Sự tương tác giữa tấm CFRP gia cường kháng uốn và khàng nở hông trong cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _  LÊ NHƯ PHƯƠNG SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA TẤM CFRP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN VÀ KHÁNG NỞ HÔNG TRONG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN LỆCH TÂM CHUYÊN NGÀNH: KTXD CT DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ NGÀNH: 60580208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 08 NĂM 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS NGUYỄN MINH LONG Cán hướng dẫn khoa học 2: Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 20… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTXD ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ NHƢ PHƢƠNG MSHV: 7140742 Ngày, tháng, năm sinh: 20/02/1991 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: KTXD CT dân dụng công nghiệp MN: 60580208 I TÊN ĐỀ TÀI: SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA TẤM CFRP GIA CƢỜNG KHÁNG UỐN VÀ KHÁNG NỞ HÔNG TRONG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU NÉN LỆCH TÂM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Phân tích định lƣợng hiệu gia cƣờng CFRP bó hơng dán dọc việc cải thiện khả chịu lực biến dạng cột BTCT có cƣờng độ bê tơng khác nhau, đƣợc gia cƣờng với cấu hình khác nhau, chịu nén lệch tâm phƣơng với độ lệch tâm thay đổi; Khảo sát ảnh hƣởng tƣơng tác CFRP dán dọc bó hơng, cốt dọc CFRP dán dọc, cốt đai CFRP bó hơng đến khả chịu lực với cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm phƣơng; Phân tích đánh giá chênh lệch cơng thức dự đốn khả chịu lực cột BTCT gia cƣờng CFRP tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017) cho trƣờng hợp cột gia cƣờng CFRP với cấu hình khác chịu nén lệch tâm phƣơng với độ lệch tâm thay đổi so với thực tế III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/02/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/6/2018 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Minh Long Tp HCM, ngày… tháng năm 201 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CT HỘI ĐỒNG NGÀNH PGS.TS Nguyễn Minh Long TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy hƣớng dẫn Nguyễn Minh Long, nhiệt tình dẫn truyền đạt kiến thức cho suốt thời gian làm luận văn Xin cảm ơn cán Phịng Thí nghiệm kết cấu cơng trình - Khoa kỹ thuật xây dựng - Trƣờng Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện giúp đỡ cho suốt thời gian làm luận văn Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp tạo điều kiện, giúp đỡ cho suốt thời gian học tập Trƣờng Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn! TĨM TẮT Đề tài nghiên cứu phƣơng pháp mô thực nghiệm mẫu cột bê tông cốt thép tiết diện vuông chịu nén lệch tâm phƣơng đƣợc gia cƣờng theo hình thức khác nhau, tiến hành thí nghiệm nhằm để phân tích, đánh giá: (1) phân tích định lƣợng hiệu gia cƣờng CFRP bó hơng dán dọc việc cải thiện khả chịu lực biến dạng cột BTCT có cƣờng độ bê tông khác nhau, đƣợc gia cƣờng với cấu hình khác nhau, chịu nén lệch tâm phƣơng với độ lệch tâm thay đổi; (2) khảo sát ảnh hƣởng tƣơng tác CFRP dán dọc bó hơng, cốt dọc CFRP dán dọc, cốt đai CFRP bó hơng đến khả chịu lực với cột bê tông cốt thép chịu nén lệch tâm phƣơng; (3) phân tích đánh giá chênh lệch cơng thức dự đốn khả chịu lực cột BTCT gia cƣờng CFRP tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017) cho trƣờng hợp cột gia cƣờng CFRP với cấu hình khác chịu nén lệch tâm phƣơng với độ lệch tâm thay đổi so với thực tế Từ kết nghiên cứu có đƣợc bổ sung thêm sở để dự đoán khả chịu lực cột chịu nén lệch tâm, đề xuất phƣơng pháp tính nhƣ xây dựng mơ hình tính để phù hợp với thực tiễn LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Tôi xin cam đoan đề tài tơi thực dƣới hƣớng dẫn thầy PGS TS Nguyễn Minh Long Các kết luận văn thật chƣa đƣợc công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung nghiên cứu Tp HCM, ngày tháng 08 năm 2018 Học viên thực Lê Nhƣ Phƣơng MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU i DANH MỤC HÌNH VẼ ii DANH MỤC KÍ HIỆU v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LƢỚI SỢI FRP 2.1.