Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu sử dụng tấm CFRP để gia cường kết cấu dầm thép

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu sử dụng tấm cfrp fiber reinforced polymer composites để gia cường kết cấu dầm thép, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Trần Ngọc Mận
• Người hướng dẫn: TS. Trần Tuấn Kiệt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Tấm CFRP Trong Gia Cường Dầm Thép
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.3.1. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.3.2. Nghiên cứu trong nước
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Vật liệu composite FRP
• 1.6.1. Cấu tạo và đặc trưng vật liệu composite CFRP
• 1.7. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG ABAQUS TRONG MÔ PHỎNG BÀI TOÁN GIA CƯỜNG CFRP CHO DẦM THÉP
• 2.1. Tổng quan về Abaqus
• 2.2. Mô tả thí nghiệm (Theo Talat Salama and Ahmed [17])
• 2.2.1. Quy trình thực hiện thí nghiệm
• 2.2.2. Chuẩn bị chi tiết mẫu
• 2.2.3. Quá trình chuẩn bị gia cường
• 2.2.4. Thiết bị đo thông số thí nghiệm
• 2.2.5. Tiến hành thí nghiệm
• 2.2.6. Kết quả thí nghiệm
• 2.3. Mô phỏng bằng Abaqus và đối chiếu với kết quả thực nghiệm
• 2.3.1. Kỹ thuật lập mô hình
• 2.3.1.1. Các thành phần kết dính và mô hình vật liệu keo
• 2.3.1.2. Giới hạn bề mặt
• 2.3.2. Mô phỏng Abaqus từ kết quả thực nghiệm
• 2.3.2.1. Xây dựng mô hình ba chiều dầm chữ I
• 2.3.2.2. Xây dựng mô hình tấm CFRP
• 2.3.2.3. Khai báo vật liệu
• 2.3.2.3.1. Khai báo vật liệu thép
• 2.3.2.3.2. Vật liệu CFRP
• 2.3.2.4. Gán vật liệu cho phần tử dầm
• 2.3.2.5. Gán vật liệu cho phần tử CFRP
• 2.3.3. Ghép các phần tử
• 2.3.4. Chia mắt lưới cho đối tượng
• 2.3.5. Khai báo điều kiện biên
• 2.3.6. Khai báo bề mặt tương tác
• 2.3.7. Định nghĩa và gán tải trọng
• 2.3.8. Phân tích kết quả
• 2.3.9. Đánh giá kết quả giữa thí nghiệm và mô phỏng Abaqus
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THAM SỐ ẢNH HƯỞNG TRONG DẦM GIA CƯỜNG
• 3.1. Đối tượng mô phỏng trong mô hình 3D
• 3.2. Khảo sát tham số bằng Abaqus
• 3.2.1. Khảo sát chiều dài tấm gia cường và vị trí gia cường
• 3.2.1.1. Dầm thép gia cường tấm CFRP mép dưới cánh dưới (dầm 4m)
• 3.2.1.2. Dầm thép gia cường tấm CFRP mép dưới cánh dưới (dầm 6m)
• 3.2.1.3. Dầm thép gia cường tấm CFRP mép dưới cánh dưới (dầm 8m)
• 3.2.1.4. Dầm thép gia cường hai tấm CFRP mép trên cánh dưới – dầm 4 (L=4m)
• 3.2.1.5. Dầm thép gia cường hai tấm CFRP mép trên cánh dưới – dầm 4 (L=8m)
• 3.2.1.6. Dầm thép gia cường CFRP mép dưới và mép trên cánh dưới - dầm 5 (L=4m)
• 3.2.1.7. Dầm thép gia cường CFRP mép dưới và mép trên cánh dưới - dầm 5 (L=8m)
• 3.2.1.8. Dầm thép gia cường CFRP hai lớp mép dưới cánh dưới - dầm 6 (L=4m)
• 3.2.1.9. Dầm thép gia cường CFRP hai mép dưới cánh dưới - dầm 6 (L=8m)
• 3.2.2. Khảo sát chiều rộng tấm gia cường
• 3.2.3. Kết luận số liệu khảo sát tham số
• 4. CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG CẤU KIỆN DẦM CHỮ I
• 4.1. Giới thiệu chương
• 4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 4.3. Bài toán ứng dụng
• 4.4. Tính toán thiết kế dầm gia cường
• 4.5. Tính toán thiết kế dầm không gia cường
• 4.6. Kiểm tra mô phỏng ABAQUS so sánh kết quả với lý thuyết
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh phát triển của ngành xây dựng, việc gia cường kết cấu thép trở thành một nhu cầu cấp thiết. CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) đã được nghiên cứu và ứng dụng như một giải pháp hiệu quả để cải thiện khả năng chịu lực của dầm thép. Việc sử dụng tấm CFRP không chỉ giúp khắc phục các vấn đề do ăn mòn và lão hóa mà còn tăng cường độ bền cho kết cấu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và đánh giá hiệu quả của vật liệu composite trong việc gia cường dầm thép. Theo đó, các phương pháp gia cường truyền thống như hàn bù hay thay thế phần hư hỏng thường gặp nhiều hạn chế, trong khi CFRP mang lại nhiều lợi ích vượt trội như trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và dễ dàng thi công.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Sự xuống cấp của các công trình xây dựng bằng thép do tác động của môi trường và thời gian là một vấn đề nghiêm trọng. Nhu cầu sửa chữa và gia cường các kết cấu này ngày càng tăng, đặc biệt là trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Việc áp dụng CFRP trong gia cường không chỉ giúp phục hồi khả năng chịu lực mà còn giảm thiểu khối lượng bản thân của kết cấu. Nghiên cứu này nhằm tìm ra phương pháp tối ưu để ứng dụng CFRP trong gia cường dầm thép, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và tuổi thọ của công trình.

