Tài liệu Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm cfrp bằng phương pháp phần tử hữu hạn

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Học viên: Phạm Thế Hùng Mã số: 85.80.201 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN Tóm tắt – Sàn bê tông cốt thép là một phần trong kết cấu nhà bê tông cốt thép, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa. Sàn bê tông cốt thép có dạng tấm, chịu uốn và chịu tải trọng trực tiếp thẳng đứng truyền sang dầm và cột. Luận văn này khảo sát ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Trong đó sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng và nghiên cứu ứng xử của sàn. Kết quả phân tích, so sánh ứng xử của sàn bê tông cốt thép khi chưa gia cường tấm CFRP và khi có gia cường tấm CFRP để đánh giá khả năng gia cường sàn bẳng tầm CFRP. Từ khóa: Sàn bê tông cốt thép, tấm CFRP, ứng xử sàn bê tông cốt thép, gia cường sàn bằng tấm CFRP, Abaqus… RESEARCH BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE SLAB REINFORCING WITH CFRP FINITE ELEMENT Abstract – Reinforced concrete slab is part of reinforced concrete house structure, widely used in house construction. Reinforced concrete slab are shell, bending and to vertical loads transferred to beams and columns. This thesis examines the behavior of reinforced concrete slab reinforcing CFRP by finite element method. Which uses ABAQUS software to simulate and study the behavior of the slab. Results of analysis and comparison of the behavior of reinforced concrete slab without reinforcing CFRP and when reinforcing CFRP to assess the ability to strengthen slab by CFRP. Keywords: reinforced concrete structural slab, CFRP, behavior reinforced concrete slab, reinforcing slab by CFRP, Abaqus… MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2 5. Kết quả dự kiến............................................................................................................2 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CÔNG TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA........................................................................3 1.1.Tổng quan sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép .........................................3 1.1.1. Tình hình chung về sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép ở nước ta. ......3 1.1.2. Một số nguyên nhân gây hưu hỏng và xuống cấp của các công trình:..................4 1.2. Tổng quan về quá trình cải tạo, nâng cấp và chuyển đổi mục đích sử dụng của công trình bê tông cốt thép. ............................................................................................. 9 1.3. Các phương pháp gia cường kết cấu. .....................................................................12 1.3.1. Gia cường bằng phương pháp dán tấm thép ........................................................ 12 1.3.2. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi thủy tinh GFRP. .............................. 14 1.3.3. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi các bon CFRP..................................14 1.4. Phương pháp gia cường sàn bê tông cốt thép bằng tấm CFRP .............................. 15 1.4.1. Thành phần cấu tạo và tính chất cơ lý của tấm CFRP.........................................16 1.5. Kết luận chương . ..................................................................................................21 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ..............................................22 2.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Abaqus ........................... 22 2.1.1. Phương pháp phần tử hữu hạn. ............................................................................22 2.1.2. Phần mềm Abaqus. .............................................................................................. 23 2.2. Quy trình mô phỏng sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phần mềm Abaqus. .......................................................................................................................... 