Nghiên cứu ứng xử trụ bê tông cốt thép gia cường vải sợi carbon trên mô hình số và thực nghiệm

Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông bằng phương pháp bao bọc bê tông cốt thép ...4 1.3.2.. Các giả định trong thiết kế hệ tăng cường khả năng chịu lực cho trụ bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

N C

NG N C NG TR BÊ TÔNG CỐT THÉP G CƯỜNG C RBON TRÊN N Ố À T C NG

LUẬN ĂN T ẠC Ĩ

KỸ THUẬT XÂY D NG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

N C

NG N C NG TR BÊ TÔNG CỐT THÉP G CƯỜNG C RBON TRÊN N Ố À T C NG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 8580205

LUẬN ĂN T ẠC Ĩ

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LAN

Đà Nẵng, Năm 2018

LỜ C ĐO N

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Võ Minh Chí

M C L C

LỜ C ĐO N i

M C L C ii

TÓM TẮT iv

DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH M C CÁC B NG vi

DANH M C CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1

4 Phương pháp nghiên cứu: 1

C ƯƠNG 1 CƠ Ở TĂNG CƯỜNG KH NĂNG C ỊU L C CỦA KẾT CẤU TR BÊTÔNG CỐT THÉP S D NG VẬT LI U CFRP .2

1.1 Khái niệm chung về sửa chữa, gia cường BTCT 2

ự uống cấp kết cấu trụ T T th o thời gian 2

1.2.1 Các dạng hư hỏng 2

Nguyên nhân hư hỏng 4

3 ác công nghệ sửa chữa, gia cường kết cấu trụ T T 4

1.3.1 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông bằng phương pháp bao bọc bê tông cốt thép 4

1.3.2 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực trụ BTCT bằng công nghệ dán bản thép 6

1.3.3 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông bằng dự ứng lực (DUL) ngoài 7

1.3.4 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông bằng vật liệu CFRP 8

1.4 Kết luận 14

C ƯƠNG 2 CƠ Ở THIẾT KẾ TR BTCT CHỊU NÉN UỐN 15

2.1 Thiết kế trụ BTCT chịu nén uốn th o các tiêu chu n 15

2.1.1 Theo AASHTO LRFD, ACI 318 .15

2.1.2 Theo Tiêu chu n Việt Nam (TCVN 5574-2012) .16

2.2 Thiết kế trụ T T th o phương pháp biểu đồ tương tác P-M .19

2.3 Phân tích sức kháng trụ bằng các phần mềm phân tích 23

2.3.1 Phần mềm CSiCOL 23

2.3.2 Phần mềm ATENNA 27

2.4 Ví dụ số thiết kế trụ T T chưa gia cường và gia cường CFRP : 37

2.4.1 Các thông số kỹ thuật 37

2.4.2 Tính toán cho trụ chưa gia cường (n=0) 37

2.4.3 Tính toán cho trụ gia cường 1 lớp CFRP (n=1) 41

2.4.4 So sánh biểu đồ của đường cong A-B-C với giá trị Pu và Mu yêu cầu 44

2.5 Kết luận 45

C ƯƠNG 3 T C NG ĐO ĐẠC NG TR BTCT VÀ TR BTCT G CƯỜNG C R C ỊU NÉN L CH TÂM 46

3.1 Thiết kế chương trình thực nghiệm: 46

3.1.1 Các yêu cầu cơ bản để thiết kế tăng cường khả năng chịu lực cho trụ BTCT 46

3.1.2 Các giả định trong thiết kế hệ tăng cường khả năng chịu lực cho trụ bê tông cốt thép sử dụng vật liệu CFRP 46

3.1.3 Mục tiêu thực nghiệm 47

3 .4 hương trình thực nghiệm 47

3.2 Trình tự thực hiện và nội dung đo đạc 50

3.3 Kết quả thực nghiệm 51

3.3.1 Kết quả giữa tải trọng phá hủy và chuyển vị ngang tối đa của trụ BTCT chưa gia cường và có gia cường CFRP 51

3.3.2 Kết quả mối quan hệ giữa lực, biến dạng, chuyển vị của trụ T T chưa gia cường 52

3.3.3 Kết quả mối quan hệ giữa lực và biến dạng, chuyển vị của trụ BTCT gia cường CFRP 55

3.4 Kết quả phân tích bằng phần mềm ATENA và CSICOL9 60

3.4.1 Phần mềm ATENA 60

3.4.2 Phần mềm CSICOL9 vẽ biểu đồ tương tác P-M 62

3.5 So sánh kết quả thực nghiệm-phân tích: 65

3.5.1 Lực tác dụng 65

3.5.2 So sánh giữa thực nghiệm và mô hình ATENA 66

3.5.3 Biểu đồ so sánh kết quả giữa trụ BTCT và trụ T T gia cường CFRP 68

3.6 Kết luận 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 DANH M C TÀI LI U THAM KH O

QUYẾT ĐỊN G O ĐỀ TÀI LUẬN ĂN (bản sao)

