Thiết kế gia cố cột bê tông cốt thép

Kết cấu cột bê tông cốt thép (BTCT) 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 mởrộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác nhau. Trong bài báo này, giới thiệu ba phương pháp dung để gia cường kết cấucột: (1) phương pháp tăng tiết diện, (2) phương pháp ốp thép hình, (3) phương pháp dán tấm sợi tổng hợp (FRP)

BÀI BÁO TỔNG QUAN MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP Tạ Văn Phấn1, Nguyễn Vĩnh Sáng1 Tóm tắt: Kết cấu cột bê tơng cốt thép (BTCT) cơng trình sử dụng lâu năm bị xuống cấp tác động nhiều ngun nhân khác tải trọng, khí hậu, hố chất ăn mòn, cố Hay cơng trình bị hư hỏng sai sót khâu khảo sát, thiết kế thi công nhu cầu thay đổi sử dụng cải tiến công nghệ, đổi thiết bị, thay đổi công dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng cơng trình có nhu cầu mở rộng mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… cần phải gia cường, sửa chữa phương pháp khác Trong báo này, giới thiệu ba phương pháp dung để gia cường kết cấu cột: (1) phương pháp tăng tiết diện, (2) phương pháp ốp thép hình, (3) phương pháp dán sợi tổng hợp (FRP) Từ khóa: Gia cường, cột bê tơng cốt thép, tăng tiết diện, thép hình, vật liệu cốt sợi GIỚI THIỆU CHUNG Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động mơi trường xung quanh hình thái khác tác động học, lý học, hóa học hư hỏng, cố sai sót khâu khảo sát, thiết kế thi cơng Những tác động dẫn đến tình trạng khơng đáp ứng cơng sử dụng cơng trình an tồn phương diện chịu tải (Hình 1) Với tác động đặc biệt a) động đất, cháy nổ gây cố nghiêm trọng, có dẫn đến tình trạng sụp đổ phần (Hình 1) tồn cơng trình Để cải thiện mặt chịu tải trọng cơng nhằm đảm bảo an tồn, tăng tuổi thọ tăng hiệu sử dụng cơng trình cần phải gia cường, sửa chữa phận kết cấu cơng trình Bài báo giới thiệu phương pháp gia cường kết cấu cột bê tông cốt thép b) c) Hình Kết cấu cột BTCT bị phá hoại a) Phá hoại ăn mòn; b) phá hoại động đất; c) phá hoại tác động học CĂN CỨ ĐỂ THIẾT KẾ GIA CƯỜNG1 Theo TCVN 9381-2012 “Chỉ dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm kết cấu nhà”, cấu kiện cột bê tông cốt thép đánh giá nguy hiểm Trường Đại học Thủy Lợi có tượng sau: + Cột chịu lực có vết nứt thẳng đứng, lớp bê tơng bảo vệ bị bong tróc, cốt thép chịu lực lộ bị ăn mòn, bên có vết nứt ngang với bề rộng lớn mm, bên bê tông bị nén vỡ, cốt thép chịu lực lộ bị ăn mòn; KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 33 + Cột bị nghiêng, chuyển vị ngang độ nghiêng vượt 1% độ cao, chuyển vị ngang vượt h/500; (h – chiều cao tính tốn cột) + Bê tơng cột bị mủn, bị carbonát hố, phồng rộp, diện tích hư hỏng lớn 1/3 toàn mặt cắt, cốt thép chịu lực lộ ra, bị ăn mòn nghiêm trọng; + Cột biến dạng theo phương ngang lớn h/250, lớn 30 mm; Kết cấu bê tông cốt thép cần gia cường trường hợp: + Khi tình trạng hư hỏng kết cấu đến mức áp dụng biện pháp sửa chữa để phục hồi khả chịu tải; + Khi có thay đổi công sử dụng, khả chịu tải kết cấu cũ khơng đáp ứng tác động tải trọng với sơ đồ tính tốn tương ứng Thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép phải dựa nguyên tắc: + Phù hợp với u cầu sử dụng cơng trình, kết cấu sau gia cường không gây cản trở