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

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, bằng sự biết ơn và kính trọng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, các Phòng, Khoa thuộc Trường Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng và các Giáo sư, P. Giáo sư, Tiến sĩ đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo - TS. Nguyễn Quang Tùng người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã quan tâm sâu sắc, chia sẻ khó khăn và động viên để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh/chị học viên lớp Cao học Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp Khóa 35 đã nhiệt tình hỗ trợ và chân thành đóng góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn. Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn tốt nghiệp chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! Đà Nẵng, ngày tháng Học viên thực hiện Nguyễn Thị Thanh năm 2019 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................................4 3. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................. 4 4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................4 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................4 6. Bố cục đề tài ............................................................................................................5 CHƯƠNG 1. NHÀ CAO TẦNG - SỰ HƯ HỎNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CỐ/SỮA CHỮA ....................................................................................................6 1.1. Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam ............................................................... 6 1.2. Sơ lược hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng.....................................................11 1.2.1. Các dạng kết cấu cơ bản ..............................................................................13 1.2.2. Các dạng kết cấu hỗn hợp............................................................................16 1.2.3. Các dạng kết cấu đặc biệt ............................................................................18 1.3. Tổng quan về sự cần thiết phải gia cường kết cấu .............................................20 1.3.1. Gia cường do kết cấu xuất hiện các vết nứt ................................................21 1.3.2. Gia cường kết cấu do thay đổi tải trọng tác dụng........................................22 1.4. Các phương pháp gia cường cột BTCT .............................................................. 23 1.4.1. Gia cường cột BTCT bằng phương pháp tăng tiết diện .............................. 23 1.4.2. Gia cường cột BTCT bằng thép hình .......................................................... 24 1.4.3. Phương pháp gia cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp FRP ......................25 1.5. Kết luận chương .................................................................................................26 CHƯƠNG 2. GIA CƯỜNG CỘT BTCT BẰNG TẤM CFRP ................................ 27 2.1. Tính chất cơ lý của tấm FRP ..............................................................................27 2.1.1. Sơ lược về vật liệu FRP ...............................................................................27 2.1.2. Cấu trúc và các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP .....................................28 2.2. Các bước thi công gia cường cột BTCT bằng tấm CFRP ..................................40 2.2.1. Thi công dán theo phương pháp khô (dry lay-up) .......................................40 2.2.2. Thi công dán tấm FRP theo kiểu ướt (wet lay-up) ......................................41 2.3. Khả năng chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố bằng FRP ..................................42 2.3.1 Tính toán khả năng chịu nén của bê tông bị bó bằng FRP theo Saaman (1998)...42 2.3.2. Khả năng chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố bằng FRP chịu nén đúng tâm......43 2.3.3. Khả năng chịu lực cột bê tông cốt thép gia cố bằng FRP theo hướng dẫn ACI 440.2R-08 ..............................................................................................................43 2.4. Kết luận chương .................................................................................................57 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG CFRP VÀ ỨNG XỬ CỦA CỘT TRONG NHÀ CAO TẦNG BTCT CÓ GIA CƯỜNG CFRP ...........58 3.1. Thiết kế gia cường cột BTCT trong nhà cao tầng bằng tấm CFRP ...................58 3.1.1.Thông tin mô hình công trình .......................................................................58 3.1.2. Thiết kế gia cường cột bằng tấm CFRP ......................................................65 3.1.3. So sánh khả năng chịu lực của cột được gia cường và không gia cường ....77 3.2. Ứng xử cột BTCT được gia cường bằng tấm CFRP ..........................................82 3.2.1 Các trường hợp cột được mô phỏng ............................................................. 