Bài giảng Gia cường kết cấu bê tông cốt thép

ƒ Gia cường chủ động hoặc gia cường thụ động g ộ g ặ g g ụ ộ gCăn cứ vào cách tác dụng lực lên bộ phận cấu kiện dùng để gia cường Phương pháp gia cường thụ động: ứng Phương pháp gia cườn

GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

ƒ MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT

ƒ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

ƒ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

(Fibres Reinforced Polymers - FRP)

ƒ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG NGOÀI

ƒ Do nhiều nguyên nhân khác nhau, kết cấu công trình bị hư hỏng, giảm khả năng làm việc

ƒ Mục đích của việc gia cường kết cấu nhằm tăng khả năng chịu lực qua đó kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng như thiết kế ban đầu

ƒ Việc gia cường cũng được thực hiện khi thay đổi mục đích sử dụng kết cấu (công trình) so với thiết kế đề ra ban đầu

ƒ Gia cường chủ động hoặc gia cường thụ động g ộ g ặ g g ụ ộ g

Căn cứ vào cách tác dụng lực lên bộ phận cấu kiện dùng để gia cường

Phương pháp gia cường thụ động: ứng

Phương pháp gia cường chủ động: ứng Phương pháp gia cường thụ động: ứng

suất trong bộ phận gia cường chỉ xuất hiện khi có hoạt tải tác dụng lên kết cấu gia cường

Phương pháp gia cường chủ động: ứng

suất trước bộ phận gia cường trước khi

kết cấu gia cường chịu tác dụng của

hoạt tải

Gia cường thụ động dầm BTCT bằng cách dán bản thép

thép bắt đầu tham gia chịu lực với dầm

cường

ƒ Theo vật liệu sử dụng để gia cường :

Phân loại các phương pháp gia cường :

ƒ Theo vật liệu sử dụng để gia cường :

- Ứng lực trước căng ngoài

Bổ xung gối tựa

- Bổ xung gối tựa

- Tăng diện tích mặt cắt tiết diện và hàm lượng thép từ đó nâng cao khả năng chịu tải và độ cứng của kết cấu được gia cường

- Có thể gia cường bọc xung quanh phía ngoài, gia cường 1 mặt, 2 mặt…

Một số dạng gia cường kết cấu dầm

Một ố d i ờ kết ấ à

Concrete repair and maintenance illustrated – P.H Emmons

Một số dạng gia cường kết cấu sàn

bê tông

- Kết cấu được gia cường làm việc như là một kết cấu đúc toàn khối duy nhất

- Cốt thép trong kết cấu cũ và cốt thép bổ xung để gia cường, ở trạng thái

giới hạn, đều đạt tới cường độ tính toán của loại thép sử dụng

- Cốt dọc trong kết cấu cũ đặt cách cạnh chịu kéo của tiết diện mới gia cường một khoảng lớn hơn 0,5(h-x) thì coi cốt dọc đó sẽ làm việc, ở trạng thái giới hạn, bằng 80% cường độ thiết kế (0,8Ra)

- Cốt đai trong kết cấu cũ và trong kết cấu gia cường cùng làm việc chung

Ví dụ thiết kế gia cường dầm bằng tăng tiết diện vùng kéo

- Thiếu hụt về khả năng chịu tải (hoặc tải trọng gia tăng) : ΔM

- Chiều cao lớp bê tông gia cường xác định trước ( a, a 0 )

- m m : hệ số lấy bằng 0 85

- m a , m at : hệ số lấy bằng 0,85

- Cường độ chịu nén bê tông R n ; cường độ của thép R a , R at

- Bước 1 : Xác định khả năng chịu lực hiện trạng của kết cấu

- Bước 2 : Xác định sơ bộ diện tích cốt thép gia cường F at

M

Δ Z ξ ( h + Δ h ) ξ = 0 6 ÷ 0 8

at at

at

ZR m

F R m

b R

F R m F

R

m x

n

at at at a

a a

α

+

=

2 2

α =0,75

Kiểm tra điều kiện : [M] ≥ Myc

Ví dụ thiết kế gia cường cột chịu nén đúng tâm

- Chiều dày lớp bê tông tăng cường c ≥ 6 cm

- Lượng cốt thép bổ xung nên lấy bằng 1% diện tích bê tông :

a a a b

n b gh

bt

F R m F

R N

a a n

bt

R m

R + 0 , 01

Giải há i ờ đ iả ít ả h h ở đế hì h d à kí h th ớ

‰ Một số đặc điểm của phương pháp

- Giải pháp gia cường đơn giản ít ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của kết cấu gia cường

