Cơ chế giới hạn của cột bê tông được gia cường bằng FRP: Nghiên cứu trong luận án tiến sĩ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu cơ chế gia cường cột bê tông bằng vật liệu FRP, phân tích hiệu quả và ứng dụng trong xây dựng hiện đại.

Trường đại học

University of Wollongong

Chuyên ngành

Civil Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2014

133
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

DECLARATION

ACKNOWLEDGEMENTS

LIST OF PUBLICATIONS

ABSTRACT

TABLE OF CONTENTS

1. INTRODUCTION

1.1. Preamble

2. MECHANISM OF FRP-CONFINED CIRCULAR CONCRETE COLUMNS

3. MECHANISM OF FRP-CONFINED SQUARE CONCRETE COLUMNS

4. PREDICTING STRESS/STRAIN OF FRP-CONFINED SQUARE CONCRETE COLUMNS BY ARTIFICIAL NEURAL NETWORKs

5. MAXIMUM USABLE STRAIN OF FRP-CONFINED CONCRETE

6. CIRCULARIZING SQUARE COLUMNS TO CIRCULAR COLUMNS

6.1. Circularizing by Normal Strength Concrete

6.2. Circularizing by High Strength Concrete

6.3. FRP-confined Circular Columns

6.4. FRP-confined Rectangular/Square Columns

6.5. Application of ANN

6.6. Maximum Usable Strain of FRP-Confined Concrete

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

Tóm tắt

I. Cơ chế giới hạn của cột bê tông gia cường FRP

Luận án tiến sĩ của Thong Minh Pham tập trung vào cơ chế giới hạn của cột bê tông được gia cường bằng vật liệu FRP. Nghiên cứu này nhấn mạnh việc sử dụng FRP để tăng cường khả năng chịu tải và độ dẻo của cột bê tông. Cơ chế giới hạn được phân tích chi tiết, bao gồm cả việc tạo ra các mô hình dự đoán hiệu suất của cột bê tông gia cường FRP. Các mô hình này được áp dụng cho cả cột tròn và cột vuông, với độ chính xác cao hơn so với các mô hình hiện có.

1.1. Cơ chế giới hạn của cột tròn

Nghiên cứu chỉ ra rằng cột bê tông tròn được gia cường FRP có hiệu suất tốt hơn do áp lực giới hạn đồng đều xung quanh lõi bê tông. Các mô hình dự đoán ứng suất và biến dạng của cột tròn được phát triển, với độ chính xác cao hơn so với các mô hình trước đây. Đặc biệt, nghiên cứu này đề xuất một mô hình mới cho cả bê tông cường độ thường và bê tông cường độ cao.

1.2. Cơ chế giới hạn của cột vuông

Đối với cột bê tông vuông, hiệu suất giới hạn thấp hơn do áp lực giới hạn tập trung tại các góc. Nghiên cứu đề xuất một mô hình mới tính đến sự tập trung ứng suất tại các góc, giúp cải thiện độ chính xác trong dự đoán hiệu suất của cột vuông gia cường FRP.

II. Ứng dụng công nghệ FRP trong xây dựng

Luận án này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn đề xuất các ứng dụng thực tiễn của công nghệ FRP trong công trình xây dựng. Cụ thể, nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật circularization để tăng cường cột vuông bằng cách biến đổi hình dạng và bọc FRP. Kỹ thuật này đã được kiểm chứng qua thực nghiệm, cho thấy hiệu quả trong việc tăng khả năng chịu tải của cột.

2.1. Kỹ thuật circularization

Kỹ thuật circularization được đề xuất để tăng cường cột vuông bằng cách biến đổi hình dạng thành tròn và bọc FRP. Kỹ thuật này đã được thử nghiệm trên cả bê tông cường độ thường và cao, cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc tăng khả năng chịu tải và độ dẻo của cột.

2.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu cung cấp các phương pháp thực tiễn để áp dụng công nghệ FRP trong việc tăng cường công trình xây dựng. Các kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của FRP trong việc cải thiện hiệu suất của các cấu trúc bê tông hiện có.

