COMMITMENT I commit this thesis is my own study. The data amd results stated in the thesis are true and done by myself. Never been published in any other researchs. Ho Chi Minh City, 30.
2021 (Signature) DOAN DINH THIEN VUONG THANK YOU LETTER After studying at Ho Chi Minh City University of Technology and Education, with the guidance and support of Teachers, I have completed my graduation thesis. I would like to give my sincerely thanks to the University Board and PhD. Nguyen Thanh Hung for creating favorable conditions for me to improve both knowledges and lifestyle. I would like to express my gratitude to the Dean and the Teachers of the Faculty of Civil Engineering for teaching and imparting valuable knowledges during the learning process as well as during my graduation thesis.
And especially, I am grateful to PhD. Dao Duy Kien and PhD. Nguyen Dinh Hung for his wholehearted helping and supporting to me; impart to me valuable experiences, knowledges as well as suggesting implementation directions for me to be able to complete the graduation topic well. Although, this thesis has done with my great efforts, but there were also many things needed to improve in the research process.
I look forward to receiving lots of attention, suggestions and advice from all of you so that the thesis will be more better. Best regards! Ho Chi Minh City, 30.2021 DOAN DINH THIEN VUONG i TÓM TẮT Sau vài năm sử dụng, các kết cấu BTCT nhìn chung đã xuống cấp do nhiều nguyên nhân. Một trong những nguyên nhân là do bê tông xuống cấp làm cho nước (H2O) và oxy (O2) hoặc ion clorua (Cl-) xâm nhập qua bề dày lớp phủ và gây ăn mòn thanh thép. Ăn mòn các thanh cốt thép làm giảm ứng suất liên kết giữa các thanh thép và xung quanh bê tông, khi đó làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu bê tông.
Vì vậy, mục tiêu của luận án là khảo sát ứng suất liên kết giữa thanh thép và bê tông dưới các yếu tố như đường kính thanh thép, cường độ nén và mức độ ăn mòn. Trong nghiên cứu này, thử nghiệm kéo ra được thực hiện để khảo sát ứng suất liên kết và bê tông với ảnh hưởng của các đường kính, cường độ nén và mức độ ăn mòn khác nhau. Cường độ nén bê tông là 25MPa, 35MPa và 45MPa. Các thanh thép có đường kính 12mm, 16mm và 20mm đã được kiểm tra.
Một đoạn thanh thép được đặt trong khối bê tông có kích thước 20x20x20cm bị ăn mòn đẩy nhanh vào môi trường ăn mòn NaCl3,5% hòa tan với các mức độ khác nhau 0%, 5%, 15% và 25%. Kết quả cho thấy cường độ nén càng cao thì mức độ ăn mòn càng nhỏ trong cùng điều kiện gia tốc. Mức độ ăn mòn được phân loại thành mức độ thấp, trung bình và nghiêm trọng. Cường độ liên kết giữa thanh thép và bê tông tăng khi cường độ nén tăng.
Độ bền liên kết này lớn hơn so với dự đoán của CEB-FIB. Kết quả cũng cho thấy tốc độ giảm cường độ liên kết là tuyến tính khi mức độ ăn mòn tăng lên ở mỗi cường độ nén của bê tông. Tốc độ giảm cường độ liên kết xảy ra nhanh hơn với sự gia tăng của mức độ ăn mòn khi cường độ nén bê tông được tăng lên. Tất cả các mẫu thử có đường kính 12mm và 16mm không bị ăn mòn đều bị lỗi ở chế độ kéo ra.
Trong khi đó, tất cả các mẫu vật có đường kính 20mm và 16mm bị ăn mòn đều bị hỏng ở chế độ hỏng hóc. Sau các thử nghiệm kéo ra, tất cả các thanh thép được thử lại về độ căng. Kết quả cho thấy mức độ ăn mòn càng cao thì độ bền của mẫu càng nhỏ. Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) cũng được áp dụng để nghiên cứu cơ chế hư hỏng của mẫu vật.
