Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tăng cường dầm bê tông cốt thép bằng bê tông cốt lưới dệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:169

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật" Nghiên cứu tăng cường dầm bê tông cốt thép bằng bê tông cốt lưới dệt" trình bày các nội dung chính sau: Xây dựng được mô hình tính toán xác định toàn bộ quá trình làm việc của kết cấu dầm BTCT được tăng cường khả năng chịu lực bằng TRC, có xét đến trạng thái đang chịu lực của dầm khi được tăng cường; Xác định được một số tính chất cơ học quan trọng của bê tông cốt lưới dệt với bê tông được sản xuất ở Việt Nam. Kiểm chứng được bằng thực nghiệm các mô hình tính toán đã đề xuất về việc tăng cường sức kháng uốn và sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng TRC;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tăng cường dầm bê tông cốt thép bằng bê tông cốt lưới dệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HUY CƯỜNG NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI- 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HUY CƯỜNG NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt Mã số: 95.80.206 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS NGÔ ĐĂNG QUANG 2: GS.TS PHẠM DUY HỮU HÀ NỘI- 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, Ngày 29 tháng 03 năm 2021 Tác giả Nguyễn Huy Cường i
LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Ngô Đăng Quang và GS.TS Phạm Duy Hữu. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, những người đã dành cho tôi những lời khuyên, định hướng và cả sự giám sát quý báu trong suốt quả trình học tập, và giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn các quý Thầy, Cô giáo trong bộ môn Công trình Giao thông Thành phố và Công trình Thủy, đặc biệt là cố GS.TS Nguyễn Viết Trung đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo Sau Đại học trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo Bộ môn Kết cấu Xây dựng, lãnh đạo Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi muốn được bày tỏ sự biết ơn đến các đồng nghiệp, gia đình, người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, Ngày 29 tháng 03 năm 2021 Tác giả Nguyễn Huy Cường ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ I LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... II MỤC LỤC .........................................................................................................................III DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. VI DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... VII CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU............................................................................. XI MỞ ĐẦU .............................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT ĐỂ TĂNG CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP .............7 1.1 Tình hình sử dụng TRC để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT trên thế giới .....................................................................................................................7 1.2 Các nghiên cứu về đặc tính cơ học của bê tông cốt lưới dệt .................................10 1.2.1 Cốt lưới dệt ..................................................................................................11 1.2.2 Bê tông hạt mịn ............................................................................................13 1.2.3 Tính chất dính bám giữa lưới sợi dệt với bê tông hạt mịn ..........................16 1.2.4 Ứng xử chịu kéo dọc trục của tấm TRC ......................................................20 1.2.5 Cường độ chịu kéo của lưới sợi khi chịu lực cùng bê tông hạt mịn ............23 1.2.6 Dính bám giữa TRC với bê tông nền...........................................................25 1.3 Các nghiên cứu tăng cường khả năng chịu uốn.....................................................27 1.3.1 Các nghiên cứu thực nghiệm .......................................................................27 1.3.2 Mô hình xác định sức kháng uốn .................................................................32 1.4 Các nghiên cứu tăng cường khả năng chịu cắt ......................................................34 1.4.1 Các nghiên cứu thực nghiệm .......................................................................34 1.4.2 Mô hình tính toán xác định sức kháng cắt ...................................................44 1.5 Phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã được thực hiện và xác định vấn đề cần nghiên cứu .........................................................................................................................48 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT ..................................................................................................51 2.1 Trạng thái chịu lực của kết cấu dầm BTCT được tăng cường bằng TRC .............51 2.2 Đề xuất mô hình tính toán xác định ứng xử chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC....................................................................................................52 iii
