Bài giảng Sửa chữa, gia cố kết cấu công trình - Chương 3: Gia cố kết cấu BTCT - Vũ Hoàng Hiệp

Chương 3:
GIA CỐ KẾT CẤU BTCT
§3.1. Nguyên tắc gia cố
3.1.1. Khái niệm suy thoái (sự xuống cấp của công trình)
Có thể chia ra 2 dạng suy thoái
a) Suy thoái vật chất:
- Suy thoái chất lượng vật liệu: cường độ, độ cứng giảm; vật liệu
bị thay đổi cấu trúc, xốp rỗng, mất các tính năng ban đầu...
- Suy thoái về khả năng chịu lực của kết cấu
- Suy thoái về khả năng sử dụng kết cấu (cong vênh, võng,
thấm, ẩm, cách âm, cách nhiệt, ...)
Khái niệm suy thoái (sự xuống cấp của công trình)
b) Suy thoái về mặt tiện nghi:
- Quy hoạch không còn phù hợp
- Công năng không còn đáp ứng điều kiện sống mới
- Các điều kiện ánh sáng, thông gió, kỹ thuật hạ tầng... không
đảm bảo
3.1.2. Lý do cần gia cố kết cấu công trình
Cần gia cố (gia cường) lại các kết cấu để khắc phục và tăng chất
lượng của các kết cấu nhằm sử dụng và khai thác được lâu hơn
hoặc đáp ứng yêu cầu sử dụng mới.
3.1.3. Nguyên tắc gia cố
● Phù hợp với yêu cầu sử dụng của công trình, điều kiện
phương tiện, vật liệu và khả năng thi công.
● Đảm bảo điều kiện kỹ thuật: kết cấu đạt khả năng chịu tải yêu
cầu, đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa kết cấu gia cố và kết
cấu được gia cố. Không gây ảnh hưởng bất lợi đến các kết cấu
khác trong tổng thể cả hệ kết cấu.
● Đảm bảo tính kinh tế.
● Đặc biệt cần ngăn chặn, hạn chế được nguyên nhân gây hư
hỏng, suy thoái kết cấu.
3.1.4. Các phương pháp chung dùng khi gia cố
● Gia cố giữ nguyên sơ đồ kết cấu, thay đổi chất lượng vật liệu
hoặc tiết diện cấu kiện.
● Gia cố có thay đổi sơ đồ kết cấu.
3.1.5. Yêu cầu chung về vật liệu dùng khi gia cố
● Về tính chất cơ - lý:
- Có cường độ không nhỏ hơn vật liệu cũ
- Có mô-đun đàn hồi tương đồng
- Có hệ số giãn nở nhiệt xấp xỉ vật liệu cũ
- Có khả năng tự bám dính tốt hoặc thông qua tác nhân bám
dính khác
- Hạn chế được co ngót, từ biến
● Về khả năng chịu tác động môi trường
- Chịu được tác động nhiệt, không gây phát sinh ứng suất bóc
tách lớn
- Chống tác nhân xâm thực, chống ăn mòn
3.1.5. Yêu cầu chung về vật liệu dùng khi gia cố
● Về tính năng thi công:
- Vật liệu sửa chữa được chọn phải phù hợp, thuận lợi trong điều
kiện thi công chật hẹp, công trình đang vận hành
- Đáp ứng thời gian thi công (khi cần phải sử dụng vật liệu phát
triển cường độ nhanh)
- Có tính năng thi công tốt (độ linh động, độ bám dính, tính
trương nở)
● Các yêu cầu cụ thể đối với vật liệu trình bày trong từng công
tác gia cố
§3.2. Các giải pháp gia cố kết cấu BTCT
3.2.1. Gia cố (gia cường) bằng cách tăng kích thước tiết diện
a. Đặc điểm cấu tạo
*) Gia cường cho dầm:
Chi tiết phương án tăng cốt dọc chịu lực cho dầm
- Trường hợp tăng KNCL của dầm không nhiều:
+) Tăng số lượng thép dọc chịu lực bằng cách hàn thêm với
thép cũ của dầm, trát vữa hoặc phun bê tông bảo vệ.
