Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án gia cường cột bê tông cốt thép cho các công trình dân dụng

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG Học viên: Nguyễn Ngọc Hải Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD và CN Mã số

CHO CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

CHO CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

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

Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng - Năm 2019

Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn TS Trần Anh Thiện đã quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn, giúp cho tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ

Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn của tôi không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn của tôi hoàn chỉnh hơn và khả năng đưa vào sử dụng thực tế hiệu quả hơn

Xin chân thành cảm ơn

Đà Nẵng, ngày 14 tháng 02 năm 2019

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Hải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án gia

cường cột bê tông cốt thép cho các công trình dân dụng” là công trình nghiên cứu của

bản thân được nghiên cứu, tính toán dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo TS Trần Anh Thiện

Các số liệu trong luận văn có nguồn trích dẫn, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày 14 tháng 02 năm 2019

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Hải

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP, QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT 3

1.1.BÊ TÔNG CỐT THÉP 3

1.1.2 Vật liệu cấu thành bê tông 4

1.3 Tính chất của bê tông 5

1.2.QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT 6

1.2.1 Các quá trình xuống cấp 6

1.2.2 Ăn mòn sun phát 6

1.2.3 Phản ứng kiềm – silica 7

1.2.4 Các dạng phá hoại khác 7

1.3.NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT 8

1.3.1 Bê tông bị rỗ 8

1.3.2 Bê tông bị rỗng 9

1.3.3 Bê tông bị nứt nẻ 9

1.3.4 Bê tông bị vỡ 10

1.3.5 Bê tông quá khô 10

1.4.KẾT LUẬN CHƯƠNG 12

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 13

2.1 GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG TIẾT DIỆN 13

2.1.1 Phần cấu tạo 13

2.1.2 Phần thiết kế 15

2.1.3 Biện pháp thi công 18

2.1.4 Ưu điểm, nhược điểm 18

2.2 GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG THÉP HÌNH 18

2.2.1 Phần cấu tạo 19

2.2.2 Phần thiết kế 22

2.2.3 Biện pháp thi công 25

2.2.4 Ưu điểm, nhược điểm 25

2.3 GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG VẬT LIỆU CỐT SỢI TỔNG HỢP FIBER REINFORCED POLYMER (FRP) 26

2.3.1 Cấu trúc và đặc tính cơ học của vật liệu FRP 26

2.3.2 Cơ sở thiết kế 33

2.3.3 Biện pháp thi công 35

2.3.4 Ưu điểm và nhược điểm: 39

2.3.5 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 41

1.5 GIA CƯỜNG CỘT BẰNG TĂNG TIẾT DIỆN 45

3.1.1 Tính khả năng chịu lực của cột 45

3.1.2 Tính chi phí thi công 47

3.2 GIA CƯỜNG CỘT BẰNG THÉP HÌNH 49

3.2.1 Tính khả năng chịu lực (chọn cột C2 trục B-11) (cột 69) 49

3.2.2 Tính chi phí thi công (cho trường hợp cột chịu nén đúng tâm) 51

3.4 TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT

BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

Học viên: Nguyễn Ngọc Hải Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD và CN

Mã số: 8580201, Khóa: K34, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Cột bê tông cốt thép có thể bị xuống cấp và không còn đủ khả năng chịu lực

trong quá trình sử dụng do nhiều nguyên nhân như do các sai sót trong quá trình xây dựng, thay đổi công năng sử dụng công trình, hư hỏng do tác động của môi trường hay do các sự cố, hỏa hoạn và động đất Có nhiều phương pháp để gia cường các cột bê tông cốt thép này Luận văn đã phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các phương án gia cường cột bê tông cốt thép khác nhau, bao gồm phương pháp tăng kích thước tiết diện, phương pháp ốp thép hình hay dán tấm tấm sợi tổng hợp FRP Ba phương pháp này được ứng dụng vào gia cường một công trình cụ thể bằng bê tông cốt thép; từ đó hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa các phương án được so sánh và nhận xét

Từ khoá – gia cường; cột bê tông cốt thép; tăng kích thước tiết diện; ốp thép hình; FRP

EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC EFFICIENCY OF VARIOUS METHODS OF STRENGTHENING REINFORCED CONCRETE COLUMNS FOR CIVIL

ENGINEERING STRUCTURES

Abstract: Reinforced concrete columns can become deficient during their service life

due to construction errrors, functional changes, damage accumulated over time or caused by accidental overloading, fire or earthquakes There are several methods of strengthening these reinforced concrete columns This thesis investigated the technical and economic characteristics of various methods of strengthening reinforced concrete columns, including reinforced concrete jacketing, steel jacketing with steel angles and strips, and using fiber reinforced polymer (FRP) Application of these three strengthening methods into a real reinforced concrete building was carired out; and their technical and economic efficiency was compared and remarked

Key words – strengthening; reinforced concrete column; reinforced concrete jacketing;

steel jacketing; FRP

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACI American Concrete Institu AFRP Aramid Fiber Reinforced Polymer BTCT Bê tông cốt thép

CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer FRP Fiber Reinforced Polymer

GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

2.4 Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền 312.5 Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP 322.6 Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của vật liệu FRP 323.1 Bảng tra nội lực cột (theo tính toán thiết kế) 443.2 Tổng hợp kinh phí Gia cường cột bằng tăng tiết diện 473.3 Bảng dự toán gia cường cột bằng tăng tiết diện 483.4 Tổng hợp kinh phí Gia cường cột bằng thép hình 51

3.6 Tổng hợp kinh phí gia cường cột bằng tấm sợi FRP 55

3.8 Tổng hợp đánh giá hiệu quả các phương án gia cường cột bê tông

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.2 Quá trình xuống cấp của bê tông và ăn mòn cốt thép 6

2.4 Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bằng tăng

2.5 Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bé bằng

2.8 Sơ đồ tính toán cột chịu nén lệch tâm lớn bằng thép hình 232.9 a) Gia cường kiểu khô; b) gia cường kiểu ướt 25

2.11 Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit ở

2.13 Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP 322.14 Sửa chữa lớp bề mặt bêtông có chất lượng kém 352.15 Xử lý các vết nứt có chiều rộng > 0.30mm bằng keo

2.16 Công tác bo tròn cạnh với bán kính tối thiểu 20mm 36

2.18 Quy trình thi công quét keo lên bề mặt kết cấu 372.19 Tẩm keo lên tấm sợi (trường hợp tăng cường cho cột) 37

Số hiệu hình Tên hình Trang

3.6 Cột C2 tầng 1 (trục B-11) – sau khi gia cường 46

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết nghiên cứu

Kết cấu cột bê tông cốt thép trong những công trình đã sử dụng lâu năm bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng, khí hậu, hoá chất ăn mòn, sự cố… Hay những công trình bị hư hỏng do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng và những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… Những tác động này dẫn đến tình trạng kết cấu không còn đáp ứng được công năng sử dụng hoặc mất an toàn về phương diện chịu tải Với những tác động đặc biệt có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng cho công trình Để cải thiện về mặt chịu tải trọng, cũng như công năng nhằm đảm bảo an toàn, tăng tuổi thọ hoặc tăng hiệu quả sử dụng công trình, cột bê tông cốt thép cần phải được gia cường

Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đã ứng dụng một số phương pháp gia cường cột bê tông cốt thép trong công trình dân dụng như: phương pháp tăng tiết diện, phương pháp ốp thép hình hay phương pháp dán tấm sợi tổng hợp Fiber Reinforced Polymer (FRP)… Mỗi phương án đều cho hiệu quả khác nhau và có ưu nhược điểm riêng Việc áp dụng một phương án đạt hiệu quả nhất về kinh tế cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong công tác gia cường khả năng chịu lực của cột bê tông cốt thép luôn được chủ đầu tư và các nhà tư vấn thiết kế quan tâm

Vì vậy, đề tài “Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án gia cường

cột bê tông cốt thép cho các công trình dân dụng” có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

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

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

- So sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa các phương án gia cường cột

bê tông cốt thép

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các phương án gia cường cột bê tông cốt thép

- Phạm vi nghiên cứu: Cột bê tông cốt thép trong các công trình dân dụng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán các phương án gia cường 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP, QUÁ TRÌNH XUỐNG

CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT

1.1 BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1.1 Đặc điểm

Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại vật liệu là bê tông và thép cùng cộng tác chịu lực Bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện nay, là loại vật liệu khá thông dụng và phổ biến Sản phẩm của nó là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện làm các kết cấu chịu lực của các công trình

Bê tông có khả năng chịu nén khá nhưng khả năng chịu kéo lại rất kém Thép

là vật liệu chịu nén hoặc chịu kéo đều tốt Đặt cốt thép vào bê tông để tăng khả năng chịu lực cho kết cấu, đó chính là bê tông cốt thép Sự kết hợp này đem lại nhiều ưu điểm nổi bật cho bê tông cốt thép Về cơ bản trong cấu kiện bê tông cốt thép thì cốt thép sẽ chịu ứng suất kéo còn bê tông chịu ứng suất nén Vì cốt thép chịu nén và kéo đều tốt, còn nhược điểm của bê tông là: chỉ chịu nén tốt, còn chịu kéo thì kém Trong dầm bê tông cốt thép, thép dọc được đặt vào vùng kéo do uốn, thép xiên ở vùng chịu ứng suất kéo chính Ngoài ra, thép dọc cũng được đặt vào vùng nén để giảm kích thước tiết diện

Bê tông và cốt thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do: Bê tông và cốt thép dính chặt với nhau nên có thể truyền lực qua lại Lực dính có tầm quan trọng hàng đầu Nhờ

có lực dính mà cường độ của thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt (của bê tông) trong vùng kéo mới bị hạn chế …Vì vậy, người ta tìm mọi cách để tăng cường lực dính giữa bê tông và cốt thép

Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học Bê tông bao bọc cốt thép, bảo vệ, chống lại sự xâm thực của môi trường Vì vậy, khi thi công kết cấu bê tông cốt thép phải rất thận trọng khi dùng các phụ gia (hoá dẻo hoặc đông cứng), phải đầm kỹ bê tông để đạt tới độ sít chặt cần thiết

Cốt thép và bê tông có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nhau (của bê tông = 0,00001 :- 0,000015), của thép = 0,000012) Do đó khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường (dưới) trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không phá hoại lực dính giữa chúng Bê tông có đặc tính chịu kéo kém, khi có cốt thép nhược điểm này sẽ được khắc phục do thép là vật liệu chịu kéo khá tốt

-Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi sự xâm thực của môi trường -Bê tông giữ cốt thép

khỏi bị ăn mòn Do đó lượng xi măng tối thiểu phải là và chiều dày lớp bảo vệ phải được chọn tuỳ theo loại cấu kiện và môi trường làm việc của nó

Ưu, nhược điểm

Ưu điểm của việc sử dụng vật liệu xây dựng bê tông cốt thép là tạo cho kết cấu công trình nhà có độ cứng cao hơn nhiều so với sử dụng vật liệu thép, và điều này rất cần thiết trong xây dựng Nhưng nhược điểm của vật liệu bê tông cốt thép là có cường

độ chịu lực khá thấp và tính dẻo không cao

1.1.2 Vật liệu cấu thành bê tông

Bê tông là loại đá nhân tạo, được chế từ các loại vật liệu rời, chất kết dính và phụ

gia (nếu có)

+ Cốt liệu rời (cát, đá dăm, sỏi )

• Cát – cốt liệu bé: Có kích thước (1÷5) mm

• Sỏi, đá dăm – cốt liệu lớp: Có kích thước (5÷40) mm

+ Chất kết dính: Chất kết dính thông thường là vữa xi măng Vữa xi măng là

hỗn hợp giữa xi măng và nước phản ứng với nhau tạo nên sản phẩm thủy hóa và các lỗ rỗng chứa nước Sản phẩm thủy hóa chủ yếu là các gel canxi silicat thủy hóa vô định hình và canxi hydroxit Rất nhiều các sản phẩm nhỏ khác cũng được hình thành, đáng

kế như các pha của khoáng aluminat (Taylor 1997) Có rất nhiều loại xi măng, phổ biến là xi măng Portland thường (OPC) được sản xuất bởi đốt nóng các nguyên liệu thô chứa canxi và silica đến nhiệt độ cao và nghiền mịn clinker Tro bay từ nhà máy điện và xỉ của cát nhà máy luyện thép cũng có tính chất tương tự xi măng và tro nhiên liệu nghiền (PFA) hay xỉ lò cao (GGBS) có thể dùng thay thế xi măng Portland trong

bê tông Điển hình như trong xi măng có chứa đến 35% PFA hay 70% GGBS Các hạt silica siêu mịn và metakaolin là những vật liệu có tính chất xi măng khác cũng có thế được trộn với xi măng Portland với hàm lượng nhỏ hơn Những hỗn hợp xi măng như vậy được dùng nhằm cải thiện tính chất của bê tông và đôi khi hạ giá thành sản xuất

+ Phụ gia: Cải thiện một số tính chất của bê tông trong quá trình thi công cũng

như trong quá trình sử dụng như lượng nước nhào trộn, độ ninh kết, lưu động, cường

độ bê tông, chống ăn mòn, chống thấm

Có thể ví dụ như các phụ gia siêu dẻo, các phụ gia chống thấm, các phụ gia cuốn khi và các chất làm chậm hay tăng tốc quá trình thủy hóa của xi măng Phụ gia siêu dẻo cải thiện tính công tác của bê tông, vì thế cho phép giảm lượng nước nhào trộn đến 20% Phụ gia cuốn khí dùng để cải thiện khả năng chống sự xuống cấp của bê tông do quá trình đóng tan băng Bê tông phải duy trì tính công tác trong khi đổ vào ván khuôn Các phụ gia kiềm hãm quá trình thủy hóa có thế được dụng nhằm kéo dài thời gian ninh kết, trong khi các phụ gia đóng rắn nhanh có tác dụng rút ngắn thời gian ninh

kết, nhanh chóng đạt cường độ sau khi đổ bê tông

Nguyên lý cấu tạo bê tông: Là các cốt liệu lớn làm bộ xương, cốt liệu nhỏ lắp đầy khoảng trống, chất kết dịnh có tác dụng liên kết các cốt liệu lại với nhau tạo nên thể đặc chắc có khả năng chịu lực, chống lại biến dạng