36 2.2.1. Mô phỏng sàn bê tông cốt thép............................................................................36 2.3. KẾT LUẬN ...........................................................................................................46 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP ....................................................................................................47 3.1.Thông tin mô hình thực hiện nghiên cứu. ............................................................... 47 3.2. Phân tích ảnh hưởng của tấm CFRP đến ứng xử của sàn bê tông cốt thép. ...........48 3.2.1. Ảnh hưởng đến sự làm việc chung của sàn bê tông cốt thép. ............................. 48 3.2.2. Ảnh hưởng đến nội lực sàn bê tông cốt thép .......................................................48 3.2. Kết luận chương ....................................................................................................56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................57 1. Kết luận......................................................................................................................57 2. Kiến nghị ...................................................................................................................57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 58 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Nhà trung tâm giới thiệu việc làm tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu ............................. 4 Hình 1.2. Nhà chung cư xóm Z tỉnh Quảng Bình ........................................................... 4 Hình 1.3. Sự Phá vỡ sự kết dính giữa bêtông và cốt thép ...............................................5 Hình 1.4. Sơ đồ rỉ cốt thép do quá trình điện hóa ........................................................... 7 Hình 1.5.Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bêtông khi có mặt ion Cl  ......................7 Hình 1.6. Nứt do co ngót bê tông ....................................................................................8 Hình 1.7. Nứt bê tông do lún ........................................................................................... 9 Hình 1.8. Khu chung cư Thành Công, Hà Nội .............................................................. 10 Hình 1.9. Mặt tiền Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh cải tạo, thay đổi công năng ..............11 Hình 1.10. Sơ đồ kết cấu Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh được cải tạo, thay đổi ...........11 Hình 1.11. Gia cường sàn bê tông cố thép bằng phương pháp dán tấm thép ................13 Hình 1.12: Các thông số kỹ thuật của một số tấm sợi thủy tinh....................................14 Hình 1.13: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi các bon và sợi thủy tinh ...............15 Hình 1.14: Gia cố sàn phẳng tăng khả năng chịu uốn của sàn bằng tấm CFRP ...........15 Hình 2.1: Phần tử dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính [13] .........................................23 Hình 2.2 Phần tử dạng thanh (truss) [13] ......................................................................24 Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tông [10] ......................... 26 Hình 2.4 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tông [10] ......................... 27 Hình 2.5 Quan hệ ứng suất nén – biến dạng không phục hồi........................................28 Hình 2.6 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do nén .......................28 Hình 2.7 Quan hệ ứng suất kéo – biến dạng không phục hồi........................................29 Hình 2.8 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do kéo .......................29 Hình 2.9 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái quát hóa của cốt thép .............................. 