2.2.1 Phương pháp xác định ứng xử chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC ...........................................................................................................52 2.2.2 Các giả thiết tính toán ..................................................................................54 2.2.3 Mô hình tính toán sự làm việc của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC khi chưa chịu lực ......................................................................................57 2.2.4 Mô hình tính toán sự làm việc của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC khi đang chịu lực ......................................................................................60 2.3 Mô hình tính toán xác định sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC .......................................................................................................................65 2.4 Đề xuất mô hình tính toán xác định sức kháng cắt của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC ...............................................................................................................68 2.5 Kết luận chương ....................................................................................................72 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT 74 3.1 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................74 3.2 Nghiên cứu xác định một số tính chất cơ học của bê tông cốt lưới dệt ................75 3.2.1 Đặc trưng cơ học của bê tông cốt lưới dệt sử dụng trong thí nghiệm .........75 3.2.2 Nghiên cứu xác định ứng xử dính bám giữa lưới sợi các bon với bê tông hạt mịn 84 3.2.3 Nghiên cứu xác định ứng xử dính bám giữa bê tông thường với TRC .86 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC....................................................................................................91 3.3.1 Thiết lập thí nghiệm .....................................................................................91 3.3.2 Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm ....................................................93 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu cắt của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC ...............................................................................................................96 3.4.1 Thiết lập thí nghiệm .....................................................................................96 3.4.2 Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm ....................................................97 3.5 Kiểm chứng các mô hình tính toán đã đề xuất với kết quả thí nghiệm ...............100 3.5.1 Mô hình tính toán xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu dầm BTCT được tăng cường khi chưa chịu lực..........................................................................100 3.5.2 Mô hình tính toán xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu dầm BTCT được tăng cường khi đang duy trì tải trọng .............................................................102 3.5.3 Mô hình tính toán sức kháng uốn ..............................................................106 3.5.4 Mô hình tính toán sức kháng cắt................................................................107 iv
3.6 Kết luận chương ..................................................................................................107 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ ....................................................109 4.1 Mục đích nghiên cứu ...........................................................................................109 4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng số .........................................................................109 4.2.1 Mô phỏng các dầm được tăng cường sức kháng uốn ................................109 4.2.2 Mô phỏng các dầm được tăng cường sức kháng cắt .................................113 4.3 Kết quả mô phỏng ...............................................................................................114 4.3.1 Các dầm được tăng cường sức kháng uốn .................................................114 4.3.2 Các dầm được tăng cường sức kháng cắt ..................................................116 4.4 Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến ứng xử chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC..................................................................................................117 4.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng cốt lưới dệt .....................................................118 4.