Nghiên cứu tăng cường kết cấu bê thông cốt thép bằng tấm dán fiber reinforced polymer

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN ĐÌNH KHANH NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM DÁN FIBER REINFORCED POLYMER Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.40 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS Hồng Phương Hoa Phản biện 1: TS Nguyễn Đình Xân Phản biện 2: TS Trần Đình Quảng Luận văn bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 10 tháng 12 năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Hiện nay, cơng trình xây dựng phục vụ dân sinh sau thời gian đưa vào sử dụng, số cơng trình xuống cấp cần phải có biện pháp sửa chữa, cải tạo nâng cấp Nguyên nhân dẫn ñến hỏng hóc cơng trình xuống cấp kể sau: Những sai sót giai đoạn thiết kế - Những lỗi thiết kế bao gồm: • Các quy ñịnh tải trọng, dự báo mức tăng trưởng tải trọng chưa xác; • Các quy định vật liệu chưa đồng bộ; • Tiêu chuẩn thiết kế cịn chắp vá khơng thống - Sai sót vẽ thiết kế: Các lỗi vẽ khâu kiểm sốt chất lượng Những sai sót giai đoạn thi cơng - Thi cơng khơng đạt chất lượng theo thiết kế: • Lớp bêtơng bảo vệ khơng đủ đảm bảo u cầu chống ăn mịn gây tượng rỉ cốt thép; • Độ đầm chặt kém, bêtơng bị rỗng nhiều; • Bảo dưỡng khơng qui trình u cầu, làm bêtơng khơng đủ cường độ theo thiết kế, vết nứt xuất - Thiếu việc kiểm sốt chất lượng cơng trình; - Cơng tác giám sát cơng trình cịn chưa quan tâm mức Sự cố giai ñoạn sử dụng - Các cơng trình thường xun làm việc điều kiện tải công tác quản lý khai thác sử dụng cơng trình cịn nhiều bất cập; - Việc thay đổi cơng sử dụng cơng trình nguyên nhân làm cho công trình xuống cấp nhanh chóng; - Những yếu tố ảnh hưởng mơi trường làm việc cơng trình dẫn đến tượng cơng trình bị ăn mịn gây hư hỏng trước thời hạn thiết kế ban đầu và; - Thiếu việc bảo trì theo quy định đưa cơng trình vào sử dụng Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu cơng trình bêtơng cốt thép ứng dụng thực tế nước ta như: - Phương pháp bao bọc chỗ hư hỏng lớp bêtông BTCT; - Phương pháp dùng thép gia cường (dán thép); - Phương pháp dùng bêtông dự ứng lực căng - Phương pháp sử dụng loại vật liệu composite sợi cường ñộ cao FRP (Fiber-Reinforced Polymer) Ngoại trừ phương pháp gia cường biện pháp sử dụng vật liệu composite sợi cường ñộ cao Các phương pháp khác có nhược điểm sau: Phương pháp: Bao bọc bê tông BTCT - Ván khuôn lắp ghép cồng kềnh; - Thi công phức tạp khó khăn; - Phải phá bỏ phần kết cấu cũ; - Liên kết bêtông cũ khó khăn thường khơng đảm bảo dính kết cần thiết; - Sự co ngót khác bêtông cũ lớp bêtông mới; - Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho cơng trình; - Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện và; - Thay ñổi kiến trúc tổng thể kết cấu sau gia cường Phương pháp: Dán thép - Lắp ñặt thép khó khăn; - Thời gian thi cơng kéo dài cần nhiều thời gian tốn nhân công; - Bản thép cần phải ñiều chỉnh chế tạo gia cơng trước phức tạp; - Khó khăn cẩu lắp, thi công khu vực chật hẹp; - Khoan bắt bulơng vào bêtơng phát sinh cố làm giảm tiết diện chịu lực kết cấu; - Cơng việc hàn