Hình 1.1 Mặt cắt bê tông

1.3 Tính chất của bê tông

- Bê tông là vật liệu có cường độ chịu nén cao, phát triển cường độ chịu nén rất

nhanh Chất lượng bê tông hợp lý có thể đạt cường độ lớn hơn 40 Mpa Bê tông có khả năng chịu nén rất tốt Nhưng có khả năng chịu kéo lại rất kém (kém từ 8-15 lần so với khả năng chịu nén)

- Cốt thép được dùng trong bê tông nhằm tăng cường khả năng chịu kéo bê tông

Bê tông có các lỗ rỗng và chúng ảnh hưởng rất quan trọng đến tính chất của bê tông Canxi-silicat thủy hóa, sản phẩm chính của quá trình thủy hóa, có độ rỗng khoảng 28% (lỗ rỗng gel) Nước dư thừa sẽ chiếm chổ trong bê tông, dẫn đến sự hình thành các lỗ rỗng mao dẫn Trong bê tông cũng có chứa không khí và các lỗ rỗng khác Các lỗ rỗng mao dẫn có đường kính đến 1µm, trong khi các lỗ rỗng gel có đường kính vài nm Những bọt túi cuốn khí điển hình có đường kính 0.1 mm và được phân bố khắp nơi trong vữa xi măng Những khuyết tật khác cũng có thể tồn tại như các vết nứt bên trong, các lỗ rỗng bên dưới hạt cốt liệu, và rỗ “tổ ong” (Glass and Buenfeld, 2000a) Các chất dẫn điện thường xuất hiện bên trong các lỗ rỗng và các khuyết tật lớn hơn trong bê tông Nó chứa các ion như Na+, K+, Ca2+, OH- và SO42-, cũng như oxy hòa tan Điểm đáng chú ý của xi măng thủy hóa là các pha chứa nước nhanh chóng đặt được pH cao Hơn nửa, vật liệu có phần lưu trữ kiềm dưới dạng các sản phẩm thủy hóa hòa tan chống lại sự giảm pH ở các giá trị trên 10 Dung dịch có tính kiềm trong các lỗ rỗng của bê tông tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành lớp thụ động trên bề mặt cốt thép Lớp thụ động được hình thành từ các oxit không hòa tan, sản phẩm của các phản ứng nhiệt động học giữa thép, nước và oxy trong môi trường có pH cao Màng thụ động đóng vai trò lớp rào cản, cản trở quá trình ăn mòn cốt thép Sự xâm nhập của các chất độc hại có thể diển ra trong bê tông qua hệ thống lỗ rỗng, thường chủ yếu qua các

lỗ rỗng mao dẫn Vết nứt sẽ phát triển ở những nơi bê tông chịu ứng suất kéo và cốt thép chịu tải trọng, do đó sẽ làm giảm chức bảo vệ của lớp bê tông bảo vệ Cũng có rất nhiều nguyên nhân khác nhau gây co ngót của bê tông có thể gây ra các vết nứt trong

bê tông

1.2 QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT

1.2.1 Các quá trình xuống cấp

Hình 1.2 Quá trình xuống cấp của bê tông và ăn mòn cốt thép

Có rất nhiều quá trình làm giảm chất lượng của các công trình bê tông cốt thép, bao gồm quá trình xuống cấp của chính vật liệu bê tông và quá trình ăn mòn cốt thép

Ettringite hay Canxi aluminum sun phát hydroxit thủy hóa (Ca3Al2(SO4)3(OH)12.26H2O) được hình thành từ phản ứng giữa ion sun phát và các pha aluminat trong xi măng Nó được hình thành trong quá trình thủy hóa xi măng khi canxi sun phát được trộn vào trong bê tông để kiểm soát quá trình thủy hóa Nó là chất có tính giãn nở nhưng chỉ có tác dụng phá hoại khi hình thành sau khi xi măng đã hóa cứng Trường hợp phổ biến của quá trình ăn mòn sun phát là quá trình xâm thực sun phát từ môi trường bê ngoài và trong bê tông và tạo ra ettringite Các góc cạnh đặc biệt

rất dễ bị ảnh hưởng và kết quả là bề mặt bê tông dễ bị phá vỡ

Thaumasite hay Canxi silicat cacbon sun phát thủy hóa (Ca3Si(OH)6CO3SO4.12H2O) được hình thành do sun phát xâm nhập vào bê tông hay vữa Nó thường bắt gặp ở môi trường ẩm và lạnh như các công trình ngầm và các điều kiện có sẵn sun phát, cacbonat và nước Bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi thường bị ảnh hưởng của thaumasite, bởi chúng là nguồn cung cấp ion cacbonat Thaumasite trương

nở và tác động đến cả hồ xi măng và cốt liệu

Hình 1.3 Ăn mòn bê tông cốt thép

1.2.3 Phản ứng kiềm – silica

Phản ứng kiềm - silica là phản ứng hóa học giữa các khoáng silic trong cốt liệu với kiềm trong bê tông Phản ứng tạo ra gel trương nở khi xi măng hình thành cường

độ, gây ứng suất bên trong dẫn đến giãn nở và nứt bê tông

Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và mức độ giản nở gồm hàm lượng kiềm, lượng cố liệu hoạt tính và kích thước hạt, độ ẩm của bê tông, sự chênh lệch độ

ẩm, nhiệt độ và tính xuyên thấm của bê tông Hàm lượng kiềm (đo bằng hàm lượng Natri và Kali trong dung dịch PH cao chứa trong lỗ rỗng bê tông) phụ thuộc vào loại xi măng

Sự phá hoại của nước biển do phản ứng hóa học của sun phát trong nước biển cũng như quá trình tinh thể hóa các muối trong lỗ rỗng Bởi vì quá trình kết tinh của muối xảy ra do sự bay hơi cửa nước, do đó những phần bê tông ở vùng mực nước thay đổi thì sự phát triển này diễn ra rất mạnh mẽ

Tác động chủ yếu của lửa là gây ra biên độ thay đổi nhiệt rất lớn trong bê tông Sự khác nhau về sự giản nở nhiệt làm bong vỡ lớp phủ bề mặt và giảm cường độ Ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ đến cường độ của bê tông là nhỏ Sự mất độ ẩm khi nhiệt

độ cao có thể dẫn đến sự suy giảm cường độ và tính đàn hồi

1.3 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT

1.3.1 Bê tông bị rỗ

Hiện tượng này khá phổ biến trong quá đúc bê tông làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu và kết cấu dễ bị xâm thực từ môi trường ngoài gây nên hư hỏng và sập đổ công trình, có 3 loại rỗ như sau:

- Rỗ mặt hay rỗ tổ ong, các lỗ rỗ này chỉ có độ sâu từ 1-2 cm, thành từng mảng trên mặt kết cấu;

Hình 1.4 Rỗ tổ ong

Rỗ sâu, với loại rỗ này người ta có thể dung thanh sắt bảy rời các viên cốt liệu không được vữa xi măng liên kết chặt, cho đến khi gặp lớp bê tông quánh chắc bê trong, thì đã hình thành một lỗ sâu trong bê tông để lộ cốt thép ra ngoài;