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển 2.1.2 Tính chất lƣới sợi carbon (CFRP) 2.1.3 Tính chất keo kết dính 2.2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG XỬ CỦA CỘT BTCT GIA CƢỜNG KHÁNG UỐN VÀ KHÁNG NỞ HÔNG BẰNG VẬT LIỆU CFRP 2.2.1 Tình hình nghiên cứu giới CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 12 3.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 12 3.2 Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU: 12 3.2.1 Ý nghĩa khoa học 12 3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 13 3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 13 3.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 14 CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 15 4.1 VẬT LIỆU: 15 4.1.1 Bê tông 15 4.1.2 Cốt thép 17 4.1.3 Vải sợi carbon keo kết dính 17 4.2 MẪU CỘT THÍ NGHIỆM: 18 4.3 THIẾT BỊ TẠO ĐỘ LỆCH TÂM 20 4.4 Q TRÌNH THÍ NGHIỆM: 21 4.4.1 Công tác ván khuôn lắp đặt cốp pha 21 4.4.2 Gia công cốt thép lắp cảm biến đo biến dạng thép 22 4.4.3 Đổ bê tông bảo dƣỡng bê tông 22 4.4.4 Công tác gia cƣờng mẫu cột CFRP 24 4.5 BỐ TRÍ THIẾT BỊ ĐO VÀ SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM: 27 4.5.1 Bố trí thiết bị đo biến dạng thép đai thép dọc 27 4.5.2 Bố trí thiết bị đo biến dạng bê tông 27 4.5.3 Bố trí thiết bị đo biến dạng CFRP 28 4.5.4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị đứng nở hông 29 4.6 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM: 29 4.6.1 Thiết bị thí nghiệm 29 4.6.2 Quy trình gia tải 29 4.6.3 Bố trí thiết bị đo biến dạng CFRP 28 4.6.4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị đứng nở hông 29 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 32 5.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 32 5.2 HÌNH THÁI VẾT NỨT VÀ KIỂU PHÁ HOẠI CỦA MẪU: 36 5.2.1 Mẫu không gia cƣờng 36 5.2.2 Mẫu gia cƣờng 38 5.3 ỨNG XỬ CỦA CÁC MẪU CỘT THÍ NGHIỆM: 43 5.3.1 Quan hệ lực - chuyển vị dọc trục 43 a Mẫu cột không gia cƣờng 43 b Mẫu cột gia cƣờng 44 5.3.2 Quan hệ lực - chuyển vị nở hông 46 a Mẫu cột không gia cƣờng 47 b Mẫu cột gia cƣờng 47 5.3.3 Ảnh hƣởng phƣơng pháp gia cƣờng đến chuyển vị cột 49 a Chuyển vị dọc trục 49 b Chuyển vị nở hông 51 5.3.4 Ảnh hƣởng độ lệch tâm đến chuyển vị cột 53 a Chuyển vị dọc trục 53 b Chuyển vị nở hông 55 5.3.5 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến chuyển vị cột 58 a Chuyển vị dọc trục 58 b Chuyển vị nở hông 60 5.3.6 Ảnh hƣởng độ lệch tâm đến khả chịu nén cột 61 5.3.7 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến khả chịu nén cột 63 5.3.8 Ảnh hƣởng phƣơng pháp gia cƣờng đến khả chịu nén cột 65 5.4 QUAN HỆ LỰC - BIẾN DẠNG CỦA TẤM CFRP: 67 5.4.1 Tấm CFRP bó hơng 67 5.4.1.1 Ảnh hƣởng phƣơng pháp gia cƣờng đến biến dạng CFRP bó hơng 68 5.4.1.2 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tơng đến biến dạng bó hơng CFRP 69 5.4.1.3 Ảnh hƣởng độ lệch tâm đến biến dạng bó hơng CFRP 71 5.4.2 Biến dạng CFRP dán dọc chịu kéo 72 5.4.2.1 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến biến dạng CFRP dán dọc 73 5.4.2.2 Ảnh hƣởng phƣơng pháp gia cƣờng đến biến dạng CFRP dán dọc 74 5.4.2.3 Ảnh hƣởng độ lệch tâm đến biến dạng CFRP dán dọc 75 5.5 QUAN HỆ LỰC - BIẾN DẠNG NÉN DỌC TRỤC CỦA BÊ TÔNG: 76 5.5.1 Ảnh hƣởng cƣờng độ bê tông đến biến dạng dọc bê tông 79 5.5.2 Ảnh hƣởng độ lệch tâm đến biến dạng dọc bê tông 81 5.5.3 Ảnh hƣởng phƣơng pháp gia cƣờng đến biến dạng dọc bê tơng 84 5.6 TƢƠNG TÁC GIỮA CÁC THƠNG SỐ CÓ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ỨNG XỬ NÉN CỦA CỘT GIA CƢỜNG TẤM CFRP: 85 5.6.1 Tƣơng tác CFRP bó hông cốt đai 86 5.6.2 Tƣơng tác CFRP dán dọc cốt dọc 87 5.6.3 Tƣơng tác dán dọc bó hơng 89 CHƯƠNG 6: KIỂM CHỨNG CÔNG THỨC 91 6.