Nếu chấp nhận đoạn thanh cánh thƣợng ngoài cùng không làm việc nữa, có nghĩa là sơ đồ chịu lực của giàn đã thay đổi nhƣ ở Hình 1.30. Để bổ sung đƣợc thanh xiên tựa mới phải làm nhƣ sau: (1) Luồn vào khe hở giữa hai thép góc của thanh xiên cũ một bản mã mới, rồi hàn bản mã đó vào bản mã cũ rồi hàn với các thanh giàn; (2) Tiếp theo cắt đứt hai thép góc cũ tại chỗ bản mã mới để tạo chỗ ghép thanh xiên tựa mới. Khi cắt thép góc không đƣợc làm nóng các thanh thành phần lân cận quá 300o
C và không đƣợc làm hƣ hỏng bản mã mới này; (3) Cố định các thanh xiên mới bằng hàn liên kết chúng các bản mã tăng cƣờng.
Để các thanh xiên mới bắt vào làm việc cùng với giàn thép cũ thì cần tháo dỡ tạm thời tấm mái bên trên giàn tại vị trí đầu giàn, lớp mái này đang chịu lực nén thay cho đoạn cánh thƣợng ngoài cùng.
1.4. Nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.4.1. Trong nƣớc
Thực tế, cũng có khá nhiều công trình cần phải gia cƣờng nhƣng mới ở mức độ sửa chữa nhỏ, mang tính bảo trì kết cấu nhƣ (sơn bảo vệ sau thời gian sử dụng) hoặc tiến hành gia cƣờng ở mức độ đơn giản để treo một số thiết bị điện, nƣớc v.v... Tài liệu về gia cƣờng kết cấu thép còn hạn chế, cũng chƣa có một tài liệu thống kê đầy đủ về công tác gia cƣờng kết cấu thép nói chung và kết cấu giàn thép nói riêng, tiêu chuẩn thiết kế và thi công nghiệm thu công tác gia cƣờng kết cấu thép chƣa có. Ngoài ra, một
số cá nhân, đơn vị trong nƣớc quan tâm đến vấn đề sự cố, hƣ hỏng và gia cƣờng kết cấu thép nhƣ:
Nguyễn Đăng Sơn (2008), đã cho xuất bản tài liệu “Sổ tay xử lý sự cố công trình xây dựng”, tài liệu là bản dịch nguyên bản của các tác giả Trung Quốc, gồm 3 tập với 12 chƣơng, ở Chƣơng 8 đề cập đến vấn đề Xử lý sự cố công trình kết cấu thép [1].
Lê Văn Kiểm (2009), đã cho xuất bản tài liệu “Hƣ hỏng, sửa chữa, gia cƣờng kết cấu thép và gạch đá”, tài liệu có Phần 1 gồm 8 chƣơng đề cập đến loại kết cấu thép [7]. Viện Khoa học Công nghệ xây dựng phối hợp với Cục giám định chất lƣợng các công trình xây dựng – Bộ Xây dựng, cũng đã tổ chức nhiều hội thảo về sự cố và hƣ hỏng công trình xây dựng: lần thứ nhất, tháng 11/2001; lần thứ hai, tháng 12/2003; lần thứ ba, tháng 11/2005 [2, 3].
1.4.2. Ngoài nƣớc
Trung Quốc, các tác giả rất quan tâm đến sự cố kết cấu thép, có nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Thậm chí, đã ban hành quy phạm CECS 77: 96 “Chỉ dẫn kỹ thuật cho gia cƣờng kết cấu thép” [28].
