Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp cầu BTCT DUL dầm I : bao gồm bảng excel tính toán dầm , mố , trụ , bản vẽ , thuyết minh ,slide, nghiên cứu tăng khả năng chịu lực của dầm bằng vật liệu FRP.Đồ án tốt nghiệp cầu BTCT DUL dầm I : bao gồm bảng excel tính toán dầm , mố , trụ , bản vẽ , thuyết minh ,slide , nghiên cứu tăng khả năng chịu lực của dầm bằng vật liệu FRP.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG 1.1 Điều kiện tự nhiên vị trí xây cầu 1.1.1 Điều kiện địa chất .7 1.1.2 Điều kiện thủy văn .7 1.2 Cơ sở tính toán 1.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế .7 1.2.2 Tiểu chuẩn vật liệu .7 Thông số vật liệu bê tông lấy theo bảng sau: 1.3 Đặc trưng kết cấu 1.3.1 Kết cấu phần 1.3.1 Kết cấu phần 1.4 Các hệ số tính toán 1.4.1 Hệ số tải trọng .8 1.4.2 Hệ số xung kích 1.4.3 Hệ số 1.5 Lựa chọn sơ kích thước .9 1.5.1 Chiều dài nhịp .9 1.5.2 Xác định mặt cắt ngang cầu .9 1.5.3 Cấu tạo dầm chủ 1.5.4 Xác định bề rộng cánh có hiệu 11 1.5.5 Cấu tạo dầm ngang 11 1.5.6 Cấu tạo lan can 12 1.5.7 Đặc trưng hình học mặt cắt 12 Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.5.8 Cấu tạo mặt cắt ngang cầu .13 CHƯƠNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHỊP 14 2.1 Xác định tĩnh tải tác dụng lên dầm chủ 14 2.1.1 Trọng lượng thân dầm chủ trọng lượng dầm ngang (DC1) 14 2.1.2 Trọng lượng mặt cầu 15 2.1.3 Trọng lượng rải bê tông đúc sẵn 15 2.1.4 Trọng lượng rải lớp phủ mặt cầu tiện ích công cộng (DW1) 16 2.1.5 Trọng lượng lan can (đối với dầm biên) (DW2) 16 2.1.6 Tổng cộng tĩnh tải tác dụng lên dầm chủ 17 2.2 Hoạt tải HL 93 .17 2.3 Tính toán nội lực kết cấu nhịp .17 2.3.1 Tổ hợp nội lực theo trạng thái giới hạn cường độ (TTGHCĐ1) 18 2.3.2 Tổ hợp nội lực theo trạng thái giới hạn sử dụng (TTGH SD) 18 2.4 Tính toán bố trí cáp DƯL 20 2.4.1 Sơ chọn diện tích cáp DƯL 20 2.4.2 Đặc trưng hình học mặt cắt bố trí cáp DƯL .25 2.5 Tính toán mát ứng suất cáp DƯL 27 2.5.1 Mất mát ứng suất tức thời 28 2.5.2 Mất mát ứng suất lâu dài 33 2.5.3 Tổng hợp mát dự ứng lực 37 2.6 Kiểm toán theo trạng thái giới hạn cường độ (TTGHCĐ) 37 2.6.1 Kiểm toán cường độ chịu uốn 37 2.6.2 Kiểm tra hàm lượng cốt thép .41 2.6.3 Kiểm toán cường độ chịu cắt 42 2.7 Kiểm toán theo trạng thái giới hạn sử dụng ( TTGHSD) .50 2.7.1 Giới hạn ứng suất bê tông .50 Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.7.2 Kiểm tra độ vồng độ võng 52 CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤ CẦU 55 3.1 Cấu tạo kích thước trụ 55 3.2 Các loại tải trọng tác dụng lên trụ 56 3.2.1 Tĩnh tải 56 3.2.2 Hoạt tải (LL) .58 3.2.3 Lực hãm xe 59 3.2.4 Lực ly tâm (CE) 59 3.2.5 Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu .60 3.2.6 Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ (WL) .62 3.2.7 Tải trọng nước 62 3.2.8 Tính hệ số phân bố tải trọng K ( sử dụng tính toán xà mũ ) .64 3.3 Tổ hợp tải trọng tác dụng lên mặt cắt .64 3.3.1 Mặt cắt xà mũ 64 3.3.2 Mặt cắt đỉnh bệ 65 3.3.3 Mặt cắt đáy bệ 66 3.4 Kiểm toán mặt cắt .67 3.4.1 Kiểm toán mặt cắt xà mũ 67 3.4.2 Kiểm toán mặt cắt đỉnh bệ .73 3.4.3 Tính toán móng cọc khoan nhồi .78 3.4.4 Kiểm toán bệ cọc 86 CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỐ CẦU 89 4.1 Cấu tạo mố .89 4.2 Xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu 92 4.2.1 Tĩnh tải DC .92 4.2.2 Hoạt tải xe (LL) 94 Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2.3 Lực hãm xe (BR) 94 4.2.4 Lực ma sát (FR) 95 4.2.5 Lực ly tâm (CE) 95 4.2.6 Tải gió động tác dụng lên