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT: 91 6.1.1 Cột chịu nén tâm 91 6.1.2 Cột BTCT gia cƣờng bó hơng CFRP chịu nén lệch tâm 95 6.2 KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG VÀ NHẬN XÉT: 97 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107 7.1 KẾT LUẬN: 107 7.2 KIẾN NGHỊ: 109 CHƯƠNG 8: TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 CHƯƠNG 9: PHỤ LỤC 115 Phụ lục Tải trọng giới hạn cột gia cường CFRP (Pn) 12 Khi gia cường lớp CFRP (Pn1) Tính theo cơng thức (6.13) 136 KN 1910 Cơng thức (12-1b) tiêu chuẩn ACI 440.2R-17; khơng tính hệ số giảm tải  Phụ lục Bảng 9.5: Bảng tính khả kháng nén cột gia cường CFRP bó hơng điểm B SỐ TÊN THỨ THƠNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỰ SỐ TÍNH Thơng số hình dạng cột Chiều rộng tiết Theo mơ hình thí nghiệm diện cột (b) Chiều dài tiết diện Theo mơ hình thí nghiệm cột (h) Bán kính Theo thiết kế mơ hình cột góc vát tiêu chuẩn thi cơng vật liệu cạnh cột CFRP (rc) Diện tích mặt cắt Tính tốn theo hình dạng mặt tiết diện cắt tiết diện cột cột (Ag) Chiều dài D  b2  h2 đường chéo tiết diện (D) Bê tông Cường độ giới Kết thí nghiệm nén mẫu hạn bê bê tơng dùng để đúc cột tông (f'c) Cốt thép Cường độ chảy Kết thí nghiệm kéo mẫu dẽo thép thép (fy) Diện tích Theo mơ hình thép dọc gồm thép dọc  (Ast) Hàm lượng g = (Ast/Ag)x100% thép dọc (g) 137 ĐƠN VỊ TÍNH KẾT QUẢ mm 200 mm 200 mm 15 mm2 39803 mm 282.8 MPa 39 MPa 528 mm2 904.3 % 2.23 GHI CHÚ Phụ lục Vật liệu CFRP Chiều Theo số liệu nhà sản xuất cung dày cấp (tf) Cường độ chịu kéo giới Theo số liệu nhà sản xuất cung hạn định cấp danh (f*fu) Cường độ chịu kéo giới hạn tính tốn (ffu) Biến dạng định danh (fu) Biến dạng tính tốn (fu) Modun đàn hồi (Ef) f fu  CE f fu* mm 0.166 MPa 900 MPa Theo số liệu nhà sản xuất cung mm/mm cấp  fu  CE *fu Ef  4655 0.0167 mm/mm 0.0159 GPa 240 f fu  fu Các hệ số dùng để tính tốn Hệ số điều kiện làm việc Lấy theo Bảng 9.4 tiêu chuẩn vật 440.2R-17 liệu CFRP (CE) Hệ số Lấy theo mục 12.1 tiêu chuẩn 440.2R-17 ( 138 Công thức (9-4a) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 0.95 0.55 Công thức (9-4b) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Công thức (9-4c) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Phụ lục Hệ số Lấy theo mục 12.1 tiêu chuẩn 440.2R-17 (f) Hệ số Lấy theo mục 9.3.2.2 tiêu chuẩn ACI 318R-08 (P) Biến dạng hiệu Tính theo cơng thức (6.10) CFRP (fe) Cường độ bó hơng (fl) Khi gia cường n=1 lớp CFRP fl  E f nt f  fe D 0.95 mm/mm MPa 0.004 Công thức (12.1i) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 1.1 Công thức (12-1h) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Kiểm tra tỉ số nén nhỏ Khi gia cường n=1 lớp CFRP Điều kiện kiểm tra theo mục 12.1 tiêu chuẩn ACI 440.2R17 fl/f'c >0.08 Tỉ số diện tích nén hiệu quả/diện tích tiết diện 10 Tính hệ số a 11 Cường độ chịu nén bị bó hơng (f'cc) Tính theo cơng thức (6.9) Tính theo cơng thức (6.11) 139 FAILSE 0.55 0.55 Công thức (12.1.2d) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Công thức (121.2b) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Phụ lục Khi gia cường n=1 lớp CFRP 41 Tính theo cơng thức (6.5) MPa 12 Biến dạng nén bê tơng khơng bó hơng, ’c Lấy theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-17 0.002 14 Hệ số b Tính tốn theo cơng thức 12.1.2c 0.507 15 Biến dạng lớn bê tơng bó hơng, ccu Tính tốn theo cơng thức 12.1j 0.0035 Cơng thức (12.1g) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Công thức (12.1g) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Công thức (12.1g) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Công thức (12.1g) tiêu chuẩn ACI 440.2R17 Tính tốn hệ số cho điểm B Vị trí trục trung hịa c 16 Tính tốn theo cơng thức D-4 Tính tốn Tính tốn theo cơng thức 12.1e hệ số E2 Tính tốn  ’t Tính tốn theo cơng thức 12.1f 140 mm Mpa Mpa Công thức tiêu chuẩn 164 ACI 440.2R17 Công thức tiêu chuẩn 515 ACI 440.2R17 Công thức tiêu chuẩn 0.00269 ACI 440.2R17 Phụ lục Tính tốn hệ số yt Biến dạng lớp thép 1, Tính tốn theo cơng thức D-5 mm Tính tốn theo Fig D-1, 127 0.0027 s1 Khoảng cách lớp thép đến trọng tâm tiết diện, d1 Tính tốn theo Fig D-1, mm 64 Ứng suất lớp thép 1, fs1 fs1 = Es x s1