Gia cường kết cấu sàn bê tông cốt thép bằng cáp ứng lực trước căng ngoài kết hợp tấm sợi cacbon

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN MINH GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON C C R L T DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN MINH GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON C C R L T DU Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số : 85.80.201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.TRƯƠNG HỒI CHÍNH Đà Nẵng - Năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Trần Minh C C DU R L T ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii TÓM TẮT LUẬN VĂN .iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Sự xuống cấp kết cấu bê tông cốt thép 1.1.1 Hư hỏng kết cấu BTCT tác động ăn mòn 1.1.2 Hư hỏng kết cấu BTCT tác động khí hậu thời tiết 1.1.3 Hư hỏng kết cấu BTCT nứt co ngót bê tông 1.1.4 Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động tải trọng 1.1.5 Tình trạng khai thác cơng trình chế độ bảo trì: 10 1.2 Các trường hợp cần gia cường kết cấu bê tông cốt thép 10 1.3 Các phương pháp gia cường truyền thống .11 1.3.1 Công nghệ tăng cường khả chịu lực kết cấu BTCT phương pháp mở rộng tiết diện 11 1.3.2 Công nghệ tăng cường khả chịu lực kết cấu BTCT công nghệ dán thép 12 1.3.3 Công nghệ tăng cường khả chịu lực kết cấu BTCT cáp ứng lực trước căng 14 1.4 Phương pháp gia cường vật liệu CFRP 16 1.4.1 Giới thiệu vật liệu CFRP 16 1.4.2 Phương pháp gia cường kết cấu vật liệu CFRP 18 1.4.3 Trình tự thi công gia cường kết cấu vật liệu CFRP 20 1.5 Kết luận Chương 24 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP 25 2.1 Các tiêu chuẩn áp dụng cho thiết kế gia cường kết cấu BTCT .25 2.2 Thiết kế gia cường kết cấu sàn BTCT cáp ƯLT căng 25 2.2.1 Ngun lý tính tốn 25 C C DU R L T iii 2.2.2 Giả thuyết tính toán: 26 2.3 Thiết kế gia cường kết cấu sàn BTCT sợi cacbon cường độ cao .30 2.3.1 Yêu cầu thiết kế tăng cường sức kháng uốn vật liệu CFRP 30 2.3.2 Tăng cường khả chịu uốn cho kết cấu BTCT .32 2.4 Ứng dụng phần mềm thiết kế gia cường sàn BTCT 41 2.5 Bố trí hệ thống quan trắc q trình thi cơng cáp ƯLT căng ngồi 43 2.6 Kết luận Chương 44 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BTCT BẰNG CÁP ƯLT CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON 45 3.1 Giới thiệu chung cơng trình Xí nghiệp Toyota Đà Nẵng mở rộng 45 3.2 Phương pháp gia cường kết cấu BTCT 46 3.2.1 Lựa chọn giải pháp gia cường kết cấu BTCT: 46 3.2.2 Kết kiểm tra kết cấu với hoạt tải 97,5 kG/m2 600 kG/m2 .47 3.3 Thiết kế gia cường kết cấu sàn BTCT cáp ƯLT căng kết hợp sợi cacbon 53 3.3.1 Thông số vật liệu: .53 3.3.2 Kết thiết kế gia cường kết cấu BTCT ƯLT căng kết hợp sợi cacbon .54 3.3.3 Thiết bị dùng q trình thi cơng, thử tải số hình ảnh trình thi công gia cường, thử tải kiểm chứng 59 3.4 Kết đo đạc thực nghiệm 66 3.4.1 Tổng quan trình thực nghiệm 66 3.4.2 Tải trọng thử nghiệm qui trình thử 68 3.5 Phân tích kết thử tải biện luận 71 3.5.1 Đánh giá theo độ võng thử tĩnh 73 3.5.2 Đánh giá ứng suất / biến dạng trình thử tải: 73 3.5.3 Kết quan trắc trình khai thác .74 3.6 Kết luận chương .75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .76 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC .76 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) C