- Tăng khả năng chịu lực và độ cứng của kết cấu gia cường

- Độ bám dính giữa bản thép và kết cấu bê tông quyết định đến hiệu quả gia cường

- Độ bám dính giữa bản thép và kết cấu bê tông quyết định đến hiệu quả gia cường

- Sử dụng phương pháp dán bản thép để gia cường chịu uốn, chịu cắt

‰ Một số đặc điểm

‰ Một số vấn đề gặp phải khi sử dụng phương pháp gia cường nàyy

- Liên kết giữa bản thép và bê tông

- Độ bền của bản thép : chịu tác động môi trường (ăn mòn)

- Liên quan đến ứng xử cơ học: Liên quan đến ứng xử cơ học:

+ Hiện tượng uốn cục bộ bản thép quanh vị trí vết nứt

(Calgaro et Lacroix, 1997) khi thí nghiệm với những bản thép gia cường có chiều dày từ 3mm đến 5mm gia cường các dầm BTCT chịu uốn có chiều cao đến 200 mm thì ứng suất chảy dẻo trong bản thép nhỏ hơn 30 đến 35% ứng suất chảy của thép khi thí

nghiệm kéo g ệ

+ Sự tương quan về biến dạng giữa cốt thép trong kết cấu BT và bản thép gia cường

Nghiên cứu thực nghiệm của (Calgaro et Lacroix, 1997) cho thấy biến dạng không

tuyến tính của cốt thép trong kết cấu BT và bản thép gia cường

• Một số tác giả kiến nghị giảm cường độ tính

• Một số tác giả kiến nghị giảm cường độ tính toán của bản thép gia cường để tránh phá hoại cục bộ bản thép

• Áp dụng sơ đồ biến dạng theo (Calgaro et Lacroix, 1997) dẫn đến khó khăn khi thiết kế gia cường nên trong thực tế vẫn áp dụng sơ

đồ biến dạng tuyến tính

đồ biến dạng tuyến tính

+ Độ bền liên kết giữa bản thép gia cường và bề mặt bê tông

Việ b bề ặt liê kết bả thé kết ấ bê tô là ế tố bả ả h h ở đế

Việc bong bề mặt liên kết bản thép – kết cấu bê tông là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến

độ bền của việc gia cường

Bong bề mặt liên kết bản thép- kết cấu BT do sự tập trung ứng suất cắt và ứng suất kéo

ở vùng biên của bản thép

+ Độ bền liên kết giữa bản thép gia cường và bề mặt bê tông

Phá hoại kết cấu do bong bản

thép gia cường

Phá hoại kết cấu do nứt vỡ lớp

bê tông bảo vệ

- Một số biện pháp liên kết bản thép với kết cấu sửa chữa

Concrete repair and maintenance illustrated – P.H Emmons

- Một số biện pháp hạn chế bong vùng biên bản thép

Bu lông liên kết Dán bản thép gia cường thành kết ấ

- Bước 1 : Xác định khả năng chịu lực hiện trạng của tiết diện

- Bước 2 : xác định diện tích thép bản gia cường và chọn kích thước bản thép

- Bước 3 : Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện sau gia cường

- Gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu FRP được nghiên cứu và

‰ Một số đặc điểm

áp dụng ở các nước tiên tiến từ những năm 1990

- Vật liệu FRP là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật

liệu sợi Có 3 dạng vật liệu sợi :

+ Sợi các bon CFPR

+ Sợi thủy tinh GFPR

+ Sợi aramid AFPR

+ Sợi aramid AFPR

- Đặc điểm của các loại sợi trên : cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn t rọng lượng nhỏ khả năng chống mài mòn cao cách đàn hồi rất lớn, t rọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, độ bền theo thời gian cao…

‰ Một số đặc điểm

Đặc trưng cơ học của sợi thủy tinh GFRP

‰ Một số đặc điểm

Đặc trưng cơ học của sợi các bon CFRP

‰ Một số đặc điểm

Đặc trưng cơ học của một số loại keo dán

Các dạng FRP được sử dụng để gia cường kết cấu BTCT : FRP dạng

‰ Một số đặc điểm

- Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm BTCT

- Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm BTCT

- Tăng cường khả năng chịu uốn của sàn BTCT tại vùng có mô men dương

và mô men âm

- Tăng cường khả năng chịu uốn, nén của cột BTCT

- Tăng cường khả năng chịu lực của tường BTCT, khối xây gạch và các dạng kết cấu công trình khác như dầm sàn cầu, ống khói, si lô, đường

hầm

hầm….