NG N C NG TR B T NG CỐT T É G CƯỜNG

CÁCBON TR N N Ố À T C NG

BEHAVIOUR OF RESEACH REINFORCED CONCRETE COLUMN UNDER E STRENGTHENING USING CFRP LAMINATES BY THE FINITE ELEMENT

METHOD MODEL AND EXPERIMENTS

Tóm tắt Hiện nay, việc sử dụng tấm sợi composit cường độ cao (Carbon fiber

reinforced polymer) trong công tác gia cường kết cấu công trình bê tông cốt thép được

áp dụng phổ biến ở các nước tiên tiến trên thế giới Trong số các vật liệu composit dùng để gia cường kết cấu bằng T T chịu nén uốn thì vật liệu tấm sợi các bon được

sử dụng rộng rãi Nghiên cứu này tìm hiểu ứng ử của trụ T T được gia cường vải sợi FRP dính bám ngoài mô phỏng trên phần mềm PTHH ATENA (phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu T T) và thực nghiệm nén lệch tâm trụ T T được gia cường vải sợi FRP dính bám ngoài Kiểm chứng các ứng ử như biến dạng, độ mở rộng vết nứt và chuyển vị của trụ chịu nén lệch tâm

Từ khóa: Carbon Fiber R inforc d Polym r ( FRP), ê tông cốt thép ( T T), Phần

tử hữu hạn (PTHH), omposit , ATENA

Abstract Currently, the application of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)

in strengthening of structures is very popular in developed countries around the world Among composite materials which are used for strengthening of concrete structures, CFRP materials have gained wide acceptance This study investigates the behavior of reinforced concrete column while it is wrapped by CFRP laminates The theory calculation of concrete column is performed by Excel and Mathcad software The finite element analysis of concrete column is operated by ATENA software (a FEM software developed by Cervanka Consulting for nonlinear analysis of reinforced concrete structures) The reinforced concrete column with CFRP is compressed in the laboratory The FEM results such as strain, crack growth and displacement then are validated by experimental results

Key words: Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), Reinforced Concrete Column,

Finite Element Method (FEM), ATENA, Composite

Trụ BTCT2: Trụ bêtông cốt thép số chưa gia cường

Trụ BTCT CFRP1: Trụ bêtông cốt thép số có gia cường CFRP

Trụ BTCT CFRP2: Trụ bêtông cốt thép số có gia cường CFRP

DANH M C CÁC B NG

Số hiệu

1.11 Tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng vật liệu

3.1 Mô hình ứng suất - biến dạng của vật liệu bê tông, FRP, cốt

3.10 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng strain 3 trên trụ BTCT 55

3.11 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng strain 4 trên trụ BTCT1

3.18 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa thực

3.19 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa thực

3.20 Biểu đồ so sánh quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa thực

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Th o thời gian, kết cấu trụ BTCT (trụ, trụ cầu, ) bị uống cấp do bị tác động bởi môi trường và nhiều loại tải trọng khác nhau Quá trình bảo trì, vận hành khai thác công trình xuất hiện nhu cầu sửa chữa, bảo trì hoặc gia cường khả năng chịu lực của kết cấu trụ T T để khôi phục khả năng chịu tải ban đầu hoặc nâng cấp khả năng chịu tải của kết cấu

Hiện nay, có khá nhiều giải pháp gia cường kết cấu trụ T T đã từng áp dụng như ở rộng thiết diện thân trụ cấy thêm cốt thép dùng cáp dự ứng lực ngoài, các giải pháp này thường thi công khó khăn do công trình đang khai thác, vận hành hoặc trụ cầu ở giữa sông khó khăn cho việc tiếp cận

Trong thời gian gần đây, vật liệu Composit được áp dụng khá rộng rãi trong

ây dựng, đặc biệt là ứng dụng trong sữa chữa, nâng cấp kết cấu ây dựng do ưu điểm cường độ vật liệu cao và thi công dễ dàng Tại Việt Nam trong vài chục năm gần đây

đã ứng dụng vật liệu FRP gia cường kết cấu chịu nén, chịu uốn khá nhiều

Trong khuôn khổ một luận văn thạc s kỹ thuật ứng dụng, học viên lựa chọn đề

tài “ ụ bê tông cốt thép

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu là trụ vuông T T gia cường bằng vải sợi Carbon dính bám ngoài chịu nén lệch tâm

- Trụ vuông T T được gia cường bằng FRP (Carbon fiber reinforced polymer) chịu nén lệch tâm trên mô hình số và thực nghiệm

4 hương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

C ƯƠNG 1

CƠ Ở TĂNG CƯỜNG KH NĂNG C ỊU L C CỦA KẾT CẤU TR

BÊTÔNG CỐT THÉP S D NG VẬT LI U CFRP [12]

1.1 Khái niệm chung về sửa chữa, gia cường BTCT

Các kết cấu BTCT nói chung và trụ BTCT nói riêng theo thời gian sử dụng sẽ bị xuống cấp, hư hỏng do nhiều nguyên nhân khác nhau như tác động môi trường xâm thực, tác động các lực ngoài dự kiến thiết kế, sự gia tăng của tải trọng ngoài,…

