Đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm abaqus

` ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU HƯỜNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS Chuyên ng

`

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHÂU HƯỜNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU

BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM

VÀ PHẦN MỀM ABAQUS

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số : 60.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHĐN

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ

Phản biện 1: TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

Phản biện 2: TS HOÀNG PHƯƠNG HOA

Luận văn đã bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông, họp

tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 10 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông,

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong mục tiêu phát triển của đất nước ta đến năm 2020 trở thành một nước công nghiệp, do đó nhu cầu về xây dựng cơ sở hạ tầng là rất cần thiết nhằm phục vụ cho sự tăng trưởng nhanh chóng và nhu cầu phát triển mạng lưới giao thông vận tải Song song với việc xây dựng mới thì việc duy trì sửa chữa các công trình cũ phải được chú trọng Trước mắt nhà nước đã thay thế một số cầu yếu và làm thêm nhiều cầu mới nhưng cũng phải sửa chữa và tăng cường các cầu yếu hoặc những cầu chưa đáp ứng được tải trọng khai thác trong thời gian lâu dài hoặc trong một thời gian nào đó Bên cạnh đó, công tác duy

tu, sửa chữa vẫn còn nhiều bất cập, chưa triệt để dẫn đến chưa đạt được hiệu quả cao Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu cũ đặc biệt là cầu bê tông cốt thép thường ở nước ta hiện nay là rất cần thiết bởi số lượng cầu

bê tông cốt thép thường chiếm tỉ lệ khá lớn và giải quyết được bài toán giữ vững trạng thái kỹ thuật của mạng lưới cầu trên đường ô tô trong điều kiện nguồn nhân sách hạn hẹp như hiện nay Việc nâng cấp sửa chữa, gia cường cầu cũ thường nhằm các mục đích:

- Tăng cường khả năng chịu uốn

- Tăng cường sức kháng cắt

- Tăng cường độ cứng của cầu, giảm độ võng, …

Bên cạnh đó, việc nghiên cứu vật liệu mới có cường độ cao, trọng lượng nhẹ, thi công đơn giản,… đóng vai trò rất quan trọng Để

làm cơ sở gia cường cầu thực tế, tác giả đã chọn đề tài“ Đánh giá

hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm Abaqus”

2 Đối tượng nghiên cứu

- Công trình cầu bê tông cốt thép thường

- Phần mềm tính toán Abaqus

3 Phạm vi nghiên cứu

- Tính toán gia cường sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi thủy tinh

- Kiểm chứng bằng phần mềm và thực nghiệm khi gia cường sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi thủy tinh

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tính toán sức kháng bằng lý thuyết tính toán

- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng phần mềm Abaqus

- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mô hình thực nghiệm

- Đánh giá hiệu quả của biện pháp gia cường bằng tấm sợi thủy tinh

5 Phương pháp nghiên cứu

- Tính toán gia cường cho công trình cầu BTCT thường thực tế, sau đó quy đổi về mô hình dầm thí nghiệm tương đương thông qua

độ cứng Trên mô hình dầm thí nghiệm này, tác giả tiến hành:

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

+ Nghiên cứu mô hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH để

ph n tích kết cấu dầm BTCT thường bằng phần mềm Abaqus

+ Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm

+ So sánh, đánh giá hiệu quả gia cường

6 Kết cấu của đề tài

Chương 1: Tổng quan về các biện pháp gia cường

Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường

2 Một số biện pháp gia cường của cầu cũ hiện nay

3 Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường

4 Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu

1.5 Kết luận

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dầm BTCT gia cường GFRP

2 Phương pháp tính toán truyền thống

2.2 Phương pháp tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2.3 Bài toán quy đổi

2.4 Tính toán bằng phương pháp truyền thống

2.5 Tính toán bằng phần mềm Abaqus

2.6 Kết luận

Chương 3: Bài toán thực nghiệm và đánh giá hiệu quả gia cường

3.1 Cơ sở của bài toán thực nghiệm

3.2 Kết quả thí nghiệm

3.3 Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn, sức kháng cắt 3.4 Kết luận