công trình (WS) 95 4.2.7 Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ (WL) .96 4.2.8 Tải trọng gió thẳng đứng 97 4.2.9 Nội lực trọng lượng đất đắp 97 4.2.10 Nội lực áp lực đất EH , LS 98 4.2.11 Phân tích tường cánh 100 100 4.3 Tổ hợp tải trọng 102 4.3.1 Mặt cắt đáy bệ ( mặt cắt A-A) 102 4.3.2 Mặt cắt tường thân (mặt cắt B-B) 103 4.3.3 Mặt cắt tường đỉnh ( mặt cắt C-C) 103 4.3.4 Mặt cắt tường cánh (mặt cắt F-F) 104 4.4 Kiểm toán mặt cắt 105 4.4.1 Kiểm toán mặt cắt tường thân (mặt cắt B-B) 105 4.4.2 Kiểm toán mặt cắt tường đỉnh ( mặt cắt C-C) .108 Kiểm tra cấu kiện chịu uốn .108 Kiểm tra cấu kiện chịu cắt .108 4.4.3 Kiểm toán mặt cắt tường cánh (mặt cắt F-F) 109 Kiểm tra cấu kiện chịu uốn .110 Kiểm tra cấu kiện chịu cắt .110 CHƯƠNG TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CHO DẦM BẰNG VẬT LIỆU FRP 112 5.1 Tổng quan vật liệu FRP 112 5.1.1 Polymer 112 Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.1.2 Cốt sợi .113 5.2 Các phương pháp tăng cường khả chịu lực vật liệu FRP 114 5.2.1 Phương pháp FRP nằm bên kết cấu .114 5.2.2 Phương pháp FRP dán bề mặt kết cấu 114 5.2.3 Phương pháp dán FRP gần bề mặt kết cấu .115 5.3 Nghiên cứu ứng xử dầm I BTCT DƯL tăng cường vật liệu FRP .116 5.3.1 Xây dựng mô hình 116 5.3.2 Kết tính toán 121 5.4 Kết luận kiến nghị 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Sau thời gian học tập trường Đại học Giao thông vận tải với nỗ lực thân với bảo dạy dỗ tận tình thầy cô trường nói chung thầy cô Bộ môn Kết cấu xây dựng nói riêng, em tích lũy nhiều kiến thức bổ ích trang bị cho công việc sau Đồ án tốt nghiệp kết cố gắng trình năm học tập tìm hiểu kiến thức trường, đánh giá tổng kết công tác học tập suốt thời gian qua sinh viên Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em nhận giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình cô giáo Phạm Thị Thanh Thủy thầy cô khác Bộ môn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô Do trình độ lý thuyết kinh nghiệm thực tế hạn chế nên đồ án chắn không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý, bảo thầy, cô Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 11 tháng năm 2014 Sinh viên thực Dương Tuấn Cường Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG 1.1 Điều kiện tự nhiên vị trí xây cầu 1.1.1 Điều kiện địa chất - Qua số liệu thăm dò lỗ khoan khu vực xây dựng cầu, địa chất có cấu tạo gồm bốn lớp từ xuống sau: + Lớp 1: Đất sét pha màu xám tím lẫn hữu dẻo mềm, có độ ẩm trung bình kết cấu chặt trạng thái nửa cứng, htb = (m) + Lớp 2: Đất cát pha bụi sét màu xám xanh, có độ ẩm lớn kết cấu chặt, trạng thái nửa dẻo, htb = 13 (m) + Lớp 3: Đất sét pha bụi cát màu xám nâu, có độ ẩm lớn kết cấu chặt, trạng thái cứng, htb = (m) + Lớp 4: Đất cát hạt thô màu xám vàng, có độ ẩm lớn kết cấu chặt , trạng thái cứng, htb = 21 (m) 1.1.2 Điều kiện thủy văn - Theo số liệu khảo sát nhiều năm cho thấy : + Cao độ mực nước H1% : 5,06 (m) + Cao độ mực nước H5% : 4,56 (m) + Cao độ mực nước khảo sát : 4,85 (m) 1.2 Cơ sở tính toán 1.