thép xảy hiểm họa cháy, nổ và; - Khó khăn việc quản lý chất lượng Phương pháp: Dự ứng lực căng - Lắp ghép cồng kềnh; - Tốn nhiều thời gian thi cơng, lắp đặt căng kéo; - Phải thi công gia cố thêm ụ neo ụ chuyển hướng; - Yêu cầu vật liệu dầm phải có cường độ cao đắt tiền phát huy hiệu cáp DƯL; - Hiệu giải pháp tăng cường DƯL phụ thuộc vào việc kiểm sốt mát DƯL, cơng việc địi hỏi nhân cơng thực phải có trình độ cao; - Khó khăn biện pháp bảo vệ cốt thép căng ngồi chịu ảnh hưởng tác động mơi trường và; - Ảnh hưởng đến thơng thuyền cơng trình giao thơng có u cầu thơng thuyền Xuất phát từ thực tế đó, đề tài Nghiên cứu gia cường kết cấu bêtông cốt thép dán Fiber Reinforced Polymer nghiên cứu ưu điểm cơng nghệ dán chất dẻo sợi carbon, nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ Việt Nam Trong lĩnh vực sửa chữa, cải tạo nâng cấp cơng trình xây dựng dân dụng, giao thông thủy lợi Mục tiêu nghiên cứu luận văn - Nghiên cứu trình xuống cấp, hư hỏng kết cấu BTCT phương pháp ñánh giá mức ñộ hư hỏng kết cấu BTCT; - Nghiên cứu ñặc trưng học vật liệu FRP ñánh giá ưu ñiểm vật liệu FRP so với vật liệu truyền thống; - Tổng hợp sở lý thuyết, kết nghiên cứu thực nghiệm sử dụng công nghệ dán chất dẻo sợi cacbon tác giả giới Thiết lập sơ đồ khối từ cơng thức ACI, tính tốn hiệu dầm BTCT tăng cường sợi FRP cho dầm cụ thể thí nghiệm dầm; - Đánh giá cơng nghệ dán chất dẻo sợi cacbon sửa chữa tăng cường kết cấu bêtông cốt thép khả áp dụng cơng nghệ điều kiện cụ thể nước ta Phạm vị nghiên cứu - Các sở lý thuyết, mơ hình tính tốn lý thuyết tăng cường cho dầm BTCT công nghệ dán chất dẻo sợi carbon; - Nghiên cứu sử dụng công nghệ dán chất dẻo sợi cacbon ñể tăng cường khả chịu lực cho kết cấu dầm BTCT Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính tốn dựa mơ hình lý thuyết; - Thu thập số liệu thực tế, tổng hợp, thống kê phân tích số liệu; - Tính tốn hiệu tăng cường thơng qua lý thuyết tính tốn thí nghiệm dầm Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn bao gồm: Phần mở ñầu giới thiệu khái quát chung BTCT trình khai thác sử dụng số biện pháp sửa chữa, cải tạo gia cường cấu kiện ñã bị hư hỏng, xuống cấp để khơi phục lại khả làm việc cơng trình Tiếp theo Phần mở đầu chương giới thiệu nội dung nghiên cứu sau: Chương 1: Tổng quan bêtông cốt thép, phương pháp gia cường kết cấu BTCT Chương 2: Sơ lược vật liệu FRP, lịch sử phát triển, ñặc trưng học vật liệu FRP, giới thiệu ứng dụng vật liệu FRP sửa chữa tăng cường kết cấu BTCT Chương 3: Cơ sở lý thuyết, tính tốn tăng cường dầm bêtơng cốt thép vật liệu FRP Chương 4: Đánh giá công nghệ dán chất dẻo sợi cacbon triển vọng áp dụng công nghệ nước ta Cuối kết luận kiến nghị ñề tài 8 CHƯƠNG TỔNG QUAN BÊTÔNG CỐT THÉP VÀ GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP 1.1 BÊTÔNG 1.1.1 Vật liệu cấu thành bêtơng 1.1.2 Tính chất bêtơng 1.2 Q TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BÊTÔNG CỐT THÉP 1.2.1 Các q trình xuống cấp 1.2.2 Ăn mịn sun phát 1.2.3 Phản ứng kiềm-silica 1.2.4 Các dạng phá hoại khác 1.3 KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CỦA BÊTÔNG 1.3.1 Phương