Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hiệu quả gia cường cột trong công trình cao tầng bê tông cốt thép bằng tấm CFRP

Tuy nhiên, việc phá bỏ và xây mới công trình lại khá đắt đỏ, cho nên việc cải tạo, nâng cấp công trình cũnhằm bảo đảm an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết.Ngo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG TÙNG

Đà Nẵng - Năm 2019

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

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!

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Thanh

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

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

3.3.4 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)

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

phổ biến trong gia cường các cấu kiện công trình cao tầng BTCT bị hư hại, đặc biệt làcấu 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 bằngtấm CFRP cho cấu kiện cột BTCT thông qua việc tính toán đánh giá khả năng chịulực 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 vicủa biểu đồ tương tác Phương pháp gia cường CFRP hiệu quả hơn đối với trườnghợp nén thuần túy

Bên cạnh đó, luận văn đã thực hiện đánh giá ứng xử cơ học của cột BTCT vớitrường hợp không gia cường và gia cường CFRP thông qua kết quả mô phỏng bằngphần mềm Abaqus Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng tại cùng một mức tải trọng tácdụng, ứng suất, biến dạng và chuyển vị trong bê tông và cốt thép trong cấu kiện đượcgia cường là nhỏ hơn so với trường hợp không gia cường Đồng thời cũng nhận thấyrằng tại cùng một thời điểm, vết nứt trong bê tông được gia cường là ít hơn và cấukiện 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 reinforcedconcrete column because of their advantages

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

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

In addition, the thesis has evaluated the mechanical behavior of reinforcedconcrete columns with unconfinned and confinned by CFRP through simulativeresults 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 inunconfined columns It was also found that at the same load, cracks in confinnedreinforced column concrete were less and the unconfinned reinforced concretecolumn and it are damaged with larger load than unconfinned column

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

moments, interactive diagram, mechanical behavior

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:

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 củatiết 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 cắtngang, 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)

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

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 2-10 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 gia 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 3-22 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

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 3-11 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 củanhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng động đất và gió bão gây nứt, sụt giảm độcứng kết cấu, khí hậu, hoá chất ăn mòn, sự cố làm kết cấu không còn đủ khả năng chịulực 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 cũnhằm 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 mớithiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng và nhữngcông trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêmtầng… 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 càngnhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng Cùng với tầm quan trọng của loại côngtrình này, các phương pháp tính toán tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục đượcthay đổi để phù hợp hơn với tính chất của công trình Trong suốt thời gian kể từ khicác nhà cao tầng được đưa vào tính toán và thiết kế, đã có nhiều sự thay đổi trong quanniệm tính toán và bố trí kết cấu cho loại công trình này Nếu như trước đây, công trìnhcao tầng phải được xem là vật cứng tuyệt đối, không chịu hư hỏng khi có động đất đểđảm bảo sinh mạng con người và tải sản thông qua việc bảo vệ công trình Thì ngàynay, mục tiêu thiết kế được thay đổi, công trình có thể bị hư hại, nhưng không đượcsụp đổ để đảm bảo an toàn cho tính mạng và tài sản của con người Đây là bướcchuyển biến quan trọng, bởi lúc này công trình được cho phép có hư hại Sự hư hại củacông trình được kể đến thông qua việc cho phép xuất hiện các vết nứt khi phân tích kếtcấu Tuy nhiên, các công trình này vẫn chưa hoàn toàn bị phá hoại, việc đánh sập vàxây mới công trình sẽ rất tốn kém Để đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường củacông 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 cáchình khác nhau như các tác động cơ học, lý học, hóa học và những hư hỏng, sự cố donhững sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công Những tác động này dẫnđến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng công trình hoặc mất antoàn về phương diện chịu tải Với những tác động đặc biệt như động đất, cháy nổ… cóthể gây ra những sự cố nghiêm trọng, có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần (Hình0.2) hoặc toàn bộ công trình Để cải thiện về mặt chịu tải trọng cũng như công năngnhằm đảm bảo an toàn, tăng tuổi thọ hoặc tăng hiệu quả sử dụng của công trình cầnphải 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 khánguốn của kết cấu bằng cách dán bản thép Trong vòng 20 năm gần đây, việc sử dụng vậtliệu gia cường cốt sợi tổng hợp (tấm composite) từ sợi các-bon CFRP đã thay thế dầncác bản thép Vật liệu cốt sợi tổng hợp này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loạicường độ cao (chiếm khoảng 70% thể tích) kết hợp với keo epoxi Các nghiên cứu lýthuyết và thực nghiệm trước đây về giải pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu vớicác 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 đượcgia cường bởi tấm CFRP