C DU R L T iv TÓM TẮT LUẬN VĂN GIA CƯỜNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG NGOÀI KẾT HỢP TẤM SỢI CACBON Học viên: Trần Minh Chun ngành: Kỹ thuật XD Cơng trình DD&CN Mã số: 85.80.201 Khóa: K36.XDD Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Kết cấu dầm sàn bê tông cốt thép sử dụng nhiều cơng trình dân dụng hạ tầng kỹ thuật xây dựng khác Sau thời gian khai thác vật liệu bê tông cốt thép có suy thối làm giảm khả chịu lực kết cấu Để khôi phục khả chịu tải ban đầu kết cấu dầm, sàn bê tông cốt thép; điều chỉnh sơ đồ kết cấu hệ khung dầm sàn hoặc gia tăng tải trọng sử dụng lên sàn Có nhiều giải pháp gia cường khả chịu tải kết cấu dầm, sàn bê tông cốt thép như: Mở rộng tiết diện, dùng cáp ứng lực trước căng ngoài, sử dụng vật liệu compostite cường độ cao dán gia cường ngồi, điều chỉnh sơ đờ chịu lực kết cấu Trong phương pháp sử dụng cáp ứng lực trước căng kết hợp sợi cacbon cường độ cao để gia cường có ưu điểm thi công dễ dàng nên ứng dụng nhiều Nghiên cứu trình bày sở thiết kế gia cường kết cấu dầm sàn cáp ứng lực trước căng ngồi kết hợp sợi cacbon, cơng nghệ thi công kết cấu cáp ứng lực trước căng kết hợp sợi cacbon, kết thử tải kiểm chứng sau thi công gia cường kết cấu Từ khóa: Bê tông cốt thép (BTCT), ứng lực trước (ƯLT), Cốt sợi cacbon (CFRP), Gia cường, Phần tử hữu hạn (PTHH) C C R L T DU Abstract: STRENGTHNING REINFORCED CONCRETE SLAB BY EXTERNAL TENSIONING CABLE COMBINE CFRP Structure of reinforced concrete floor beams is used quite a lot in civil works and other construction technical infrastructure After a period of exploitation of degraded concrete and reinforced materials, it reduces the bearing capacity of the structure To restore the original load bearing capacity of beam structures, reinforced concrete floors; adjust the structure of the girder frame structure or increase the load used on the floor There are many solutions to strengthen the load capacity of beam structure, reinforced concrete floor such as: Expanding the section, using external pre-tensioned tendon, using high-strength composite materials to adhere, adjusting the profile load bearing structure In which the method of using external pre-tensioned tendon combined with high-strength carbon fiber fabric for reinforcement has easy construction advantages, so it is being applied more widely This study presents the basic design of reinforcing the structure of floor beams by external pre-tensioned tendon combined with carbon fiber panels, construction technology by external pre-tensioned tendon combined with carbon fiber panels, results test load verify after structural reinforcement Keyword: Reinforced concrete, Pre-stressed, Carbon fiber, Reinforced, Finite element v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT Bê tông cốt thép ƯLT CFRP FRP Ứng lực trước Carbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polymer sợi cacbon) Fiber Reinforced Polymer (Cốt sợi Polymer) NSM ACI Near surface mounted (Gắn sát bề mặt) Viện bê tông Hoa Kỳ N/X PTHH Nước/Xi măng Phần tử hữu hạn C C DU R L T vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1-1 Cường độ bê tông giảm theo nhiệt độ 2-1 Giá trị ứng suất cộng thêm có xét đến giới hạn ứng suất lặp 40 3-1 Thông số vật liệu vải sợi cacbon 53 3-2 Thông số