NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CỘT TRONG CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM CFRP TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Lý do chọn đề tài Các công trình bê tông cốt thép tồn tại lâu năm và bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng động đất và gió bão gây nứt, sụt giảm độ cứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THANH

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CỘT

TRONG CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG TÙNG

Phản biện 1: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Phản biện 2: TS ĐẶNG KHÁNH AN

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 12 tháng 10 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường

Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các công trình bê tông cốt thép tồn tại lâu năm và bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng động đất và gió bão gây nứt, sụt giảm độ cứng kết cấu, khí hậu, hoá chất ăn mòn, sự cố làm kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực hay không còn đảm bảo khả năng sử dụng bình thường nữa Tuy nhiên, việc phá bỏ

và xây mới công trình lại khá đắt đỏ, cho nên việc cải tạo, nâng cấp công trình cũ nhằm bảo đảm an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết

Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng Cùng với tầm quan trọng của loại công trình này, các phương pháp tính toán tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục được thay đổi để phù hợp hơn với tính chất của công trình Trong suốt thời gian kể từ khi các nhà cao tầng được đưa vào tính toán và thiết kế, đã có nhiều sự thay đổi trong quan niệm tính toán và bố trí kết cấu cho loại công trình này Nếu như trước đây, công trình cao tầng phải được xem là vật cứng tuyệt đối, không chịu hư hỏng khi có động đất để đảm bảo sinh mạng con người và tải sản thông qua việc bảo vệ công trình

Kết cấu cột bê tông cốt thép chịu tác động của môi trường xung quanh dưới các hình 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

Nhiều năm trước đây, người ta đã sử dụng phương pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu bằng cách dán bản thép Trong vòng

20 năm gần đây, việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi tổng hợp (tấm composite) từ sợi các-bon CFRP đã thay thế dần các bản thép Vật liệu cốt sợi tổng hợp này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại cường độ cao (chiếm khoảng 70% thể tích) kết hợp với keo epoxi Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trước đây về giải pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu với các tấm composite được thực hiện ở nhiều

nơi trên thế giới

Bên cạnh đó, cũng đã có nhiều nghiên cứu về việc gia cường các cấu kiện riêng lẻ bê tông cốt thép bằng tấm CFRP

Tuy nhiên chưa có nhiều đánh giá về hiệu quả của việc gia cường tấm CFRP cho cột BTCT trong nhà cao tầng

Do đó, đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả gia cường cột trong công trình cao tầng bê tông cốt thép bằng tấm CFRP” có ý nghĩa

thực tiễn cao và đáp ứng yêu cầu của thực tế hiện nay, đồng thời sẽ là một tài liệu quan trọng giúp cho các đơn vị quản lý và kỹ sư có thể ứng dụng trong công tác gia cố, sửa chữa công trình bê tông cốt thép

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng nghiên cứu

Công trình cao tầng bê tông cốt thép

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng chịu lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị, nội lực kết cấu

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

+ Nghiên cứu tổng quan về công trình cao tầng và xu hướng phát triển

+ Nghiên cứu tổng quan sự hư hỏng của nhà cao tầng và các biện pháp gia cố - sữa chữa

+ Nghiên cứu tổng hợp được các tính năng của vật liệu CFRP

và phương pháp tính toán kết cấu được gia cường tấm CFRP

- Phương pháp mô phỏng:

+ Tiến hành mô phỏng cột bê tông cốt thép được gia cường tấm CFRP bằng phần mềm phân tích kết cấu;

+ Đánh giá ứng xử của cấu kiện cột BTCT thông qua việc phân tích đặc trưng về ứng suất, biến dạng của kết cấu trước và sau khi dán tấm CFRP vào cột

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 NHÀ CAO TẦNG - SỰ HƯ HỎNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CỐ/SỮA CHỮA

1.1 Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam

1.2 Sơ lược hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng

1.3 Tổng quan về sự cần thiết phải gia cường kết cấu

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến những hỏng hóc và công trình

BTCT xuống cấp có thể kể ra như sau:

* Những sai sót trong giai đoạn thiết kế

* Những sai sót trong giai đoạn thi công

* Sự cố trong giai đoạn sử dụng

1.3.1 Gia cường do kết cấu xuất hiện các vết nứt

1.3.2 Gia cường kết cấu do thay đổi tải trọng tác dụng

1.4 Các phương pháp gia cường cột BTCT

1.4.1 Gia cường cột BTCT bằng phương pháp tăng tiết diện 1.4.2 Gia cường cột BTCT bằng thép hình

1.4.3 Phương pháp gia cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp FRP

Trong hai thập kỷ vừa qua, việc sử dụng vật liệu cốt sợi tổng hợp FRP gia cố cấu kiện như một lớp bọc bên ngoài đã trở nên phổ biến cho việc tăng cường và sửa chữa các kết cấu bê tông bị hư hại vì những ưu điểm của chúng như cường độ chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, độ bền cao, phù hợp với mọi hình dạng cấu kiện, thi công nhanh chóng, dễ dàng, không ảnh hưởng đến kiến trúc, chống ăn mòn tốt…