Trong quá trình duy tu bảo dưỡng, vận hành khai thác công trình cần thiết phải sửa chữa hoặc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu trụ bê công cốt thép như ửa chữa, gia cường kết cấu trụ cầu bê tông cốt thép; bảo vệ gia cường kết cấu trụ/cọc cầu cảng và công trình thủy gia cường kết cấu trụ nhà dân dụng,

Hiện có rất nhiều biện pháp sửa chữa, gia cường kết cấu trụ T T như Khôi phục lại tiết diện do ăn mòn, mở rộng thêm tiết diện trụ, dán vật liệu composite, dán bản thép, căng cáp dự ứng lực ngoài, bao bọc trụ dưới nước bằng ống FRP và vữa đồng rắn trong nước,…

1.2 ự uống c p k t c u t ụ BTCT th thời gian

1.2.1 Các dạ ỏng

1.2.1.1 Hư hỏng do nứt

Thường xuất hiện trên bề mặt kết cấu trụ Dựa trên các biểu hiện bề ngoài có thể

ác định nguyên nhân xuất hiện và phát triển của nó

Hình 1.1 Hư hỏng do nứt 1.2.1.2 Hư hỏng do chuyển vị

- Xói quá sâu ở móng trụ do hình thái lòng sông không ổn định đáy sông bị xâm thực liên tục trong thời gian dài, đoạn sông bị thắt lại bất chợt và dòng chảy bị xoáy

- Khả năng chịu lực của đất nền không đủ

- Áp lực ngang của đất tăng lên

- Hiện tượng trượt sâu

Hình 1.2 Hư hỏng do chuyển vị 1.2.1.3 Các dạng hư hỏng khác

ưa lũ thiên tai động đất, sạt lỡ ăn mòn, âm thực

Hình 1.3 Hư hỏng do bị ăn mòn

Hình 1.4 Hư hỏng do bị xâm thực

1.2.2 y â ỏng

1.2.2.1 Sai sót trong giai đoạn thiết kế

- ác quy định về tải trọng, dự báo về tải trọng hưa phù hợp với việc phát triển tải trọng trong giai đoạn khai thác

- ác quy định về vật liệu và lựa chọn vật liệu chưa phù hợp

- Tiêu chu n thiết kế: Lựa chọn tiêu chu n thiết kế chưa phù hợp

- Các sai sót trong quá trình thiết kế: Sai sót về các chi tiết thiết kế, kiểm soát chất lượng bản vẽ kém

1.2.2.2 Những sai sót trong giai đoạn thi công

- Thi công không đạt chất lượng khi thiết kế

- Lớp bê tông bảo vệ không đủ đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn, bảo vệ rỉ giảm tuổi thọ công trình

- Chất lượng đầm bê tông trong lúc đổ bê tông không đạt yêu cầu, bê tông bị rỗng nhiều

- Bảo dưỡng không đúng quy trình yêu cầu, làm bê tông không thiết kế, vết nứt xuất hiện

- Thiếu việc kiểm soát chất lượng

- Thiếu kỹ sư giám sát công trình kinh nghiệm

1.2.2.3 Hư hỏng trong quá trình khai thác sử dụng

- ôi trường: Thời tiết, mưa nắng, gió nước động đất, cháy nổ ăn mòn sự phá hủy lý hóa bê tông

- Sử dụng: Qúa tải, hiện tượng mỏi; va chạm, lún không đều; thiếu duy tu bảo dưỡng

1.3 Các c ng nghệ ửa chữa, gia cường k t c u t ụ BTCT

1.3.1 Công ngh ă ng kh ă ịu l c kết cấu bê tông bằ p ơ pháp bao bọc bê tông cốt thép

Gia cố bằng phương pháp tăng cường tiết diện là phương pháp gia cố kết cấu bê tông cốt thép được áp dụng rộng rãi nhất Với phương pháp gia cố này sơ đồ kết cấu

và trạng thái chịu lực của kết cấu không thay đổi

Tùy th o từng trường hợp cụ thể mà có các biện pháp tăng cường tiết diện bê tông, tăng cường tiết diện cốt thép hoặc kết hợp vừa tăng cường tiết diện bê tông vừa tăng cường tiết diện cốt thép

Hình 1.5 Gia cường trụ BTCT theo phương pháp bao bọc bê tông cốt thép

* Ưu điểm của c ng nghệ này là:

- ông nghệ thi công đơn giản, giá thành thấp, dễ thi công

- Tăng đáng kể khả năng chịu tải Tùy th o mức độ yêu cầu, có thể tăng chịu tải của kết cấu sau gia cố lên tới ,5 - lần

- Do kích thước tiết diện tăng lên, độ cứng của kết cấu tăng th o do đó sẽ giảm được biến dạng

* Nhược điểm của c ng nghệ này là:

- Ván khuôn lắp ghép cồng kềnh

- ần nhiều thời gian thi công và sử dụng nhiều nhân công

- Thi công phức tạp và khó khăn

- Phải phá bỏ một phần kết cấu cũ để tạo dính bám, liên kết với phần kế cấu cũ

- Liên kết k h ô n g đ ồ n g b ộ giữa bêtông cũ và mới về cường độ và Modun đàn hồi dẫn đến hiệu quả làm việc không đạt được mục đích mong muốn

