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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC HẢI ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO CÁC CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC HẢI ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng - Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Với kiến thức học thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, cùng với sự quan tâm, giúp đỡ tận tình Ban Giám Hiệu nhà trường, Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp cùng quý thầy cô và với sự nổ lực bản thân, đến nay, hoàn thành luận văn thạc sĩ Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp hỗ trợ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập, nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn TS Trần Anh Thiện quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn, giúp cho hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh và khả đưa vào sử dụng thực tế hiệu quả 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 tơng cốt thép cho cơng trình dân dụng” cơng trình nghiên cứu bản thân được nghiên cứu, tính toán sự hướng dẫn khoa học thầy giáo TS Trần Anh Thiện Các số liệu luận văn có nguồn trích dẫn, kết quả nêu luận văn là trung thực và chưa được cơng bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 14 tháng 02 năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP, QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT 1.1 BÊ TÔNG CỐT THÉP .3 1.1.2 Vật liệu cấu thành bê tông 1.3 Tính chất bê tông .5 1.2 QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT 1.2.1 Các quá trình xuống cấp .6 1.2.2 Ăn mòn sun phát 1.2.3 Phản ứng kiềm – silica 1.2.4 Các dạng phá hoại khác 1.3 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT 1.3.1 Bê tông bị rỗ 1.3.2 Bê tông bị rỗng .9 1.3.3 Bê tông bị nứt nẻ 1.3.4 Bê tông bị vỡ .10 1.3.5 Bê tông khô 10 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 12 CHƯƠNG 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 học 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 VÍ DỤ TÍNH TỐN 41 1.5 GIA CƯỜNG CỘT BẰNG TĂNG TIẾT DIỆN 45 3.1.1 Tính khả chịu lực cột 45 3.1.2 Tính chi phí thi cơng 47 3.2 GIA CƯỜNG CỘT BẰNG THÉP HÌNH 49 3.2.1 Tính khả 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 CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG Học viên: Nguyễn Ngọc Hải Chun ngành: Xây dựng cơng trình DD CN Mã số: 8580201, Khóa: K34, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Cột bê tơng cốt thép có thể bị xuống cấp và không còn đủ khả chịu lực quá trình sử dụng nhiều nguyên nhân các sai sót quá trình xây dựng, thay đổi công sử dụng công trình, hư hỏng tác động môi trường hay các sự cố, hỏa hoạn và động đất Có nhiều phương pháp để gia cường các cột bê tông cốt thép này Luận văn phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật 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 sợi tổng hợp FRP Ba phương pháp này được ứng dụng vào gia cường công trình cụ thể bê tông cốt thép; từ đó hiệu quả kinh tế kỹ thuật 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 AFRP BTCT CFRP FRP GFRP American Concrete Institu Aramid Fiber Reinforced Polymer Bê tông cốt thép Carbon Fiber Reinforced Polymer Fiber Reinforced Polymer Glass Fiber Reinforced Polymer DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Các đặc trưng loại sợi cacbon khác 29 2.2 Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác 29 2.3 So sánh đặc trưng loại sợi 30 2.4 Thể tính chất học khác các loại chất nền 31 2.5 Một số đặc trưng tiêu biểu hệ thống sợi FRP 32 2.6 Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương vật liệu FRP 32 3.1 Bảng tra nội lực cột (theo tính toán thiết kế) 44 3.2 Tổng hợp kinh phí Gia cường cột tăng tiết diện 47 3.3 Bảng dự toán gia cường cột tăng tiết diện 48 3.4 Tổng hợp kinh phí Gia cường cột thép hình 51 3.5 Dự toán gia cường cột thép hình 52 3.6 Tổng hợp kinh phí gia cường cột sợi FRP 55 3.7 Bảng dự toán gia cường cột tằng FRP 56 3.8 Tổng hợp đánh giá hiệu quả các phương án gia cường cột bê tông cốt thép 57 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Mặt cắt bê tông 1.2 Quá trình xuống cấp bê tông và ăn mòn cốt thép 1.3 Ăn mòn bê tông cốt thép 1.4 Rỗ tổ ong 1.5 Nứt bê tông co ngót 1.6 Bê tông bị phá hoại 12 2.1 Gia cường cột tăng tiết diện 14 2.2 Tăng tiết diện cột 15 2.3 Tiết diện cột sau gia cường 16 2.4 Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm tăng tiết diện 16 2.5 Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bé tăng tiết diện 17 2.6 Gia cường cột ốp thép hình 20 