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế - Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 Bộ GTVT 1.2.2 Tiểu chuẩn vật liệu 1.2.2.1 Bê tông - Thông số vật liệu bê tông lấy theo bảng sau: Bảng 1.1- Thông số vật liệu bê tông Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày ƒ'c Tỷ trọng bê tông γc 1.5 Mô đun đàn hồi Ec = 0, 043 × f 'c × ( γ c ) Hệ số poison μ Hệ số giãn nở nhiệt Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 Bê tông dầm Bê tông mặt cầu Đơn vị 45 30 MPa 24 24 kN/m3 33915 27691 MPa 0,3 1,17×10-5 0,3 1,17×10-5 1/độ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2.2.2 Cốt thép - Thép cường độ cao: Tao thép sợi DƯL theo tiêu chuẩn ASTM A416M + Cường độ chịu kéo: ƒpu = 1860 MPa + Cấp thép: M270 có độ trùng thấp + Giới hạn chảy cốt thép dự ứng lực: ƒpy = 1674 MPa + Mô đun đàn hồi cáp: Eps = 197000 MPa + Đường kính danh định: 15,2 (mm) + Diện tích tao cáp: 140 (mm2) - Cốt thép thường theo tiêu chuẩn ASTM A706 + Giới hạn chảy cốt thép thường: ƒy = 420 MPa + Mô đun đàn hồi: Es = 2×105 MPa 1.3 Đặc trưng kết cấu 1.3.1 Kết cấu phần - Cầu gồm nhịp giản đơn dẫn vào nhịp chính, L nh = 34,7 (m) bê tông dự ứng lực (BT DƯL), mặt cắt ngang gồm dầm chữ I với chiều cao dầm h = 1,60 (m), khoảng cách dầm chủ S = 2,1 (m) - Khổ cầu: 2×0,5 + ×3,5 (m) + Cầu thiết kế với xe bề rộng phần xe chạy: Bxe = 14 (m) + Chân lan can: bclc = 0,5 (m) + Bề rộng toàn cầu: Bcau = 14 + 2×0,5 = 15 (m) - Độ dốc dọc cầu 2%, độ dốc ngang cầu 2% - Chiều dài toàn cầu: Lc = 398,2 m 1.3.1 Kết cấu phần - Mố chữ U bê tông cốt thép, đặt móng cọc khoan nhồi đường kính D =1(m) - Trụ trụ đặc thân hẹp BTCT, đặt móng cọc khoan nhồi đường kính D =1(m) 1.4 Các hệ số tính toán 1.4.1 Hệ số tải trọng - Tĩnh tải giai đoạn I: γ1 = 1,25 - Tĩnh tải giai đoạn II: γ2 = 1,5 - Hoạt tải HL93 đoàn người: γh = 1,75 Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.4.2 Hệ số xung kích + IM = 1,25 (Chỉ tính với xe tải xe trục thiết kế) 1.4.3 Hệ số - Trong trường hợp tải trọng chiều dài nhịp L tt > 25 (m) phải xét thêm hệ số m Bảng 1.2- Bảng hệ số xe Số n >3 1.5 Lựa chọn sơ kích thước Hệ số m 1,2 1,0 0,85 0,65 1.5.1 Chiều dài nhịp - Kết cấu nhịp giản đơn có chiều dài nhịp: Lnh = 34,7 (m) 1.5.2 Xác định mặt cắt ngang cầu - Số lượng dầm chủ : dầm Khoảng cách dầm chủ : S = 2,1 (m) - Chiều rộng phần cánh hẫng: - Bcau − ( Nb − 1) × S 15 − (7 − 1) × 2,1 = = 1, 2(m) = 1200(mm) 2 Chiều dày mặt cầu : t = 200 mm Cấu tạo lớp phủ mặt cầu : + Lớp bê tông asphat dày : 70 mm + Lớp phòng nước dày : mm de = 1.5.3 Cấu tạo dầm chủ - Kích thước dọc dầm : L1 L2 H a Hình.1-1 : Cấu tạo mặt cắt dọc dầm chủ + Chiều dài đoạn mở rộng: L1 = 1500 (mm) Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Chiều dài đoạn vuốt: L2 = 700 (mm) + Khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối: a = 350 (mm) + Chiều dài nhịp tính toán: Ltt = Lnh – × a = 34700 - 2×350 = 34000 (mm) - Kích thước mặt cắt ngang dầm chủ : b4 b4 H4 H5 H6 b3 H5 H6 b3 H'4 b6 b6 H H3 b2 b5 H1 H2 b5 b1 b1 Hình.1-2 : Mặt cắt ngang dầm gối nhịp + Chiều cao bầu dưới: H1 = 250 mm + Chiều cao vút dưới: H2 = 200 mm + Chiều cao sườn dầm: H3 = 840 mm + Chiều cao vút trên: H4 = 110 mm + Chiều cao bầu trên: H5 = 120 mm + Chiều cao gờ: H6 = 80 mm + Bề rộng bầu dầm dưới: b1 = 650 mm + Bề rộng sườn dầm: b2 = 200 mm + Bề rộng phần bầu dầm phía trên: b3 = 850 mm + Bề rộng gờ (trên): b4 = 650 mm + Bề rộng vút dưới: b5 = 225 mm + Bề rộng vút trên: b6 = 325 mm => Chiều cao dầm chủ : H = 1600 (mm) Chiều cao dầm liên hợp : Hb = H + t = 1600 + 200 = 1800 (mm) Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Hệ số sức kháng: φ v = 0,9 + Diện tích cốt thép ngang : 6-D12 => Av = 427,98 mm2 + Cự ly cốt thép ngang: s = 150 mm + Hệ số khả bê tông bị nứt chéo truyền lực kéo: β = + Góc nghiêng ứng suất nén chéo: θ = 45o + Sức kháng cắt danh định ứng suất kéo bê tông: Vc = 3982 kN + Sức kháng cắt cốt thép ngang chịu cắt: Vs = 350 kN Vn = 0,25׃c×bv×dv = 32850 kN + Sức kháng cắt tính toán: Vr = 3899 kN + Lực cắt tính toán: Vu = 541 kN + Kiểm tra: Vu ≤ Vr =3899 kN => Đạt Kiểm tra nứt - Sử dụng tổ hợp trạng thái giới hạn sử dụng để tính toán - Ứng suất cốt thép chịu kéo trạng thái giới hạn sử dụng không vượt 0,6ƒy ƒsa = Z/(dc.A)1/3 ≤ 0,6ƒy + 0,6ƒy = 252 (MPa) + A = 66400 + Z = 23000 ƒsa = 154,17 (MPa) < 0,6ƒy => Đạt 4.4.3 Kiểm toán mặt cắt tường cánh (mặt cắt F-F) Dữ liệu ban đầu + Chiều rộng mặt cắt: b,bw = 7000 mm + Chiều cao mặt cắt: h = 500 mm + Chiều cao có hiệu mặt cắt: d = 442 mm + Chiều dày lớp phủ bê tông: dc = 50 mm + Cường độ thép: ƒy = 420 Mpa Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 109 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Cường độ chịu nén bê tông: ƒc = 30 Mpa + Tổ hợp dùng kiểm toán: cường độ I Kiểm tra cấu kiện chịu uốn + Hệ số sức kháng: φ = 0,9 + Diện tích thép: 35-D22 As = 13304,6 mm2 + Hàm lượng thép: ρ = 0,43 + Hệ số chuyển đổi biểu đồ ứng suất: β = 0,84 + Chiều dầy khối ứng suất tương đương: a = 31 mm + Sức kháng uốn: Mr = 2207,8 kNm + Mô men tính toán ngoại lực: Mu = 1454,2 kNm + Kiểm tra: Mu ≤ Mr = 2207,8 kNm => Đạt c + Kiểm tra lượng cốt thép tối đa: 0, 42 ≥ d = 0, 083 => Đạt e 0, 03 f c' = 0, 21 => Đạt + Kiểm tra lượng cốt thép tối thiểu: ρ ≥ fy Kiểm tra cấu kiện chịu cắt + Hệ số sức kháng: φ v = 0,9 + Diện tích cốt thép ngang : D16 => Av = 201 mm2 + Cự ly cốt thép ngang: s = 150 mm + Hệ số khả bê tông bị nứt chéo truyền lực kéo: β = + Góc nghiêng ứng suất nén chéo: θ = 45o + Sức kháng cắt danh định ứng suất kéo bê tông: Vc = 2794 kN + Sức kháng cắt cốt thép ngang chịu cắt: Vs = 247 kN Vn = 0,25׃c×bv×dv = 23048 kN + Sức kháng cắt tính toán: Vr = 2737 kN + Lực cắt tính toán: Vu = 616 kN + Kiểm tra: Kiểm tra nứt Vu ≤ Vr = 2737 kN => Đạt Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 110 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Sử dụng tổ hợp trạng thái giới hạn sử dụng để tính toán - Ứng suất cốt thép chịu kéo trạng thái giới hạn sử dụng không vượt 0,6ƒy ƒsa = Z/(dc.A)1/3 ≤ 0,6ƒy + 0,6ƒy = 252 (MPa) + A = 6000 + Z = 23000 ƒsa = 159,47 (MPa) < 0,6ƒy => Đạt Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 111 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CHO DẦM BẰNG VẬT LIỆU FRP 5.1 Tổng quan vật liệu FRP Vật liệu FRP (Fiber Reinforcement Polymer) là một dạng vật liệu composite được tạo nên từ các thành phần chính là polymer nền, các cốt sợi hoặc cốt hạt (bột) và phụ gia (phụ gia tăng tính dẻo, tính ổn định nhiệt,…) Khi cốt có dạng sợi thì được gọi là composite cốt sợi Cốt có dạng hạt được sử dụng trường hợp muốn cải thiện một số tính chất như: chịu nhiệt, chịu mài mòn và giảm co ngót cho kết cấu Như vậy, vật liệu FRP gồm có hai thành phần cấu trúc cấu trúc sợi Cấu trúc vật liệu FRP thể hình Hình 5.1 Cấu trúc vật liệu FRP 5.1.1 Polymer Trong vật liệu FRP, polymer có vai trò chất kết dính Các chức chủ yếu thành phần polymer FRP là: - Giúp truyền lực sợi riêng rẽ; - Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị mài mòn ảnh hưởng môi trường; - Kết dính sợi với nhau; - Phân bố, giữ vị trí sợi Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 112 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Polymer dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng Polyester, viny lester epoxy - Polyester Polyester có nhiều loại từ acid, glycol và monomer khác Chất dẻo Polyester có ưu điểm tính nhớt thấp; giá thành thấp; đóng rắn, Polyester rất cứng và có khả kháng hóa chất Tuy