Nghiên cứu hiệu quả gia cường cột trong công trình cao tầng bê tông cốt thép bằng tấm cfrp

Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng tại cùng một mức tải trọng tác dụng, ứng suất, biến dạng và chuyển vị trong bê tông và cốt thép trong cấu kiện được gia cường là nhỏ hơn so với trường hợp kh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THANH

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CỘT

TRONG CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THANH

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CỘT

TRONG CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

BẰNG TẤM CFRP

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

Mã số: 85.80.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG TÙNG

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người cam đoan

Nguyễn Thị Thanh

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, bằng sự biết ơn và kính trọng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, các Phòng, Khoa thuộc Trường Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng và các Giáo sư, P Giáo sư, Tiến sĩ đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo - TS Nguyễn Quang Tùng người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã quan tâm sâu sắc, chia sẻ khó khăn và động viên để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh/chị học viên lớp Cao học Xây dựng Dân dụng

và Công nghiệp Khóa 35 đã nhiệt tình hỗ trợ và chân thành đóng góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn

Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn tốt nghiệp chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Trân trọng cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Thanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4

3 Đối tượng nghiên cứu 4

4 Phạm vi nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Bố cục đề tài 5

CHƯƠNG 1 NHÀ CAO TẦNG - SỰ HƯ HỎNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CỐ/SỮA CHỮA 6

1.1 Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam 6

1.2 Sơ lược hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng 11

1.2.1 Các dạng kết cấu cơ bản 13

1.2.2 Các dạng kết cấu hỗn hợp 16

1.2.3 Các dạng kết cấu đặc biệt 18

1.3 Tổng quan về sự cần thiết phải gia cường kết cấu 20

1.3.1 Gia cường do kết cấu xuất hiện các vết nứt 21

1.3.2 Gia cường kết cấu do thay đổi tải trọng tác dụng 22

1.4 Các phương pháp gia cường cột BTCT 23

1.4.1 Gia cường cột BTCT bằng phương pháp tăng tiết diện 23

1.4.2 Gia cường cột BTCT bằng thép hình 24

1.4.3 Phương pháp gia cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp FRP 25

1.5 Kết luận chương 26

CHƯƠNG 2 GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG TẤM CFRP 27

2.1 Tính chất cơ lý của tấm FRP 27

2.1.1 Sơ lược về vật liệu FRP 27

2.1.2 Cấu trúc và các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP 28

2.2 Các bước thi công gia cường cột BTCT bằng tấm CFRP 40

2.2.1 Thi công dán theo phương pháp khô (dry lay-up) 40

2.2.2 Thi công dán tấm FRP theo kiểu ướt (wet lay-up) 41

2.3 Khả năng chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố bằng FRP 42

2.3.1 Tính toán khả năng chịu nén của bê tông bị bó bằng FRP theo Saaman (1998) 42

2.3.2 Khả năng chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố bằng FRP chịu nén đúng tâm 43

2.3.3 Khả năng chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố bằng FRP theo hướng dẫn ACI 440.2R-08 43

2.4 Kết luận chương 57

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 58

3.1 Thiết kế gia cường cột BTCT trong nhà cao tầng bằng tấm CFRP 58

3.1.1.Thông tin mô hình công trình 58

3.1.2 Thiết kế gia cường cột bằng tấm CFRP 65

3.1.3 So sánh khả năng chịu lực của cột được gia cường và không gia cường 77

3.2 Ứng xử cột BTCT được gia cường bằng tấm CFRP 82

3.2.1 Các trường hợp cột được mô phỏng 82

3.3.2 Đặc trưng hình học của cột và tấm CFRP và thông số tải trọng 82

3.2.3 Xây dựng mô hình cho cấu kiện cột 83

3.2.4 Hệ đơn vị sử dụng 84

3.2.5 Mô hình vật liệu trong Abaqus 84

3.2.6 Sự tương tác giữa tấm FRP và cột bê tông 92

3.2.7 Điều kiện biên và cách áp dụng tải trọng 93

3.2.8 Trình tự thực hiện các bước mô phỏng trong Abaqus 94

3.3 Kết quả mô phỏng 94

3.3.1 Các dạng phá hoại của cột 94

3.3.2 Phổ ứng suất - biến dạng trong bê tông của cột 96

3.3.3 Phổ ứng suất - biến dạng trong cốt thép cột 98

3.3.4 Phổ ứng suất - biến dạng trong CFRP 100

3.3.5 Chuyển vị trong bê tông 101

3.4 Kết luận chương 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105

1 Kết luận 105

2 Kiến nghị 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CỘT TRONG

CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM CFRP Học viên: Nguyễn Thị Thanh Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng

Mã số: 85.80.201 Khóa: K35 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Việc sử dụng tấm CFRP (Carbon fiber Reinforced Polymer) đã trở nên phổ biến trong gia cường các cấu kiện công trình cao tầng BTCT bị hư hại, đặc biệt là cấu kiện cột BTCT vì những ưu điểm của chúng mang lại

Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích hiệu quả của việc gia cường bằng tấm CFRP cho cấu kiện cột BTCT thông qua việc tính toán đánh giá khả năng chịu lực bằng phương pháp biểu đồ tương tác Kết quả chỉ ra rằng, khả năng chịu lực dọc và mô men (nén - uốn) của cột được tăng lên đáng kể thông qua sự mở rộng phạm vi của biểu

đồ tương tác Phương pháp gia cường CFRP hiệu quả hơn đối với trường hợp nén thuần túy

Bên cạnh đó, luận văn đã thực hiện đánh giá ứng xử cơ học của cột BTCT với trường hợp không gia cường và gia cường CFRP thông qua kết quả mô phỏng bằng phần mềm Abaqus Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng tại cùng một mức tải trọng tác dụng, ứng suất, biến dạng và chuyển vị trong bê tông và cốt thép trong cấu kiện được gia cường là nhỏ hơn so với trường hợp không gia cường Đồng thời cũng nhận thấy rằng tại cùng một thời điểm, vết nứt trong bê tông được gia cường là ít hơn và cấu kiện bị phá hoại với mức tải trọng lớn hơn so với trường hợp không gia cường

Từ khóa – gia cường, CFRP, cột BTCT, khả năng chịu lực, biểu đồ tương tác, ứng xử

cơ học

EFFECT OF THE STRENGTHENING OF REINFORCED CONCRETE COLUMN IN HIGH RISE BUILDINGS BY CARBON

FIBER REINFORCED POLYMER (CFRP)

Abstract - Using CFRP (Carbon fiber Reinforced Polymer) has become popular

in reinforcing damaged high-rise buildings, especially reinforcement of reinforced concrete column because of their advantages

In this thesis, the author analyzed the effect of reinforcing by CFRP for reinforced concrete column by calculating and evaluating of interactive diagram method The results show that axial strengths and moments (compression - bending)

of reinforced concrete column are increased significantly through the expansion of the scope of the interactive diagram Strengthening of pure axial compression is more effective

In addition, the thesis has evaluated the mechanical behavior of reinforced concrete columns with unconfinned and confinned by CFRP through simulative results

by Abaqus software The simulation results show that at the same load: stress, strain and displacement in concrete and stells in confinned column are smaller than in unconfined columns It was also found that at the same load, cracks in confinned reinforced column concrete were less and the unconfinned reinforced concrete column and it are damaged with larger load than unconfinned column

Key words - Strengthening, CFRP, reinforced concrete column, axial strength and

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:

ACI : American Concrete Institute

AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer

BĐTT : Biểu đồ tương tác

BTCT : Bê tông cốt thép

CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer

CT : Công thức

FRP : Fiber Reinforced Polymer

GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer

TP HCM : Thành phố Hồ Chí Minh

CÁC KÝ HIỆU:

Ac: Diện tích mặt cắt ngang của bê tông trong vùng nén, in.2 (mm2)

Ae : Diện tích mặt cắt giới hạn hiệu quả của bê tông, in.2 (mm2)

Ag : Tổng diện tích của phần bê tông, in.2 (mm2)

As : Diện tích cốt thép dọc, in.2 (mm2)