III. Phân tích và đánh giá hiệu suất

Luận án đưa ra các phân tích chi tiết về hiệu suất của cột bê tông gia cường FRP thông qua các mô hình dự đoán và thực nghiệm. Các mô hình này được so sánh với các mô hình hiện có, cho thấy độ chính xác cao hơn trong việc dự đoán ứng suất và biến dạng. Nghiên cứu cũng đề xuất một mô hình mới để tính toán độ bền còn lại của lõi bê tông tại một biến dạng dọc trục nhất định.

3.1. Đánh giá hiệu suất

Các mô hình dự đoán được đánh giá thông qua so sánh với kết quả thực nghiệm. Nghiên cứu chỉ ra rằng các mô hình hiện có có sai số lớn trong việc dự đoán biến dạng, trong khi các mô hình đề xuất trong luận án này có độ chính xác cao hơn.

3.2. Mô hình mới

Luận án đề xuất một mô hình mới để tính toán độ bền còn lại của lõi bê tông tại một biến dạng dọc trục nhất định. Mô hình này được kiểm chứng qua thực nghiệm, cho thấy hiệu quả trong việc dự đoán hiệu suất của cột bê tông gia cường FRP.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Conffinemeent Meechaniism off FRP--Confiined Con ncrete Colum mns By y T Thong Min nh Pham BEn ng Th his thesis iss submitted d in fulfilmeent of the award a of thhe degree off Dooctor of Philosophy P y (Civil Engineering) School of o Civil, Miining and Environme E ntal Enginneering Universiity of Wollo ongong, Au ustralia Augustt 2014 i DECLARATION I, Thong Minh Pham, hereby declare that all materials in this thesis, submitted in fulfilment of the requirements of the award of Doctor of Philosophy, in the School of Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, is wholly my own work unless otherwise referenced or acknowledged. This document has not been submitted for qualification at any other academic institution. (Signed) Thong Minh Pham (Student name) ii ACKNOWLEDGEMENTS First and most importantly I would like to give my heartfelt thanks to my supervisor Associate Professor Muhammad N. Hadi for his generous support and enlightening guidance throughout my PhD study.

I am grateful to The Vietnamese Government and The University of Wollongong for providing me the full PhD scholarship. It would have been much more difficult to complete the work without the help and support of all technicians of the High Bay Lab, especially, Messrs Alan Grant, Fernando Escribano, Cameron Neilson, Ritchie McLean and Colin Devenish. I also acknowledge Mr Eric Lume for his advice on casting high strength concrete. My sincere thanks also go to my friends in the School of Civil, Mining and Environmental Engineering, especially, Drs Ida Bagus Rai Widiarsa, Pezhman Sharafi, Messrs Xu Lei, Tung Minh Tran, Le Viet Doan, and Tan Duy Le.

The support from Dr Veysel Yazici for my research proposal is appreciated. I would like express my thanks to Dr Mehmet Eren Uz for the coffees that we had together. He had shown me much useful advice at the beginning of my PhD. I am also grateful to my Vietnamese friends, who supported me at the beginning time in Australia, Dr Thanh Duc Nguyen, Dr Trong Vo Nguyen, Mrs Ha Thi Viet Vu, and Dr Huong Thu Pham.

Lastly, I would like to express my profound gratitude to my parents Pham Chinh and Do Thi Phan, to my sisters and brothers-in-law, to whom this thesis is dedicated. My heartfelt thanks also go to my wife Mrs Huong Vu Quynh Nguyen (Hana). Without her everlasting love, support and encouragement I would never have finished my PhD. iii LIST OF PUBLICATIONS Technical papers are written based on the results of this thesis Journal papers [1] Pham, T.

“Confinement model for FRP-confined normal- and high-strength concrete circular columns.” Construction and Building Materials. Accepted on 23 June 2014. “Predicting Stress and Strain of FRP Confined Rectangular/Square Columns Using Artificial Neural Networks.” Journal of Composites for Construction. "Stress Prediction Model for FRP Confined Rectangular Concrete Columns with Rounded Corners." Journal of Composites for Construction, 18(1), 04013019.