32 Hình 2.10: Kích thước sàn bê tông .............................................................................37 Hình 2.11 : Cấu tạo cốt thép trong sàn .......................................................................37 Hình 2.12 : Tạo tấm và hệ lưới CFRP .........................................................................38 Hình 2.13 : Tạo gối liên kết cho sàn ............................................................................38 Hình 2.14: Thông số môđun đàn hồi và hệ số poisson..................................................39 Hình 2.15: Thông số dẻo cho mô hình vật liệu bê tông ................................................39 Hình 2.16 : Thông số vật liệu vùng bê tông chịu kéo và bê tông chịu nén ...................40 Hình 2.17: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép ............................... 41 Hình 2.18: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép .............................. 42 Hình 2.19 : Gán thuộc tính cho cấu kiên bê tông, cốt thép .........................................42 Hình 2.20 : Gán thuộc tính cho tấm CFRP..................................................................43 Hình 2.22 : Thiết lập bước phân tích mô hình............................................................. 44 Hình 2.23 : Gán điều kiện biên cho mô hình.................................................................44 Hình 2.24 : Gán tải trọng cho sàn bê tông cốt thép .......................................................45 Hình 2.25: Thiết lập phân chia các phần tử cho mô hình ..............................................45 Hình 2.26: Thiết lập chạy mô hình và xem kết quả ......................................................45 Hình 3.1: Mô hình công trình triển khai nghiên cứu .....................................................48 Hình 3.2 : Sự hình thành vết nứt trong vùng chịu kéo của bê tông ............................... 48 Hình 3.4 : Phổ phân bố ứng suất bê tông trong sàn ......................................................49 Hình 3.5: Biểu đồ ứng suất theo tải trọng của sàn không gia cố và có gia cố ..............49 Hình 3.6 : Phổ phân bố biến dạng của bê tông trong sàn ..............................................50 Hình 3.7 : Phổ phân bố biến dạng của bê tông trong sàn ..............................................50 Hình 3.8 : Phổ phân bố chuyển vị của bê tông trong sàn ..............................................51 Hình 3.9: Phổ phân bố chuyển vị của bê tông trong sàn ..............................................51 Hình 3.10 : Phổ phân bố ứng suất của cốt thép trong sàn ............................................52 Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất -tải trọng của sàn có gia cố và không có gia cố CFRP ..52 Hình 3.12 : Phổ phân bố biến dạng của cốt thép trong sàn ...........................................53 Hình 3.13: Biểu đồ biến dạng của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố ....53 Hình 3.14: Phổ phân bố chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố .......................................................................................................................................54 Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố ....54 Hình 3.16 : Phổ phân bố ứng suất-chuyển vị-biến dạngcủa CFRP khi gia cố ..............55 Hình 3.17:: Biểu đồ ƯS-BD tấm CFRP trong sàn có gia cố .........................................56 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Hệ số dãn nở nhiệt của tấm các tấm composite ...............................................17 Bảng 2: Thông số kỹ thuật của một số loại tấm sợi các bon .........................................18 Bảng 3: So sánh thông số kỹ thuật của tấm sợi Các bon (CFRP) với các loại thép thông dụng trong kết cấu xây dựng hiện nay: .........................................................................19 Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo. ...................................................................27 Bảng 2.2.Các hình thức tương tác sử dụng cho sàn ......................................................35 Bảng 3.3: Kết quả phần tử bê tông 1465, nút 19644 .....................................................48 Bảng 3.4: Kết quả phần tử thép 47, nút 47 ....................................................................51 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, 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, khí hậu, gió bão, hoá chất ăn mòn, sự cố làm suy giảm độ cứng, 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. 