(Luận văn thạc sĩ) phân tích hiện tượng hư hỏng mố, trụ cầu và để xuất giải pháp gia cường kết cấu trụ cầu bằng tấm sợi composite tại tỉnh trà vinh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHÚ THỌ PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN PHÚ THỌ PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA Đà Nẵng, Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Hồng Phương Hoa tận tình hướng dẫn - bảo trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ, giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đường, Phòng KH, SĐH & HTQT Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Ban đào tạo Sau đại học - Đại học Đà Nẵng, gia đình, bạn bè động viên tạo điều kiện cho học viên thời gian học cao học hoàn thành luận văn tốt nghiệp Với thời gian nghiên cứu lực thân cịn hạn chế, luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, tồn Học viên mong nhận ý kiến đóng góp từ phía thầy cô bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Trân trọng cảm ơn ! LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết tính tốn nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Phú Thọ PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH Học viên: Nguyễn Phú Thọ, Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thơng Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Tấm sợi Composite cho thấy phương pháp gia cường đơn giản, thực nhanh chóng với chi phí tương đối thấp khơng làm tăng kích thước cấu kiện, làm tăng khả chịu cắt kết cấu bê tông cốt thép, đồng thời làm tăng độ cứng độ dẻo kết cấu bê tông cốt thép Việc nghiên cứu đề tài giúp thêm thông tin hữu ích vật liệu Composite, cơng thức tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép dán Composite theo tiêu chuẩn ACI Kết tính toán sức lực dọc kết cấu: Hiệu tăng cường chịu nén uốn đồng thời điểm A tăng 25%, điểm B tăng 22%, điểm C tăng 15% Vì vậy, thấy sử dụng sợi Composite tăng cường cho kết cấu bê tông cốt thép cải thiện đáng kể khả chịu lực cột Từ khóa – sợi Composite; cột bê tơng cốt thép; Vật liệu Composite; tăng cường chịu lực; nghiên cứu thiết kế ANALYSIS OF THE PERFORMANCE OF DAMAGES, BRIDGE AND PROPOSAL SOLUTIONS TO STRENGTHEN BRIDGE STRUCTURE BY FIBER PLATE COMPOSITE IN TRA VINH PROVINCE Abstract -Composite fiber sheet show simple reinforcement methods that can be implemented quickly at relatively low cost and not increase the size of the structure, increase the cutting resistance of the reinforced concrete structure Increases the hardness and ductility of the reinforced concrete structure The study of the topic gives more useful information about Composite materials, reinforced concrete formula formulas that are pasted with Composite -compliant Composite sheets Results of calculating the vertical strength of the structure: At the same time, the bending efficiency of bending at bending increased by 25%, B increased by 22% and C by 15% Therefore, it can be seen that the use of reinforced Composite fiber sheet for reinforced concrete structures significantly improves the bearing strength of the columns Key words – Composite fiber sheet; reinforced concrete column; Composite materials; intensify to force; desıgn study PHỤ LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CẢM ƠN LỜİ CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HİỆU, CÁC CHỮ VİẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU .1 1) TÍNH CẤP THİẾT CỦA ĐỀ TÀİ 2) MỤC TİÊU NGHİÊN CỨU ĐỀ TÀİ .2 3) ĐỐİ TƯỢNG