nhiên, nhược điểm Polyester độ co ngót lớn - Vinyester Vinyester có cấu trúc tương tự Polyester có ít nhóm ester Ưu điểm Vinyester có sức kháng ăn mòn tốt, cường độ chịu kéo chịu mỏi cao Ngoài ra, Vinyester có khả kháng nước tốt nên thường được dùng làm các kết cấu dẫn nước, bồn chứa, vỏ tàu thuyền Nhược điểm Vinyester có giá thành cao - Epoxy Phần lớn là Epoxy hai thành phần trộn với cốt liệu, cường độ kéo lớn 30 MPa (gấp khoảng 10 lần cường độ chịu kéo của bê tông) Chất kết dính này có độ co ngót và biến dạng mỏi thấp, sức kháng hóa học tốt và chịu được nhiệt độ cao Chất kết dính epoxy với các tính vậy thích hợp cho việc gắn kết tấm FRP với mặt ngoài kết cấu bê tông Trong thực tế, epoxy sử dụng rộng rãi Polyester Vinyester 5.1.2 Cốt sợi Sợi là thành phần chịu lực chính và chiếm thể tích nhiều nhất tấm FRP Trong FRP, chức cốt sợi chịu tải trọng, tạo cường độ, độ cứng ổn định nhiệt Do vậy, cốt sợi dùng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo yêu cầu sau: - Có mô đun đàn hồi, cường độ cao; - Sự khác biệt cường độ sợi với không lớn; - Độ ổn định cường độ cao vận chuyển; - Đường kính, kích thước sợi phải đồng Hiện nay, sản xuất vật liệu FRP, sợi thủy tinh, sợi các bon và sợi aramit được sử dụng chủ yếu : Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 113 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sợi thủy tinh Sợi thủy tinh được sản xuất bằng cách rót dung dịch thủy tinh nóng chảy vào các khuôn kéo sợi hoặc sợi được kéo từ phoi thủy tinh sấy nóng Sợi thủy tinh có thể là sợi dài hoặc ngắn Sợi có ưu điểm nhẹ, cường độ cao, ổn định với tác động sinh hóa, độ giãn nhiệt thấp, không dẫn điện và không có từ tính Sợi thủy tinh có giá thành rẻ so với sợi cacbon và sợi aramid Sợi aramid Là sợi hữu tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn sợi thủy tinh Sợi aramid có tính mỏi và từ biến tốt Sợi được sản xuất từ hợp chất tổng hợp polyamit thơm Sợi aramid có mô đun đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ Sợi aramid nhẹ sợi thủy tinh khoảng 43% Sợi Cacbon Sợi cacbon sản xuất phương pháp nhiệt phân hữu kết tinh nhiệt độ 20000 C , sợi xử lý nhiệt theo nhiều trình để tạo sợi bon Thành phẩm sợi có thay đổi nên tồn nhiều loại sợi khác nhau.Sợi cacbon là vật liệu có độ bền rất cao, có cấu trúc tinh thể bề mặt, mạng tinh thể hình lục lăng Thành phần hóa học chủ yếu là các nguyên tố cacbon chiếm từ 90 − 99% Sợi cacbon có giá thành đắt sợi thủy tinh và sợi aramid (gấp 5-7 lần giá thành sợi thủy tinh) Tuy nhiên, sợi cac bon nhẹ và có cường độ cao so sánh với sợi thủy tinh và sợi aramid 5.2 Các phương pháp tăng cường khả chịu lực vật liệu FRP 5.2.1 Phương pháp FRP nằm bên kết cấu Phương pháp sử dụng vật liệu FRP thay cho số thành phần cốt thép kết cấu BTCT Công tác thi công hay thiết kế hoàn toàn tương tự kết cấu BTCT Tuy nhiên phương pháp không sử dụng phổ biến chủ yếu ứng dụng với loại kết cấu thi công không phát huy hết ưu điểm loại vật liệu tổng hợp 5.2.2 Phương pháp FRP dán bề mặt kết cấu Trong phương pháp , vật liệu FRP sử dụng hay phiến dán lên bề mặt bê tông xử lý lớp chất kết dính epoxy Công tác thi công đơn giản, không cần huy động đến thiết bị phức tạp chủ yếu thi công tay Thực tế, thi công theo phương pháp hoàn toàn giống phương pháp dán thép lên kết cấu có sẵn để tăng cường ứng dụng nước ta số Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 114 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP công trình cầu Để tăng liên kết bề mặt bê tông lớp epoxy