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

Tuy nhiên chưa có nhiều đánh giá về hiệu quả của việc gia cường tấm CFRPcho 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 cáccông 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

+ 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 lựccủa nhà cao tầng Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đóviệc 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 thườnggặp 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 tầngxuất 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 nhanhchóng, dân số trong đô thị tập trung với mức độ cao, đất đai xây dựng ngày một khanhiếm đã thôi thúc khát vọng vươn lên bầu trời cao của con người Chiều cao của cácngôi nhà vì thế đã không ngừng gia tăng Mặt khác, công cụ giao thông theo hướngthẳng đứng cũng như công nghiệp sản xuất sắt thép, xi măng phát triển đột biến đã tạotiền đề vật chất cho quá trình đó

Theo tư liệu nước ngoài, người ta đã ghi nhận ngôi nhà đầu tiên sử dụng thangmáy 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 tầngđược đánh dấu là vào năm 1883 - 1885, khi nhà cao tầng Home Insurance Building 11tầng, cao 55 m được xây dựng ở Chicago sử dụng khung thép là chủ yếu, một bộ phậnnhà dùng tường ngoài tự chịu lực bằng gạch đá và dầm thép Năm 1891 - 1895 ởChicago, người ta đã khánh thành Masonis Temple 20 trầng cao 92m Đây là một ngôinhà cao tầng đầu tiên toàn bộ dùng kết cấu khung thép tạo thành Năm 1903, ởCincinnati đã xây dựng nhà cao tầng Ingall 16 tầng Đây là một ngôi nhà cao tầng đầutiên làm bằng hệ khung bê tông cốt thép

Do nghiên cứu đặt thêm các thanh chéo, độ cứng và cường độ của nhà đượctăng cường nên chiều cao của ngôi nhà có thể nâng thêm rõ rệt Năm 1905 - 1909 tạiNew York hoàn thành ngôi nhà cao 50 tầng, chiều cao 213 tầng Đó là ngôi nhàMetropolitan Life Building Năm 1913 tại New York còn mọc lên ngôi nhàWoolworthy Building 57 tầng cao 242m, trong nhà có 26 bộ thang máy, diện tích chứađược trên một vạn nhân viên làm việc Năm 1931, cũng ở New York, ngôi nhà EmpireState 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 bằng417m, 415m và 443m cho tới gần đây vẫn là 3 ngôi nhà cao tầng cao nhất thế giới (tiếcrằng World Trade Center đã bị trùm khủng bố Billaden tổ chức đánh bom phá sập vànay đang được tái thiết).

Căn cứ vào tư liệu của Hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng lần thứ 4 họp ở HồngKông 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 đanăng, 3 khách sạn, 78 ngôi nhà phân bố tại Hoa Kỳ, đặc biệt tập trung tại các đô thị lớnnhư 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 vănphongdf 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 FirstCanadian 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, cao260m, 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 TạiParis, khu vực Defense năm 1965 mọc lên nhiều nhà làm việc cao từ 30 -50tầng và hàngchục 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 khánhthành trường đại học Lomonosov có nhà chính 36 tầng, cao 239,5m trong đó có 22.000căn phòng Năm 1961, ở Moscow xây dựng khách sạn Ucraina 34 tầng, cao 198m vànhiều nhà cao tầng khác Năm 1955 tại Varsava khánh thành cung văn hoá khoa học (Ipalac 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 dụngmột 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 xâydựng 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, cao220m, ở Ai Cập và các nước Bắc Phi, ven Địa Trung Hải, cũng xây dựng rất nhiều nhàkhách sạn cao tầng Austraylia cũng đã xây dựng nhiều nhà cao tầng thương mại và vănphòng làm việc Ví dụ: ở Sydney có trung tâm MLC 70 tầng cao 240m Ở Melbourg cóngôi 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 mộtthời gian dài quy định nhà cao tầng không vượt quá 31m Sau khi đã tiến hành nghiêncứu sâu sắc về các biện pháp khoa học phòng chống gió bão và động đất, đi đến loạitrừ 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 đếnngôi 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 phátđạt nên nhà cao tầng xây dựng rất tập trung; nổi bật là ngôi nhà Overseas Union Bank 63tầng cao 280m; Singapore Treasurry 52 tầng cao 235m; Roffles City Hotel 70tầng cao226m Malaysia có ngôi nhà TAR (Tun Abdul Razak Building) 61 tầng cao 232m vàtháp đôi Petronas cao 251,9m - một thời nổi tiếng là cao nhất thế giới - cắt băng khánhthành tháng 8/1999