+) Đặt các nêm bằng thép dài 80-200mm, hàn cách nhau
1000mm. Các nêm thường dùng thép tròn đường kính 10-
30mm.
- Trường hợp cần tăng KNCL nhiều:
+) Tăng thêm thép dọc chịu lực bằng cách hàn với các đoạn
thép vai bò
+) Hàn thép dọc mới với cốt đai
Chi tiết phương án tăng tiết diện
- Phương pháp đúc bê tông gia cường:
+) Đục lỗ trên sàn và xọc vữa xuống dầm
+) Phun bê tông vỏ áo thành nhiều lớp, mỗi lớp không
quá 15mm
- Đặc điểm của phương pháp:
+) Thi công phức tạp, phải thi công giàn giáo cốp pha
trong toàn đoạn sửa chữa gia cường
+) Phải tốn nhiều công sức lao động
+) Thi công trong điều kiện khó khăn, ảnh hưởng đến
quá trình sử dụng hoặc sản xuất
+) Kinh tế, tốn ít vật liệu nhưng hiệu quả tốt
+) Giữ nguyên được tính toàn khối của kết cấu
*) Gia cường cho sàn tầng
Các biện pháp gia cường cho sàn tầng:
+) Tiến hành đổ một lớp bê tông cốt thép mới dày hơn 5cm lên
trên sàn cũ
+) Nếu không thể hoặc không tiện dùng cách trên, tiến hành
hàn vào dưới cốt thép nhịp cũ một số cốt thép gia cường, nối
nhau bằng những đoạn thép ngắn khác rồi phun một lớp bê tông
dày hơn 2cm ra ngoài.
+) Nếu liên kết giữa 2 lớp bê tông không đảm bảo, lớp bê tông
mới cần dày hơn 5cm và coi như độc lập, tấm sàn cũ phải dỡ
toàn bộ tải trọng
Đặc điểm:
Phương pháp đơn giản nhưng giá thành cao
*) Gia cường cho cột
- Cột có thể được gia cường bằng một vỏ áo cũng bằng bê tông
cốt thép với những cốt thép dọc và cốt đai đặt theo tính toán
- Chiều dày lớp vỏ áo phải lớn hơn:
+) 5cm nếu đúc bê tông có cốp pha
+) 3cm nếu áp dụng biện pháp phun bê tông
- Trước khi gia cường cần đập vỡ các cạnh góc cột và gia công
mặt bê tông cũ
- Nếu gia cường bằng vỏ áo gặp khó khăn, có thể tăng tiết diện
cột về một hoặc hai phía
- Gia cường bằng cách tăng tiết diện cột không cần làm suốt
chiều dài của cột mà chỉ cần gia cường cục bộ ở những nơi có hư
hỏng hoặc ứng suất quá lớn
*) Gia cường móng
- Tùy theo tải trọng truyền xuống móng, diện tích đế móng phải
tăng lên hoặc hạ thêm cọc và làm đài cọc mở rộng để truyền tải
trọng xuống cọc mới
- Thông thường vỏ áo móng gia cường được nối liền với vỏ áo
cột gia cường
- Nếu không cần gia cường cột , vỏ áo móng nên kéo dài lên cao
quá chân cột khoảng từ 1 đến 1,5m
- Mặt ngoài của vỏ áo móng thường dốc, cần làm cốp pha ngoài
khi đúc bê tông
Gia cường móng cột bê tông cốt thép
a) Không tăng diện tích đế móng b) Có tăng diện tích đế móng
c) Có thêm cọc mới
3.1.2. Đặc điểm thiết kế
- Trường hợp thiết kế các tiết diện gia cường bằng cách mở rộng
ra một hay nhiều phía mà đảm bảo tính toàn khối khi thi công:
+) Kết cấu được coi là một cấu kiện đúc liền duy nhất.
+) Cốt thép trong kết cấu cũ và cốt thép bổ sung để gia cường, ở
trạng thái giới hạn đều đạt tới cường độ tính toán.
