BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ĐINH TRỌNG HUY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP HàNội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - ĐINH TRỌNG HUY KHÓA: 2013-2015 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu động viên tác giả trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn thầy cô, cán Khoa Sau Đại học Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, phòng thí nghiệm LAS 256 Trung tâm thí nghiệm kiểm định công trình Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội bạn đồng nghiệp giúp đỡ, dẫn tận tình trình hoàn thành luận văn Tác giả Hà Nội, tháng năm 2015 Đinh Trọng Huy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Hà Nội, tháng năm 2015 Đinh Trọng Huy MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU * Sự cần thiết đề tài * Mục tiêu nghiên cứu đề tài * Đối tượng nghiên cứu * Phạm vi nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT SỢI THỦY TINH 1.1 Tổng quan vật liệu cốt sợi thủy tinh 1.1.1 Các đặc trưng vật liệu Cốt sợi thủy tinh 1.1.2 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng cốt sợi thủy tinh 10 1.2 Tổng quan dầm bê tông cốt thép 13 1.2.1 Khái niệm dầm 13 1.2.2 Cơ sở xác định làm việc dầm chịu cắt 14 1.2.3 Sức kháng cắt bê tông 16 1.2.4 Sự làm việc dầm bê tông cốt thép sau nứt nghiêng 24 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CHỊU CẮT 27 2.1 Các mô hình nghiên cứu tính toán khả chịu cắt dầm 27 2.1.1 Mô hình giàn với xiên nghiêng góc 450 27 2.1.2 Mô hình giàn với góc nghiêng xoay 28 2.1.3 Mô hình giàn với góc nghiêng thay đổi 29 2.1.4 Mô hình giàn có kể đến ma sát vết nứt 29 2.1.5 Mô hình miền nén 30 2.1.6 Mô hình chống - giằng 34 2.2 Tiêu chuẩn thiết kế khả chịu cắt dầm bê tông cốt sợi thủy tinh theo tiêu chuẩn Mỹ, Nga, Việt Nam 36 2.2.1 Tiêu chuẩn Mỹ ACI – 440.1R-2006 36 2.2.2 Tiêu chuẩn Nga SNIP 52 -01 2003 38 2.2.3 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 41 2.2.4 Ví dụ tính toán 46 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH 53 3.1 Mục đích nhiệm vụ tiến hành thí nghiệm 53 3.2 Lựa chọn sơ đồ mô hình thí nghiệm 55 3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm phạm vi nghiên cứu thực nghiệm 55 3.2.2 Thiết kế đặc trưng cấu tạo mẫu dầm thí nghiệm 56 3.3 Công nghệ chế tạo đặc trưng vật liệu mẫu dầm thí nghiệm 60 3.3.1 Quy trình chế tạo 60 3.3.2 Xác định đặc trưng lý vật liệu chế tạo mẫu dầm thí nghiệm 61 3.4 Thiết bị thí nghiệm biện pháp đảm bảo an toàn thí nghiệm 64 3.5 Tiến hành thí nghiệm mẫu dầm 67 3.5.1 Chuẩn bị tiến hành thí nghiệm 67 3.5.2 Qui trình thí nghiệm 68 3.5.3 Thời gian thực thí nghiệm 71 3.6 Các kết thí nghiệm 71 3.7 So sánh kết tính toán lí thuyết khả chịu cắt dầm bê tông cốt sợi thủy tinh kết thí nghiệm 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 Kết luận: 88 Kiến nghị: 89 Một số hình ảnh chế tạo thí nghiệm mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh 91 DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Bảng 1.1 Thông số hình học cốt sợi thủy tinh Bảng 1.2 Khối lượng riêng điển hình cốt sợi thủy tinh (g/cm3) Bảng 1.3 Hệ số giãn nở nhiệt điển hình cốt sợi thủy tinh Bảng 1.4 Các đặc trưng học thép FRP Bảng 1.5 Hệ số suy giảm môi trường Bảng 1.6 Giá trị tối thiểu cường độ kéo bảo đảm