- ức độ co ngót khác nhau giữa bêtông cũ và lớp bêtông mới dễ sinh ra vết nứt sau thi công

- Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện,

- Phát sinh thêm t nh tải gây bất lợi cho công trình

- Thay đổi kiến trúc tổng thể của kết cấu

1.3.2 Công ngh ă ng kh ă ịu l c trụ BTCT bằng công ngh dán b n thép

Là công nghệ sử dụng thép hình để tạo nên một hệ thống kết cấu tổ hợp giữa kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu thép cũng đồng thời tham gia chịu tải

Hình 1.6 Gia cố trụ bằng thép hình

* Ưu điểm của c ng nghệ này là:

- Thi công đơn giản, nhanh chóng

- Không ảnh hưởng đến không gian sử dụng

- Phương pháp này có khả năng nâng cao đáng kể khả năng chịu tải, chịu lực của trụ lên được – ,5 lần

- Thi công đơn giản, dễ thực hiện, nhanh chóng đưa công trình vào sử dụng Không ảnh hưởng nhiều đến tính chất làm việc liên tục của công trình

- Hiệu quả trong hạn chế độ mở rộng vết nứt trong kết cấu bê tông

- Gía thành thấp

* Nhược điểm của c ng nghệ này là:

- Lắp đặt các tấm thép khó khăn

- Thời gian thi công kéo dài, tốn kém nhân công

- ản thép cần phải điều chỉnh chế tạo và gia công trước phức tạp

- Khó khăn trong c u lắp, thi công tại những khu vực chật hẹp

- Khoan và bắt bulông vào bêtông có thể phát sinh sự cố như làm giảm tiết diện chịu lực của kết cấu

- ông việc hàn thép tấm có thể ảy ra hiểm họa cháy nổ

- Khó khăn trong việc quản l chất lượng

- hất lượng, tuổi thọ phụ thuộc rất nhiều vào hiện trạng kết cấu nhịp cũ

- Phải sơn bảo vệ bản thép định kỳ chống rỉ

1.3.3 Công ngh ă ng kh ă ịu l c kết cấu bê tông bằng d ng

l c (DUL) ngoài

Là biện pháp bổ sung các bó cáp dự ứng lực nằm ngoài tiết diện trụ nhằm tạo ra một ứng lực nén trước trong bê tông để tăng khả năng chống nứt cho kết cấu bê tông

* Ưu điểm của c ng nghệ này là:

- Hiệu quả trong việc tăng cường chống nứt cho kết cấu bê tông

- Có khả năng điều chỉnh lực căng trong quá trình khai thác

* Nhược điểm của c ng nghệ này là:

- Thi công đòi hỏi phải có không gian căng kéo cáp DUL

- Cần nhiều thời gian thi công và nhân công trình độ cao

- Hiệu quả giải pháp tăng cường bằng DUL phụ thuộc vào việc kiểm soát các mất mát DUL, công việc này đòi hỏi nhân công thực hiện có trình độ cao

- Phải có biện pháp bảo vệ lâu dài và thường xuyên các bó cáp DUL lộ ra bên ngoài kết cấu

i

Hình 1.7 Cấu tạo vật liệu FRP (Gibson, 1994)

Hình 1.8 Khả năng chịu lực của vật liệu FRP

1.3.4 Công ngh ă ng kh ă ịu l c kết cấu bê tông bằng vật li u

CFRP

1.3.4.1 Giới thiệu về vật liệu CFRP

ợi Carbon (Carbon fiber - CF) được sáng chế vào năm 879 bởi Thomas Edison

và được coi là loại sợi tổng hợp cổ nhất của loài người, nhưng lại có giá trị rât lớn đến

sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại an đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi

Carbon làm dây tóc của bóng đèn ặc dù lúc đó sợi sợi Carbon không giống như sợi

Carbon ngày nay, nhưng chúng lại có sức chịu đựng đáng kể vói nhiệt độ, điều này

khiến cho sợi Carbon trở thành tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện, về sau,

đến tận những năm 950, Rayon đã khám phá ra khả năng kéo giãn của sợi Carbon để

tạo ra vật liệu có khả năng chịu kéo cao

ợi Carbon đã được thương mại từ 960 trong ngành hàng không, vũ trụ và các

yêu cầu ưng dụng vật liệu nhẹ Hiện nay, sợi Carbon được ứng dụng rộng rãi trong

hàng không, giải trí, công nghiệp, giao thông và vật liệu composite Composite làm từ sợi Carbon tối ưu về độ bền, độ cứng, nhẹ và chống nứt cao, chịu được nhiệt độ cao và trơ với hóa chất

ợi Carbon là vật liệu có độ bền rất cao, là loại sợi chứa ít nhất 90% nguyên tử Carbon được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình nhiệt phân sợi nguyên liệu ban đầu Nguyên liệu sản uất sợi Carbon thường bao gồm sợi polyacrylonitrile, sợi nlulo (viscose rayon, cotton), dầu mỏ, than đá hoặc một số loại sợi phenolic ợi Carbon được sản uất bằng cách nhiệt phân có kiểm soát các sợi hữu cơ đã chọn trên nhằm loại o y nitơ, hydro để tạo thành sợi Carbon