FRP, bề mặt bê tông cần phải sử lý trước đảm bảo độ nhẵn Phương pháp đặc biệt có hiệu với việc tăng cường khả chịu cắt uốn cho dầm Để làm giảm tác động môi trường, số công trình định người thiết kế lựa chọn phương pháp bọc toàn cột hay trụ cầu FRP Hình 5.2 Thi công dán FRP lên bề mặt kết cấu BTCT Ưu điểm phương pháp : + Cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi lớn, trọng lượng thân nhỏ; + Thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao + Không cần bảo dưỡng, chống rỉ trình khai thác + Đặc biệt thích hợp với công trình đòi hỏi khả chống thấm ăn mòn cao Nhược điểm phương pháp : + Tấm FRP dễ bị biến dạng chịu tác dụng va đập nhiệt độ cao + Khả tách lớp bề mặt bê tông epoxy FRP phụ thuộc vào chất lượng thi công + Chỉ ứng dụng với FRP dạng dải 5.2.3 Phương pháp dán FRP gần bề mặt kết cấu Trong phương pháp FRP đặt vào rãnh cắt bề mặt kết cấu bê tông liên kết với bê tông qua hai lớp chất kết dính nên tăng cường khả tách lớp liên kết Phương pháp sử dụng loại tiết diện điển hình FRP Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 115 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.3 Khoảng cách kich thước rãnh cắt Ưu điểm phương pháp so với phương pháp dán trực tiếp FRP lên bề mặt bê tông điểm sau : + Tăng cường diện tích liên kết sử dụng hai lớp chất kết dính với hai bề mặt bê tông + Tăng cường khả chống đứt, gãy liên kết + Giảm thiểu khả tách lớp sớm liên kết + Bảo vệ FRP khỏi phá hoại bên tác động lực va chạm, môi trường, nhiệt độ cao (khi xảy cháy) + Giảm công tác chuẩn bị bề mặt bê tông cần liên kết 5.3 Nghiên cứu ứng xử dầm I BTCT DƯL tăng cường vật liệu FRP Kết cấu dầm lựa chọn để nghiên cứu dầm I BTCT DƯL chiều dài nhịp 34,7 m thiết kế chương Phương pháp tăng cường phương pháp FRP dán bề mặt kết cấu Vật liệu để tăng cường sợi thủy tinh chất kết dinh epoxy (GFRP) Chiều dày GFRP 1,4 mm Phần mềm lựa chọn phần mềm ATENA 5.3.1 Xây dựng mô hình Mô hình vật liệu • Bê tông Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 116 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mô hình của vật liệu bê tông được sử dụng phần mềm ATENA có dạng 3D Nonlinear Cementious Bê tông dầm có cường độ chịu nén f c′ = 45MPa , bê tông có cường độ chịu nén f c′ = 30MPa Hình 5.4 Mô hình vật liệu bê tông • Cốt thép Mô hình cốt thép dự ứng lực cốt thép thường dạng Bilinear ( đàn hồi – dẻo ) Cốt thép DƯL có giới hạn chảy f py = 1680MPa , cốt thép thường có giới hạn chảy f y = 400MPa Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 117 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.5 Mô hình vật liệu cốt thép dự ứng lực • Vật liệu FRP FRP tạo nên từ hai thành phần, thành phần kết hợp với mức độ “vĩ mô” không hòa tan vào Do vậy, việc mô hình hóa vật liệu FRP tương tự việc mô hình vật liệu bê tông cốt thép với “bê tông” Polymer “cốt thép” cốt sợi Một số thuộc tính chất kết dính Epoxy sợi thủy tinh thể bảng sau : Bảng 5.1 Thuộc tính chất kết dính Epoxy Thuộc tính Giá trị Mô đun đàn hồi 3035 Hệ số Poisson 0,4 Giới hạn chảy 54 Trọng lượng 0,00983 MN m3 Hệ số giãn nở nhiệt 5,75×10-51 K Bảng 5.2 Thuộc tính sợi thủy tinh Thuộc tính Giá trị Biến dạng, ứng suất (0,0);(0,005;390);(0,0125;690) Trọng lượng 0,026 MN m3 Hệ số giãn nở nhiệt 5×10-61 K Mô đun đàn hồi 70 GPa Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 118 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.6 Hình 5.7 Mô hình polymer Mô hình cốt sợi thủy tinh Mô hình kết cấu Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 