(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu tăng cường dầm bê tông cốt thép bằng bê tông cốt lưới dệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HUY CƯỜNG NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI- 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HUY CƯỜNG NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: 95.80.206 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS NGÔ ĐĂNG QUANG 2: GS.TS PHẠM DUY HỮU HÀ NỘI- 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án công trình nghiên cứu cá nhân tơi Các kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Hà Nội, Ngày 29 tháng 03 năm 2021 Tác giả Nguyễn Huy Cường i LỜI CẢM ƠN Luận án thực hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Ngô Đăng Quang GS.TS Phạm Duy Hữu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy, người dành cho lời khuyên, định hướng giám sát quý báu suốt trình học tập, giúp tơi hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô giáo mơn Cơng trình Giao thơng Thành phố Cơng trình Thủy, đặc biệt cố GS.TS Nguyễn Viết Trung giúp đỡ nhiều trình học tập nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo Sau Đại học trường Đại học Giao thông Vận tải tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo Bộ môn Kết cấu Xây dựng, lãnh đạo Khoa Kỹ thuật Xây dựng tạo điều kiện để tơi hồn thành luận án Cuối cùng, muốn bày tỏ biết ơn đến đồng nghiệp, gia đình, người thân giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, Ngày 29 tháng 03 năm 2021 Tác giả Nguyễn Huy Cường ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC BẢNG BIỂU VI DANH MỤC HÌNH ẢNH VII CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU XI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT ĐỂ TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP .7 1.1 Tình hình sử dụng TRC để tăng cường khả chịu lực cho kết cấu BTCT giới .7 1.2 Các nghiên cứu đặc tính học bê tơng cốt lưới dệt 10 1.2.1 Cốt lưới dệt 11 1.2.2 Bê tông hạt mịn 13 1.2.3 Tính chất dính bám lưới sợi dệt với bê tơng hạt mịn 16 1.2.4 Ứng xử chịu kéo dọc trục TRC 20 1.2.5 Cường độ chịu kéo lưới sợi chịu lực bê tông hạt mịn 23 1.2.6 Dính bám TRC với bê tơng 25 1.3 Các nghiên cứu tăng cường khả chịu uốn 27 1.3.1 Các nghiên cứu thực nghiệm .27 1.3.2 Mơ hình xác định sức kháng uốn 32 1.4 Các nghiên cứu tăng cường khả chịu cắt 34 1.4.1 Các nghiên cứu thực nghiệm .34 1.4.2 Mơ hình tính tốn xác định sức kháng cắt 44 1.5 Phân tích, đánh giá nghiên cứu thực xác định vấn đề cần nghiên cứu 48 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT 51 2.1 Trạng thái chịu lực kết cấu dầm BTCT tăng cường TRC .51 2.2 Đề xuất mơ hình tính tốn xác định ứng xử chịu uốn dầm BTCT tăng cường TRC 52 iii 2.2.1 Phương pháp xác định ứng xử chịu uốn dầm BTCT tăng cường TRC 52 2.2.2 Các giả thiết tính tốn 54 2.2.3 Mơ hình tính tốn làm việc dầm BTCT tăng cường TRC chưa chịu lực 57 2.2.4 Mơ hình tính tốn làm việc dầm BTCT tăng cường TRC chịu lực 60 2.3 Mơ hình tính toán xác định sức kháng uốn dầm BTCT tăng cường TRC .65 2.4 Đề xuất mơ hình tính tốn xác định sức kháng cắt dầm BTCT tăng cường TRC .68 2.5 Kết luận