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép ..........................................................120 4.4.3 Ảnh hưởng của cường độ chịu nén của bê tông dầm được tăng cường ....121 4.5 Kết luận chương ..................................................................................................123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................125 Kết luận ........................................................................................................................125 Kiến nghị ......................................................................................................................129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ....................................................130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................132 PHỤ LỤC.........................................................................................................................139 Phụ lục 1 .......................................................................................................................139 Phụ lục 2 .......................................................................................................................146 Phụ lục 3 .......................................................................................................................153 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần của các hỗn hợp bê tông hạt mịn của Brockmann [21]..............14 Bảng 1.2 Đặc tính cơ học của các loại bê tông hạt mịn Blanksvärd sử dụng [18]........39 Bảng 2.1 Biến dạng của các loại vật liệu trên mặt cắt dầm ...........................................57 Bảng 3.1 Thành phần bê tông hạt mịn...........................................................................76 Bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt của cát quartz .........................................................77 Bảng 3.3 Lượng lọt sang (%) của bột Quartz nghiền ....................................................77 Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông hạt mịn ...........79 Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn của bê tông hạt mịn............80 Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn ...............81 Bảng 3.7 Đặc trưng hình học và cơ học của lưới sợi carbon ........................................82 Bảng 3.8 Các mẫu thí nghiệm và kết quả thí nghiệm dính bám giữa TRC với bê tông thường ................................................................................................................................88 Bảng 3.9 Một số ứng xử cơ bản của các dầm thí nghiệm .............................................93 Bảng 3.10 Một số tính chất cơ học của các loại vật liệu trong nghiên cứu của Weiland [56] ...................................................................................................................................103 Bảng 3.11 So sánh kết quả tính toán với kết quả thí nghiệm của Weiland [56] .........105 Bảng 3.12 So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm ....................106 Bảng 3.13 So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm ....................107 Bảng 4.1 Các thông số vật liệu thép và lưới sợi dệt [1] ..............................................111 Bảng 4.2 Các thông số vật liệu khai báo cho mô hình bê tông ...................................112 Bảng 4.3 So sánh kết quả của các dầm thí nghiệm và mô phỏng ...............................115 Bảng 4.4 So sánh kết quả của các dầm thí nghiệm và mô phỏng tăng cường sức kháng cắt .....................................................................................................................................117 vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thành phần của bê tông cốt lưới dệt ................................................................8 Hình 1.2 Tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT ở Milan (Ý)..................................9 Hình 1.3 Sửa chữa, tăng cường dầm và sàn tầng hầm bị hư hỏng do hỏa hoạn (Thụy Sỹ) [53] .......................................................................................................................................9 Hình 1.4 Tăng cường dầm, sàn BTCT công trình nhà cao tầng bằng TRC ..................10 Hình 1.5 Sửa chữa, tăng cường cho kết cấu sàn BTCT bằng TRC sợi thủy tinh tại nhà xưởng công nghiệp EXEDY (Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc)........................................................10 Hình 1.6 Các cấp độ kết cấu của cốt lưới dệt ................................................................11 Hình 1.7 Quy trình tẩm lớp phủ cho lưới sợi ................................................................12 Hình 1.8 Một số cấu trúc điển hình của lưới sợi dệt .....................................................12 Hình 1.9 Tính chất cơ học của một số loại sợi cơ bản [20] ...........................................13 