pháp va ñập 1.3.2 Phương pháp bóc tách 1.3.3 Phương pháp nhổ bật 1.3.4 Phương pháp siêu âm 1.3.5 Thăm dị độ sâu khe nứt siêu âm 1.3.6 Thăm dò khuyết tật siêu âm 1.3.7 Kiểm định chất lượng bêtơng sau hỏa hoạn 1.3.8 Phương pháp chiếu xạ 1.4 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT 1.4.1 Bêtông bị rỗ 1.4.2 Bêtông bị rỗng 1.4.3 Bêtông bị nứt nẻ 1.4.4 Bêtông bị vỡ lở 1.4.5 Bêtông q khơ 1.4.6 Suy thối bêtơng 1.4.7 Sự làm việc mỏi BTCT thường 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT: 1.5.1 Gia cường kết cấu cách tăng tiết diện 1.5.2 Gia cường cột thép hình 1.5.3 Gia cường dầm gối tựa cứng 1.5.4 Gia cường dầm căng ứng suất trước 1.5.5 Gia cường kết cấu BTCT theo công nghệ dán thép 1.6 GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM DÁN FRP 1.6.1 Đặc ñiểm phương pháp gia cường kết cấu BTCT dán FRP 1.6.2 Các phương pháp thi công sửa chữa, gia cố kết cấu FRP 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương nghiên cứu cấu trúc vật liệu bê tơng, q trình xuống cấp bê tơng, phương pháp đánh giá kiểm ñịnh chất lượng bê tông cần ñược gia cường, nêu nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu bê tơng, đề xuất phương pháp gia cường kết cấu bê tơng đề cập đến phương pháp gia cường kết cấu bê tông dán FRP Trong chương nghiên cứu nhiều q trình hình thành phát triển, đặc trưng học vật liệu FRP 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FIBER REINFORCED POLYME 2.1 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU FRP VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 2.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU FRP 2.2.1 Cấu trúc vật liệu FRP 2.2.1.1 Cốt sợi: Sợi carbon Sợi aramid: Sợi thủy tinh: 2.2.1.2 Chất dẻo nền: 2.2.2 Các ñặc trưng học vật liệu FRP 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Qua nghiên cứu q trình đời phát triển vật liệu FRP, nhận thấy vật liệu FRP ña dạng chủng loại, có cấu trúc ñặc trưng học vượt trội, mở triển vọng lớn cho ngành xây dựng Trong chương trình bày sở tính tốn vật liệu FRP 11 CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN 3.1 GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết Triantafillou, T Plevris, N (1991) 3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm Meier et al 3.2 CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN SỨC KHÁNG UỐN VÀ SỨC KHÁNG CẮT CỦA KẾT CẤU DẦM BTCT 3.2.1 Mơ hình tính tốn sức kháng uốn kết cấu tăng cường FRP 3.2.2 Mơ hình tính tốn sức kháng cắt kết cấu tăng cường FRP 3.3 TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM BTCT BẰNG TẤM SỢI FRP: 3.3.1 Một số hình thức phá hoại uốn dầm BTCT tăng cường sợi FRP 3.3.2 Hệ số sức kháng 3.3.3 Khối ứng suất chữ nhật tương ñương 3.3.4 Dầm BTCT thường có tiết diện chữ nhật có cốt thép chịu kéo 3.3.4.1 Hình thức phá hoại bêtơng bị nén vỡ 3.3.4.2 Hình thức phá hoại đứt sợi FRP 3.3.4.3 Hình thức phá hoại đồng thời 12 3.3.4.4 Sơ đồ khối tính tốn sức kháng uốn dầm BTCT tiết diện chữ nhật ñược tăng cường sợi FRP 3.3.5 Dầm BTCT thường có tiết diện chữ T 3.3.6 Dầm BTCT DƯL tiết diện chữ T 3.4 TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG CẮT CHO DẦM BTCT: 3.4.1 Tính tốn tăng cường sức kháng cắt 3.4.4 Neo sợi FRP mơ hình tăng cường sức kháng cắt 3.5 KIỂM TRA ỨNG SUẤT THEO TẢI TRỌNG KHAI THÁC 3.5.1 Dầm bêtông cốt thép thường 3.5.2 Dầm bêtông cốt thép dự ứng lực 3.6.VÍ DỤ TÍNH TỐN SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM T BTCT THƯỜNG Bảng 3.3 Số liệu ban đầu kết tính tăng cường sức kháng uốn cho dầm BTCT thường Số liệu ban ñầu kết tính tốn Đơn vị Dầm T Chiều cao dầm mm 1100 Chiều dày cánh mm 200 Chiều rộng cánh mm 2040 Chiều dày sườn dầm mm 190 Kích thước hình học mặt cắt 13 Đặc trưng vật liệu 2.1 Bê tông Tỷ trọng bê tơng Cường độ chịu nén bê tơng Kg/m3 2300 MPa 30 Biến dạng cực hạng bê tông 0.003 2.2 Cốt thép Giới hạn chảy cốt thép MPa 400 Mơ đun đàn hồi cốt thép MPa 200000 Biến dạng chảy cốt thép Số cốt thép dọc 0.002 12φ28 2.3 Tấm sợi cacbon Biến dạng cực hạn sợi CFRP 0.017 Chiều rộng tăng cường CFRP mm 180 Chiều dày CFRP mm 1.4 Mơ đun đàn hồi CFRP MPa 165000 Hệ số sức kháng CFRP 0.75 Số lớp Kết tính tốn - Trục trung hịa qua cánh (Tính theo tiết diện chữ nhật) Mơ hình phá hoại dầm Mơ men kháng uốn trước tăng cường Bê tông vỡ KN.m 2482.18 14 Mô men kháng uốn sau tăng cường KN.m 4288.17 % 72.76 Tĩnh tải wDL=qtt N/m 15.631 Hoạt tải wLL=qht N/m 36.380 Chiều dài nhịp tính tốn mm 11.400 N/mm2 132.54 N/mm2 320 Hiệu tăng cường Kiểm tra ứng suất tác dụng tải trọng khai thác Ứng suất tính tốn cốt thép Giới hạn ứng suất cho phép cốt thép 0.8 fy Ứng suất sợi Giới hạn ứng suất sợi 134.02 N/mm2 1705 ff,s=0.55ffu 3.7 VÍ DỤ TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM T BTCT DƯL Bảng 3.4 Số liệu ban đầu kết tính tốn tăng cường sức kháng uốn dầm BTCT DƯL (giả ñịnh) Số liệu ban đầu kết tính tốn Đơn vị Dầm DƯL Chiều cao dầm mm 1000 Chiều dày cánh mm 130 Chiều rộng cánh mm 1300 Chiều dày sườn dầm mm 200 Kích thước hình học mặt cắt 15 < Đặc trưng vật liệu 2.1 Bê tơng Tỷ trọng bê tơng Cường độ chịu nén bê tông Kg/m3 2300 MPa 35 Biến dạng cực hạng bê tông 0,003 2.2 Cốt thép Giới hạn chảy cốt thép MPa 400 Mơ đun đàn hồi cốt thép MPa 200000 Biến dạng chảy cốt thép 0,002 Diện tích cốt thép thường mm 1472 Cường ñộ chịu kéo qui ñịnh cốt thép DƯL MPa 1860 Diện tích cốt thép DƯL mm2 690.97 Ứng suất trước có hiệu cốt thép DƯL MPa 930 2.3 Tấm sợi cacbon Biến dạng cực hạn sợi 0.017 Bề rộng tăng cường FRP mm 180 Chiều dày FRP mm 1.4 Mơ đun đàn hồi sợi FRP MPa 227586 Số lớp lớp Diện tích sợi mm2 504 Kết tính tốn Mơ hình phá hoại dầm sợi đứt 16 Mô men kháng uốn trước tăng cường KN.m 1656 Mô men kháng uốn sau tăng cường KN.m 2719.39 % 64.21 Tĩnh tải qtt N/m 16.479 Hoạt tải N/m 19.058 Chiều dài tính tốn ltt mm 20.400 Hiệu tăng cường Kiểm tra ứng suất tác dụng tải trọng khai thác Ứng suất cốt thép thường Giới hạn ứng suất cho phép cốt thép 249.19 MPa 320 0,8 fy Ứng suất cốt thép DƯL Giới hạn ứng suất cốt thép DƯL 0,74 1279 MPa 1376 fpu Ứng suất sợi Giới hạn ứng suất sợi Ứng suất bê tông Giới hạn ứng suất bê tông MPa 302.34 1023 MPa 9.03 15.75 17 3.8 VÍ DỤ TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM T BTCT THƯỜNG Bảng 3.5 Số liệu ban đầu