VÀ PHẠM Vİ NGHİÊN CỨU 4) PHƯƠNG PHÁP NGHİÊN CỨU 5) CẤU TRÚC LUẬN VĂN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BTCT VÀ VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE, CÁC PHƯƠNG PHÁP GİA CƯỜNG VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG DÁN TẤM SỢI COMPOSITE 1.1 BÊTÔNG 1.1.1 Vật liệu cấu thành bê tông 1.1.2 Tính chất bê tơng 1.2 QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT 1.2.1 Các trình xuống cấp .6 1.2.2 Ăn mòn sun phát 1.2.3 Phản ứng kiềm – silica 1.2.4 Các dạng phá hoại khác 1.3 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT 1.3.1 Bêtông bị rỗ 1.3.2 Bêtông bị rỗng 1.3.3 Bêtông bị nứt nẻ 10 a) Vết nứt co ngót .10 b) Vết nứt nghiêng 10 c) Vết nứt dọc 10 d) Vết nứt ngang mặt cầu 10 1.3.4 Bêtông bị vỡ lở 10 1.3.5 Bêtông khô 10 1.3.6 Suy thoái bê tông 11 1.3.7 Sự làm việc mỏi bê tông cốt thép thường 11 a) Bêtông chịu lực mỏi 11 b) Cốt thép chịu lực mỏi 12 c) Bê tông cốt thép thường chịu lực mỏi 12 1.4 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE (FIBER REINFORCED POLYMER - FRP) VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 12 1.5 CẤU TRÚC VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE (FIBER REINFORCED POLYMER – FRP) 15 1.5.1 Cấu trúc vật liệu sợi Composite .15 a) Sợi carbon (CFRP) .16 b) Sợi aramid (AFRP) .18 c) Sợi thủy tinh (GFRP) 18 1.5.2 Các đặc trưng học vật liệu Composite 20 a) Mô đun đàn hồi 21 b) Cường độ 22 1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU MỐ, TRỤ CẦU, MÓNG CỌC 22 1.6.1 Tổng quan dạng hư hỏng mố, trụ cầu 22 1.6.2 Sửa chữa hư hỏng kết cấu mố, trụ cầu 24 1.6.3 Tăng cường khả chịu lực mố cầu .24 1.6.4 Tăng cường khả chịu lực trụ cầu .25 a) Tăng cường khả chịu lực thân trụ .25 b) Tăng cường khả chịu lực xà mũ trụ 27 1.7 ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU 31 1.8 CÔNG NGHỆ DÁN TẤM VẬT LİỆU SỢİ COMPOSİTE 31 1.9 THİẾT BỊ THİ CÔNG 37 1.9.1 Thiết bị doa mài bo tròn góc cạnh bêtơng 37 1.9.2 Thiết bị sửa, đục bỏ cắt bề mặt bêtông chất lượng, sứt vỡ .37 1.9.3 Thiết bị bơm keo Epoxy chám vá vết nứt (áp lực tối thiểu bar) 37 1.9.4 Thiết bị làm bề mặt thủy lực 38 1.9.5 Thiết bị thổi bụi khô cầm tay 38 1.9.6 Thiết bị tẩm keo dán sợi Composite 38 1.9.7 Bảo hộ lao động bao gồm 39 1.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 39 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE .40 2.1 NGHİÊN CỨU LÝ THUYẾT 40 2.1.1 khoản cách dải vật liệu FRP tăng cường chịu cắt 40 2.1.2 Gia cường sức kháng cắt kết cấu cột, trụ BTCT vật liệu Composite .40 2.1.3 Gia cường khả chịu lực dọc trục dọc trục kết hợp với sức kháng uốn kết cấu cột, trụ BTCT sợi Compoite 40 2.1.4 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén dọc trục túy vật liệu Composite .41 2.1.5 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén với tiết diện hình trịn vật liệu Composite 45 2.1.6 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén với tiết diện khác vật liệu Composite 45 2.1.7 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT khả chịu nén có xét đến trạng thái giới hạn sử dụng vật liệu Composite 47 2.1.8 Gia cường kết cấu cột, trụ BTCT chịu nén, uốn đồng thời vật liệu Composite .47 2.1.9 Nâng cao tính dẻo cho kết cấu dầm, cột gia cường vật liệu Composite .48 2.1.10 Với mặt cắt tiết diện tròn 49 2.2 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GIA CƯỜNG KẾT CẤU CỘT, TRỤ BTCT BẰNG TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE 49 2.2.1 Vật liệu bê tông cốt thép 49 