Hình 1.10 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông hạt mịn khi chịu nén [21] .........15 Hình 1.11 Dính bám trong và dính bám ngoài của lưới sợi dệt [41].............................16 Hình 1.12 “Neo” của cốt lưới dệt trong bê tông hạt mịn ..............................................17 Hình 1.13 Các sợi phía trong sử dụng keo epoxy làm tăng dính bám [41] ...................17 Hình 1.14 Mẫu thí nghiệm và kết quả thí nghiệm kéo tuột bó sợi [20] ........................18 Hình 1.15 Thí nghiệm xác định chiều dài neo [49] .......................................................19 Hình 1.16 Ảnh hưởng lớp phủ polymer đến chiều dài neo [49] ...................................20 Hình 1.17 Ứng xử của tấm của TRC chịu kéo dọc trục [39] ........................................20 Hình 1.18 Sơ đồ minh họa ứng suất – biến dạng của tấm TRC khi chịu kéo một trục [20] ............................................................................................................................................22 Hình 1.19 Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo của sợi cơ bản, bó sợi trần và bó sợi thủy tinh 310 tex nằm trong bê tông hạt mịn, theo Curbach [45] ..............................................23 Hình 1.20 Sự phân bố biến dạng trên tiết diện của bó sợi [47] .....................................24 Hình 1.21 Ảnh hưởng của góc nghiêng đến khả năng chịu lực của bó sợi [35] ...........25 Hình 1.22 Thí nghiệm dính bám giữa TRC và bê tông nền theo chỉ dẫn của RILEM 250- CSM [52] ...........................................................................................................................27 Hình 1.23 Ứng xử chịu uốn của kết cấu dầm BTCT được tăng cường bằng TRC [43]28 Hình 1.24 Một số dạng phá hoại thường xảy ra đối với dầm được tăng cường ............30 vii
Hình 1.25 Cấu tạo chi tiết một số mẫu dầm thí nghiệm của D’Ambrisi [25] ...............32 Hình 1.26 Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt dầm được tăng cường bằng TRC [12] .....................................................................................................................................33 Hình 1.27 Tỷ số ứng suất lúc phá hoại của bó sợi khi chịu kéo và chịu uốn [12] ........34 Hình 1.28 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt của Blanksvärd [18] ........................35 Hình 1.29 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt của Triantafillou và Papanicolaou [60] ............................................................................................................................................36 Hình 1.30 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt của Si Larbi [55] .............................36 Hình 1.31 Thí nghiệm tăng cường sức kháng cắt của Tetta [57] ..................................37 Hình 1.32 Cấu tạo dầm tăng cường sức kháng cắt của D’Ambrisi (et. al [25]) ............37 Hình 1.33 Cấu tạo dầm tăng cường sức kháng cắt của Brückner [9] ............................42 Hình 1.34 Chiều cao làm việc có hiệu [12] ...................................................................45 Hình 1.35 Vai trò chịu lực cắt của lưới sợi theo 2 phương [60] ...................................46 Hình 1.36 Vai trò chịu lực cắt của lưới sợi theo 2 phương [55] ...................................47 Hình 2.1 Quan hệ mô men uốn - độ cong hoặc lực – độ võng của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC ................................................................................................................52 Hình 2.2 Phương pháp xác định độ võng của dầm........................................................54 Hình 2.3 Quan hệ ứng suất – biến dạng của các vật liệu thép, bê tông cốt lưới dệt và bê tông ....................................................................................................................................55 Hình 2.4 Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn I (chưa nứt) ...........57 Hình 2.5 Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn II (sau khi nứt) ......59 Hình 2.6 Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn 0-1 (chưa nứt) .......61 Hình 2.7 Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn 1-2 (sau khi nứt) ...61 Hình 2.8 Trạng thái biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn 2-3 (khi dỡ tải) .......................63 Hình 2.9 Trạng thái biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn 3-4 (khi bê tông hạt mịn chưa nứt) .....................................................................................................................................63 Hình 2.10 Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt ở giai đoạn 4-5 (sau khi BTHM nứt đến khi cốt thép bị chảy)..............................................................................................64 Hình 2.11 Trạng thái ứng suất – biến dạng của mặt cắt dầm được tăng cường bằng TRC ............................................................................................................................................66 Hình 2.12 Sự truyền lực qua các vết nứt nghiêng .........................................................69 viii