Asi : Diện tích của cốt thép dọc thứ i, in.2 (mm2)

Ast : Tổng diện tích của cốt thép dọc, in2 (mm2)

b: Chiều rộng tiết diện cột, in (mm)

CE : Hệ số suy giảm do môi trường

c: Khoảng cách từ chiều cao vùng nén đến trục trung hòa, in (mm)

D: Đường kính của tiết diện tròn chịu nén, in (mm)

d: Khoảng cách từ vùng nén đến trọng tâm của cốt thép chịu kéo, in (mm)

di: Khoảng cách từ trọng tâm của lớp thép dọc thứ i đến trọng tâm hình học của mặt cắt ngang, in (mm)

E2 : Mô đun đàn hồi của bê tông được gia cường FRP, psi (MPa)

Ec : Mô đun đàn hồi của bê tông, psi (MPa)

Ef : Mô đun đàn hồi của vật liệu FRP, psi (MPa)

Es : Mô đun đàn hồi của thép, psi (MPa)

fc : Cường độ chịu nén tính toán của bê tông, psi (MPa)

f’c : Cường độ chịu nén tính toán của bê tông mẫu nén hình trụ, psi (MPa)

fs : Cường độ chịu kéo của cốt thép, psi (MPa)

ffe : Cường độ chịu kéo thiết kế cuối cùng của FRP, psi (MPa)

f*

fu : Cường độ chịu kéo thiết kế của FRP do báo cáo nhà sản xuất, psi (MPa)

fl : Áp lực chống nở hông của FRP, psi (MPa)

fs : Cường độ chịu kéo của cốt thép, psi (MPa)

fsi : Ứng suất trong lớp cốt thép dọc thứ i, psi (MPa)

fy : Giới hạn chảy của thép, psi (MPa)

h là chiều cao tiết diện cột, in (mm)

Mn: mô men uốn danh nghĩa, in.lb (Nmm)

Mu: giá trị mô men xuất hiện trong cột, in.lb (Nmm)

n: Số lớp FRP gia cường

Pn : giá trị lực dọc xuất hiện trong cột, lb (N)

Pu : giá trị lực dọc xuất hiện trong cột, lb (N)

tf: Độ dày danh nghĩa của một tấm FRP gia cường, in (mm)

c : biến dạng của bê tông, in./in (mm/mm)

’c: biến dạng tối đa của bê tông không gia cường, lấy bằng 0,002, in./in (mm/mm)

cu là biến dạng dọc trục tối đa của bê tông tương ứng với 0,85 f’co hoặc lấy bằng 0,003, in./in (mm/mm)

ccu: Biến dạng nén tối đa của bê tông gia cường (biến dạng nở hông), in./in (mm/mm)

fu: Biến dạng của tấm CFRP, in./in (mm/mm)

fe : Biến dạng tính toán của FRP tại thời điểm phá hoại, in./in (mm/mm)

fu : Biến dạng thiết kế của FRP, in./in (mm/mm)

*

fu : Biến dạng phá hoại cực hạn của FRP, in./in (mm/mm)

s: Biến dạng của cốt thép dọc, in./in (mm/mm)

si: Biến dạng của lớp cốt thép dọc thứ i, in./in (mm/mm)

sy : Biến dạng của cốt thép dọc tại giới hạn chảy, in./in (mm/mm)

: Hệ số suy giảm khả năng chịu lực của cột

a: Hệ số ảnh hưởng của tiết diện ngang đến việc xác định f’

cc

b: Hệ số ảnh hưởng của tiết diện ngang đến việc xác định ccu

: Hệ số ảnh hưởng của biến dạng đến phá hoại sớm của FRP

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 0.1 Nhà cao tầng 2

Hình 0.2 Kết cấu cột BTCT bị phá hoại 3

Hình 1-1 10 toà nhà cao nhất Việt Nam hiện nay 9

Hình 1-2 Một số công trình cao tầng bê tông cốt thép 11

Hình 1-3 Sơ đồ lựa chọn hệ kết cấu theo số tầng 12

Hình 1-4 Một số hệ kết cấu nhà cao tầng 13

Hình 1-5 Sơ đồ hệ khung chịu lực 14

Hình 1-6 Hình dạng các vách cứng 14

Hình 1-7 Mặt bằng kết cấu tường chịu lực của nhà cao tầng 14

Hình 1-8 Hệ kết cấu khung – vách kết hợp 17

Hình 1-9 Mô hình chịu lực của kết cấu khung-vách 17

Hình 1-10 Sơ đồ kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng 19

Hình 1-11 Kết cấu cột BTCT bị hư hại 21

Hình 1-12 Ảnh hưởng của lực dọc đến quan hệ mô men – độ cong của cột có tiết diện chữ nhật 22

Hình 1-13 Các hình thức tăng cường tiết diện cột 23

Hình 1-14 Gia cường kết cấu cột bằng cách tăng tiết diện 24

Hình 1-15 Gia cường cột BTCT bằng cách ốp thép hình 24

Hình 1-16 Một số ứng dụng gia cường cấu kiện cột bằng FRP 26

Hình 2-1 Tấm CFRP với các sợi theo hai hướng trực giao 27

Hình 2-2 Cấu tạo của FRP 28

Hình 2-3 Thi công CFRP 41

Hình 2 - 4 Cơ chế làm việc của FRP gia cường cho cột 44

Hình 2-5 Đồ thị biễu diễn mối quan hệ ứng suất- biến dạng khi gia cố và không gia cố 47 Hình 2-6 Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng cho cấu kiện bê tông cốt thép gia cố bằng tấm FRP của tác giả Lam và Teng Teng (Lam và Teng 2003a) 48

Hình 2-7 Vùng làm việc của các tiết diện cột 50

Hình 2-8 Mặt cắt ngang hình tròn tương đương (Lam và Teng 2003b) 51

Hình 2-9 Biểu đồ tương tác P-M 52

Hình 2-10 Phân phối biến dạng cho Điểm A, B và C để đơn giản hóa biểu đồ tương tác 53

Hình 2-11 Sơ đồ tính toán gia cường FRP đối với cấu kiện nén đúng tâm 55

Hình 2-12 Sơ đồ tính toán gia cường FRP đối với cấu kiện nén lệch tâm 56

Hình 3-1 Mô hình công trình bằng phần mềm phân tích kết cấu Etabs v.17 (trường hợp 1) 59

Hình 3-2 Mô hình công trình bằng phần mềm phân tích kết cấu Etabs v.17 (trường hợp 2) 60

Hình 3-3 Chi tiết mặt cắt ngang cột 65

Hình 3.4 Biểu đồ tương tác cột C12 cho trường hợp không gia cường và g ia cường 4 lớp 77

Hình 3.5 Biểu đồ tương tác cột C12 đối với các lớp gia cường khác nhau 78

Hình 3.6 Biểu đồ biễu diễn tỷ lệ tăng khả năng chịu lực dọc của việc gia cố CFRP với số tấm khác nhau 79

Hình 3.7 Biểu đồ biễu diễn tỷ lệ tăng khả năng chịu mô men của việc gia cố CFRP với số tấm khác nhau 79

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 81

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 81

Hình 3-10 Thông số cột mô phỏng C12 83

Hình 3-11 Mô phỏng cột BTCT trong Abaqus 84

Hình 3-12 Thông số vật liệu bê tông khai báo trong Abaqus 89

Hình 3-13 Thông số vật liệu thép khai báo trong Abaqus 91

Hình 3-14 Các thông số vật liệu và tiết diện FRP khai báo trong Abaqus 92

Hình 3-15 Gán điều kiện biên và tải trọng tác dụng cho cột 93

Hình 3-16 Sự phá hoại của các trường hợp mô phỏng 95

Hình 3-17 Phổ ứng suất trong bê tông của các trường hợp mô phỏng 96

Hình 3-18 Biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất trong phần tử Concrete: E1381 97

Hình 3-19 Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng trong phần tử Concrete: E1381 97

Hình 3-20 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng trong phần tử Concrete: E1381 98

Hình 3-21 Phổ ứng suất trong cốt thép của các trường hợp mô phỏng 98

Hình 3-22 Biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất trong phần tử Bar 2: E1 99