ơ tính sợi Carbon càng cao khi tăng cấu trúc tinh thể và mức độ định hướng sợi cũng như giảm các khuyết tật trên sợi ũng được cấu tạo bàng các phân tử Carbon, kim cương là vật liệu cứng và bền nhất trong khi than chì mềm và trơn ự khác nhau giữa chúng uất phát từ nguyên nhân cấu trúc tinh thể khác nhau ó thể hiểu đơn giản than củi mềm do cấu trúc tinh thể sắp ếp không th o trật tự, không bền vững trong khi cấu trúc tinh thể kim cương rất trật tự và đồng đều nên rất bền Kim cương có cấu trúc tinh thể Carbon ba chiều trong khi sợi Carbon có c u trúc mạng lưới hai chiều với các nguyên tố Carbon sắp ếp trật tự thẳng hàng và quấn lấy nhau ách tốt nhất để có được sợi Carbon định hướng cao là chọn sợi nguyên liệu định hướng cao, sau đó duy trì mức độ định hướng này trong quá trình ổn định và Carbon hóa ợi Carbon được tạo bởi các sợi cực mỏng có đường kính khoảng 5-10pm và bao gồm chủ yếu là của các nguyên tử Carbon được liên kết với nhau th o phương song song với trục dài của sợi ợi Carbon chịu lực được cấu tạo bởi rất nhiều sợi Carbon được oắn với nhau, có thể được sử dụng bởi sợi độc lập hoặc dệt thành vải ợi Carbon kết họp với chất kết dính tạo thành vật liệu CRFP

Hệ thống Tyfo® Fibrwrap® Composite Systems là những polym r được tạo thành bằng các cốt liệu sợi có cường cao Tyfo® (sợi thủy tinh, Carbon và aramid) kết hợp với keo Tyfo® epoxies tạo thành vật liệu hoàn chỉnh ứng dụng cho tất cả các ngành công nghiệp với mục đích tăng cường và bảo vệ kết cấu

Những đặc tính ưu việt của vật liệu Tyfo® Fibrwrap® omposit yst ms đã được kiểm chứng thông qua hàng nghìn các thí nghiệm tại các trường đại học danh tiếng trên thế giới và các công trình cụ thể trên 50 quốc gia

Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền

Hiện nay sợi Carbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là po y được sử dụng rộng rãi Sợi Carbon và sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại Sợi

aramid độ bền thấp, trong môi trường nhiệt độ cao thì làm việc kém Trong khi đó sợi Carbon có mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây

- Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi Carbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh)

- Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester)

- Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP

- Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

Hình 1.9 Hướng phân bố của cốt sợi

Bảng 1.1 Các đặc trưng cơ học cốt sợi

Cốt sợi

ường độ chịu kéo (N/mm2-MPa)

Moduyn đàn hồi (kN/mm2-GPa)

Độ dãn dài (%)

Tỷ trọng (g/cm3)

2,57 2,46 2,46 2,47 Carbon

1,7 1,8 1,9 2,1

Bảng 1.2 Các đặc trưng cơ học của chất nền

(N/mm2-MPa)

Moduyn đàn hồi (kN/mm2-GPa)

Độ dãn dài (%)

Tỷ trọng (g/cm3) Polyester

2,5 8,0 6,0 1,8

1,2 1,2 1,12 1,24

Bảng 1.3 Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP

Trọng lượng (g/m2)

Chiều dày thiết kế (mm)

ường độ chịu kéo (MPa)

ôđuyn đàn hồi (GPa)

Dạng tấm Dạng cuộn

Hình 1.10 Các loại sản phẩm của vặt liệu FRP

1.3.4.2 Công nghệ tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông bằng vật liệu CFRP

Sử dụng vật liệu CFRP trong các vị trí cần yêu cầu tăng cường khả năng chịu

nén uốn đồng thời cho trụ

Hình 1.11 Tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng vật liệu CFRP

* Ưu điểm của c ng nghệ này là:

- Tăng cường cho trụ chịu nén uốn đồng thời

- Tăng cường độ cắt của trụ

- Tăng cường khả năng chịu nén của trụ bằng việc kìm chế nở hông

- Tăng độ dẻo cho cấu kiện dưới tác dụng của tải trọng lặp, tải trọng động

- Không bị ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn cho kết cấu

- Tăng cường khả năng chống cháy, chống nổ cho công trình

- Không phá hoại kết cấu hiện hữu và dễ dàng lắp đặt

- Giảm thời gian ngừng khai thác công trình trong quá trình lắp đặt CFRP

- Hệ thống rất nhẹ, cường độ cao ứng với tỷ số khối lượng

- Không yêu cầu cần thiết bị thi công nặng và đặc biệt

- Có thể thi công nơi diện tích nhỏ hẹp

- Có thể hoàn thiện bề mặt bằng nhiều loại vật liệu khác nhau

- Có thể áp dụng được tại những vị trí yêu cầu độ m cao hoặc dưới nước

* Nhược điểm của c ng nghệ này là:

- Hiệu quả của giải pháp tăng cường bằng vật liệu CFRP phụ thuộc chính vào vật liệu chất kết dính EPOXY và quy trình kiểm soát chất lượng thi công của nhà thầu thi công

- Việc kiểm soát chất lượng thi công phải được nhà cung cấp vật liệu CFRP chấp thuận trước khi đưa công trình vào sử dụng

1.4 K t luận

Kết cấu BTCT chịu nén uốn được sử dụng khá nhiều trong xây dựng như trụ cầu, trụ nhà, trụ cọc cầu cảng, công trình tháp,…Do nhiều nguyên nhân như tải trọng môi trường, tải trọng khai thác, tải trọng do sự cố kết cấu BTCT bị xuống cấp hoặc hư hỏng cần phải sửa chửa, bảo trì hoặc gia cường để đạt được khả năng chịu tải trọng mong muốn Có nhiều biện pháp gia cường trụ BTCT chịu nén uốn như mở rộng tiết diện, thay đổi sơ đồ kết cấu, dùng cáp dự ứng lực ngoài, dán bản thép, dán vải sợi thủy tinh hoặc dán vải sợi cán bon Nhờ ưu điểm cường độ cao, thi công đơn giản nên phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng vải sợi các bon dính bám ngoài (CFRP) ngày nay được sử dụng khá rộng rải

Nhiều nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vật liệu sợi carbon để gia cường, sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép mang lại hiệu quả cao [5,6]

C ƯƠNG 2

CƠ Ở THIẾT KẾ TR BTCT CHỊU NÉN UỐN

2.1 Thi t k trụ BTCT chịu nén uốn th các tiêu chu n

2.1.1 Theo AASHTO LRFD, ACI 318 [2]

2.1.1.1 Nguyên tắc tính toán theo độ bền

- Trụ chịu nén lực P và Momen uốn đồng thời thường được gọi là trụ chịu nén lệch tâm Khi đó, độ lệch tâm của lực dọc là e=M/P

- Nếu độ lệch tâm nhỏ, toàn bộ tiết diện sẽ chịu nén Khi tải trọng tăng lên đến giới hạn, bê tông sẽ bị ép vỡ và cốt thép đạt đến giới hạn chảy Nếu độ lệch tâm lớn, một phần tiết diện sẽ chịu kéo Khi tải trọng tăng đến giới hạn, trụ bị phá hoại do cốt thép ở vùng cách xa nhất so với lực dọc đạt đến giới hạn chảy

- Khi thiết kế trụ chịu nén lệch tâm theo trạng thái giới hạn, kết cấu trụ phải thỏa mãn các điều kiện

(2.1) (2.2) Trong đó : hệ số giảm bền ( =0.75 đối với trụ bố trí cốt thép đai thường; ( =0.8 đối với trụ bố trí cốt thép đai oắn)

Mn : Sức kháng uốn danh định

Pn ường độ nén danh định

Mu: Momen yêu cầu

Pu : ường độ yêu cầu

- Tương thích biến dạng và đường cong tương tác

Hình 2.1 Trụ chịu nén lệch tâm: Ứng suất-Biến dạng

2.1.1.2 Tính toán cấu kiện BTCT chịu nén lệch tâm

Giả thiết tiết diện phẳng và tính tương thích biến dạng vẫn được áp dụng khi tính toán kết cấu trụ chịu nén lệch tâm Ở trạng thái giới hạn, biến dạng của cốt thép là s và

’s, biến dạng giới hạn của bê tông vùng nén là u Ứng suất của bê tông vùng nén với biểu đồ khối chữ nhật tương đương bằng 0.85f’c hiều cao vùng bê tông chịu nén bằng a=β1c

- Phương trình cân bằng lực:

Pn=0.85f’cab+A’sf’s-Asfs (2.3)

- Phương trính cân bằng Momen so với trục trụ:

Mn= Pn =0.85f’cab(h/2-a/ ) + A’sf’s(h/2-d’) + Asfs(d-h/2) (2.4) Trong đó

f’c là độ bền nén của bê tông

f’s làứngsuất trong cốt thép chịu nén

fs là ứng suất kéo trong cốt thép

As là diện tích cốt thép

A’s là diện tích cốt thép chịu nén

Với các lực Pu và Mu, ta có thể biết độ lệch tâm e=Mu/Pu Trong các phương trình trên, thành phần f’c, fs và a có thể biểu diễn qua thành phần n số c (khoảng cách trục trung hòa) Từ quan hệ hình học trong biểu đồ biến dạng và trị số u =0.003, có thể xác định được n số Pn và c

2.1.2 Theo Tiêu chuẩn Vi t Nam (TCVN 5574-2012) [4] :

2.1.2.1 Nguyên tắc tính toán theo độ bền:

- Tính toán cấu kiện bê tông th o độ bền cần được tiến hành trên tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện Tùy vào điều kiện làm việc của cấu kiện, mà trong tính toán

có kể đến hoặc không kể đến sự làm việc của vùng chịu kéo

- Đối với các cấu kiện chịu nén lệch tâm mà trạng thái giới hạn được đặc trưng bằng sự phá hoại của bê tông chịu nén, thì khi tính toán không kể đến sự làm việc của

bê tông chịu kéo Độ bền chịu nén của bê tông được quy ước là ứng suất nén của bê tông, có giá trị bằng Rb và phân bố đều trên vùng chịu nén của tiết diện - vùng chịu nén quy ước và sau đây được gọi tắt là vùng chịu nén của bê tông