Nga (Liên xô cũ), các tác giả Liên xô cũ cũng rất quan tâm đến gia cƣờng kết cấu thép, từ những năm 1975 tác giả Benxki đã xuất bản tài liệu “Gia cƣờng kết cấu thép dƣới tác dụng của tải trọng” [22], năm 1987 các tác giả Van, Goroxop cùng các đồng nghiệp đã xuất bản tài liệu “Gia cƣờng khung một tầng” [24], năm 1988 tác giả Pebrop đã xuất bản tài liệu “Gia cƣờng kết cấu thép” [23]. Ngoài ra, trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép CHиП 2-23-81* (phiên bản cập nhật 2011) [27] cũng đã đề cập đến gia cƣờng kết cấu thép ở mục 18.3 hoặc giáo trình “Kết cấu thép” đào tạo bậc đại học cho sinh viên chuyên ngành xây dựng cũng đã dành Chƣơng 16 về gia cƣờng kết cấu thép [25].
Hoa Kỳ, Hiệp hội về Hàn – Hoa Kỳ gần đầy cũng đã xuất bản tài liệu chỉ dẫn gia cƣờng và sửa chữa kết cấu [18], nhƣng tài liệu này tập trung chủ yếu vào đối tƣợng là kết cấu cầu giàn thép, còn kết cấu giàn trong các công trình xây dựng dân dụng thì không thấy.
Thụy Điển, cũng có tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật và quản lý chất lƣợng công tác gia cƣờng và sửa chữa kết cấu cầu thép [14].
Ngoài ra, hãng vật liệu nổi tiếng mà thị trƣờng ở Việt Nam cũng khá quen thuộc, hãng SIKA, hoặc một số tác giả khác cũng nghiên cứu sử dụng vật liệu FRP (Fiber
Reinforced Polymer) để gia cƣờng kết cấu thép, nhƣng cũng chủ yếu cho kết cấu cầu thép hoặc cấu kiện chịu uốn. Theo đó, việc gia cƣờng kết cấu thép dùng vật liệu FRP dạng tấm, với dầm tiết diện chữ I bằng cách dán chúng vào cánh chịu kéo để chịu uốn hoặc ở bụng dầm để chịu cắt, đôi khi cũng dùng cho kết cấu cột nhƣng thƣờng là cột thép ống bằng việc cuốn bọc quanh tiết diện [15, 16, 19].
CHƢƠNG 2. GIA CƢỜNG KẾT CẤU GIÀN THÉP 2.1. Công việc và tài liệu phục vụ cho việc gia cƣờng kết cấu giàn 2.1. Công việc và tài liệu phục vụ cho việc gia cƣờng kết cấu giàn
2.1.1. Nghiên cứu, đánh giá chất lƣợng kết cấu giàn hiện có
Trong quá trình nghiên cứu để lựa chọn giải pháp gia cƣờng cho kết cấu giàn, ta cần tiến hành điều tra tình trạng sử dụng thực tế của giàn thép nhằm có cơ sở tiến hành tính toán kiểm tra khả năng chịu lực và đề ra các biện pháp gia cƣờng hợp lý. Đây là công tác khá phức tạp và tốn nhiều công sức [7, tr 19].
Công tác điều tra tình trạng sử dụng bao gồm các giai đoạn:
- Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật, bản vẽ thiết kế (nếu có), các tải trọng tác dụng lên giàn trong thực tế và phân tích chế độ sử dụng của kết cấu giàn.
- Nghiên cứu chất lƣợng vật liệu thép, chất lƣợng đƣờng hàn (bu lông, đinh tán) và mức độ gỉ sét v.v…
- Quan sát bên ngoài kết cấu giàn, hệ giằng và các kết cấu lân cận.
- Tính toán kiểm tra lại kết cấu để có kết luận sơ bộ về tình trạng kỹ thuật kết cấu giàn hiện có.
a) Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật:
Cần tiến hành nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật để phát hiện ra những đặc điểm của kết cấu giàn, giải pháp thiết kế, giải pháp cấu tạo các thanh và chi tiết liên kết, yêu cầu đối với sử dụng, tình trạng gia công chế tạo và lắp ghép giàn.