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 epoxy. 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 sàn bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP. Do đó, đề tài: “Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn” nhằm nghiên cứu hiệu quả của sàn bê tông cốt thép được gia cường 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 sàn bê tông cốt thép. 2. Mục tiêu nghiên cứu a) Mục tiêu tổng quát: Phân tích ứng xử của sàn bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn. b) Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu ứng xử của tấm CFPR và khả năng gia cường cho kết cấu sàn bê tông cốt thép. 2 Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu phổ ứng suất, phổ biến dạng, chuyển vị của sàn phẳng bê tông cốt thép trước và sau khi sử dụng tấm CFRP. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Sàn bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP. 4. Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan về sự hư hỏng công trình và các phương pháp gia cố, sữa chửa. - Nghiên cứu 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 sàn bê tông cốt thép được gia cường tấm CFRP bằng phần mềm ABAQUS; - Mô phỏng sự làm việc của sàn bê tông cốt thép thông qua việc phân tích đặc trưng dao động, chuyển vị, nội lực của kết cấu trước và sau khi dán tấm CFRP vào sàn. 5. Kết quả dự kiến Khảo sát tình hình hư hỏng, xuống cấp của công trình và các phương pháp gia cố sửa chữa. Phân tích được đặc trưng của kết cấu sàn bê tông cốt thép trước và sau khi gia cường bằng tấm CFRP. So sánh và đưa ra kiến nghị để áp dụng vào thực tế. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CÔNG TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA 1.1. Tổng quan sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép 1.1.1. Tình hình chung về sự xuống cấp của công trình bê tông cốt thép ở nước ta. Bê tông cốt thép (BTCT) được phát minh và ứng dụng từ đầu thế kỷ 19 và phát triển vượt bậc từ giữa và cuối thế kỷ 19 bởi những kỹ sư người Đức và các nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Ở Việt Nam, bê tông cốt thép đã được người Pháp đưa vào sử dụng ngay từ những năm cuối của thế kỷ 19. Tuy nhiên phải sau năm 1960, khối lượng công trình BTCT xây dựng mới tăng lên đáng kể và phát triển vượt bậc đến thời điểm bấy giờ. Qua hơn một thế kỷ sử dụng, độ bền (tuổi thọ) thực tế của các công trình bê tông cốt thép được các quốc gia trên thế giới đánh giá và tổng kết như sau: - Trong môi trường không có tính xâm thực, kết cấu BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm. - Trong môi trường bị xâm thực, hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tông dẫn đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tông và BTCT có thể xuất hiện sau 10- 30 năm sử dụng. Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khả năng chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và biện pháp quản lý, sử dụng công trình...) Hiện nay, bên cạnh các công trình bền vững sau 40-50 năm, hàng loạt các công trình BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử dụng 10 ¸ 15 năm đã bị ăn mòn và phá huỷ trầm trọng, đòi hỏi phải chi phí khoảng 40- 70% giá thành xây mới cho việc sửa chữa bảo vệ chúng. Nhiều công trình nhà dân dụng và công nghiệp trên cả nước nói riêng và trên toàn thế giới nói chung đang xuống cấp một cách nhanh chống. Nhiều công trình hư hỏng, suy giảm công năng sử sụng và hiệu quả đầu tư. Đơn cử tại thành phố Hà Nội, theo số liệu đánh giá tháng 11/2017 của Sở xây dựng Hà Nội có tới 603 danh mục công trình đã và đang xuống cấp gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống tinh thần và vật chất của dân cư nơi đây. Cần có sự vào cuộc, đánh giá hiện trạng công trình và có các biện pháp gia cố, sửa chữa nhằm giảm kinh phí và tăng khả năng sử dụng công trình một các kịp thời và hiệu quả. Nhiều địa phương khác trên cả nước như thành phố Huế, Bà Rịa Vũng Tàu, TP. Hồ Chí Minh... cùng nhiều công trình đã suy giảm khả năng chịu lực có dấu hiệu hư hỏng, xuống cấp. 4 Hình 1.1. Nhà trung tâm giới thiệu việc làm tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu Hình 1.2. Nhà chung cư xóm Z tỉnh Quảng Bình 1.1.2. Một số nguyên nhân gây hưu hỏng và xuống cấp của các công trình: Ở môi trường khí hậu nước ta hiện nay, các tác nhân chủ yếu của môi trường làm ăn mòn bê tông và ăn mòn cốt thép trong bê tông làm hư hỏng và xuống cấp công trình là tác nhân về vật lý và hóa học. Tác nhân về cơ học (mài mòn bề mặt, phá vỡ, nổ...), vật lý (nhiệt độ, gió, đông cứngtan chảy của nước, cháy..), hóa học (các tác nhân acid, nhiễm mặn.. ), tải trọng thay đổi... Khi kết cấu bê tông cốt thép bị xâm thực bởi các yếu tố môi trường như gió, nhiệt độ, các axit trong môi trường xung quanh hay các tác nhân khác ... thì mối liên kết giữa bê 5 tông và cốt thép quyết định đến sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép. Khi một trong hai thành phần của kết cấu bị hư hại thì ảnh hưởng tới phần còn lại và ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép nói chung. a. Nguyên nhân ăn mòn trong bê tông - Ăn mòn diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi măng (chủ yếu là hydroxyt canxi và aluminat canxi ngập nước) bị hòa tan, đặc biệt hydroxyt canxi tan mạnh nhất, do đó loại ăn mòn này gọi là quá trình khử kiềm. - Ăn mòn do axit cabonic : Sự tập trung hàm lượng dung dịch canxi hydroxit hòa tan Ca(OH)2 trong các lỗ hỏng kết cấu BTCT là kết quả của quá trình thủy hóa xi măng giúp giữ độ pH ở ngưỡng an toàn 12-13. Quá trình carbonat hóa với sự hiện diện của CO2, nước và Ca(OH)2 tạo nên canxi cacbonat và trung hòa môi trường kiềm trong bêtông: CO2  H 2O  Ca OH 2  CaCO3  2H 2O . Sau quá trình trung hòa làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép (lớp màng dày 2-20 nanomét), đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép, dẫn đến phá hủy kết cấu. Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tông, vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của các tác nhân ăn mòn cho đến khi phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bêtông và cốt thép (Hình 1.3). Tốc độ của quá trình carbonat hóa phụ thuộc vào tác động của các tác nhân từ môi trường ngoài như: độ ẩm không khí, nhiệt độ, hàm lượng CO2 và tính chất cơ lý của bêtông như độ kiềm và độ thẩm thấu, điều kiện lý tưởng thúc đẩy quá trình carbonat hóa hoạt động mạnh là khi độ ẩm không khí ở mức 6075%. Hơn nữa, tốc độ quá trình carbonat hóa tăng dần khi hàm lượng CO2 trong không khí và nhiệt độ tăng dần, mặt khác hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để tăng độ kiềm và làm chậm quá trình carbonat hóa. Hình 1.3. Sự Phá vỡ sự kết dính giữa bêtông và cốt thép - Ăn mòn của các axit khác: Trong số những axit vô cơ thường gặp (trừ axit cacbonic) tác dụng lên đá xi măng và bêtông như axit clohydric, axit sunfuric, axit nitơric và các axit hữu cơ như axit axctic, axit lactic... khi bị tác dụng của axit này đá sẽ bị phân hủy. - Sự ăn mòn của dung dịch muối Magiê: Muối magiê cơ bản là hai loại muối MgCl2 và MgSO4. Sự ăn mòn của loại muối này chủ yếu do chúng tương tác với hydroxyt canxi 6 có trong đá xi măng. Phản ứng chính diễn ra giữa Ca(OH)2 có trong đá xi măng với muối Magiê như sau: MgSO4  Ca  OH 2  2 H 2O  CaSO4 . 2 H 2O  Mg  OH 2 MgCl2  Ca  OH 2  CaCl2  Mg  OH 2 1 2 Khi bê tông càng bị thấm nhiều và hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng càng nhiều thì sẽ tạo ra chất vô định màu trắng càng nhiều và làm cho tính chất cơ học của kết cấu bêtông càng bị suy giảm. - Ăn mòn do dung dịch kiềm: Khi bê tông ở trong dung dịch kiềm loãng, sau đó tiếp xúc với không khí, trong bêtông sẽ bị cabonat hóa sinh ra các muối cabonat (Na2CO4) kết tinh phá vỡ kết cấu bêtông. Trong dung dịch kiềm đặc, tuy độ hòa tan Ca(OH)2 có giảm đi rõ rệt, nhưng lượng OH  sinh ra lại làm cho các oxit và silicat bị hòa tan, từ đó dẫn đến phá hoại bêtông . - Ăn mòn các muối sunfat: Quá trình thấm ion SO42 vào bêtông, tương tác với các sản phẩn thủy hóa của xi măng, gây trương nở thể tích và phá hủy kết cấu. Quá trình ăn mòn diễn ra như sau: Đầu tiên là sự tương tác của MgSO4 và Ca(OH)2 theo phương trình (1). Khi môi trường chứa muối Na2SO4, thì đầu tiên là tương tác của sunfat Natri với hydroxyt canxi theo phương trình: Na2 SO4  Ca  OH 2  2H 2O  CaSO4 . 