Nó đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu trước đây rằng việc

sử dụng các tấm vật liệu tổng hợp CFRP giúp tăng cường khả năng chịu lực và kiềm chế sự nở hông trong cột BTCT

Tại Việt Nam, FRP mới được biết đến trong khoảng 10 năm gần đây Tấm sợi Carbon gia cường kết cấu (CFRP) được áp dụng đặc biệt trong việc sửa chữa và gia cường các công trình bằng bê tông, khi mà các giải pháp truyền thống tỏ ra không hiệu quả về tính khả thi và chi phí CFRP được sử dụng để gia cố, tăng khả năng chịu lực của hệ thống cầu giao thông, bản sàn, dầm, cột và vách cứng

1.5 Kết luận chương

Chương 1 tác giả nêu ra các phương pháp dùng để gia cường cột bê tông cốt thép Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó và mỗi kỹ thuật gia cố cột bê tông cốt thép có hiệu quả tốt trong các trường hợp khác nhau Tùy vào tình trạng của cột hiện hữu, và mục đích sửa chữa mà lựa chọn giải pháp thích hợp

CHƯƠNG 2 GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG TẤM CFRP 2.1 Tính chất cơ lý của tấm CFRP

2.1.1 Sơ lược về vật liệu FRP

2.1.2 Cấu trúc và các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP

 Cấu trúc vật liệu FRP

* Nhựa nền

* Cốt sợi

* Lớp áo bảo vệ

 Đặc tính vật lý của vật liệu composite

 Khối lượng riêng

 Mô đun đàn hồi

2.2 Các bước thi công gia cường cột BTCT bằng tấm CFRP

2.2.1 Thi công dán theo phương pháp khô (dry lay-up)

Bước 1: Chuẩn bị bề mặt bê tông

Bước 2: Sơn lót kết cấu cần gia cố

Bước 3: Phủ bột trét làm phẳng bề mặt

Bước 4: Phủ lớp keo thứ nhất

Bước 5: Dán tấm FRP

Bước 6: Phủ lớp keo thứ hai

2.2.2 Thi công dán tấm FRP theo kiểu ướt (wet lay-up)

Phương pháp dán tấm FRP theo kiểu ướt về trình tự rất giống với phương pháp khô Tuy nhiên phương pháp ướt khác biệt trong bước thoa keo nhúng tấm nhựa FRP

2.3 Khả năng chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố bằng FRP

2.3.1 Tính toán khả năng chịu nén của bê tông bị bó bằng FRP theo Saaman (1998)

Công thức tính toán khả năng chịu nén của bê tông bị bó bằng FRP của Saaman (1998) dạng tổng quát như sau:

𝜙𝑃𝑛= 0.85𝜙[0.85𝑓𝑐𝑐′(𝐴𝑔− 𝐴𝑠𝑡) + 𝑓𝑦𝐴𝑠𝑡] (2.8) Đối với cấu kiện không dự ứng lực, khi cột sử dụng cốt đai đơn hình vuông, chữ nhật:

Bên cạnh đó tác giả cũng tổng hợp được các phương pháp tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện cột BTCT được gia cường bằng FRP của các tác giả và tiêu chuẩn khác nhau Các phương pháp tính toán này sẽ được áp dụng thiết kế gia cường CFRP trong tiếp theo

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG CFRP VÀ ỨNG XỬ CỦA CỘT TRONG NHÀ CAO

TẦNG BTCT

CÓ GIA CƯỜNG CFRP 3.1 Thiết kế gia cường cột BTCT trong nhà cao tầng bằng tấm CFRP

3.1.1.Thông tin mô hình công trình

+ Trong trường hợp thứ nhất: Tòa nhà BTCT, cấu kiện cột BTCT được tính toán thiết kế đủ điều kiện chịu lực

+ Trong trường hợp thứ hai: Tòa nhà với tải trọng được tăng cường (có thêm bể nước mái) lúc này cấu kiện cột được thiết kế trong trường hợp một không còn đủ khả năng chịu lực

a) Phối cảnh kết cấu công trình b) Mặt bằng tầng điển hình

Hình 3-1 Mô hình công trình bằng phần mềm phân tích kết cấu

Etabs v.17 (trường hợp 1)

a) Phối cảnh kết cấu công trình b) Mặt bằng tầng điển

hình

b) Mặt bằng tầng kỹ thuật c) Mặt bằng tầng mái

Hình 3-2 Mô hình công trình bằng phần mềm phân tích kết cấu

Etabs v.17 (trường hợp 2)