đến hoạt động khai thác cơng trình; + Đảm bảo khả chịu tải trọng tác động + Yêu cầu kết cấu đơn giản, đạt hiệu cao kinh tế kỹ thuật; + Dễ thi công, phù hợp với điều kiện vật liệu, phương tiện trình độ thi cơng CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1 Gia cường cột BTCT phương pháp tăng tiết diện 3.1.1 Phần cấu tạo Thực tế cho thấy tăng khả chịu tải kết cấu lên 1,5  lần tiết kiệm vật liệu Tăng phía phía tuỳ theo yêu cầu Chiều cao tăng phụ thuộc kết tính tốn Đường kính cốt dọc từ 14   25 (Hình 2) Tăng tiết diện cách ốp bốn phía Phương pháp thích hợp với cột - Cốt thép chiều dày bê tông ốp xác định theo tính tốn (Hình 2) - Ưu điểm: Phần bê tông bê tông cũ gắn chặt vào tính co ngót bê tơng tạo nên làm việc đồng thời Hình Gia cường cách tăng kích thước tiết diện cột 3.1.2 Phần thiết kế a Gia cường cột chịu nén tâm vỏ áo Đối với cột chịu nén tâm: Diện tích Avo lớp vỏ áo tải trọng gia tăng xác định: N q    Rb ( Ab  Avo )  Rsc ( As  Ast )  (1) Nq - lực dọc quy đổi tải trọng tính tốn, dài hạn ngắn hạn Rb - cường độ chịu nén tính tốn bê tơng Rsc - cường độ chịu nén tính tốn cốt thép Ab - diện tích bê tơng cột ban đầu As - diện tích cốt thép dọc cột ban đầu Ast - diện tích cốt thép dọc lớp vỏ áo 34 Trong công thức (1), quan điểm tải gia tăng bê tông vỏ áo chịu nên cốt thép dọc vỏ áo đặt theo cấu tạo lấy 1% diện tích bê tơng vỏ: (2) A s t  , A vo Diện tích vỏ áo xác định: Nq A vo    R b Ab  R s c A s (3) R b  0, R sc b Gia cường cột chịu nén lệch tâm tăng tiết diện phía Đối với cột chịu nén lệch tâm lớn: Biểu đồ ứng suất sơ đồ tính tốn thể (Hình 3) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) N A' s h0 h ' As Rsc R bbx e x e0 Rb h' As a0 Ast Rs a d a0 a As Rs Ast b Hình Sơ đồ tính tốn gia cường cột chịu nén lệch tâm lớn tăng tiết diện Thường cho trước chiều dày d phần mở rộng vùng kéo tính cốt thép cần tăng cường Ast Điều kiện cân lực cho: N  bRb x  Rsc As'  Rs As  Rs Ast (4) Thay hệ số vào biểu thức (4) ta được: R N (8) Ast  As' sc  AI  As  Rb Rs M I  Ne  Rsc As'  h0  a ,  a0   Rs As a0 Khi a0  0,5  h '  a  thì: Chiều cao vùng nén x: N  Rsc As'  Rs As  Rs Ast (5) x bRb Mô men uốn cân trọng tâm cốt thép Ast : Ne  Rsc As'  h0  a,  a0   bRb x  h0  a0  0,5x  Rs Asa0 (6) đó: e  e0  0,5h'  a Khi a0  0,5  h '  a  thì: Chiều cao vùng nén x xác định từ phương trình (4): N  Rsc As'  0,8Rs As  Rs Ast (5’) x bRb R N (8’) Ast  As' sc  AI  0,8 As  Rb Rs M I  Ne  Rsc As'  h0  a ,  a0   0,8Rs As a0 (9’) ' h hd M I  bRb x  h0  a0  0,5 x  (7) Biểu thức (7) mơ men uốn tiết diện b(h0 + a0) bố trí diện tích cốt thép AI: (9) Đối với cột chịu nén lệch tâm nhỏ bé: Khi độ lệch tâm nhỏ gia cường cột cách tăng tiết diện vùng nén A' st ' ' As Rsc N ' e0 As Nb 0,5h' a h0 h h' As e a' a0 d a'1 Ast Rsc As Rs b Hình Sơ đồ tính tốn gia cường cột chịu nén lệch tâm bé tăng tiết diện Cho trước chiều dày d phần mở rộng, Mơ men tĩnh học tồn tiết diện chịu lực ' tìm lượng cốt thép dọc gia tăng A st cho vùng mở bê tông sau gia cường là: S  b  h0  d  (10) rộng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 35 a) Phương trình cân có dạng: ' s ' st  Ne  0, Rbb  h0  d   Rsc A  h0  a   Rsc A h d a Diện tích cốt thép dọc gia cường: N e  , R b b  h  