vật liệu keo Epoxy 54 3-3 Kết quan trắc ứng xử kết cấu q trình thi cơng 69 3-4 Kết đo độ võng tải trọng thử 69 3-5 Kết đo biến dạng tải trọng thử 70 3-6 Kết tính tốn ứng suất tải trọng thử 70 3-7 Đánh giá theo độ võng thử tĩnh 3-8 Đánh giá theo ứng suất 3-9 Tổng hợp kết quan trắc trình khai thác DU R L T C C 73 73 74 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1-1 Q trình cacbonat hóa bê tơng 1-2 Q trình ăn mịn cốt thép bê tơng 1-3 Q trình ăn mịn cốt thép bê tông 1-4 Bê tông bị bong tróc, cốt thép bị rỉ 1-5 Phản ứng kiểm alkali bê tông 1-6 Sơ đồ biến dạng khung tác động tải trọng nhiệt độ 1-7 Trạng thái chịu lực khung dọc vào hình thức liên kết cột 1-8 Nứt nhiệt độ 1-9 Nứt co ngót 1-10 Xuất khe nứt dầm 1-11 Bảo trì định kỳ kéo dài tuổi thọ cơng trình 10 1-12 Các dạng tăng tiết diện 11 1-13 Gia cường cột BTCT cách tăng tiết diện 11 1-15 Gia cường kết cấu BTCT cách dán thép 13 1-16 Gia cường kết cấu BTCT cáp ƯLT căng 14 1-17 Cấu trúc vật liệu FRP (Gibson, 1994) 16 1-18 Ứng suất – biến dạng vật liệu cốt sợi cacbon sợi thủy tinh 17 1-19 Hướng phân bố cốt sợi 17 1-20 Các loại sản phẩm vật liệu FRP 18 1-21 Gia cường kết cấu dầm BTCT để tăng khả chịu uốn 19 1-22 Gia cường kết cấu dầm, cột BTCT để tăng khả chịu cắt 19 1.23 Gia cường kết cấu BTCT sợi cacbon cường độ cao 19 1-24 Công tác mài vệ sinh, tạo phẳng bề mặt 20 1-25 Quá trình pha trộn treo 21 1-26 Q trình thi cơng trát keo 22 1-27 Thi công dán vải CFRP 23 C C R L T DU viii 1-28 Sơn phủ chống tia UV sau dán vải CFRP 23 2-1 Sơ đờ bố trí cáp ứng lực trước căng ngồi 25 2-2 Biểu đồ Momen dầm chưa căng cáp 25 2-3 Biểu đồ Momen dầm lực căng cáp gây 25 2-4 Biểu đồ Momen dầm sau căng cáp 26 2-5 Biểu đồ Momen dầm chưa căng cáp 26 2-6 Biểu đồ Momen dầm lực căng cáp gây 26 2-7 Biểu đồ Momen dầm sau căng cáp 26 2-8 Sơ đờ bố trí cáp ƯLT căng ngồi 27 2-9 Sơ đờ tính mơ men cáp ƯLT căng ngồi 27 2-10 Hình tính tốn 2-11 Biểu đờ mơ men uốn cáp ƯLT căng gây 28 2-12 Mơ hình tính tốn sức kháng uốn 33 2-13 Mơ hình tính tốn biến dạng ban đầu vật liệu FRP 35 2-14 Mơ hình tính tốn biến dạng ban đầu vật liệu FRP 36 2-15 Mơ hình tính tốn hệ số φ 37 2-16 Mơ hình phần tử cable SAP2000 43 2-17 Hộp thoại định nghĩa trường hợp phân tích phi tuyến SAP 2000 44 2-18 Cảm biến đo chuyển vị đầu đọc NI9205 + Labview (Mỹ) 43 2-19 Hệ thống đo Sisgeo, Cảm biến đo biến dạng phần mềm thu số liệu 44 3-1 Cơng trình xí nghiệp Toyota Đà Nẵng mở rộng 45 3-2 Hiện trạng mặt tầng cần cải tạo nâng tải trọng khai thác 46 3-3 Mặt trạng sàn tầng 46 3-4 Mơ hình không gian 3D Sap 2000V14 47 3-5 Khai báo hoạt tải sử dụng tầng 600kG/m2 48 3-6 Khai báo hoạt tải sử dụng tầng 97,5kG/m2 48 3-7 Biểu đồ momen, lực dọc với hoạt tải sử dụng 600kG/m2 49 C C N R L T DU 27 94 -Tỉ số chiều cao trục trung hịa với chiều cao cốt thép tính từ mép chịu nén 𝑑 𝑘 = √(𝜌𝑠 𝑛𝑠 + 𝜌𝑓 𝑛𝑓 ) + (𝜌𝑠 𝑛𝑠 + 𝜌𝑓 𝑛𝑓 ( 𝑑𝑓 )) − (𝜌𝑠 𝑛𝑠 + 𝜌𝑓 𝑛𝑓 ) = 0,2207 - Ứng suất cốt thép: 𝑓𝑠,𝑠 𝑘𝑑 [𝑀𝑠 + 𝜀𝑏𝑖 𝐴𝑓 𝐸𝑓 (𝑑𝑓 − )] (𝑑 − 𝑘𝑑)𝐸𝑠 = = 219,43 < 0,8𝑓𝑦 = 228𝑀𝑃𝑎 𝑘𝑑 𝑘𝑑 𝐴𝑠 𝐸𝑠 (𝑑 − ) (𝑑 − 𝑘𝑑) + 𝐴𝑓 𝐸𝑓 (𝑑𝑓 − ) (𝑑𝑓 − 𝑘𝑑) Kết luận: Thỏa mãn điều kiện giới hạn ứng suất cốt thép j Kiểm tra giới hạn phá hoại bền sử dụng FRP điều kiện ứng suất bê tông - Kiểm tra giới hạn phá hoại bền sử dụng FRP: 𝐸𝑓 𝑑𝑓 − 𝑘𝑑 𝑓𝑓,𝑠 = 𝑓𝑠,𝑠 ( ) ( ) − 𝜀𝑏𝑖 𝐸𝑓 = 17 ≤ 0,55𝑓𝑓𝑢 = 481𝑀𝑃𝑎 𝐸𝑠 𝑑 − 𝑘𝑑 Kết luận: Thỏa