Sau chiến tranh Tiều Tiên, cả hai miền Bắc và Nam (Hàn Quốc) trong cuộc táithiết quy mô lớn, nhà cao tầng cũng có điều kiện phát triển mạnh Tại Bình Nhưỡng trênđống 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 nhàcao 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 phồnvinh, nhà cao tầng mọc lên như nấm ở các thành phố Bắc Kinh, Thượng Hải, QuảngChâu, 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 córất nhiều nhà siêu cao (>100m)

Tại Việt Nam từ trước những năm 1945 các công trình cao tầng ở Việt Nam chủyếu chỉ là các khu nhà tập thể cao từ 4 -5 tầng và tập trung chủ yếu ở một số thành phốnhư Hà Nội, Hải Phòng Khi Mỹ đưa quân vào miền Nam Việt Nam vào những năm 60của thế kỷ trước kéo theo nhiều thay đổi về mặt kinh tế xã hội cũng như hạ tầng kỹ thuậtcủa các đô thị đặc biệt là Sài Gòn Cũng chính tại đây vào thời gian này, các công trìnhcao 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 giannày được thiết kế có chiều cao khiêm tốn, cao nhất cũng chỉ khoảng 14 tầng nhưng đãđánh dấu sự xuất hiện của công trình cao tầng tại Việt Nam Năm 1987 khách sạn Hà Nộicao 11 tầng được xây dựng tại Hà Nội là công trinh cao tầng được xây dựng thí điểm ởmiền 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 triểnnhà 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 mộtcảnh quan mới, một không gian kiến trúc hiện đại, tạo ra biểu tượng cho nền văn minh vàtiến 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

- 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 dángkhóm 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…

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;

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 từchiếc áo dài Việt Nam có chức năng là một tổ hợp thương mại, văn phòng, khách sạn,nhà ở

Cao 262 m với 68 tầng nổi và 3 tầng hầm, diện tích sàn: 119.000m2 Vị trí tạiđường 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.

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 vàcho thuê văn phòng

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

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 cấuchịu 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 khônggian 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 kiệndạng 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 bảntrở lên

Nhóm 3 (kết cấu đặc biệt): Kết cấu có dầm truyền, kết cấu có các tầng cứng, kếtcấu 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 cụthể 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 vừachịu tải trọng ngang Hệ kết cấu khung được sử dụng hiệu quả cho các công trình có yêucầu không gian lớn, bố trí nội thất linh hoạt, phù hợp với nhiều loại công trình Yếu điểmcủa kết cấu khung là khả năng chịu cắt theo phương ngang kém Ngoài ra, hệ thống dầmcủa kết cấu khung trong nhà cao tầng thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến côngnăng sử dụng của công trình và tăng độ cao của ngôi nhà Chiều cao ngôi nhà thích hợpcho kết cấu khung thép là không quá 30 tầng, cho kết cấu khung bê tông cốt thép là khôngquá 20 tầng Trong các vùng có động đất mạnh cấp 8 hoặc hơn thì chiều cao ngôi nhàthích 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 giữachiều 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 củanhà 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 hệthống tường vừa làm nhiệm vụ chịu tải trọng đứng vừa là hệ thống chịu tải trọngngang đồng thời làm cả nhiệm vụ vách ngăn của các phòng Đây là loại kết cấu quenthuộc 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 thìcác tường này đó làm bằng bê tông cốt thép có khả năng chịu cắt và chịu uốn tốt hơnchính là vì lẽ đó nên chúng được gọi là vách cứng Các hệ kết cấu tường chịu lực trongnhà 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 hìnhchữ 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 kếtcấu 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 côngtrình có kết cấu khung bị hư hỏng nặng hoặc sụp đổ Tuy nhiên, hệ vách cứng có trọnglượng lớn, độ cứng kết cấu lớn nên tải trọng động đất tác động lên công trình có giá trịlớn Đây là đặc điểm bất lợi cho công trình thiết kế chịu động đất Ngoài ra, hệ thống váchcứng trong công trình là sự cản trở để tạo ra các không gian rộng Hệ kết cấu này thíchhợp 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 cóchức năng được quy định một cách chặt chẽ Các công trình có yêu cầu không gianrộng với việc bố trí mặt bằng đa dạng thì kết cấu gồm các tường phẳng chịu lực tỏ rakhông thích hợp Một giải pháp để giải quyết vấn đề này là người ta tạo các lõi cứnggồm các tường theo các phương pháp khác nhau được liên kết với nhau Lõi cứng vừađóng vai trò chịu tải trọng thẳng đứng vừa chịu tải trọng ngang Trong một ngôi nhà cóthể bố trí một hoặc nhiều lõi cứng phụ thuộc vào mặt bằng của nó Trường hợp trongnhà có một lõi cứng thì thường được bố trí ở trung tâm Các sàn của ngôi nhà được đỡbởi hệ thống dầm công xon vươn ra từ lõi cứng Trường hợp trong nhà có nhiều lõicứng thì chúng thường được đặt xa nhau và các sàn được tựa lên hệ thống dầm lớn liênkết các lõi cứng Các lõi cứng nên được bố trí trên mặt phẳng ngôi nhà theo cách saocho tâm độ cứng của chúng trùng với trọng tâm của ngôi nhà nhằm để tránh hiệntượng công trình bị xoắn khi dao động