82 3.3.2. Đặc trưng hình học của cột và tấm CFRP và thông số tải trọng .................82 3.2.3. Xây dựng mô hình cho cấu kiện cột ............................................................ 83 3.2.4. Hệ đơn vị sử dụng .......................................................................................84 3.2.5. Mô hình vật liệu trong Abaqus ....................................................................84 3.2.6. Sự tương tác giữa tấm FRP và cột bê tông .................................................92 3.2.7. Điều kiện biên và cách áp dụng tải trọng ....................................................93 3.2.8. Trình tự thực hiện các bước mô phỏng trong Abaqus .................................94 3.3. Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 94 3.3.1. Các dạng phá hoại của cột ...........................................................................94 3.3.2. Phổ ứng suất - biến dạng trong bê tông của cột ..........................................96 3.3.3. Phổ ứng suất - biến dạng trong cốt thép cột ................................................98 3.3.4. Phổ ứng suất - biến dạng trong CFRP .......................................................100 3.3.5. Chuyển vị trong bê tông ............................................................................101 3.4. Kết luận chương ...............................................................................................103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................105 1. Kết luận................................................................................................................105 2. Kiến nghị .............................................................................................................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................107 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CỘT TRONG CÔNG TRÌNH CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM CFRP Học viên: Nguyễn Thị Thanh Chuyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng Mã số: 85.80.201. Khóa: K35 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Việc sử dụng tấm CFRP (Carbon fiber Reinforced Polymer) đã trở nên phổ biến trong gia cường các cấu kiện công trình cao tầng BTCT bị hư hại, đặc biệt là cấu kiện cột BTCT vì những ưu điểm của chúng mang lại. Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích hiệu quả của việc gia cường bằng tấm CFRP cho cấu kiện cột BTCT thông qua việc tính toán đánh giá khả năng chịu lực bằng phương pháp biểu đồ tương tác. Kết quả chỉ ra rằng, khả năng chịu lực dọc và mô men (nén - uốn) của cột được tăng lên đáng kể thông qua sự mở rộng phạm vi của biểu đồ tương tác. Phương pháp gia cường CFRP hiệu quả hơn đối với trường hợp nén thuần túy. Bên cạnh đó, luận văn đã thực hiện đánh giá ứng xử cơ học của cột BTCT với trường hợp không gia cường và gia cường CFRP thông qua kết quả mô phỏng bằng phần mềm Abaqus. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng tại cùng một mức tải trọng tác dụng, ứng suất, biến dạng và chuyển vị trong bê tông và cốt thép trong cấu kiện được gia cường là nhỏ hơn so với trường hợp không gia cường. Đồng thời cũng nhận thấy rằng tại cùng một thời điểm, vết nứt trong bê tông được gia cường là ít hơn và cấu kiện bị phá hoại với mức tải trọng lớn hơn so với trường hợp không gia cường. Từ khóa – gia cường, CFRP, cột BTCT, khả năng chịu lực, biểu đồ tương tác, ứng xử cơ học. EFFECT OF THE STRENGTHENING OF REINFORCED CONCRETE COLUMN IN HIGH RISE BUILDINGS BY CARBON FIBER REINFORCED POLYMER (CFRP) Abstract - Using CFRP (Carbon fiber Reinforced Polymer) has become popular in reinforcing damaged high-rise buildings, especially reinforcement of reinforced concrete column because of their advantages. In this thesis, the author analyzed the effect of reinforcing by CFRP for reinforced concrete column by calculating and evaluating of interactive diagram method. The results show that axial strengths and moments (compression - bending) of reinforced concrete column are increased significantly through the expansion of the scope of the interactive diagram. Strengthening of pure axial compression is more effective. In addition, the thesis has evaluated the mechanical behavior of reinforced concrete columns with unconfinned and confinned by CFRP through simulative results by Abaqus software. The simulation results show that at the same load: stress, strain and displacement in concrete and stells in confinned column are smaller than in unconfined columns. It was also found that at the same load, cracks in confinned reinforced column concrete were less and the unconfinned reinforced concrete column and it are damaged with larger load than unconfinned column. Key words - Strengthening, CFRP, reinforced concrete column, axial strength and moments, interactive diagram, mechanical behavior. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC CHỮ VIẾT TẮT: ACI : American Concrete Institute AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer BĐTT : Biểu đồ tương tác BTCT : Bê tông cốt thép CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer CT : Công thức FRP : Fiber Reinforced Polymer GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer TP HCM : Thành phố Hồ Chí Minh CÁC KÝ HIỆU: Ac: Diện tích mặt cắt ngang của bê tông trong vùng nén, in.2 (mm2) Ae : Diện tích mặt cắt giới hạn hiệu quả của bê tông, in.2 (mm2) Ag : Tổng diện tích của phần bê tông, in.2 (mm2) As : Diện tích cốt thép dọc, in.2 (mm2) Asi : Diện tích của cốt thép dọc thứ i, in.2 (mm2) Ast : Tổng diện tích của cốt thép dọc, in2 (mm2) b: Chiều rộng tiết diện cột, in. (mm) CE : Hệ số suy giảm do môi trường c: Khoảng cách từ chiều cao vùng nén đến trục trung hòa, in. (mm) D: Đường kính của tiết diện tròn chịu nén, in. (mm) d: Khoảng cách từ vùng nén đến trọng tâm của cốt thép chịu kéo, in. (mm) di: Khoảng cách từ trọng tâm của lớp thép dọc thứ i đến trọng tâm hình học của mặt cắt ngang, in. (mm) E2 : Mô đun đàn hồi của bê tông được gia cường FRP, psi (MPa) Ec : Mô đun đàn hồi của bê tông, psi (MPa) Ef : Mô đun đàn hồi của vật liệu FRP, psi (MPa) Es : Mô đun đàn hồi của thép, psi (MPa) fc : Cường độ chịu nén tính toán của bê tông, psi (MPa) f’c : Cường độ chịu nén tính toán của bê tông mẫu nén hình trụ, psi (MPa) fs : Cường độ chịu kéo của cốt thép, psi (MPa) ffe : Cường độ chịu kéo thiết kế cuối cùng của FRP, psi (MPa) f*fu : Cường độ chịu kéo thiết kế của FRP do báo cáo nhà sản xuất, psi (MPa) fl : Áp lực chống nở hông của FRP, psi (MPa) fs : Cường độ chịu kéo của cốt thép, psi (MPa) fsi : Ứng suất trong lớp cốt thép dọc thứ i, psi (MPa) fy : Giới hạn chảy của thép, psi (MPa) h là chiều cao tiết diện cột, in. (mm) Mn: mô men uốn danh nghĩa, in.lb (Nmm) Mu: giá trị mô men xuất hiện trong cột, in.lb (Nmm) n: Số lớp FRP gia cường Pn : giá trị lực dọc xuất hiện trong cột, lb (N) Pu : giá trị lực dọc xuất hiện trong cột, lb (N) tf: Độ dày danh nghĩa của một tấm FRP gia cường, in. (mm) c : biến dạng của bê tông, in./in. (mm/mm) ’c: biến dạng tối đa của bê tông không gia cường, lấy bằng 0,002, in./in. (mm/mm) cu là biến dạng dọc trục tối đa của bê tông tương ứng với 0,85 f’co hoặc lấy bằng 0,003, in./in. (mm/mm) ccu: Biến dạng nén tối đa của bê tông gia cường (biến dạng nở hông), in./in. (mm/mm) fu: Biến dạng của tấm CFRP, in./in. (mm/mm) fe : Biến dạng tính toán của FRP tại thời điểm phá hoại, in./in. (mm/mm) fu : Biến dạng thiết kế của FRP, in./in. (mm/mm) *fu : Biến dạng phá hoại cực hạn của FRP, in./in. (mm/mm) s: Biến dạng của cốt thép dọc, in./in. (mm/mm) si: Biến dạng của lớp cốt thép dọc thứ i, in./in. (mm/mm) sy : Biến dạng của cốt thép dọc tại giới hạn chảy, in./in. (mm/mm) : Hệ số suy giảm khả năng chịu lực của cột a: Hệ số ảnh hưởng của tiết diện ngang đến việc xác định f’cc b: Hệ số ảnh hưởng của tiết diện ngang đến việc xác định ccu : Hệ số ảnh hưởng của biến dạng đến phá hoại sớm của FRP DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 0.1. Nhà cao tầng ...................................................................................................2 Hình 0.2. Kết cấu cột BTCT bị phá hoại ........................................................................3 Hình 1-1. 10 toà nhà cao nhất Việt Nam hiện nay..........................................................9 Hình 1-2. Một số công trình cao tầng bê tông cốt thép ................................................11 Hình 1-3. Sơ đồ lựa chọn hệ kết cấu theo số tầng ........................................................12 Hình 1-4. Một số hệ kết cấu nhà cao tầng ....................................................................13 Hình 1-5. Sơ đồ hệ khung chịu lực ...............................................................................14 Hình 1-6. Hình dạng các vách cứng. ............................................................................14 Hình 1-7. Mặt bằng kết cấu tường chịu lực của nhà cao tầng. .....................................14 Hình 1-8. Hệ kết cấu khung – vách kết hợp .................................................................17 Hình 1-9. Mô hình chịu lực của kết cấu khung-vách....................................................17 Hình 1-10. Sơ đồ kết cấu nhà cao tầng có tầng cứng. ..................................................19 