2.2.2 Xây dựng đường cong quan hệ tương tác P-M .49 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN GIA CƯỜNG KẾT TRỤ CẦU CỒN TÀU ĐƯỜNG TỈNH LỘ TL.913, HUYỆN DUYÊN HẢI, TỈNH TRÀ VINH 54 3.1 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH, THỬ TẢI VÀ ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA TRỤ CẦU 54 3.1.1 Vị trí xây dựng 54 3.1.2 Quy mô cơng trình .55 3.1.3 Đánh giá sơ trạng mố trụ cầu .55 3.1.4 Nguyên nhân dẫn đến nứt trụ cầu 56 3.1.5 Xác định cường độ bê tông cốt thép 56 3.1.6 Xác định chiều dày lớp bê tơng bảo vệ kích thươc cốt thép chịu lực 57 3.1.7 Thử tải động kết cấu mố trụ .58 3.1.8 Kết luận kiến nghị 58 3.2 TÍNH TỐN GIA CƯỜNG TRỤ T1 BẰNG TẤM SỢI CARBON 59 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68 KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ 69 KẾT LUẬN 69 KİẾN NGHỊ .69 HƯỚNG NGHİÊN CỨU TİẾP THEO 69 TÀİ LİỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ac - Diện tích mặt cắt ngang phần bê tông chịu nén (mm2) Ae - Diện tích mặt cắt ngang phần bê tơng bị kìm chế biến dạng nở hơng có hiệu (mm2) Af - Diện tích vật liệu FRP gia cố bên ngồi (mm2) Ag - Tổng diện tích mặt cắt bê tơng (mm2) Afv - Diện tích vật liệu FRP tăng cường chịu cắt với khoảng cách s (mm2) As - Diện tích cốt thép thường (mm2) Asi - Diện tích cốt thép lớp thứ i theo chiều dọc (mm2) Ast - Tổng diện tích cốt thép gia cố theo chiều dọc (mm2) b - Bề rộng mặt chịu nén cấu kiện (mm) h - Bề dày chiều cao cấu kiện (mm) D - Đường kính mặt cắt ngang hình trịn cấu kiện chịu nén (mm) Ec - Mô đun đàn hồi bê tông (MPa) Ef - Mô đun kéo đàn hồi vật liệu FRP (MPa) Es - Mô đun đàn hồi thép (MPa) f’c - Cường độ nén quy định bê tông (MPa) fc - Ứng suất nén bê tông (MPa) f’cc - Cường độ nén bê tông bị kìm chế biến dạng nở hơng (MPa) f’co - Cường độ nén bê tơng khơng bị kìm chế biến dạng nở hông tương đương với giá trị 0,85f’c (MPa) fy - Giới hạn chảy cốt thép thường (MPa) Pn - Lực nén danh định tâm mặt cắt bê tơng (N) rc – Bán kính đường biên mặt cắt lăng trụ bị bọc FRP (mm) 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 ACMA - American Composites Manufactures Association DANH MỤC CÁC BẢNG 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN - Luận văn trình bày nguyên nhân gây hư hỏng biện pháp kiểm định khả làm việc kết cấu cột bê tông cốt thép, từ đề xuất biện pháp gia cường, giới thiệu phương pháp gia cường kết cấu cột bê tông cốt thép dán FRP ứng dụng Việt Nam - Qua nghiên cứu luận văn nhận thấy rõ ưu điểm phương pháp sửa chữa, tăng cường dán FRP số mặt sau: Vật liệu FRP có cường độ chịu kéo mơ đun đàn hồi cao, đa dạng chủng loại, trọng lượng nhẹ, thi cơng dễ dàng nhanh chóng, khơng cần đập phá kết cấu giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, thi 70 cơng khơng cần sử dụng coffa, tốn nhân cơng, khơng cần máy móc đặc biệt, khơng cần bảo dưỡng chống rỉ trình khai thác - Việc nghiên cứu đề tài giúp thêm thông tin hữu ích vật liệu FRP, cơng thức tính tốn kết cấu BTCT dán FRP theo tiêu chuẩn ACI Kết tính tốn sức lực dọc kết cấu: - Hiệu tăng cường chịu nén uốn đồng thời điểm A tăng 25%, điểm B tăng 22%, điểm C tăng 15% - Vì vậy, thấy sử dụng sợi Composite tăng cường cho kết cấu BTCT cải thiện đáng kể khả chịu lực cột KIẾN NGHỊ - Cần nghiên cứu thực nghiệm gia cường này, đánh giá độ tin cậy tuổi thọ vật liệu gia cường - Cần có tiêu chuẩn thi cơng nghiệm thu để vật liệu ứng dụng rộng rãi Việt Nam HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO - Trên