d   R s c A s'  h A'  st ' b) c)  (11)  a (12) R s c  h  d  a 1'  đó: e  e  0, h '  a 3.2 Gia cường cột BTCT thép hình 3.2.1 Phần cấu tạo Là phương pháp sử dụng thép hình để tạo nên hệ thống kết cấu tổ hợp kết cấu bê tông cốt thép kết cấu thép đồng thời tham gia chịu tải - Ưu điểm: + Thi cơng đơn giản, nhanh chóng, giữ ngun kích thước tiết diện cột + Không ảnh hưởng đến không gian sử dụng, nhanh chóng đưa cơng trình vào sử dụng tăng khả chịu lực cột lên - 2,5 lần (có thể lên tới 100 - 200 tấn) - Nhược điểm: + Tiêu hao lượng thép tương đối lớn so với phương pháp khác h x x a' F0 a' As a a'' h0 h0 -a' a e'' e' e'' N e' h/2 e0 e a h0 h0 -a' As Rs m0 Rs F0 A's Rs As Rs Rx m0 Rs F0 A's Rs Rx As Rs Rx N a'' h0 h0 -a' m0 Rs F0 A' s Rs F0 As A' s b A' s b A' s a'' c) h F0 As a' Nl (14)  Nn ml Nq - lực dọc quy đổi; Nl - lực dọc tính tốn cho phần tải trọng dài hạn ml - hệ số ảnh hưởng tải trọng dài hạn đến khả chịu lực kết cấu mảnh m0 - hệ số điều kiện làm việc chống, lấy m0  0,9 theo thực nghiệm Đối với cột chịu nén lệch tâm lớn: đó: N q  b) h x 3.2.2 Phần thiết kế a Tính khả chịu lực cột sau gia cường Đối với cột chịu nén tâm Ta có cơng thức: N q    Rb Ab  Rs As  m0 2Rs As  (13) b a) Hình Gia cường cột BTCT cách ốp thép hình a) Cột gia cường b) Thanh ốp c) Bản giằng e h/2 e N e h/2 e' e Hình Sơ đồ tính tốn gia cường cột chịu nén lệch tâm lớn thép hình a) Khi cột nén lệch tâm lớn, lực nén N nằm cột b.) Khi cột nén lệch tâm lớn, lực nén N nằm cột c) Khi cột nén lệch tâm nhỏ 36 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) Việc gia cường cột chống phía chịu nén cột phụ thuộc vào vị trí lực nén tính tốn phía ngồi tiết diện cột hay tiết diện Cột chịu nén lệch tâm lớn vùng nén x  0,55h0 Điều kiện cân lực cho: N  bRb x  Rs  As'  m0 F0  As  e  e0  0, h  a e’  e0  0, h  a’ e ”  e0 – 0, h  a ” 2Rs ( As e  As ' m0 F0e ") (16) Rbb - Theo sơ đồ tính tốn (b), nghĩa e0  h0 – a’ : x   h0  e   (h0  e)2  2Rs ( As e  As ' m0 F0e ") (17) Rbb Sau tính x, áp dụng cơng thức (15) để tính khả chịu lực cột gia cường Đối với cột chịu nén lệch tâm nhỏ: Cột chịu nén lệch tâm nhỏ x  0,55 h0 , gia cường cặp chống phía cột Cân ngoại mơ men nội mô men, lấy cốt thép chịu lực nhỏ As : N 0,4 Rbbh02 Rs A’s  h0 – a’  m0 Rs F0  h0 – a”  e N gh – Tải trọng tối đa mà cột chịu chưa gia cường; N gh    Rb Ab  Rs As  (15) Trong đó: F0 - Lực tác dụng lên cặp thép góc chống tăng cường, xác định hệ thức (19), (20) (21) tùy vào trường hợp cột nén tâm hay lệch tâm; Chiều cao vùng nén x xác định phương trình cân momen trục lực dọc N: - Theo sơ đồ tính tốn (a), nghĩa e0  h0 – a ' x   h0  e  (h0  e)2  tổng tải trọng N mà cột phải chịu sau gia cường khả chịu lực giới hạn Ngh cột trước gia cường N  N  N gh (18) Ghi chú: Đối với cốt thép cột, người ta thường lấy Rsc  Rs b Tính tiết diện chống gia cường cột Đối với cột chịu nén tâm: Nội lực N0 chống hiệu F0  N0 2 m0 Rs (19a) (19) Đối với cột chịu nén lệch tâm lớn gia cường phía: Lập phương trình cân mơ men trục chống, từ phương trình tính x: Khi e0  h0  a’ thì:  Ne’’  As’ Rs  e’  e’’  As Rs  e  e’’  Rbbx  e  h0  e’’  0,5x Khi e0  h0  a’ thì:  Ne’’  As’ Rs  e’’  e   As Rs  e’’  e    Rb bx  e’’  h0  e  0,5 x  Sau tính x tính tiết