(Đề tài NCKH) ứng xử của dầm BTCT tiết diện chữ nhật được gia cường bê tông tính năng cao ở vùng chịu nén cực hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ỨNG XỬ CỦA DẦM BTCT TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BÊ TÔNG TÍNH NĂNG CAO Ở VÙNG CHỊU NÉN CỰC HẠN MÃ SỐ: T2017 SKC006036 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ỨNG XỬ CỦA DẦM BTCT TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO Ở VÙNG CHỊU NÉN CỰC HẠN Mã số: T2017-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Liêm TP HCM, 3/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ỨNG XỬ CỦA DẦM BTCT TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO Ở VÙNG CHỊU NÉN CỰC HẠN Mã số: T2017-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Liêm TP HCM, 3/2018 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Nguyễn Duy Liêm Khoa Xây Dựng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU INFORMATION ON RESEARCH RESULTS Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2 Tính cấp thiết 1.3 Mục tiêu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Cách tiếp cận 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu Chương 2: PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình vật liệu 2.2 Cơ sở phân tích 2.3 Kết phân tích Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chuẩn bị vật liệu đúc mẫu 3.2 Lắp đặt thí nghiệm 3.3 Kết thí nghiệm thảo luận Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận 4.2 Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT UHPFRC Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete HPFRC High-performance fiber-reinforced concrete CSHC Cement-based strain-hardening high-performance concrete BTCT Bê tông cốt thép UTM Universal testing machine LOP Limit of proportionality (giới hạn đàn hồi) MOR Modulus of rupture (đỉnh phá hoại, điểm cao mơ men) v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-3 Kết cấu cầu dùng vật liệu UHPFRC Hình 1-2 Minh họa cấu trúc vật liệu loại bê tông [24] Hình 1-3 Tác dụng chằng vết nứt sợi gia cường Hình 1-4 Ứng xử kéo CSHC có tăng cứng học (nét đứt) bê tông thường (nét liền) [23] Hình 2-1 Mơ hình đơn giản quan hệ ứng suất – biến dạng dọc trục CSHCs [11,26] Hình 2-2 Mơ hình hóa quan hệ ứng suất – biến dạng dọc trục bê tông thép [28] Hình 2-3 Phân bố ứng suất, biến dạng nội lực thép tiết diện CSHC bố trí vùng nén cực hạn Hình 2-4 Điều kiện biến dạng kéo thép Hình 2-5 Phân bố biến dạng ứng suất mặt cắt có cốt chịu kép chịu nén Hình 3-1 Hình ảnh loại cốt sợi ván khn đúc dầm Hình 3-2 Thiết lập thí nghiệm thử dầm Hình 3-3 Ứng xử nén kéo vật liệu CSHC sử dụng Hình 3-4 Ứng xử mơ men – độ võng dầm thí nghiệm DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Cơng thức tính khả chịu uốn M n vị trí trục trung hịa c CSHC bố trí vùng nén cực hạn Bảng 3-1 Thành phần vữa bê tơng tính cao CSHC Bảng 3-2 Tính chất cốt sợi thép Bảng 3-3 Khả chịu uốn dầm vi TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA XÂY DỰNG Tp HCM, ngày tháng năm 2018 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Ứng xử dầm BTCT tiết diện chữ nhật gia cường bê tơng tính cao vùng chịu nén cực hạn - Mã số: T2017-05TĐ - Chủ nhiệm: Nguyễn Duy Liêm - Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện: 16 tháng, từ 12/2016 – 3/2018 Mục tiêu: Thơng qua phân tích mặt cắt ngang, tìm khả kháng uốn tiết diện gia cường bê tơng tính cao vùng nén cực hạn Ngoài tác giả nghiên cứu thêm số tính lý ảnh hưởng đến sức kháng uốn bê tơng tính cao Tính sáng tạo: Trên sở khả kháng nén cao bê tơng tính cao, đề tài nghiên cứu bố trí vật liệu vùng chịu nén cực hạn dầm để tăng khả kháng uốn Kết nghiên cứu: Tác giả thiết lập cơng thức tính sức kháng uốn dầm dựa tính học bê tơng tính cao bê tông thường Kết thiết lập phù hợp với kết thí nghiệm Sản phẩm: 01 báo hội nghị quốc tế có hệ số ISBN Đào tạo học viên cao học Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Kết nghiên cứu cung cấp công