kiến nghị 98 Tài liệu tham khảo ix Lý lịch trích ngang x vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC @ = khoảng cách cốt thép As = diện tích cốt thép chịu kéo mm mm2 a = chiều dày lớp bê tông bảo vệ thép chịu kéo mm a’ = chiều dày lớp bê tông bảo vệ thép chịu nén mm b = chiều rộng tiết diện mm c = chiều cao vùng bê tông chịu nén mm d = chiều cao có tiết diện mm d = đường kích cốt thép mm e = khoảng cách từ mép ƯS nén đến mép ƯS kéo mm h = chiều cao tiết diện mm h0 = chiều cao có ích tiết diện mm L = chiều dài nhịp m, mm L0 = chiều dài nhịp tính tốn m, mm x = chiều cao vùng bê tông chịu nén mm NGOẠI LỰC VÀ NỘI LỰC M = mômen uốn kNm Mn = mômen danh nghĩa tiết diện kNm [M] = khả chịu uốn tiết diện kNm Mt = mômen ngoại lực tác dụng kNm P = tải trọng tác dụng Pmax = tải trọng cực hạn kN kN 88 20 F 18 F 16 L ự c (k N ) 14 12 Biến dạng mặt 10 Biến dạng mặt 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Biến dạng (%) Hình 4.39 Biểu đồ quan hệ biến dạng lực đỉnh gia tải theo sơ đồ2 Nhận xét: Dầm làm việc ổn định biến dạng tương đối mặt chưa vượt 0,0031 4.7 So sánh đánh giá kết phân tích kết thực nghiệm 4.7.1 Kết tính khả chịu uốn kết cấu dầm bê tơng theo ISIS Canada Kết tính tốn khả chịu uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP theo ISIS Canada trình bày bảng 4.7 Tên mẫu Kích thước (mm) Mcr (kN.m) B1 150x150x600 B2-1_1_1 150x150x600 9,5 B2-2_2_1 150x150x600 11 B3-1_0_1 150x150x600 5,8 B3-2_1_1 150x150x600 10,1 Dầm lớn 150x200x3900 22,5 Bảng 4.7 Khả chịu uốn dầm bê tông cốt thép có gia cường AFRP tính theo ISIS Canada 89 4.7.2 Kết tính khả chịu uốn theo phương pháp bán thực nghiệm phát triển dựa TCXDVN 356:2005 Kết tính tốn khả chịu uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép theo phương pháp bán thực nghiệm phát triển từ TCXDVN 356:2005 có gia cường AFRP trình bày bảng 4.8 Khả chịu uốn tiết diện [M] (kN.m) STT Tên mẫu Mcr theo hệ số α 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 (kN.m) B1 3,5 4,6 5,2 5,5 5,8 5,9 B2-1_1_1 3,9 6,1 7,7 10,2 11,2 12,2 9,5 B2-2_2_1 4,2 6,6 8,6 10,3 11,8 13,1 14,4 11 B3-1_0_1 3,9 4,9 5,4 5,7 5,9 6,1 5,8 B3-2_1_1 4,6 6,8 8,4 9,8 11,1 12,1 13,1 10,1 Bảng 4.10 Khả chịu uốn dầm bê tơng cốt thép có gia cường AFRP tính theo ISIS Canada - Kết so sánh khả chịu uốn cho phép tiết diện theo phương pháp bán thực nghiệm phát triển từ TCVNXD 356:2005 ISIS Canada thể bảng 4.11 Tên mẫu STT Tỉ số Mcr/[M] theo hệ số α 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 B1 1,43 1,09 0,96 0,91 0,86 0,85 0,83 B2-1_1_1 2,44 1,56 1,23 1,06 0,93 0,85 0,78 B2-2_2_1 2,62 1,67 1,28 1,07 0,93 0,84 0,76 B3-1_0_1 1,49 1,18 1,07 1,02 0,98 0,97 0,95 B3-2_1_1 2,2 1,49 1,2 1,03 0,91 0,83 0,77 2,036 1,398 1,148 1,018 0,922 0,868 0,818 Trung bình Độ lệch chuẩn 1,1965 0,2511 0,0683 0,0163 0,0075 0,0133 0,0247 90 Bảng 4.11 So sánh khả chịu uốn cho phép tiết diện theo phương pháp phát triển từ TCXDVN 356:2005 theo ISIS Canada Nhận xét: Kết so sánh khả chịu uốn tiết diện theo phương pháp phát triển từ TCXDVN 356:2007, [M], phương pháp tính theo ISIS Canada Mcr, cho thấy: (1) Khả chịu uốn cho phép tiết diện tính theo phương pháp phát triển từ TCXDVN 356:2005 lớn hay nhơ theo phương pháp ISIS Canada phụ thuộc vào hệ số α (2) Tác giả kiến nghị chọn α= 0,25 – 0,35 Khi sai số hai phương pháp nhỏ, độ lệch chuẩn 0,0163 – 0,0133, kết tính tốn hội tụ (hình 4.38) 2,5 B1 M c r/ [ M ] B2-1_1_1 B2-2_2_1 1,5 B3-1_0_1 B3-2_1_1 0,5 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 apha Hình 4.40 Biểu đồ quan hệ tỉ số Mcr/[M] hệ số αcủa mẫu thí nghiệm 4.7.3 Tính tốn độ võng dầm có gia cường FRP phát triển từ tiêu chuẩn TCXDVN 356 : 2005 - Trong tính tốn giả sử tải thí nghiệm tải tính tốn (khơng dùng hệ số tải trọng, bỏ qua