Nghiên cứu đề xuất phương án gia cường kết cấu bê tông cốt thép cho một số công trình hiện hữu ở Kon Tum

Các phương pháp gia cường, sửa chữa công trình thường hay được sử dụng cho công trình bê tông cốt thép có thể là dán tấm gia cường FRP hoặc tấm chất dẻo có cốt sợi, tăng kích thước tiết

NGUYỄN THANH HỮU

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO MỘT

SỐ CÔNG TRÌNH HIỆN HỮU Ở KON TUM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG

Phản biện 2: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp

tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 18 tháng 5 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa

Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học

Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay trên địa bàn tỉnh Kon Tum công trình bê tông cốt thép hầu hết đã được xây dựng từ lâu và đang có dấu hiệu xuống cấp Các dầm bê tông cốt thép chịu lực cho công trình có dấu hiệu nứt và chuyển vị gây mất an toàn cho việc khai thác công trình Vấn đề đặt ra là không thể xây mới các công trình này do nguồn ngân sách nhà nước khó khăn Do đó, việc sửa chữa và gia cường cho các dầm này

để đảm bảo khả năng chịu lực và đảm bảo mỹ quan là điều rất cần thiết

Các phương pháp gia cường, sửa chữa công trình thường hay được sử dụng cho công trình bê tông cốt thép có thể là dán tấm gia cường FRP hoặc tấm chất dẻo

có cốt sợi, tăng kích thước tiết diện chịu lực hoặc bổ sung thêm cốt thép dọc Tuy nhiên, việc chọn lựa phương pháp gia cường và áp dụng cho công trình bê tông cốt thép chưa được nghiên cứu và áp dụng

Do đó đề tài này nghiên cứu đề xuất phương án gia cường kết cấu bê tông cốt thép cho công trình cụ thể trên địa bàn tỉnh Kon Tum đề xuất phương án gia cường hiệu quả về mặt kinh tế, kỹ thuật

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu đề xuất phương án gia cường kết cấu bê tông

cốt thép cho một số công trình hiện hữu ở Kon Tum” có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu của đề tài:

- Nghiên cứu quá trình xuống cấp và hư hỏng của kết cấu bê tông cốt thép

- Nghiên cứu các phương án gia cường dầm bê tông cốt thép

- So sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa các phương án gia cường dầm bê tông cốt thép

3 Đối tượng nghiên cứu:

- Các phương án gia cường dầm bê tông cốt thép

4 Phạm vi nghiên cứu:

- Dầm bê tông cốt thép trong các công trình dân dụng ở Kon Tum

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán các phương án gia cường dầm bê tông cốt thép dựa trên các tiêu chuẩn và các hướng dẫn thiết kế

- Tổng hợp, phân tích để đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa các phương án gia cường

6 Bố cục đề tài:

Chương 1: Tổng quan về các công trình hiện hữu ở Kon Tum

Chương 2: Các phương án gia cường, gia cố dầm bê tông cốt thép

Chương 3: Đề xuất phương án gia cường dầm bê tông cốt thép cho một số

công trình hiện hữu trên địa bàn Tỉnh Kon Tum

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH HIỆN HỮU Ở KON TUM

1.1 Tổng quan tình hình hoạt động các công trình bê tông cốt thép trên địa bàn tỉnh Kon Tum

Sự hình thành và phát triển của tỉnh Kon Tum

Tháng 1 -1 hai tỉnh: ia Lai và Kon Tum sáp nhập thành tỉnh ia Lai - Kon Tum, vai tr tỉnh l của thị xã Kon Tum được thay thế b ng trung tâm chính trị, kinh tế - xã hội và văn hoá của khu vực phía B c tỉnh ia Lai - Kon Tum Đến tháng -1 1, tỉnh Kon Tum được tái thành lập, thị xã Kon Tum trở lại vai tr là tỉnh l của tỉnh Kon Tum

Ngày 13- -2 , Thủ tướng Chính phủ đã ký Nghị định số 1 NĐ-CP về việc thành lập thành phố Kon Tum trực thuộc tỉnh Kon Tum Đây là động lực để xây dựng và phát triển đô thị thành phố Kon Tum xứng đáng là trung tâm kinh tế, chính trị, văn hóa, giáo dục của tỉnh Kon Tum nói riêng và khu vực B c Tây