II. Ứng dụng CFRP trong gia cường dầm thép

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng CFRP trong gia cường dầm thép có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu. Các thí nghiệm và mô phỏng bằng phần mềm Abaqus cho thấy rằng tấm CFRP có thể tăng cường khả năng chịu tải trọng lên đến 90%. Phương pháp này không chỉ đơn giản trong thi công mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí. CFRP có khả năng chống lại sự ăn mòn và tác động của môi trường, điều này rất quan trọng trong các công trình xây dựng ở khu vực có khí hậu khắc nghiệt. Việc áp dụng CFRP cũng giúp giảm thiểu các ứng suất phụ trong kết cấu, từ đó bảo đảm tính ổn định và an toàn cho công trình.

2.1. Phương pháp gia cường

Phương pháp gia cường bằng CFRP bao gồm việc dán tấm CFRP lên bề mặt của dầm thép. Quy trình này yêu cầu chuẩn bị bề mặt kỹ lưỡng để đảm bảo độ bám dính tối ưu. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc dán tấm CFRP ở các vị trí chiến lược có thể tối ưu hóa khả năng chịu lực của dầm thép. Hơn nữa, việc sử dụng CFRP giúp giảm thiểu khối lượng và tăng tính linh hoạt cho thiết kế kết cấu, điều này rất quan trọng trong các công trình hiện đại.

III. Kết quả nghiên cứu và phân tích

Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng CFRP có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của dầm thép. Các mô hình phân tích số liệu cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa độ dày của tấm CFRP và khả năng chịu tải trọng của kết cấu. Việc sử dụng CFRP không chỉ giúp khôi phục khả năng chịu lực mà còn tăng cường độ bền cho kết cấu. Các số liệu thu thập được từ thí nghiệm và mô phỏng cho thấy rằng CFRP là một giải pháp khả thi và hiệu quả cho việc gia cường dầm thép trong ngành xây dựng.