+) Cốt dọc trong kết cấu cũ, đặt cách thanh chịu kéo của tiết diện
mới gia cường một khoảng lớn hơn 0,5(h-x), được coi như làm
việc bằng 80% cường độ thiết kế, nghĩa là 0,8Rs
+) Cốt đai trong kết cấu cũ và trong kết cấu gia cường cùng làm
việc kết hợp chung.
+) Phần cột cũ được tính như chịu nén cục bộ.
- Trường hợp thi công không đảm bảo liền khối thì coi như tính
toán độc lập hai phần cũ và mới.
3.2. Gia cường dầm BTCT bằng cách thêm gối tựa cứng
3.2.1. Cấu tạo
- Các gối tựa mới có thể là những cột đơn, cây chống xiên hoặc
những thanh treo nhằm làm giảm nhịp của dầm:
+) Nếu sử dụng loại cột, cây chống đơn, cần có móng riêng.
+) Nếu sử dụng loại cây chống xiên tì lên các cấu kiện khác của
công trình, các kết cấu này phải chịu được lực đạp của cây
chống hoặc gia cường thêm.
+) Gia cường bằng thanh treo được áp dụng vào việc gia cường
các dầm nằm trong mặt phẳng có tường ngăn của khung nhà
BTCT.
Gia cường dầm bằng gối tựa cứng: a) Cột chống bằng thép b) Cột chống bằng
BTCT c,d) Cây chống xiên e) Thanh treo bằng BTCT g) Thanh treo bằng thép
Đặc điểm chi tiết liên kết:
- Đầu cột chống bê tông cốt thép là một đai ôm lấy dầm cần
gia cường; ở đây cốt thép gối tựa hàn liền vào cốt thép phá lộ
ra của dầm cũ (hình a)
- Nối liền vào cốt thép dầm cũ bằng những cốt thép riêng làm
thành đai ôm (hình b và d).
- Đúc bê tông các cột chống đứng hay cây chống xiên nên
ngừng cách dầm một đoạn độ 200 – 500mm. Đoạn còn lại này
sẽ đúc bê tông tiếp cùng với đai ôm quanh dầm sau khi đặt
xong cốt thép liên kết.
- Trường hợp cần thiết sau khi đúc bê tông đầu gối tựa xong
người ta đội dầm lên bằng loại nêm đặt vào khe hở có sẵn đó
(hình h)
- Cách liên kết cây chống xiên bê tông cốt thép với dầm cần
gia cường bằng đai thép (hình e )
3.2.2. Đặc điểm thiết kế
- Sơ đồ tính của dầm khi tì lên gối tựa cứng đã thay đổi, vậy cần
phải tính toán kiểm tra lại nội lực.
- Biểu đồ mômen uốn mới của dầm không được vượt ra ngoài
phạm vi biểu đồ mômen uốn cũ, vì từ đó đã tính ra các cốt thép
có sẵn trong kết cấu
- Khi thiết kế lại dầm gia cường bằng gối tựa cứng để chịu thêm
tải trọng cần phải xác định những tải trọng đã gây nên biến dạng
và nội lực ban đầu trong dầm
- Cần chọn được những nội lực ban đầu này sao cho khi kê các
gối tựa mới và khi chất thêm tải lên dầm thì không tạo nên trong
kết cấu này những mômen uốn ngược dấu, còn trong các khẩu độ
thì mômen uốn mới không vượt quá trị số ban đầu của nó
- Khi tính toán lại dầm cần có biểu đồ mômen uốn thành lập theo
tiết diện cốt thép có sẵn trong kết cấu
- Nếu không có bản vẽ thiết kế dầm mà muốn biết sự bố trí cốt
thép trong kết cấu đó thì phải đục những rãnh sau này lại lấp lại
rãnh bằng xi măng hoặc dùng pp không phá hủy kiểm tra.
- Khi đã thành lập xong biểu đồ mômen uốn cũ, thành lập biểu đồ
mômen mới theo sơ đồ tĩnh học mới có các gối tựa trung gian và
tải trọng mới.