Hình 3-23 Biểu đồ quan hệ tải trọng - biến dạng trong phần tử Bar 2: E1 100

Hình 3-24 Phổ ứng suất trong CFRP 100

Hình 3-25 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng trong phần tử CFRP-E577 101

Hình 3-26 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị U1 tại node concrete-1 101

Hình 3-27 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị U2 tại node concrete-1 102

Hình 3-28 Biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị U3 tại node concrete-1 102

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Thống kê một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu ở Việt Nam hiện nay 10

Bảng 2-1 Các thuộc tính của nhựa nền 30

Bảng 2-2 Một số thuộc tính của sợi aramid 32

Bảng 2-3 Đặc tính điển hình về kéo của sợi được sử dụng trong các hệ thống FRP 32

Bảng 2-4 Tính chất kéo của FRP với khối lượng sợi từ 50 đến 70% 33

Bảng 2-5 Đặc tính về kéo của các tấm FRP với khối lượng sợi từ 40 đến 60% 33

Bảng 2-6 Độ bền kéo cực đại * của một số loại FRP có trên thị trường 34

Bảng 2-7 Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite, lb/ft3 (g/cm3) 35

Bảng 2-8 Khối lượng riêng của một số vật liệu cấu thành FRP phổ biến, lb/ft3 (g/cm3) 36

Bảng 2-9 Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite 36

Bảng 2-10 Tính chất cơ học của một số dạng vật liệu tổng hợp FRP 39

Bảng 2-11.Đặc tính của các loại sợi FRP 39

Bảng 2-12 Đặc tính kỹ thuật của tấm CFRP có trên thị trường 39

Bảng 2-13 So sánh một số đặc trưng của CFRP với các vật liệu khác 40

Bảng 2-14 Hệ số triết giảm do yếu tố môi trường cho các hệ thống FRP khác nhau 46 Bảng 3-1 Nội lực cột C9, C12, C16, C36 tầng kỹ thuật (trường hợp 1) 61

Bảng 3-2 Kết quả kiểm tra thép cột C9, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 61

Bảng 3-3 Kết quả kiểm tra thép cột C12, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 62

Bảng 3-4 Kết quả kiểm tra thép cột C16, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 62

Bảng 3-5 Kết quả kiểm tra thép cột C36, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 62

Bảng 3-6 Kết quả tính toán thép cột C9, C12, C16, C36 tầng kỹ thuật (trường hợp 1) 62

Bảng 3-7 Nội lực cột C9, C12, C16, C36, tầng kỹ thuật (trường hợp 2) 63

Bảng 3-8 Kết quả kiểm tra thép cột C9, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 2 63

Bảng 3-9 Kết quả kiểm tra thép cột C12, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 2 64

Bảng 3-10 Kết quả kiểm tra thép cột C16, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường

hợp 2 64

Bảng 3-11 Kết quả kiểm tra thép cột C36, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 2 64

Bảng 3-12 Kết quả kiểm tra thép cột C9, C12, C16, C36, tầng kỹ thuật (trường hợp 2) 64

Bảng 3-13 Cặp nội lực cột C12 65

Bảng 3-14 Chi tiết mặt cắt ngang cột và vật liệu được sử dụng 65

Bảng 3-15 Đặc tính vật liệu CFRP do nhà sản xuất cung cấp 66

Bảng 3-16 Khả năng chịu lực tại các điểm đại diện A,B,C thuộc biểu đồ tương tác tương ứng với số lớp CFRP 77

Bảng 3-17 Tỷ lệ tăng khả năng chịu lực tại các điểm đại diện A,B,C thuộc biểu đồ tương tác tương ứng với số lớp CFRP 78

Bảng 3-18 So sánh áp lực ngang do CFRP, cường độ nén của bê tông và biến dạng tương đối trường hợp nén thuần túy 80

Bảng 3-19 So sánh áp lực ngang do CFRP, cường độ nén của bê tông và biến dạng tương đối trường hợp nén-uốn kết hợp 80

Bảng 3-20 Các loại phần tử mô phỏng trong cột gia cường 83

Bảng 3-21 Thông số miền đàn hồi, thông số mô hình phá hoại dẻo và các thông số ứng suất và biến dạng, phá hoại và biến dạng cho cả vùng kéo, nén của BT B30 [21] 85

Bảng 3-22 Các hình thức tương tác sử dụng cho cột 93

Bảng 3-23 Kích thước chia nhỏ phần tử 93

Bảng 3-24 So sánh ứng suất tại thời điểm P1=0,92*P trong phần tử Concrete: E1381 96

Bảng 3-25 So sánh ứng suất tại thời điểm P1=0,92*P trong phần tử Bar 2: E1 99

Bảng 3-26 So sánh chuyển vị tại thời điểm P1=0,92*P tại Node concrete-1 103

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 Ngoài ra, một số 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… cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác nhau

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 Thì ngày nay, mục tiêu thiết kế được thay đổi, công trình có thể bị hư hại, nhưng không được sụp đổ để đảm bảo an toàn cho tính mạng và tài sản của con người Đây là bước chuyển biến quan trọng, bởi lúc này công trình được cho phép có hư hại Sự hư hại của công trình được

kể đến thông qua việc cho phép xuất hiện các vết nứt khi phân tích kết cấu Tuy nhiên, các công trình này vẫn chưa hoàn toàn bị phá hoại, việc đánh sập và xây mới công trình

sẽ rất tốn kém Để đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường của công trình, cần phải có các biện pháp gia cường kết cấu

Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng Tòa nhà Bitexco - TP HCM

Int.Commerce Centre - Hong Kong World Financial Center - Shanghai

Hình 0.1 Nhà cao tầng

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 (Hình 0.2) hoặc toàn bộ 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 của công trình cần phải gia cường, sửa chữa các bộ phận kết cấu công trình đó

a) Phá hoại do ăn mòn b) Phá hoại do động đất c) Phá hoại do tác động cơ học

Hình 0.2 Kết cấu cột BTCT bị phá hoại

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 Tuy nhiên các nghiên cứu

đó chủ yếu tập trung vào phân tích ứng xử và đề xuất phương pháp gia cường cho dầm

bê tông cốt thép Chưa có nhiều nghiên cứu về ứng xử của côt bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP

Bên cạnh đó, cũng đã có nhiều nghiên cứu về việc gia cường các cấu kiện riêng

- Phan Vũ Phương: Hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP, trong dầm chữ

T ứng suất trước có và không có hệ neo CFRP dạng dải U;

-Trịnh Quang Minh, Kiều Minh Thế, Vũ Đình Phụng: Sử dụng thanh composite cốt sợi các - bon để tăng cường khả năng chịu lực cắt của dầm bê tông cốt thép;

- Nguyễn Hùng Phong: Nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng cắt cho dầm

bê tông cốt thép bằng tấm sợi thủy tinh

- Nguyễn Hùng Phong, Phạm Quang Đạo, Nghiên cứu thực nghiệm về gia cường chống động đất cho cột BTCT bằng tấm sợi liên tục FRP

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

2.1 Mục tiêu tổng quát

Đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường cột bằng tấm CFRP trong các công trình cao tầng bê tông cốt thép

2.2 Mục tiêu cụ thể

- Tính toán được khả năng chịu lực của cột BTCT có gia cường tấm CFRP

- Mô phỏng được cột bê tông cốt thép có gia cường CFRP trong phần mềm phân tích kết cấu;

- Phân tích được ứng xử của cấu kiện cột BTCT có gia cường tấm CFRP;

- Đưa ra đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường cột bằng tấm CFRP trong các công trình cao tầng bê tông cốt thép

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

6 Bố cục đề tài

Mở đầu

Chương 1: Nhà cao tầng, sự hư hỏng và các biện pháp gia cố/sửa chữa

Chương 2: Gia cường cột bê tông cốt thép bằng tấm CFRP

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

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 NHÀ CAO TẦNG - SỰ HƯ HỎNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP

GIA CỐ/SỮA CHỮA

Trong chương này, tác giả đề cập đến tổng quan sự làm việc của kết cấu chịu lực của nhà cao tầng Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đó việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được thực hiện Bên cạnh đó tác giả cũng đề cập đến các nguyên nhân hư hỏng của nhà nhiều tầng thường gặp và các biện pháp gia cố, sữa chữa được áp dụng từ trước đến nay

1.1 Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam

Trong lịch sử ngành xây dựng trên thế giới, cuối thế kỷ thứ 19, nhà cao tầng xuất hiện và là sản phẩm của sự phát triển công nghiệp hoá và đô thị hoá thời cận đại Khi

đó, công nghiệp và thương nghiệp ở đô thị các nước phát triển bùng phát nhanh chóng, dân số trong đô thị tập trung với mức độ cao, đất đai xây dựng ngày một khan hiếm đã thôi thúc khát vọng vươn lên bầu trời cao của con người Chiều cao của các ngôi nhà vì thế đã không ngừng gia tăng Mặt khác, công cụ giao thông theo hướng thẳng đứng cũng như công nghiệp sản xuất sắt thép, xi măng phát triển đột biến đã tạo tiền đề vật chất cho quá trình đó

Theo tư liệu nước ngoài, người ta đã ghi nhận ngôi nhà đầu tiên sử dụng thang máy làm phương tiện giao thông lên xuống là một khách sạn được xây dựng từ năm

1851 trên địa lộ số 5 thành phố New York Mốc khởi điểm ra đời của nhà cao tầng được đánh dấu là vào năm 1883 - 1885, khi nhà cao tầng Home Insurance Building 11 tầng, cao 55 m được xây dựng ở Chicago sử dụng khung thép là chủ yếu, một bộ phận nhà dùng tường ngoài tự chịu lực bằng gạch đá và dầm thép Năm 1891 - 1895 ở Chicago, người ta đã khánh thành Masonis Temple 20 trầng cao 92m Đây là một ngôi nhà cao tầng đầu tiên toàn bộ dùng kết cấu khung thép tạo thành Năm 1903, ở Cincinnati đã xây dựng nhà cao tầng Ingall 16 tầng Đây là một ngôi nhà cao tầng đầu tiên làm bằng hệ khung bê tông cốt thép

Do nghiên cứu đặt thêm các thanh chéo, độ cứng và cường độ của nhà được tăng cường nên chiều cao của ngôi nhà có thể nâng thêm rõ rệt Năm 1905 - 1909 tại New York hoàn thành ngôi nhà cao 50 tầng, chiều cao 213 tầng Đó là ngôi nhà Metropolitan Life Building Năm 1913 tại New York còn mọc lên ngôi nhà Woolworthy Building 57 tầng cao 242m, trong nhà có 26 bộ thang máy, diện tích chứa được trên một vạn nhân viên làm việc Năm 1931, cũng ở New York, ngôi nhà Empire State Building được xây dựng với 102 tầng, cao 381m, có 6 bộ thang máy

Sau đó 40 năm, ngôi nhà này vẫn là ngôi nhà cao nhất thế giới Mãi đến năm

1972 - 1974 ở New York và Chicago lần lượt xây dựng World Trade Center (gồm cao

ốc phía Nam và phía Bắc) với Sears Tower đều cao 110 tầng, chiều cao lần lượt bằng 417m, 415m và 443m cho tới gần đây vẫn là 3 ngôi nhà cao tầng cao nhất thế giới (tiếc rằng World Trade Center đã bị trùm khủng bố Billaden tổ chức đánh bom phá sập và nay đang được tái thiết)

Căn cứ vào tư liệu của Hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng lần thứ 4 họp ở Hồng Kông năm 1990, có 100 ngôi nhà cao nhất thế giới đã được thống kê: Chiều cao từ 218

- 243m với số tầng từ 32 - 110 tầng; trong đó gồm: 85 văn phòng làm việc, 12 nhà đa năng, 3 khách sạn, 78 ngôi nhà phân bố tại Hoa Kỳ, đặc biệt tập trung tại các đô thị lớn như New York, Chicago, Seattle, Los Angeles và Dallas Số còn lại xuất hiện tại Canada, Nhật, Singapore, Austraylia, Venezuela, Anh, Pháp, Đức, Ba Lan, Nam Phí, Malayxia, Triều Tiên, Hông Kông

Ở Bắc Mỹ, ngoài Hoa Kỳ ra phải kể đến Canada Nổi bật là các nhà cao tầng văn phongdf làm việc và thương mại như Toronto Dominion Bank Tower 56 tầng, cao 224m, xây năm 1967; nhà Commerce Cuort West xây năm 1974, 57 tầng, cao 239m; nhà First Canadian Bank xây năm 1975, 72 tầng, cao 285m; nhà Canada Trust Tower xây năm

1989, 55 tầng cao 229m

Tại Châu Mỹ La tinh, nhà siêu cao (trên 100m) tập trung ở Venezuela, Colombia, Brasil, Cuba, Mexico Nổi bật là ngôi nhà Parque Central Torres de Officinass 62 tầng, cao 260m, xây năm 1978 vadf ngôi nhà Office Towers 60 tầng, cao 237m, xây dựng năm 1985

ở Carakas; ngôi nhà Petronas Mexicanos 52 tầng, cao 214m, xây năm 1984 ở Mexico

Sau Đại chiến thế giới lần thứ 2, hai nhà cao tầng phát triển mạnh ở châu Âu Tại Paris, khu vực Defense năm 1965 mọc lên nhiều nhà làm việc cao từ 30 -50tầng và hàng chục ngôi nhà cao tầng Năm 1973, cũng tại đây, có ngôi nhà Maine Montparnass 64 tầng, cao 229m Tại Pháp, theo con số thống kê, nhà 9 tầng trở lên chiếm tỷ trọng 21%

Ở London, có nhà cao tầng Canery Wharf Tower 50 tầng, cao 245m Ở Frankffurt (Đức) có nhà cao tầng Messeturm 70 tầng, cao 259m

Ở Liên xô từ những năm 30 bắt đầu xây dựng nhà ở cao tầng Thập kỷ 50 khánh thành trường đại học Lomonosov có nhà chính 36 tầng, cao 239,5m trong đó có 22.000 căn phòng Năm 1961, ở Moscow xây dựng khách sạn Ucraina 34 tầng, cao 198m và nhiều nhà cao tầng khác Năm 1955 tại Varsava khánh thành cung văn hoá khoa học (I palac Kultury I Nauki) 42 tầng, cao 241m

Ở Liên Xô và các nước Đông Âu trong một thời gian dài vài thập kỷ, đã sử dụng một cách có kế hoạch phương pháp công nghiệp hoá xây dựng nhà ở tấm lớn trong đó

có nhà ở cao tầng chiếm một tỷ lệ nhất định Nhà ở cao tầng ở Liên Xô chiếm tỷ trọng 7,9% (năm 1975) tăng lên đến 15% (năm 1985-1990).Vào những năm 80 nhà ở xây dựng mới ở Moscow thường từ 9 đến 25 tầng, bình quân là 16 tàng Ở Đông Âu, nhà ở

trên 9 tầng chiếm tỷ trọng từ 12-32% tại một số đô thị lớn tỷ trọng đó còn cao hơn như

ở Budapest lên tới 80%

Tại châu Phi, ở Nam Phi, nhà cao tầng nhất là ngôi nhà Carlton Center 50 tầng, cao 220m, ở Ai Cập và các nước Bắc Phi, ven Địa Trung Hải, cũng xây dựng rất nhiều nhà khách sạn cao tầng Austraylia cũng đã xây dựng nhiều nhà cao tầng thương mại và văn phòng làm việc Ví dụ: ở Sydney có trung tâm MLC 70 tầng cao 240m Ở Melbourg

có ngôi nhà Riollo Center 70 tầng cao 243m là những điển hình có thể nêu lên

Nhật Bản do phải chịu tác động của động đất và gió bão rất ác liệt nên có một thời gian dài quy định nhà cao tầng không vượt quá 31m Sau khi đã tiến hành nghiên cứu sâu sắc về các biện pháp khoa học phòng chống gió bão và động đất, đi đến loại trừ hạn chế nói trên và từ năm 1964 trở đi nhà cao tầng được phép phát triển Đến năm 1981