- Tăng cường khả năng làm việc khi chịu tác động của tải trọng động và các tác động đặc biệt khác như cháy, nổ

‰ Một số đặc điểm

‰ Một số đặc điểm

‰ Một số đặc điểm

Gia cường dầm cầu Gagnac – Pháp bằng vật liệu composite ( do Fressynet thực hiện)

‰ Một số đặc điểm

Tăng khả năng chịu mô men dương

‰ Một số đặc điểm

Thanh các bon

Vật liệu Thép Thanh cácbon

Giới hạn chảy (MPa)

- Thi công nhanh và dễ dàng do thanh các bon có trọng lượng riêng nhỏ

- Gia cường kết cấu chịu uốn và chịu cắt

‰ Một số đặc điểm

Chuẩn bị bề mặt

Dán keo Gia cường bản sàn

‰ Một số đặc điểm

(+) Tăng khả năng chịu uốn của kết cấu (60% đến 100%)

(+) Tăng độ cứng của kết cấu (25% đến 300%)

(+) Tăng khả năng chịu cắt (30% đến 80%)

(+) Phương pháp thi công đơn giản, nhanh

(+) Không tăng kích thước tiết diện , không ảnh hưởng đến mỹ quan và công năng của kết cấu được sửa chữa

( - ) Giá thành cao

( )

(-) Độ bền của liên kết giữa FRP với kết cấu BTCT

1 Chuẩn bị bề mặt bê tông : loại bỏ các yếu tố

ảnh hưởng đến độ bền liên kết; xử lý các vết nứt có bề rộng lớn hơn 0,25 mm bằng keo epoxy

2 Sơn lót bề mặt bê tông

‰ Nguyên lý thiết kế gia cường

Nhiều kết quả nghiên cứu điển hình EMPA(Meier 95) chứng tỏ rằng có thể

- Nhiều kết quả nghiên cứu, điển hình EMPA(Meier, 95) chứng tỏ rằng có thể

tính toán gia cường theo nguyên lý tính toán kết cấu BTCT

- Giả thuyết tương quan biến dạng cốt thép trong kết cấu BT và FRP

- Giả thuyết không có sự trượt giữa FRP và bề mặt bê tông

- Bỏ qua khả năng chịu kéo của lớp keo dán và của bê tông

Mô số cơ chế phá hủy kết cấu dầm gia cường bằng vật liệu FRP

Phá hoại vật liệu FRP Phá hoại bê tông vùng nén

Phá hoại vật liệu FRP Phá hoại bê tông vùng nén

Phá hoại do lực cắt Phá hoại lớp bê tông bề mặt

Phá hoại bề mặt liên kết

Hư hỏng do khuyết tật bề mặt liên kết

‰ Thiết kế gia cường dầm BTCT bằng vật liệu FRP theo ACI-318 (1999)

Sơ đồ tính toán dầm BTCT gia cường theo ACI 318 (1999)

f A

M n φ s y

φ

b f

f

A a

c

y s

'

85 , 0

=

f c ’ : cường độ chịu nén của bê tông ; f y : cường độ chịu kéo của cốt thép

A s : diện tích cốt thép chịu kéo

với Mu là mô men uốn lớn nhất tác dụng lên dầm

f

9 , 0

* 85

, 0

φ φ

t w

A

f

f t w

Xác định khả năng chịu lực của dầm sau khi gia cường :

0 2

1

h f

A

c d

f A

, 1

' 1

c

f

−

= β

- Sử dụng thép thanh, thép hình tạo nên ứng lực trước tác dụng ngược

‰ Một số đặc điểm

Sử dụng thép thanh, thép hình tạo nên ứng lực trước tác dụng ngược với tác động của ngoại lực

Tăng khả năng chịu lực giảm bề rộng khe nứt và độ võng của kết cấu

- Tăng khả năng chịu lực, giảm bề rộng khe nứt và độ võng của kết cấu

- Các bước tiến hành cơ bản :

+ Thêm thanh căng trước ở vùng chịu kéo cần gia cường

+ Kéo ứng lực trước

‰ Một số đặc điểm

Neo cố định sử dụng bu lông

cường độ cao

‰ Một số đặc điểm

Neo cố định bằng bản thép chữ U

Neo hàn

‰ Một số đặc điểm

- Thanh căng (dây căng) : sử dụng các loại thép thông thường AII, AIII với g ( y g) ụ g ạ p g g ,