Nguyên nói chung

1.2 Tổng quan về hiện trạng các công trình bê tông cốt thép được xây dựng trên địa bàn tỉnh Kon Tum

* Kiến trúc các trình hiện hữu ở Kon Tum

C n t ình n n văn hó

Kiến trúc công trình công cộng: Kiến trúc đô thị được khai thác qua các công trính kiến trúc đặc biệt, truyền thống như toà tổng giám mục, nhà thờ gỗ, hệ thống nhà Rông, các công trình tôn giáo, công cộng làm điểm nhấn

Kiến trúc nhà ở: Khuyết khích xây dựng các công trình có kiến trúc dân gian truyền thống Đặc biệt trong các khu nhà vườn, khu làng dân tộc thuộc phường Thống nhất, phường Th ng Lợi

1.3 Khảo sát công trình Trụ sở Chính nhánh Viettel Kon Tum

1.3.1 Tình trạng công trình

Công trình xây dựng khảo sát: Trụ sở Chi nhánh Viettel Kon Tum có địa điểm

xây dựng tại ngã tư đường Phan Đình Phùng và đường Trần Hưng Đạo, phường Quyết Th ng, thành phố Kon Tum, tỉnh Kon Tum Khuôn viên khu đất diện tích khoảng , m2 Hiện trạng có 3 toàn nhà tổng diện tích sàn 11 6m2

1.3.2 Nguyên nhân hư hỏng kết cấu

Một số nguyên nhân và cơ chế hư hại chủ yếu của các công trình có thể tóm lược như sau:

- Sự hoen rỉ của kim loại, bao gồm cả các loại cốt thép của bê tông

- Các quá trình lý hóa, do phản ứng alkali- silica, sự tạo thành tinh thể ettringite, tác động ăn m n sulfat trên bê tông

- Các hư hỏng do cơ học như hiện tượng tróc vỡ hoặc ăn m n bê tông, do quá tải cũng ảnh hưởng đến tất cả các dạng vật liệu

- Bê tông dễ bị hư hỏng do các nguyên nhân vật lý (bị mài m n) và nguyên nhân hóa học (tác động clorua và sulfate, các phản ứng kết hợp v.v)

- Sự ăn m n cốt thép cùng với sự thâm nhập lớp phủ bê tông bởi các ion clorua và oxy, là nguyên nhân chủ yếu của sự biến chất bê tông

- Tác động sulfat hóa của các phần tử nước biển lên hợp chất canxi hydroxit (Ca(OH)2) và tri-canxi aluminat (Xelit hay C3A) của hồ xi măng đông cứng có thể dẫn đến sự mềm hóa và biến chất bê tông Nếu có hiện tượng mềm hóa xảy ra trên diện rộng bề mặt bê tông khi đó bê tông sẽ bị hư hỏng

1.4 Kết luận:

Các công trình hiện hữu ở Kon Tum hiện đang vận hành ổn định Tuy nhiên một số hạng mục đã bị hư hỏng cần phải kịp thời sửa chữa để có thể phục vụ cho sự phát triển bền vững và lâu dài Một số kết cấu chịu lực chính của công trình bị bong tróc cốt thép và có độ võng cao, gây ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình làm việc Tại công trình Chi nhánh Viettel Kon Tum, có một số vị trí bị hư hỏng tại vị trí đầu dầm cần phải sửa chữa để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng Trong các chương tiếp theo, luận văn sẽ đề cập đến các phương pháp gia cường các kết cấu chịu lực này một cách hiệu quả nhất

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

Trong chương này, luận văn đề cập đến các phương án gia cường dầm bê tông cốt thép làm cơ sở cho việc lựa chọn phương án gia cường dầm bê tông cốt thép bị

hư hỏng trên địa bàn tỉnh Kon Tum

2.1 Gia cường bằng phương pháp tăng kích thước tiết diện

Một trong những biện pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép được áp dụng rộng rãi nhất là phương pháp tăng cường tiết diện Với phương pháp gia cường này,

sơ đồ kết cấu và trạng thái chịu lực của kết cấu không thay đổi Phương pháp gia cường này có thể áp dụng tốt cho các kết cấu dầm, cột, sàn, móng

Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà có các biện pháp tăng cường tiết diện khác nhau như tăng cường tiết diện bê tông, tăng cường tiết diện cốt thép hoặc tăng cường tiết diện bê tông và cốt thép đồng thời

a) Ưu điểm:

b) Nhược điểm:

c) Nguyên t c cấu tạo:

a) Đặc điểm tính toán:

2.1.1 Xác định chiều dày tăng cường phía chịu nén của tiết diện

Khi gia cường b ng phương pháp tăng chiều cao của tiết diện ở phía chịu nén,

sơ đồ tính toán của tiết diện cho trên hình bên dưới:

Hình 2.1: Sơ đồ tính to n ủ tiết diện t ướ và s u i ườn

Trước khi gia cường, khả năng chịu lực của tiết diện xác định như sau:

*

* 0

*

)2

(

S S S

Yêu cầu xác định chiều dày tăng cường phía chịu nén của tiết diện sao cho

mô men cần được bổ sung cho tiết diện là:

*

gh

tải của tiết diện là:

* 0

Căn cứ vào khả năng chịu tải của tiết diện chưa gia cường và nội lực yêu cầu

cho trước, có thể sơ bộ xác định được tiết diện thép cần bổ sung

Khả năng chịu tải của tiết diện chưa gia cường được xác định giống như phần gia cường vùng nén:

*

* 0

*

)2

độ nhớt bé vào kẽ hở giữa mặt bê tông và tấm thép Trong một số trường hợp, để tăng cường khả năng chống trượt, có thể dùng bu lông nở b t chặt tấm thép với đáy

dầm Khi cần thiết, có thể dán thép tấm tại mặt trên và mặt dưới dầm và dùng bu lông ghì hai tấm này lại với dầm được gia cường

b) Ưu điểm:

- Thích hợp cho việc gia cường kết cấu chịu uốn, có hiệu quả kỹ thuật cao;

- Không làm tăng chiều cao kiến trúc của kết cấu, không làm thu hẹp tĩnh không của công trình

c) Nhược điểm:

- Việc thi công phức tạp, lớp thép bên ngoài dễ bị rỉ và những tổn hại khác

do tác động của môi trường dẫn tới tuổi thọ khai thác có thể giảm nhanh

2.2.2 Tính toán gia cường khả năng chịu uốn dầm bằng phương pháp dán bản thép

Trước khi gia cường, khả năng chịu lực của tiết diện xác định như sau:

*

* 0

*

)2

2.3 Gia cường khả năng chịu uốn bằng phương pháp thay đổi sơ đồ kết cấu:

Khi không làm ảnh hưởng đến điều kiện sử dụng của công trình, có thể áp dụng phương pháp thay đổi sơ đồ kết cấu để nâng cao khả năng chịu tải hoặc phục hồi khả năng chịu tải của công trình Phương pháp này được áp dụng khá thuận lợi

và trong nhiều trường hợp mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật đáng kể Có nhiều phương pháp thay đổi sơ đồ kết cấu cho dầm, nhưng đáng kể nhất vẫn là phương án đặt thêm các gối tựa phụ cho dầm nh m làm giảm nội lực trong các phần tử của kết cấu Các gối tựa phụ này có thể là gối tựa cứng hoặc các gối tựa đàn hồi tùy từng trường hợp cụ thể

Ta biết r ng dưới tác dụng của tải trọng, giá trị mômen và độ võng của dầm phụ thuộc rất lớn vào nhịp dầm Chẳng hạn trong trường hợp tải trọng phân bố đều, giá trị mômen tỷ lệ với bình phương của nhịp dầm và độ võng tỷ lệ với tứ thừa của nhịp dầm Vì vậy việc chia nhỏ nhịp dầm sẽ là giảm đáng kể nội lực và biến dạng của dầm, và do đó nội lực và biến dạng của kết cấu liên quan cũng được giảm theo Như vậy việc chia nhỏ nhịp dầm b ng cách đặt các gối tựa phụ sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu tải của dầm cũng như hệ thống kết cấu liên quan Tùy theo cách cấu

tạo, các gối tựa phụ này có thể là các gối tựa cố định (c n gọi là gối tựa cứng) hoặc gối tựa đàn hồi Dưới đây là phương pháp đặt thêm các gối tựa cố định

2.3.1 Cấu tạo:

ối tựa cố định có thể được thực hiện b ng cách đặt thêm trụ đỡ giữa nhịp dầm, các thanh chống chéo hoặc các thanh treo (hình 12.1) Các kết cấu này có thể làm b ng bêtông cốt thép hoặc kết cấu thép Khi cần có thể dùng trụ gạch hoặc tường gạch làm gối tựa trung gian Khi áp dụng các cột phụ (hình 12.1) cần xử lý nền móng cẩn thận để hạn chế hiện tượng lún làm giảm tác dụng của gối tựa Dưới