Đây là hệ kết cấu được sử dụng khá phổ biến, có thể sử dụng cho những côngtrình có số tầng lên đến 60-70 tầng.Kết cấu dạng lõi là kết cấu không gian có thể chịuđược tải trọng đứng, lực cắt, mô men và xoắn theo hai phương Hạn chế của hệ kết cấunày chính là kích thước của lõi thường bị giới hạn, phụ thuộc kiến trúc do đó hiệu quảchịu lực ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như mộtconsol 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 vớinhau nhờ hệ thống dầm ngang gọi là kết cấu ống Kết cấu ống do F Khan đề xuất vàonhững năm 60 của thế kỷ XX và ngay sau đó được ứng dụng cho một số công trình caotầng ở Hoa Kỳ Cho đến này kết cấu này đã trở thành phổ biến trên thế giới Kết cấu ốnglàm bằng thép thích hợp cho các công trình cao đến 60 tầng Khi các cột đặt cách thưanhau thì kết cấu làm việc theo sơ đồ khung, còn khi các cột đặt kề nhau và hệ dầm có độcứng 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 choloại công trình có chiều cao trên 25 tầng, các công trình có chiều cao nhỏ hơn 25 tầngloại kết cấu này ít được sử dụng Hệ kết cấu hình ống có thể sử dụng cho loại côngtrình có chiều cao tới 70 tầng.

Kết cấu ống được sử dụng chủ yếu cho các công trình siêu cao tầng như tòa nhànhư Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m, Willis Tower (Chicago) 108 tầng cao442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m Ban đầu hệ kết cấu ốngđược cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau Sau đó hệ kết cấu này đượcphát triển với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoàicông trình Hệ kết cấu ống kết hợp giằng chép phát huy tối đa khoảng cách cột biênxung 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 cấunày các cột và dầm làm việc như các phần tử chịu uốn còn các thanh giằng chịu lựctheo phương dọc trục Thành phần tải trọng ngang được truyền chủ yếu vào các thanhgiằng 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 hệthống 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 trêncủa hệ thống giằng chéo chỉ thể hiện một cách rõ nét khi chúng được bố trí liên tụctrên suốt chiều cao của công trình Nhược điểm của hệ kết cấu khung - giằng là sự cảntrở 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 caotầng Loại kết cấu này sử dụng hiệu quả cho các ngôi nhà đến 40 tầng Nếu công trìnhđược thiết kế cho vùng có động đất cấp 8 thì chiều cao tối đa cho loại kết cấu này là 30tầng, 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 tươngtác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn (củavách) 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 tạonên 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