Cũng cần xác định xem lúc thiết kế ngƣời ta sử dụng quy trình, quy phạm nào; có gì khác với quy trình quy phạm hiện hành. Tiến hành nghiên cứu xem trong tính toán và trong cấu tạo có gì sai khác so với yêu cầu, lƣu ý ở các bộ phận và các nút liên kết các thanh giàn, để từ đó có thể phát hiện những sai sót trong thiết kế, chế tạo và lắp ghép giàn (nếu có).
b) Xác định tải trọng thực tế:
Tải trọng tác động lên giàn mái, trên thực tế có nhiều trƣờng hợp do tải trọng thực tế lớn hơn so với tải trọng thiết kế hoặc do thay đổi dây chuyền công nghệ cần treo lên kết cấu thép một số thiết bị khác tại những chỗ mà thiết kế không cho phép. Đa số các trƣờng hợp tăng tải trọng lên kết cấu giàn mái mà không đƣợc nghiên cứu tính toán trong giai đoạn thiết kế, và đây cũng chính là nguyên nhân gây ra sự thay đổi tải trọng lên kết cấu giàn mái giữa tải trọng thực tế và tải trọng tính toán.
Chẳng hạn, do yêu cầu sử dụng cần thiết treo thiết bị hoặc một ròng rọc để nâng vật nặng vào thanh cánh hoặc thanh xiên của giàn mái, làm các thành này có thể bị cong võng, méo bẹp v.v... Do vây, khi kiểm tra hiện trạng kết cấu giàn cũng cần phải quan sát tất cả các thanh, các cấu kiện bị cong vênh méo bẹp và phải tham vấn những ngƣời sử dụng công trình.
c) Kiểm tra chất lƣợng thép:
Nhiều khi cũng phải kiểm tra xem chất lƣợng thép sử dụng có xấu hơn/tốt hơn so với yêu cầu của thiết kế không, điều này cũng không khó khăn nếu ngƣời sử dụng còn lƣu lại mẫu thép, hoặc tham chiếu số liệu có trong hồ sơ trong giai đoạn nghiệm thu xây dựng. Các số liệu có thể có đƣợc khi kiểm tra chất lƣợng vật liệu thép gồm:
- Mác thép, phƣơng pháp đúc thép.
- Các tính chất cơ học nhƣ cƣờng độ chịu kéo, giới hạn chảy, độ dai khi chịu va chạm (nếu cần thiết).
- Thành phần hóa học, hàm lƣợng các-bon, măng-gan, silíc, lƣu huỳnh, phốt pho và những phụ gia của các thép hợp kim.
Các mẫu thí nghiệm cơ học phải có kích thƣớc lớn hơn 50mm x 20d, với d là chiều dày thép; kích thƣớc các thanh thép góc hoặc thép bản mã tính theo chiều dọc, các thép tấm tính theo chiều ngang.
d) Kiểm tra chất lƣợng đƣờng hàn:
Một căn cứ để lựa chọn giải pháp gia cƣờng chi tiết liên kết ở nút giàn, cần kiểm tra tiết diện đƣờng hàn. Chất lƣợng đƣờng hàn có thể xấu/tốt, tuân thủ/không tuân theo kỹ thuật hàn: loại que hàn, trình tự hàn, kích thƣớc đƣờng hàn, chất lƣợng đƣờng hàn v.v… ảnh hƣởng khá lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu giàn hiện có. Muốn quan sát tình trạng các đƣờng hàn thì phải đánh sạch đƣờng hàn bằng bàn chải sắt cho đến khi bóng sáng. Ngoài những khuyết tật trong đƣờng hàn nhƣ không đạt chất lƣợng nhƣ hàn không thấu chân, không thấu mép, hàn mòn mép, hàn rỗ v.v…. Ngoài ra, còn cần phải phát hiện những vết nứt xuất hiện do nội lực gây ra.