Hình 2.13 Cách xác định biến dạng dọc do mô men uốn và lực cắt .............................71 Hình 2.14 Sơ đồ khối xác định sức kháng cắt ...............................................................72 Hình 3.1 Các nghiên cứu thực nghiệm từ quy mô vật liệu đến kết cấu ........................74 Hình 3.2 Cát quartz, bột quartz và muội silic (từ trái sang phải) ..................................77 Hình 3.3 Thí nghiệm cường độ kéo uốn và cường độ chịu nén ....................................78 Hình 3.4 Kích thước lưới sợi carbon và mẫu thí nghiệm tấm TRC chịu kéo dọc trục .82 Hình 3.5 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của lưới sợi dệt ..........................83 Hình 3.6 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám giữa lưới sợi với bê tông hạt mịn .....84 Hình 3.7 Quan hệ lực và chuyển vị trượt điển hình của mẫu thí nghiệm dính bám sợi 85 Hình 3.8 Thiết lập thí nghiệm dính bám........................................................................86 Hình 3.9 Các dạng phá hoại trong chuỗi thí nghiệm 1 và 2 ..........................................87 Hình 3.10 Quan hệ tải trọng và chiều dài dính bám trong chuỗi thí nghiệm 1 .............89 Hình 3.11 Đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị trượt điển hình ........................89 Hình 3.12 Lược đồ minh họa các vết nứt ......................................................................90 Hình 3.13 Cấu tạo chi tiết các mẫu dầm thí nghiệm .....................................................91 Hình 3.14 Thiết lập thí nghiệm......................................................................................92 Hình 3.15 Đường cong lực và chuyển vị giữa nhịp của các dầm thí nghiệm ...............93 Hình 3.16 Cấu trúc vết nứt ............................................................................................95 Hình 3.17 Cấu tạo chi tiết các mẫu dầm thí nghiệm cắt ................................................96 Hình 3.18 Thi công tăng cường và thiết lập thí nghiệm cắt ..........................................97 Hình 3.19 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các dầm thí nghiệm ........................98 Hình 3.20 Cấu trúc vết nứt các dầm thí nghiệm cắt ......................................................99 Hình 3.21 Quan hệ lực – độ võng giữa nhịp của 2 dầm BF1 và BF2 được tính theo lý thuyết................................................................................................................................100 Hình 3.22 So sánh lực – độ võng giữa nhịp được tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm ..............................................................................................................................101 Hình 3.23 Cấu tạo mẫu thí nghiệm và hệ thống thí nghiêm [56]. ...............................102 Hình 3.24 Quan hệ giữa lực – độ võng của các bản được thí nghiệm [56] .................103 Hình 3.25 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán của bản được gia cường 3 lớp lưới .............................................................................................................................104 ix
Hình 3.26 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán của bản được gia cường 6 lớp lưới .............................................................................................................................105 Hình 4.1 Mô hình PTHH dầm tăng cường 1 lớp lưới sợi BF1 - FEM ........................110 Hình 4.2 Lưới phần tử của mô hình BF1 - FEM .........................................................110 Hình 4.3 Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép và lưới sợi dệt ...................111 Hình 4.4 Các ràng buộc trong mô hình BF1 – FEM ...................................................112 Hình 4.5 Mô hình PTHH dầm tăng cường BS1 – FEM ..............................................113 Hình 4.6 Các ràng buộc trong mô hình BS1 – FEM ...................................................113 Hình 4.7 So sánh lực – độ võng của của các dầm mô phỏng với kêt quả thí nghiệm .114 Hình 4.8 Phân bố ứng suất Von-Mises trong bê tông, cốt thép và cốt lưới dệt của dầm BF1 – FEM ......................................................................................................................115 Hình 4.9 So sánh lực – chuyển vị của của các dầm mô phỏng với kêt quả thí nghiệm ..........................................................................................................................................116 Hình 4.10 Quan hệ lực – độ võng giữa nhịp của các dầm được tăng cường có hàm lượng lưới sợi khác nhau ............................................................................................................118 Hình 4.11 Hệ số tăng cường có hiệu của từng lớp lưới sợi .........................................119 Hình 4.12 Biểu đồ lực – độ võng của các dầm được tăng cường có hàm lượng cốt thép khác nhau .........................................................................................................................120 Hình 4.13 Biểu đồ lực – độ võng của các dầm được tăng cường với cường độ bê tông khác nhau .........................................................................................................................122 Hình 4.14 Quan hệ lực – độ võng của các dầm sử dụng bê tông C28 có hàm lượng cốt lưới dệt thay đổi ...............................................................................................................123 x
CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa TRC Bê tông cốt lưới dệt (Textile reinforced concrete) BTCT Bê tông cốt thép RILEM Liên đoàn thế giới của các phòng thí nghiệm và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu (The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) ACI Hiệp hội Bê tông Mỹ (American concrete institute) FRP Vật liệu polime cốt sợi (Fiber reinforced polymer) 1 Hệ số quy đổi về khối ứng suất hình chữ nhật tương đương 1 Hệ số quy đổi về khối ứng suất hình chữ nhật tương đương c Biến dạng của bê tông  cu Biến dạng cực hạn của bê tông khi chịu nén  cr Biến dạng gây nứt trong bê tông khi chịu kéo As Diện tích cốt thép chịu kéo trong mặt cắt dầm A s Diện tích cốt thép chịu nén trong mặt cắt dầm Af Diện tích cốt lưới dệt được tăng cường a Chiều cao khối ứng suất hình chữ nhật tương đương b Bề rộng của mặt cắt dầm c Chiều cao vùng bê tông chịu nén h Chiều cao của mặt cắt dầm ds Chiều cao có hiệu của cốt thép dọc chịu kéo đối với mặt cắt (Khoảng cách xi
từ mép chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo) d s Chiều cao có hiệu của cốt thép dọc chịu nén đối với mặt cắt (Khoảng cách từ mép chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén) df Chiều cao có hiệu của cốt lưới dệt chịu kéo đối với mặt cắt (Khoảng cách từ mép chịu nén đến trọng tâm cốt lưới dệt chịu kéo) Ec Mô đun đàn hồi của bê tông Ef Mô đun đàn hồi chịu kéo của cốt lưới dệt Es Mô đun đàn hồi của cốt thép f Ứng suất f c Cường độ chịu nén của bê tông fy Cường độ kéo chảy của cốt thép fu Cường độ kéo đứt của cốt thép f fu Cường độ kéo đứt của cốt lưới dệt dt Chiều cao có hiệu của lớp composite TRC đối với mặt cắt At Diện tích lớp composite TRC được quy đổi s Biến dạng của cốt thép chịu kéo  s Biến dạng của cốt thép chịu nén t Biến dạng của lớp composite TRC được quy đổi t Ứng suất trong lớp composite TRC được quy đổi tcr Biến dạng của lớp composite TRC khi bê tông hạt mịn bị nứt ftcr Ứng suất trong lớp composite TRC khi bê tông hạt mịn bị nứt I Mô men quán tính của mặt cắt M Mô men uốn xii
M n Mô men uốn danh định M u Mô men uốn tính toán (mô men uốn đã nhân hệ số) v Ứng suất tiếp x Biến dạng dọc s xe Khoảng cách vết nứt có hiệu  Hệ số phản ánh khả năng truyền lực kéo của bê tông khi đã bị nứt nghiêng  Góc nghiêng của thanh nén V Sức kháng cắt của mặt cắt BTCT được tăng cường bằng TRC bw Bề rộng sườn dầm sv Hàm lượng cốt thép đai  fv Hàm lượng cốt lưới sợi theo phương ngang f sv Ứng suất trong cốt thép đai f fv Ứng suất trong các bó sợi ngang xiii
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Cũng như ở nhiều nước trên thế giới, bê tông cốt thép (BTCT) là vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất ở nước ta hiện nay. Sau một thời gian sử dụng, độ bền (tuổi thọ) thực tế của nhiều kết cấu BTCT đã bị suy giảm bởi các nguyên nhân khác nhau. Đặc biệt là do Việt Nam là quốc gia có bờ biển dài, các công trình ven biển chịu sự xâm thực mạnh của môi trường, gây ra hiện tượng rỉ cốt thép, bong tách lớp bê tông bảo vệ và làm giảm khả năng chịu lực của hệ thống kết cấu. Bên cạnh đó, các kết cấu cũ không còn đáp ứng được nhu cầu tải trọng ngày càng lớn, và không thỏa mãn các tiêu chuẩn mới đòi hỏi tính an toàn cao hơn. Thực tế đó đòi hỏi phải có các giải pháp sửa chữa, gia cường công trình BTCT bằng các vật liệu có tính năng ưu việt, phù hợp với hoàn cảnh nước ta. Nhiều công nghệ sửa chữa, tăng cường kết cấu BTCT đã được ứng dụng ở Việt Nam, bao gồm: công nghệ bọc “áo” BTCT (reinforced concrete jacket), dán bản thép ngoài, dự ứng lực ngoài, dán bằng vật liệu polymer cốt sợi FRP (fiber reinforced polymer) v.v. Các công nghệ này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong khoảng 10 năm gần đây, FRP đã được sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới do tính phù hợp đặc biệt của nó đối với công tác sửa chữa, tăng cường. Lợi thế của vật liệu FRP dựa trên các đặc tính cơ bản là có trọng lượng nhỏ, cường độ cao, không gỉ, không dẫn điện, không nhiễm từ, có tính linh hoạt cao trong sử dụng. Tuy nhiên, FRP cũng có một số nhược điểm, có thể dẫn đến