Rỗ thấu suốt là lạo rỗ ăn thông qua hai mặt của kết cấu

Những nguyên nhân gây ra hiện tượng rỗ:

- Bê tông bị phân tầng khi chiều cao rơi bê tông không đảm bảo yêu cầu;

- Công tác thi công đầm không tốt;

- Bê tông bị mất nước xi măng hoặc độ sụt không đạt yêu cầu;

- Thành phần cấp phối không hợp lý;

- Cự ly cốt thép không đúng quy định

- Ở các góc nối giữa dầm với cột, nơi bê tông cột co ngót bị cản trở bởi bê tông dầm vẫn được chống đỡ căng bên dưới, cốt thép đầu cột tường bị trơ trụi ra, phần bê tông tựa của dầm lên cột hoàn toàn như không có;

- Ở các nơi có bản thép chôn sẵn để hàn liên kết các kết cấu với nhau, khi đúc bê tông, vữa không chui xuống được dưới bản thép đó, nên hình thành khoản trống rỗng bên dưới

1.3.3 Bê tông bị nứt nẻ

Hiện tượng bê tông bị nứt là triệu chứng bê tông chịu ứng suất và biến dạng, có những ứng suất tự bản thân bê tông gây ra trước khi chịu tải do co ngót trương nở hoặc phản ứng phát nhiệt trong bê tông

a Vết nứt do co ngót

Loại vết nứt này thường được xuất hiện trong bề mặt của bê tông do quá trình co ngót không đều Nguyên nhân là do hàm lượng xi măng quá nhiều trong hỗn hợp bê tông, do đặc điểm của dạng kết cấu, do cách bố trí cốt thép không phù hợp vv

Hình 1.5 Nứt bê tông do co ngót

d Vết nứt ngang ở đoạn đầu dầm

Xuất hiện do ứng suất cục bộ quá lớn ở bê dưới mấu neo cốt thép

e Vết nứt ở bên trên thớt gối

Nguyên nhân là do cấu tạo cốt thép đặt ở đầu dầm không đủ và cấu tạo đầu dầm không hợp lý Sự làm việc của thớt gối có ảnh hưởng đến loại vết nứt này

- Sỏi đá chưa rửa sạch, còn lẫn nhiều đất bẩn

1.3.5 Bê tông quá khô

Do bê tông không được bảo dưỡng tốt, không được tưới nước thường xuyên, bị mất nước nhanh bê tông không đủ nước để thủy hóa xi măng dẫn đến cường độ của bê tông giảm đi rõ rệt

1.3.6 Suy thoái của bê tông

Bê tông là loại vật liệu dễ bị nứt, các vết nứt làm giảm độ cứng của tiết diện, làm môi trường vật liệu bị đứt đoạn và là triệu chứng của sự phân bố lại nội lực giữa bê tông và cốt thép

Bê tông có độ rỗng xốp lớn có thể lên tới 40% thể tích; dù bê tông có chất lượng tốt thì thì dộ rỗng xốp xấp xỉ 10% thể tích của bê tông Và các lỗ rỗng này sẽ thấm nước là nguyên nhân gây suy thoái chất lượng bê tông

Sự lão hóa của bê tông bắt đầu bởi các khe nứt trong quá trình thi công hoặc khai thác, các chất nguy hại cho bê tông và cốt thép sẽ xâm thực bê tông và cốt thép

1.3.7 Sự làm việc mỏi của BTCT thường

Mỏi là một quá trình thay đổi lâu dài cấu trúc bên trong vật liệu, phụ thuộc vào tải trọng lặp Trong bê tông, những thay đổi này liên quan mật thiết đến sự hình thành và phát triển các vết nứt nhỏ bên trong, và sự phá vỡ lực dính Từ đó có thể dẫn đến những hư hỏng nhanh của bê tông, cốt thép và tiếp theo là hư hỏng kết cấu công trình

a) Bê tông chịu lực mỏi

Cơ học của sự nứt mõi bê trong bê tông hoặc vữa có thể chia thành ba giai đoạn Giai đoạn thứ nhất từ những vùng bị yếu bên trong bê tông hoặc vữa và được coi là sự

mở đầu cho các vết nứt Giai đoạn thứ hai là sự hình thành chậm các vết nứt với kích thước nói chung nhỏ Còn giai đoạn thứ ba diễn ra khi có sự hình thành đủ các vết nứt gây mất ổn định hoặc kích thước các vết nứt tăng lên làm thu hẹp diện tích mặt cắt của kết cấu, nên kết cấu không còn đủ khả năng chịu tải như khi tính toán dẫn đến hư hỏng

Ở giai đoạn đầu, bê tông thường chịu nén có điều chỉnh lực hoặc chịu lực kéo mỏi có ứng suất tăng mạnh một thời gian ngắn, sau đó đều đặn tăng nhẹ trong giai đoạn hai và ở giai đoạn cuối thì ứng suất tăng trở lại một cách đáng kể trước khi mẫu

bị phá hoại Modun đàn hồi của bê tông giảm đáng kể trong suốt thời gian thí nghiệm

do sự hình thành vết nứt rất nhỏ

Dưới lực nén dọc trục, có sự rạn nứt nhỏ trong giai đoạn cuối này Các vết nứt xuất hiện thêm và nối lại, song song với hướng lực tác dụng trên bề mặt của mẫu dẫn đến hư hỏng tiếp theo Bê tông chịu ứng suất đổi chiều bị hư hỏng nhanh hơn, có thể giải thích do sự tương tác giữa các vết nứt nhỏ có hướng khác nhau do lực nén và lực kéo gây ra

b) Cốt thép chịu lực mỏi

Tuổi thọ mỏi của cốt thép có thể được chia thành pha rạn nứt đầu tiên, pha lan truyền vết nứt một cách đều đặn và pha gãy dòn của tiết diện còn lại Vết nứt ban đầu

ở thanh thép có gờ thường bắt đầu ở góc các gờ nơi mà có ứng suất tập trung

c) BTCT thường chịu lực mỏi

- Mỏi do uốn: Lực mỏi gây ra phá hoại dần lực dính giữa bê tông và cốt thép Bề rộng vết nứt sẽ lớn hơn và phần bê tông chịu kéo sẽ nhỏ hơn, kết quả là độ võng lớn hơn Sự hư hỏng thường xảy ra do cốt thép chịu kéo hư hỏng mỏi Một dạng hư hỏng

cơ học khác là do bê tông vùng nén bị ép vỡ;

- Mỏi do cắt: Dầm không có cốt thép chịu cắt phát triển vết nứt sau vài chu kỳ đầu tiên, biến dạng chỉ tăng ít Vết nứt cắt tới hạn xuất hiện xuyên qua các vết nứt uốn Chiều rộng của vết nứt này không theo sự thay đổi ứng suất nào và kết quả là dầm bị

hư do mỏi của các thanh nén chống Các dầm có cốt thép chịu cắt xuất hiện hư hỏng mỏi của cốt đai hoặc phá vỡ bê tông xung quanh

