Ứng suất tập trung giữa tấp FRP và bê tông trong thiết kế dầm bê tông cốt thép gia cường bởi tấm composite (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- NGUYỄN THANH BÌNH KHÓA: 2012-2014 ỨNG SUẤT TẬP TRUNG GIỮA TẤM FRP VÀ BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP G

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN THANH BÌNH KHÓA: 2012-2014

ỨNG SUẤT TẬP TRUNG GIỮA TẤM FRP VÀ BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

GIA CƯỜNG BỞI TẤM COMPOSITE

Chuyên ngành : Xây dựng công trình DD&CN

Mã số : 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN ĐẠI MINH

TS NGUYỄN VIỆT CƯỜNG

HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Chương trình đào tạo Sau đại học, các Quý Thầy cô đã giúp tôi trang bị tri thức, tạo môi trường điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Với lòng kính trọng và biết ơn, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới Tiến sĩ Nguyễn Đại Minh và Tiến Sĩ Nguyễn Việt Cường đã khuyến khích, chỉ dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn tới các tổ chức, cá nhân, doanh nghiệp đã hợp tác chia sẻ thông tin và cung cấp cho tôi nguồn tư liệu, tài liệu hữu ích phục

vụ cho đề tài nghiên cứu Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn đến Công ty cổ phần SBTECH đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và hoàn thành luận văn

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thanh Bình

Môc lôc

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Mục đích nghiên cứu 1

2 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 1

3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

4 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BỞI TẤM FRP 3

1.1 Lý do sử dụng tấm composite để gia cường dầm bê tông cốt thép trong xây dựng 3

1.1.1 Các nguyên nhân hư hỏng xuống cấp của kết cấu 3

a Thiếu sót trong giai đoạn thiết kế 3

b Thiếu sót trong giai đoạn thi công 4

c Thiếu sót trong giai đoạn quản lý khai thác và sử dụng 5

1.1.2 Một số phương pháp gia cường kết cấu công trình bằng bê tông cốt thép 6

a Phương pháp bọc vị trí hư hỏng bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép 6

b Phương pháp dán bản thép gia cường phía ngoài kết cấu 7

c Phương pháp dùng bê tông dự ứng lực căng ngoài 8

d Phương pháp dùng sử dụng loại vật liệu composite sợi cường độ cao FRP 9 1.2 Tổng quan về các mô hình phá hoại được xét đến trong thiết kế dầm bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm FRP 11

1.2.1 Phá hoại do uốn và cắt 11

a Phá hoại do uốn 11

b Phá hoại do cắt 13

1.2.2 Phá hoại do hiệu ứng mép tấm 13

1.2.3 Phá hoại trong tấm gia cường 14

a Phá hoại do phân tách lớp phía trong các tấm dán 15

b Phá hoại do lực cắt giữa các tấm gia cường và bong lớp dán khi gia cường nhiều lớp 16

1.3 Đặc trưng kỹ thuật một số loại tấm FRP và keo dán ở Việt Nam 16

1.3.1 Mô tả chung về vật liệu 16

a Mô tả chung về tấm FRP của hãng Tyfo® 18

b Mô tả chung về tấm Sika CarboDur-plates của hãng SIKA 21

c Mô tả chung về keo Epoxy Tyfo 22

d Mô tả chung về keo Sikadur-30 25

1.3.2 Hướng dẫn sử dụng, thi công chung cho vật liệu composite Tyfo 25

a Thiết kế 25

b Thi công 26

c Chuẩn bị bề mặt 26

d Pha trộn 28

e Tẩm keo 28

f Lưu ý 28

1.3.3 Hướng dẫn sử dụng, thi công chung cho vật liệu composite Sika 29

a Thi công 29

b Chuẩn bị bề mặt 31

c Pha trộn 32

d Lưu ý 33

1.3.3 Đặc trưng cơ học của một số loại tấm gia cường và keo dán ở Việt Nam 34

a Tấm gia cường Tyfo SEH-51A Composite 34

b Tấm gia cường Tyfo SCH-41 Composite 34

c Tấm gia cường TyfoSCH-11 UP composite 35

d Keo Tyfo S 35

e Keo TyfoWS 36

f Các loại tấm gia cường Sika - Carbodur 36

g Các loại keo dán tấm gia cường của Sika 38

h Tấm gia cường pile medic 40

1.3.4 Tình hình ứng dụng gia cường dầm bê tông cốt thép bằng tấm FRP tại Việt Nam 42

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TẬP TRUNG GIỮA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ TẤM FRP 52