diện chống gia cường F0 cách chiếu tất lực lên trục dọc : N  m0 Rs F0  As’ Rs – Rb bx  As Rs  F0  N0 R  Rs' Rb bx  s  m0 Rs m0 m0 Rs (20) Đối với cột chịu nén lệch tâm tâm nhỏ gia cường phía: Tiết diện chống gia cường cột xác định công thức: Ne  0, Rb bh02  Rs As'  h0  a '  F0  (21) m0 Rs  h0  a ''  3.3 Gia cường cột BTCT vật liệu cốt sợi tổng hợp 3.3.1 Phần cấu tạo Vật liệu FRP - Fiber Reinforced Polymer dạng vật liệu Composite chế tạo từ vật liệu sợi, có ba loại vật liệu sợi thường sử dụng sợi carbon CFRP, sợi thuỷ tinh GFRP sợi aramid AFRP Đặc tính loại sợi có cường độ chịu kéo cao, mô đun đàn hồi lớn, trọng lượng nhỏ, khả chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt bền theo thời gian KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 37 Hình Gia cường cột BTCT vật liệu cốt sợi tổng hợp 3.3.2 Phần thiết kế a Khả chịu lực cột bê tông cốt thép gia cường FRP Để tính tốn khả chịu lực cột bê tông cốt thép gia cường FRP chịu nén tâm theo ACI 318-95 (1999) dựa theo cơng thức tính tốn khả chịu nén bê tơng bị bó FRP (Saadatmanesh, 1994) cơng thức (Saaman, 1998) Cơng thức tính tốn cho hai loại tiết diện tròn chữ nhật theo hai tác giả sau: Tính tốn khả chịu nén bê tơng bị bó FRP theo (Saaman, 1998) Cơng thức tính tốn khả chịu nén bê tơng bị bó FRP (Saaman, 1998) dạng tổng quát sau: f’α = f’c + 3,38fr0,7(ksi) (22) ' f c – cường độ chịu nén tính tốn bê tơng khối lăng trụ theo tiêu chuẩn ACI 318 f fu t wf Đối với tiết diện tròn: f r  D f r – ứng suất nở ngang cột f fu – ứng suất tiếp tuyến D – Đường kính tiết diện cột Đối với tiết diện chữ nhật: f  max f rx , f ry ; với giá trị frx, fry theo công thức: twf A f rx  e  fx f fu ;  fx  Ac tx f ry  38 t Ae  fy f fu ;  fy  wf Ac ty twf tương ứng chiều dày FRP tx, ty kích thước cột theo phương x, y frx,, fry tương ứng ứng suất nở ngang theo phương x, y cột  fx ,  fy tương ứng hàm lượng cốt thép ngang theo phương x y bố trí cột với Ae diện tích tiết diện chịu tác dụng bó FRP tiết diện chữ nhật, theo Sheikh Uzumeri (1980) ta tính Ae theo cơng thức sau:  w x2  w 2y   - Asc – (4 – π) r2 (23) Ae = txty -      đó: Ac - diện tích tiết diện cột chữ nhật r Asc - bán kính cốt thép dọc cột tổng diện tích cốt thép bố trí cột wx, wy khoảng hở cốt thép dọc chịu lực theo phương x, y tương ứng  E ta có: f fu f ; γf = 1,1 vật f liệu CFRP γf = 1,8 vật liệu GFRP Giá trị εfu lấy 0,3% ~ 0,55% tức 0,003 ~ 0,005 theo Restrepol De Vino (1996) b Khả chịu lực cột bê tông cốt thép gia cường FRP chịu nén tâm Theo ACI 318-95 (1999) ta có cơng thức tính tốn khả chịu lực bê tơng khơng bị bó chịu nén tâm theo công thức sau đây: Pn = 0,85f’c (Ac – As) + Asfy (24) đó: As fy tương ứng diện tích cốt thép cột giới hạn chảy cốt thép KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) Cơng thức tính tốn khả chịu lực cột bê tơng cốt thép gia cường FRP chịu nén tâm sau: Pn = 0,85f’c (Ac - Ae - As) + Asfy + 0,85f’ccAe + Asfy (25) đó: f’cc cường độ lớn bê tông nở ngang KẾT LUẬN Bài báo nêu vài phương pháp gia cường cột bê tông cốt thép Mỗi phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng Tuy nhiên giải pháp gia cường vật liệu FRP có ưu điểm rõ ràng so với giải pháp truyền thống, công nghệ cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn thí nghiệm, sổ tay thiết kế, quy trình thi cơng vật liệu FRP định rõ phạm vi áp dụng Việc áp dụng phương pháp gia cường cần so sánh hiệu kỹ thuật, kinh tế điều kiện thi công phương pháp gia cường để đạt hiệu cao Trong tiêu chuẩn Việt Nam tính tốn gia cường cột bê tơng cốt thép chưa trình bày cụ thể, tính tốn gia cường kết cấu cột cụ thể cần kết hợp với mô hình thí nghiệm để đảm bảo ao tồn cho kết cấu gia cường TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Kiểm, 2009, Hư hỏng sửa chữa – gia cường kết cấu bê tông cốt thép, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Ngô Quang Tường, Sửa chữa gia cố cơng trình bê tơng cột thép phương pháp dán nhờ sử dụng vật liệu FRP, Tạp chí Phát triển KH&CN, Tập 10, số 10 – 2007 ACI Committee 318-95, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-95) and Commentary (318R-95), American Concrete Institute (ACI), Fifth Printing, Farmington Hills, Michigan, USA, 369 pp, (1999) Saadatmanesh, H., Ehsani, M R., and Jin, L, 1996, Seismic strengthening of circular bridge pier models with fiber composites, ACI Structural Journal 93, 639-738 Samaan, M., Mirmiran, A and Shahawy, 1998, Model of concrete confined by fiber composite, Journal of Structural Engineering, 124, 1025-1031 Sheikh, S A., and Uzumeri, 1980, Strength and ductility of tied concrete columns, J Struct Div., 106-5-, 1079-1102 Restrepo, J., and De Vino, 1996, Enhancement of the axial load carrying capacity of reinforced concrete columns by means of fiberglass-epoxy jacket 2nd Int Conf on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures (ACMBS-2), M M El-Badry, ed., Montreal, Quebec., Canada, 547-553 Abstract: SOME METHODS FOR REINFORCEMENT OF REINFORCED CONCRETE COLUMN Structural reinforced concrete columns (RC) of the works had been used long –term by the effects of many different causes such as: load, climatic, corrosive chemicals or incidents Buildings had been damaged by survey, design or construction Or demand of changes such as improved use of technology, equipment changes, structural changes, load changes and works to expand as demand expanded surface, raising additional height, additional stories must be reinforced, repaired by different methods In this paper, three methods are introduced including: (1) column cross section increasion method, (2) steel cladding method, (3) FRP fiber method Keywords: Reinforced, reinforced concrete column, increase cross secsion, steel, meterial fiber BBT nhận bài: 20/2/2017 Phản biện xong: 02/5/2017 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 39 ... b a) Hình Gia cường cột BTCT cách ốp thép hình a) Cột gia cường b) Thanh ốp c) Bản giằng e h/2 e N e h/2 e' e Hình Sơ đồ tính tốn gia cường cột chịu nén lệch tâm lớn thép hình a) Khi cột nén lệch... mà cột phải chịu sau gia cường khả chịu lực giới hạn Ngh cột trước gia cường N  N  N gh (18) Ghi chú: Đối với cốt thép cột, người ta thường lấy Rsc  Rs b Tính tiết diện chống gia cường cột. .. theo thời gian KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 37 Hình Gia cường cột BTCT vật liệu cốt sợi tổng hợp 3.3.2 Phần thiết kế a Khả chịu lực cột bê tông cốt thép gia cường