1.3.8 Bê tông bị phá hoại

Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của môi trường xung quanh dưới các hình thái khác nhau như các tác động cơ học, lý học, hóa học và những hư hỏng, sự cố do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công Những tác động này dẫn

đến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng công trình hoặc mất an toàn về phương diện chịu tải Với những tác động đặc biệt như động đất, cháy nổ có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng, có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần hoặc toàn bộ công trình

Hình 1.6 Bê tông bị phá hoại

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương I trình bày tổng quan về bê tông cốt thép, quá trình xuống cấp và nguyên nhân hư hỏng của bê tông cốt thép Trong chương tiếp theo sẽ trình bày về các phương án gia cường cột bê tông cốt thép

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

Cấu kiện cột bê tông cốt thép được đánh giá là nguy hiểm khi có một trong những hiện tượng sau:

+ Cột chịu lực có vết nứt thẳng đứng, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, cốt thép chịu lực lộ ra do bị ăn mòn, hoặc một bên có vết nứt ngang với bề rộng lớn hơn 1 mm, một bên bê tông bị nén vỡ, cốt thép chịu lực lộ ra do bị ăn mòn;

+ Cột bị nghiêng, chuyển vị ngang và độ nghiêng vượt quá 1% độ cao, chuyển vị ngang vượt quá h/500; (h – chiều cao tính toán của cột)

+ Bê tông cột bị mủn, bị carbonat hoá, phồng rộp, diện tích hư hỏng lớn hơn 1/3 toàn mặt cắt, cốt thép chịu lực lộ ra, bị ăn mòn nghiêm trọng;

+ Cột biến dạng theo phương ngang lớn hơn h/250, hoặc lớn hơn 30 mm;

Kết cấu bê tông cốt thép cần được gia cường trong các trường hợp:

+ Khi tình trạng hư hỏng của kết cấu đã đến mức không thể áp dụng các biện pháp sửa chữa để phục hồi khả năng chịu tải;

+ Khi có sự thay đổi về công năng sử dụng, khả năng chịu tải của kết cấu cũ không còn đáp ứng được sự tác động của tải trọng mới với sơ đồ tính toán tương ứng Thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép phải dựa trên các nguyên tắc:

+ Phù hợp với yêu cầu sử dụng công trình, kết cấu sau gia cường không gây cản trở đến hoạt động khai thác công trình;

+ Đảm bảo khả năng chịu tải trọng tác động

+ Yêu cầu kết cấu đơn giản, đạt hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật;

+ Dễ thi công, phù hợp với điều kiện vật liệu, phương tiện và trình độ thi công

2.1 GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG TIẾT DIỆN 2.1.1 Phần cấu tạo

Cột bê tông cốt thép có thể gia cường bằng một lớp vỏ áo cũng bằng bê tông cốt thép (hình 2.1) với những cốt dọc và cốt đai đặt theo tính toán

Chiều dày lớp vỏ áo phải lớn hơn 5cm nếu đúc bê tông có cốt pha và phải lớn hơn 3cm nếu áp dụng biện pháp phun bê tông Trước khi đổ bê tông phải đập vỡ các cạnh góc cột và gia công mặt bê tông cũ

Trong trường hợp làm vỏ áo chung quanh cột gặp khó khăn, ví dụ như cột ở gần mạch lún, mạch nhiệt, hoặc cột ở sát tường thì gia cường cột bằng cách tăng tiết diện cột một phía hoặc hai phía

a) b)

Hình 2.1 Gia cường cột bằng tăng tiết diện

a) Vỏ áo có cốt đai xoắn ốc; b) Vỏ áo có cốt đai vòng kín Các thanh cốt thép dọc cũ và mới được hàn với nhau bằng các đoạn thép ngang ngắn hoặc bằng thép đai, tùy theo điều kiện cần tăng khả năng chịu lực của cột lên ít hay nhiều

Gia cường cột bằng cách mở rộng tiết diện không cần phải làm suốt chiều dài cột mà có thể gia cường cục bộ ở những nơi hư hỏng hay ứng suất quá lớn

Gia cường những cột nhà nhiều tầng đúc bê tông toàn khối thì phải khoan những lỗ xuyên sàn tầng để cho cốt dọc đi qua

Tùy theo tải trọng truyền xuống móng nhỏ hay lớn mà xem xét có tăng diện tích

đế móng hay không, đôi khi phải hạ thêm cọc và làm đài cọc bê tông cốt thép để truyền tải xuống các cọc mới

Thông thường thì vỏ áo cột gia cường nối liền vỏ áo móng gia cường, nếu như cột không cần thiết phải gia cường móng thì vỏ áo móng nên kéo dài lên cao quá chân cột độ 1-1,5m

Mặt ngoài vỏ áo móng thường dốc, khi đúc bê tông cần làm cốt pha ngoài

Thực tế cho thấy có thể tăng khả năng chịu tải của kết cấu lên 1,5 ÷ 2 lần và tiết kiệm được vật liệu

Tăng về 2 phía hoặc 1 phía tuỳ theo yêu cầu Chiều cao tăng phụ thuộc kết quả tính toán Đường kính cốt dọc từ ф14 ÷ ф 25

Tăng tiết diện bằng cách ốp bốn phía Phương pháp này rất thích hợp với cột Cốt thép và chiều dày của bê tông ốp xác định theo tính toán

Hình 2.2 Tăng tiết diện cột

2.1.2 Phần thiết kế

(PGS Lê Văn Kiểm, Hư hỏng, sửa chữa, gia cường kết cấu bê tông cốt

thép, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội 2006)

Bốn đặc điểm thiết kế các tiết diện gia cường bằng cách mở rộng tiết diện ra một phía hoạch nhiều phía:

- Kết cấu được gia cường làm việc như một kết cấu đúc liền duy nhất

- Cốt thép trong kết cấu cũ và cốt thép bổ sung 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, nghĩa là 0,8Ra

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

a Gia cường cột chịu nén đúng tâm bằng một vỏ áo

Đối với các cột chịu nén đúng tâm:

Diện tích Avo của lớp vỏ áo khi tải trọng gia tang:

Nq = φ(Rb(Ab+Avo) + Rsc(As + Ast)) (1.1)

Nq - lực dọc quy đổi do các tải trọng tính toán, dài hạn và ngắn hạn

Rb - cường độ chịu nén tính toán của bê tông

Rsc - cường độ chịu nén tính toán của cốt thép

Ab - diện tích bê tông của cột ban đầu

As - diện tích cốt thép dọc của cột ban đầu

Ast - diện tích cốt thép dọc của lớp,lấy bằng 1% diện tích bê tông gia cường

Ast = 0.01Avo (1.2) Diện tích vỏ áo được xác định:

mà cái vỏ áo khi thiết kế ta không biết nó dày bao nhiêu

Cạnh nhỏ nhất của tiết diện cột bây giờ: b’=2d+ b=12 + b

Hình 2.3 Tiết diện cột sau khi gia cường

b Gia cường cột chịu nén lệch tâm bằng tiết diện về một phía

Đối với các cột chịu nén lệch tâm lớn: Biểu đồ ứng suất và sơ đồ tính toán được thể hiện dưới hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bằng tăng tiết diện

