Luận án tiến sĩ kỹ thuật gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite ứng dụng thủy lợi - Nguyễn Chí Thanh

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả ghi trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Chí Thanh ii LỜI CẢM ƠN Với tất cả tình cảm của mình, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới GS.TS Lê Mạnh Hùng, GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Cở sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Thủy Công đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và hoàn thành luận án.

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã chia sẻ, động viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án này. Hà nội, ngày tháng năm 2017 Nguyễn Chí Thanh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. Cách tiếp cận. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Những đóng góp mới của luận án. Bố cục của luận án .6 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM COMPOSITE .1 Hiện trạng hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi ở Việt Nam .2 Một số phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép .1 Tóm tắt về một số phương pháp gia cường kết cấu .2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấm composite .3 Vật liệu composite dùng trong gia cường .1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite .2 Đặc tính vật lý của vật liệu composite .3 Đặc tính cơ học .4 Ứng xử theo thời gian của kết cấu sau gia cường .4 Các dạng phá hoại chính của kết cấu sau gia cường bằng phương pháp dán lớp vật liệu composite .3Tình hình nghiên cứu về gia cường kết cấu BTCT bằng tấmcomposite .1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước .3Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu gia cường KCBTCT bằng tấmcomposite .4 Các vấn đề nghiên cứu .28 iv Kết luận chương 1 .32 Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE .1 Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu tải trọng. Ứng xử của vật liệu bê tông .2 Ứng xử của vật liệu thép .3 Liên kết giữa bê tông và cốt thép .2 Tính toán kết cấu BTCT bằng phương pháp số .1 Cơ sở khoa học .2 Phương pháp phân tích PTHH .1 Giới thiệu chung .2Mô hình hóa PTHH .3 Ứng dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu BTCT.1 Một số phần mềm ứng dụng điển hình .2 Lựa chọn phần mềm mô phỏng.3 Mô hình PTHH với phần mềm ATENA .4 Kiểm định kết quả tính toán bằng phần mềm ATENA .3 Kết cấu dầm chịu tải trọng phân bố .4 Kết cấu dầm kích thước lớn chịu tải trọng tập trung .5 Ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite .58 Kết luận chương 2 .58 Chương3: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE .1Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite theo phương pháp thực nghiệm .1 Giới thiệu chung .2 Thí nghiệm xác định ứng xử của dầm chịu uốn .1 Mục tiêu và các tham số trong thí nghiệm .2 Mẫu thí nghiệm - Kích thước và vật liệu. Kết quả thí nghiệm và thảo luận.

Thí nghiệm xác định ứng xử của tấm chịu uốn. Mục tiêu của thí nghiệm và các tham số. Mẫu thí nghiệm - Kích thước và vật liệu. Thực hiện thí nghiệm.

Kết quả thí nghiệm .4 Kết luận phần nghiên cứu thực nghiệm .2 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép gia cường bằng tấmcomposite theo phương pháp số .1Kết cấu dầm .2 Kết cấu bản .3 Xây dựng công thức tính toán sức kháng cắt của kết cấu bê tông cốt thép gia cường chịu uốn .1 Sơ lược về sức kháng cắt .2 Đề xuất công thức tính toán mới về sức kháng cắt cấu kiện bê tông cốt thép.4 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của kết cấu được gia cường bằng tấm composite .1Giới thiệu chung .2 Các tham số ảnh hưởng tới sức chịu tải của hệ kết cấu gia cường .1Ảnh hưởng của mức độ gia cường .2Ảnh hưởng của cường độ bê tông .3Ảnh hưởng của hàm lượng của cốt thép chịu lực .4Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ .5Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu chịu cắt của kết cấu được gia cường chịu uốn bằng tấm composite .106 Kết luận chương 3 .109 vi Chương 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ .1 Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc của CTTL .2 Quy trình tính toán gia cường KC BTCT bằng tấm composite cho CTTL.3 Công trình cống Liệt Sơn .1 Hiện trạng về công trình cống Liệt Sơn .2 Tính toán gia cường kết cấu cống .1 Mô hình vật liệu .2 Mô hình tải trọng.3 Mô hình hóa hình học kết cấu .3 Kết quả tính toán .1 Kết cấu trước khi gia cường .2 Kết cấu sau khi gia cường .3 Khảo sát các tham số .4 Đánh giá sức chịu tải của kết cấu sau khi gia cường .4 Công trình cầu máng .1 Sơ lược về kết cấu cầu máng và trình tự thi công .2 Tính toán kết cấu theo giai đoạn thi công .3 Tính toán gia cường cho dầm chính cầu máng .134 Kết luận chương 4 .137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.143 TÀI LIỆU THAM KHẢO .153 Phụ lục A: Kết quả thí nghiệm của nghiên cứu sinh .153 Phụ lục B: Tổng kết ngân hàng dữ liệu thí nghiệm từ các tài liệu tham khảo .164 Phụ lục C: Kết quả tính toán gia cường kết cấu bằng tấm composite .168 vii DANH MỤC CÁC ĐỊNH NGHĨA, KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 1. Một số định nghĩa Sức kháng Là khả năng chịu lực lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu dưới tác dụng của tải trọng cơ học Sức kháng uốn Là khả năng chịu mô men uốn lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu Sức kháng cắt Là khả năng chịu cắt lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu Composite Là vật liệu chịu lực được tạo bởi một hỗn hợp các vật liệu chịu lực cơ bản. Theo đó, cũng có thể hiểu bê tông là một loại vật liệu composite khi xét kỹ lưỡng từng thành phần cấu tạo như đá, xi măng, cát, nước và các hạn mịn cũng như các loại vật liệu tạo phụ gia khác Tấm composite Trong luận án này, tấm composite được hiểu là loại vật liệu tổng hợp từ vật liệu phi kim cường độ cao như sợi các-bon, sợi thủy tinh, sợi aramid và keo dính cũng như vữa kết nối đặc biệt Sợi trực hướng Khi sử dụng tấm composite được tạo bởi lưới sợi vật liệu được đan vuông góc với nhau với mục đích tạo khả năng chịu lực theo hai phương thì được gọi là sợi trực hướng Gia cường Là việc sử dụng các giải pháp về mặt kết cấu nhằm duy trì hoặc nâng cao sức kháng của kết cấu theo một yêu cầu được đặt ra Mức độ gia Là mức độ yêu cầu của việc gia cường. Ví dụ, gia cường để làm cường tăng khả năng chịu lực của kết cấu thêm 50%, gia cường để đảm bảo bề rộng vết nứt nhỏ hơn 30%, gia cường để độ võng được giảm đi 70% dưới tác động của tải trọng,… Ứng xử của kết Là tập hợp các phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng cấu hoặc tác động.