đã có 47 ngôi nhà có chiều cao vượt quá 100m (siêu cao) trong đó phải kể đến ngôi nhà Shunshine 60, ở Tokyo 60 tầng, cao 226m, xây dựng năm 1978

Ở vùng Đông Nam Á, Singapore là nước nhỏ, mật độ dân số cao, kinh tế phát đạt nên nhà cao tầng xây dựng rất tập trung; nổi bật là ngôi nhà Overseas Union Bank 63 tầng cao 280m; Singapore Treasurry 52 tầng cao 235m; Roffles City Hotel 70tầng cao 226m Malaysia có ngôi nhà TAR (Tun Abdul Razak Building) 61 tầng cao 232m và tháp đôi Petronas cao 251,9m - một thời nổi tiếng là cao nhất thế giới - cắt băng khánh thành tháng 8/1999

Sau chiến tranh Tiều Tiên, cả hai miền Bắc và Nam (Hàn Quốc) trong cuộc tái thiết quy mô lớn, nhà cao tầng cũng có điều kiện phát triển mạnh Tại Bình Nhưỡng trên đống đổ nát do chiến tranh để lại, từ những năm 70 thế kỷ trước mọc lên đại lộ Thiên Lý

Mã chủ yếu là nhà cao tầng từ 8 đến 18 tầng Đến những năm 80 đại lộ Quang Phục nhà cao tầng từ 8 tầng đến 42 tầng Khách sạn Liễu Kinh 105 tầng cao 305m đã khánh thành Tại Hán Thành năm 1985 xây dựng xong ngôi nhà Korea Ins Co 63 tầng cao 233m

Tại Trung Quốc, tròng thời gian 30 năm lại đây, cải cách mở cửa, kinh tế phồn vinh, nhà cao tầng mọc lên như nấm ở các thành phố Bắc Kinh, Thượng Hải, Quảng Châu, Thâm Quyến, Thiên Tân, Thẩm Dương, Lan Châu, Thạch Gia Trang, Vũ Hán, Tây An, Từ Châu, từ đó lan truyền sang hầu hết các đô thị lớn của địa lục, trong đó có rất nhiều nhà siêu cao (>100m)

Tại Việt Nam từ trước những năm 1945 các công trình cao tầng ở Việt Nam chủ yếu chỉ là các khu nhà tập thể cao từ 4 -5 tầng và tập trung chủ yếu ở một số thành phố như Hà Nội, Hải Phòng Khi Mỹ đưa quân vào miền Nam Việt Nam vào những năm 60 của thế kỷ trước kéo theo nhiều thay đổi về mặt kinh tế xã hội cũng như hạ tầng kỹ thuật của các đô thị đặc biệt là Sài Gòn Cũng chính tại đây vào thời gian này, các công trình cao tầng bắt đầu được du nhập vào Việt Nam Tiêu biểu là các cao ốc: Thư viện Quốc gia, Trụ sở Việt Nam Thương tín, Bệnh viện Chợ Rẫy, Cao ốc chung cư 727 Trần Hưng

Đạo, Khách sạn Palace, Khách sạn Caravel… Phần lớn các công trình cao tầng thời gian này được thiết kế có chiều cao khiêm tốn, cao nhất cũng chỉ khoảng 14 tầng nhưng đã đánh dấu sự xuất hiện của công trình cao tầng tại Việt Nam Năm 1987 khách sạn Hà Nội cao 11 tầng được xây dựng tại Hà Nội là công trinh cao tầng được xây dựng thí điểm ở miền Bắc Sau 1975 các công trình cao tầng ở Việt Nam có phát triển nhưng rất chậm vì lý do quá trình chuyển đổi nền kinh tế từ bao cấp sang kinh tế thị trường

Từ năm 1996 đến nay do chính sách đổi mới cùng với quá trình công nghiệp hóa

- hiện đại hóa đất nước, cơ sở hạ tầng đã tạo điều kiện đẩy mạnh xây dựng, phát triển nhà cao tầng ở các đô thị lớn nhưng chủ yếu cũng chỉ tập trung ở 2 thành phố là Hà Nội

và Hồ Chí Minh Các công trình nhà cao tầng đã đem lại cho các đô thị Việt Nam một cảnh quan mới, một không gian kiến trúc hiện đại, tạo ra biểu tượng cho nền văn minh

và tiến bộ xã hội

Sự phát triển của nhà cao tầng tạo điều kiện cho sự phát triển các hệ kết cấu chịu lực đặc biệt là các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang

Hình 1-1 10 toà nhà cao nhất Việt Nam hiện nay

Có thể kể đến một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu ở Việt Nam hiện nay như sau:

Bảng 1-1 Thống kê một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu ở Việt Nam hiện nay

Công trình Số tầng Chiều cao (m)

Keangnam Hanoi Landmark Tower 72 336

Bitexco Financial Tower 68 262

- Tòa nhà Landmark 81:

Với chiều cao 461,2 m gồm 81 tầng nổi và 3 tầng hầm Diện tích sàn: 241.000m2

Vị trí tại Khu đô thị Vinhomes Central Park, Quận Bình Thạnh, TP HCM Landmark

81 đã trở thành biểu tượng mới của TP.HCM với thiết kế lấy cảm hứng từ hình dáng khóm tre Việt Nam vươn lên mạnh mẽ Tòa nhà bao gồm các không gian chức năng như: Trung tâm mua sắm, vui chơi giải trí (Vincom Center), văn phòng cho thuê, khách

sạn, căn hộ dịch vụ, căn hộ thương mại…

- Tòa nhà Keangnam Hanoi Landmark:

Với chiều cao: 336 m gồm 72 tầng bao gồm 2 cao ốc văn phòng 50 tầng cùng với

1 tháp cao 72 tầng Vị trí tại đường Phạm Hùng, quận Nam Từ Liêm, Hà Nội Tòa nhà

có chức năng: Nhà ở, trung tâm thương mại, văn phòng và khách sạn;

- Tòa nhà Hanoi Lotte Center:

Với chiều cao 267 m gồm 65 tầng với 5 tầng hầm Vị trí tại đường Liễu Giai, phường Cống Vị, quận Ba Đình, Hà Nội Tòa nhà được thiết kế dựa trên cảm hứng từ chiếc áo dài Việt Nam có chức năng là một tổ hợp thương mại, văn phòng, khách sạn, nhà ở

- Toà nhà Bitexco Tower:

Cao 262 m với 68 tầng nổi và 3 tầng hầm, diện tích sàn: 119.000m2 Vị trí tại đường Hải Triều, Quận 1, TP.HCM Được thiết kế dựa theo nguyên mẫu của hoa sen,

quốc hoa của Việt Nam Với thiết kế bằng kính ấn tượng cộng thêm bãi đáp trực thăng tại tầng 52, tháp Bitexco hiện là toà nhà cao nhất TP HCM

- Tháp VietcomBank:

Với chiều cao 206m bao gồm 40 tầng nổi và 4 tầng hầm, Diện tích sàn: 3.232m2

Vị trí: Số 5, Công Trường Mê Linh, Quận 1, TP.HCM Tòa nhà được hoàn thành năm

2015 Thiết kế độc đáo này là trụ sở chính của Ngân hàng Vietcombank TP.HCM và cho thuê văn phòng

- Trung tâm Hành chính Đà Nẵng:

Với chiều cao 166,9m có thiết kế giống như ngọn hải đăng và sở hữu công nghệ quản lý hiện đại, Trung tâm Hành chính Đà Nẵng là toà nhà cao nhất thành phố Không những vậy, công trình này còn được đánh giá cao bởi tính thân thiện với môi trường

a) Landmark 81 b) Hanoi Lotte Center

c) Bitexco Tower d) VietcomBank Tower

Hình 1-2 Một số công trình cao tầng bê tông cốt thép

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

Sự phát triển của nhà cao tầng tạo điều kiện cho sự phát triển các hệ kết cấu chịu lực đặc biệt là các hệ kết cấu chịu tải trọng ngang

