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

MỤC LỤC MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 1. Sự cần thiết nghiên cứu ......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................1 5. Bố cục luận văn...................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP, QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT ................................................. 3 1.1. BÊ TÔNG CỐT THÉP .............................................................................................3 1.1.2. Vật liệu cấu thành bê tông ............................................................................4 1.3. Tính chất của bê tông .......................................................................................5 1.2. QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT ....................................6 1.2.1. Các quá trình xuống cấp ...............................................................................6 1.2.2. Ăn mòn sun phát ...........................................................................................6 1.2.3. Phản ứng kiềm – silica ..................................................................................7 1.2.4. Các dạng phá hoại khác ................................................................................7 1.3. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT ..................8 1.3.1. Bê tông bị rỗ .................................................................................................8 1.3.2. Bê tông bị rỗng .............................................................................................9 1.3.3. Bê tông bị nứt nẻ ...........................................................................................9 1.3.4. Bê tông bị vỡ...............................................................................................10 1.3.5. Bê tông quá khô ..........................................................................................10 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..........................................................................................12 CHƯƠNG 2. 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 cơ học của 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 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................................. 41 1.5. GIA CƯỜNG CỘT BẰNG TĂNG TIẾT DIỆN ....................................................45 3.1.1. Tính khả năng chịu lực của cột ...................................................................45 3.1.2. Tính chi phí thi công ...................................................................................47 3.2. GIA CƯỜNG CỘT BẰNG THÉP HÌNH ..............................................................49 3.2.1. Tính khả năng 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 CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG Học viên: Nguyễn Ngọc Hải Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD và CN Mã số: 8580201, Khóa: K34, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Cột bê tông cốt thép có thể bị xuống cấp và không còn đủ khả năng chịu lực trong quá trình sử dụng do nhiều nguyên nhân như do các sai sót trong quá trình xây dựng, thay đổi công năng sử dụng công trình, hư hỏng do tác động của môi trường hay do các sự cố, hỏa hoạn và động đất. Có nhiều phương pháp để gia cường các cột bê tông cốt thép này. Luận văn đã phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của 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 tấm sợi tổng hợp FRP. Ba phương pháp này được ứng dụng vào gia cường một công trình cụ thể bằng bê tông cốt thép; từ đó hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa 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 nhau 29 2.2. Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau 29 2.3. So sánh đặc trưng 3 loại sợi 30 2.4. Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền 31 2.5. Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP 32 2.6. Hệ số giãn nở nhiệt theo các phương của 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 bằng tăng tiết diện 47 3.3. Bảng dự toán gia cường cột bằng tăng tiết diện 48 3.4. Tổng hợp kinh phí Gia cường cột bằng thép hình 51 3.5. Dự toán gia cường cột bằng thép hình 52 3.6. Tổng hợp kinh phí gia cường cột bằng tấm 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 5 1.2. Quá trình xuống cấp của bê tông và ăn mòn cốt thép 6 1.3. Ăn mòn bê tông cốt thép 7 1.4. Rỗ tổ ong 8 1.5. Nứt bê tông do co ngót 9 1.6. Bê tông bị phá hoại 12 2.1. Gia cường cột bằng tăng tiết diện 14 2.2. Tăng tiết diện cột 15 2.3. Tiết diện cột sau khi gia cường 16 2.4. Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bằng tăng tiết diện 16 2.5. Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm bé bằng tăng tiết diện 17 2.6. Gia cường cột bằng 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 bằng 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 hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit ở Mỹnăm 2004 27 2.12. Cấu trúc của vật liệu FRP cốt sợi 28 2.13. Ứng suất - biến dạng của các loại vật liệu FRP 32 2.14. Sửa chữa lớp bề mặt bêtông có chất lượng kém 35 2.15. Xử lý các vết nứt có chiều rộng > 0.30mm bằng 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 tấm sợi (trường hợp tăng cường cho cột) 37 2.20. Công tác dán tấm sợi carbon cho cột 38 2.21. Công tác hoàn thiện 38 3.1. Mặt đứng công trình hiện trạng 42 Số hiệu hình Tên hình Trang 3.2. Mặt đứng công trình sau khi nâng tầng 43 3.3. Sơ đồ không gian 44 3.4. Cột C2 trục B-11 (hiện trạng) 45 3.5. Tiết diện cột gia cường 45 3.6. Cột C2 tầng 1 (trục B-11) – sau khi gia cường 46 3.7. Tiết diện cột ban đầu 49 3.8. Chi tiết cột gia cường bằng thép hình 51 3.9. Tiết diện cột ban đầu 53 1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết nghiên cứu Kết cấu cột bê tông cốt thép trong những công trình đã sử dụng lâu năm bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng, khí hậu, hoá chất ăn mòn, sự cố… Hay những công trình bị hư hỏng do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng và những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… Những tác động này dẫn đến tình trạng kết cấu không còn đáp ứng được công năng sử dụng hoặc mất an toàn về phương diện chịu tải. Với những tác động đặc biệt có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng cho 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 công trình, cột bê tông cốt thép cần phải được gia cường. Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đã ứng dụng một số phương pháp gia cường cột bê tông cốt thép trong công trình dân dụng như: phương pháp tăng tiết diện, phương pháp ốp thép hình hay phương pháp dán tấm sợi tổng hợp Fiber Reinforced Polymer (FRP)… Mỗi phương án đều cho hiệu quả khác nhau và có ưu nhược điểm riêng. Việc áp dụng một phương án đạt hiệu quả nhất về kinh tế cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong công tác gia cường khả năng chịu lực của cột bê tông cốt thép luôn được chủ đầu tư và các nhà tư vấn thiết kế quan tâm. Vì vậy, đề tài “Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật các phương án gia cường cột bê tông cốt thép cho các công trình dân dụng” có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu quá trình xuống cấp và hư hỏng của kết cấu bê tông cốt thép. - Nghiên cứu các phương án gia cường cột bê tông cốt thép. - So sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa các phương án gia cường cột bê tông cốt thép. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các phương án gia cường cột bê tông cốt thép. - Phạm vi nghiên cứu: Cột bê tông cốt thép trong các công trình dân dụng. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán các phương án gia cường dựa trên các tiêu chuẩn và các hướng dẫn thiết kế. - Tổng hợp, phân tích để đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa các phương án 2 gia cường. 5. Bố cục luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP, QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BTCT CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP, QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA BTCT 1.1. BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1.1. Đặc điểm Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại vật liệu là bê tông và thép cùng cộng tác chịu lực. Bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện nay, là loại vật liệu khá thông dụng và phổ biến. Sản phẩm của nó là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện làm các kết cấu chịu lực của các công trình. Bê tông có khả năng chịu nén khá nhưng khả năng chịu kéo lại rất kém. Thép là vật liệu chịu nén hoặc chịu kéo đều tốt. Đặt cốt thép vào bê tông để tăng khả năng chịu lực cho kết cấu, đó chính là bê tông cốt thép. Sự kết hợp này đem lại nhiều ưu điểm nổi bật cho bê tông cốt thép. Về cơ bản trong cấu kiện bê tông cốt thép thì cốt thép sẽ chịu ứng suất kéo còn bê tông chịu ứng suất nén. Vì cốt thép chịu nén và kéo đều tốt, còn nhược điểm của bê tông là: chỉ chịu nén tốt, còn chịu kéo thì kém. Trong dầm bê tông cốt thép, thép dọc được đặt vào vùng kéo do uốn, thép xiên ở vùng chịu ứng suất kéo chính. Ngoài ra, thép dọc cũng được đặt vào vùng nén để giảm kích thước tiết diện. Bê tông và cốt thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do: Bê tông và cốt thép dính chặt với nhau nên có thể truyền lực qua lại. Lực dính có tầm quan trọng hàng đầu. Nhờ có lực dính mà cường độ của thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt (của bê tông) trong vùng kéo mới bị hạn chế …Vì vậy, người ta tìm mọi cách để tăng cường lực dính giữa bê tông và cốt thép. Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học. Bê tông bao bọc cốt thép, bảo vệ, chống lại sự xâm thực của môi trường. Vì vậy, khi thi công kết cấu bê tông cốt thép phải rất thận trọng khi dùng các phụ gia (hoá dẻo hoặc đông cứng), phải đầm kỹ bê tông để đạt tới độ sít chặt cần thiết. Cốt thép và bê tông có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nhau (của bê tông = 0,00001 :- 0,000015), của thép = 0,000012). Do đó khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường (dưới) trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không phá hoại lực dính giữa chúng. Bê tông có đặc tính chịu kéo kém, khi có cốt thép nhược điểm này sẽ được khắc phục do thép là vật liệu chịu kéo khá tốt. Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi sự xâm thực của môi trường. Bê tông giữ cốt thép 4 khỏi bị ăn mòn. Do đó lượng xi măng tối thiểu phải là và chiều dày lớp bảo vệ phải được chọn tuỳ theo loại cấu kiện và môi trường làm việc của nó. Ưu, nhược điểm Ưu điểm của việc sử dụng vật liệu xây dựng bê tông cốt thép là tạo cho kết cấu công trình nhà có độ cứng cao hơn nhiều so với sử dụng vật liệu thép, và điều này rất cần thiết trong xây dựng. Nhưng nhược điểm của vật liệu bê tông cốt thép là có cường độ chịu lực khá thấp và tính dẻo không cao... 1.1.2. Vật liệu cấu thành bê tông Bê tông là loại đá nhân tạo, được chế từ các loại vật liệu rời, chất kết dính và phụ gia (nếu có) + Cốt liệu rời (cát, đá dăm, sỏi ...) • Cát – cốt liệu bé: Có kích thước (1÷5) mm • Sỏi, đá dăm – cốt liệu lớp: Có kích thước (5÷40) mm + Chất kết dính: Chất kết dính thông thường là vữa xi măng. Vữa xi măng là hỗn hợp giữa xi măng và nước phản ứng với nhau tạo nên sản phẩm thủy hóa và các lỗ rỗng chứa nước. Sản phẩm thủy hóa chủ yếu là các gel canxi silicat thủy hóa vô định hình và canxi hydroxit. Rất nhiều các sản phẩm nhỏ khác cũng được hình thành, đáng kế như các pha của khoáng aluminat (Taylor 1997). Có rất nhiều loại xi măng, phổ biến là xi măng Portland thường (OPC) được sản xuất bởi đốt nóng các nguyên liệu thô chứa canxi và silica đến nhiệt độ cao và nghiền mịn clinker. Tro bay từ nhà máy điện và xỉ của cát nhà máy luyện thép cũng có tính chất tương tự xi măng và tro nhiên liệu nghiền (PFA) hay xỉ lò cao (GGBS) có thể dùng thay thế xi măng Portland trong bê tông. Điển hình như trong xi măng có chứa đến 35% PFA hay 70% GGBS. Các hạt silica siêu mịn và metakaolin là những vật liệu có tính chất xi măng khác cũng có thế được trộn với xi măng Portland với hàm lượng nhỏ hơn. Những hỗn hợp xi măng như vậy được dùng nhằm cải thiện tính chất của bê tông và đôi khi hạ giá thành sản xuất. + Phụ gia: Cải thiện một số tính chất của bê tông trong quá trình thi công cũng như trong quá trình sử dụng như lượng nước nhào trộn, độ ninh kết, lưu động, cường độ bê tông, chống ăn mòn, chống thấm ... Có thể ví dụ như các phụ gia siêu dẻo, các phụ gia chống thấm, các phụ gia cuốn khi và các chất làm chậm hay tăng tốc quá trình thủy hóa của xi măng. Phụ gia siêu dẻo cải thiện tính công tác của bê tông, vì thế cho phép giảm lượng nước nhào trộn đến 20%. Phụ gia cuốn khí dùng để cải thiện khả năng chống sự xuống cấp của bê tông do quá trình đóng tan băng. Bê tông phải duy trì tính công tác trong khi đổ vào ván khuôn. Các phụ gia kiềm hãm quá trình thủy hóa có thế được dụng nhằm kéo dài thời gian ninh kết, trong khi các phụ gia đóng rắn nhanh có tác dụng rút ngắn thời gian ninh 5 kết, nhanh chóng đạt cường độ sau khi đổ bê tông. Nguyên lý cấu tạo bê tông: Là các cốt liệu lớn làm bộ xương, cốt liệu nhỏ lắp đầy khoảng trống, chất kết dịnh có tác dụng liên kết các cốt liệu lại với nhau tạo nên thể đặc chắc có khả năng chịu lực, chống lại biến dạng. Hình 1.1. Mặt cắt bê tông 1.3. Tính chất của bê tông - Bê tông là vật liệu có cường độ chịu nén cao, phát triển cường độ chịu nén rất nhanh. Chất lượng bê tông hợp lý có thể đạt cường độ lớn hơn 40 Mpa. Bê tông có khả năng chịu nén rất tốt. Nhưng có khả năng chịu kéo lại rất kém (kém từ 8-15 lần so với khả năng chịu nén). - Cốt thép được dùng trong bê tông nhằm tăng cường khả năng chịu kéo bê tông Bê tông có các lỗ rỗng và chúng ảnh hưởng rất quan trọng đến tính chất của bê tông. Canxi-silicat thủy hóa, sản phẩm chính của quá trình thủy hóa, có độ rỗng khoảng 28% (lỗ rỗng gel). Nước dư thừa sẽ chiếm chổ trong bê tông, dẫn đến sự hình thành các lỗ rỗng mao dẫn. Trong bê tông cũng có chứa không khí và các lỗ rỗng khác. Các lỗ rỗng mao dẫn có đường kính đến 1µm, trong khi các lỗ rỗng gel có đường kính vài nm. Những bọt túi cuốn khí điển hình có đường kính 0.1 mm và được phân bố khắp nơi trong vữa xi măng. Những khuyết tật khác cũng có thể tồn tại như các vết nứt bên trong, các lỗ rỗng bên dưới hạt cốt liệu, và rỗ “tổ ong” (Glass and Buenfeld, 2000a). Các chất dẫn điện thường xuất hiện bên trong các lỗ rỗng và các khuyết tật lớn hơn trong bê tông. Nó chứa các ion như Na+, K+, Ca2+, OH- và SO42-, cũng như oxy hòa tan. Điểm đáng chú ý của xi măng thủy hóa là các pha chứa nước nhanh chóng đặt được pH cao. Hơn nửa, vật liệu có phần lưu trữ kiềm dưới dạng các sản phẩm thủy hóa hòa tan chống lại sự giảm pH ở các giá trị trên 10. Dung dịch có tính kiềm trong các lỗ rỗng của bê tông tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành lớp thụ động trên bề mặt cốt thép. Lớp thụ động được hình thành từ các oxit không hòa tan, sản phẩm của các phản ứng nhiệt động học giữa thép, nước và oxy trong môi trường có pH cao. Màng thụ động đóng vai trò lớp rào cản, cản trở quá trình ăn mòn cốt thép. Sự xâm nhập của các chất độc hại có thể diển ra trong bê tông qua hệ thống lỗ rỗng, thường chủ yếu qua các 6 lỗ rỗng mao dẫn. Vết nứt sẽ phát triển ở những nơi bê tông chịu ứng suất kéo và cốt thép chịu tải trọng, do đó sẽ làm giảm chức bảo vệ của lớp bê tông bảo vệ. Cũng có rất nhiều nguyên nhân khác nhau gây co ngót của bê tông có thể gây ra các vết nứt trong bê tông. 1.2. QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT 1.2.1. Các quá trình xuống cấp Hình 1.2. Quá trình xuống cấp của bê tông và ăn mòn cốt thép Có rất nhiều quá trình làm giảm chất lượng của các công trình bê tông cốt thép, bao gồm quá trình xuống cấp của chính vật liệu bê tông và quá trình ăn mòn cốt thép. 1.2.2. Ăn mòn sun phát Ăn mòn sun phát do quá trình phản ứng hóa học giữa sun phát hòa tan và các thành phần trong xi măng. Các sản phẩm hình thành chiếm thể tích lớn hơn rất nhiều so với các chất mà chúng đã thay thế và làm cho vữa xi măng bị phá hoại; do đó gây ra giãn nở và phá hoại bê tông. Sự phá hoại do sun phát có thể bao gồm sự hình thành ettringite, quá trình ettringite muộn và sự hình thành thaumasite (Hobb,2001). Ettringite hay Canxi aluminum sun phát hydroxit thủy hóa (Ca3Al2(SO4)3(OH)12.26H2O) được hình thành từ phản ứng giữa ion sun phát và các pha aluminat trong xi măng. Nó được hình thành trong quá trình thủy hóa xi măng khi canxi sun phát được trộn vào trong bê tông để kiểm soát quá trình thủy hóa. Nó là chất có tính giãn nở nhưng chỉ có tác dụng phá hoại khi hình thành sau khi xi măng đã hóa cứng. Trường hợp phổ biến của quá trình ăn mòn sun phát là quá trình xâm thực sun phát từ môi trường bê ngoài và trong bê tông và tạo ra ettringite. Các góc cạnh đặc biệt 7 rất dễ bị ảnh hưởng và kết quả là bề mặt bê tông dễ bị phá vỡ Thaumasite hay Canxi silicat cacbon sun phát thủy hóa (Ca3Si(OH)6CO3SO4.12H2O) được hình thành do sun phát xâm nhập vào bê tông hay vữa. Nó thường bắt gặp ở môi trường ẩm và lạnh như các công trình ngầm và các điều kiện có sẵn sun phát, cacbonat và nước. Bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi thường bị ảnh hưởng của thaumasite, bởi chúng là nguồn cung cấp ion cacbonat. Thaumasite trương nở và tác động đến cả hồ xi măng và cốt liệu. Hình 1.3. Ăn mòn bê tông cốt thép 1.2.3. Phản ứng kiềm – silica Phản ứng kiềm - silica là phản ứng hóa học giữa các khoáng silic trong cốt liệu với kiềm trong bê tông. Phản ứng tạo ra gel trương nở khi xi măng hình thành cường độ, gây ứng suất bên trong dẫn đến giãn nở và nứt bê tông. Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và mức độ giản nở gồm hàm lượng kiềm, lượng cố liệu hoạt tính và kích thước hạt, độ ẩm của bê tông, sự chênh lệch độ ẩm, nhiệt độ và tính xuyên thấm của bê tông. Hàm lượng kiềm (đo bằng hàm lượng Natri và Kali trong dung dịch PH cao chứa trong lỗ rỗng bê tông) phụ thuộc vào loại xi măng. 1.2.4. Các dạng phá hoại khác Ngoài các phá hoại trên các dạng suy giảm chất lượng bê tông khác ít phổ biến như: Ảnh hưởng của các chất hóa học tác động đến bê tông, chúng phá hủy hồ xi măng, làm suy yếu bê tông. Trong nhiều trường hợp, khả năng của bê tông đối với các dạng phá hoại trên được xác định chủ yếu bởi khả năng chống xuyên thấm của các tác nhân gây hại. 8 Sự phá hoại của nước biển do phản ứng hóa học của sun phát trong nước biển cũng như quá trình tinh thể hóa các muối trong lỗ rỗng. Bởi vì quá trình kết tinh của muối xảy ra do sự bay hơi cửa nước, do đó những phần bê tông ở vùng mực nước thay đổi thì sự phát triển này diễn ra rất mạnh mẽ. Tác động chủ yếu của lửa là gây ra biên độ thay đổi nhiệt rất lớn trong bê tông. Sự khác nhau về sự giản nở nhiệt làm bong vỡ lớp phủ bề mặt và giảm cường độ. Ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ đến cường độ của bê tông là nhỏ. Sự mất độ ẩm khi nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự suy giảm cường độ và tính đàn hồi. 1.3. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU BTCT 1.3.1. Bê tông bị rỗ Hiện tượng này khá phổ biến trong quá đúc bê tông làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu và kết cấu dễ bị xâm thực từ môi trường ngoài gây nên hư hỏng và sập đổ công trình, có 3 loại rỗ như sau: - Rỗ mặt hay rỗ tổ ong, các lỗ rỗ này chỉ có độ sâu từ 1-2 cm, thành từng mảng trên mặt kết cấu; Hình 1.4. Rỗ tổ ong Rỗ sâu, với loại rỗ này người ta có thể dung thanh sắt bảy rời các viên cốt liệu không được vữa xi măng liên kết chặt, cho đến khi gặp lớp bê tông quánh chắc bê trong, thì đã hình thành một lỗ sâu trong bê tông để lộ cốt thép ra ngoài; Rỗ thấu suốt là lạo rỗ ăn thông qua hai mặt của kết cấu. Những nguyên nhân gây ra hiện tượng rỗ: - Bê tông bị phân tầng khi chiều cao rơi bê tông không đảm bảo yêu cầu; - Công tác thi công đầm không tốt; - Bê tông bị mất nước xi măng hoặc độ sụt không đạt yêu cầu; - Thành phần cấp phối không hợp lý; - Cự ly cốt thép không đúng quy định. 9 1.3.2. Bê tông bị rỗng Hiện tường bê tông trong kết cấu bị rỗng là vì vữa bê tông trong khi đổ bị ngăn chặn ở một đoạn nào đó và thường xuyên xuất hiện ở những vị trí sau: - Ở mặt dưới của dầm bê tông, cốt thép hầu như nằm lộ hẳn ra ngoài, hoàn toàn không có lớp bảo vệ, sở dĩ có hiện tường này vì khi đổ bê tông lượng cốt thép bố trí quá dày nên hỗn hợp bê tông không thể xuống đến dưới mà chỉ có vữa xi măng xuống, cốt liệu lớn đã bị cốt thép giữ lại; - Ở các góc nối giữa dầm với cột, nơi bê tông cột co ngót bị cản trở bởi bê tông dầm vẫn được chống đỡ căng bên dưới, cốt thép đầu cột tường bị trơ trụi ra, phần bê tông tựa của dầm lên cột hoàn toàn như không có; - Ở các nơi có bản thép chôn sẵn để hàn liên kết các kết cấu với nhau, khi đúc bê tông, vữa không chui xuống được dưới bản thép đó, nên hình thành khoản trống rỗng bên dưới. 1.3.3. Bê tông bị nứt nẻ Hiện tượng bê tông bị nứt là triệu chứng bê tông chịu ứng suất và biến dạng, có những ứng suất tự bản thân bê tông gây ra trước khi chịu tải do co ngót trương nở hoặc phản ứng phát nhiệt trong bê tông. a. Vết nứt do co ngót Loại vết nứt này