Kết luận và kiến nghị

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG

1.1 Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường

1.2 Một số biện pháp gia cường cầu cũ hiện nay

1.2.1 Gia cường bản thép

1.2.2 Gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài

1.2.3 Tăng cường bằng mở rộng tiết diện

1.2.4 Gia cường bằng vật liệu composite

1.3 Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường

Hiện nay biện pháp gia cường bằng tấm sợi GFRP đã được sử dụng khá phổ biến ở những nước phát triển do một số đặc tính ưu việt so với vật liệu truyền thống Tấm sợi GFRP được đánh giá là một trong những loại vật liệu có tính năng mang lại hiệu quả kinh tế cao trong ngành công nghiệp xây dựng và gia cường các kết cấu công trình giao thông Song nhìn chung trên hệ thống giao thông đường bộ

ở nước ta, các công trình cầu đã đang và sắp sửa chữa, gia cường thì

xu hướng áp dụng các biện pháp gia cường bằng tấm sợi GFRP là rất cần thiết Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm như thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao

1.4 Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu

Công tác quản lý, duy tu, sữa chữa công trình một số vấn đề mà ngành GTVT của các tỉnh, các Thành phố đảm nhiệm Tình trạng của các công trình cầu cũ đặc biệt là các công trình cầu BTCT thường

ngày càng xuống cấp, g y trở ngại lớn cho vận tải Đòi hỏi công tác duy tu, sửa chữa và gia cường cầu là hết sức cấp thiết Song công tác này cho đến nay vẫn còn rất nhiều khó khăn, bất cập là do:

- Tổ chức cơ cấu quản lý các công trình cầu đã bị xuống cấp, đặc biệt là các công trình cầu yếu, hư hỏng chưa có tính thống nhất rõ ràng, Nhiều địa phương quản lý lỏng lẻo chòng chéo lên nhau, kiểm tra không thường xuyên, không đánh giá đúng mức độ hư hỏng các công trình cầu theo đúng thực trạng, phương pháp kiểm tra và kỹ thuật chuẩn đoán còn lạc hậu

- Nguồn ng n sách hàng năm đầu tư cho công tác duy tu, sửa chữa còn hạn chế

- Cải tiến biện pháp thi công gia cường, sửa chữa còn nhiều hạn chế, bằng phương pháp thủ công là chủ yếu

- Lựa chọn các giải pháp gia cường, sửa chữa chưa thực sự mang lại tính kinh tế và hiệu quả cao

Từ những lý do trên, nhận thấy những vấn đề mà ngành GTVT cần quan tâm là:

- Tăng cường nguồn năng lực có trình độ chuyên môn về cơ chế quản lý và phương pháp làm việc trong công tác quản lý công trình, đặc biệt là các công trình cầu đang xuống cấp hư hỏng

- N ng cao trình độ, kỹ thuật và áp dụng những công nghệ tiên tiến trong công tác sửa chữa, gia cường

- Khuyến khích nhiều nghiên cứu về các biện pháp gia cường, sửa chữa để đề xuất các giải pháp một cách hợp lý có hiệu quả

1.5 Kết luận

Tóm lại, với quá trình hình thành và phát triển của việc sử dụng kết cấu bê tông cốt thép trong x y dựng công trình trên thế giới cũng như trong nước Ngoài việc x y dựng công trình mới thì việc gia cường, n ng cấp các công trình đã xuống cấp là rất đáng quan t m Trong các biện pháp gia cường hiện nay thì vật liệu GFRP có những

ưu điểm nổi trội như cường độ cao, độ bền cao, thi công đơn giản

sẽ rất có tiềm năng phát triển Vì vậy trong chương 2, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán kết hợp với phần mềm mô phỏng nhằm đưa ra kết quả chính xác để áp dụng vào công trình cầu thực tế hiện nay