thức dự đoán sức kháng uốn dầm sử dụng bê tơng thường kết hợp bê tơng tính cao vùng nén cực hạn Công thức thiết lập đề tài tham khảo để thiết lập dầm sử dụng nhiều vật liệu khác Kết nghiên cứu chuyển giao thành tài liệu đào tạo cao học, nghiên cứu sinh ứng dụng tính tốn phân tích kết cấu dầm thực tế Trưởng Đơn vị (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài TS Nguyễn Duy Liêm vii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Flexural behavior of steel-bar reinforced concrete beam with extreme compression zones using high-performance composite Code number: T2017-05TĐ Coordinator: Nguyễn Duy Liêm Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education Duration: from 12/2016 to 3/2018 Objective(s): The objective of this study is to analytically determine flexural behavior of composite beam when high-performance composite is placed in extreme compressive zone at top of a simple beam and normal concrete is placed in the lower of that beam Besides, some mechanical properties of high-performance composite affecting their bending resistances are also investigated Creativeness and innovativeness: Based on the high strength of high-performance composite, the study investigated the reinforced concrete beam with extreme compression zones using high-performance composite Research results: The study provide useful models and equations of developed reinforced beam using normal concrete combined high-performance composite Besides, an experimental testing was conducted to compared with analysis results The analysis results and testing results are agreed with each other well Products: 01 paper of international conference with ISBN 01 master student graduated Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The research results provide useful models and equations of a reinforced beam using normal concrete combined high-performance composite The research results can be used for postgraduate training and apply to design a composite beam with two or more layers of basic materials viii Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Bê tơng thường vật liệu xây dựng phổ biến, phát triển từ lâu với vật liệu thép Tuy nhiên kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống chưa thỏa mãn nhà khoa học kỹ sư kết cấu cường độ, độ bền, khả biến dạng, dễ bị ăn mịn mơi trường xâm thực Bê tơng tính cao cốt sợi (ultra-highperformance concrete, UHPFRC high-performance concrete, HPFRC) tìm hiểu, phát triển khoảng hai mươi năm gần đây, vật liệu có tính vượt trội so với bê tông truyền thống cường độ nén cao (UHPFRC đạt cường độ nén 150 MPa, HPFRC nén 90 MPa), cường độ kéo đạt 10 MPa nhờ cốt sợi liên kết vết nứt, khả chịu biến dạng độ bền cao [1-11] Bê tơng tính cao ứng dụng ngày rộng rãi Một số cơng trình cầu Hàn Quốc, Hoa Kỳ Canada dùng bê tơng tính cao cho tồn cấu kiện dầm cầu, mặt cầu (Hình 1-1)… Tuy nhiên nghiên cứu sử dụng vật liệu bê tông tính cao gia cường vùng nén cực hạn dầm bê tơng thường cịn bỏ ngỏ Trong nước chưa có nghiên cứu sử dụng bê tơng tính cao gia cường vùng nén cực hạn dầm BTCT truyền thống Các cơng trình nghiên cứu bê tơng tính cao nước chủ yếu hướng đến cường độ nén cao [12-22], kể đến luận văn tiến sĩ Nguyễn Lộc Kha, nghiên cứu Phạm Hữu Hanh, Phạm Duy Hữu, Nguyễn Cơng Thắng Các tác giả chưa có nghiên cứu dầm sử dụng bê tông thường – bê tơng tính cao kết hợp (a) 10 Bảng 2-1 Cơng thức tính khả chịu uốn M n vị trí trục trung hịa c CSHC bố trí vùng nén cực hạn (C1) Mặt cắt dầm bố trí cốt thép chịu kéo or M Trong lầ As , f y lần n lượt lư diện tích ợt cường độ chảy thép thanh; t , t0 bề dày khoảng cách từ trọng tâm khối ứng suất CSHC đến đỉnh dầm Biến dạng khối ứng suất CSHC: Kiểm tra ts 0, - Điều kiện để dầm phá vớihoại dẻo: (C2) Mặt cắt dầm bốt trí cốt thép chịu kéo cốt thép chịu nén làm việc trạng thái đàn hồi < ( thép điều kiện này, ứng suất - Điều kiện để dầm có mặt cắt kiểm soát kéo: ts 0.005 - Điều kiện để