Có những vết nứt ngang và dọc so với hƣớng của lực; trong tiết diện đƣờng hàn còn có những vết nứt bên trong. Những vết nứt bên trong chỉ có thể phát hiện đƣợc bằng phƣơng pháp vật lý nhƣ chiếu tia gamma v.v…; còn những vết nứt bên ngoài có thể phát hiện bằng kính lúp có độ khuếch đại (4÷8) lần. Dấu hiệu giúp việc phát hiện
những vết nứt ở các đƣờng hàn là những chỗ bong vẩy sơn. Thông thƣờng thì những bộ phận chịu lực động, lực va chạm mới hay có những vết nứt ở đƣờng hàn.
Khi quan sát những kết cấu hàn nên tìm hiểu đặc tính và độ biến dạng do hàn, độ biến dạng này mà lớn có thể làm giảm khả năng chịu lực của từng bộ phận kết cấu. Những biến dạng do hàn có loại mang tính cục bộ, có loại mang tính toàn bộ.
Biến dạng toàn bộ do hàn là những biến dạng phát triển trong toàn thể kết cấu hoặc trong phần lớn kết cấu đó: nhƣ cong võng, co dọc hay co ngang xoắn, hiện tƣợng cụp cánh của thép góc, hoặc các thanh cánh của các tiết diện bị nghiêng lệch.
Biến dạng cục bộ do hàn là những biến dạng ở tại một hoặc vài chi tiết, hoặc tại một phần nào đó của kết cấu nhƣ: biến dạng phồng mặt của chi tiết thép tấm; cong vênh ở vùng có đƣờng hàn nối; mặt phẳng đầu mút kết cấu đƣợc cắt gọt phẳng sau khi hàn một vài chi tiết nhỏ vào đó thì mất tính phẳng; hiện tƣợng cụp của các chi tiết nhỏ khi hàn vào tiết diện lớn. Các biến dạng này có thể làm cho kết cấu mất ổn định khi chịu lực khi có sự gia tăng tải trọng.
e) Đánh giá mức độ rỉ sét:
Gỉ sét là hiện tƣợng ăn mòn kết cấu thép; khi gỉ sét đã thâm nhập sâu vào trong tiết diện các thanh thép hoặc chi tiết liên kết các thanh thì tiết diện các bộ phân của chúng sẽ giảm đi, dẫn đến sự làm việc của một số chi tiết yếu đi. Có loại xâm thực hóa học và loại xâm thực điện hóa. Xâm thực hóa học là khi môi trƣờng ngoài tác dụng lên kim loại mà không phát sinh ra dòng điện. Hiện tƣợng xâm thực này hiếm khi xảy ra, đó là trƣờng hợp các khí khô không ngƣng đọng ở trên mặt kim loại, mà chỉ tác dụng lên kim loại khi nhiệt độ cao và hình thành gỉ sét ở trên mặt kết cấu thép. Xâm thực điện hóa phổ biến hơn, là quá trình hóa học xảy ra trong các dung dịch điện phân, trong các khí ẩm, và phát sinh dòng điện.
Tại các nhà máy luyện kim đen, luyện kim màu, luyện cốc và một số nhà máy khác, không khí chứa nhiều chất hơi, chất khí, trong đó những loại khí xâm thực sắt thép mạnh nhƣ là lƣu huỳnh, khí sun-fua, khí clo v.v…
Xác định mức độ gỉ sét của thép bằng cách đánh sạch bóng mặt thép, rồi đo chiều dày thực tế chỗ thép bị ăn mòn, so với những chỗ không bị, bằng thƣớc đo chiều dày với độ chính xác tới 0,01mm.
g) Quan sát bên ngoài kết cấu giàn:
- So sánh hình thức bên ngoài của kết cấu với bản thiết kế, xem có những sai khác gì trong lúc chế tạo, gia công và lúc lắp ghép.
- Xác định những hƣ hỏng nếu có trong các mối nối hàn, bulông, đinh tán; đánh giá chất lƣợng gia công và lắp ghép dầm.