3.1. Đánh giá hiệu quả

Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng CFRP trong gia cường dầm thép cho thấy rằng phương pháp này không chỉ cải thiện khả năng chịu lực mà còn kéo dài tuổi thọ của kết cấu. Các kết quả cho thấy rằng việc áp dụng CFRP có thể giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa trong tương lai. Hơn nữa, việc sử dụng CFRP cũng giúp tăng cường tính bền vững cho các công trình xây dựng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về an toàn và hiệu quả trong ngành xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, kết cấu thép đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ bền và tính ổn định của công trình. Tuy nhiên, qua thời gian sử dụng, các kết cấu thép thường bị suy giảm khả năng chịu lực do hiện tượng mỏi kết cấu, ăn mòn bề mặt và tác động của môi trường, đặc biệt là trong các công trình cầu đường, nhà xưởng và tháp thép. Theo ước tính, việc suy giảm này có thể làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu từ 20% đến 40% sau một chu kỳ sử dụng nhất định. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp gia cường kết cấu thép nhằm phục hồi và nâng cao khả năng chịu lực là rất cần thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu việc sử dụng tấm CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) để gia cường kết cấu dầm thép chữ I, nhằm tăng cường khả năng chịu uốn và kéo dài tuổi thọ công trình. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm Abaqus để dự đoán khả năng tăng cường tải trọng của dầm thép sau khi gia cường bằng tấm CFRP, khảo sát các tham số ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường và đề xuất quy trình tính toán thiết kế dầm thép gia cường tấm CFRP. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dầm thép chữ I có chiều dài từ 4 đến 8 mét, với vị trí gia cường chủ yếu ở mép dưới cánh dưới dầm, trong khoảng thời gian nghiên cứu thực hiện vào năm 2018 tại thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một phương pháp gia cường kết cấu thép hiện đại, hiệu quả, giúp tăng khả năng chịu lực lên đến 24-39% so với dầm chưa gia cường, đồng thời giảm thiểu khối lượng thí nghiệm thực tế và tiết kiệm chi phí bảo trì, sửa chữa. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ bền và tính an toàn cho các công trình xây dựng sử dụng kết cấu thép, đặc biệt trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như vùng biển hoặc khu công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để phân tích và mô phỏng gia cường kết cấu dầm thép bằng tấm CFRP:

1. Lý thuyết vật liệu composite FRP: Vật liệu CFRP là loại composite gồm sợi carbon có độ bền kéo cao (từ 1200 đến 2410 MPa) và mô đun đàn hồi lớn (từ 50 đến 250 GPa), kết hợp với nhựa epoxy làm chất kết dính. Tỷ lệ sợi trong tấm CFRP khoảng 25-35%, chịu lực chính là sợi carbon, trong khi nhựa epoxy truyền tải ứng suất và bảo vệ sợi. Đặc tính này giúp CFRP có trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt, phù hợp để gia cường kết cấu thép.

2. Lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM) và mô phỏng Abaqus: Abaqus là phần mềm mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép mô hình hóa kết cấu phức tạp với các vật liệu khác nhau, bao gồm thép và composite CFRP. Mô hình Abaqus được xây dựng với các thành phần như dầm thép chữ I, tấm CFRP, lớp keo epoxy kết dính và điều kiện biên phù hợp. Phương pháp này giúp phân tích ứng xử cơ học của dầm gia cường dưới tải trọng uốn, dự đoán biến dạng và khả năng chịu lực.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu bao gồm: mô đun đàn hồi, độ bền kéo, ứng suất tiếp xúc giữa lớp keo và vật liệu, biến dạng dầm, và chế độ phá hoại của kết cấu gia cường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính của luận văn bao gồm kết quả thí nghiệm thực tế từ hai dầm thép chữ I, một dầm không gia cường và một dầm được gia cường bằng tấm CFRP dán ở mép dưới cánh dưới, cùng với dữ liệu kỹ thuật vật liệu do nhà sản xuất cung cấp. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 2 dầm, được lựa chọn nhằm so sánh trực tiếp hiệu quả gia cường.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Abaqus, với mô hình 3D chi tiết, bao gồm khai báo vật liệu thép CT3, vật liệu CFRP với các đặc tính cơ học như mô đun kéo 155 GPa, độ bền kéo 2790 MPa, và lớp keo epoxy hai thành phần. Mô hình được chia lưới tinh để đảm bảo độ chính xác, áp dụng điều kiện biên gối cố định và gối di động, cùng tải trọng tập trung tại vị trí giữa dầm.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thực hiện thí nghiệm, phân tích kết quả và đề xuất quy trình tính toán. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng số nhằm kiểm chứng độ chính xác và tính ứng dụng của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng khả năng chịu lực của dầm thép sau gia cường CFRP: Kết quả thí nghiệm cho thấy dầm thép được gia cường bằng tấm CFRP có khả năng chịu tải tăng khoảng 39% so với dầm không gia cường. Mô phỏng Abaqus cũng cho kết quả tương tự, với sai số dưới 5% so với thực nghiệm, chứng tỏ mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao.