Hình 2.2 Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện bê tông chịu nén lệch tâm khi tính theo độ bền không kể đến sự làm việc của bê

tông vùng chịu kéo

- Đối với các cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, cũng như với các cấu kiện không cho phép nứt th o điều kiện sử dụng kết cấu (cấu kiện chịu áp lực trước, mái đua, tường chắn, v.v…) khi tính toán có kể đến sự làm việc của bê tông vùng chịu kéo Khi

đó trạng thái giới hạn được đặc trưng bằng sự phá hoại của bê tông vùng chịu kéo (xuất hiện vết nứt) Lực tới hạn được ác định dựa trên các giả thuyết sau:

+ Tiết diện vẫn được coi là phẳng sau khi biến dạng;

+ Độ giãn dài tương đối lớn nhất của thớ bê tông chịu kéo ngoài cùng lấy bằng 2Rbt/Eb;

+ Ứng suất trong bê tông vùng chịu nén được xác định với biến dạng đàn hồi của bê tông (trong một số trường hợp có kể cả biến dạng không đàn hồi);

+ Ứng suất bê tông vùng chịu kéo được phân bố đều và bằng Rbt;

- Ngoài ra, cấu kiện cần được tính toán chịu tác dụng cục bộ của tải trọng

Hình 2.3 Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện bê tông chịu uốn (nén lệch tâm) được tính theo độ bền, có kể đến sự làm việc của

bê tông vùng chịu kéo 2.1.2.2 Tính toán cấu kiện BTCT chịu nén lệch tâm

- Khi tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm, cần tính đến độ lệch tâm ngẫu nhiên

ea của lực dọc

- Trong trường hợp tính toán ngoài mặt phẳng lệch tâm của lực dọc, giá trị e0được lấy bằng độ lệch tâm ngẫu nhiên ea

- Cấu kiện bê tông chịu nén lệch tâm (Hình 2) cần được tính toán th o điều kiện:

N ≤

re

WR

0

pl bt







(2.7) Đối với cấu kiện tiết diện chữ nhật điều kiện (2.5) có dạng:

bh 75

, 1

e

R 0

Việc tính toán cấu kiện bê tông chịu nén lệch tâm cần phải được thực hiện theo các điều kiện (2.5) và (2.6)

Trong các công thức trên

 là hệ số, lấy như sau

+ đối với bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ, bê tông rỗng: 1,00

+ đối với bê tông tổ ong được chưng áp 0,85

+ đối với bê tông tổ ong không được chưng áp 0,75

Wpl là mô men kháng uốn của tiết diện đối với thớ chịu kéo ngoài cùng có kể đến biến dạng không đàn hồi của bê tông chịu kéo, được ác định theo công thức (16) với giả thiết không có lực dọc:

Wpl =

x h

2.2 Thi t k trụ BTCT th phương pháp biểu đồ tương tác -M [12]

Đường cong quan hệ tương tác P-M dựa trên cân bằng tương thích về biến dạng với mô hình ứng xử giữa vật liệu CFRP và bê tông bị kìm chế biến dạng nở hông Để đơn giản hóa, đường cong tương tác P- là đường gãy khúc đi qua 3 điểm A,B,C -Trong đó

+ Điểm A (nén thuần túy) với biến dạng giới hạn của bê tông bị kìm chế nở hông

ccu.

+ Điểm B với phân bố biến dạng tương ứng với biến dạng kéo của lớp cốt thép dọc gần bề mặt chịu kéo bằng không và biến dạng nén trong bê tông ở thớ chịu nén bất lợi nhất bằng ccu

+ Điểm C với phân bố biến dạng nén trong bê tông ở thớ chịu nén bất lợi nhất bằng ccuvà ứng suất kéo của lớp cốt thép dọc gần bề mặt chịu kéo bằng sy.

c 12f

c 16f

(E E ) b(E E ) h

h

2

  (2.23)

2 2

(2.25)

(2.26)

(2.27) Trong đó E2 độ dốc của đoạn tuyến tính trong biểu đồ ứng suất biến dạng (Mpa)

:Giá trị biến dạng của bê tông (mm/mm)

oodun đàn hồi của bê tông (Mpa)

ường độ chịu nén quy định của bê tông (Mpa)

: Biến dạng nén dọc trục tới hạn của bê tông

: Biến dạng quy đổi th o đường cong ứng suất-biến dạng (mm/mm)

ường độ chịu nén của bê tông bị kìm chế nở hông

ường độ chịu nén tối đa của bê tông và lực nén giới han fl được tính với giá trị triết giảm =0.95

(2.28) (2.29)