chương 72 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT 74 3.1 Mục đích nghiên cứu .74 3.2 Nghiên cứu xác định số tính chất học bê tơng cốt lưới dệt 75 3.2.1 Đặc trưng học bê tơng cốt lưới dệt sử dụng thí nghiệm 75 3.2.2 Nghiên cứu xác định ứng xử dính bám lưới sợi bon với bê tơng hạt mịn 84 3.2.3 Nghiên cứu xác định ứng xử dính bám bê tơng thường với TRC 86 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn dầm BTCT tăng cường TRC 91 3.3.1 Thiết lập thí nghiệm .91 3.3.2 Nhận xét đánh giá kết thí nghiệm 93 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu cắt dầm BTCT tăng cường TRC .96 3.4.1 Thiết lập thí nghiệm .96 3.4.2 Nhận xét đánh giá kết thí nghiệm 97 3.5 Kiểm chứng mơ hình tính tốn đề xuất với kết thí nghiệm .100 3.5.1 Mơ hình tính tốn xác định ứng xử chịu uốn kết cấu dầm BTCT tăng cường chưa chịu lực 100 3.5.2 Mơ hình tính tốn xác định ứng xử chịu uốn kết cấu dầm BTCT tăng cường trì tải trọng .102 3.5.3 Mơ hình tính tốn sức kháng uốn 106 3.5.4 Mơ hình tính tốn sức kháng cắt 107 iv 3.6 Kết luận chương 107 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ 109 4.1 Mục đích nghiên cứu 109 4.2 Xây dựng mơ hình mô số 109 4.2.1 Mô dầm tăng cường sức kháng uốn 109 4.2.2 Mô dầm tăng cường sức kháng cắt 113 4.3 Kết mô .114 4.3.1 Các dầm tăng cường sức kháng uốn 114 4.3.2 Các dầm tăng cường sức kháng cắt 116 4.4 Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến ứng xử chịu uốn dầm BTCT tăng cường TRC 117 4.4.1 Ảnh hưởng hàm lượng cốt lưới dệt .118 4.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng cốt thép 120 4.4.3 Ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tông dầm tăng cường 121 4.5 Kết luận chương 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125 Kết luận 125 Kiến nghị 129 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO .132 PHỤ LỤC .139 Phụ lục .139 Phụ lục .146 Phụ lục .153 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần hỗn hợp bê tông hạt mịn Brockmann [21] 14 Bảng 1.2 Đặc tính học loại bê tơng hạt mịn Blanksvärd sử dụng [18] 39 Bảng 2.1 Biến dạng loại vật liệu mặt cắt dầm 57 Bảng 3.1 Thành phần bê tông hạt mịn 76 Bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt cát quartz 77 Bảng 3.3 Lượng lọt sang (%) bột Quartz nghiền 77 Bảng 3.4 Kết thí nghiệm xác định cường độ chịu nén bê tông hạt mịn 79 Bảng 3.5 Kết thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn bê tông hạt mịn 80 Bảng 3.6 Kết thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi bê tông hạt mịn .81 Bảng 3.7 Đặc trưng hình học học lưới sợi carbon 82 Bảng 3.8 Các mẫu thí nghiệm kết thí nghiệm dính bám TRC với bê tông thường 88 Bảng 3.9 Một số ứng xử dầm thí nghiệm .93 Bảng 3.10 Một số tính chất học loại vật liệu nghiên cứu Weiland [56] 103 Bảng 3.11 So sánh kết tính tốn với kết thí nghiệm Weiland [56] 105 Bảng 3.12 So sánh kết tính tốn lý thuyết với kết thực nghiệm 106 Bảng 3.13 So sánh kết tính tốn lý thuyết với kết thực nghiệm 107 Bảng 4.1 Các thông số vật liệu thép lưới sợi dệt [1] 111 Bảng 4.2 Các thông số vật liệu khai báo cho mô hình bê tơng 112 Bảng 4.3 So sánh kết dầm thí nghiệm mô .115 Bảng 4.4 So