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BTCT

GIA CƯỜNG GFRP

2.1 Phương pháp tính toán truyền thống

2.1.1 Các giả thiết

2.1.2 Tính toán dầm đối chứng

2.1.3 Tính toán gia cường bằng GFRP

2.2 Phương pháp tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bằng phần mềm Abaqus

2.3 Bài toán quy đổi

2.3.1 Cơ sở quy đổi [7]

2.3.2 Bài toán nghiên cứu

2.3.3 Sức kháng uốn, kháng cắt của dầm thực tế chưa gia cường 2.3.4 Tính toán gia cường GFRP dầm thực tế:

2.4.Tính toán bằng phương pháp truyền thống

2.4.1 Sức kháng uốn, kháng cắt dầm đối chứng thực nghiệm

2.5 Tính toán bằng phần mềm Abaqus

2.5.1 Mô hình bằng phần mềm Abaqus

2.6 Kết luận

- Trong chương 2, dựa trên tiêu chuẩn ACI 440; 22 TCN 272-05

và cơ học cổ điển, tác giả đã tính toán sức kháng uốn và kháng cắt, diễn biến ứng suất, độ võng của dầm trước và sau khi gia cường GFRP Bên cạnh đó, tác giả đã tính toán theo phương pháp PTHH bằng việc sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng sự làm việc của dầm Kết quả tính toán lý thuyết cho ta khối lượng vật liệu cần thiết

để gia cường sức kháng của dầm (dầm thực tế và dầm mô hình) Mô men giới hạn theo tính toán lý thuyết tăng 29,57%, theo kết quả phân tích phần mềm tăng 32,92% và lực cắt giới hạn theo tính toán lý thuyết tăng 53,45%, để kiểm chứng bằng thực nghiệm, tác giả tiến hành gia cường trên dầm mô hình và đo đạc hiệu quả thực tế Quá trình tiến hành thực nghiệm, đo đạc, so sánh với kết quả đã tính toán

lý thuyết và phần mềm sẽ được thực hiện ở chương 3

Chương 3: BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG

3.1 Cơ sở của bài toán thực nghiệm

3.1.1 Quá trình chế tạo dầm thí nghiệm

3.1.2 Quá trình gia cường

3.1.3 Quá trình thí nghiệm

3.2 Kết quả thí nghiệm

3.2.1 Kết quả thí nghiệm quá trình nén tạo nứt

Nhằm mô phỏng sự làm việc của dầm cũ, tiến hành nén tạo nứt trước khi gia cường để mô phỏng gần đúng với thực tế sự làm việc của cầu bê tông cốt thép cũ và vật liệu gia cường

Hình 3-17: Quan hệ tải trọng – độ võng quá trình nén tạo nứt dầm

Hình 3-18: Quan hệ tải trọng - ứng suất quá trình nén tạo nứt dầm

Nhận xét:

Dựa vào biểu đồ hình 3.16 và 3.17, ta thấy sai số giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết tương đối nhỏ (sai số trung bình của độ

võng là 15,10, sai số trung bình của ứng suất là 7,11%)

3.2.2 Kết quả thí nghiệm dầm chưa gia cường

Để đánh giá hiệu quả các biện pháp gia cường, tiến hành thí nghiệm trên dầm chưa gia cường để đối chứng

Hình 3-19: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm đối chứng

Hình 3-20: Quan hệ tải trọng - độ võng dầm đối chứng

Nhận xét:

Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng hình 3.19, ta thấy khi cấp tải P < 10 kN (dầm chưa nứt), sai số giữa thực nghiệm, lý thuyết và phần mềm là tương đối nhỏ Khi P > 10 kN, vết nứt phát triển phức tạp, sai số lớn dần

3.2.3 Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP

Hình 3-21: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP

Hình 3-22: Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường GFRP

Hình 3-23: Quan hệ tải trọng - độ võng theo kết quả thực nghiệm

Nhận xét:

- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất hình 3.20, ta thấy sai số giữa đo đạc thực nghiệm và tính toán lý thuyết là 39,89%, sai

số đo đạc thực nghiệm và phần mềm là 46,33%, sai số này lớn do sai

số đo đạc trong quá trình thí nghiệm

- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng hình 3.2 , ta thấy sai số giữa đo đạc thực nghiệm và tính toán lý thuyết là 9,36%, sai

số giữa đo đạc thực nghiệm và phần mềm là 5, 3% Sự sai khác này

là do khi biểu đồ ứng suất ở dạng phi tuyến nhưng tính toán lý thuyết tác giả nội suy ứng suất theo biểu đồ tuyến tính để xét đến sự giảm