119 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.8 Hình 5.9 Mô hình kết cấu dầm I Mô hình tăng cường Tải trọng Tải trọng tác dụng lên kết cấu gồm có : + Tải trọng thân kết cấu + Tải trọng khai thác quy tải trọng dải toàn bề mặt kết cấu , tăng dần phá hoại Điểm tham chiếu Tạo điểm tham chiếu dạng Monitoring Points đáy dầm để theo dõi mối quan hệ lực chuyển vị Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 120 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.10 Mô hình điểm tham chiếu 5.3.2 Kết tính toán 5.3.2.1 Tăng cường cho dầm từ lúc bắt đầu có tác dụng tải trọng Ở trường hợp ta tăng cường cho dầm chiều dầy khác thu kết sau : Hình 5.11 Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị trước sau tăng cường Kết thu ta thấy, trước sau tăng cường cho kết cấu với chiều dày x1, = 4, 2(mm) , khả chịu lực kết cấu tăng lên đáng kể Chuyển vị thời điểm lực tác dụng 450(kN/m 2) giảm từ 734,4(mm) xuống 442,9(mm) (giảm gần 40%) Tiếp tục tăng chiều dày tăng cường lên x1, = 7(mm) x1, = 9,8(mm) khả chịu lực kết cấu không tăng lên nhiều Vậy ta lựa chọn chiều dày 1,4 mm để tăng cường cho kết cấu Nhìn vào biếu đồ ta thấy , tính dẻo kết cấu sau tăng cường tăng lên (biểu đồ có xu hướng nằm ngang bắt đầu bị phá hoại) Sự xuất Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 121 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vết nứt dầm tăng cường so với dầm không tăng cường muộn Mặt khác, độ mở rộng vết nứt thu hẹp lại dầm tăng cường so với dầm không tăng cường bước tải 5.4 Kết luận kiến nghị Thời gian gần đây, với phát triển công nghệ chế tạo, vật liệu FRP sử dụng ngày rộng rãi So với phương án tăng cường thép bọc áo bê tông, phương án sử dụng mỏng FRP có nhiều ưu điểm trọng lượng thân nhỏ, mô đun đàn hồi lớn, khả chống ăn mòn tốt dễ thi công Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu FRP cải thiện độ dẻo mà không làm tăng độ cứng lên đáng kể, nhờ mà thuộc tính động học kết cấu không bị thay đổi Do vậy, phương án tăng cường kết cấu cho dầm bê tông cốt thép FRP hướng mang lại nhiều hiệu Trong thời gian cần có nhiều hướng nghiên cứu cho việc sử dụng vật liệu FRP làm cho kết cấu có nhiều ưu điểm , ví dụ nghiên cứu theo hướng làm giảm chiều cao , tăng chiều dài vượt nhịp kết cấu Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 122 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 272-05 PGS TS Ngô Đăng Quang “Kết cầu bê tông cốt thép” PGS TS Ngô Đăng Quang “Kết cấu bê tông dự ứng lực” GS TS Nguyễn Viết Trung, PGS TS Hoàng Hà, ThS Đào Duy Lâm “Các ví dụ tính toán dầm cầu chữ I, T, Super T bê tông cốt thép dự ứng lực” Phần Help chương trình ATENA Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 123 [...]... kN Dầm Mơ men 245,54 2,2 m 1666,71 giữa Dầm Lực cắt Mơ men Lực cắt 839,85 752,5 898,01 720,7 1805,6 792,45 biên Hình.2-4 : Biểu đồ mơ men ở trạng th i gi i hạn sử dụng Hình.2-5 : Biểu đồ lực cắt ở trạng th i gi i hạn sử dụng Từ hai bảng tổ hợp n i lực trên ta thấy n i lực t i dầm biên lớn hơn dầm giữa, vì vậy ta sử dụng kết quả n i lực của dầm biên để tính tốn Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 19 ĐỒ ÁN TỐT... 1144,8 650,75 7963,2 717,3 Dầm biên Hình.2-2 : Biểu đồ bao mơ men ở trạng th i gi i hạn cường độ Hình.2-3 : Biểu đồ bao lực cắt ở trạng th i gi i hạn cường độ 2.3.2 Tổ hợp n i lực theo trạng th i gi i hạn sử dụng (TTGH SD) Bảng 2.3- Bảng tổ hợp n i lực theo TTGH SD Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP N i lực Mặt cắt