đường kính được xác định qua tính toán Cũng có thể sử dụng dây cáp để gia cường

- Bộ phận neo : đặt ở đầu dầm trong phạm vi gối tựa Bộ phận neo cần được tính toán để đảm bảo khả năng neo giữ lớn hơn lực phá hoại thanh căng (dây căng)

- Bộ phận phụ trợ : thường đặt ở đáy dầm tại vị trí uốn của thanh (dây) căng (bằ thé t ò h ặ thé ó )

(bằng thép tròn hoặc thép góc)

- Cơ cấu gây ứng lực trước : có thể sử dụng kích, tăng đơ, cơ cấu níu chập ….

‰ Nguyên lý thiết kế gia cường

Bước 1 : Xác định khả năng chịu tải hiện có và lượng cần bổ xung về khả

Bước 1 : Xác định khả năng chịu tải hiện có và lượng cần bổ xung về khả

năng chịu tải ΔM

Bước 2 : Chọn hình thức dây căng và xác định sơ bộ tiết diện dây

Bước 3 : Xác định độ cứng của dầm được gia cường khi chịu tác dụng của toàn bộ tải trọng tính toán và chịu lực từ thanh căng mà ứng suất ở trạng thái tới hạn

Bước 4 : Xác định ứng suất trong thanh căng dưới tác dụng của toàn bộ hoạt tải sau gia cố

Bước 5 : Tính ứng suất trước cần thiết trong thanh căng

Bước 6 : Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu sau gia cường

Cây chống xiên Cây chống đứng

phận kết cấu gia cường có thể thực hiện các biện pháp sau :

+ Dỡ tối đa tải trọng tác dụng lên kết cấu được gia cường (tải trọng còn lại ọ g ụ g ợ g g ( ọ g ạ thường là trọng lượng bản thân kết cấu và các lớp cấu tạo)

+ Trường hợp tải trọng được dỡ bỏ không đáng kể so với toàn bộ tải trọng Trường hợp tải trọng được dỡ bỏ không đáng kể so với toàn bộ tải trọng tác dụng lên kết cấu có thể dùng kích tại những vị trí thích hợp để giảm bớt chuyển vị của kết cấu

Bản thép

Lớp bê tông bao

Phương pháp thi công đơn giản nhanh chóng

‰ Một số đặc điểm

- Phương pháp thi công đơn giản, nhanh chóng

- Không ảnh hưởng nhiều đến việc sử dụng công trình

- Tăng khả năng chịu lực của cột

- Các thanh thép góc gia cường được ốp vào các góc cột BTCT ở một phía Các thanh thép góc gia cường được ốp vào các góc cột BTCT ở một phía hoặc 2 phía ( gọi tắt là thanh ốp) ( áp dụng gia cường cột chịu nén lệch tâm và đúng tâm)

- Các thanh thép góc gia cường có thể được ứng lực trước hoặc không ứng lực trước

Giá t ị ứ l t ớ t á th h ố th ờ đ lấ à kh ả

- Giá trị ứng lực trước trong các thanh ốp thường được lấy vào khoảng

600÷800 kG/cm 2

- Các thanh chống chỉ làm việc chịu nén : đối với cột chịu nén lệch tâm chỉ cần Các thanh chống chỉ làm việc chịu nén : đối với cột chịu nén lệch tâm chỉ cần

bố trí thanh gia cường tại phía làm việc chịu nén

- Trường hợp cột chịu nén đúng tâm hoặc trường hợp mô men uốn tác dụng lên cột đổi chiều cần bố trí thanh chống ở cả hai phía của cột

- Trong trường hợp thanh ốp ứng lực trước ứng suất làm việc trong thanh ốp

- Hai bài toán cơ bản :

có thể đạt tới cường độ tính toán của vật liệu thép làm ra chúng

+ Xác định tiết diện thanh chống

+ Xác định khả năng chịu lực của cột sau khi gia cường

‰ Nguyên lý thiết kế gia cường

* Bước 1 : Kiểm tra khả năng chịu tải của kết cấu cũ

* Bước 2 : Xác định diện tích thanh ốp gia cường

- Ví dụ trường hợp cột chịu nén đúng tâm

+ Xác định lượng thiếu hụt về khả năng chịu tải của cột

N0 = N - Ngh

+ Tiết diệ th h ố i ờ ( tí h h 1 ặ ) + Tiết diện thanh ốp gia cường ( tính cho 1 cặp)