Nó thường được thể hiện thông qua sự phân bố ứng suất-biến dạng, chuyển vị, phản lực, vết nứt,. theo các trạng thái chịu lực. viii Phá hoại uốn Là phá hoại trong kết cấu bê tông cốt thép do tác động của mô men uốn là chủ đạo, ở đây có hai trường hợp phá hoại điển hình: phá hoại xảy ra khi cốt thép bị kéo chảy vượt quá giá trị biến dạng giới hạn (khoảng 25% hoặc 50% tùy theo loại cốt thép); hoặc bê tông vùng nén bị nén quá giá trị biến dạng nén giới hạn (khoảng -3,5%). Phá hoại cắt Đối với kết cấu bê tông, phá hoại cắt xảy ra sau khi các vết nứt xiên phát triển tới một trạng thái giới hạn.

Các vết nứt xiên này hình thành do mô men uốn lớn tác động hơn mô men uốn gây nứt và lực cắt có giá trị lớn. Nói chung, phá hoại cắt thường gây ra do cả lực cắt và mô men uốn, nên cũng có thể gọi là phá hoại cắt uốn kết hợp Mô phỏng kết Là việc sử dụng các phương pháp phân tích tính toán kết cấu để tạo cấu dựng lại các trạng thái chịu lực của kết cấu theo các giai đoạn tác động của tải trọng hoặc thời gian. Trong luận án này, mô phỏng kết cấu được hiểu là việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán, phân tích các trạng thái ứng suất, biến dạng cũng như các vấn đề cơ học nhằm lý giải ứng xử của kết cấu một cách đầy đủ, rõ ràng và thuyết phục. Hàm lượng cốt Là hàm lượng cốt thép trong kết cấu bê tông thực sự tham gia vào thép có hiệu việc chịu lực được xem xét nào đó.

Ví dụ, nó bao gồm cốt thép dọc đã có trong kết cấu và tấm composite được gia cường. Trạng thái giới Là trạng thái mà kết cấu có đại lượng nghiên cứu đạt tới giá trị giới hạn hạn được giả định trước. Trạng thái giới Là trạng thái mà sức kháng của kết cấu đạt tới giá trị lớn nhất hạn cường độ Trạng thái giới Là trạng thái mà biến dạng, bề rộng vết nứt,. của kết cấu đạt tới hạn sử dụng giá trị qui định trước ix 2.

Chữ viết tắt ABAQUS Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty Simulink phát triển AFRP Aramid Fiber Reinforced Polymer ASTM American Society for Testing and Materials, hiệp hội Mỹ về thí nghiệm và vật liệu ATENA Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty Cervenka phát triển, được dùng trong luận án ATENA 2D Chương trình phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng cho phần tử phẳng do công ty Cervenka phát triển ATENA 3D Chương trình phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng cho phần tử không gian do công ty Cervenka phát triển BTCT Bê tông cốt thép CFRP Các bon Fiber Reinforced Polymer CTTL Công trình thủy lợi DIANA Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty DIANA phát triển FRP Fiber Reinforced Polymer GFRP Grass Fiber Reinforced Polymer PTHH Phần tử hữu hạn 3.