2.7 Chi tiết cấu tạo khớp và gối tựa 21 2.8 Sơ đồ tính toán cột chịu nén lệch tâm lớn thép hình 23 2.9 a) Gia cường kiểu khô; b) gia cường kiểu ướt 25 2.10 Một số sản phẩm vật liệu FRP 26 2.11 Biểu đồ thể sự phân bố ứng dụng vật liệu composit Mỹnăm 2004 27 2.12 Cấu trúc vật liệu FRP cốt sợi 28 2.13 Ứng suất - biến dạng các loại vật liệu FRP 32 2.14 Sửa chữa lớp bề mặt bêtông có chất lượng 35 2.15 Xử lý các vết nứt có chiều rộng > 0.30mm keo chuyên dụng 35 2.16 Công tác bo tròn cạnh với bán kính tối thiểu 20mm 36 2.17 Công tác vệ sinh bề mặt 36 2.18 Quy trình thi công quét keo lên bề mặt kết cấu 37 2.19 Tẩm keo lên sợi (trường hợp tăng cường cho cột) 37 2.20 Công tác dán sợi carbon cho cột 38 2.21 Công tác hồn thiện 38 3.1 Mặt đứng cơng trình trạng 42 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn phân tích, đánh giá hiệu quả về mặt kỹ thuật, phân tích chi phí đầu tư ba phương án gia cường cột bê tông cốt thép Mỗi phương án đều có ưu điểm và nhược điểm riêng nó Phân tích, so sánh được các phương án gia cường về mặt chịu lực Để đảm bảo khả chịu lực sau gia cường theo yêu cầu công trình Qua nghiên cứu, chúng ta có thể nhận thấy rõ được các ưu điểm phương pháp gia cường cột dán FRP các mặt: vật liệu FRP có cường độ và độ bền cao, khối lượng riêng thấp, thi công dễ dàng nhanh chóng, ít tốn nhân công, không cần máy móc đặc biệt, có thể thi công điều kiện mặt chật hẹp, không ảnh hưởng đến xung quanh nên có thể tiến hành thi công công trình tiếp tục hoạt động, khối lượng gia cố thấp, không làm thay đổi kiến trúc và công công trình, đảm bảo tính mỹ thuật cao, không cần bảo trì Về giá thành, sợi cacbon chưa được sản xuất nước nên giá thành tương đối cao Tuy nhiên, nhược điểm này hoàn toàn có thể khắc phục được thời gian tới hội nhập quốc tế và sự phát triển công nghệ Kiến nghị Trong thời gian tới công nghệ gia cường cột dán FRP cần được tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện về hệ thống tiêu chuẩn thí nghiệm, sổ tay thiết kế, quy trình thi công vật liệu FRP và định rõ phạm vi áp dụng Việc áp dụng các phương pháp gia cường cần so sánh hiệu quả về kỹ thuật, kinh tế và điều kiện thi công các phương pháp gia cường để đạt hiệu quả cao Trong các tiêu chuẩn Việt Nam về tính toán gia cường cột bê tông cốt thép chưa được trình bày cụ thể, đó tính toán gia cường các kết cấu cột cụ thể cần kết hợp với các mô hình thí nghiệm để đảm bảo ao toàn cho kết cấu được gia cường TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS Lê Văn Kiểm, Hư hỏng, sửa chữa, gia cường kết cấu bê tông cốt thép, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội 2006; Nguyễn Trọng Nghĩa, Giải pháp tiên tiến sửa chữa, tăng cường khả chịu lực cho kết cấu bê tông sử dụng vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám FRP, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội 2014; Tạ Văn Phấn, Nguyễn Vĩnh Sang, Một số phương pháp gia cường cột bê tơng cốt thép, Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường, số 57 (6/2017) Ngô Quang Tường, Sửa chữa và gia cố cơng trình bê tơng cốt thép phương pháp dán nhờ sử dụng vật liệu FRP, Tạp chí phát triển KH&CN (số 10/2007); TCVN 9318: 2012 Hướng dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm kết cấu Nhà; 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); ACI 440.2R-08, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, American Concret e Institute (2008); Quyết định 1172/QĐ-BXD ngày 26 tháng 12 năm 2012 - Công bố định mức dự toán xây dựng công trình (phần xây dựng); Quyết định 1149/QĐ-BXD ngày 09 tháng 11 năm 2017 - Cơng bố định mức dự tốn sửa chữa và bảo dưỡng cơng trình Phụ lục Phụ Bảng tra hệ số uốn dọc ϕ thép chịu nén Độ mảnh Hệ số uốn dọc ϕ chịu nén, thép với cường độ tính tốn R, kG/cm2 sau λ 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 10 0,988 0,987 0,985 0,984 0,983 0,982 0,981 20 0,670 0,962 0,959 0,955 0,952 0,949 0,946 30 0,939 0,931 0,924 0,917 0,911 0,905 0,900 Phụ Bảng tính khối lượng gia cường cột tăng tiết diện Phụ Bảng tính khối lượng gia cường cột thép hình ... KHOA NGUYỄN NGỌC HẢI ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO CÁC CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã... hỏng kết cấu bê tông cốt thép - Nghiên cứu các phương án gia cường cột bê tông cốt thép - So sánh, đánh gia? ? hiệu quả kinh tế, kỹ thuật các phương án gia cường cột bê tông cốt thép Đối tượng... về các phương án gia cường cột bê tông cốt thép 13 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP Cấu kiện cột bê tông cốt thép được đánh gia? ? là nguy hiểm có tượng sau: + Cột chịu