đế móng cần được gia cường b ng các phương pháp khác nhau như đệm cát, đóng cọc, phương pháp ximăng hóa đất nền v.v Sao cho có thể giảm tới mức tối đa độ lún của đất nền

Khi điều kiện cụ thể cho phép có thể áp dụng hình thức thanh chống xiên Chân thanh chống xiên tựa lên hai đầu dầm của tầng dưới hoặc tựa lên móng cột bên cạnh Áp dụng hình thức này sẽ tránh được sự phiền phức do độ lún đất nền gây ra tuy nhiên lực c t tại đầu dầm tầng dưới sẽ tăng lên Khi áp dụng hình thức này cần kiểm tra khả năng chống c t của dầm tầng dưới và có biện pháp gia cường chống c t cho dầm đó

Thanh chống xiên có thể gặp nhau tại điểm giữa của dầm nhưng cũng có thể tạo thành hình thang đỡ dầm tại hai điểm

Tương tự như hình thức thanh chống xiên, người ta có thể áp dụng hình thức thanh treo Các thanh treo có thể làm b ng bêtông cốt thép hoặc b ng thép hình Phụ thuộc vào vật liệu làm gối tựa phụ, các chi tiết liên kết với kết cấu được gia cường

2.3.2 Đặc điểm về thiết kế và tính toán:

Việc dỡ bỏ bớt tải trọng trong trường hợp a cũng như việc dùng kích để giảm bớt độ võng trong trường hợp cần được tiến hành thận trọng, có tính toán để đảm bảo sao cho không xảy ra hiện tượng xuất hiện mô men khác dấu lớn tới mức có thể gây hư hỏng cho kết cấu tại vị trí đặt gối tựa phụ

Trong trường hợp vì một lý do nào đó khó tránh khỏi tình trạng đó thì cần bố trí đặt thêm cốt thép chịu mô men âm để gia cường dầm trong phạm vi đặt gối tựa phụ

2.3.3 Trình tự tính toán:

Phụ thuộc v trường hợp có dùng hay không dùng kích trong quá trình cố định gối tưa phụ mà có trình tự tính toán khác nhau

a) T ườn hợp kh n dùn kí h

Trong trường hợp này các bước tính toán có thể thực hiện như sau:

- Bước 1: Vẽ biểu đồ đường bao vật liệu (1), muốn vẽ được đường bao vật

liệu phải n m vững kích thước và chi tiết bố trí cốt thép trong kết cấu Những số liệu này có trong các bản vẽ thiết kế Khi không c n bản vẽ thiết kế cần căn cứ trên

số liệu khảo sát tại thực tế hiện trường

- Bước 2: Lập sơ đồ tải trọng, cần phân định các dạng tải trọng khác nhau

như tĩnh tải, hoạt tải trước gia cường, hoạt tải yêu cầu sau gia cường

- Bước 3: Vẽ biểu đồ mômen do tĩnh tải theo sơ đồ cũ (2) (chưa gia cường)

- Bước 4: Vẽ biểu đồ mômen do hoạt tải (3) (trước và sau gia cường) theo sơ

đồ mới (đã đặt thêm gối tựa phụ) với tổ hợp bất lợi nhất

- Bước 5: Vẽ biểu đồ mômen tổng cộng gồm (2), (3), đem so sánh với biểu đồ

đường bao vật liệu (1) Khi biểu đồ mômen tổng cộng (2) + (3) không vượt ra ngoài biểu đồ đường bao vật liệu (1), bản tính coi như thỏa mãn

- Bước 6: Căn cứ biểu đồ mômen và sơ đồ tải trọng vẽ biểu đồ lực c t theo sơ

đồ mới, sau đó đem so sánh với đường bao vật liệu Và cũng như bước thứ , nếu biểu đồ lực c t theo sơ đồ mới không vượt ra ngoài đường bao vật liệu, bản tính coi như thỏa mãn