Hình 1-11. Kết cấu cột BTCT bị hư hại .......................................................................21 Hình 1-12. Ảnh hưởng của lực dọc đến quan hệ mô men – độ cong của cột có tiết diện chữ nhật .........................................................................................................................22 Hình 1-13. Các hình thức tăng cường tiết diện cột .......................................................23 Hình 1-14. Gia cường kết cấu cột bằng cách tăng tiết diện ..........................................24 Hình 1-15. Gia cường cột BTCT bằng cách ốp thép hình. ...........................................24 Hình 1-16. Một số ứng dụng gia cường cấu kiện cột bằng FRP ..................................26 Hình 2-1. Tấm CFRP với các sợi theo hai hướng trực giao .........................................27 Hình 2-2. Cấu tạo của FRP ........................................................................................... 28 Hình 2-3. Thi công CFRP ............................................................................................. 41 Hình 2 - 4. Cơ chế làm việc của FRP gia cường cho cột ..............................................44 Hình 2-5. Đồ thị biễu diễn mối quan hệ ứng suất- biến dạng khi gia cố và không gia cố.47 Hình 2-6. Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng cho cấu kiện bê tông cốt thép gia cố bằng tấm FRP của tác giả Lam và Teng Teng (Lam và Teng 2003a).............48 Hình 2-7. Vùng làm việc của các tiết diện cột .............................................................. 50 Hình 2-8. Mặt cắt ngang hình tròn tương đương (Lam và Teng 2003b). .....................51 Hình 2-9. Biểu đồ tương tác P-M .................................................................................52 Hình 2-10. Phân phối biến dạng cho Điểm A, B và C để đơn giản hóa biểu đồ tương tác....53 Hình 2-11. Sơ đồ tính toán gia cường FRP đối với cấu kiện nén đúng tâm .................55 Hình 2-12. Sơ đồ tính toán gia cường FRP đối với cấu kiện nén lệch tâm ..................56 Hình 3-1. Mô hình công trình bằng phần mềm phân tích kết cấu Etabs v.17 (trường hợp 1). ........................................................................................................................... 59 Hình 3-2. Mô hình công trình bằng phần mềm phân tích kết cấu Etabs v.17 (trường hợp 2) ............................................................................................................................ 60 Hình 3-3. Chi tiết mặt cắt ngang cột .............................................................................65 Hình 3.4. Biểu đồ tương tác cột C12 cho trường hợp không gia cường và 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 3-21. Phổ ứng suất trong cốt thép của các trường hợp mô phỏng .......................98 Hình 3-22. Biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất trong phần tử Bar 2: E1...................99 Hình 3-23. Biểu đồ quan hệ tải trọng - biến dạng trong phần tử Bar 2: E1................100 Hình 3-24. Phổ ứng suất trong CFRP .........................................................................100 Hình 3-25. Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng trong phần tử CFRP-E577 ...........101 Hình 3-26. Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị U1 tại node concrete-1 .................101 Hình 3-27. Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị U2 tại node concrete-1 .................102 Hình 3-28. Biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị U3 tại node concrete-1..................102 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Thống kê một số công trình nhà cao tầng tiêu biểu ở Việt Nam hiện nay ...10 Bảng 2-1. Các thuộc tính của nhựa nền ........................................................................30 Bảng 2-2. Một số thuộc tính của sợi aramid .................................................................32 Bảng 2-3. Đặc tính điển hình về kéo của sợi được sử dụng trong các hệ thống FRP...32 Bảng 2-4. Tính chất kéo của FRP với khối lượng sợi từ 50 đến 70% .......................... 33 Bảng 2-5. Đặc tính về kéo của các tấm FRP với khối lượng sợi từ 40 đến 60%..........33 Bảng 2-6. Độ bền kéo cực đại * của một số loại FRP có trên thị trường .....................34 Bảng 2-7. Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite, lb/ft3 (g/cm3) .................35 Bảng 2-8. Khối lượng riêng của một số vật liệu cấu thành FRP phổ biến, lb/ft3 (g/cm3)......36 Bảng 2-9. Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite .....................................36 Bảng 2-10. Tính chất cơ học của một số dạng vật liệu tổng hợp FRP .........................39 Bảng 2-11.