Đề tài Độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP)

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Ngô Thanh Thủy ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của các thầy, cô Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, tôi đã hoàn thành luận án Tiến sĩ Kỹ thuật “Độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP)”; Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Công Trình - Bộ môn Cầu hầm - Trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Phòng Thí Nghiệm Kết cấu công trình- Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, toàn thể quý thầy cô và các cán bộ quản lý đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này; Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Đức Nhiệm, PGS.TS Nguyễn Ngọc Long đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài, hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn. Hà Nội, ngày 14 tháng 03 năm 2015 Tác giả Ngô Thanh Thủy iii MỤC LỤC Lời cam đoan .......................................................................................................... i Lời cảm ơn .............................................................................................................ii Mục lục ................................................................................................................. iii Danh mục hình ảnh .............................................................................................. vi Danh mục bảng biểu ............................................................................................. ix Các chữ viết tắt ..................................................................................................... xi Các ký hiệu .........................................................................................................xiii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CÓ SỬ DỤNG FRP ...................................................................................................... 5 1.1. Sơ lược lịch sử ứng dụng FRP trong sửa chữa tăng cường kết cấu ................ 5 1.2. Các đặc tính cơ bản của FRP ........................................................................ 8 1.2.1. Các tính chất vật lý của vật liệu polymer cốt sợi FRP ................................. 8 1.2.2. Cường độ chịu kéo .................................................................................... 9 1.2.3.Các tính chất dài hạn ................................................................................... 9 1.2.4. Độ bền ..................................................................................................... 10 1.3. Các ứng dụng của FRP ............................................................................... 10 1.3.1. FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu .......................................................... 10 1.3.2. FRP làm cốt cho bê tông .......................................................................... 12 1.3.3. FRP làm kết cấu chịu lực chính ................................................................ 14 1.4. Các Hướng dẫn hiện hành cho thiết kế kết cấu có sử dụng FRP .................. 15 1.4.1. Các hướng dẫn thiết kế mặt cắt BTCT tăng cường bằng tấm sợi FRP ...... 16 1.5. Độ tin cậy của kết cấu công trình ................................................................ 19 1.5.1. Khái niệm độ tin cậy 1.5.2. Cơ sở đánh giá độ tin cậy chịu uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi carbon .......................................................................................... 20 1.5.3. Chỉ số độ tin cậy ..................................................................................... 24 1.5.4. Phương pháp phân tích đặc trưng thống kê .............................................. 28 1.6. Phân tích, đánh giá một số công trình nghiên cứu liên quan ........................ 31 1.8. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................... 38 1.9. Nội dung và phương pháp nghiên cứu ......................................................... 39 iv Kết luận chương 1 ................................................................................................. 43 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY  CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG CFRP TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH SỨC KHÁNG THEO ACI 440.2R-08 .......................................................................... 41 2.1.Các tính chất thống kê của đặc trưng hình học và vật liệu ................................ 41 2.2. Miền nghiên cứu của sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP ........................................................................................................... 44 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP ............................................................................................................ 44 2.4. Mô hình tải trọng ............................................................................................ 47 2.5. Phân tích chỉ số độ tin cậy .............................................................................. 48 2.5.1. Xây dựng hàm trạng thái .......................................................................... 48 2.5.2. Xây dựng chương trình phân tích chỉ số độ tin cậy β của dầm BTCT được tăng cường bằng CFRP ............................................................................. 49 2.5.3. Kết quả phân tích và nhận xét................................................................... 59 2.6. Kết quả chương 2 ........................................................................................... 78 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM BTCT CHỊU UỐN ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON ........ 80 3.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ................................................................... 80 3.2. Địa điểm thực nghiệm ..................................................................................... 80 3.3. Các thí nghiệm vật liệu ................................................................................... 81 3.3.1. Thí nghiệm Bê tông .................................................................................. 81 3.3.2. Thí nghiệm cốt thép ................................................................................. 84 3.3.2. Thí nghiệm kéo tấm FRP .......................................................................... 