2H 2O  NaOH  3 Sản phẩm CaSO4. 2H2O được tạo thành tăng thể tích lên 2,34 lần so với hydroxyt canxi. Sau đó tạo ra CaSO4.2H2O lại tác dụng với 3CaO.Al2O3.6H2O tạo ra 3CaO.Al2O3. .3CaSO4.31H2O loại muối này nằm trong bêtông và làm tăng thể tích trong bêtông gây ra phá vỡ kết cấu bêtông . b. Nguyên nhân gây ra ăn mòn cốt thép trong bêtông - Ăn mòn cốt thép trong bêtông diễn ra dưới dạng ăn mòn điện hóa. Ở dạng ăn mòn này các nguyên tử sắt trong cốt thép tách ra khỏi mạng lưới tinh thế và trở thành ion mạch điện trong dung dịch, dưới tác dụng của ion OH  trong môi trường tạo ra các sản phẩm gỉ Fe2O4.Fe(OH)2.Fe(OH)3, Fe(OH)2.H2O. Các sản phẩm này tích tụ trên bề mặt cốt thép với thể tích gấp 4-6 lần so với thành phần ban đầu, chính vì vậy gây ra nội ứng xuất phá hoại cấu trúc bêtông dọc theo vị trí đặt thép, làm cho tác nhân gây xâm thực và gây ra hiên tượng ăn mòn cốt thép trong bêtông tăng nhanh. Quá trình gỉ chỉ có thể xảy ra nếu như bêtông đủ khả năng dẫn điện nhờ một lượng ngậm nước nhất định vì lúc này có sự phân cực cách biệt giữa catôt và anôt (Hình 1.4). 7 Hình 1.4. Sơ đồ rỉ cốt thép do quá trình điện hóa Sự xâm nhập của ion Cl  : Quá trình xâm nhập của clorua không trực tiếp ăn mòn cốt thép (trừ trường hợp phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển), clorua đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT. Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clorua khác quá trình carbonat hóa ở chỗ ion clorua xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13) (Hình 1.5). Có 4 cơ chế xâm nhập của ion clorua qua lớp bảo vệ bêtông: sự hút mao dẫn, sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion clorua cao trên bề mặt BTCT, thẩm thấu dưới áp lực căng bề mặt và sự dịch chuyển do chênh lệch điện thế. Hình 1.5.Cơ chế ăn mòn điện hóa thép trong bêtông khi có mặt ion Cl  c. Do sai sót trong quá trình khảo sát thiết kế, thi công và sử dụng: Trong quá trình khảo sát thiết kế. Người thực hiện việc khảo sát và thiết kế chưa tính toán đảm bảo đúng khả năng làm việc của kết cấu đến môi trường xung quanh như sai sót trong quá trình khảo sát địa chất, địa tầng gây sụt lún cục bộ... trong quá trình thiết kế có sai sót trong tải trọng tính toán, sai sót trong bố trí khả năng chịu lực của kết cấu... 8 Trong quá trình thi công và sử dụng. Đơn vị thi công không đảm bảo đúng yêu cầu của thiết kế, trong khi đó quá trình sử dụng công trìnhvượt quá tải trọng tính toán cho phép của kết cấu gây ảnh hưởng đến khả năng làm việc của kết cấu như: - Nứt do co ngót bê tông (do không đảm bảo điều kiện thi công bê tông và dưỡng hộ bê tông). Các vết nứt do co ngót xảy ra do nước bốc hơi quá nhanh khỏi bề mặt bê tông. Điều này làm cho phần mặt trên của tấm sàn bê tông khô nhanh hơn phần đáy. Do đó hai mặt của sàn biến dạng khác nhau, làm sản sinh ra lực kéo lẫn nhau. Hiện tượng này dễ xảy ra khi trời nắng, gió hoặc độ ẩm thấp Hình 1.6. Nứt do co ngót bê tông - Nứt bê tông do lún (khi khảo sát thiết kế chưa tính đầy đủ các trường hợp xảy ra) Khi nền móng của công trình dịch chuyển sẽ gây ra hiện tượng nứt sàn, nứt tường. Thường thì nứt do lún móng là trường hợp nghiêm trọng. Đây có thể là kết quả của việc lu lèn nền đất chưa đủ độ chặt. Một nguyên nhân khác dẫn đến lún là do xói mòn đất nền. Cũng có thể là do đất nền quá yếu mà bạn lại không chú ý, và bỏ qua điều này. Ở những công trình nhà dân dụng có móng nông, và có cây cối lớn xung quanh, thì các rễ cây có thể là nguyên nhân gây nứt. 9 Hình 1.7. Nứt bê tông do lún 1.2. Tổng quan về quá trình cải tạo, nâng cấp và chuyển đổi mục đích sử dụng của công trình bê tông cốt thép. Trong những năm trước 1991, thực hiện chính sách bao cấp về nhà ở, cùng với quỹ nhà tiếp quản từ chế độ cũ, Nhà nước đã đầu tư xây dựng khoảng hơn 3 triệu m2 nhà ở chung cư và các công trình trụ sở các cơ quan hành chính. Trong giai đoạn 1960 – 1970, các công trình chủ yếu là chung cư, trụ sở cơ quan hành chính từ 2 – 4 tầng, sử dụng kết cấu tường gạch chịu lực, thi công bằng phương pháp thủ công; giai đoạn 1970 – 1980 ngoài loại nhà ở chung cư , trụ sở cớ quan hành chính với