kết tính tốn tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT Số liệu ban ñầu kết Đơn vị Dầm T Bề rộng cánh dầm mm 2040 Bề rộng cánh mm 130 Bề dày sườn dầm mm 190 Chiều cao có hiệu dầm (d) mm 962 Chiều cao dầm mm 1100 Tỷ trọng bê tông kg/m3 2.300 Cường ñộ chịu nén bê tông MPa 30 Mô ñun ñàn hồi bê tông MPa 25.979 Cốt thép ñai (φ, khoảng cách) mm φ8a200 Giới hạn chảy cốt thép MPa 400 Mơ đun đàn hồi cốt thép MPa 200000 Mơ đun đàn hồi sợi MPa 165000 tính tốn Kích thước hình học dầm Đặc trưng vật liệu Biến dạng cực hạn sợi Số lớp dán 0.017 Lớp 18 Số liệu ban ñầu kết Đơn vị Dầm T Bề rộng tăng cường sợi mm 60 Chiều dày sợi FRP mm 1.4 Chiều cao sợi FRP mm 832 Góc nghiêng sợi độ 45 Khoảng cách sợi mm 240 Sức kháng cắt trước tăng cường KN 329.70 Sức kháng cắt sau tăng cường KN 515.56 Hiệu tăng cường % 56.37 tính tốn Kết tính tốn 3.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương trình bày sở lý thuyết tính tốn mơ hình phân tích tăng cường sức kháng uốn kháng cắt sợi FRP cho dầm BTCT Kết ví dụ tính toán dầm BTCT thường dạng chữ T, sử dụng lớp sợi Sika carbodur S614 tăng cường sức kháng uốn cho dầm hiệu tăng cường sức kháng uốn tăng lên 72.76%, sử dụng lớp sợi Sika carbodure S614 tăng cường sức kháng cắt hiệu tăng cường sức kháng cắt tăng lên 56.37% Đối với kết cấu dầm T BTCT DƯL gia cường lớp sợi Sika carbodure S614 hiệu gia cường 64.21% 19 Qua nhận thấy việc tăng cường khả chịu lực cho dầm BTCT sợi cacbon cải thiện ñáng kể khả làm việc dầm so với trước tăng cường 20 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ VỀ CÔNG NGHỆ DÁN TẤM CHẤT DẺO SỢI CARBON VÀ TRIỂN VỌNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ NÀY Ở VIỆT NAM 4.1 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TYFO® FIBRWRAP® COMPOSITE SYSTEMS TRÊN TỒN THẾ GIỚI 4.2 QUY TRÌNH THIẾT KẾ TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU SỬ DỤNG VẬT LIỆU FRP 4.2.1 Các tài liệu yêu cầu cho thiết kế 4.2.2 Trình tự thiết kế 4.2.3 Phần mềm phân tích thiết kế tăng cường kết cấu sử dụng vật liệu TYFO® 4.3 CÁC LƯU Ý THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU SỬ DỤNG VẬT LIỆU TYFO® FIBRWRAP® SYSTEMS 4.3.1 Các yêu cầu chung 4.3.2 Những giả ñịnh thiết kế hệ FRP 4.3.3 Các lưu ý thiết kế 4.4 CÔNG NGHỆ DÁN TẤM DẺO SỢI CARBON 4.5 CÁC LƯU Ý KHI THIẾT KẾ, THI CÔNG TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU SỬ DỤNG VẬT LIỆU FRP 4.6 THIẾT BỊ THI CÔNG 4.6.1 Thiết bị doa mài bo trịn góc cạnh bêtơng ... 1.5.4 Gia cường dầm căng ứng suất trước 1.5.5 Gia cường kết cấu BTCT theo công nghệ dán thép 1.6 GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM DÁN FRP 1.6.1 Đặc ñiểm phương pháp gia cường kết cấu BTCT dán FRP... BÊTÔNG CỐT THÉP VÀ GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP 1.1 BÊTƠNG 1.1.1 Vật liệu cấu thành bêtơng 1.1.2 Tính chất bêtơng 1.2 Q TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BÊTƠNG CỐT THÉP... nêu ngun nhân gây hư hỏng kết cấu bê tơng, đề xuất phương pháp gia cường kết cấu bê tông đề cập đến phương pháp gia cường kết cấu bê tông dán FRP Trong chương nghiên cứu nhiều trình hình thành