“Strain estimation of CFRP confined concrete columns using energy approach.” Journal of Composites for Construction, 17(6), 04013001. “Strengthening square reinforced concrete columns by circularization and FRP confinement.” Construction and Building Materials, 49(0), 490-499. “A new method of strengthening reinforced concrete square columns by circularizing and wrapping with FRP or steel straps.” Journal of Composites for Construction, 17(2), 229-238. "Maximum Usable Strain of FRP-Confined Concrete.

Conference papers [8] Pham, T. Strengthening square reinforced concrete columns by shape modification and CFRP. The 2013 Structures Congress. Retrofitting square RC columns using FRP and precast concrete segments.

First International Conference on Concrete Sustainability, ICCS13. Effect of eccentric load on retrofitted reinforced concrete columns confined with FRP. 22nd Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials (ACMSM22) (pp. London: Taylor & Francis Group.

Behaviour of modified RC columns retrofitted with CFRP. 26th Biennial Conference of the Concrete Institute of Australia. Gold Coast, Queensland, Australia. Confinement effect of FRP and transverse steel on retrofitting square concrete columns.

The 4th Asia pacific Conference on FRP in Structures. Comparative behaviour of FRP confined square concrete columns under eccentric loading. 6th International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2012 (pp. The Netherlands: CRC Press/Balkema.

Behaviour of CFRP wrapped square RC columns under eccentric loading. Australasian Structural Engineering Conference (pp. Australia: Engineers Australia. Technical papers written out of the scope of this thesis Journal papers [15] Tran, T.

“A new empirical model for shear strength of reinforced concrete beam-column connections.” Magazine of Concrete Research, 66(10), 514-530. “Behaviour of CFRP wrapped square RC columns under eccentric loading.” Concrete in Australia, 38 (3), 45- 50. v ABSTRACT Strengthening concrete columns by externally wrapping fibre reinforced polymer (FRP) around the perimeter of column sections is rapidly growing. This strengthening technique confines the column cores thus increases their carrying loads and ductility.

This thesis is concerned with the confinement mechanism of FRP- confined concrete. Particular attention is given to a new technique for strengthening existing concrete columns. The confinement mechanism of FRP-confined concrete is comprehensively investigated and analysed, which resulted in confinement models for FRP-confined concrete columns. The confinement model for FRP-confined circular concrete columns covers a wide range of unconfined concrete strengths with higher accuracy than other existing models.

The confinement model for FRP-confined rectangular concrete columns takes the stress concentration at the corners of sections into account, which has not been done by previous studies. In addition, this study introduces the use of artificial neural network (ANN) to generate analytical equations for calculating the compressive strength and strain of FRP-confined rectangular concrete columns. These equations significantly increase the accuracy compared to existing models. Additionally, the progressive failure mechanism of FRP-confined concrete that has not been previously investigated is experimentally studied.

Experimental results show that the maximum usable strain of 1% recommended by ACI 440.2R (2008) and Concrete Society (2012) is un-conservative for FRP-confined concrete. A new model is then proposed to calculate the residual strength of a concrete core at a given axial strain. Finally, a new practical method called circularisation technique is proposed to strengthen existing square reinforced concrete columns. The new technique significantly increases the axial capacity of the existing square columns.

Through experimental studies, the proposed technique was verified for not only normal strength concrete but also high strength concrete. Two sets of experimental testing proved the viability of the proposed circularization technique. vi TABLE OF CONTENTS DECLARATION. ii LIST OF PUBLICATIONS.

v TABLE OF CONTENTS. vi LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES .2 Motivation and Objectives. 5 2 MECHANISM OF FRP-CONFINED CIRCULAR CONCRETE COLUMNS.