2. Ảnh hưởng của chiều dài và vị trí tấm CFRP: Khảo sát tham số cho thấy khi chiều dài tấm CFRP tăng từ 60% đến 90% chiều dài dầm, khả năng chịu lực của dầm gia cường tăng lên tương ứng từ 24% đến 35%. Vị trí dán tấm CFRP ở mép dưới cánh dưới dầm mang lại hiệu quả gia cường tốt nhất, so với vị trí dán ở mép trên hoặc cả hai mép.

3. Ảnh hưởng của độ dày và số lớp tấm CFRP: Việc sử dụng hai lớp tấm CFRP thay vì một lớp giúp tăng khả năng chịu lực thêm khoảng 10-15%. Độ dày tấm CFRP cũng ảnh hưởng đến chế độ phá hoại của dầm, với tấm dày hơn làm giảm nguy cơ bong tróc lớp keo và tăng độ bền kết cấu.

4. Hiệu quả của lớp keo epoxy kết dính: Lớp keo epoxy có vai trò quan trọng trong việc truyền tải ứng suất giữa dầm thép và tấm CFRP. Mô hình mô phỏng cho thấy ứng suất tập trung lớn nhất tại mặt tiếp xúc đầu tấm gia cường, đây là vị trí dễ xảy ra hiện tượng bong tróc nếu lớp keo không đảm bảo chất lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng cường khả năng chịu lực là do vật liệu CFRP có mô đun đàn hồi và độ bền kéo cao, giúp tăng cứng và chịu uốn cho dầm thép. Việc lựa chọn vị trí dán tấm CFRP ở mép dưới cánh dưới dầm tận dụng được vùng chịu kéo lớn nhất, từ đó phát huy tối đa hiệu quả gia cường.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tăng cường tải trọng từ 24% đến 39% phù hợp với các báo cáo trước đây, đồng thời mô hình Abaqus được xây dựng chi tiết hơn với các tham số vật liệu và điều kiện biên thực tế tại Việt Nam. Việc mô phỏng giúp giảm thiểu khối lượng thí nghiệm trong phòng lab, tiết kiệm thời gian và chi phí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tải trọng - chuyển vị, biểu đồ ứng suất phân bố trên dầm và bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm so với mô phỏng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả gia cường và các tham số ảnh hưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng rộng rãi tấm CFRP trong gia cường kết cấu thép: Khuyến nghị các đơn vị thi công và thiết kế công trình sử dụng tấm CFRP để gia cường dầm thép, đặc biệt trong các công trình có yêu cầu nâng cao khả năng chịu lực hoặc sửa chữa kết cấu bị suy giảm. Thời gian thực hiện gia cường có thể rút ngắn xuống còn khoảng 4-7 ngày cho mỗi dầm.

2. Tối ưu hóa kích thước và vị trí tấm CFRP: Đề xuất sử dụng tấm CFRP có chiều dài chiếm từ 75% đến 90% chiều dài dầm, dán ở mép dưới cánh dưới để đạt hiệu quả gia cường tối ưu. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế kết cấu và nhà thầu thi công.