FRP thủy tinh cacbon Bảng 2.1 Bảng so sánh kết tính toán lí thuyết khả chịu cắt nhóm dầm ( Đơn vị kN ) Bảng 3.1 Các nhóm mẫu dầm thí nghiệm Bảng 3.2 Kết thí nghiệm cốt GFRP Bảng 3.3 Cường độ bê tông mẫu dầm thí nghiệm Bảng 3.4 Bảng tổng hợp bề rộng vết nứt Bảng 3.5 Bảng tổng hợp thời điểm phá hoại mẫu dầm thí nghiệm Bảng 3.6 Bảng so sánh kết tính toán lí thuyết với thực nghiệm khả chịu cắt nhóm dầm ( Đơn vị Kg ) DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Hình 1.1 Bề mặt số kiểu gân cốt sợi thủy tinh Hình 1.2 Biểu đồ ứng suất - biến dạng vật liệu FRP thép Hình 1.3 Bê tông cốt sợi dùng việc phá clorua hóa mặt đường Hình 1.4 Bê tông cốt sợi dùng để chống clorua hóa Hình 1.5 Bê tông cốt sợi dùng khu vực điện cao Hình 1.6 Bê tông cốt sợi dùng khu vực dễ ăn mòn Hình 1.7 Bê tông cốt sợi dùng khu vực đường hầm khai thác mỏ Hình 1.8 Các dạng tiết diện dầm Hình 1.9 Sự phân bố ứng suất dầm chữ nhật vật liệu đồng Hình 1.10 Trạng thái ứng suất phân tố vòng tròn Mohr tương ứng Hình 1.11 Các dạng vết nứt cấu kiện chịu cắt uốn Hình 1.12a Dạng phá hoại momen uốn Hình 1.12b Dạng phá hoại ứng suất kéo Hình 1.12c Dạng phá hoại nén lực cắt Hình 1.13 Xác định phân bố ứng suất tiếp dầm bê tông cốt thép có chứa vết nứt uốn Hình 1.14 Các thành phần sức kháng cắt Hình 1.15 Quỹ đạo ứng suất dầm chữ T bê tông cốt thép chịu tải trọng phân bố Hình 1.16 Các trường ứng suất chịu cắt trước sau nứt dầm bê tông cốt thép Hình 2.1 Phép tương tự giàn Hình 2.2 Kiểu cốt đai FRP góc uốn Hình 2.3 Sơ đồ tính toán cường độ tiết diện nghiêng Hình 2.4 Sơ đồ nội lực tiết diện nghiêng với trục dọc cấu kiện bê tông cốt thép tính toán độ bền chịu lực cắt Hình 2.5 Sơ đồ tính dầm bê tông cốt thép Hình 2.6 Sơ đồ tính dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Hình 3.1 Mô hình thí nghiệm khả chịu cắt dầm bê tông cốt sợi thủy tinh dầm bê tông cốt thép Hình 3.2 Mô hình thiết kế mẫu dầm thí nghiệm bê tông cốt thép Hình 3.3 Mô hình thiết kế mẫu dầm thí nghiệm bê tông cốt sợi thủy tinh Hình 3.4 Mô hình lắp đặt thiết bị thí nghiệm Hình 3.5 Ảnh minh họa mô hình lắp đặt thí nghiệm Hình 3.6 Ảnh minh họa vết nứt thẳng góc dầm mô men 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Qua việc nghiên cứu khả chịu cắt dầm bê tông cốt sợi thủy tinh theo lí thuyết thực nghiệm, số lượng thí nghiệm hạn chế, luận văn đạt kết : - Đã tìm hiểu vật liệu cốt sợi thủy tinh phạm vi ứng dụng - Tìm hiểu nghiên cứu khả chịu cắt theo mô hình tính toán theo tiêu chuẩn Nga, Mỹ, Việt Nam sử dụng cốt thép thường cốt sợi thủy tinh - Tìm hiểu phương pháp thực nghiệm kết cấu bê tông cốt thép thường bê tông cốt sợi thủy tinh Qua ví dụ tính toán theo tiêu chuẩn kết thực nghiệm cho thấy : - Khả chịu cắt dầm cốt sợi thủy tinh không dầm cốt thép thường, điều lý giải vật liệu bám dính với bê tông không bê tông cốt thép thường Tuy nhiên sử dụng cốt sợi thủy tinh tốt cho công trình hải đảo xâm thực Nhưng cần đánh giá hiệu sử dụng công tác thiết kế khả chịu cắt - Hàm lượng cốt sợi thủy tinh có ảnh hưởng đến khả chịu cắt dầm, cụ thể sử 2Ø14 (ρ= 0,6%) khả chịu lực cắt dầm tăng 16% so với dầm sử dụng 2Ø12 (ρ= 0,43%), sử 2Ø16 (ρ= 0,83%) khả chịu lực cắt dầm tăng 24% so với dầm sử dụng 2Ø12 (ρ= 0,43%), sử 2Ø16 (ρ= 0,83%) khả chịu lực cắt dầm tăng 6,8% so với dầm sử dụng 2Ø14 (ρ= 0,6%) Tiêu chuẩn Nga Việt Nam không đề cập tới ảnh hưởng này, tiêu chuẩn Mỹ đề cập tới ảnh hưởng tính toán 89 - Kết thực nghiệm cho thấy khả chịu cắt dầm cốt sợi thủy tinh gần với kết tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ(kết thực nghiệm lớn không nghiều) -Sử dụng dầm bê tông cốt sợi thủy tinh chịu cắt có bề rộng vết nứt lớn so với dầm bê tông cốt thép Sự hình thành vết nứt giống với dầm bê tông cốt thép thường, nhiên sau hình thành vết nứt vết nứt phát triển nhanh vùng chịu cắt.Thực nghiệm cho thấy độ võng dầm cốt sợi thủy tinh lớn phát triển nhanh modun biến dạng cốt sợi thủy tinh thấp Sau nứt độ võng tăng nhanh so với dầm bê tông cốt thép thường Như cần quan tâm tới việc xuất võng nứt trình thiết kế dầm bê tông cốt sợi thủy tinh theo nhóm trạng thái giới hạn thứ hai để đảm bảo làm việc dầm Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có hướng dẫn cho thiết kế khả chịu cắt dầm sử dụng cốt sợi thủy tinh Tiêu chuẩn Nga có dẫn cách thiết kế sử dụng cốt sợi thủy tinh tính toán theo vật liệu sử dụng cốt thép thường, tiêu chuẩn Mỹ có dẫn đầy đủ việc thiết kế loại vật liệu Kiến nghị: Hiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn áp dụng cho kết cấu sử dụng cốt sợi thủy tinh Vì cần bổ sung hướng dẫn thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam để áp dụng loại vật liệu Việt Nam hoàn thiện tiêu chuẩn để áp dụng loại vật liêu Việt Nam Trong khuôn khổ luận văn điều kiện học viên thời gian, tài nên số lượng chưa đủ nhiều, kiến nghị cần có nhiều thí nghiệm để đánh giá tốt làm việc khả chịu lực bê tông cốt sợi thủy tinh 90 Cần có đánh giá khác khả chịu mô men làm việc theo nhóm trạng thái giới hạn thứ hai để hoàn thiện vấn đề nghiên cứu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Hướng nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu việc sử dụng vật liệu cốt sợi thủy tinh cấu kiện khác Nghiên cứu khả bám dính kết cấu sử dụng cốt sợi thủy tinh 91 Một số hình ảnh chế tạo thí nghiệm mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Hình 3.21: Gia công cốt sợi thủy tinh cho mẫu dầm thí nghiệm Hình 3.22: Gia công cốp pha cho mẫ dầm thí nghiệm 92 Hình 3.23:Cốt thép thường cốt sợi thủy tinh mẫu dầm thí nghiệm Hình 3.24: Ghép cốp pha, lắp dựng mẫu dầm thí nghiệm 93 Hình 3.25: Hoàn thành lắp dựng mẫu dầm Hình 3.26: Chế tạo bê tông cho mẫu dầm 94 Hình 3.27: Thi công đổ bê tông mẫu dầm thí nghiệm Hình 3.28: Các mẫu dầm thí nghiệm mẫu nén thử bê tông 95 Hình 3.29: Mô hình lắp dựng thiết bị cho mẫu thí nghiệm Hình 3.30: Đo đạc, ghi chép số liệu thí nghiệm 96 Hình 3.31: Đo bề rộng vết nứt dầm thí nghiệm Hình 3.32: Ghi chép số liệu thí nghiệm 97 Hình 3.33: Mẫu dầm bê tông cốt thép bị phá hoại Hình 3.34: Các mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Ø 12 bị phá hoại 98 Hình 3.35: Các mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Ø 14 bị phá hoại 99 Hình 3.36: Các mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Ø 16 bị phá hoại Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Chỉ dẫn thiết kế thi công kết cấu bê tông có cốt polymer cốt sợi (Công ty Đầu tư phát triển công nghệ đại học xây dựng (NUTECH))-Dự thảo lần 2 Phạm Văn Hoan (2013), Tính toán dầm cốt sợi thủy tinh chịu uốn , Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Xây Dựng, Hà Nội Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2006), Kết cấu bê tông cốt thép phần cấu kiện bản, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Ngọc Phương (2002), Ảnh hưởng hàm lượng cốt dọc tới khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép, Tạp chí Xây dựng, (Số tháng 22002), Hà Nội Nguyễn Ngọc Phương (2008), Khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép ứng lực trước, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Ngọc Phương (2012), Nghiên cứu khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép bê tông ứng lực trước có xét đến ảnh hưởng số yếu tố liên quan, Đề tài nghiên cứu cấp trường, Hà Nội Ngô Đăng Quang, Nguyễn Duy Tiến, (2009) Kết cấu bê tông cốt thép theo 22TCN272-05 ACI, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội Nguyễn Hồng Sơn, (2013) Thiết kế dầm bê tông sử dụng chất dẻo cốt sợi FRP dạng thanh, Tạp chí xây dựng số T6-2013, Hà Nội Võ Văn Thảo (2001) Phương pháp khảo sát – Nghiên cứu thực nghiệm công trình, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 10 Nguyễn Viết Trung (2000), thiết kế kết cấu bê tông cốt thép đại theo tiêu chuẩn ACI, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội 11 Trần Mạnh Tuân, (2003) Kết cấu bê tông cốt thép theo Tiêu chuẩn ACI 318 – 2002, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Tiếng Anh 12 ACI 440.1R-06, (2006), Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars, American Concrete Institute 13 ACI 445-R99 (1999), Recent Approaches to Shear Design of Structural Concrete American Concrete Insitute 14 Comite Euro-International Du Beton (1991) CEB-FIP Model code 1990 15.Collins M.P, Mitchell D (1980), Shear and Torsion Design of Prestressed and Non-prestressed Concrete Beam, Journal of Prestressed Concrete Inst.25 16 D Duthinh, N.J Carino (1996), Shear Design of HSC Beams: A Review of the State-of-the-Art, NISTIR 5870 17.M P Collins, D Mitchell, P Adebar, and F J Vecchio (1996), A General Shear Design Method, ACI Struct.J 18 F J Vecchio and M P Collins (1986), Modified Compression Field Theory for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear, J ACI 19 F J Vecchio and M P Collins (1988), Prediciting the Response of Reinforced Concrete Beams Subjected to Shear Using the Modified Compression Field Theory, J ACI Tiếng Nga 20 СП 63.13330.2012 Свод правил Бетонные и железобетонные конструкции Основные положения Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 21 КОНСТРУКЦИИ ИЗ БЕТОНА С КОМПОЗИТНОЙ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРМАТУРОЙ ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ , Москва 2013 ... Hình 2.5 Sơ đồ tính dầm bê tông cốt thép Hình 2.6 Sơ đồ tính dầm bê tông cốt sợi thủy tinh Hình 3.1 Mô hình thí nghiệm khả chịu cắt dầm bê tông cốt sợi thủy tinh dầm bê tông cốt thép Hình 3.2 Mô... liệu cốt sợi thủy tinh thông qua thí nghiệm vật liệu Đánh giá khả chịu lực cắt dầm bê tông sử dụng cốt sợi thủy tinh thực nghiệm So sánh kết tính toán lý thuyết khả chịu cắt dầm bê tông cốt sợi thủy. .. tài Nghiên cứu khả chịu cắt dầm bê tông cốt sợi thủy tinh cần thiết có ý nghĩa thực tiễn * Mục tiêu nghiên cứu đề tài Tìm hiểu phương pháp tính toán khả chịu cắt dầm sử dụng cốt sợi thủy tinh