sánh kết dầm thí nghiệm mơ tăng cường sức kháng cắt .117 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thành phần bê tông cốt lưới dệt Hình 1.2 Tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT Milan (Ý) Hình 1.3 Sửa chữa, tăng cường dầm sàn tầng hầm bị hư hỏng hỏa hoạn (Thụy Sỹ) [53] .9 Hình 1.4 Tăng cường dầm, sàn BTCT cơng trình nhà cao tầng TRC 10 Hình 1.5 Sửa chữa, tăng cường cho kết cấu sàn BTCT TRC sợi thủy tinh nhà xưởng công nghiệp EXEDY (Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc) 10 Hình 1.6 Các cấp độ kết cấu cốt lưới dệt 11 Hình 1.7 Quy trình tẩm lớp phủ cho lưới sợi 12 Hình 1.8 Một số cấu trúc điển hình lưới sợi dệt .12 Hình 1.9 Tính chất học số loại sợi [20] 13 Hình 1.10 Quan hệ ứng suất – biến dạng bê tơng hạt mịn chịu nén [21] 15 Hình 1.11 Dính bám dính bám ngồi lưới sợi dệt [41] 16 Hình 1.12 “Neo” cốt lưới dệt bê tông hạt mịn 17 Hình 1.13 Các sợi phía sử dụng keo epoxy làm tăng dính bám [41] 17 Hình 1.14 Mẫu thí nghiệm kết thí nghiệm kéo tuột bó sợi [20] 18 Hình 1.15 Thí nghiệm xác định chiều dài neo [49] .19 Hình 1.16 Ảnh hưởng lớp phủ polymer đến chiều dài neo [49] 20 Hình 1.17 Ứng xử TRC chịu kéo dọc trục [39] 20 Hình 1.18 Sơ đồ minh họa ứng suất – biến dạng TRC chịu kéo trục [20] 22 Hình 1.19 Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo sợi bản, bó sợi trần bó sợi thủy tinh 310 tex nằm bê tông hạt mịn, theo Curbach [45] 23 Hình 1.20 Sự phân bố biến dạng tiết diện bó sợi [47] .24 Hình 1.21 Ảnh hưởng góc nghiêng đến khả chịu lực bó sợi [35] 25 Hình 1.22 Thí nghiệm dính bám TRC bê tơng theo dẫn RILEM 250CSM [52] 27 Hình 1.23 Ứng xử chịu uốn kết cấu dầm BTCT tăng cường TRC [43]28 Hình 1.24 Một số dạng phá hoại thường xảy dầm tăng cường 30 vii Hình 1.25 Cấu tạo chi tiết số mẫu dầm thí nghiệm D’Ambrisi [25] .32 Hình 1.26 Trạng thái ứng suất – biến dạng mặt cắt dầm tăng cường TRC [12] .33 Hình 1.27 Tỷ số ứng suất lúc phá hoại bó sợi chịu kéo chịu uốn [12] 34 Hình 1.28 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt Blanksvärd [18] 35 Hình 1.29 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt Triantafillou Papanicolaou [60] 36 Hình 1.30 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt Si Larbi [55] .36 Hình 1.31 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt Tetta [57] 37 Hình 1.32 Cấu tạo dầm tăng cường sức kháng cắt D’Ambrisi (et al [25]) 37 Hình 1.33 Cấu tạo dầm tăng cường sức kháng cắt Brückner [9] 42 Hình 1.34 Chiều cao làm việc có hiệu [12] 45 Hình 1.35 Vai trò chịu lực cắt lưới sợi theo phương [60] 46 Hình 1.36 Vai trò chịu lực cắt lưới sợi theo phương [55] 47 Hình 2.1 Quan hệ mô men uốn - độ cong lực – độ võng dầm BTCT tăng cường TRC 52 Hình 2.2 Phương pháp xác định độ võng dầm 54 Hình 2.3 Quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu thép, bê tông cốt lưới dệt bê tông 55 Hình 2.4 Trạng thái ứng suất – biến dạng mặt cắt giai đoạn I (chưa nứt) 57 Hình 2.5 Trạng thái ứng suất – biến dạng mặt cắt giai đoạn II (sau nứt) 59 Hình 2.6 Trạng thái ứng suất – biến dạng mặt cắt giai đoạn 0-1 (chưa nứt) .61 Hình 2.7 Trạng thái ứng suất – biến dạng mặt cắt giai đoạn 1-2 (sau