3.1.2 Thiết kế gia cường cột bằng tấm CFRP

a Thông số bài toán:

Một cột vuông 600 x 600 mm Bê tông, thép và tính chất vật liệu gia cố cũng như chi tiết của mặt cắt ngang của cột được thể hiện trong Bảng 3-13 và Bảng 3-14 Sử dụng vật liệu CFRP bọc ngoài cột, điều kiện làm việc điều kiện tiếp xúc trong Hãy thiết kế gia cường tấm CFRP để có thể chịu các cặp nội lực sau:

22,1 MPa

Hình 3-3 Chi tiết mặt cắt ngang

cột

fy

Cường độ tính toán chịu nén của thép (CIII)

401,5 MPa

rc Lớp bê tông

bảo vệ 25 mm Thép

đai vuông

Bảng 3-15 Đặc tính vật liệu CFRP do nhà sản xuất cung cấp

Biến dạng phá hoại *fu 0,0167 mm/mm

Hình 3.4 BĐTT cột C12 cho trường hợp không gia cường và gia cường

Ðuong can bang

10000

B

Hình 3.8 Biểu đồ mức tăng cường độ nén cực hạn, biến dạng cực

hạn và áp lực chống nở hông trường hợp nén thuần túy

n=0 n=1 n=2 n=3 n=4

Ðuong can bang

A

A

C C B B B

0.000 3.998 7.995

11.993 15.99018.785 24.392

tông và biến dạng tương đối trường hợp nén thuần túy

fl f'cc eccu (*10-3)

Hình 3.9 Biểu đồ mức tăng cường độ nén cực hạn, biến dạng cực

hạn và áp lực chống nở hông trường hợp nén -uốn kết hợp

Như vậy, nhìn vào biểu đồ cho thấy việc gia cường bằng cách dán tấm CFRP làm tăng khả năng chịu lực của cấu kiện một cách đáng

kể thông qua việc mở rộng phạm vi của BĐTT tương ứng với bề dày CFRP gia cường Nhận thấy rằng phạm vi BĐTT mở rộng nhiều hơn

về phá chịu lực dọc và mức tăng khả năng chịu lực dọc là lớn hơn so với mức tăng khả năng chịu mô men Điều này chứng tỏ phương pháp gia cường CFRP tỏ ra hiệu quả hơn đối với trường hợp nén thuần túy

Mặt khác, nhận thấy rằng áp lực ngang do CFRP, cường độ nén của bê tông và biến dạng tương đối tăng lên theo số lớp gia cường Đối với trường hợp nén thuần túy, tỷ lệ tăng này là lớn hơn Điều này đồng nghĩa khả năng chịu lực và hiệu ứng hạn chế nở hông trường hợp nén thuần túy là tốt hơn so với trường hợp nén - uốn kết hợp

3.2 Ứng xử cột BTCT được gia cường bằng tấm CFRP

3.2.1 Các trường hợp cột được mô phỏng

a Trường hợp không gia cường

b Trường hợp gia cường lớp CFRP dày 0.33 mm * 4 lớp

3.3.2 Đặc trưng hình học của cột và tấm CFRP và thông số tải trọng

Cột C12 có chiều cao 4.6m, tiết diện ngang có kích thước b x

h = 600 x 600 mm, một đầu ngàm, một đầu nút nửa cứng, chịu tải nén lệch tâm P = 11200 kN, với độ lệch tâm e1 = 9cm, e2 = 3cm Bê tông cấp độ bền B30, thép nhóm CIII Thép dọc chịu lực 12ϕ32 bố trí theo chu vi cột

Thép đai 6a150, lớp bê tông bảo vệ a = 25 mm

0.000 1.741 3.482 5.223

6.964 18.785 21.227

bê tông và biến dạng tương đối trường hợp nén -uốn kết hợp

fl f'cc eccu (*10-3)