7 3 MECHANISM OF FRP-CONFINED SQUARE CONCRETE COLUMNS. 27 4 PREDICTING STRESS/STRAIN OF FRP-CONFINED SQUARE CONCRETE COLUMNS BY ARTIFICIAL NEURAL NETWORKs. 39 5 MAXIMUM USABLE STRAIN OF FRP-CONFINED CONCRETE. 49 6 CIRCULARIZING SQUARE COLUMNS TO CIRCULAR COLUMNS .1 Circularizing by Normal Strength Concrete .2 Circularizing by High Strength Concrete.2 FRP-confined Circular Columns .3 FRP-confined Rectangular/Square Columns .4 Application of ANN .5 Maximum Usable Strain of FRP-Confined Concrete.

111 viii LIST OF FIGURES Chapter 2 Figure 1. Stress-strain relationship of FRP-confined concrete…………………. Performance of the proposed model for both NSC and HSC specimens. Comparison of the selected strength models…………………………….

Accuracy of the selected strength models……………………………. Performance of the modified proposed model………………………. Energy relationship of FRP-confined circular columns………………. Performance of the proposed strain model…………………………….

Comparison of the selected strain models……………………. Accuracy of the selected strain models………….14 Chapter 3 Compressive Strength Model Figure 1. Confinement behaviour at the corner of the section: (a) mechanism of the tension force; (b) distribution of confining stress……………………………. Relationship between factor A and FRP strain efficiency factor (k)…….

Relationship between normalized confining stress and normalized confined strength: strength equation…………………………………………………………. Relationship between normalized confining stress and normalized confined strength: minimum amount of FRP for sufficient confinement……………………. Performance of the selected models (ascending type specimens)……. Accuracy of the selected models………………………………………….

Performance of the proposed models (ascending and descending types specimens)………………………………………………………………………….25 Compressive Strain Model Figure 1. (a) Load - displacement diagram; (b) A typical stress-strain curve of FRP- confined concrete……………………………………………………………………30 Figure 2. Energy relationship of circular sections…………………………………. (a) Effective confinement area; (b) Confining pressure of square sections; (c) Round corners of square sections………………………………………….

Energy relationship of square sections……………………………………34 ix Figure 5. Performance of models on circular specimens…………………………. Accuracy comparisons for strain prediction of circular specimens among the models…………………………………………………………………………. Performance of models on circular specimens (insufficient confinement).

Performance of models on circular specimens (heavy confinement)……. Performance of models on square specimens……………………………. Accuracy comparisons for strain prediction of square specimens among the models…………………………………………………………………………. Architecture of the proposed ANN strength model……………………….

Comparison of the selected strength models………………………. Accuracy of the selected strength models………………. Comparison of the selected strain models………………. Accuracy of the selected strain models …………………….

Architecture of the proposed ANN strength equation……………………44 Figure 7. Accuracy of the selected strength models………………………. Accuracy of the selected strain models…………………………………. Performance of the proposed strain model with or without the input r….

Stress-strain relation of concrete…………………………………………. Position of strain gauges…………………………………………………. Damage of tested specimens with high axial strain………………………. Stress-strain relation of Group C2…………………………………….

Stress-strain relation of Group C3…………………………………. Damage of tested specimens with low axial strain…………. Residual strength of tested specimens……………………………. Generation of a stress-strain curve of FRP-confined concrete (based on Jiang and Teng 2007)……………………………………………………………….

Definition of the unloading stiffness (based on Lam and Teng 2009)…. Theoretical verification of the tested specimens……………………. Determination of the maximum usable strain………………………….82 Chapter 6 Circularization by Normal Strength Concrete Figure 1. Effective Core for Steel Straps Confined Columns………………………85 Figure 2.

Centroid of Compression Zone of the Column…………………. Stress - Strain Analysis for Computing P-M Diagram…………. Plan View of Specimens………………………………………. Eccentric Loading System: (a) Loading Head, (b) “Loading” Roller, (c) A Pair of loading head and (d) The whole loading system…………………….

Formworks: (a) Core Columns and (b) Concrete Covers………. Segmental Circular Concrete Covers and Modified Section Columns: (a) Concrete Covers and (b) Bonded Specimens……………. Load - Deflection Diagram for Concentric Loading Tests………………. Failure Modes: (a) Specimen CF-0 and (b) Specimen CS-15………….