Độ dãn dài có hiệu tại điểm phá hoại của vật liệu CFRP là

Biểu đồ tương tác P-M thể hiện kiểm toán sức kháng cấu kiện BTCT chịu nén uốn

Biểu đồ tương tác thường có dạng 3 trục, thể hiện các giá trị lực dọc N x, M x, M y

Khả năng chịu lực của một cấu kiện chịu nén uốn lệch tâm được biểu thị thông qua mặt cong của biểu đồ tương tác ặt cong này giới hạn phần không gian mà nếu tất cả điểm biểu diễn nội lực của tiết diện nằm trong đó thì có thể kết luận tiết diện đảm bảo khả năng chịu lực

Hình 2.4 Biểu đồ tương tác

Hình 2.5 Sơ đồ khối thể hiện quá trình tính toán P-M tại A,B,C

2.3 Phân tích sức kháng trụ bằng các phần mềm phân tích

2.3.1 Phần mềm CSiCOL

2.3.1.1 Giới thiệu về Phần mềm CSiCOL [11]

i OL là một gói phần mềm toàn diện được sử dụng để phân tích và thiết kế các trụ Thiết kế i OL cung cấp công cụ 'Quick D sign Wizard' để hướng dẫn người dùng từng bước, thông qua toàn bộ quá trình của trụ thiết kế Tính toán và kiểm tra sức kháng của trụ

2.3.1.2 Trình tự thiết kế và kiểm tra

Bước 1: Units and Codes: Chọn hệ đơn vị và các tiêu chu n thiết kế

Bước 2: Section and Rebar Properties: Nhập các chỉ tiêu cơ l của bê tông và cốt thép

Bước 3: Section Shape: Chọn hình dạng mặt cắt trụ

Bước 4: D fin loading Xác định tải trọng

Bước 5: View results: Xuất các kết quả

2.3.2 Phần mềm ATENNA

2.3.2.1 Giới thiệu về phần mềm ATENA [9,10]

ATENA là phần mềm phân tích phi tuyến PTHH do công ty Cervenka của Tiệp phát triển bắt đầu từ năm 99 Phần mềm này chuyên dụng cho kết cấu bê tông cốt thép ATENA có khả năng phân tích ứng xử thật của bê tông và bê tông cốt thép bao gồm sự phát triển nứt, sự phá hoại do bê tông và sự chảy dẻo của thép Với hệ thống giao diện thân thiện và phương pháp mô hình kết cấu dựa th o đối tượng, việc mô hình hóa kết cấu bằng ATENA được thực hiện rất dễ dàng, thuận lợi và chính xác Trong phần mềm ATENA, các mô hình vật liệu dùng mô phỏng cho bê tông bao gồm mô hình Drucker-Pragn r, mô hình cơ học phá hủy Nonlin ar , mô hình đa mặt nhỏ (microplan ) 4 và 7 Để mô phỏng cốt thép ATENA cho phép mô phỏng quá trình chảy dẻo của thép Ngoài ra, ATENA cũng có thể mô phỏng chi tiết sự dính bám giữa

bê tông và cốt thép

Các kết quả phân tích ATENA thể hiện độ chính xác cao ứng xử của kết cấu so với kết quả thí nghiệm cho kết cấu bê tông cốt thép có gia cường với việc sử dụng mô hình bê tông Nonlin ar và mô hình đa mặt nhỏ (microplan ) Do ATENA được

thiết kế chuyên dụng nên có nhiều tính năng tự động, giao diện thân thiện với người dùng, cho phép xây dựng mô hình tính và thực hiện phân tích nhanh kết cấu tương đối đơn giản, không phức tạp như các phần mềm tính toán khác Để mô phỏng kết cấu, ATENA cho phép mô phỏng 2 chiều (bài toán phẳng) hoặc 3 chiều (bài toán không gian) và hoàn toàn thích hợp cho kết cấu TTL như kết cấu cống dưới đê đập, kết cấu cầu máng được gia cường bằng tấm composite Với những ưu điểm trên, cùng với kinh nghiệm riêng của tác giả, phần mềm ATENA được lựa chọn để thực hiện các nghiên cứu phân tích cơ học trong đề tài này

2.3.2.2.Trình tự thiết kế ATENA

Khởi động mô hình ATENA

Bước 1: Tạo mới mô hình

Bằng cách vào Gerenal data/ Analysis Information xuất hiện hộp thoại

Đặt tên cho công trình (description)

Chọn hệ metric (system)

Vào il / av a ….lưu lại công trình

Bước 2:Khai báo vật liệu cho trụ

Vào Material/add

Chọn Direct Definition

Chọn các thông số sau:3D Elastic Isotropic cho tấm thép

3D Nonlinearcementitious 2 cho bê tông

Reinforcement cho CFRP và thép cốt đai

Sau khi khai báo xong vật liệu có bảng tổng hợp sau:

Bước 3:Vẽ Trụ BTCT

Nguyên tắc vẽ Trụ trong mô hình là vẽ nút t ước>>vẽ đường nối các nút>>vẽ mặt nối các đường lại với nhau

Chọn Macro-element/Add ở Input data tree

Sau khi Add xong hiện ra cửa sổ chọn joint để vẽ nút

Kết thúc lệnh bấm OK

Tiếp tục chọn Line để vẽ đường