độ cứng của tiết diện

- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất hình 3 9, ta thấy khi tải trọng đạt 30kN, theo kết quả tính toán lý thuyết và phần mềm thì cốt thép đạt cường độ giới hạn, toàn bộ ứng suất do tăng tải trọng truyền vào GFRP làm ứng suất trong tấm sợi tặng đột ngột đến khi đứt

- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng-độ võng của dầm đối chứng

và dầm gia cường GFRP hình 3.22, ta thấy dầm gia cường GFRP hạn chế độ 25,65% độ võng

3.2.4 Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP bằng keo sikadur 330 và keo TCK 1400

Nhằm kiểm chứng sự làm việc của 2 loại keo Sikadur 330 và keo Epoxy TCK 1400 với tấm sợi GFRP bằng thực nghiệm, ta tiến hành thí nghiệm gia cường kháng uốn với 2 loại keo trên

Hình 3-24: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP

Hình 3-25: Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường GFRP

Nhận xét:

Dựa vào biểu đồ hình 3.23 và hình 3.24 ta thấy ứng suất và

độ võng của GFRP trong 2 dầm xấp xỉ nhau Sai số khá nhỏ và dầm phá hoại khi GFRP bị đứt nên có thể sử dụng 1 trong 2 loại keo để

dán GFRP

3.3 Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn, kháng cắt

Bảng 3-1: Momen giới hạn

Mômen

giới hạn

(N.mm)

Lý thuyết Phần mềm nghiệm Thực

Độ dự trữ lý thuyết

và thực nghiệm

Độ dự trữ phần mềm và thực nghiệm Đối

chứng 15241133 13667500 18667500 - - Dán tấm

GFRP 19747882 18167500 21667500 9,72% 19,27% Hiệu

quả 29,57% 32,92%

16,07%

Bảng 3-2: Lực cắt giới hạn

Lực cắt

Giới hạn

(N)

Lý thuyết Thực nghiệm

Đối chứng 33061 54262.4

Dán tấm GFRP 50732 55062

Hiệu quả 53,45% 1,47%

Nhận xét:

- Từ bảng so sánh momen giới hạn trên ta thấy lý thuyết nhỏ hơn thực nghiệm là do có xét đến các hệ số an toàn Mô men giới hạn

có độ dữ trữ an toàn giữa lý thuyết và thực nghiệm của dầm gia cường GFRP là 9,72%, độ dữ trữ an toàn giữa phần mềm và thực nghiệm là 9,27%

- Từ kết quả momen giới hạn của dầm BTCT gia cường GFRP,

ta thấy sức kháng uốn theo lý thuyết tăng 29,57%, theo phần mềm tăng 32,93% và thực nghiệm tăng 6,07% Qua đó có thể thấy việc gia cường kháng uốn GFRP cãi thiện đáng kể khả năng kháng uốn của dầm

- Từ bảng so sánh lực cắt giới hạn trên ta thấy theo lý thuyết thì hiệu quả gia cường là 53.45% nhưng thực nghiệm thì tăng không đáng kể ( 47%) Vì vậy cần tiến hành thêm thí nghiệm để kiểm tra hiệu quả gia cường kháng cắt bằng GFRP

3.4 Kết luận

- Trong chương 3 đã đo đạc số liệu thực nghiệm về giới hạn kháng uốn, giới hạn kháng cắt, diễn biến ứng suất, độ võng của dầm đối chứng và dầm gia cường Từ đó đã cho thấy khả năng cải thiện sức kháng uốn và độ võng của tấm sợi thủy tinh Sau đó, so sánh thực

nghiệm và kết quả lý thuyêt; phần mềm để khẳng định độ tin cậy của phương pháp tính toán Kết quả này là cơ sở để gia cường công trình cầu thực tế và so sánh hiệu quả đối với các phương pháp gia cường khác

- Ngoài ra, tác giả đã so sánh ứng suất, độ võng và momen giới hạn thực nghiệm của dầm gia cường GFRP bằng 2 loại keo Sikadur 330

và Epoxy TCK 1400 Từ đó kết luận sự làm việc tương đương của 2 loại keo về mặt kỹ thuật