mãn điều kiện giới hạn bền - Kiểm tra điều kiện ứng suất bê tông 𝐸𝑐 𝑘𝑑 𝑓𝑐 = 𝑓𝑠,𝑠 ( ) ( ) = 7,0 ≤ 0,5𝑓 ′ 𝑐 = 9,75𝑀𝑃𝑎 𝐸𝑠 𝑑 − 𝑘𝑑 Kết luận: Thỏa mãn điều kiện giới hạn ứng suất bê tông C C R L T DU PL.6 Tổng hợp kết tính tốn thiết kế gia cường Bảng PL-7: Kết tính tốn thiết kế gia cường sàn STT Kết phân tích tính tốn Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) trước gia cường (a) Sức kháng uốn kết cấu sàn (b) Momen cáp ƯLT căng gây (c) Sức kháng CFRP (d) Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) sau gia cường (e=a+c) Sức kháng uốn kết cấu sàn sau gia cường (f=b+d) Cấu kiện Giữa ô sàn (X-X) Giữa ô sàn (Y-Y) Trên gối ô sàn (X-X) Trên gối ô sàn (Y-Y) 1387,1 1452,3 -1395 -1575,1 708,0 708,0 -708,0 -708,0 -338,3 -512,9 208,6 448,2 773,8 773,8 -773,8 -773,8 1048,8 939,4 -1186,4 -1126,9 1481,8 1481,8 -1481,8 -1481,8 95 Sức kháng uốn (kG.m) Momen tải trọng (kG.m) 2,000 Biểu đồ kiểm tra khả chịu uốn sàn Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) trước gia cường 1,500 1,000 500 -500 Giữa ô sàn (X-X) Giữa ô sàn (Y-Y) Trên gối ô sàn (X-X) Trên gối ô sàn (Y-Y) -1,000 -1,500 Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) sau gia cường Sức kháng uốn kết cấu sàn sau gia cường -2,000 Hình PL-34: Biểu đờ kiểm tra khả chịu uốn dầm sau gia cường Bảng PL-8: Kết tính tốn thiết kế gia cường dầm C C Cấu kiện Kết tính tốn STT R L T Dầm 16-2 Dầm 12-2 Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) trước gia 63,1 92,5 cường (kN.m) (a) Momen cáp ƯLT căng -30,96 -44,31 (kN.m) (b) Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) sau gia 32,1 48,2 cường (kN.m) (c=a+b) Sức kháng uốn kết cấu 73,5 73,5 dầm (kN.m) DU 1,000 Dầm 17A-2 Dầm 7-2 (trục 3) Dầm 14-2 Dầm 7A-2 76,3 882,8 66,6 911,8 -31,81 -283,01 -49,82 -271,98 44,5 599,8 16,8 639,8 73,5 698,4 77,8 698,4 Biểu đồ kiểm toán khả chịu uốn dầm 900 Sức kháng uốn kết cấu dầm Sức kháng uốn (kN.m) Momen tải trọng (kN.m) 800 700 600 Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) trước gia cường 500 400 300 Momen tổ hợp tải trọng (600kG/m2) sau gia cường 200 100 Dầm 16-2 Dầm 12-2 Dầm 17A-2 Dầm 7-2 (trục 3) Dầm14-2 Dầm7A-2 Hình PL-35: Biểu đồ kiểm tra khả chịu uốn sàn sau gia cường 96 Bảng PL-8: Kết tính tốn độ võng dầm, sàn sau gia cường Cấu kiện STT Kết tính tốn Sàn (AB-12) Sàn (AB-23) Dầm D14 Dầm 7-2 Độ võng trước gia cường (a) 33,89 33,96 34,01 25,50 Độ vờng ngược cáp ƯLT căng ngồi (b) -13,15 -13,15 -13,50 -8,57 Độ võng sau gia cường (c= a+b) 20,74 20,81 20,51 16,93 C C R L T DU Hình PL-36: Biểu đờ kiểm tra độ võng sau gia cường DAI HQC DA NANG TRI.IONG DAI HQC BACH KHOA CQNG HOA XA HQI CHU NGHiA VIET NAM DQc lSp - Tg - H4nh phfc Dd Ndng, ngdy 30 thdng s6: J6,18 /eD-DHBK ndm 2019 QUYTTDINH V6 viQc giao it6 tii vi trich nhiQm cia nguni hurfng din lu$n vln thac si HIEU TRIIONG TRTIONG DAI HQC BACH KHOA Cin cri Nghl tllnh sd 32lCP ngiry O4l4ll994 cria Chinh phi vd viQc lfp Dai hqc Dd Ning; Cin cri Th6ng tu sd 08/2014/TI-B.GPET ngity 20/3/2014 cria BQ truong BQ Gi6o dpc vd Ddo tao v€ vi€c ban hdnh Quy ch€ td chr?c vd ho4t dQng cia d4i hgc vtng vd ciic co s0 gi6o duc dai hqc thAnh vi6n; Quyi5t dinh s6 6950/QE-DHEN ngdy 0l/1212014 cria Gi6m d6c Dai hqc En Nang dinh nhiQm vu, quy€n han cia Dqi hqc Dd NEng, c6c co sd giiio vt) viQc ban hdnh Quy dr'rc