Các mẫu vật được lập mô hình bằng phần mềm ANSYS. Một dầm bê tông được mô hình hóa bằng cách sử dụng phần tử SOLID65 với kích thước mắt lưới khoảng 50mm. Các giá trị ứng suất-biến dạng đơn trục nén được đưa ii vào để xác định tính phi tuyến của vật liệu bê tông. Thanh thép được mô hình hóa bởi phần tử LINK180 với luật chống đàn hồi-dẻo.
Mô hình vùng kết dính (CZM) được sử dụng để mô hình hóa liên kết giao diện giữa thép cây có hoặc không có ăn mòn và bê tông. Kết quả cho thấy kết quả của FEM có sự phù hợp tốt với kết quả thí nghiệm. Các mô hình cấu thành của vật liệu có thể được áp dụng cho nghiên cứu tham số trong công việc trong tương lai. Trong điều kiện này, ảnh hưởng của đường kính, cường độ nén và mức độ ăn mòn đến ứng suất liên kết giữa thanh thép và bê tông đã được tiến hành.
Độ bền liên kết giảm khi cường độ nén bê tông giảm và mức độ ăn mòn tăng lên. Kết quả thí nghiệm và phương pháp FEM có thể giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của thanh thép bị ăn mòn khi làm việc chung với bê tông. iii ABSTRACT After several years of service, RC structures are generally degraded by many reasons. One of the reasons is that the concrete deterioration makes water (H2O) and oxygen (O2) or ion chloride (Cl-) penetrate through a cover thickness and causing the corrosion of steel bars.
Corrosion of the steel reinforcement bars reduces bond stress between the steel bars and around concrete that was then reduces the capacity of concrete structures. Therefore, objective of this thesis was investigate bond stress between steel bar and concrete under factors such as diameter of steel bar, compressive strength and corrorion level. In this study, the pull-out test was conducted to investigate the bond stress and concrete with effect of different diameters, compressive strengths and corrosion levels. The concrete compressive strength was 25MPa, 35MPa and 45MPa.
The steel bars with a diameter of 12mm, 16mm and 20mm was examined. A segment of the steel bar embedded in a concrete block 20x20x20cm was accelerated corrosion into the corrosion environment NaCl3.5% soluble with different level of 0%, 5%, 15% and 25%. The results showed that the higher compressive strength was, the smaller corrosion level was in the same condition of acceleration. Corrosion level was classified into low, moderate and severe.
Bond strength between steel bar and concrete increased when compressive strength increased. This bond strength was larger than that predicted by CEB-FIB. The results also showed that reduction rate of bond strength was linear when corrosion level increased in each compressive strength of concrete. The rate reduction of bond strength occurred faster with the increment of the corrosion level when the concrete compressive strength was increased.
All specimens with a diameter of 12mm and 16mm without corrosion were found to fail in pull-out failure mode. Meanwhile, all specimens with a diameter of 20mm and 16mm with corrosion were found to fail in spliting failure mode. After pull-out tests, all steel bars were tested in tension again. The results showed that the higher corrosion level was, the smaller yeild strength of specimen was.
iv Finite element analysis (FEM) method was also applied to investigate the failure mechanism of specimens. The specimens were modeled by software ANSYS. A concrete beam was modeled using a SOLID65 element with a mesh size of around 50mm. The compressive uniaxial stress–strain values were included to define the nonlinearities of concrete material.
Steel bar was modeled by LINK180 element with elasto-plastic consititutive law. The Cohesive Zone Model (CZM) is used to model the interfaced bond between rebar with or without corrosion and concrete. Results showed that FEM results had a good agreement with experiment results. The constitutive models of materials could be applied for parametric study in the future work.
In this sudy, the effects of diameter, compressive strength and corrosion level on bond stress between steel bar and concrete were conducted. Bond strenght was reduced when concrete compressive strength reduced and corrosion level increased. The experimental and FEM results could help the more understanding the behavior of corroded steel bar embeded into concrete. APPROACH, RESEARCH METHOD.