Các cấu kiện chịu lực chính tạo thành các hệ chịu lực nhà cao tầng bao gồm:

Cấu kiện dạng thanh: cột, dầm, thanh chống, thanh giằng

Cấu kiện dạng tấm: Tường (vách), sàn

Cấu kiện không gian: lõi cứng, lưới hộp; dưới tác động của tải trọng, hệ không gian này làm việc như một kết cấu độc lập

Phụ thuộc vào các giải pháp kiến trúc, từ ba thành phần kết cấu chính (cấu kiện dạng thanh, tấm, không gian) có thể liên kết tạo thành 3 nhóm kết cấu chịu lực:

Nhóm 1 (kết cấu cơ bản): chỉ gồm một loại cấu kiện chịu lực độc lập: khung, tường (vách), lõi,ống…

Nhóm 2 (kết cấu tổ hợp): Hệ chịu lực được tổ hợp từ 2 hoặc 3 cấu kiện cơ bản trở lên

Nhóm 3 (kết cấu đặc biệt): Kết cấu có dầm truyền, kết cấu có các tầng cứng, kết cấu có giằng liên tầng, kết cấu có hệ khung ghép…

Việc lựa chọn hệ kết cấu dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của công trình, công năng sử dụng, chiều cao của nhà và độ lớn của tải trọng ngang (động đất, gió)

Hình 1-3 Sơ đồ lựa chọn hệ kết cấu theo số tầng

Hệ kết cấu với các biến thể

của lõi phía trong

Hệ kết cấu với các biến thể của vỏ phía ngoài

Hình 1-4 Một số hệ kết cấu nhà cao tầng 1.2.1 Các dạng kết cấu cơ bản

a Hệ kết cấu thuần khung

Kết cấu khung bao gồm hệ thống cột và dầm vừa chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang Hệ kết cấu khung được sử dụng hiệu quả cho các công trình có yêu cầu không gian lớn, bố trí nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại công trình Yếu điểm của kết cấu khung là khả năng chịu cắt theo phương ngang kém Ngoài ra, hệ thống dầm của kết cấu khung trong nhà cao tầng thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến công năng sử dụng của công trình và tăng độ cao của ngôi nhà Chiều cao ngôi nhà thích hợp cho kết cấu khung thép là không quá 30 tầng, cho kết cấu khung bê tông cốt thép là không quá 20 tầng Trong các vùng có động đất mạnh cấp 8 hoặc hơn thì chiều cao ngôi nhà thích hợp cho các loại kết cấu khung phải được giảm xuống Chiều cao tối đa của ngôi nhà có thể sử dụng kết cấu khung còn phụ thuộc vào số nhịp, độ lớn của các nhịp và tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng nhà Kết cấu khung của nhà cao tầng thông thường làm việc theo sơ đồ không gian Trường hợp thường gặp nhất trong thực tế là mặt bằng bố trí khung của nhà cao tầng có hình chữ nhật gồm hai hệ thống cột và dầm theo hai phương trực giao Tuy nhiên cũng có thể bố trí các mặt bằng kết cấu khung phức tạp hơn

Hình 1-5 Sơ đồ hệ khung chịu lực

b Hệ kết cấu tường (vách)

Kết cấu tường chịu lực hay còn gọi là vách cứng trong nhà cao tầng là một hệ thống tường vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng vừa là hệ thống chịu tải trọng ngang đồng thời làm cả nhiệm vụ vách ngăn của các phòng Đây là loại kết cấu quen thuộc trong các nhà thấp tầng Tuy nhiên trong các nhà thấp tầng thì các tường chủ yếu là kết cấu tường xây có khả năng chịu cắt và chịu uốn kém, còn trong nhà cao tầng thì các tường này đó làm bằng bê tông cốt thép có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt hơn chính

là vì lẽ đó nên chúng được gọi là vách cứng Các hệ kết cấu tường chịu lực trong nhà cao tầng thường là tổ hợp của các tường phẳng có hình dạng khác nhau (Hình 1-6) Các tường phẳng có thể bố trí theo các phương khác nhau Trong các ngôi nhà hình chữ nhật, các tường phẳng được bố trí theo phương ngang nhà – gọi là tường ngang, theo phương dọc nhà - gọi là tường dọc Trên Hình 1-7 thể hiện mặt bằng điển hình kết cấu tường chịu lực của nhà cao tầng

Hình 1-6 Hình dạng các vách cứng

Hình 1-7 Mặt bằng kết cấu tường chịu lực của nhà cao tầng

Các vách cứng đổ tại chỗ có tính liền khối tốt, độ cứng theo phương ngang lớn Khả năng chịu động đất tốt Kết quả nghiên cứu thiệt hại do các trận động đất lớn gây

ra, cho thấy rằng các công trình có vách cứng bị hư hỏng tương đối nhẹ, trong khi các công trình có kết cấu khung bị hư hỏng nặng hoặc sụp đổ Tuy nhiên, hệ vách cứng có trọng lượng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất tác động lên công trình có giá trị lớn Đây là đặc điểm bất lợi cho công trình thiết kế chịu động đất Ngoài ra, hệ thống vách cứng trong công trình là sự cản trở để tạo ra các không gian rộng Hệ kết cấu này thích hợp cho các công trình mà có không gian bị ngăn chia bên trong như nhà ở, khách sạn, bệnh viện và cho các công trình có chiều cao dưới 40 tầng với cấp phòng

chống động đất ≤ 7 Độ cao giới hạn bị giảm đi nếu cấp phòng chống của nhà cao hơn

c Hệ kết cấu lõi

Hệ kết cấu gồm các tường phẳng chịu lực thích hợp cho các công trình nhà ở có chức năng được quy định một cách chặt chẽ Các công trình có yêu cầu không gian rộng với việc bố trí mặt bằng đa dạng thì kết cấu gồm các tường phẳng chịu lực tỏ ra không thích hợp Một giải pháp để giải quyết vấn đề này là người ta tạo các lõi cứng gồm các tường theo các phương pháp khác nhau được liên kết với nhau Lõi cứng vừa đóng vai trò chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang Trong một ngôi nhà có thể bố trí một hoặc nhiều lõi cứng phụ thuộc vào mặt bằng của nó.Trường hợp trong nhà có một lõi cứng thì thường được bố trí ở trung tâm Các sàn của ngôi nhà được đỡ bởi hệ thống dầm công xon vươn ra từ lõi cứng Trường hợp trong nhà có nhiều lõi cứng thì chúng thường được đặt xa nhau và các sàn được tựa lên hệ thống dầm lớn liên kết các lõi cứng Các lõi cứng nên được bố trí trên mặt phẳng ngôi nhà theo cách sao cho tâm độ cứng của chúng trùng với trọng tâm của ngôi nhà nhằm để tránh hiện tượng công trình bị xoắn khi dao động

Đây là hệ kết cấu được sử dụng khá phổ biến, có thể sử dụng cho những công trình có số tầng lên đến 60-70 tầng.Kết cấu dạng lõi là kết cấu không gian có thể chịu được tải trọng đứng, lực cắt, mô men và xoắn theo hai phương Hạn chế của hệ kết cấu này chính là kích thước của lõi thường bị giới hạn, phụ thuộc kiến trúc do đó hiệu quả chịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một consol Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng

d Hệ kết cấu ống

Hệ kết cấu gồm các cột đặt dày trên toàn bộ chu vi công trình được liên kết với nhau nhờ hệ thống dầm ngang gọi là kết cấu ống Kết cấu ống do F Khan đề xuất vào những năm 60 của thế kỷ XX và ngay sau đó được ứng dụng cho một số công trình cao tầng ở Hoa Kỳ Cho đến này kết cấu này đã trở thành phổ biến trên thế giới Kết cấu ống làm bằng thép thích hợp cho các công trình cao đến 60 tầng Khi các cột đặt cách thưa nhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ khung, còn khi các cột đặt kề nhau và hệ dầm có

độ cứng lớn thì dưới tác động của tải lượng ngang kết cấu làm việc như một công xon