85 3.4. Các đặc trưng hình học của mẫu dầm thí nghiệm ............................................ 86 3.5. Tiến hành thí nghiệm ...................................................................................... 88 3.5.1. Chuẩn bị bề mặt bê tông và tấm CFRP ..................................................... 88 3.5.2. Dán tấm CFRP ......................................................................................... 88 3.5.3. Bố trí thiết bị đo đạc ................................................................................. 89 3.5.4. Quy trình thí nghiệm ................................................................................ 89 3.5.5. Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 90 v 3.6. Nhận xét về kết quả nghiên cứu thực nghiệm dầm BTCT tăng cường bằng tấm sợi carbon ................................................................................................. 100 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM CẦU TRẦN HƯNG ĐẠO CHỊU UỐN ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CARBON ................................................................................................... 102 4.1. Mục tiêu của thực nghiệm cầu Trần Hưng Đạo ............................................. 102 4.2. Địa điểm thực nghiệm ................................................................................... 102 4.3. Hiện trạng công trình trước sửa chữa nâng cấp ............................................ 103 4.4. Sửa chữa nâng cấp ........................................................................................ 104 4.5. Kiểm định sau khi sửa chữa nâng cấp .......................................................... 104 4.6. Xác định các thông số tính toán mặt cắt giữa nhịp ........................................ 105 4.6.1. Kích thước hình học của mặt cắt ............................................................ 105 4.6.2. FRP ........................................................................................................ 110 4.6.3. Vật liệu bê tông ...................................................................................... 111 4.6.4. Vật liệu thép ........................................................................................... 113 4.6.5. Hoạt tải .................................................................................................. 114 4.6.6. Tĩnh tải ................................................................................................... 116 4.7. Tính toán và phân tích độ tin cậy chịu uốn cho mặt cắt giữa nhịp ................. 116 4.8. Kết luận về nghiên cứu ứng dụng đối với cầu Trần Hưng Đạo ...................... 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 125 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1. Đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của các loại FRP .................... 9 Hình 1-2. Đường cong tuổi thọ mỏi của các loại FRP với các loại sợi khác nhau .. 10 Hình 1-3. FRP sửa chữa – tăng cường kết cấu ....................................................... 11 Hình 1-4. FRP làm cốt cho bê tông ........................................................................ 12 Hình 1-5. FRP dạng thanh hoặc bó dự ứng lực ...................................................... 13 Hình 1-6. FRP dạng ván khuôn giữ lại trong kết cấu.............................................. 13 Hình 1-7. FRP làm kết cấu chịu lực chính ............................................................. 14 Hình 1-8. Kiểu phá hoại theo ACI 440.2R-08 ........................................................ 19 Hình 1-9. Biểu đồ các hàm phân phối xác suất của sức kháng R, hiệu ứng tải S và lượng dự trữ an toàn G................................................................24 Hình 2-1.Sơ đồ khối chương trình ......................................................................... 51 Hình 2-2. Khối CI .................................................................................................. 52 Hình 2-3. Khối CIIa ............................................................................................... 53 Hình 2-4. Khối CIIb .............................................................................................. 54 Hình 2-5. Khối CIII ............................................................................................... 55 Hình 2-6. Khối CIV ............................................................................................... 56 Hình 2-7. Giao diện Nhập các số liệu thông số bê tông .......................................... 57 Hình 2-8. Giao diện Nhập các số liệu thông số FRP .............................................. 57 Hình 2-9. Giao diện Nhập các số liệu thông số thép ............................................... 58 Hình 2-10. Giao diện Nhập các số liệu đặc trưng hình học .................................... 58 Hình 2-11. Giao diện Nhập các số liệu tải trọng .................................................... 59 Hình 2-12. Giao diện Tính toán chỉ số độ tin cậy β ................................................ 59 Hình 2-13. Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β .......................................... 61 Hình 2-14. Các trường hợp ứng suất sử dụng trong cốt thép không đạt yêu cầu .... 61 Hình 2-15. Phân bố xác suất dạng đồ thị và dạng cột của mặt cắt 6........................62 Hình 2-16. Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β0 . 64 Hình 2-17. Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρs/ρbl và ML/MD ................................................................................................ 65 Hình 2-18. Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρs/ρbl và ML/MD .............................................................. 67 Hình 2-19. Các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρs/ρbl và MPH ................................................................................................... 70 vii Hình 2-20. Độ tin cậy trung bình của các bài toán nằm trong miền nghiên cứu β với các biến ρs/ρbl và MPH .............................................................. 67 Hình 2-21. So sánh β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD .......................... 68 Hình 2-22. Sự khác biệt ∆β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD ................ 69 Hình 2-23. Sự khác biệt ∆ĐTC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD ........... 69 Hình 2-24. Sự khác biệt ∆βψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến ML/MD và ρs/ρbl ......... 