19 THEORETICAL BASIS OF THE STUDY .1 CORROSION PROCESS OF REINFORCEMENT IN CONCRETE .1 Environmental Severity Factors Influencing Corrosion. Identifying And Recognizing Common Forms Of Corrosion. Electrochemical cell and corrosion in concrete. Theoretical and practical corrosion levels.
BOND STRESS OF CONCRETE AND REINFORCEMENT. Bonding between concrete and reinforcement. Factors that contribute to bonded – stress. Factors affecting bonded – stress.
Determine bonded – stress. The purpose of the experiment is to determine the properties of concrete and reinforcement when it is corroded. SIMULATE THE PULL OUT EXPERIMENT BY THE FINITE ELEMENT METHOD. Research purpose and object.
Introduction to ANSYS software. Finite element simulation. Modeling geometry and meshing. 40 PROCESS AND EVALUATION OF EXPERIMENTAL RESULTS.
Number of specimens tested. Electrolymification corrosion time calculation. CONCRETE MIX DESIGN. THE EXPERIMENT TO DETERMINE BOND STRESS OF REINFORCEMENT TO CONCRETE WHEN CORRODED.
Results and discussion. Results of bond strength with further corroded specimens. Crack opening after artificial corrosion. Bond stress-slip relationships.
THE EXPERIMENT TO EVALUATE THE CHARACTERISTICS AND TENSILE STRENGTH OF REINFORCEMENT WHEN BEING CORRODED. Coefficient of corrosion grade rating is based on d and r. Coefficient of corrosion mass rating is based on w. Bearing capacity of reinforcement when corrosive.
83 SIMULATE ANALYSIS OF EXPERIMENT RESULTS BY ANSYS. SIMULATION OF TENSILE TEST. FE bond-slip model using Cohesive Zone Model (CZM). Modeling of concrete.
Reinforcing bar model. Reinforcing bar element. Cohesive Zone Model (CZM) .1 Deriving Basic FEM Equations .2 Discretisation of the Variational Statements of the Interface .3 Deriving the Cohesive Element Stiffness Matrix. Results of simulation of the Stress – Strain relationship of M1 group specimens.2 Results of simulation of the Stress – Strain relationship of M2 group specimens.3 Results of simulation of the Stress – Strain relationship of M3 group specimens.
Results of simulation of bond stress when corroded and ultra – high perfomance concrete (UHPC). 105 CONCLUSION AND FUTURE PLAN. 107 ix LIST OF ABBREVIATIONS Abbreviations English meaning RC Reinforced concrete GPC Geopolymer concrete TCVN Vietnam Standards TCN Construction industry standards FEM Finite Element Method AI Artificial intelligence CFRP Carbon fiber reinforced polymer ANSYS FEM Software x LIST OF FIGURES Fig 1. 1 Current status of reinforcement corrosion on some real projects [4].
2 The bond sections displaying the reduction in observed cross section [6]. 3 Relationship between bond stress and displacement in the experiment [6]. 4 Specimens test details; (a). Ø 12mm, ld= 60 mm; (b).
Ø 12mm, ld = 167 mm; (c). Ø 20mm, ld = 100 mm [7]. 5 Comparison of the corroded and non-corroded tensile bars. 6 Compare the strength of steel when corroded by experiment simulation [14].
8 Postrepair Performance of Specimens in Accelerated Corrosion Conditions: (a) Radial Expansion Strains versus Time; (b) Estimated Cumulative Steel Loss versus Time [26]. 9 Diagnosing analysis results for the RC beam in CBS program [31]. 10 The relationship between load and mid-point displacement of beam. 11 Types of destructive samples [34].
12 The ABAQUS model [34]. 13 Model of bond - bonding elements in reinforcement and concrete in simulation ABAQUS [35]. 14 Value of plastic deformation of concrete and distribution of tensile stress in simulation [35] .