nứt) 61 Hình 2.8 Trạng thái biến dạng mặt cắt giai đoạn 2-3 (khi dỡ tải) .63 Hình 2.9 Trạng thái biến dạng mặt cắt giai đoạn 3-4 (khi bê tông hạt mịn chưa nứt) .63 Hình 2.10 Trạng thái ứng suất – biến dạng mặt cắt giai đoạn 4-5 (sau BTHM nứt đến cốt thép bị chảy) 64 Hình 2.11 Trạng thái ứng suất – biến dạng mặt cắt dầm tăng cường TRC 66 Hình 2.12 Sự truyền lực qua vết nứt nghiêng 69 viii Tiếp theo i  i  1;  c    i;  s   d s  c  c c ;  s   c  d s  c c ;  t   dt  c  c c Tính ứng suất, lực, mơ men uốn, độ cong sau BTHM nứt - Xác định chiều cao vùng nén c theo PT (2.20) - Xác định ứng suất vật liệu - Tính tốn lực, mơ men uốn độ cong Đúng, cốt thép chảy s   y i  i  1;  c    i;  s   d s  c  c c Sai, cốt thép chưa chảy ;  s   c  d s  c c ;  t   dt  c  c c Tính ứng suất, lực, mô men uốn, độ cong cốt thép bị chảy - Xác định chiều cao vùng nén c theo PT (2.21) Đúng, bê tông chưa bị ép vỡ - Xác định ứng suất vật liệu - Tính tốn lực, mơ men uốn độ cong Đúng, Lưới sợi bị kéo đứt Sai, Lưới sợi chưa bị kéo đứt  t   tu đếm = i Sai, bê tông bị nén vỡ Kết thúc Mã nguồn: Sub Dam_tang_cuong_TRC() h = Sheets("Input").Cells(14, "I").Value b = Sheets("Input").Cells(15, "I").Value ds1 = Sheets("Input").Cells(18, "I").Value ds2 = Sheets("Input").Cells(19, "I").Value df = Sheets("Input").Cells(20, "I").Value h1 = Sheets("Input").Cells(21, "I").Value 140 i  100 As1 = Sheets("Input").Cells(26, "I").Value As2 = Sheets("Input").Cells(32, "I").Value Af = Sheets("Input").Cells(40, "I").Value fcu = Sheets("Input").Cells(46, "I").Value Fct = Sheets("Input").Cells(47, "I").Value Ec = Sheets("Input").Cells(49, "I").Value ep_ct0 = Fct / Ec fy = Sheets("Input").Cells(53, "I").Value Es = Sheets("Input").Cells(54, "I").Value ffu = Sheets("Input").Cells(60, "I").Value Ef = Sheets("Input").Cells(62, "I").Value epfu = ffu / Ef fcu_bthm = Sheets("Input").Cells(68, "I").Value fcr_bthm = Sheets("Input").Cells(69, "I").Value Ec_bthm = Sheets("Input").Cells(71, "I").Value t = Sheets("Input").Cells(65, "I").Value A_bthm = (h1 - h) * b ep_frc = fcr_bthm / Ec_bthm epc0 = * fcu / Ec f_fcr = (fcr_bthm * A_bthm + ep_frc * Ef * Af) / Af Kf = f_fcr / ep_frc K1 = (ffu - f_fcr) / (epfu - ep_fcr) ' -Buoc1_Giai_doan_chua_nut -dep1 = 0.003 / 100 Sheets("Input").Cells(88, "B").Value = dep1 dem1 = Dim i As Integer Dim TT As Integer TT = For i = To 100 Step TT = TT + Sheets("Process").Cells(TT, "A").Value = i LR = Cells.Find(What:="*", SearchDirection:=xlPrevious, SearchOrder:=xlByRows).Row LC = Cells.Find(What:="*", SearchDirection:=xlPrevious, SearchOrder:=xlByColumns).Column Cells(2, "H").Copy Cells(TT + 1, "H").PasteSpecial Paste:=xlPasteFormulas epc = dep1 * i Sheets("Process").Cells(TT, "C").Value = epc c = h / Sheets("Process").Cells(TT, "B").Value = c p = b * fcu * epc / epc0 * (1 - epc / (3 * epc0)) A1 = (2 * p / epc - Eb * b) B1 = * Es * As2 + * Ec * b * h + * Es * As1 + * Kf * Af c1 = -(2 * ds2 * Es * As2 + b * Ec * h * h + * ds1 * Es * As1 + * df * Kf * Af) Worksheets("Process").Cells(TT, "D").Value = p Worksheets("Process").Cells(TT, "E").Value = A1 Worksheets("Process").Cells(TT, "F").Value = B1 