hư hại nghiêm trọng khi sử dụng không hợp lý trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Vật liệu nền bằng polymer có độ bền môi trường không cao, đặc biệt là dễ bị suy thoái dưới tác động nhiệt độ cao cũng như các tia năng lượng cao như tia tử ngoại, tia gamma, v.v. trong ánh sáng mặt trời. Các nhược điểm này hầu hết đều liên quan đến lớp chất nền bằng epoxy được sử dụng để liên kết và phân phối lực giữa các sợi cũng như giữa vật liệu tăng cường và kết cấu. Việc thay thế chất nền epoxy này bằng bê tông hạt mịn là một giải pháp hiệu quả để cải thiện các nhược điểm này của vật liệu composite. Dạng vật liệu mới này được đặt tên là “bê tông cốt lưới dệt” (Textile Reinforced Concrete, TRC) [20], “vữa cốt lưới dệt” (Textile Reinforced Mortar, TRM) [61], và “hỗn hợp xi măng cốt lưới dệt” (Fabric Reinforced Cementitious Matrix, FRCM) [12]. Trong luận án này, thuật ngữ bê tông cốt lưới dệt (TRC) 1
sẽ được sử dụng. Bê tông cốt lưới dệt (TRC) là một loại vật liệu được cấu thành từ hai thành phần chính là lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn. Lưới sợi dệt được làm từ những sợi nhỏ, thường có nguồn gốc từ vật liệu phi kim loại, được bó lại thành các bó nhỏ. Sau đó, các bó sợi được dệt thành tấm lưới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế thép làm cốt. Các loại vật liệu sử dụng làm lưới sợi dệt phổ biến trên thị trường hiện nay như sợi các bon, sợi thủy tinh, sợi bazan v.v. có nhiều ưu điểm như: cường độ cao, trọng lượng nhẹ và rất bền vững với môi trường. Thành phần chính thứ hai của TRC là hỗn hợp bê tông hạt mịn với kích thước cốt liệu thường nhỏ hơn 1 mm để đảm bảo dính bám tốt với lưới sợi dệt [20]. Hiện nay, đã có một số nghiên cứu nghiên cứu về ứng dụng TRC trong việc tăng cường, sửa chữa kết cấu cũ ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Đức, Pháp, Thụy Điển v.v. Các kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy, bê tông cốt lưới dệt rất phù hợp cho việc sửa chữa, tăng cường các kết cấu BTCT, đặc biệt là các công trình yêu cầu cao về chống ăn mòn, hoặc sử dụng trong môi trường khắc nghiệt ([20], [12], [69]). TRC có giá thành rẻ, dễ dàng thi công theo phương pháp “trát”, khả năng chịu lửa cao, tương thích với các vật liệu nền như bề mặt bê tông, có thể ứng dụng ở những bề mặt ẩm ướt hoặc khu vực có nhiệt độ thấp. TRC có thể sử dụng để tăng cường hiệu quả các kết cấu BTCT chịu uốn, cắt, nén và xoắn [48]. Thực trạng kỹ thuật hiện nay cho thấy, TRC là loại vật liệu mới, việc chế tạo và khai thác TRC đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển để hoàn thiện. Tính an toàn, đặc biệt là tính độ bền lâu dài, và hiệu quả của vật liệu này cần được tiếp tục được nghiên cứu đánh giá dựa trên các nghiên cứu cơ bản cũng như nghiên cứu ứng dụng. Hiện nay, trên toàn thế giới, mới chỉ có một số phiên bản đơn giản về chỉ dẫn kỹ thuật hướng dẫn tính toán thiết kế tăng cường kết cấu BTCT bằng TRC. Hầu hết các nghiên cứu và các chỉ dẫn kỹ thuật hiện nay cũng chưa xét đến những vấn đề gặp phải trong thực tế thiết kế như việc áp dụng TRC để tăng cường khi kết cấu đang chịu lực. Ở Việt Nam, TRC là một dạng vật liệu hoàn toàn mới và, cho đến khi luận án này được thực hiện, chưa có nghiên cứu nào về vật liệu này được triển khai. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng TRC để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT ở Việt Nam là một hướng đi mới cần được thực hiện. 2. Mục đích nghiên cứu Nhằm mục đích ứng dụng TRC để tăng cường các kết cấu BTCT một cách an toàn và 2
tin cậy trong điều kiện vật liệu ở Việt Nam, cần phải thực hiện một số nghiên cứu ở cả cấp độ vật liệu và cấp độ kết cấu, bao gồm: (a) Xây dựng được mô hình tính toán xác định toàn bộ quá trình làm việc của kết cấu dầm BTCT được tăng cường khả năng chịu lực bằng TRC, có xét đến trạng thái đang chịu lực của dầm khi được tăng cường. (b) Xác định được một số tính chất cơ học quan trọng của bê tông cốt lưới dệt với bê tông được sản xuất ở Việt Nam. Kiểm chứng được bằng thực nghiệm các mô hình tính toán đã đề xuất về việc tăng cường sức kháng uốn và sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng TRC. (c) Nghiên cứu xác định các tham số ảnh hưởng đến ứng xử tổng thể của kết cấu dầm được tăng cường dựa trên các mô hình mô phỏng số. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là ứng xử chịu uốn và chịu cắt của dầm dạng giản đơn bằng BTCT được tăng cường bê tông cốt lưới dệt. Phạm vi nghiên cứu của luận án là: - Kết cấu dầm chịu tải trọng tĩnh. - Bê tông hạt mịn có cường độ chịu nén đến 60 MPa. - Lưới sợi dệt loại các bon có độ mịn 1600 tex, cường độ chịu kéo đến 3000 MPa. - Phương pháp tăng cường là trát thủ công TRC lên mặt ngoài của kết cấu. 4. Phương pháp nghiên cứu Việc nghiên cứu được thực hiện dựa trên 3 phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số. Phần nghiên cứu lý thuyết được thực hiện trên cơ sở kế thừa, tổng hợp và phân tích các nghiên cứu ở trong nước và nước ngoài về bê tông cốt lưới dệt để xác định phương pháp tính toán và xây dựng mô hình tính. Phần nghiên cứu thực nghiệm có mục tiêu xác định một số ứng xử chịu lực của vật liệu và kết cấu sử dụng TRC, qua đó, giúp cho nghiên cứu lý thuyết khái quát hoá quá trình làm việc của kết cấu và đề ra các phương pháp thiết kế thích hợp. Nghiên cứu thực nghiệm cũng có vai trò kiểm nghiệm, đánh giá mức độ chính xác của các mô hình tính được đề xuất trong nghiên cứu lý thuyết. Luận án từng bước thực hiện các mục tiêu đặt ra theo sơ đồ tiếp cận như sau: 3