kết cấu tường gạch chịu lực đã phát triển thêm loại hình nhà ở chung cư , trụ sở cơ quan hành chính với kết cấu bê tông lắp ghép có chiều cao tối đa là 5 tầng; giai đoạn 1980-1990 phát triển thêm loại hình nhà ở chung cư, trụ sở cơ quan hành chính với kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực với chiều cao tối đa 6 tầng. Đến nay, cả nước hiện còn gần 1.690 chung cư cũ, trụ sở hành chính cũ, tập trung nhiều nhất ở hai đô thị trung tâm là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh. Hà Nội có khoảng 1.155 nhà chung cư, trụ sở hành chính cao 4-6 tầng và 10 khu thấp từ 1-3 tầng. Trong đó, có hơn 980 chung cư, trụ sở hành chính được xây dựng trước năm 1990 và tập trung tại các quận nội thành cũ. Tổng diện tích các chung cư này lên tới 1,7 triệu m2 và cần được cải tạo xây dựng lại. Ngoài ra còn các khu nhà tập thể đơn lẻ, quy mô nhỏ, khu nhà cơ quan hành chính nhà nước sử dụng quản lý nằm rải rác, xen kẽ trong các khu phố. Sau nhiều năm sử dụng, do sự gia tăng dân số cùng với sự thiếu quan tâm trong công tác quản lý dẫn đến quy hoạch, kiến trúc và chất lượng công trình nhà ở các khu chung, các công trình trụ sở hành chính nhà nước cũng như một số công trình công cộng, công trình dân cư cũ đã bị biến dạng và xuống cấp nghiêm trọng. 10 Quy hoạch toàn khu và hình thức kiến trúc công trình bị thay đổi do tình trạng xây dựng lấn chiếm, cơi nới tự do, tùy tiện; Hệ thống hạ tầng đã bị quá tải và xuống cấp trầm trọng gây ô nhiễm, mất vệ sinh môi trường, thiếu điều kiện sinh hoạt… cần được sớm thực hiện cải tạo và xây mới để đảm bảo chất lượng cuộc sống và diện mạo cảnh quan đô thị. Tuy nhiên, sau 10 năm nỗ lực thực hiện chương trình này, Hà Nội cũng chỉ mới cải tạo, xây dựng lại được 14 nhà chung cư, trụ sở cũ. TP Hồ Chí Minh có trên 530 chung cư được xây dựng từ trước năm 1975. Việc cải tạo, xây dựng lại các khu chung cư, nhà ở tập thể cũng như các trụ sở hành chính cũ trên cả nước đặc biệt tại hai thành phố lớn là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh còn hạn chế. Vẫn còn nhiều khu chung cư, nhà ở cũ đã hư hỏng, xuống cấp nặng vẫn chưa được cải tạo, xây dựng lại do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan, rất cần những giải pháp tháo gỡ một cách hiệu quả trong thời gian tới. Thời gian qua, Nhà nước và các bộ ngành liên quan, chính quyền đô thị đã ban hành rất nhiều văn bản quy định của pháp luật nhằm hỗ trợ hành lang pháp lý và hướng dẫn thực hiện đẩy mạnh công tác cải tạo nhà chung cư cũ. Tuy nhiên các giải pháp vẫn chưa được đặt ra. Trước tình hình đó, việc lựa chọn thay đổi dây chuyền công nghệ, kiến trúc không gian, cải tạo các chung cư cũ, trụ sở hành chính, các nhà ở tập thể và cả nhà công cộng, nhà ở riêng lẻ khu dân cư cũ cần được được cải tạo để đáp ứng việc thay đổi về: Dây chuyền công nghệ, không gian kiến trúc, thay đổi về tải trọng. Hình 1.8. Khu chung cư Thành Công, Hà Nội 11 Hình 1.9. Mặt tiền Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh cải tạo, thay đổi công năng Hình 1.10. Sơ đồ kết cấu Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh được cải tạo, thay đổi Việc thay đổi công năng, sơ đồ kết cấu công trình cũ là xu thế tất yếu để đảm bảo sự làm việc hiệu quả, làm giảm chi phí đầu tư cho mục đích sử dụng mới. Tuy nhiên việc thay đổi công năng sử dụng của công trình cần đảm bảo khả năng chịu lực của cấu kiện, gia cố các vị trí hợp lý làm tăng khả năng chịu lực của tiết diện, cấu kiện sau khi thay đổi sơ đồ làm việc của kết cấu. 12 Hiện nay, nhiều đơn vị thực hiện dịch vụ tư vấn và thi công cải tạo công trình bê tông cốt thép đã được thành lập đáp ứng nhu cầu cấp thiết của thực tế, đảm bảo về nhu cầu về công năng sử dụng và kinh phí thực hiện cải tạo dự án. Tuy nhiên việc thay đổi công năng sử dụng của công trình vẫn đang còn khó khăn, chỉ đảm bảo một phần nhu cầu thiết thực của công trình. Vì vậy, vấn đề đặt ra cần có giải pháp gia cường, cải tạo kết cấu một cách hiện đại, nhiều ưu điểm hơn, vượt trội hơn để đáp ứng đầy đủ các nhu cầu ngày càng cao của công trình. 