70 Hình 2-25. Xác suất xuất hiện giá trị β > 3.5 với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 ................ 70 Hình 2-26. Khác biệt xác suất xuất hiện giá trị β>3.5 với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 .. 71 Hình 2-27. So sánh β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến MPH ............................. 72 Hình 2-28. So sánh β trung bình vớiψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến MPH ............. 72 Hình 2-29. So sánh β với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP ............ 73 Hình 2-30. So sánh β trung bình vớiψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP .................................................................................................... 73 Hình 2-31. So sánh %TC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP (MC 1-8) ............................................................................................ 75 Hình 2-32. So sánh %TC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP (MC 9-16) .......................................................................................... 76 Hình 2-33. Sự khác biệt %TC với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP .................................................................................................... 76 Hình 2-34. Sự khác biệt %TC đơn vị với ψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP(ρf) (MC 1-8) ..................................................................... 77 Hình 2-35. Sự khác biệt %TC đơn vị vớiψf = 0.85 và ψf = 0.90 với biến hàm lượng FRP(MC 9-16) ......................................................................... 77 Hình 3-1. Cấu tạo dầm ........................................................................................... 87 Hình 3-2a. Chuẩn bị bề mặt bê tông và tấm CFRP ................................................. 88 Hình 3-2b. Dán tấm FRP ở đáy dầm ...................................................................... 89 Hình 3-3. Thí nghiệm dầm RC21 ........................................................................... 90 Hình 3-4. Thí nghiệm dầm S21-1 .......................................................................... 91 Hình 3-5. Thí nghiệm dầm S21-2 .......................................................................... 92 Hình 3-6. Thí nghiệm dầm S21-3 .......................................................................... 94 Hình 3-7. Thí nghiệm dầm RC25 ........................................................................... 94 Hình 3-8. Thí nghiệm dầm S25-1 .......................................................................... 95 Hình 3-9. Thí nghiệm dầm S25-2 .......................................................................... 96 viii Hình 3-10. Thí nghiệm dầm S25-3 ........................................................................ 97 Hình 3-11: Quan hệ lực - độ võng của các dầm thí nghiệm .................................... 97 Hình 3-12. Quan hệ lực (P)- biến dạng tấm CFRP (εf) và biến dạng bê tông (εc) của nhóm 1. ........................................................................................ 98 Hình 3-13. Quan hệ lực (P)- biến dạng tấm CFRP (εf) và biến dạng bê tông (εc) của nhóm 2. ........................................................................................ 99 Hình 4-1. Mặt cắt ngang cầu Trần Hưng Đạo. ..................................................... 103 Hình 4-2. Mặt cắt ngang dầm chủ cầu Trần Hưng Đạo. ....................................... 106 Hình 4-3. Dạng phân bố của bề rộng B2+2a của 11 mặt cắt dầm ......................... 107 Hình 4-4. Dạng phân bố của chiều cao H2 của 11 mặt cắt dầm ............................ 107 Hình 4-5. Dạng phân bố của cường độ chịu kéo FRP ........................................... 111 Hình 4-6. Dạng phân bố của biến dạng tương đối cực hạn FRP ........................... 111 Hình 4-7. Dạng phân bố của cường độ chịu nén bê tông mẫu khoan. ................... 112 Hình 4-8. Dạng phân bố của cường độ chảy của cốt thép D25 chịu kéo ............... 114 Hình 4-9. Chỉ số độ tin cậy cho cầu Trần Hưng Đạo ............................................ 117 Hình 4-10. Độ tăng chỉ số độ tin cậy sau sửa chữa tăng cường ............................ 117 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Khối lượng riêng của FRP ............................................................ 8 Bảng 1-2. Hệ số giãn nở vì nhiệt của FRP, bê tông và thép ........................... 8 Bảng 1-3. So sánh các Hướng dẫn thiết kế ................................................... 16 Bảng 1-4. Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT theo Nowak .................................. 25 Bảng 1-5. Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT theo EC (Annex B2) ...................... 25 Bảng 1-6. Chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT chi tiết cho RC2 theo EC (Annex C2) ................................................................................................ 26 Bảng 1-7. Khoảng tin cậy p .......................................................................... 29 Bảng 2-1. Các tham số thống kê của cường độ chịu nén bê tông ' c f ............. 42 Bảng 2-2. Các tham số thống kê của cường độ chảy cốt thép chịu kéo fy ..... 43 Bảng 2-3. Các tham số thống kê cường độ chịu kéo *fuf của tấm CFRP .......... 44 Bảng 2-4. Các tham số thống kê biến dạng tương đối cực hạn *fuε của tấm CFRP......................................................................................... 44 Bảng 2-5. Các thông số đặc trưng hình học và vật liệu được chọn ................ 45 Bảng 2-6. Bảng các giá trị ảnh hưởng của phương pháp phân tích P ............ 47 Bảng 2-7. Các tham số thống kê của tĩnh tải ................................................. 47 Bảng 2-8. Các tham số thống kê của hoạt tải ................................................ 48 Bảng 2.9. Thông số các mặt cắt kiểm tra Phân bố của mô men kháng .......... 62 Bảng 2.10. Kết quả tính toán theo Phương pháp Shapiro-Wilk ..................... 63 Bảng 2-11. Các mặt cắt đại diện từ MC1 đến MC16 .................................... 74 Bảng 3-1. Danh mục thiết bị thí nghiệm ....................................................... 81 Bảng 3-2. Kết quả nén các mẫu bê tông nhóm C25 ...................................... 82 Bảng 3-3. Kết quả nén các mẫu bê tông nhóm C21 ...................................... 83 Bảng 3-4. Kiểm tra cường độ bê tông theo Sapiro-Wilk ............................... 83 Bảng 3-5a. Kết