2.1 Các giả thiết tính toán và điều kiện nguyên nhân xuất hiện ứng suất tập trung 52

2.1.1 Các giả thiết tính toán 52

2.1.2 Điều kiện và nguyên nhân gây ra ứng suất tập trung 53

2.2 Tính toán ứng suất tập trung trong lớp keo dán 55

2.2.1 Công thức tính toán tổng quát 55

2.2.2 Dầm chịu tải trọng tập trung 59

2.2.3 Dầm chịu tải trọng phân bố đều 60

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

3.1 So sánh kết quả tính toán với các công thức đã được công bố 66

3.1.1 Roberts(1989) 66

3.1.2 Roberts and Haji - Kazemi (1989) 68

3.2 Ví dụ tính toán 70

3.2.1 Ví dụ 1 70

3.2.2 Ví dụ 2 72

3.3 Kết luận 74

3.4 Kiến nghị 75

Tài liệu tham khảo 76

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu

A Diện tích mặt cắt ngang của dầm bê tông cốt thép

ba Chiều rộng của lớp keo dán

bp Chiều rộng của tấm gia cường

Ec Mô đun đàn hồi của bê tông

Ga Môdul kháng cắt của lớp keo dán

hp Khoảng cách từ tâm tấm FRP tới trục trung hòa của dầm bê tông

hc Khoảng cách từ mép dưới tới trục trung hòa của dầm bê tông

I Mặt cắt quá tính chính trung tâm

M0 Mô men uốn tại vị trí mép tấm

lp Chiều dài theo trục z của tấm gia cường

ta Chiều dày lớp keo dán

tp Chiều dày tấm gia cường

Tp Ứng suất kéo trong tấm FRP

 Biến dạng do lực cắt trong lớp keo dán

 Ứng suất cắt trong lớp keo dán

c Ứng suất tại mép dưới của dầm bê tông

c Biến dạng tại mép dưới của dầm bê tông cốt thép

V Lực cắt tại vị trí mặt cắt z

0 Lực cắt tại vị trí mép tấm

Các chữ viết tắt

BTCT Bê tông cốt thép

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Bảng 1.1: Quy trình thời gian thi công tấm gia cường Sika CarboDur

Bảng 1.2: Đặc tính kỹ thuật của tấm Tyfo SEH-51A Composite

Bảng 1.3: Đặc tính kỹ thuật của tấm Tyfo SCH-41 Composite

Bảng 1.4: Đặc tính kỹ thuật của tấm TyfoSCH-11 UP composite

Bảng 1.5: Đặc tính kỹ thuật của tấm Keo Tyfo S

Bảng 1.6: Đặc tính kỹ thuật của tấm keo TyfoWS

Bảng 1.7: Phân loại và kích cỡ đóng gói của tấm Sika - Carbodur

Bảng 1.8: Mức độ tiêu thụ chất kết dính

Bảng 1.9: Thông số kỹ thuật của các loại tấm Sika Carbodur

Bảng 1.10: Đặc tính chung của Keo Sikadur 30LP

Bảng 1.11: Đặc tính kỹ thuật của Keo Sikadur 30LP

Bảng 1.12: Đặc tính chung của vật liệu PileMedicTM

Bảng 3.1: Giá trị ứng suất tập trung trong lớp keo dán trong thí nghiệm

Roberts (1989) theo công thức hiện tại

Bảng 3.2: Giá trị ứng suất tập trung trong lớp keo dán trong thí nghiệm

Roberts và Haji - Kazemi (1989) tính toán theo công thức hiện tại

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sai sót trong khâu thiết kế dẫn tới phá hoại công trình (thư viện

tỉnh Nghệ An và sập vì kèo do tính toán sai tải trọng thiết kế) Hình 1.2: Sai sót trong khâu chế tạo ắc neo không đúng thiết kế (Hình ảnh

cầu treo Chu Va bị sập)

Hình 1.3: Đường mới đưa vào khai thác đã bị biến dạng do xe chở quá tải Hình 1.4: Cột trụ bị bong tróc lớp bê tong bảo vệ phải xử lý gia cường bọc bê

tông

Hình 1.5: Phương pháp dán bản thép gia cường dầm BTCT

Hình 1.6: Phương pháp dùng cáp dự ứng lực

Hình 1.7: Các trường hợp gia cường bằng vật liệu Composite [2]