Đặc tính của các loại sợi FRP .....................................................................39 Bảng 2-12. Đặc tính kỹ thuật của tấm CFRP có trên thị trường ...................................39 Bảng 2-13. So sánh một số đặc trưng của CFRP với các vật liệu khác ........................40 Bảng 2-14. Hệ số triết giảm do yếu tố môi trường cho các hệ thống FRP khác nhau .46 Bảng 3-1. Nội lực cột C9, C12, C16, C36 tầng kỹ thuật (trường hợp 1) ......................61 Bảng 3-2. Kết quả kiểm tra thép cột C9, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 ... 61 Bảng 3-3. Kết quả kiểm tra thép cột C12, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 .............................................................................................................................. 62 Bảng 3-4. Kết quả kiểm tra thép cột C16, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 .............................................................................................................................. 62 Bảng 3-5. Kết quả kiểm tra thép cột C36, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 1 .............................................................................................................................. 62 Bảng 3-6. Kết quả tính toán thép cột C9, C12, C16, C36 tầng kỹ thuật (trường hợp 1) .......62 Bảng 3-7. Nội lực cột C9, C12, C16, C36, tầng kỹ thuật (trường hợp 2) .....................63 Bảng 3-8. Kết quả kiểm tra thép cột C9, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 2 ...63 Bảng 3-9. Kết quả kiểm tra thép cột C12, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 2 .............................................................................................................................. 64 Bảng 3-10. Kết quả kiểm tra thép cột C16, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 2 .............................................................................................................................. 64 Bảng 3-11. Kết quả kiểm tra thép cột C36, tầng kỹ thuật cho các tổ hợp nội lực trường hợp 2 .............................................................................................................................. 64 Bảng 3-12. Kết quả kiểm tra thép cột C9, C12, C16, C36, tầng kỹ thuật (trường hợp 2) .......64 Bảng 3-13. Cặp nội lực cột C12 ...................................................................................65 Bảng 3-14. Chi tiết mặt cắt ngang cột và vật liệu được sử dụng ..................................65 Bảng 3-15. Đặc tính vật liệu CFRP do nhà sản xuất cung cấp .....................................66 Bảng 3-16. Khả năng chịu lực tại các điểm đại diện A,B,C thuộc biểu đồ tương tác tương ứng với số lớp CFRP .....................................................................................................77 Bảng 3-17. Tỷ lệ tăng khả năng chịu lực tại các điểm đại diện A,B,C thuộc biểu đồ tương tác tương ứng với số lớp CFRP ...........................................................................78 Bảng 3-18. So sánh áp lực ngang do CFRP, cường độ nén của bê tông và biến dạng tương đối trường hợp nén thuần túy ..............................................................................80 Bảng 3-19. So sánh áp lực ngang do CFRP, cường độ nén của bê tông và biến dạng tương đối trường hợp nén-uốn kết hợp..........................................................................80 Bảng 3-20. Các loại phần tử mô phỏng trong cột gia cường ........................................83 Bảng 3-21. Thông số miền đàn hồi, thông số mô hình phá hoại dẻo và các thông số ứng suất và biến dạng, phá hoại và biến dạng cho cả vùng kéo, nén của BT B30 [21] .......85 Bảng 3-22. Các hình thức tương tác sử dụng cho cột ...................................................93 Bảng 3-23. Kích thước chia nhỏ phần tử ......................................................................93 Bảng 3-24. So sánh ứng suất tại thời điểm P1=0,92*P trong phần tử Concrete: E1381 .......96 Bảng 3-25. So sánh ứng suất tại thời điểm P1=0,92*P trong phần tử Bar 2: E1 ..........99 Bảng 3-26. So sánh chuyển vị tại thời điểm P1=0,92*P tại Node concrete-1.............103 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Các công trình bê tông cốt thép tồn tại lâu năm và bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng động đất và gió bão gây nứt, sụt giảm độ cứng kết cấu, khí hậu, hoá chất ăn mòn, sự cố làm kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực hay không còn đảm bảo khả năng sử dụng bình thường nữa. Tuy nhiên, việc phá bỏ và xây mới công trình lại khá đắt đỏ, cho nên việc cải tạo, nâng cấp công trình cũ nhằm bảo đảm an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết. Ngoài ra, một số công trình bị hư hỏng do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng và những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng… cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác nhau. Cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, ngày càng nhiều nhà cao tầng được thiết kế và xây dựng. Cùng với tầm quan trọng của loại công trình này, các phương pháp tính toán tải trọng cũng như phân tích ứng xử liên tục được thay đổi để phù hợp hơn với tính chất của công trình. Trong suốt thời gian kể từ khi các nhà cao tầng được đưa vào tính toán và thiết kế, đã có nhiều sự thay đổi trong quan niệm tính toán và bố trí kết cấu cho loại công trình này. Nếu như trước đây, công trình cao tầng phải được xem là vật cứng tuyệt đối, không chịu hư hỏng khi có động đất để đảm bảo sinh mạng con người và tải sản thông qua việc bảo vệ công trình. Thì ngày nay, mục tiêu thiết kế được thay đổi, công trình có thể bị hư hại, nhưng không được sụp đổ để đảm bảo an toàn cho tính mạng và tài sản của con người. Đây là bước chuyển biến quan trọng, bởi lúc này công trình được cho phép có hư hại. Sự hư hại của công trình được kể đến thông qua việc cho phép xuất hiện các vết nứt khi phân tích kết cấu. Tuy nhiên, các công trình này vẫn chưa hoàn toàn bị phá hoại, việc đánh sập và xây mới công trình sẽ rất tốn kém. Để đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường của công trình, cần phải có các biện pháp gia cường kết cấu. 2 Trung tâm Hành chính - TP Đà Nẵng Tòa nhà Bitexco - TP HCM Int.Commerce Centre - Hong Kong World Financial Center - Shanghai Hình 0.1. Nhà cao tầng Kết cấu cột bê tông cốt thép chịu tác động của môi trường xung quanh dưới các hình khác nhau như các tác động cơ học, lý học, hóa học và những hư hỏng, sự cố do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công. Những tác động này dẫn đến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng công trình hoặc mất an toàn về phương diện chịu tải. Với những tác động đặc biệt như động đất, cháy nổ… có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng, có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần (Hình 0.2) hoặc toàn bộ công trình. Để cải thiện về mặt chịu tải trọng cũng như công năng nhằm đảm bảo an toàn, tăng tuổi thọ hoặc tăng hiệu quả sử dụng của công trình cần phải gia cường, sửa chữa các bộ phận kết cấu công trình đó. 3 a) Phá hoại do ăn mòn b) Phá hoại do động đất c) Phá hoại do tác động cơ học Hình 0.2. Kết cấu cột BTCT bị phá hoại Nhiều năm trước đây, người ta đã sử dụng phương pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu bằng cách dán bản thép. Trong vòng 20 năm gần đây, việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi tổng hợp (tấm composite) từ sợi các-bon CFRP đã thay thế dần các bản thép. Vật liệu cốt sợi tổng hợp này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại cường độ cao (chiếm khoảng 70% thể tích) kết hợp với keo epoxi. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trước đây về giải pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu với các tấm composite được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Tuy nhiên các nghiên cứu đó chủ yếu tập trung vào phân tích ứng xử và đề xuất phương pháp gia cường cho dầm bê tông cốt thép. Chưa có nhiều nghiên cứu về ứng xử của côt bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP. Bên cạnh đó, cũng đã có nhiều nghiên cứu về việc gia cường các cấu kiện riêng lẻ bê tông cốt thép bằng tấm CFRP: - Nguyễn Thành Công, Nguyễn Chí Thanh: Giải pháp công nghệ gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp; - Tạ Văn Phấn, Nguyễn Vĩnh Sáng: Một số phương pháp gia cường kết cấu cột bê tông cốt thép; - Phan Vũ Phương: Hiệu quả gia cường kháng uốn của tấm CFRP, trong dầm chữ T ứng suất trước có và không có hệ neo CFRP dạng dải U; -Trịnh Quang Minh, Kiều Minh Thế, Vũ Đình Phụng: Sử dụng thanh composite cốt sợi các - bon để tăng cường khả năng chịu lực cắt của dầm bê tông cốt thép; - Nguyễn Hùng Phong: Nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng cắt cho dầm bê tông cốt thép bằng tấm sợi thủy tinh. - Nguyễn Hùng Phong, Phạm Quang Đạo, Nghiên cứu thực nghiệm về gia cường chống động đất cho cột BTCT bằng tấm sợi liên tục FRP. 4 Tuy nhiên chưa có nhiều đánh giá về hiệu quả của việc gia cường tấm CFRP cho cột BTCT trong nhà cao tầng. Do đó, đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả gia cường cột trong công trình cao tầng bê tông cốt thép bằng tấm CFRP” có ý nghĩa thực tiễn cao và đáp ứng yêu cầu của thực tế hiện nay, đồng thời sẽ là một tài liệu quan trọng giúp cho các đơn vị quản lý và kỹ sư có thể ứng dụng trong công tác gia cố, sửa chữa công trình bê tông cốt thép. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát Đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường cột bằng tấm CFRP trong các công trình cao tầng bê tông cốt thép. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Tính toán được khả năng chịu lực của cột BTCT có gia cường tấm CFRP - Mô phỏng được cột bê tông cốt thép có gia cường CFRP trong phần mềm phân tích kết cấu; - Phân tích được ứng xử của cấu kiện cột BTCT có gia cường tấm CFRP; - Đưa ra đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường cột bằng tấm CFRP trong các công trình cao tầng bê tông cốt thép. 3. Đối tượng nghiên cứu Công trình cao tầng bê tông cốt thép 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu khả năng chịu lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị, nội lực kết cấu 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: + Nghiên cứu tổng quan về công trình cao tầng và xu hướng phát triển. + Nghiên cứu tổng quan sự hư hỏng của nhà cao tầng và các biện pháp gia cố sữa chữa. + Nghiên cứu tổng hợp được các tính năng của vật liệu CFRP và phương pháp tính toán kết cấu được gia cường tấm CFRP. - Phương pháp mô phỏng: + Tiến hành mô phỏng cột bê tông cốt thép được gia cường tấm CFRP bằng phần mềm phân tích kết cấu; + Đánh giá ứng xử của cấu kiện cột BTCT thông qua việc phân tích đặc trưng về ứng suất, biến dạng của kết cấu trước và sau khi dán tấm CFRP vào cột. 5 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 6 CHƯƠNG 1. NHÀ CAO TẦNG - SỰ HƯ HỎNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CỐ/SỮA CHỮA Trong chương này, tác giả đề cập đến tổng quan sự làm việc của kết cấu chịu lực của nhà cao tầng. Sự phát triển của kết cấu nhà cao tầng là một xu thế tất yếu và do đó việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu này là một vấn đề hiển nhiên cần được thực hiện. Bên cạnh đó tác giả cũng đề cập đến các nguyên nhân hư hỏng của nhà nhiều tầng thường gặp và các biện pháp gia cố, sữa chữa được áp dụng từ trước đến nay. 1.1. Tổng quan về nhà cao tầng ở Việt Nam Trong lịch sử ngành xây dựng trên thế giới, cuối thế kỷ thứ 19, nhà cao tầng xuất hiện và là sản phẩm của sự phát triển công nghiệp hoá và đô thị hoá thời cận đại. Khi đó, công nghiệp và thương nghiệp ở đô thị các nước phát triển bùng phát nhanh chóng, dân số trong đô thị tập trung với mức độ cao, đất đai xây dựng ngày một khan hiếm đã thôi thúc khát vọng vươn lên bầu trời cao của con người. Chiều cao của các ngôi nhà vì thế đã không ngừng gia tăng. Mặt khác, công cụ giao thông theo hướng thẳng đứng cũng như công nghiệp sản xuất sắt thép, xi măng phát triển đột biến đã tạo tiền đề vật chất cho quá trình đó. Theo tư liệu nước ngoài, người ta đã ghi nhận ngôi nhà đầu tiên sử dụng thang máy làm phương tiện giao thông lên xuống là một khách sạn được xây dựng từ năm 1851 trên địa lộ số 5 thành phố New York. Mốc khởi điểm ra đời của nhà cao tầng được đánh dấu là vào năm 1883 - 1885, khi nhà cao tầng Home Insurance Building 11 tầng, cao 55 m được xây dựng ở Chicago sử dụng khung thép là chủ yếu, một bộ phận nhà dùng tường ngoài tự chịu lực bằng gạch đá và dầm thép. Năm 1891 - 1895 ở Chicago, người ta đã khánh thành Masonis Temple 20 trầng cao 92m. Đây là một ngôi nhà cao tầng đầu tiên toàn bộ dùng kết cấu khung thép tạo thành. Năm 1903, ở Cincinnati đã xây dựng nhà cao tầng Ingall 16 tầng. Đây là một ngôi nhà cao tầng đầu tiên làm bằng hệ khung bê tông cốt thép. Do nghiên cứu đặt thêm các thanh chéo, độ cứng và cường độ của nhà được tăng cường nên chiều cao của ngôi nhà có thể nâng thêm rõ rệt. Năm 1905 - 1909 tại New York hoàn thành ngôi nhà cao 50 tầng, chiều cao 213 tầng. Đó là ngôi nhà Metropolitan Life Building. Năm 1913 tại New York còn mọc lên ngôi nhà Woolworthy Building 57 tầng cao 242m, trong nhà có 26 bộ thang máy, diện tích chứa được trên một vạn nhân viên làm việc. Năm 1931, cũng ở New York, ngôi nhà Empire State Building được xây dựng với 102 tầng, cao 381m, có 6 bộ thang máy. Sau đó 40 năm, ngôi nhà này vẫn là ngôi nhà cao nhất thế giới. Mãi đến năm 1972 - 1974 ở New York và Chicago lần lượt xây dựng World Trade Center (gồm cao 7 ốc phía Nam và phía Bắc) với Sears Tower đều cao 110 tầng, chiều cao lần lượt bằng 417m, 415m và 443m cho tới gần đây vẫn là 3 ngôi nhà cao tầng cao nhất thế giới (tiếc rằng World Trade Center đã bị trùm khủng bố Billaden tổ chức đánh bom phá sập và nay đang được tái thiết). Căn cứ vào tư liệu của Hội nghị Quốc tế về nhà cao tầng lần thứ 4 họp ở Hồng Kông năm 1990, có 100 ngôi nhà cao nhất thế giới đã được thống kê: Chiều cao từ 218 - 243m với số tầng từ 32 - 110 tầng; trong đó gồm: 85 văn phòng làm việc, 12 nhà đa năng, 3 khách sạn, 78 ngôi nhà phân bố tại Hoa Kỳ, đặc biệt tập trung tại các đô thị lớn như New York, Chicago, Seattle, Los Angeles và Dallas. Số còn lại xuất hiện tại Canada, Nhật, Singapore, Austraylia, Venezuela, Anh, Pháp, Đức, Ba Lan, Nam Phí, Malayxia, Triều Tiên, Hông Kông... Ở Bắc Mỹ, ngoài Hoa