3. Kiểm soát chất lượng lớp keo epoxy kết dính: Đề nghị sử dụng loại keo epoxy có độ bám dính cao, chịu được môi trường khắc nghiệt, đồng thời kiểm tra kỹ lưỡng bề mặt dán trước khi thi công để tránh hiện tượng bong tróc. Thời gian bảo dưỡng keo nên đảm bảo ít nhất 24 giờ trước khi chịu tải.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ thi công: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật gia cường bằng vật liệu CFRP, sử dụng phần mềm mô phỏng Abaqus để dự đoán và kiểm soát chất lượng công trình. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và các công ty xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và quy trình tính toán chi tiết giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn phương án gia cường phù hợp, tối ưu hóa chi phí và đảm bảo an toàn công trình.

2. Nhà thầu thi công xây dựng: Các nhà thầu có thể áp dụng kỹ thuật dán tấm CFRP và quy trình thi công được đề xuất để nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công, rút ngắn thời gian và giảm chi phí bảo trì.

3. Chuyên gia nghiên cứu vật liệu composite: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng về đặc tính cơ học của vật liệu CFRP trong ứng dụng gia cường kết cấu thép, hỗ trợ phát triển các vật liệu composite mới.

4. Cơ quan quản lý và bảo trì công trình: Thông tin về hiệu quả gia cường và các tham số kỹ thuật giúp cơ quan quản lý đưa ra các quyết định bảo trì, sửa chữa và nâng cấp công trình một cách khoa học và tiết kiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tấm CFRP có thể gia cường được những loại kết cấu thép nào?
   Tấm CFRP phù hợp để gia cường các kết cấu thép chịu uốn như dầm chữ I, dầm cầu, cột thép và các kết cấu có hình dạng phức tạp. Ví dụ, tại một số công trình cầu ở Việt Nam, CFRP đã được sử dụng để gia cường dầm chủ, tăng khả năng chịu lực lên đến 39%.

2. Quy trình thi công dán tấm CFRP gồm những bước nào?
   Quy trình gồm chuẩn bị bề mặt dầm (mài nhẵn, làm sạch), thoa keo epoxy đều trên bề mặt, dán tấm CFRP đúng vị trí, ép chặt bằng cùm lực để đảm bảo tiếp xúc tốt, và bảo dưỡng keo trong ít nhất 24 giờ trước khi chịu tải.

3. Mô hình Abaqus giúp gì trong nghiên cứu gia cường kết cấu?
   Mô hình Abaqus cho phép mô phỏng ứng xử cơ học của dầm thép gia cường CFRP dưới tải trọng thực tế, dự đoán biến dạng và ứng suất, từ đó tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu thí nghiệm thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian.

4. Ảnh hưởng của độ dày tấm CFRP đến hiệu quả gia cường như thế nào?
   Độ dày tấm CFRP càng lớn thì khả năng chịu lực của dầm càng tăng, tuy nhiên cần cân nhắc chế độ phá hoại và hiện tượng bong tróc lớp keo. Nghiên cứu cho thấy tăng độ dày từ 1.4mm lên 4mm giúp tăng cường độ chịu lực thêm khoảng 10-15%.

5. Vật liệu keo epoxy có vai trò gì trong gia cường CFRP?
   Keo epoxy là lớp kết dính giữa tấm CFRP và dầm thép, truyền tải ứng suất và đảm bảo sự làm việc đồng bộ của hai vật liệu. Chất lượng keo ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của kết cấu gia cường.