trục trung hịa nằm vùng bê tơng thường: t beam > beam > beam 1, tức độ cứng dầm tăng bề dày CSHC tăng Độ cứng dầm gia tăng nhờ vật liệu CSHC cứng bê tông thường Dầm Beam Beam Beam Beam 17 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Một số kết luận rút từ nghiên cứu dầm BTCT có tăng cường lớp CSHC vùng nén cực hạn: 1) Xây dựng mơ hình vật liệu thiết lập cơng thức tính tốn dầm liên hợp sử dụng hai vật liệu bê tông giống với dầm bê tông cốt thép truyền thống, khơng phức tạp Trình tự lý thuyết phân tích báo hữu ích – làm sở để dự đoán sức chịu tải dầm liên hợp 2) Sự cải thiện khả chịu mơ men độ cứng dầm qua thí nghiệm rõ ràng bề dày vật liệu CSHC gia tăng 3) Kết phân tích lý thuyết phù hợp với kết thí nghiệm Tuy nhiên, để kết đạt độ tin cậy cao cần thực nhiều thí nghiệm tương lai với số mẫu nhiều 4) Kiểu dầm liên hợp nghiên cứu kỳ vọng áp dụng phổ biến thời gian tới lợi ích mang lại: khả chịu lực lớn với giá thành tốt khu vực chịu nén cực hạn sử dụng vật liệu CSHC, tức tỉ lệ khối lượng CSHC sử dụng không nhiều so với khối lượng bê tông thường 4.2 Kiến nghị Kết phân tích cho thấy hiệu dầm có gia cường lớp CSHC vùng cực hạn nén Do phát triển loại dầm cho kết cấu thực tế 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chanvillard G, Rigaud S, “Complete characterization of tensile properties of DUCTAL_ UHP-FRC according to the French recommendations,” In: Proceeding of Fourth International Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cement Composites (HPFRCC4) Ann Arbor, MI, USA Eds Naaman A.E., Reinhardt H.W., 2003, pp 21-34 [2] Benson SDP, Karihaloo BL, “CARDIFRC–Development and mechanical properties, Part III: Uniaxial tensile response and other mechanical properties,” Mag Concrete Res, 2005, 57(8): pp 433–443 [3] Rossi P, Antonio A, Parant E, Fakhri P, “Bending and compressive behaviors of a new cement composite,” Cement Concrete Res., 2005, 35(1): pp 27–33 Graybeal B, “Compressive behavior of Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete,” ACI Mater J., 2007, 104(2): pp 146-152 [4] [5] Graybeal B and Davis M, “Cylinder or cube: strength testing of 80 to 200 MPa (11.6 to 29 ksi) Ultra-High-Performance-Fiber-Reinforced Concrete,” ACI Mater J., 2008, 105(6): pp 603–9 [6] Farhat FA, Nicolaides D, Kanellopoulos A, Karihaloo BL, “High Performance fiber- reinforced cementitious composite (CARDIFRC) – performance and application to retrofitting,” Eng Fract Mech., 2007, 74(1–2): pp 151–67 [7] Wille K, Kim DJ, Naaman AE, “Strain hardening UHP-FRC with low fiber contents,” Mater Struct 2011, 44: pp 583–98 [8] Park SH , Kim DJ, Ryu GS, Koh KT, “Tensile behavior of Ultra-high Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete,” Construction and Building Materials, 2012, 34(2): pp 172–184 [9] Lofgren I, “Fibre-reinforced Concrete for Industrial Construction – a fracture mechanics approach to material testing and structural analysis,” PhD Thesis, Dep Of Civil and Environmental Engineering, Chalmers University of Technology, Goteborg, 2005, 268 pages [10] Naaman AE, Reinhardt HW, “Characterization of high performance fiber reinforced cement composites”, in: A.E Naaman, H.W Reinhardt (Eds.), High performance fiber reinforced cement composites: HPFRCC Proceedings of 2nd International Workshop on HPFRCC, Chapter 41, RILEM, No 31, E.& F.N Spon, London, 1996, pp 1–24 [11] Naaman AE, Reinhardt HW, “Proposed classification of HPFRC composites based on their tensile response,” Materials and Structures, 2006, 39: pp 547-555 [12] Nguyễn Lộc Kha (2013) “Nghiên cứu thành phần,tính chất học bê tông cường độ siêu cao ứng dụng kết cấu cầu”, Luận văn tiến sĩ, trường ĐH GTVT, Hà Nội 19 [13] TS Phạm Duy Anh, Th.S Nguyễn Lộc Kha (2013) “Nghiên cứu tính tốn khả chịu uốn dầm bê tông cốt thép với bê tơng cốt sợi thép siêu cường độ (UHPC)”, Tạp chí KH Giao thơng Vận tải tạp chí số 41 [14] NCS.Nguyễn Công Thắng, KS.Nguyễn Thị Thắng, PGS.TS.Phạm Hữu Hanh (2013).“Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng Silica fume xỉ lò cao nghiện mịn Việt Nam”, Tạp chí khoa học cơng nghệ XD số 15 [15] GS.TS Phạm Duy Hữu, TS.Phạm Duy Anh, TS.Nguyễn Thanh Sang, Th.S Nguyễn Lộc Kha (năm 2012) “Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông cường độ siêu cao ứng dụng kết cấu cầu nhà cao tầng (UHSFRPC)”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ [16] PGS.TS Phạm Hữu Hanh (năm 2012) “Nghiên cứu chế tạo bê tơng chất lượng cao dùng cho cơng trình biển từ nguyên vật liệu sẵn có Việt Nam”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ [17] NCS.Nguyễn Công Thắng, TS.Nguyễn Văn Tuấn, PGS.TS.Phạm Hữu Hanh (2012).“Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao sử dụng vật liệu sẵn có Việt Nam”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng số 12 [18] Bùi Đức Vinh, Bùi Phương Trinh, TS.Nguyễn Văn Chánh, Kim Huy Hoàng (2011) “Đặc tính vật lý học bê tơng hiệu siêu cao có khơng có cốt liệu lớn”, Tạp chí khoa học cơng nghệ Tp HCM [19] GS.TS Phạm Duy Hữu; TS Phạm Thanh Sang; TS Phạm Duy Anh, Th.S Nguyễn Lộc Kha (2011) “Nghiên cứu vật liệu chế tạo bê tông cường độ siêu cao (UHPC)”, Tạp chí Giao thơng Vận tải số 07 [20] TS Phạm Duy Anh, Th.S.Nguyễn Lộc Kha (2009) “Nghiên cứu phát triển công nghệ bê tông cường độ cao kết cấu cầu”, Tạp chí khoa học GTVT số 28 [21] GS.TS.Phạm Duy Hữu, Nguyễn Ngọc Long, Đào Văn Đông , Phạm Duy Anh (2009) “Bê tông cường độ cao bê tông chất lượng cao”, Nhà xuất Giao thông Vận tải [22] GS.TS.Phạm Duy Hữu (2005) “Công nghệ bê tông bê tông đặc biệt”, Nhà xuất Xây dựng [23] NT Tran, SH Pyo, DJ Kim Corrosion resistance of strain-hardening steel-fiber-reinforced cementitious composites, Cement and Concrete Composites, Vol 63, October 2015, pp 17-29 [24] Chi-Dong Lee, Ki-Bong Kim, Seongchel Choi, Application Of Ultra-High Performance Concrete To Pedestrian Cable-Stayed Bridges Journal of Engineering Science and Technology, Vol 8, No (2013) 296 – 305 [25] FHWA Publication No: FHWA-HRT-11-038, March 2011, https://www.fhwa.dot.gov/ publications/research/infrastructure/structures/11038/ 20 [26] Nguyen, D.L., Kim, D.J., Ryu, G.S., Koh, K.T (2013), Size Effect on flexural behavior of ultra-high-performance hybrid fiber-reinforced concrete Composites: Part B, 2013, 45: pp.1104-1116 [27] Nguyen, D.L and Kim, D.J (2014), Compressive behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concretes with steel fiber KCI Conference, Jeju, pp 945-946 [28] Ju, H., Lee, D.H., Cho, H.C., Kim, K.S., Yoon, S and Seo, S.Y (2014), Application of Hydrophilic Silanol-Based Chemical Grout for Strengthening Damaged Reinforced Concrete Flexural Members Materials 2014, 7, 4823-4844; doi:10.3390/ma7064823 [29] Shin, K.J., Jang, K.H., Choi, Y.C and Lee, S.C (2015), Flexural Behavior of HPFRCC Members with Inhomogeneous Material Properties Materials 2015, 8, 1934-1950; doi:10.3390/ma8041934 [30] RILEM TC 162-TDF (2003), Test and design methods for steel fibre reinforced concrete – σ-ɛ design method Materials and Structures/Matériaux et Construction, 36: pp 560-567 [31] ACI 318-02 (2002), Building code requirements for structural concrete 21 PHỤ LỤC 22 ... CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ỨNG XỬ CỦA DẦM BTCT TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO Ở VÙNG CHỊU NÉN CỰC HẠN Mã số: T2017-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn... CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ỨNG XỬ CỦA DẦM BTCT TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ĐƯỢC GIA CƯỜNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG CAO Ở VÙNG CHỊU NÉN CỰC HẠN Mã số: T2017-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn... sử dụng vật liệu bê tơng tính cao gia cường vùng nén cực hạn dầm bê tơng thường cịn bỏ ngỏ Trong nước chưa có nghiên cứu sử dụng bê tơng tính cao gia cường vùng nén cực hạn dầm BTCT truyền thống