Thường cho trước chiều dày d của phần mở rộng vùng kéo rồi tính cốt thép cần

tăng cường A st

Điều kiện cân bằng lực cho:

N = bRbx + RscA’s - RsAs - RsAst (1.5) khi ao< 0,5 (h’-a) thì chiều cao vùng chịu nén x:

Ne - RscA’s(ho - a’ - ao) - bRbx(ho + ao - 0,5x) + RsAsao=0 (1.7) Trong đó:

+ e = eo + 0,5h’ - a

+ h’ = h + d

MI = bRbx(ho + ao - 0,5x) (1.8) Biểu thức (1.8) chính là mô men uốn đối với tiết diện b(ho + ao) trong đó bố trí diện tích cốt thép AI

Thay thế các hệ số vào biểu thức (1.5) ta được

Chiều cao vùng nén x được xác định theo phương trình (1.6):

Đối với cột chịu nén lệch tâm bé:

Khi độ lệch tâm bé thì gia cường cột bằng cách tăng tiết diện đối với vùng chịu nén

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén

lệch tâm bé bằng tăng tiết diện

Cho trước chiều dày d của phần mở rộng, đi tìm lượng cốt thép dọc gia tăng A’st cho vùng mở rộng này

Diện tích cốt dọc gia cường:

2.1.3 Biện pháp thi công

- Dùng hệ ván khuôn cây chống đỡ hệ dầm, sàn của công trình ở tầng gia cố cột;

- Đục lớp vữa trát trên cột, làm sạch bề mặt bê tông cũ, nếu cốt thép cột hiện trạng bị hoen gỉ, có thể dụng SiKa Monotop R để quét bảo vệ cốt thép;

- Khoan cấy thép chịu lực của cột vào đài móng, nếu gia cố tầng nào đó của công trình thì khoan cấy thép chịu lực vào hệ dầm bên dưới của cột; khoan cấy đai thép vào thân cột hiện trạng, dùng Sika 731 liên kết cốt thép với bê tông cũ;

- Lắp đặt cốt đai;

- Lắp đặt ván khuôn và đổ bê tông thông thường, nếu tiết diện cột gia cường nhỏ

có thể dùng sika Ground

- Đối với phần bê tông đầu cột có thể dùng Sikadure 752 liên kết đỉnh cột và đáy dầm hoặc có thể dùng bê tông mác cao, cốt liệu nhỏ để liên kết

2.1.4 Ưu điểm, nhược điểm

- Ván khuôn lắp ghép cồng kềnh;

- Thi công phức tạp và khó khăn;

- Phải phá bỏ một phần kết cấu cũ;

- Liên kết giữa bê tông cũ và mới rất khó khăn và thường không đảm bảo sự dính kết cần thiết;

- Sự co ngót khác nhau giữa bê tông cũ và lớp bê tông mới;

- Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho công trình;

- Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện;

- Làm thay đổi kiến trúc tổng thể của kết cấu sau khi gia cường

2.2 GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG THÉP HÌNH

Một trong những phương pháp gia cố kết cấu bê tông cốt thép là sử dụng thép hình để tạo nên một hệ thống kết cấu tổ hợp giữa kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu

thép cùng đồng thời tham gia chịu tải, thép hình có thể được dùng để ốp tăng cường

tiết diện cho cột

2.2.1 Phần cấu tạo

Ốp cột bằng thép hình là phương pháp khá phổ biến để gia cố cột Phương pháp này có ưu điểm là thi công đơn giản, nhanh chóng, không ảnh hưởng đến tính chất làm việc liên tục của công trình, phương pháp này có khả năng nâng cao đáng kể khả năng chịu tải của cột, nhất là khi gây được ứng lực trước trong kết cấu gia cố Hơn nửa, gia

cố cột bằng thép hình vẫn có thể giữ được một cách tương đối tiết diện cột, không ảnh hưởng nhiều đến thẩm mỹ của công trình

Phương pháp này có thế áp dụng để gia cố cột chịu tải trọng đúng tâm hoặc lệch tâm Tùy thuộc vào điều kiện chịu tải của cột cần gia cố mà chọn tiết diện và bố trí các thanh ốp cho phù hợp Trong trường hợp cột chịu tải đúng tâm hoặc lệch tâm nhỏ, hoặc cột chịu tác dụng của mômen hai chiều có thể bố trí thanh ốp đối xứng (hình 2.6 a,b,c) Trong các trường hợp khác có thể bố trí các thanh ốp về một phía là phía thớ chịu nén (hình 2.6 d,e)

Các thanh ốp thường là thép góc được giằng lại với nhau qua các bản giằng Đôi khi các thanh ốp có thể là thép C Các thanh bản giằng làm bằng thép dẹt, khoảng cách bản giằng không được vượt quá 40r (r - bán kính quán tính nhỏ nhất của thanh ốp)

Hai đầu trên và dưới của thanh ốp gắn liền với một bản tựa có chiều dày không dưới 15 mm, còn bề rộng phụ thuộc vào tiết diện của thanh ốp Các bản tựa được cấu tạo vượt quá mép cột một đoạn 100÷120 mm để bố trí bulông kẹp khi lắp ghép Chiều dài đường hàn giữa bản tựa và thanh ốp được kiểm tra bằng tính toán

a) b) c) d) e)

Hình 2.6 Gia cường cột bằng ốp thép hình

a) Thanh ốp không ứng suất trước;

b) Các thanh chống ốp vào 2 phía, khi đang thi công;

c) Các thanh chống đã hoàn thành trong trạng thái ứng suất trước;

d) Các thanh chống ốp vào 1 phía, đang thi công;

e) Các thanh chống một phía đã hoàn thành

1 Cột cần gia cường; 2 Thanh ốp; 3 Bản giằng; 4 Gối tựa;

5 Bu lông neo gần gối tựa; 6 Bu lông neo tại khớp; 7 Bản giằng tại khớp;

8 Tấm lót thân cột

Bản tựa có nhiệm vụ truyền lực từ thanh ốp lên kết cấu qua bản kê bằng thép góc Bản kê được đặt ép sát vào mặt ngoài của cột Trong nhiều trường hợp bản kê còn được hàn với cốt thép cột, hoặc dầm Các khe hở được chèn bằng vữa xi măng Khi cần thiết dưới bản kê còn phải đặt thêm bản lót Chiều dày bản kê, bản lót phụ thuộc vào ứng lực trong thanh ốp và được xác định bằng tính toán Tại vị trí đặt bản kê, kết cấu cần được kiểm tra chịu tác dụng ép mặt

Các thanh ốp liên kết lại với nhau qua các bản xiết chặt vào cột Để tăng hiệu quả gia cố, người ta gây ứng lực trước cho các bản giằng Các bản giằng được gây ứng lực trước bằng phương pháp gia nhiệt Trong quá trình hàn liên kết với các thanh ốp, các bản giằng được đốt nóng đến nhiệt độ yêu cầu Khi nguội, các bản giằng sẽ co lại và gây nên ứng suất bó chặt thân cột