sở nội dung luận văn, tác giả mong muốn tiếp tục số hướng nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng vật liệu sợi Composite - Nghiên cứu vấn đề mỏi kết cấu gia cường, dự báo tuổi thọ công trình sau gia cường ứng với cấp tải trọng khác DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Bộ giao thông vận tải (2005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường 22TN272-05, Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà Nội [2] Tiêu chuẩn đánh giá nguyên nhân, sửa chữa vết nứt kết cấu bê tông ACI224.1R-07 [3] Chỉ dẫn sửa chữa kết cấu bê tông ACI 546R-01 [4] Chỉ dẫn sử dụng chất kết dính Epoxy với bê tơng ACI 503R-99 [5] Báo cáo tổng kết đánh giá công nghệ sửa chữa kết cấu bê tơng cốt thép vật liệu FRP dính bám ngoài, CEB-FIB năm 2006 [6] G.K.GLASS- Vũ Việt Hưng (Biên dịch), Sự xuống cấp bêtông cốt thép, Câu lạc giao lưu kỹ thuật Việt Nhật (JVEEF No 9) [7] Hoang Phuong Hoa, Nguyen Dinh Khanh, Nguyen The Duong Research on solution to strengthen concrete T beams reinforced with carbon fiber reinforced polymer composite (part 2), Proceedings of the International Conference in Computational Mechanics, ACOME 2012, August 14-16, Ho Chi Minh City, Vietnam, No: ISBN-978-604-908-577-2, pages 924-932 Year 2012 [8] Hồng Phương Hoa, Nguyễn Đình Khanh (2011), “Nghiên cứu giải pháp tăng cường dầm bêtông cốt thép vật liệu composite sợi carbon”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 8, trang 19-22 [9] Hoàng Phương Hoa, Nguyễn Thanh Nguyên (2012), “Nghiên cứu nâng cấp tải trọng cầu Hoà Xuân thành phố Đà Nẵng vật liệu composite”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 12(61), trang 87-91 [10] Hoàng Phương Hoa, Khai thác sửa chữa - gia cố cơng trình cầu, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [11] Nguyễn Trọng Nghĩa, Giải pháp tiên tiến sửa chữa, tăng cường khả chịu lực cho kết cấu bê tông sử dụng vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám FRP, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội [12] Sika Limited (Vietmam) (2009), Tấm sợi cacbon ép đùn dùng để gia cố kết cấu [13] Nghị định 46/2015/NĐ-CP ngày 12/05/2015 Chính phủ Quản lý chất lượng bảo trì cơng trình [14] Nghị định số 11/2010/NĐ-CP ngày 24/02/2010 Chính phủ quy định quản lý bảo vệ kết cấu hạ tầng giao thông đường Tiếng Anh: [15] ACI 440.2R-08 Guide for the Design and Construction of Externally Bonder FRP Systems for Strengthening Concrete Structures [16] ACI 318-05 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary [17] Ranganathan R, Reliability Analysis and Design of Structures (2000), Tata Mc Graw-Hill Co Civil Engineering Dept., I.I.T., Bombay [18] ACI 440.2R-02, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures [19] ACI 318-02, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary [20] Hota V.S GangaRao, Narendra Taly, P.V Vijay (2006), “Reinforced Concrete Design with FRP Composites” CRC Press, Taylor & Francis Group ... NGUYỄN PHÚ THỌ PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng... trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Phú Thọ PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG MỐ, TRỤ CẦU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU TRỤ CẦU BẰNG TẤM SỢI COMPOSITE TẠI TỈNH TRÀ VINH Học viên: Nguyễn Phú... 1.7 Hiện tượng hư hỏng trụ cầu 24 Hình 1.8 Hiện tượng hư hỏng trụ cầu bị ăn mòn 1.6.2 Sửa chữa hư hỏng kết cấu mố, trụ cầu Phải vào loại kết cấu cụ thể, mức độ hư hỏng để lựa chọn giải pháp