trọng lượng thân dầm) 91 - Theo lý thuyết sức bền vật liệu [5]: P1 aL M= P2 Δ2 P1 + P2 a a2 β= aL (1) (2) a TCXDVN 356-2005: bỏ qua ảnh hưởng AFRP gia cường dầm BTCT a’ A’s h As a y2 y1 b Hình 4.41 Δ 2b = β Trong đó: B= M L B hoz ψs ψb + E s A s ν (φ f + ξ ) E b bh o (2a) (3a) 92 b Cải tiến TCXDVN 356-2005: xét ảnh hưởng AFRP gia cường dầm BTCT a’ A’s y2f As y1f af h a Af b Hình 4.42 Δ 2c = β Trong đó: Bf = M L Bf h of z f (2b) ψ sf ψb + E s A sf ν (φ ff + ξ f ) E b bh of (3b) Với : A sf = A s + Ef A Es f af = As a A sf h of = h - a f 93 - Kết tính độ võng dầm 150x200x3900 theo TCXDVN 356:2005 ứng với lực Pmax thể bảng 4.12 4.13 Ptb (kN) Mmax (kN.m) Δ tt (mm) Δ tn (mm) Δ (%) (1) (2) (3) (4) (5) 4,95 5,94 5,93 5,64 4,99 5,99 5,99 5,84 6,98 8,38 9,04 9,68 -7 7,02 8,42 9,09 8,92 9,81 11,77 12,88 11,67 10 9,99 11,99 13,13 12,49 9,99 11,99 13,13 13,28 -1 10,02 12,02 13,16 13,42 -2 14,94 17,93 19,92 21,79 -9 14,93 17,92 19,91 21,5 -7 18,08 21,7 24,42 34,57 -29 17,86 21,43 24,09 37,04 -35 Bảng 4.12 Bảng so sánh kết tính tốn độ võng dầm theo phương pháp phát triển dựa tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 ( Δ tt ) với thực nghiệm ( Δ tn ) Mcr (kN.m) Mmax (kN.m) M/ Mcr Δ tt /L (%) Δ tn /L (%) Δ (%) (1) (2) (3) (5) (6) (7) 22,5 5,94 26 0,16 0,16 22,5 5,99 27 0,17 0,16 22,5 8,38 37 0,25 0,27 -7 22,5 8,42 37 0,25 0,25 94 22,5 11,77 52 0,36 0,32 10 22,5 11,99 53 0,36 0,35 22,5 11,99 53 0,36 0,37 -1 22,5 12,02 53 0,37 0,37 -2 22,5 17,93 80 0,55 0,61 -9 22,5 17,92 80 0,55 0,60 -7 22,5 21,43 95 0,67 1,03 -35 22,5 21,7 96 0,68 0,96 -29 Bảng 4.13 Bảng so sánh M Mcr chuyển vị Δ với chiều dài dầm L 1,2 F F fmax/L (%) 0,8 Lý thuyết Thực nghiệm 0,6 Poly (Thực nghiệm) Poly (Lý thuyết) 0,4 0,2 0 50 100 150 M/Mcr (%) Hình 4.41 Biểu đồ so sánh chuyển vị môment 4.7.4 Tổng hợp kết Kết tính tốn khả chịu uốn tiết diện theo phương pháp kiến nghị kết thực nghiệm tóm tắt bảng 4.12 Sự so sánh kết tính tốn với kết thực nghiệm được thể hình 4.39, 4.40, 4.41 95 Mt Mcr [M] STT Mẫu (kN.m) (kN.m) (kN.m) Mt/Mcr Mt/[M] (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) B1 7,37 5,8 1,47 1,27 B2-1_1_1 11,52 9,5 10,2 1,21 1,13 B2-2_2_1 13,34 11 11,8 1,21 1,13 B3-1_0_1 9,99 5,8 5,9 1,72 1,69 B3-2_1_1 12,51 10,1 11,1 1,24 1,13 1,37 1,27 0,20 0,23 Trung bình Độ lệch chuẩn Bảng 4.13 So sánh kết thực nghiệm với kết tính theo phương pháp giới thiệu Chú ý: Mt mơment thực nghiệm ; Mcr mơment tính theo ISIS Canada; [M]là mơment cho tính theo phương pháp phát triển từ TCXDVN 356:2005 với α = 0,30 1,8 M thực nghiệm/ M tính 1,7 1,6 1,5 1,4 Mt/Mcr 1,3 Mt/[M] 1,2 1,1 0,9 0,8 Số thứ tự mẫu Hình 4.40 So sánh mơment thực nghiệm mơment tính theo phương pháp 96 Nhận xét: Kết so sánh môment thực Mt với mơment tính theo phương pháp Mcr, [M] xác định theo tiêu chuẩn ISIS Canada phương pháp bán thực nghiệm phát triển từ tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005, so sánh chuyển vị thực Δ tn chuyển vị tính tốn theo phương pháp phát triển từ tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 Δ tt cho thấy: (1) Môment thực nghiệm có giá trị lớn mơment danh nghĩa So với mơment thực nghiệm, mơment danh nghĩa tính theo phương pháp phát triển bán thực nghiệm có sai số trung bình 27% có độ lệch chuẩn 0,23; mơment danh nghĩa tính theo phươn pháp ISIS Canada có sai số trung bình 37% có độ lệch chuẩn 0,2 Như phương pháp đề nghị có độ tin cậy cao so với phương pháp ISIS Canada (2) Đối với giai đoạn M/Mcr ≤ 80 (%) kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm gần nhau, sai số nhỏ 10% (3) Đối với giai đoạn M/Mcr > 80 (%) kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm khác lớn, dầm chịu lực phức tạp Điều phù hợp với lý thuyết tính tốn TCXDVN 356 : 2005 tính với tải trọng P