Hình 2.7 Chi tiết cấu tạo khớp và gối tựa

1- Thanh ốp; 2- bản giằng tại khớp; 3- bản giằng; 4- bản tựa; 5- bản kê

6- bản lót; 7- bulông neo tại khớp; 8- bulông neo tại gối tựa Để tăng cường hiệu quả gia cố cột cần đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa kết cấu gia cố và kết cấu được gia cố bằng cách gây ứng lực trước trong các thanh ốp Để làm việc đó có thể dùng các loại kích chuyên dụng: kích thủy lực, kích nêm, kích đòn bảy v.v… Một phương pháp gây ứng lực trước khá đơn giản, dễ thực hiện đã được N.M Onufiev sử dụng như sau:

Các thanh ốp bằng bằng hình được cấu tạo khớp tại điểm giữa chiều cao bằng cách khoét một góc nhỏ tại một bên cánh thép hình sao cho có thể uốn gập thanh ốp tại khớp đó Bản giằng tại khớp được cấu tạo vượt ra ngoài mép cột một đoạn 100÷120

mm để bố trí bulông neo Căn cứ theo giá trị ứng suất trước yêu cầu người ta tính ra được góc nghiêng ban đầu giữa thanh ốp với cột Để gây ứng lực trước đã cho trong thanh ốp, chỉ cẩn xiết bulông neo tại khớp sao cho thanh ốp được nén thẳng và ép sát thân cột là được Thông thường ứng lực trước trong thanh ốp nên lấy vào khoảng 600÷800 Kg/cm Do góc lệch ban đầu giữa thanh ốp và cột khá bé cho nên với một lực neo của bulông khá bé cũng đủ gây một ứng lực trước khá lớn

Tùy theo mức độ yêu cầu của từng trường hợp khác nhau, phương pháp gia cố này đều có thể đáp ứng và có thể nâng cao khả năng chịu tải của kết cấu ở mức độ đáng kể

Cũng có trường hợp người ta thường dùng cặp thép hình chữ U ốp hai phía cột bê tông thay thế hai cặp thanh thép góc

Trường hợp cột chịu nén đúng tâm hoặc nén lệch tâm nhỏ, người ta gia cường bằng một lồng sắt bó quanh cột, gồm các thanh thép góc, không ứng suất trước Để tăng hiệu quả gia cường, người ta gây ứng suất trước cho các bản liên kết bằng phương pháp nhiệt: Khi hàn chúng vào các thanh chống, người ta đã đốt nóng chúng đến nhiệt

độ yêu cầu; khi nguội các bản thép liên kết co ngăn lại, tạo nên lực bó chặt lồng sắt

vào thân cột Sau khi gia cường, độ cứng của cột bê tông cốt thép có tăng lên chút ít, cường độ tính toán của cột bê tông do tác dụng chống nở hông lồng sắt

Khi sử dụng lồng sắt không ứng suất trước bó quanh cột thì điều kiện cần thiết là các thanh thép ốp phải thật dính sát vào các mặt bên của cột và thật thẳng đứng Vậy việc tạo ứng suất trước cho các bản liên kết bằng phương pháp nhiệt là cần thiết

Điểm khác biệt giữa thanh chống ứng suất trước và thanh ốp góc không ứng suất

ở chổ là: Các thanh chống ứng suất trước trong lúc gia cường đa nhận một phần tải trọng thẳng đứng vào mình, nghĩa là chúng đã bắt đầu làm việc chung với cột bê tông cốt thép và đã giảm bớt tải cho cột này Sau nữa, khả năng tăng tải cho cột bê tông cốt thép tỷ lệ với tiết diện ngang của thanh thép chống gia cường, vậy ta có thể tăng cường

độ chịu lực của cột lên tới 100 tấn

2.2.2 Phần thiết kế

(PGS Lê Văn Kiểm, Hư hỏng, sửa chữa, gia cường kết cấu bê tông cốt

thép, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội 2006)

Các đặc điểm để lập công thức tính toán:

- Tạo ứng suất trong các thanh thép chống, đảm bảo là chúng làm việc kết hợp với cột bê tông cốt thép cần gia cường;

- Ở trạng thái giới hạn, đạt được sự cân bằng giữa các nội lực và các ngoại lực;

- Thanh chống ứng suất trước có thể chịu lực tới cường độ tính toán của vật liệu làm ra nó;

- Thanh ốp không ứng suất trước tham gia chịu lực tùy thuộc vào mức độ cất dở tải trọng trước gia cường

a) Tính khả năng chịu lực của cột sau khi gia cường

• Đối với cột chịu nén đúng tâm

Nq ≤ φ(RbAb + RsAs + mo2RsAs) (2.1) Trong đó: Nq = l

l

N

m + Nn (2.2)

Nq- lực dọc quy đổi

Nl- lực dọc tính toán cho phần tải trọng dài hạn

Nn - Lực dọc tính toán do phần tải trọng tác dựng ngắn hạn

ml - hệ số ảnh hưởng của tải trọng dài hạn đến khả năng chịu lực của kết cấu mảnh

mo- hệ số điều kiện làm việc của thanh chống, lấy mo = 0,9 theo thực nghiệm

e o h/2 e

Hình 2.8 Sơ đồ tính toán cột chịu nén lệch tâm lớn bằng thép hình

a) Khi cột chịu nén lệch tâm lớn, lực N nằm ngoài cột

b) Khi cột nén lệch tâm lớn, lực N nằm trong cột

c) khi cột nén lệch tâm nhỏ

Việc gia cường cột bằng các thanh chống ở một phía chịu nén của cột phụ thuộc vào vị trí của lực nén tính toán ở phía ngoài tiết diện cột hay ở trong tiết diện đó

Cột chịu nén lệch tâm lớn là khi vùng nén x ≤ 0,55 ho

Điều kiện cân bằng lực cho:

N = bRbx + Rs(A’s+mFo – As) (2.3) Trong đó:

Fo - lực tác dụng lên mỗi cặp thép chống tăng cường, được xác định bởi các hệ thức (2.8), (2.9), (2.10) tùy vào trường hợp cột chịu nén đúng tâm hay lệch tâm;

Chiều cao vùng nén x xác định bằng phương trình cân bằng mô men đối với lực

Sau khi tính được x, thì áp dụng công thức (2.3) để tính khả năng chịu lực của cột

được gia cường

Đối với các cột chịu nén lệch tâm nhỏ:

Cột chịu nén lệch tâm nhỏ khi x  0,55ho, được gia cường bằng cặp thanh chống

Ghi chú: Đối với cốt thép trong cột, người ta thường lấy R sc = R s

b Tính tiết diện thanh chống gia cường cột

Đối với các cột chịu nén đúng tâm:

Nội lực No của thanh chống bằng hiệu giữa tổng tải trọng N mà cột phải chịu sau

gia cường và khả năng chịu lực giới hạn Ngh của cột trước gia cường

Đối với các cột chịu nén lệch tâm lớn và được gia cường một phía:

Lập phương trình cân bằng mô men đối với trục thanh chống, rồi từ phương trình

này tính ra x

Khi eo > ho –a’ thì

0 =Ne’’+A’sRs(e’-e’’) – AsRs(e - e’’) +Rbbx(e - ho- e’’+ 0,5x) (2.10)