Kết luận

• Việc sử dụng tấm CFRP để gia cường kết cấu dầm thép chữ I giúp tăng khả năng chịu lực lên đến 39% so với dầm không gia cường.
• Mô hình mô phỏng Abaqus được xây dựng chính xác, cho kết quả tương đồng với thí nghiệm thực tế, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế gia cường.
• Các tham số như chiều dài, vị trí dán và độ dày tấm CFRP ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả gia cường và chế độ phá hoại của kết cấu.
• Quy trình thi công gia cường bằng tấm CFRP đơn giản, nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và thời gian bảo trì cho công trình.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu CFRP trong các loại kết cấu thép khác và phát triển các vật liệu kết dính có tính năng cao hơn.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế nên áp dụng mô hình mô phỏng và quy trình tính toán được đề xuất để triển khai thực tế, đồng thời cập nhật các công nghệ vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu quả gia cường kết cấu thép. Hãy bắt đầu áp dụng giải pháp gia cường CFRP để nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình của bạn ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NGỌC MẬN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TẤM CFRP (FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITES) ĐỂ GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM THÉP NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP – 60580208 S K C0 0 5 8 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TẤM CFRP (FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITES) ĐỂ GIA CƢỜNG KẾT CẤU DẦM THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD & CN MÃ SỐ HỌC VIÊN: 1680834 HVTH: TRẦN NGỌC MẬN GVHD: TS. TRẦN TUẤN KIỆT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2018 i Luan van i Luan van Luan van iii Luan van iv Luan van v Luan van vi Luan van vii Luan van viii Luan van ix Luan van x Luan van ii Luan van iii Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TẤM CFRP ĐỂ GIA CƢỜNG KẾT CẤU DẦM THÉP ” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2018 Ngƣời thực hiện luận văn Trần Ngọc Mận iv Luan van LỜI CẢM ƠN Sau thời gian đƣợc học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học sƣ phạm Thành phố Hồ Chí Minh, em đã đƣợc học tập và nghiên cứu trong môi trƣờng hiện đại, đầy đủ tiện nghi; đƣợc các Thầy cô nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu. Những kiến thức đó giúp em vận dụng vào cuộc sống, công việc của mình, đồng thời nó cũng không thể thiếu để giúp tiếp cận nghiên cứu sâu trong môi trƣờng khoa học hiện đại và cụ thể đã giúp em hoàn thành Luận văn này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến nhà trƣờng và tất cả quý Thầy cô.

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy hƣớng dẫn Luận văn, Thầy TS. Trần Tuấn Kiệt, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ cho em những kiến thức sâu rộng trong suốt quá trình thực hiện Luận văn. Sự quan tâm chỉ bảo và hƣớng dẫn thƣờng xuyên của các Thầy là động lực rất lớn giúp em hoàn thành tốt Luận văn. Xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp - những ngƣời đã không ngừng động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện hoàn thành Luận văn của mình.

Do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và trình độ có hạn, mặc dù em đã hết sức cố gắng nhƣng trong luận văn không tránh khỏi những hạn chế khiếm khuyết nhất định, rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn để luận văn hoàn thiên hơn. Xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2018 Ngƣời thực hiện luận văn Trần Ngọc Mận v Luan van TÓM TẮT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TẤM CFRP ĐỂ GIA CƢỜNG KẾT CẤU DẦM THÉP Nhiệm vụ của đề tài luận văn này là dự đoán khả năng tăng cƣờng tải trọng của dầm thép sau khi gia cƣờng tấm CFRP. Trọng tâm chính của luận văn là xây dựng một chƣơng trình mô phỏng Abaqus và vận dụng lý thuyết để dự đoán khả năng tăng cƣờng độ chịu lực của dầm gia cƣờng xây dựng quy trình tính toán.