Hệ thống kết cấu hình ống có độ cứng theo phương ngang lớn, thích hợp cho loại công trình có chiều cao trên 25 tầng, các công trình có chiều cao nhỏ hơn 25 tầng loại kết cấu này ít được sử dụng Hệ kết cấu hình ống có thể sử dụng cho loại công trình

có chiều cao tới 70 tầng

Kết cấu ống được sử dụng chủ yếu cho các công trình siêu cao tầng như tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m, Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m Ban đầu hệ kết cấu ống được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau Sau đó hệ kết cấu này được phát triển với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình Hệ kết cấu ống kết hợp giằng chép phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh nhà Xét về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng Tuy nhiên, hệ kết cấu này cũng có những khuyết điểm nhất định

1.2.2 Các dạng kết cấu hỗn hợp

a Kết cấu khung - giằng

Kết cấu khung được bố trí thêm hệ giằng chéo trên từng tầng Trong hệ kết cấu này các cột và dầm làm việc như các phần tử chịu uốn còn các thanh giằng chịu lực theo phương dọc trục Thành phần tải trọng ngang được truyền chủ yếu vào các thanh giằng xiên Nếu như hệ khung cứng có nhược điểm là khả năng chịu lực ngang kém thì hệ khung - giằng phần nào khắc phục được điều này Với sự tham gia chịu lực của hệ thống giằng chéo không chỉ làm giảm lực cắt và mô men cho các cột mà còn làm tăng độ cứng theo phương ngang của công trình một cách đáng kể Tuy nhiên, hiệu quả trên của hệ thống giằng chéo chỉ thể hiện một cách rõ nét khi chúng được bố trí liên tục trên suốt chiều cao của công trình Nhược điểm của hệ kết cấu khung - giằng là sự cản trở của hệ thống giằng chéo đến công năng sử dụng của ngôi nhà

Hệ kết cấu khung - giằng tỏ ra là hệ kết cấu tối ưu cho nhiều loại công trình cao tầng Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôi nhà đến 40 tầng Nếu công trình được thiết kế cho vùng có động đất cấp 8 thì chiều cao tối đa cho loại kết cấu này là 30 tầng, cho vùng động đất cấp 9 là 20 tầng Nếu sử dụng một số kết cấu kết hợp khác, hệ kết cấu này có thể áp dụng cho công trình đạt tới 80 tầng

hiệu ứng có lợi cho sự làm việc của kết cấu hỗn hợp khung - vách đó chính là sự tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (của vách) làm tăng độ cứng của cả hệ (Hình 1-9)

Sự bù trừ các điểm mạnh và yếu của hai thể loại kết cấu khung và vách đã tạo nên cho hệ kết cấu hỗn hợp khung - vách những ưu điểm nổi bật và do vậy trong thực

tế kết cấu khung -vách là loại kết cấu được sử dụng một cách phổ biến

Hình 1-8 Hệ kết cấu khung – vách kết hợp

Hình 1-9 Mô hình chịu lực của kết cấu khung-vách

c Kết cấu ống - lõi

Kết cấu sẽ làm việc hiêu quả hơn khi bố trí thêm các lõi cứng ở khu vực trung tâm Các lõi cứng đặt ở trung tâm vừa chịu một lượng lớn tải trọng thẳng đứng vừa chịu một phần đáng kể tải trọng ngang, đặc biệt các tải trọng ngang ở phía dưới Tương tác qua lại giữa kết cấu ống và kết cấu lõi cứng gần giống như tương tác giữa kết cấu khung

và kết cấu vách cứng Tuy nhiên xét về độ cứng theo phương pháp thì kết cấu ống có độ cứng lớn hơn nhiều so với kết cấu khung Lõi cứng trong kết cấu ống - lõi có thể là do các tường cứng liên kết với nhau tạo thành lõi hoặc các ống có kích thước nhỏ hơn ống ngoài Trường hợp thứ hai còn được gọi là kết cấu ống trong ống - là một biến thể của kết cấu liên hợp ống -lõi

hệ kết cấu thông thường

b Kết cấu có các tầng cứng

Trong kết cấu ống-lõi, mặc dầu cả ống và lõi đều được xem như các công xon ngàm vào đất để cùng chịu tải trọng ngang, song do các dầm sàn có độ cứng bé trong khi khoảng cách từ lõi cứng đến ống ngoài thường lớn nên thực chất các tải trọng ngang phần lớn do lõi cứng gánh chịu Hiện tượng này làm cho kết cấu ống ngoài làm việc không hiệu quả Vấn đề này được khắc phục nếu như tại một số tầng ta tạo ra các dầm ngang hoặc giàn có độ cứng lớn nối lõi cứng với ống ngoài Dưới tác dụng của tại trọng ngang lõi cứng bị uốn làm cho các dầm này bị chuyển vị theo phương thẳng đứng và tác dụng lên các cột có độ cứng chống uốn nhỏ, song độ cứng dọc trục lớn nên đã cản trở

sự chuyển vị của các dầm cứng và kết quả là chống lại chuyển vị ngang của cả công trình Trong thực tế các dầm cứng này được bố trí tại các tầng kỹ thuật và có chiều cao bằng cả tầng nhà nên người ta thường gọi đây là các tầng cứng Số tầng cứng trong nhà cao tầng thường là 1, 2 hoặc 3 tầng Trường hợp bố trí một tầng cứng thì nó được đặt tại cao độ sát mái, trường hợp bố trí 2 tầng cứng thì ngoài tầng cứng sát mái còn bố trí thêm một tầng ở cao độ giữa công trình, còn trường hợp bố trí 3 tầng cứng thì 1 tầng được bố trí sát mái, 2 tầng còn lại được bố trí cao độ 1/3 và 2/3 chiều cao công trình

Hình 1-10 Sơ đồ kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng

Kết cấu có tầng cứng, loại kết cấu này được phát triển dựa trên nguyên lý chuyển hóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tải trọng ngang, thông qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị trí hợp lý theo chiều cao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình Hệ kết cấu tầng cứng còn

có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc gây ra Hiện nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều Với ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi - tầng cứng công trình có thể đạt tới 150 tầng

- Khung ghép được cấu tạo theo cách liên kết một số tầng và một số nhịp, thường

có kích thước và tiết diện lớn Khung ghép thường có độ cứng lớn, là kết cấu chịu lực chính của công trình Khung tầng trong trường hợp này được xem là hệ kết cấu thứ cấp chủ yếu là để truyền các tải trọng đứng lên hệ khung ghép Trong một số trường hợp tại một số tầng trên có thể bỏ các khung tầng để tạo các không gian lớn Do các dầm của khung ghép có tiết diện lớn nên thường chúng chỉ được bố trí tại các tầng kỹ thuật của ngôi nhà Các cấu tạo nói chung phù hợp với các ngôi nhà siêu cao tầng có yêu cầu bố trí một số tầng kỹ thuật

Bên cạnh sự phát triển về chiều cao và loại hình kết cấu, các công trình cao tầng

và siêu cao tầng còn là nơi mà các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến được triển khai

áp dụng, xuất phát từ những đòi hỏi cao về kỹ thuật cần phải xử lý trong thiết kế và thi công xây lắp Vật liệu composite cũng bắt đầu được sử dụng cho các công trình cao

tầng Kết cấu thép cũng đóng vai trò quan trọng, tạo nên sự phát triển rõ nét đối với nhà cao tầng sử dụng loại vật liệu này Ngày nay, những ưu thế về tính kinh tế, độ cứng, tính cản lớn của bê tông kết hợp với tính nhẹ, dễ xây dựng của thép đã mở ra thời kỳ mới cho việc ứng dụng các loại hình kết cấu hỗn hợp lớn như siêu cột, siêu khung

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 lỗi do thiết kế bao gồm:

+ Các quy định về tải trọng, dự báo mức tăng trưởng của tải trọng chưa chính xác; +Các quy định về vật liệu chưa đồng bộ;

+ Tiêu chuẩn thiết kế còn chắp vá không thống nhất

- Sai sót trong bản vẽ thiết kế: Các lỗi trong bản vẽ do khâu kiểm soát chất lượng kém

* Những sai sót trong giai đoạn thi công

- Thi công không đạt chất lượng theo thiết kế:

+ Lớp bêtông bảo vệ không đủ đảm bảo yêu cầu chống ăn mòn gây ra hiện tượng

rỉ cốt thép;

+ Độ đầm chặt kém, bêtông bị rỗng nhiều;

+ Bảo dưỡng không đúng qui trình yêu cầu, làm bê tông không đủ cường độ theo thiết kế, vết nứt xuất hiện

- Thiếu việc kiểm soát chất lượng các công trình;

- Công tác giám sát công trình còn chưa được quan tâm đúng mức

* Sự cố trong giai đoạn sử dụng:

- Các công trình thường xuyên làm việc trong điều kiện quá tải do công tác quản

lý và khai thác sử dụng các công trình còn nhiều bất cập;

- Tải trọng động đất và gió bão, những sự cố làm kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực hay không còn đảm bảo khả năng sử dụng bình thường nữa

- Việc thay đổi công năng sử dụng các công trình cũng là một trong những nguyên nhân làm cho công trình xuống cấp nhanh chóng;

- Những yếu tố về ảnh hưởng môi trường làm việc của các công trình dẫn đến hiện tượng các công trình bị ăn mòn gây ra những hư hỏng trước thời hạn như thiết kế ban đầu

- Thiếu việc bảo trì theo đúng quy định khi đưa công trình vào sử dụng

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 Ngoài ra, một số công trình 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… cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác nhau

Hình 1-11 Kết cấu cột BTCT bị hư hại 1.3.1 Gia cường do kết cấu xuất hiện các vết nứt

Sự xuất hiện vết nứt ở các cấu kiện bê tông cốt thép là tất yếu do tác động của

mô men làm ứng suất kéo vượt qua cường độ chịu kéo của bê tông Và do đó, sự suy giảm độ cứng là một hiện tượng phổ biến ở kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên, sự suy giảm độ cứng ở các loại cấu kiện khác nhau cũng tuân theo những quy luật khác nhau Nếu như ở cấu kiện loại dầm, sự suy giảm độ cứng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa mô men gây nứt, mô men tải trọng khai thác và mô men chảy dẻo thì ở cấu kiện chịu tải trọng dọc trục (cột, vách) mức độ suy giảm độ cứng còn tuỳ thuộc vào tỉ số nén của các cấu kiện đó Tỉ số nén của cấu kiện được xác định như sau:

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

Ngoài việc gia cường kết cấu do các hư hỏng hoặc các sự cố gây ra Việc gia cường kết cấu sẽ được tiến hành trong cả trường hợp những công trình do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng hay những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, nâng thêm tầng…dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng Lúc này 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

Như vậy, việc gia cố, sửa chữa và cải tạo là đề cập đến những công trình có nhu cầu 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 của công trình

Cũng như xây mới, việc gia cố, sửa chữa và cải tạo công trình có sẵn vẫn phải qua các khâu khảo sát và thiết kế, sau đó mới có thể tiến hành thi công Tuy nhiên công tác khảo sát, thiết kế có những đặc điểm khác so với việc làm xây mới công trình Do vậy, cần đánh giá đúng tính chất, nguyên nhân và mức độ hư hỏng của công trình, xác định được mục đích và yêu cầu của công tác sửa chữa, gia cố sẽ quyết định tính đúng đắn cho các giải pháp được lựa chọn

1.4 Các phương pháp gia cường cột BTCT

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 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 của công trình cần phải gia cường, sửa chữa các bộ phận kết cấu công trình đó

Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu cột công trình BTCT được ứng dụng trong thực tế ở nước ta như:

1.4.1 Gia cường cột BTCT bằng phương pháp tăng tiết diện

Cột thuộc loại cấu kiện chịu nén đúng tâm hoặc lệch tâm Phương pháp tăng cường tiết diện là phương pháp thông dụng nhất để gia cường cột Phụ thuộc vào tình trạng chịu lực, điều kiện cấu tạo cụ thể mà có thể đề ra các giải pháp tăng cường tiết diện khác nhau Đối với cột chịu nén đúng tâm có thể tăng cường đối xứng Với trường hợp cột chịu nén lệch tâm có thể tăng cường đối xứng hoặc tăng cường phía lệch tâm

Hình 1-13 Các hình thức tăng cường tiết diện cột

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 Có thể 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 14  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

- Ưu điểm: Phần bê tông mới và bê tông cũ gắn chặt vào nhau do tính co ngót của bê tông mới tạo nên sự làm việc đồng thời

Hình 1-14 Gia cường kết cấu cột bằng cách tăng tiết diện 1.4.2 Gia cường cột BTCT bằng thép hình

Là phương pháp 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 cũng đồng thời tham gia chịu tải

- Ưu điểm:

+ Thi công đơn giản, nhanh chóng, giữ nguyên được kích thước tiết diện cột + Không ảnh hưởng đến không gian sử dụng, nhanh chóng đưa công trình vào sử dụng tăng khả năng chịu lực của cột lên được 2 - 2,5 lần (có thể lên tới 100 - 200 tấn)

- Nhược điểm:

+ Tiêu hao lượng thép tương đối lớn so với các phương pháp khác

Hình 1-15 Gia cường cột BTCT bằng cách ốp thép hình

1) Cột được gia cường 2) Thanh ốp 3) Bản giằng

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

Bê tông là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất Bởi vì những ưu điểm của nó Tuy nhiên bê tông có khả năng chịu kéo và có độ dẻo hạn chế do vậy thường xảy ra vết nứt trong kết cấu Các vết nứt nhỏ có trong bê tông và do độ bền kéo kém; các vết nứt mở rộng dưới tác dụng của tải trọng, dẫn đến phá hoại giòn của bê tông 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

Khi cột bê tông bọc FRP chịu tải trọng nén dọc trục, nó sẽ có xu hướng nở hông (mở rộng tiết diện) Sự mở rộng này bị chống lại bởi tấm FRP Ở trạng thái này, hiệu suất của lõi bê tông bị ảnh hưởng đáng kể bởi áp lực gia cường Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện đối với ứng xử của bê tông bọc FRP cột chịu tải trọng nén dọc trục, nó

sẽ xác định rằng các sợi phải quấn quanh chu vi cột Trên thực tế, hầu hết tất cả các cột đều chịu tải trọng trục lệch tâm có thể được phân tích thành một lực nén đúng tâm nén

và một mô men uốn

Không giống như gia cường kháng uốn cho dầm BTCT, vật liệu FRP chỉ làm việc khi có biến dạng nở hông Lúc này áp lực tác dụng lên hệ FRP nó mới bắt đầu có tác dụng Điều này có ý nghĩa, gia cường dầm là hệ thống chủ động trong khi gia cường côt là hệ thống bị động

Các cột bê tông được gia cường bằng cách dán vật liệu composite FRP xung quanh nó Kỹ thuật gia cường này rất hiệu quả với cột tròn Trong một số trường hợp,

kỹ thuật này không được khuyến khích áp dụng Cụ thể theo hướng dẫn ACI 440.2R-08 [12], nếu cột bê tông cốt thép có tiết diện hình chữ nhật, tỷ lệ chiều dài /chiều rộng lớn hơn 2, hoặc là cạnh ngắn của cột lớn hơn 90 cm thì không nên gia cố bằng FRP

Ý tưởng sử dụng vật liệu Polymer cốt sợi FRP gia cường cho kết cấu bê tông đã xuất hiện và phát triển từ cuối thập niên 1980 ở Châu Âu (đặc biệt là Thuỵ Sĩ) và Nhật Bản Những sáng kiến này đã được theo dõi liền sau đó bằng hàng loạt các nghiên cứu

và ứng dụng thử nghiệm ở Hoa Kỳ và Canada

Các nghiên cứu được phát triển dần đến các ứng dụng gia cường cho kết cấu cột thông qua phương pháp bọc kín (quấn chặt thân cột chịu nở ngang) bằng các loại tấm hoặc vải FRP Hướng đi này đặc biệt hiệu quả trong giải quyết vấn đề chịu tải trọng ngang của cột bê tông, nhất là cột chịu động đất trên các cây cầu thuộc hệ thống đường cao tốc