thường được xuất hiện trong bề mặt của bê tông do quá trình co ngót không đều. Nguyên nhân là do hàm lượng xi măng quá nhiều trong hỗn hợp bê tông, do đặc điểm của dạng kết cấu, do cách bố trí cốt thép không phù hợp vv... Hình 1.5. Nứt bê tông do co ngót 10 b. Vết nứt nghiêng Vết nứt này thường xuất hiện ở bụng do ứng suất chủ quá lớn c. Vết nứt dọc Chúng xuất hiện ở chổ tiếp giáp đáy bản mặt cầu giáp với phần sườn dầm, được coi là nguy hiểm vì giảm năng lực chịu tải của kết cấu nhịp. Nguyên nhân chính là do sai sót trong công nghệ chế tạo kết cấu. d. Vết nứt ngang ở đoạn đầu dầm Xuất hiện do ứng suất cục bộ quá lớn ở bê dưới mấu neo cốt thép e. Vết nứt ở bên trên thớt gối Nguyên nhân là do cấu tạo cốt thép đặt ở đầu dầm không đủ và cấu tạo đầu dầm không hợp lý. Sự làm việc của thớt gối có ảnh hưởng đến loại vết nứt này. 1.3.4. Bê tông bị vỡ Bê tông bị vỡ thành từng mảng thường xảy ra ở các góc, mép cạnh kết cấu và cả trên mặt tấm bê tông. Nguyên nhân: - Sử dụng cốt liệu kém phẩm chất; - Sỏi đá chưa rửa sạch, còn lẫn nhiều đất bẩn. 1.3.5. Bê tông quá khô Do bê tông không được bảo dưỡng tốt, không được tưới nước thường xuyên, bị mất nước nhanh bê tông không đủ nước để thủy hóa xi măng dẫn đến cường độ của bê tông giảm đi rõ rệt. 1.3.6. Suy thoái của bê tông Bê tông là loại vật liệu dễ bị nứt, các vết nứt làm giảm độ cứng của tiết diện, làm môi trường vật liệu bị đứt đoạn và là triệu chứng của sự phân bố lại nội lực giữa bê tông và cốt thép Bê tông có độ rỗng xốp lớn có thể lên tới 40% thể tích; dù bê tông có chất lượng tốt thì thì dộ rỗng xốp xấp xỉ 10% thể tích của bê tông. Và các lỗ rỗng này sẽ thấm nước là nguyên nhân gây suy thoái chất lượng bê tông. Sự lão hóa của bê tông bắt đầu bởi các khe nứt trong quá trình thi công hoặc khai thác, các chất nguy hại cho bê tông và cốt thép sẽ xâm thực bê tông và cốt thép 1.3.7. Sự làm việc mỏi của BTCT thường Mỏi là một quá trình thay đổi lâu dài cấu trúc bên trong vật liệu, phụ thuộc vào tải trọng lặp. Trong bê tông, những thay đổi này liên quan mật thiết đến sự hình thành và phát triển các vết nứt nhỏ bên trong, và sự phá vỡ lực dính. Từ đó có thể dẫn đến những hư hỏng nhanh của bê tông, cốt thép và tiếp theo là hư hỏng kết cấu công trình. 11 a) Bê tông chịu lực mỏi Cơ học của sự nứt mõi bê trong bê tông hoặc vữa có thể chia thành ba giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất từ những vùng bị yếu bên trong bê tông hoặc vữa và được coi là sự mở đầu cho các vết nứt. Giai đoạn thứ hai là sự hình thành chậm các vết nứt với kích thước nói chung nhỏ. Còn giai đoạn thứ ba diễn ra khi có sự hình thành đủ các vết nứt gây mất ổn định hoặc kích thước các vết nứt tăng lên làm thu hẹp diện tích mặt cắt của kết cấu, nên kết cấu không còn đủ khả năng chịu tải như khi tính toán dẫn đến hư hỏng. Ở giai đoạn đầu, bê tông thường chịu nén có điều chỉnh lực hoặc chịu lực kéo mỏi có ứng suất tăng mạnh một thời gian ngắn, sau đó đều đặn tăng nhẹ trong giai đoạn hai và ở giai đoạn cuối thì ứng suất tăng trở lại một cách đáng kể trước khi mẫu bị phá hoại. Modun đàn hồi của bê tông giảm đáng kể trong suốt thời gian thí nghiệm do sự hình thành vết nứt rất nhỏ. Dưới lực nén dọc trục, có sự rạn nứt nhỏ trong giai đoạn cuối này. Các vết nứt xuất hiện thêm và nối lại, song song với hướng lực tác dụng trên bề mặt của mẫu dẫn đến hư hỏng tiếp theo. Bê tông chịu ứng suất đổi chiều bị hư hỏng nhanh hơn, có thể giải thích do sự tương tác giữa các vết nứt nhỏ có hướng khác nhau do lực nén và lực kéo gây ra. b) Cốt thép chịu