Mô hình Abaqus để phân tích ứng xử qua nhiều mô hình có cấu trúc gia cƣờng khác nhau sau đó chọn lọc ra các tham số của vật liệu gia cƣờng đem lại hiệu quả nhất, để áp dụng vào bài toán ứng dụng việc nghiên cứu đề tài này nhằm tạo thêm một cánh thức gia cƣờng đáng tin cậy đồng thời ứng dụng phần mềm nhằm giảm bớt khối lƣợng trong phòng thí nghiệm. Phần cuối của đề tài, trình bày việc kiểm nghiệm tính chính xác của chƣơng trình thông qua so sánh kết quả từ mô hình phân tích số với kết quả lý thuyết và đề xuất các tham số hiệu quả của vật liệu gia cƣờng CFRP trên kết cấu dầm thép. Luận văn này đƣợc bố cục thành các phần chính sau đây: - Chƣơng 1: Tổng quan - Chƣơng 2: Ứng dụng Abaqus trong mô phỏng bài toán gia cƣờng cho dầm thép - Chƣơng 3: Khảo sát tham số - Chƣơng 4: Bài toán ứng dụng - Chƣơng 5: Kết luận kiến nghị vi Luan van ABSTRACT A PROJECT TO PROMOTE STEEL BEAM REINFORCED WITH CARBON FIBER REINFORCED POLYMER Mission of this graduation thesis is the estimation of the ability to increase load of steel beam with addition of CFRP plate. The main purposes focus on building up a model of the ABAQUS then applying the theory to predict the ability to improve load of strengthened steel beam creating method for calculation.

ABAQUS model is used to analyze the numerous models with distinct structure for collecting the most effective data of different matter. Then the data is applied in the created algorithm to establish the trusted method for enhancing as long as reducing amount of work in lab. The end of this project targets on the review of the accuracy within the comparison of results those were gathered from theory method and model's data in term of the statistic of the enhanced steel beam with CFRP plate. The graduation thesis is composed of five chapters: Chapter 1: Overview Chapter2: Application of ABAQUS in building up the algorithm Chapter 3: Examine the parameter Chapter4: Application problem Chapter5: Conclusion.

vii Luan van MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI. i LÝ LỊCH KHOA HỌC .ii LỜI CẢM ƠN. vii A PROJECT TO PROMOTE STEEL BEAM REINFORCED WITH CARBON FIBER REINFORCED POLYMER. vii CHƢƠNG 1.

Giới thiệu chung. Tính cấp thiết của đề tài. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc. Nghiên cứu ngoài nƣớc.

Nghiên cứu trong nƣớc. Mục tiêu nghiên cứu. Phạm vi, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu .4 Vật liệu composite FRP. Cấu tạo và đặc trƣng vật liệu composite CFRP .5 Kết luận chƣơng.

19 ỨNG DỤNG ABAQUS TRONG MÔ PHỎNG BÀI TOÁN GIA CƢỜNG CFRP CHO DẦM THÉP .1 Tổng quan về Abaqus. 19 viii Luan van 2.2 Mô tả thí nghiệm (Theo Talat Salama and Ahmed [17]) .1 Quy trình thực hiện thí nghiệm. Chuẩn bị chi tiết mẫu .2 Quá trình chuẩn bị gia cƣờng.3 Thiết bị đo thông số thí nghiệm .4 Tiến hành thí nghiệm .5 Kết quả thí nghiệm .3 Mô phỏng bằng Abaqus và đối chiếu với kết quả thực nghiệm .1 Kỹ thuật lập mô hình .1 Các thành phần kết dính và mô hình vật liệu keo.2 Giới hạn bề mặt .2 Mô phỏng Abaqus từ kết quả thực nghiệm .1 Xây dựng mô hình ba chiều dầm chữ I .2 Xây dựng mô hình tấm CFRP.3 Khai báo vật liệu .1 Khai báo vật liệu thép .2 Vật liệu CFRP .1 Gán vật liệu cho phần tử dầm .2 Gán vật liệu cho phần tử CFRP .4 Ghép các phần tử .5 Chia mắt lƣới cho đối tƣợng .6 Khai báo điều kiện biên .7 Khai báo bề mặt tƣơng tác. 41 ix Luan van 2.8 Định nghĩa và gán tải trọng.