1.3. Các phương pháp gia cường kết cấu. Hiện nay, có nhiều phương pháp để gia cường kết cấu bê tông cốt thép như bổ sung một lớp bê tông đổ tại chỗ ở vùng chịu nén hoặc bê tông cốt thép có hàm lượng cốt thép cao ở vùng chịu kéo của mặt cắt kết cấu để gia tăng cánh tay đòn hay khoảng cách giữa trọng tâm vùng bê tông chịu nén và trọng tâm cốt thép vùng chịu kéo. Điều này sẽ mang lại một khả năng chịu lực uốn lớn hơn cho kết cấu. Ngoài ra, phương pháp này thường kết hợp với việc bổ sung thêm cốt thép và phun vữa bê tông bảo vệ ở vùng chịu kéo. Tuy nhiên, giải pháp này dẫn tới việc làm tăng đáng kể trọng lượng cũng như chiều cao của kết cấu. Việc thi công cũng không được sạch sẽ và tạo tiếng ồn cũng như tác động tới môi trường. Một phương pháp nổi bật nữa là việc sử dụng cáp dự ứng lực ngoài. Theo đó, một số ụ neo được làm mới và gắn vào kết cấu cần gia cường. Các cáp dự ứng lực ngoài được kéo và neo vào các ụ neo này. Việc gia cường bằng phương pháp sử dụng dự ứng lực ngoài thường áp dụng cho các cấu kiện có kích thước lớn, ví dụ như dầm cầu, sàn nhà khẩu độ lớn, và được thực hiện ở vùng chịu kéo do lực dọc và mô men. Để khắc phục những hạn chế trên thì phương pháp gia cường bằng phương pháp dán tấm thép, phương pháp gia cường bằng tấm sợi thủy tinh GFRP, gia cường bằng tấm sợi các bon CFRP dần được thay thế. Với phương pháp thi công đơn giản, vật liệu gọn nhẹ và hiệu quả gia cường cao. 1.3.1. Gia cường bằng phương pháp dán tấm thép Việc gia cường, sửa chữa, tăng khả năng kháng uốn bằng phương pháp dán tấm thép đã được thực hiện từ cách đây khoảng 40 năm trước. Phương pháp này được sử dụng trong điều kiện mặt bằng thi công rộng rãi và khi khả năng kháng uốn của kết cấu bị suy giảm do một số nguyên nhân, tác động từ biên ngoài. Cấu tạo và vật liệu sử dụng chính: Sử sụng tấm thép để gia cường kết hợp keo epoxy làm chất liệu kết dính, khoan neo tấm thép vào kết cấu chịu uốn nhằm định vị và tăng khả năng làm việc của tấm thép. Khi thực hiện cần đáp ứng các điều kiện sau: - Tại các vị trí cần dán thép tấm, bề mặt bê tông phải mài thật phẳng để lớp thép tấm có thể tiếp xúc đa diện tích bề mặt khi dán. 13 - Hạn chế tối đa số lượng lỗ khoan neo giữ tấm thép vào bê tông. Vì càng khoan nhiều, sàn bê tông hiện trạng càng bị giảm yếu. Hình 1.11. Gia cường sàn bê tông cố thép bằng phương pháp dán tấm thép Ưu điểm: Thích hợp cho việc gia cường các cấu kiện chịu uốn, có hiệu quả kỹ thuật cao,không làm tăng chiều cao kiến trúc của kết cấu, không làm thu hẹp tĩnh không của công trình Nhược điểm: Việc thi công phức tạp, đòi hỏi rất nhiều kỹ thuật thi công chính xác, giá thành thi công cao. Tăng tĩnh tải lên hệ kết cấu, lớp thép ngoài dễ bị rỉ. 14 1.3.2. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi thủy tinh GFRP. Trong vòng 20 năm gần đây, việc gia cường kết cấu bằng dán tấm thép được thay thế dần bằng phương phương pháp dán tấm thủy tinh GFRP (glass fiber reinforced polymer) Cấu tạo và các vật liệu chính: Tấm thủy tinh GFRP được cấu tạo từ nền epoxy và cốt sợi thủy tinh tạo nên tấm composite có lớp kết dính tạo nhám và lớp hỗn hợp chống cháy. Bó sợi thuỷ tinh sau khi được tẩm chất kết dính sẽ chạy qua lò gia nhiệt tại đây quá trình đóng rắn hay phản ứng khâu mạch của chất kết kính sẽ sảy ra tạo thành polyme. Sản phẩm được làm nguội và cắt thành cây có chiều dài 11.7m hoặc thành những cuộn tròn có chiều dài 100m tuỳ theo yêu cầu Ưu điểm: Tấm sợi thủy tinh có khả năng Chống ăn mòn trong các môi trường nước biển và môi trường Axit, Kiềm. Có độ bền kéo cao. Độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp. Không có từ tính. Nhược điểm: Tấm sợi thủy tinh không thể uốn tại công trường, thi công phức tạp, khả năng chịu nhiệt thấp. Hình 1.12: Các thông số kỹ thuật của một số tấm sợi thủy tinh 1.3.3. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi các bon CFRP Trong những năm gần đây thì việc gia cường bằng phương pháp dán tấm các bon CFRP cho thấy nhiều ưu điểm nổi trội so với phương truyền thống (sử dụng thép tấm, tấm sợi thủy tinh, tăng tiết diện kết cấu….). Phương pháp mới này tận dụng được ưu điểm khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở thành một giải pháp rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố cho các công trình bê tông cốt thép.