Tổng quan tình hình nghiên cứu ở nước ngoài về vật liệu TRC, 1 bao gồm các đặc tính cơ học quan trọng và ứng xử chịu lực của kết cấu dầm được tăng cường bằng TRC. Xây dựng mô hình xác định ứng xử chịu uốn, chịu cắt của dầm 2 BTCT được tăng cường bằng TRC, có xét đến kết cấu dầm đang chịu lực trước khi tăng cường. Thí nghiệm vật lý xác định tính chất cơ bản của vật liệu và ứng 3 xử của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC, nhằm kiểm chứng các mô hình tính đã được đề xuất. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho các dầm đã được thí 4 nghiệm vật lý, kiểm chứng với kết quả thí nghiệm Nghiên cứu khảo sát ứng xử của cấu kiện được tăng cường với 5 một số tham số khác nhau, dựa trên mô hình phần tử hữu hạn đã được kiểm chứng 5. Cấu trúc của luận án Nội dung của luận án bao gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu và phần kết luận, kiến nghị: - Phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. - Chương 1 tổng hợp và phân tích các nghiên cứu đã được thực hiện ở nước ngoài về một số đặc tính cơ học quan trọng của TRC nhằm khai thác hợp lý vật liệu này để tăng cường kết cấu dầm BTCT. Đồng thời, chương này cũng tổng hợp các mô hình tính toán đã được nghiên cứu, từ đó chỉ ra những vấn đề cần được giải quyết trong luận án này.. - Chương 2 trình bày việc xây dựng các mô hình tính toán xác định ứng xử chịu uốn cho dầm BTCT được tăng cường bằng TRC. Các mô hình tính này có thể áp dụng được với dầm BTCT được tăng cường trước khi chịu tải cũng như dầm được tăng cường trong quá trình chịu tải. Đồng thời, chương 2 cũng sẽ giới thiệu mô hình thiết kế tăng cường sức kháng uốn và sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng TRC mới được phát triển trong luận án. - Chương 3: trình bày nghiên cứu thực nghiệm với hai nội dung chính là: (a) xác định một số đặc tính cơ học quan trọng của bê tông cốt lưới dệt bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, ứng xử dính bám giữa lưới sợi các 4
bon với bê tông hạt mịn; ứng xử dính bám giữa TRC với bê tông thường. Các tính chất cơ học này sẽ được áp dụng vào mô hình tính toán đã đề xuất. (b) xác định bằng thực nghiệm ứng xử chịu uốn và chịu cắt của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC, kiểm chứng lại các mô hình tính toán đã xây dựng ở Chương 2. - Chương 4 xây dựng các mô hình mô phỏng bằng phần mềm phần tử hữu hạn nhằm phân tích chi tiết ứng xử chịu uốn và chịu cắt của các dầm BTCT được tăng cường bằng TRC. Dựa trên các mô hình mô phỏng đã được kiếm chứng với kết quả thí nghiệm, một số tham số như: hàm lượng cốt lưới dệt, hàm lượng cốt thép dọc, cường độ chịu nén của bê tông dầm sẽ được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng của các tham số này đến ứng xử tổng thể của kết cấu dầm được tăng cường bằng TRC. - Phần kết luận và kiến nghị trình bày các kết luận chính của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. 6. Đóng góp mới về khoa học - Luận án đã xây dựng được hai mô hình tính toán xác định toàn bộ quá trình làm việc của kết cấu dầm được tăng cường sức kháng uốn bằng TRC, với việc coi TRC là một vật liệu composite, có xét đến quá trình hình thành và phát triển vết nứt cũng như sự làm việc của bê tông hạt mịn giữa các vết nứt. Trong mô hình đầu tiên, dầm BTCT được tăng cường khi chưa chịu lực (một dạng kết cấu lai). Trong mô hình thứ hai, dầm BTCT được xem xét ở trạng thái đang chịu lực (có thể đã bị nứt hoặc chưa bị nứt), tải trọng được duy trì trong quá trình tăng cường bằng TRC. Sau đó, dầm được gia tải đến khi phá hoại. Mô hình tính toán này phù hợp với thực tế tăng cường, sửa chữa kết cấu. - Luận án đã đề xuất được mô hình thiết kế sức kháng uốn và sức kháng cắt của kết cấu BTCT được tăng cường bằng TRC, dựa trên các tiêu chuẩn phổ biến ở Việt Nam. Các mô hình tính này có thể áp dụng cho không chỉ kết cấu được tăng cường mà còn với các kết cấu lai (hybrid) giữa bê tông cốt thép và TRC. - Luận án đã cung cấp được một bộ dữ liệu thực nghiệm về: tính chất cơ học của bê tông hạt mịn được sản xuất ở Việt Nam; tính chất cơ học của TRC với bê tông hạt mịn được sản xuất ở Việt nam kết hợp với lưới sợi dệt của Đức; ứng xử và khả năng chịu uốn, chịu cắt của kết cấu dầm được tăng cường bằng TRC. TRC là loại vật liệu lần đầu tiên được nghiên cứu ở Việt Nam và cũng là vật liệu mới trên thế giới. Các tiêu chuẩn thiết 5