lực mỏi Tuổi thọ mỏi của cốt thép có thể được chia thành pha rạn nứt đầu tiên, pha lan truyền vết nứt một cách đều đặn và pha gãy dòn của tiết diện còn lại. Vết nứt ban đầu ở thanh thép có gờ thường bắt đầu ở góc các gờ nơi mà có ứng suất tập trung. c) BTCT thường chịu lực mỏi - Mỏi do uốn: Lực mỏi gây ra phá hoại dần lực dính giữa bê tông và cốt thép. Bề rộng vết nứt sẽ lớn hơn và phần bê tông chịu kéo sẽ nhỏ hơn, kết quả là độ võng lớn hơn. Sự hư hỏng thường xảy ra do cốt thép chịu kéo hư hỏng mỏi. Một dạng hư hỏng cơ học khác là do bê tông vùng nén bị ép vỡ; - Mỏi do cắt: Dầm không có cốt thép chịu cắt phát triển vết nứt sau vài chu kỳ đầu tiên, biến dạng chỉ tăng ít. Vết nứt cắt tới hạn xuất hiện xuyên qua các vết nứt uốn. Chiều rộng của vết nứt này không theo sự thay đổi ứng suất nào và kết quả là dầm bị hư do mỏi của các thanh nén chống. Các dầm có cốt thép chịu cắt xuất hiện hư hỏng mỏi của cốt đai hoặc phá vỡ bê tông xung quanh. 1.3.8. Bê tông bị phá hoại 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 12 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 Hình 1.6. Bê tông bị phá hoại 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương I trình bày tổng quan về bê tông cốt thép, quá trình xuống cấp và nguyên nhân hư hỏng của bê tông cốt thép. Trong chương tiếp theo sẽ trình bày về các phương án gia cường cột bê tông cốt thép. 13 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CƯỜNG CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP Cấu kiện cột bê tông cốt thép được đánh giá là nguy hiểm khi có một trong những hiện tượng sau: + Cột chịu lực có vết nứt thẳng đứng, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, cốt thép chịu lực lộ ra do bị ăn mòn, hoặc một bên có vết nứt ngang với bề rộng lớn hơn 1 mm, một bên bê tông bị nén vỡ, cốt thép chịu lực lộ ra do bị ăn mòn; + Cột bị nghiêng, chuyển vị ngang và độ nghiêng vượt quá 1% độ cao, chuyển vị ngang vượt quá h/500; (h – chiều cao tính toán của cột) + Bê tông cột bị mủn, bị carbonat hoá, phồng rộp, diện tích hư hỏng lớn hơn 1/3 toàn mặt cắt, cốt thép chịu lực lộ ra, bị ăn mòn nghiêm trọng; + Cột biến dạng theo phương ngang lớn hơn h/250, hoặc lớn hơn 30 mm; Kết cấu bê tông cốt thép cần được gia cường trong các trường hợp: + Khi tình trạng hư hỏng của kết cấu đã đến mức không thể áp dụng các biện pháp sửa chữa để phục hồi khả năng chịu tải; + Khi có sự thay đổi về công năng sử dụng, 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. Thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép phải dựa trên các nguyên tắc: + Phù hợp với yêu cầu sử dụng công trình, kết cấu sau gia cường không gây cản trở đến hoạt động khai thác công trình; + Đảm bảo khả năng chịu tải trọng tác động. + Yêu cầu kết cấu đơn giản, đạt hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật; + Dễ thi công, phù hợp với điều kiện vật liệu, phương tiện và trình độ thi công. 2.1. GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG TIẾT DIỆN 2.1.1. Phần cấu tạo Cột bê tông cốt thép có thể gia cường bằng một lớp vỏ áo cũng bằng bê tông cốt thép (hình 2.1) với những cốt dọc và cốt đai đặt theo tính toán. Chiều dày lớp vỏ áo phải lớn hơn 5cm nếu đúc bê tông có cốt pha và phải lớn hơn 3cm nếu áp dụng biện pháp phun bê tông. Trước khi đổ bê tông phải đập vỡ các cạnh góc cột và gia công mặt bê tông cũ. Trong trường hợp làm vỏ áo chung quanh cột gặp khó khăn, ví dụ như cột ở gần mạch lún, mạch nhiệt, hoặc cột ở sát tường thì gia cường cột bằng cách tăng tiết diện cột một phía hoặc hai phía.