Hình 1.8: Phá hoại do uốn (i- bê tông bị nén vỡ; ii- đứt tấm FRP; iii- Đứt cốt

Hình 1.15: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu FRP

Hình 1.16: Mô hình vật liệu sợi và chất kết dính Epoxy

Hình 1.17: Vật liệu sợi Tyfo® Fiber

Hình 1.18: Hình dáng thương mại của các thùng keo Epoxies

Hình 1.10: Hệ neo giữ giữa bê tông và sợi tạo ra bởi keo Epoxy

Hình 1.20: Sự thẩm thấu của keo

Hình 1.21: Tấm FRP được thấm đẫm toàn bộ keo

Hình 1.22: Quy trình gia cường dầm bê tông cốt thép bằng tấm FRP

Hình 1.23: Hình dạng thương phẩm của keo dán Sikadur 30

Hình 1.24: Thi công tăng cường cọc, cột bằng vật liệu Pile MedicTM

Hình 1.25: Pha chế và trộn hỗn hợp keo dán tấm

Hình 1.26: Thi công gia cường sửa chữa cầu Sa Đéc

Hình 1.27: Gia công chuẩn bị bề mặt cầu Niệm - Hải Phòng

Hình 1.28: Thi công dán tấm gia cường lên dầm cầu Niệm - Hải Phòng

Hình 1.29: Thi công dán tấm gia cường lên dầm cầu Trịnh Xá - Thủy Nguyên

- Hải Phòng

Hình 1.30: Thi công dán tấm gia cường dầm bê tông cốt thép ở Bình Phước Hình 1.31: Tạo lớp kết dính và thi công dán tấm gia cường lên mặt sàn

Hình 1.32: Định vị tấm gia cường vào vị trí làm việc

Hình 1.33: Sàn bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CarboDur S512 Hình 1.34: Dầm bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CarboDur S512 Hình 1.35: Gia cường sửa chữa các vị trí bê tông bảo vệ bị bong tróc cầu

Trần Thị Lý - Thành phố Đà Nẵng

Hình 1.36: Gia cường sửa chữa các hư hỏng do khai thác sử dụng quá tải

trọng thiết kế cầu Lán Tháp -Uông Bí - Quảng Ninh

Hình 2.1: Mô hình dầm BTCT được gia cường bởi tấm composite

Hình 2.2: Mô hình tính toán dầm bê tông cốt thép gia cường tấm FRP

Hình 2.3: Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm BTCT

Hình 2.4: Mô hình tính toán dầm bê tông cốt thép, tấm gia cường và lớp keo

dán

Hình 2.5: Dầm bê tông cốt thép gia cường bởi tấm Composite dưới tác dụng

tải trọng phân bố

Hình 2.6: Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng suất cắt trong lớp keo dán

Hình 2.7: Vết nứt tại mép tấm do lực cắt và hiện tượng xé rách lớp bê tông

bảo vệ

Hình 2.8: Dán bổ sung tấm compiste tại vị trí có khả năng xảy ra bong tách Hình 2.9: Dán bổ sung tấm compiste tại vị trí nứt và neo chốt bulong định vị

tại mép tấm

Hình 3.1: Thí nghiệm dầm BTCT gia cường bởi bản thép chịu tải trọng tập

trung của Roberts (1989)

Hình 3.2: Biểu đồ giá trị ứng suất tập trung trong lớp keo dán trong thí

nghiệm của Roberts (1989)

Hình 3.3: So sánh giữa công thức hiện tại, Roberts (1989) và kết quả thực

nghiệm của Jones (1988)

Hình 3.4: Kết quả thí nghiệm dầm BTCT được gia cường bởi tấm FRP của

Roberts

Hình 3.5: Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất tập trung trong lớp keo dán trong

thí nghiệm của Roberts và Haji - Kazemi (1989) và công thức hiện tại

Hình 3.6: Dầm bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm Tyfo SCH-41 chịu

tải trọng tập trung

Hình 3.7: Dầm bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm Tyfo SCH-41 chịu

tải trọng phân bố đều

số biện pháp xử lý khi ứng suất tập trung đã vượt quá khả năng chịu lực của lớp keo dán

2 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Các nhiệm vụ chính của đề tài là:

Làm rõ điều kiện và nguyên nhân để xảy ra hiện tượng phá hoại non trong dầm BTCT được gia cường bởi tấm composite

Nghiên cứu, làm rõ bài toán tương tác để xác định ứng suất tập trung giữa tấm composite và dầm BTCT trong các trường hợp chịu tải trọng tập trung và tải trọng phân bố đều trên dầm BTCT

Đưa ra các yêu cầu về mặt thiết kế để tránh được mô hình phá hoại tại lớp liên kết do ứng suất tập trung Đưa ra các kiến nghị xử lý khi ứng suất tập trung vượt quá khả năng chịu lực của lớp keo dán trong điều kiện ở Việt Nam