3.2.3 Xây dựng mô hình cho cấu kiện cột

3.2.3 Xây dựng mô hình cho cấu kiện cột (Hình 3-11)

3.2.4 Hệ đơn vị sử dụng

3.2.5 Mô hình vật liệu trong Abaqus

a Vật liệu bê tông

b Vật liệu thép

c Vật liệu FRP

3.2.6 Sự tương tác giữa tấm FRP và cột bê tông

3.2.7 Điều kiện biên và cách áp dụng tải trọng

Hình 3-15 Gán điều kiện biên và tải trọng tác dụng cho cột 3.2.8 Trình tự thực hiện các bước mô phỏng trong Abaqus

b) Cột gia cường CFRP

Hình 3-16 Sự phá hoại của các trường hợp mô phỏng

Xét cùng thời điểm tải trọng tác dụng, cả hai trường hợp đều xuất hiện các vết nứt trên bê tông tại vị trí đỉnh cột Tuy nhiên mức độ vết nứt là khác nhau, cụ thể đối với cột không gia cường vết nứt do nén

và do uốn rõ ràng hơn so với trường hợp có gia cường

Xét thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên trong bê tông: + Trường hợp không gia cường: Vết nứt trong bê tông xuất hiện khi tải trọng đạt 0.85P (kN), ứng suất trong bê tông đạt 3.89 x 107

N/m2

+ Trường hợp gia cường CFRP: Vết nứt trong bê tông xuất hiện khi tải trọng đạt 0.92P (kN), ứng suất trong bê tông đạt 4.024 x

107 N/m2

Xét thời điểm phá hoại:

+ Tại thời điểm tải trọng đạt 0.92 lần tải trọng đầu vào, ở mô hình không gia cường, cột bị phá hoại khi ứng suất trong bê tông đạt 4.21 x 107 N/m2

+ Tại thời điểm tải trọng đạt 0.92 lần tải trọng đầu vào, ở

mô hình gia cường CFRP cột chưa bị phá hoại, ứng suất lúc này đạt 4.02 x 107 N/m2 Thời điểm tải trọng đạt giá trị đầu vào, ứng suất trong bê tông đạt 4.36 x 107 N/m2

Điều này cho thấy rằng cấu kiện cột được gia cường bị phá hoại với mức tải trọng lớn hơn và vết nứt trong bê tông xuất hiện muộn

hơn so với trường hợp không gia cường Kết quả này chứng tỏ hiệu quả tăng khả năng chịu lực của phương pháp gia cường bằng tấm CFRP

Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với nguyên lý làm việc và các nghiên cứu đã thực hiện trước đây rằng việc gia cường tấm CFRP kiềm chế sự nở hông, hạn chế xuất hiện vết nứt và sự mở rộng vết nứt trong bê tông

3.3.2 Phổ ứng suất - biến dạng trong bê tông của cột

a) Cột không gia cường b) Cột gia cường CFRP

Hình 3-17 Phổ ứng suất trong bê tông của các trường hợp mô phỏng

Xét phần tử Concrete: E1381 tại thời điểm tải trọng đạt 0.92 lần tải trọng đầu vào, giá trị ứng suất của các trường hợp như sau:

Concrete: E1381

Mốc xét Phần tử

xem xét

Trường hợp

Giá trị ứng suất (N/m2)

Giá trị biến dạng

ΔƯS

% ΔBD

%

P1=0,92*P Concrete:

E1381

Không gia cường 4.21 x 107 0.000526

- 4.5 - 42

P1=0,92*P Concrete:

E1381

Gia cường CFRP 4.02 x 10

7 0.000306

Hình 3-18 Biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất trong phần tử Concrete:

Concrete: E1381

Không gia cường Gia cường CFRP

Kết quả cho thấy rằng, ứng suất và biến dạng của bê tông trong cột được gia cường CFRP là nhỏ hơn so với trường hợp không gia cường tại cùng một mức tải trọng

3.3.3 Phổ ứng suất - biến dạng trong cốt thép cột

a) Cột không gia cường b) Cột gia cường CFRP

Hình 3-21 Phổ ứng suất trong cốt thép của các trường hợp mô

phỏng

Xét phần tử Bar 2: E1 tại thời điểm tải trọng đạt 0.92 lần tải trọng đầu vào, giá trị ứng suất của các trường hợp như sau:

Bảng 3-25 So sánh ứng suất tại thời điểm P 1 =0,92*P trong phần tử Bar 2: E1

Mốc xét Phần tử

xem xét

Trường hợp

Giá trị ứng suất (N/m2)

Giá trị biến dạng

ΔƯS

% ΔBD

Hình 3-23 Biểu đồ quan hệ tải trọng - biến dạng trong phần tử Bar 2: E1

Kết quả cho thấy rằng, ứng suất và biến dạng của cốt thép cột được gia cường CFRP là nhỏ hơn so với trường hợp không gia cường tại cùng một mức tải trọng Mức độ chênh lệch có thể đạt 18%

3.3.4 Phổ ứng suất - biến dạng trong CFRP

Hình 3-24 Phổ ứng suất trong CFRP

Hình 3-25 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng trong phần tử CFRP-E577