Kỳ ra phải kể đến Canada. Nổi bật là các nhà cao tầng văn phongdf làm việc và thương mại như Toronto Dominion Bank Tower 56 tầng, cao 224m, xây năm 1967; nhà Commerce Cuort West xây năm 1974, 57 tầng, cao 239m; nhà First Canadian Bank xây năm 1975, 72 tầng, cao 285m; nhà Canada Trust Tower xây năm 1989, 55 tầng cao 229m. Tại Châu Mỹ La tinh, nhà siêu cao (trên 100m) tập trung ở Venezuela, Colombia, Brasil, Cuba, Mexico. Nổi bật là ngôi nhà Parque Central Torres de Officinass 62 tầng, cao 260m, xây năm 1978 vadf ngôi nhà Office Towers 60 tầng, cao 237m, xây dựng năm 1985 ở Carakas; ngôi nhà Petronas Mexicanos 52 tầng, cao 214m, xây năm 1984 ở Mexico. Sau Đại chiến thế giới lần thứ 2, hai nhà cao tầng phát triển mạnh ở châu Âu. Tại Paris, khu vực Defense năm 1965 mọc lên nhiều nhà làm việc cao từ 30 -50tầng và hàng chục ngôi nhà cao tầng. Năm 1973, cũng tại đây, có ngôi nhà Maine Montparnass 64 tầng, cao 229m. Tại Pháp, theo con số thống kê, nhà 9 tầng trở lên chiếm tỷ trọng 21%. Ở London, có nhà cao tầng Canery Wharf Tower 50 tầng, cao 245m. Ở Frankffurt (Đức) có nhà cao tầng Messeturm 70 tầng, cao 259m. Ở Liên xô từ những năm 30 bắt đầu xây dựng nhà ở cao tầng. Thập kỷ 50 khánh thành trường đại học Lomonosov có nhà chính 36 tầng, cao 239,5m trong đó có 22.000 căn phòng. Năm 1961, ở Moscow xây dựng khách sạn Ucraina 34 tầng, cao 198m và nhiều nhà cao tầng khác. Năm 1955 tại Varsava khánh thành cung văn hoá khoa học (I palac Kultury I Nauki) 42 tầng, cao 241m. Ở Liên Xô và các nước Đông Âu trong một thời gian dài vài thập kỷ, đã sử dụng một cách có kế hoạch phương pháp công nghiệp hoá xây dựng nhà ở tấm lớn trong đó có nhà ở cao tầng chiếm một tỷ lệ nhất định. Nhà ở cao tầng ở Liên Xô chiếm tỷ trọng 7,9% (năm 1975) tăng lên đến 15% (năm 1985-1990).Vào những năm 80 nhà ở xây dựng mới ở Moscow thường từ 9 đến 25 tầng, bình quân là 16 tàng. Ở Đông Âu, nhà ở 8 trên 9 tầng chiếm tỷ trọng từ 12-32%. tại một số đô thị lớn tỷ trọng đó còn cao hơn như ở Budapest lên tới 80%. Tại châu Phi, ở Nam Phi, nhà cao tầng nhất là ngôi nhà Carlton Center 50 tầng, cao 220m, ở Ai Cập và các nước Bắc Phi, ven Địa Trung Hải, cũng xây dựng rất nhiều nhà khách sạn cao tầng. Austraylia cũng đã xây dựng nhiều nhà cao tầng thương mại và văn phòng làm việc. Ví dụ: ở Sydney có trung tâm MLC 70 tầng cao 240m. Ở Melbourg có ngôi nhà Riollo Center 70 tầng cao 243m là những điển hình có thể nêu lên. Nhật Bản do phải chịu tác động của động đất và gió bão rất ác liệt nên có một thời gian dài quy định nhà cao tầng không vượt quá 31m. Sau khi đã tiến hành nghiên cứu sâu sắc về các biện pháp khoa học phòng chống gió bão và động đất, đi đến loại trừ hạn chế nói trên và từ năm 1964 trở đi nhà cao tầng được phép phát triển. Đến năm 1981 đã có 47 ngôi nhà có chiều cao vượt quá 100m (siêu cao) trong đó phải kể đến ngôi nhà Shunshine 60, ở Tokyo 60 tầng, cao 226m, xây dựng năm 1978. Ở vùng Đông Nam Á, Singapore là nước nhỏ, mật độ dân số cao, kinh tế phát đạt nên nhà cao tầng xây dựng rất tập trung; nổi bật là ngôi nhà Overseas Union Bank 63 tầng cao 280m; Singapore Treasurry 52 tầng cao 235m; Roffles City Hotel 70tầng cao 226m. Malaysia có ngôi nhà TAR (Tun Abdul Razak Building) 61 tầng cao 232m và tháp đôi Petronas cao 251,9m - một thời nổi tiếng là cao nhất thế giới - cắt băng khánh thành tháng 8/1999. Sau chiến tranh Tiều Tiên, cả hai miền Bắc và Nam (Hàn Quốc) trong cuộc tái thiết quy mô lớn, nhà cao tầng cũng có điều kiện phát triển mạnh. Tại Bình Nhưỡng trên đống đổ nát do chiến tranh để lại, từ những năm 70 thế kỷ trước mọc lên đại lộ Thiên Lý Mã chủ yếu là nhà cao tầng từ 8 đến 18 tầng. Đến những năm 80 đại lộ Quang Phục nhà cao tầng từ 8 tầng đến 42 tầng. Khách sạn Liễu Kinh 105 tầng cao 305m đã khánh thành. Tại Hán Thành năm 1985 xây dựng xong ngôi nhà Korea Ins. Co. 63 tầng cao 233m. Tại Trung Quốc, tròng thời gian 30 năm lại đây, cải cách mở cửa, kinh tế phồn vinh, nhà cao tầng mọc lên như nấm ở các thành phố Bắc Kinh, Thượng Hải, Quảng Châu, Thâm Quyến, Thiên Tân, Thẩm Dương, Lan Châu, Thạch Gia Trang, Vũ Hán, Tây An, Từ Châu, từ đó lan truyền sang hầu hết các đô thị lớn của địa lục, trong đó có rất nhiều nhà siêu cao (>100m). Tại Việt Nam từ trước những năm 1945 các công trình cao tầng ở Việt Nam chủ yếu chỉ là các khu nhà tập thể cao từ 4 -5 tầng và tập trung chủ yếu ở một số thành phố như Hà Nội, Hải Phòng. Khi Mỹ đưa quân vào miền Nam Việt Nam vào những năm 60 của thế kỷ trước kéo theo nhiều thay đổi về mặt kinh tế xã hội cũng như hạ tầng kỹ thuật của các đô thị đặc biệt là Sài Gòn. Cũng chính tại đây vào thời gian này, các công trình cao tầng bắt đầu được du nhập vào Việt Nam. Tiêu biểu là các cao ốc: Thư viện Quốc gia, Trụ sở Việt Nam Thương tín, Bệnh viện Chợ Rẫy, Cao ốc chung cư 727 Trần Hưng