g i Mặt cắt Mặt cắt Mặt cắt cách g i cách g i cách g i Đơn vị L/4 5025,19 L/2... Yi (mm) 816,707 802,05 1031,48 Igi (mm4) 2,33 x 1011 1,96 x 1011 4,37 x 1011 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giữa dầm 970178,56 307929530,8 1119,45 3,77 x 1011 Trong đó: A: Diện tích mặt cắt Si: Momen tĩnh của mặt cắt đ i v i trục nằm ngang i qua mép dư i của mặt cắt thứ i ybi: Khoảng cách từ trục trung hòa đến mép dư i của mặt cắt thứ i Igi: Momen qn tính của mặt cắt thứ i đ i v i trục trung hòa của mặt cắt đó... cộng tĩnh t i tác dụng lên dầm chủ Gđ chưa liên hợp Gđ khai thác ( mc liên hợp) Dầm giữa DC DW 18,06 0 31,644 4,179 Dầm biên DC DW 17,225 0 29,417 9,596 2.2 Hoạt t i HL 93 Hoạt t i HL 93 bao gồm : + Xe t i thiết kế + Xe hai trục thiết kế + T i trọng làn 2.3 Tính tốn n i lực kết cấu nhịp - Sử dụng phần mềm Midas civil 2011, v i các lựa chọn theo quy trình AASHTO LRFD - Sơ đồ tính : Dầm giản đơn Hình.2-1... trung bình giữa các dầm kề nhau , s = 2100 (mm) => Bề rộng bản cánh dầm hữu hiệu đ i v i dầm giữa là : bi = 2100 (mm) 1.5.4.2 Đ i v i dầm biên - Bề rộng cánh dầm hữu hiệu có thể được lấy bằng 1/2 bề rộng hữu hiệu của dầm kề trong (=2100/2=1050) cộng trị số nhỏ nhất của: + 1 1 1 chiều d i nhịp , Ltt = x34000 = 4250(mm) 8 8 8 + 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng v i số lớn hơn giữa 1/2 độ dày bản... giai đoạn I (TTGHCĐ) Mơ men do tĩnh t i giai đoạn II (TTGHSD) Mơ men do tĩnh t i giai đoạn II (TTGHCĐ) Diện tích mặt cắt dầm Mơ men qn tính mặt cắt dầm Diện tích mặt cắt liên hợp Mơ men qn tính mặt cắt liên hợp ƯS của BT t i trọng tâm cáp DƯL do DC2 + MtcI 0,00 1030,39 3197,58 4257,72 kN.m MttI 0,00 1287,99 3996,98 5322,15 kN.m MtcII 0,0 167,6 585,6 783,0 kN.m MttII 0,00 251,36 878,43 1174,53 kN.m Ag...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.5.4 Xác định bề rộng bản cánh có hiệu 1.5.4.1 Đ i v i dầm giữa - Bề rộng bản cánh hữu hiệu có thể lấy giá trị nhỏ nhất của: + 1 1 1 chiều d i nhịp , Ltt = x34000 = 8500(mm) 4 4 4 + 12 lần độ dày trung bình của bản cộng v i trị số lớn nhất của bề dày bản bụng dầm hoặc 1 bề rộng bản cánh trên của dầm 2 200 =12 x 200 + max 850 = 2825 (mm) 2 + Khoảng cách trung bình giữa... mát này xảy ra do sự giảm ứng suất trong cốt thép khi biến dạng của chúng được giữ khơng đ i Mất mát này được chia thành hai thành phần như sau: ∆f pR = ∆f pR1 + ∆f pR 2 Trong đó: Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + ΔfpR1 : Mất mát ứng suất do tự chùng t i th i i m truyền lực + ΔfpR2 : Mất mát ứng suất do tự chùng sau khi truyền lực T i th i i m truyền lực V i tao thép có độ chùng... lượng phần mặt cắt giữa dầm: Dương Tuấn Cường _ KCXD_K50 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP P2 = γ c × ( A1 × L3 ) = 24 ×106 × (62725 × 29600) = 445598(N) Vậy trọng lượng r i đều của dầm chủ: P1 + P2 123254 + 445598 = = 16,39(N/ mm) = 16,39(kN/ m) Lnh 34700 DCdc = Trọng lượng bản thân dầm ngang - Số lượng dầm ngang liên kết hai dầm liên kề nhau là: Nlng = 5 (dầm) - Diện tích mặt cắt ngang của m i dầm ngang: Adn =... 140 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.4.1.2 Sơ bộ chọn cáp DƯL theo TTGH SD Lực dự ứng lực cần thiết để thỏa mãn i u kiện ứng suất kéo thớ dư i ở TTGH sử dụng là : Pf ≥ M max − Wb f b e + kt Trong đó : + Mmax : mơ men uốn tính tốn ở trạng th i gi i hạn sử dụng: M max= 7068,48 ( kNm) + Wb : mơ men chống uốn của mặt cắt liên hợp tính v i mép dư i , Wb = I = 4, 7 x108 ( mm3 ) yb + fb : gi i hạn ứng suất thớ dư i ,