Khi các bước ( ) và (6) không thỏa mãn cần tiến hành điều chỉnh tải trọng tính toán tức là lượng tải trọng cần dỡ bỏ trước khi cố định gối tựa phụ sao cho tại đấy giá trị mômen và lực c t không vượt quá giới hạn đường bao vật liệu

c)T ườn hợp kh n dùn kí h

Trong trường hợp này các bước tính toán hầu như không có gì khác với trường hợp a ngoại trừ sau bước ( ) có thêm bước ( a) tức là vẽ biểu đồ mômen do tác dụng của lực kích Mômen tổng cộng và lực c t tổng cộng trong trường hợp này

có kể đến nội lực do lực kích gây nên cho kết cấu

2.4 Kết luận chương:

Trong chương này, các phương pháp gia cường khả năng chịu uốn và chịu

c t cho dầm bê tông cốt thép bị suy giảm khả năng chịu lực đã được tổng hợp và đề xuất Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và khả năng áp dụng riêng cho từng

trường hợp Để có thể tính toán gia cường cho dầm bê tông cốt thép, cần phải xác định được khả năng chịu lực c n lại của kết cấu, trên cơ sở đó đề xuất cấu tạo gia cường theo các phương pháp khác nhau Các công thức giải tích tường minh của các biện pháp gia cường được nêu ra trong chương này, ưu nhược điểm của từng phương pháp sẽ là cơ sở để lựa chọn phương áp tối ưu cho việc gia cường khả năng chịu lực cho các cấu kiện chịu lực chính đã bị hư hỏng trong các công trình hiện hữu ở Kon Tum

Các số liệu về cường độ bê tông, bố trí cốt thép cũng như kích thước hình học của dầm sẽ được đo đạc tại hiện trường Các số liệu này được coi như là đáng tin cậy và được sử dụng để xác định khả năng chịu lực của kết cấu Trong trường hợp không đảm bảo khả năng chịu lực, luận văn sẽ kiến nghị phương án gia cường

Các phương án gia cường được đưa ra phải phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cũng như hợp lý nhất về mặt kinh tế

3.1 Đo đạc hiện trường:

3.1.1 Địa điểm thực hiện:

Công tác đo đạc hiện trường được thực hiện tại công trình Chi nhánh Viettel Kon Tum, đặt tại thành phố Kon Tum, tỉnh Kon Tum

Tại công trình này có một dầm bê tông cốt thép bị xuống cấp, võng nhiều và

s p có dấu hiệu phá hoại Do đó cần phải đo đạc hiện trường để đề xuất phương án

xử lý

Hình 3-2 Dầm bị hư hỏn

3.1.2 Đo cường độ bê tông bằng súng bật nẩy:

Trong thí nghiệm đo đạc hiện trường này, cường độ bê tông tại thời điểm hiện tại được xác định b ng súng bật nẩy Súng được sử dụng là mẫu C1 1N của Italy với các thông số kỹ thuật như sau:

- Xuất xứ: Control – Italy

1 Chuẩn bị

Lấy súng bật nẩy bê tông ra và nhẹ nhàng đặt đầu piston vào một bề mặt đủ cứng rồi nhấn piston vào trong, khi đó piston sẽ được giải phóng khỏi chốt giữ và đẩy ra, khi đó búa thử cường độ bê tông đã sẵn sàng để sử dụng

 Phương pháp xác định cường độ nén bằng súng bật nẩy

Đo đạc xác định cường độ nén bê tông b ng súng bật nẩy tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 9334: 2012

Không áp dụng tiêu chuẩn TCVN 9334: 2012 trong các trường hợp sau:

- Đối với bê tông có cường độ nén dưới 10 MPa và trên 50 MPa

- Đối với bê tông dùng các loại cốt liệu lớn có kích thước trên 40 mm (Dmax

> 40mm)

- Đối với bê tông bị nứt, rỗ hoặc có các khuyết tật

- Đối với bê tông bị phân tầng hoặc là hỗn hợp của nhiều loại bê tông khác nhau

- Đối với bê tông bị hoá chất ăn mòn và bê tông bị hoả hoạn

- Không được dùng tiêu chuẩn này thay thế yêu cầu đúc mẫu và thử mẫu nén Các kết quả đo cường độ bê tông được tổng hợp trong bảng bên dưới

Bản 3-1 Kết quả đo đạ x định ườn đ bê t n ủ dầm D1

STT Vùng thử

Trị số bật nẩy trung bình N

Cường độ bê tông sau hiệu chuẩn

Ghi chú