Các sai khác giữa bản vẽ thiết kế và thực tế chế tạo kết cấu giàn thƣờng bao gồm các hình thức sau:
(1) Đã bị thay thế một số chủng loại thanh thép hình, thép bản thiết kế bằng các loại thép khác có sẵn ở nơi gia công, và sự thay thế này có thể vi phạm những sai lầm về kích thƣớc.
(2) Sai khác về kích thƣớc các đƣờng hàn, cả đƣờng hàn trong quá trình gia công tại nhà máy và đƣờng hàn trong quá trình thi công ở hiện trƣờng. Tại các chi tiết liên kết ở mắt giàn rất hay sai khác về kích thƣớc khe hở giữa các điểm đỉnh của thanh giàn hoặc khoảng cách đầu mút thanh bụng đến mép thanh cánh. Các khe này phải lớn hơn (40-50)mm để tránh hiện tƣợng tập trung ứng suất do hai đƣờng hàn gần nhau.
(3) Các mối nối bulông và đinh tán không chính xác về đƣờng kính lỗ khoan và khoảng cách rìa mép, trong đó rìa mép là khoảng cách từ tâm bulông hay đinh tán đến đầu mút thanh, hay đến đầu mút gần nhất của tấm bản mắt. Nếu rìa mép nhỏ hơn hai lần đƣờng kính của thân bulông hay đinh tán theo hƣớng dọc lực tác dụng thì coi nhƣ nguy hiểm.
(4) Số lƣợng và chủng loại bulông thực tế khác so với số lƣợng và chủng loại bulông cần thiết tại các mối nối liên kết tại các chỗ cố định các thanh giằng và các bộ phận khác ngƣời ta thƣờng thay thế bu lông bằng các đƣờng hàn hoặc ngƣợc lại thay thế các đƣờng hàn bằng bu lông; ở đây hay xảy ra trƣờng hợp số lƣợng bu lông không đủ hoặc những sai khác đối với bản vẽ thiết kế. Trong các thanh giàn thép thƣờng có những chỗ suy yếu cục bộ (tập trung ứng suất) do những lỗ, rãnh thi công.
(5) Khi quan sát phần kết cấu còn lại, cần phải kiểm tra độ thẳng của các thanh giàn đứng, độ thẳng đứng của mặt phẳng giàn và giàn đỡ kèo (nếu có) cùng các kết cấu khác. Độ thẳng đứng có thể đo đƣợc bằng dây dọi hoặc bằng máy kinh vĩ. Độ căng của thanh kéo, của thanh căng xác định theo độ võng của chúng, hoặc thông qua độ chặt của bu lông và vòng đệm ở chỗ cố định các thanh căng này.
(6) Kiểm tra lại độ lún không đều của các cột và vị trí đỡ kết cấu giàn hoặc giàn đỡ kèo (nếu có). Các kết quả đo đạc cần ghi chi tiết trên bản vẽ hiện trạng kết cấu.
h) Tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu giàn:
Mục đích tính toán lại là nhằm xác định khả năng chịu lực và biến dạng của kết cấu giàn hiện có nhằm kiểm tra khả năng chịu lực và đề xuất giải pháp gia cƣờng kết cấu giàn, yêu cầu khi tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu giàn hiện có:
- Sơ đồ tính toán của kết cấu phải sát với sơ đồ làm việc thực tế của kết cấu giàn. - Các loại tải trọng tính toán không có hệ số phụ (nhƣ hệ số vƣợt tải, hệ số động học v.v…).
Sơ đồ tính toán kết cấu phải bao quát đầy đủ các điều kiện làm việc thực tế của giàn thép, nhƣ:
+ Liên kết thực tế của gối tựa giàn với kết cấu đỡ nhƣ thế nào;
+ Kết cấu có tính liên tục toàn phần hay liên tục một phần, các gối tựa lún đàn