3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu điều kiện, nguyên nhân gây ra ứng suất tập trung trong lớp keo dán giữa BTCT và tấm dán FRP khi chịu các tải trọng, xác định các công thức tính toán cho ứng suất tập trung tại lớp này trong thiết kế dầm BTCT được gia cường bởi tấm composite

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp giải tích, cùng với các lý thuyết về sức bền vật liệu và toán học để giải quyết bài toán tương tác giữa tấm FRP và dầm BTCT

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Kết cấu dầm BTCT được gia cường bởi tấm composite với các ưu điểm lớn sử dụng trong công tác gia cường, cải tạo sửa chữa các kết cấu bị hư hỏng, xuống cấp, đáp ứng được các yêu cầu như tiến độ nhanh, biện pháp thi công tối ưu có thể là giải pháp tốt so với một số các giải pháp gia cường sửa chữa đang áp dụng hiện nay

Khả năng chịu cắt của lớp keo dán có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Điều kiện nhiệt khí hậu trong quá trình thi công, sự chuẩn bị bề mặt, tay nghề công nhân, chủng loại vật tư vật liệu có sẵn Vì vậy, khi thiết kế dầm, sàn gia cường bằng tấm composite phải chú ý đến các yếu tố này để xác định

hệ số an toàn riêng hợp lý nhất

Hiện nay, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu đánh giá chính thức nào về ứng suất tập trung trong lớp keo dán giữa tấm composite và dầm BTCT Điều này kéo theo việc thiết kế dầm hay bản sàn gia cường bằng tấm composite còn chưa thật đầy đủ vì chưa xét đến hiệu ứng ứng suất tập trung này, có thể gây ra bong tách tấm từ lớp keo gián gia cường dầm bê tông và tấm composite

Vì vậy, luận văn đã đưa ra cách tính toán giá trị ứng suất tập trung xuất hiện trong lớp keo dán ở khu vực cuối (mép) tấm composite gia cường với dầm BTCT bằng các công thức giải tích, xác định được nguyên nhân gây ra hiện tượng “phá hoại non” trong kết cấu gia cường này Đồng thời kiểm tra sự phù hợp của một vài loại vật liệu keo dán đã có mặt ở Việt Nam về khả năng chống lại hiện tượng “phá hoại non”

Luận văn cũng nêu các lưu ý cần chú trọng đối với điều kiện thi công còn hạn chế, khí hậu có nhiệt độ độ ẩm cao, kỹ thuật trong quá trình thi công cần chú trọng tại Việt Nam

+ Nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng “phá hoại non”, đánh giá mức

độ tin cậy cũng như tuổi thọ của loại keo dán đã có mặt tại Việt Nam về khả năng kháng cắt của lớp keo dán chống lại ứng suất tập trung gây nên hiện tượng phá hoại non

+ Nghiên cứu hiện tượng “phá hoại non” trong trường hợp dầm BTCT được gia cường bằng cách dán nhiều lớp tấm Composite

Tài liệu tham khảo Tiếng Việt

1 Bùi Quốc Bình (2008), Mô hình hóa mặt tiếp giáp giữa lớp composite gia

cường với bề mặt bê tông của dầm bê tông cốt thép, Tạp chí Khoa học công

nghệ Hàng Hải số 13-4/2008

2 Ngô Quang Tường (2007), Sửa chữa và gia cố công trình bê tông cốt thép

bằng phương pháp dán nhờ sử dụng vật liệu FRP, Tạp chí phát triển KH&CN

tập 10 số 10-2007

3 Nguyễn Tấn Dũng, Nguyễn Văn Mợi, Hoàng Phương Hoa (2011),

Nghiên cứu giải pháp gia cường dầm bê tông cố thép bằng tấm vật liệu composite sợi carbon Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng số 3

(44) 2011

5 Nguyễn Đình Khanh (2011), Nghiên cứu tăng cường kết cấu bê tông cốt

thép bằng tấm dán Fiber reinforced polymer, Đại học Đà Nẵng

6 PGS.TS Nguyễn Quốc Dũng (2009), Nghiên cứu tổng kết các công nghệ phủ bọc bảo vệ và gia cường kết cấu bê tông, lựa chọn công nghệ thích hợp cho các cống dưới đê biển, Viện Khoa học Thủy Lợi Việt Nam

Tiếng Anh

7 ACI 440-2R Guide for the design and contruction of externally bonded

FRP Systems for strengthening concrete structures

8 Nguyen,D.M.,(2000) Behaviour of reinforced concrete elements

strengthened with FRP plates PhD thesis NANYANG Technological

university, Singapore, 2000