Phân tích kết quả .5 Đánh giá kết quả giữa thí nghiệm và mô phỏng Abaqus. 48 PHÂN TÍCH THAM SỐ ẢNH HƢỞNG TRONG DẦM GIA CƢỜNG .2 Đối tƣợng mô phỏng trong mô hình 3D .3 Khảo sát tham số bằng Abaqus .1 Khảo sát chiều dài tấm gia cƣờng và vị trí gia cƣờng .1 Dầm thép gia cƣờng tấm CFRP mép dƣới cánh dƣới (dầm 4m) .2 Dầm thép gia cƣờng tấm CFRP mép dƣới cánh dƣới (dầm 6m) .3 Dầm thép gia cƣờng tấm CFRP mép dƣới cánh dƣới (dầm 8m) .3 Dầm thép gia cƣờng hai tấm CFRP mép trên cánh dƣới –dầm 4 (L=4m) .4 Dầm thép gia cƣờng hai tấm CFRP mép trên cánh dƣới –dầm 4 (L=8m) .5 Dầm thép gia cƣờng CFRP mép dƣới và mép trên cánh dƣới - dầm 5 (L=4m)63 3.6 Dầm thép gia cƣờng CFRP mép dƣới và mép trên cánh dƣới - dầm 5 (L=8m)65 3.7 Dầm thép gia cƣờng CFRP hai lớp mép dƣới cánh dƣới-dầm 6 (L=4m) .8 Dầm thép gia cƣờng CFRP hai mép dƣới cánh dƣới-dầm 6 (L=8m) .2 Khảo sát chiều rộng tấm gia cƣờng .2 Kết luận số liệu khảo sát tham số. 74 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƢỜNG CẤU KIỆN DẦM CHỮ I. Giới thiệu chƣơng.

Phƣơng pháp nghiên cứu. Bài toán ứng dụng. Tính toán thiết kế dầm gia cƣờng .2 Tính toán thiết kế dầm không gia cƣờng .4 Kiểm tra mô phỏng ABAQUS so sánh kết quả với lý thuyết. 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

89 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 90 xi Luan van DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 2. 1: Vị trí gia cƣờng tấm CFRP và sơ đồ kết cấu. 2: Làm phẳng bề mặt CFRP.

3:Thoa keo Epoxy trên bề mặt đã đƣợc chuẩn bị. 4: Dán các tấm gia cƣờng vào dầm thép. 5: Cùm bề mặt tạo áp lực lên tấm CFRP. 6: Sơ đồ thí nghiệm, bố trí các thiết bị đo.

7: Kích thƣớc và vị trí đo biến dạng. 8: Dầm bị phá hủy khi kết thúc thí nghiệm. 9: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị dầm 1 và dầm 2. 10: Định nghĩa tải trọng tập trung.

11: Định nghĩa điều kiện biên vị trí gối cố định. 12: Định nghĩa điều kiện biên vị trí gối di động. 13: Ràng buộc hai bề mặt tƣơng tác. 14: Cửa sổ Create Part.

15: Mặt cắt ngang dầm chữ I. 16: Cửa sổ Edit Base Extrusion. 17: Mô hình ba chiều dầm thép hình. 18: Cửa sổ Create Part.

19: Mô hình tấm CFRP. 20: Mô hình bản kê đặt lực. 21: Hộp thoại Edit Material. 22: Hộp thoại Edit Material.

23: Hộp thoại Damage Evolution. 35 xii Luan van Hình 2. 24: Hộp thoại Damage Stabilization. 25: Hộp thoại Elastic.

26: Gán vật liệu cho phần tử dầm thép. 27: Gán vật liệu cà chiều dày tấm CFRP. 28: Ghép phần tử. 29: Mô hình dầm gia cƣờng.

31: Chia ô lƣới các đối tƣợng. 32: Định nghĩa điều kiện biên. 33: Khai báo điều kiện biên. 34: Liên bề mặt tiếp xúc.

35: Liên kết chất kết dính. 36: Khai báo và gán tải trọng. 37: Kết quả mô hình phân tích. 38: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị dầm gia cƣờng và không gia cƣờng (kết quả từ phòng thí nghiệm).

39: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị dầm gia cƣờng và không gia cƣờng (kết quả từ phòng mô phỏng Abaqus). 40: Biểu đồ tải trọng và chuyển vị giữa trong phòng thí nghiệm và mô phỏng Abaqus .