b Kết cấu có các tầng cứng

Trong kết cấu ống-lõi, mặc dầu cả ống và lõi đều được xem như các công xonngàm vào đất để cùng chịu tải trọng ngang, song do các dầm sàn có độ cứng bé trong khikhoảng cách từ lõi cứng đến ống ngoài thường lớn nên thực chất các tải trọng ngang phầnlớn do lõi cứng gánh chịu Hiện tượng này làm cho kết cấu ống ngoài làm việc không hiệuquả Vấn đề này được khắc phục nếu như tại một số tầng ta tạo ra các dầm ngang hoặcgiàn có độ cứng lớn nối lõi cứng với ống ngoài Dưới tác dụng của tại trọng ngang lõicứng bị uốn làm cho các dầm này bị chuyển vị theo phương thẳng đứng và tác dụng lêncác cột có độ cứng chống uốn nhỏ, song độ cứng dọc trục lớn nên đã cản trở sự chuyển vịcủa 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 nênngười ta thường gọi đây là các tầng cứng Số tầng cứng trong nhà cao tầng thường là 1, 2hoặc 3 tầng Trường hợp bố trí một tầng cứng thì nó được đặt tại cao độ sát mái, trườnghợp bố trí 2 tầng cứng thì ngoài tầng cứng sát mái còn bố trí thêm một tầng ở cao độ giữacông trình, còn trường hợp bố trí 3 tầng cứng thì 1 tầng được bố trí sát mái, 2 tầng còn lạiđược 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 chuyểnhóa lực cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tảitrọng ngang, thông qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị trí hợp lý theo chiềucao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình Hệ kết cấu tầng cứng còn có ưuđiểm là hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài vàlõi do lực dọc gây ra Hiện nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều Với ưu thế về khảnăng làm việc, hệ kết cấu lõi - tầng cứng công trình có thể đạt tới 150 tầng

c Kết cấu có hệ khung ghép

Trong các hệ kết cấu nhà cao tầng hiện đại có một dạng đặc biệt gọi là kết cấu

có khung ghép Điểm khác nhau giữa khung ghép so với hệ khung bình thường ở chỗ:

- Khung bình thường do các dầm và cột các tầng tạo thành, các dầm và cột đềuđồng thời chịu tác động của tải trọng đứng và tải trọng ngang Nói chung tình trạng chịulực của các cấu kiện gần như nhau, vật liệu do vậy cũng gần như đồng đều cho các cấukiện

- 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 chịulực chính của công trình Khung tầng trong trường hợp này được xem là hệ kết cấu thứcấp chủ yếu là để truyền các tải trọng đứng lên hệ khung ghép Trong một số trường hợptại một số tầng trên có thể bỏ các khung tầng để tạo các không gian lớn Do các dầm củakhung ghép có tiết diện lớn nên thường chúng chỉ được bố trí tại các tầng kỹ thuật củangôi nhà Các cấu tạo nói chung phù hợp với các ngôi nhà siêu cao tầng có yêu cầu bố trímột 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 thicông 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 nhàcao tầng sử dụng loại vật liệu này Ngày nay, những ưu thế về tính kinh tế, độ cứng, tínhcản lớn của bê tông kết hợp với tính nhẹ, dễ xây dựng của thép đã mở ra thời kỳ mới choviệc 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:

+ 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;

+ 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 đếnhiện tượng các công trình bị ăn mòn gây ra những hư hỏng trước thời hạn như thiết kếban 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 cảitạo, nâng cấp công trình cũ nhằm bảo đảm an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng ngàycàng trở nên cấp thiết Ngoài ra, một số công trình do nhu cầu thay đổi về sử dụng nhưcải 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 cácphương 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 suygiảm độ cứng là một hiện tượng phổ biến ở kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên, sự suygiảm 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 chịutải trọng dọc trục (cột, vách) mức độ suy giảm độ cứng còn tuỳ thuộc vào tỉ số nén củacác cấu kiện đó Tỉ số nén của cấu kiện được xác định như sau:

22



ổn định, tức là mức độ suy giảm độ cứng giảm đi.

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 giacường kết cấu sẽ được tiến hành trong cả trường hợp những công trình do nhu cầu thayđổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng hay nhữngcông trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, nâng thêmtầng…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 toántương ứng.

Như vậy, việc gia cố, sửa chữa và cải tạo là đề cập đến những công trình có nhucầu cải thiện về mặt chịu tải trọng cũng như công năng nhằm đảm bảo an toàn, tăngtuổi 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 phảiqua các khâu khảo sát và thiết kế, sau đó mới có thể tiến hành thi công Tuy nhiêncông 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 tínhđúng 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 cáchình 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 nàydẫn đến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng công trình hoặc mất antoàn về phương diện chịu tải Với những tác động đặc biệt như động đất, cháy nổ cóthể gây ra những sự cố nghiêm trọng, có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần hoặctoàn bộ công trình Để cải thiện về mặt chịu tải trọng cũng như công năng nhằm đảmbảo an toàn, tăng tuổi thọ hoặc tăng hiệu quả sử dụng của công trình cần phải giacường, sửa chữa các bộ phận kết cấu công trình đó

Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu cột công trình BTCT đượcứng 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 cườngtiết diện là phương pháp thông dụng nhất để gia cường cột Phụ thuộc vào tình trạng chịulực, 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 nénlệch tâm có thể tăng cường đối xứng hoặc tăng cường phía lệch tâm

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