Worksheets("Process").Cells(TT, "G").Value = c1 Cells(TT, "B").Select ActiveCell.FormulaR1C1 = "100" Cells(TT, "H").GoalSeek Goal:=0, ChangingCell:=Cells(TT, "B") 141 Worksheets("Process").Cells(TT, "L").Value = epc c = Sheets("Process").Cells(TT, "B").Value epct = epc / c * (h - c) Worksheets("Process").Cells(TT, "I").Value = epct epf = epc / c * (df - c) Worksheets("Process").Cells(TT, "K").Value = epf eps1 = epc / c * (ds1 - c) Worksheets("Process").Cells(TT, "J").Value = eps1 eps2 = epc / c * (c - ds2) Worksheets("Process").Cells(TT, "M").Value = eps2 usct = epct * Ec Sheets("Process").Cells(TT, "N").Value = usct uss1 = eps1 * Es Sheets("Process").Cells(TT, "O").Value = uss1 usf = epf * Kf Sheets("Process").Cells(TT, "P").Value = usf usc = fcu * (2 * epc / epc0 - (epc / epc0) * epc / epc0) Sheets("Process").Cells(TT, "Q").Value = usc uss2 = eps2 * Es Sheets("Process").Cells(TT, "R").Value = uss2 Fctt = usct * b * (h1 - c) / Sheets("Process").Cells(TT, "S").Value = Fctt Fs1 = uss1 * As1 Sheets("Process").Cells(TT, "T").Value = Fs1 Ff = usf * Af Sheets("Process").Cells(TT, "U").Value = Ff Fc = b * fcu * (epc / epc0 * (1 - epc / (3 * epc0))) Sheets("Process").Cells(TT, "V").Value = Fc Fs2 = uss2 * As2 Sheets("Process").Cells(TT, "W").Value = Fs2 M1 = Fctt * (h1 - c) * / + Fs1 * (ds1 - c) + Ff * (df - c) + Fc * / * c + Fs1 * (c - ds2) Sheets("Process").Cells(TT, "Y").Value = M1 / 1000000 Phi1 = epc / c * 1000000 Sheets("Process").Cells(TT, "X").Value = Phi1 P1 = M1 / 0.3 / 1000000 Sheets("Process").Cells(TT, "Z").Value = P1 If epct >= (fcr_bthm / Ec_bthm) Then dem1 = I Exit For End If Next i ' -Buoc2_Giai_doan_truoc_khi_CT_chay For i = dem1 + To 100 Step TT = TT + Sheets("Process").Cells(TT, "A").Value = I LR = Cells.Find(What:="*", SearchDirection:=xlPrevious, SearchOrder:=xlByRows).Row LC = Cells.Find(What:="*", SearchDirection:=xlPrevious, SearchOrder:=xlByColumns).Column Cells(2, "H").Copy Cells(TT, "H").PasteSpecial Paste:=xlPasteFormulas epc = dep1 * i Sheets("Process").Cells(TT, "C").Value = epc c = h1 / 142 Sheets("Process").Cells(TT, "B").Value = c p = b * fcu * epc / epc0 * (1 - epc / (3 * epc0)) A1 = p + 0.5 * b * ep_ct0 * ep_ct0 / epc * Ec B1 = epc * Es * As1 + epc * Es * As2 + (f_fcr - K1 * ep_fcr) * Af + K1 * Af * epc c1 = -(epc * ds2 * Es * As2 + epc * ds1 * Es * As1 + Fct * b * ds2 * c + epc * df * K1 * Af) Worksheets("Process").Cells(TT, "D").Value = p Worksheets("Process").Cells(TT, "E").Value = A1 Worksheets("Process").Cells(TT, "F").Value = B1 Worksheets("Process").Cells(TT, "G").Value = c1 Cells(TT, "B").Select ActiveCell.FormulaR1C1 = "100" Cells(TT, "H").GoalSeek Goal:=0, ChangingCell:=Cells(TT, "B") Worksheets("Process").Cells(TT, "L").Value = epc c = Sheets("Process").Cells(TT, "B").Value epct = epc / c * (h - c) Worksheets("Process").Cells(TT, "I").Value = epct epf = epc / c * (df - c) Worksheets("Process").Cells(TT, "K").Value = epf eps1 = epc / c * (ds1 - c) Worksheets("Process").Cells(TT, "J").Value = eps1 eps2 = epc / c * (c - ds2) Worksheets("Process").Cells(TT, "M").Value = eps2 Sheets("Process").Cells(TT, "N").Value = Fct If eps1