Khi eo< ho – a’

0=Ne’’+A’sRs(e’’-e) –AsRs(e’’+ e) +Rbbx(e’’- ho+ e’’+ 0,5x) (2.11)

Sau khi tính được x thì tính tiết diện thanh chống gia cường Fo bằng cách chiếu

tất cả các lực lên trục dọc:

Đối với các cột chịu nén lệch tâm tâm nhỏ và được gia cường một phía:

Tiết diện thanh chống gia cường cột được xác định bằng công thức:

2.2.3 Biện pháp thi công

- Gia cường kiểu khô là phương pháp gia cường bọc ngoài bằng thép hình

nhưng không có dính kết với kết cấu bê tông cốt thép cũ, hoặc tuy có nhồi vữa xi măng

cát, nhưng không thể đảm bảo sự truyền lực giữa kết cấu mới và kết cấu cũ

- Gia cường bọc ngoài kiểu ướt là phương pháp gia cường bọc ngoài bằng thép

hình mà giữa thép hình và kết cấu cũ để một khe hở nhất định, được nhồi đầy vữa xi

măng và vữa epoxy hoặc đổ bê tông cốt liệu nhỏ, để dính kết chúng thành một khối

Hình 2.9 a) Gia cường kiểu khô; b) gia cường kiểu ướt

1 Kết cấu cột bê tông hiện trạng

2 Thép hình gia cường

3 Thanh giằng

4 Bê tông cốt liệu nhỏ (hoặc vữa epoxy)

2.2.4 Ưu điểm, nhược điểm

a Ưu điểm:

- Thi công đơn giản, nhanh chóng, không đòi hỏi thiết bị công nghệ;

- Không ảnh hưởng đến việc sử dụng công trình;

- Nâng cao đáng kể khả năng chịu lực của cột;

- Giữ được kích thước, tiết diện cột, không ảnh hưởng đến thẩm mỹ công trình

b Nhược điểm:

- Tiêu hao lượng thép tương đối lớn;

- Lắp đặt các tấm thép khó khăn;

- Thời gian thi công kéo dài cần nhiều thời gian tốn kém nhân công;

- Bản thép cần phải điều chỉnh chế tạo và gia công trước phức tạp;

- Khó khăn trong cẩu lắp, thi công tại những khu vực chật hẹp;

- Khoan và bắt bulông vào bê tông có thể phát sinh những sự cố như làm giảm tiết diện chịu lực của kết cấu;

- Công việc hàn thép tấm có thể xảy ra hiểm họa cháy, nổ và khó khăn trong việc quản lý chất lượng

2.3 GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG VẬT LIỆU CỐT SỢI TỔNG HỢP FIBER REINFORCED POLYMER (FRP)

2.3.1 Cấu trúc và đặc tính cơ học của vật liệu FRP

a Sơ lược về vật liệu FRP và lịch sử phát triển

FRP có tên tiếng Anh là Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramid

Vật liệu FRP có các dạng như: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn Trong sửa chữa và tăng cường kết cấu thường dùng dạng tấm và dạng vải

đã được sử dụng trong ngành công nghiệp Anh từ đầu những năm 1960 Sợi carbon được sử dụng cho các yêu cầu cần tăng cường đặc biệt được ứng dụng phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và thể thao…

+ Sợi thủy tinh được cấu tạo gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính từ 2 - 10 micromet Sợi thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độ cách điện cao Sợi thủy tinh có tính chất cơ học gần tương đương với các loại sợi khác như polymer và sợi carbon Sợi thủy tinh được ứng dụng phổ biến để tăng cường các kết cấu chịu lực, đặc biệt chịu tải trọng mỏi, tải trọng động đất cho dầm, cột, sàn, cọc… Sợi thủy tinh đã được thử nghiệm trong các ứng dụng quân sự vào cuối Chiến tranh Thế giới II Cho đến nay sợi thủy tinh được sử dụng rộng rãi trên tất cả các ngành công nghiệp để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu

+ Sợi Aramid xuất hiện đầu tiên dưới tên thương mại Nomex của DuPont được ứng dụng cùng thời điểm với sợi Carbon Sợi Aramid được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chất dẻo yêu cầu độ đàn hồi cao Năm 1987 Giáo sư Urs Meier làm việc tại EMPA (Viện kiểm định và nghiên cứu vật liệu Thụy Sỹ) lần đầu tiên đã đưa ra cách gia cường kết cấu bằng cách gắn kết polyme cốt sợi carbon Năm 1991 để tăng cường sức chịu uốn cho các kết cấu cầu Ibanh ở Thụy Sỹ bằng các tấm polime cốt sợi carbon Cây cầu bị hỏng đã được phục hồi về trạng thái ban đầu sau 2 ngày

Vật liệu FRP được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện nhiều ở các nước Đông Nam Á

Hình 2.11 Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit ở Mỹ

Cấu trúc vật liệu FRP được thể hiện trên hình 2.13

Sợi Chất nền Vật liệu FRP

Hình 2.12 Cấu trúc của vật liệu FRP cốt sợi

Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

- Mô đun đàn hồi cao;

- Cường độ tới hạn cao;

- Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn;

- Cường độ ổn định cao trong vận chuyển;

- Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường được sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid

Sợi carbon: Sợi carbon được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi được xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi carbon Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau Để phân loại các loại sợi các bon khác nhau, dựa vào mô đun đàn hồi và ứng xử nhiệt như sau:

Phân loại dựa vào mô đun đàn hồi:

- Mô đun đàn hồi rất cao: loại sợi cacbon có mô đun > 450Gpa;

- Mô đun đàn hồi cao: loại sợi carbon có mô đun từ 325 - 450 Gpa;

- Mô đun đàn hồi trung bình: loại sợi carbon có mô đun từ 200 đến 325Gpa;

- Mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp: loại sợi carbon có mô đun 3 Gpa

Phân loại dựa vào ứng xử với nhiệt độ:

- Loại I (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ cao): kết hợp với mô đun đàn hồi cao (>20000C);

- Loại II (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ trung bình: kết hợp với cường độ cao (>15000C và <20000C);

- Loại III (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ thấp): kết hợp với cường độ và mô đun đàn hồi thấp (<10000C)

Bảng 2.1 Các đặc trưng loại sợi cacbon khác nhau

Các loại

sợi cac

bon

Mô đun đàn hồi kéo (ksi)

Cường độ chịu kéo (ksi)

Nước sản xuất

Giá thành ($/pound)

Mỹ Mỹ/ Hungary

Mỹ Mỹ/Pháp/Nhật

Sợi aramid: Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi thủy

tinh Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt Về mặt sản xuất, được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm Sợi aramid có mô đuyn đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ Sợi aramid nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% và 20% đối với sợi thủy tinh Sợi aramid có 3 loại chính là Kevlar R49, Kevlar R29, Kevlar R

Sợi thủy tinh: Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi cacbon và sợi aramid Sợi

thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh Sợi thủy tinh có mô đun đàn hồi và trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả năng chống cháy ở nhiệt độ lên đến 4000C Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, C-

Cường độ chịu kéo (ksi)

Mô đun đàn hồi (ksi)

Biến dạng (%)