Load - Deflection Diagram for Eccentric Loading Tests (e=15 mm)…. Load - Deflection Diagram for Eccentric Loading Tests (e=25 mm). Load - Deflection Diagram for Specimens under Flexural Tests………. Axial Stress – Strain Diagrams for Concentric Loading Tests………….

Comparison of Theoretical & Experimental P-M Diagrams (Groups CF & CS)…………………………………………………………………………………. Comparison of Theoretical & Experimental P-M Diagrams (Groups N & RF)…………………………….……………………………………………………92 Circularization by High Strength Concrete Figure 1. Cross section of specimens (units in mm)………………………………. Circularization process (a) Removal of the segments from the formworks; (b) Removal of foams attached on the covers; (c) Bonding of segments; and (d) Bonded specimens………………………………………………………………….

Details of strain gauge locations…………………………………………. Failure modes of the tested columns…………………………………. Failure patterns of the tested beams…………………………………. Axial load – deflection diagrams of the concentrically loaded columns.

Axial load – deflection diagrams of the eccentrically loaded columns (e = 25 mm)………. Axial load – deflection diagrams of the eccentrically loaded columns (e = 50 mm)…………………………………………………………………………. Load – deflection diagrams of the beams……………………………. Axial load – FRP strain diagrams of the concentrically loaded columns101 Figure 11.

Axial load – FRP strain at the extreme compression fibre diagrams…. Strain distribution around the circumference of Column C80-25……. Experimental interaction diagrams for the tested columns……. Experimental and theoretical interaction diagrams for the tested columns…………………………………………………………………………….102 xii LIST OF TABLES Chapter 2 Table 1.

Pseudo-identical specimens in the database………………………………11 Table 2. Statistics of the column parameters for the proposed strength model….…11 Chapter 3 Compressive Strength Model Table 1. Summary of published models………………………………………. Test results of FRP-confined rectangular specimens……………….19 Compressive Strain Model Table 1.

Database of CFRP–confined circular concrete cylinders…………………. Database of CFRP–confined square concrete columns……………………33 Chapter 4 Table 1. Statistics of the input parameters for the proposed models…………. Test matrix…………………………………………………………………68 Table 2.

Residual strength of the tested specimens…………………………………69 Chapter 6 Circularization by Normal Strength Concrete Table 1. Test Matrix of the Experiment……………………………………………. Results of Specimens Tested under Concentric Loading………………. Results of Specimens Tested under Eccentric Loading (e = 15 mm)…….

Results of Specimens Tested under Eccentric Loading (e = 25 mm)……. Results of Specimens in Flexural Tests……………………………. Summary of Confinement Efficiency……………………….91 Circularization by High Strength Concrete Table 1. Test matrix…………………………………………………………………97 Table 2.

Summary of the tested columns under concentric loads………………….

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Cơ chế giới hạn của cột bê tông được gia cường bằng FRP trong luận án tiến sĩ" trình bày một cái nhìn sâu sắc về cách mà cột bê tông có thể được gia cường bằng vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer) để cải thiện khả năng chịu lực và độ bền. Tác giả phân tích các cơ chế giới hạn của cột bê tông, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất công trình. Tài liệu không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng.

Để mở rộng thêm kiến thức của bạn về các ứng dụng và nghiên cứu liên quan, bạn có thể tham khảo tài liệu Nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép có phụ gia tro bay gia cường bằng CFRP, nơi bạn sẽ tìm thấy thông tin về việc gia cường bê tông cốt thép bằng CFRP. Ngoài ra, tài liệu Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử cột bê tông cốt thép gia cường tấm CFRP chịu nén lệch tâm một phương sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa cường độ bê tông và hiệu suất của cột bê tông gia cường. Cuối cùng, tài liệu Nghiên cứu lý thiết và công nghệ sản xuất cát nhân tạo sử dụng cát nhân tạo trong bê tông xi măng cũng có thể cung cấp thêm thông tin về vật liệu xây dựng, góp phần làm phong phú thêm kiến thức của bạn trong lĩnh vực này.