- Đối chiếu nhận định những chỗ cần điều chỉnh nội lực.
- Cần kiểm tra khả năng chịu cắt tại tiết diện cạnh gối đỡ.
- Kiểm tra khả năng xuất hiện vết nứt do mômen đổi dấu.
3.3. Gia cường dầm BTCT bằng các gối tựa đàn hồi
3.3.1. Đặc điểm cấu tạo
- Để tăng khả năng chịu tải của dầm, có thể làm thêm những gối
tựa trung gian đàn hồi, nhằm giảm bớt nhịp dầm.
- Gối tựa đàn hồi của dầm là một kết cấu chịu uốn khác; được
liên kết vào các kết cấu chịu lực chính của công trình để làm
việc kết hợp đồng thời với dầm gia cường.
- Gối tựa đàn hồi có những dạng sau:
a- Dạng dầm hay dạng khung bêtông cốt thép
- Muốn giảm tải cho dầm chính bê tông cốt thép thì bản thân kết
cấu làm nhiệm vụ gia cường phải có độ cứng lớn.
- Dầm bê tông cốt thép gia cường có thể bố trí ở trên hay ở dưới
dầm chính (hình a, b)
Gối tựa đàn hồi dạng dầm
a) Dầm đỡ đàn hồi đặt dưới
dầm chính
b) Dầm đỡ đàn hồi đặt trên
dầm chính
c) Đai liên kết dầm đỡ vào
cột nhà
d) Dầm đỡ đặt trên dầm
chính với thiết bị kích nêm
e) Đai liên kết dầm đỡ vào
cột bằng thép hình
b- Dạng thanh chống hay thanh treo
- Những dầm khác chưa được sử dụng hết khả năng có thể đưa
vào làm việc kết hợp với dầm gia cường bằng thanh treo hay
thanh chống
c- Dạng dầm thép
- Dầm thép gia cường treo bên dưới dầm bê tông cốt thép cần gia
cường
- Gối tựa là những mảnh thép chèn độn vào khe hở giữa hai dầm
ở điểm giữa nhịp. Lúc này hai dầm không làm việc đồng thời vì
dầm bê tông cốt thép cứng hơn dầm thép
Gối tựa đàn hồi dạng dầm thép
a) Khi không chống căng ở giữa nhịp b) Khi có chống căng giữa nhịp
d- Dạng giàn thép
3.3.2. Đặc điểm tính toán
- Nội lực xuất hiện phụ thuộc tương quan độ cứng giữa hai kết
cấu cũ- mới.
- Xác định độ cứng gối tựa đàn hồi.
- Tính toán sao cho biến dạng hai kết cấu cùng nhau để đảm bảo
chúng đồng thời làm việc.
3.4. Gia cường dầm BTCT bằng thanh căng ƯLT
3.4.1. Đặc điểm cấu tạo
- Thanh căng: Thép thanh cường độ cao bắt bu lông 2 đầu hoặc
cáp cường độ cao.
- Liên kết gối tựa: Phải được gia cố bằng các đai thép hình tránh
phá hỏng cục bộ.
- Tăng ứng lực trong dây: Dùng bu lông vặn tạo lực căng, bóp
chéo thanh căng, dùng kích tạo lực căng.
- Bơm vữa hoặc trát bảo vệ thanh căng.
3.4.2. Đặc điểm tính toán
- Sơ bộ chọn tiết diện dây căng
- Xác định ứng suất trong dây căng
- Tính toán lại nội lực kết cấu có dây căng, khả năng chịu lực
3.5. Dùng lá thép hoặc tấm sợi các-bon dán vào kết cấu
Tấm polyme cốt sợi Các bon: CFRP
Tấm polyme cốt sợ thủy tinh: GFRP
Ví dụ tấm Carbo Duo có đặc trưng:
-Nhẹ hơn 20% so với thép
-Cường độ chịu kéo: 1300-2800 Mpa
-Độ dày 1-1,5 mm
-Chất kết dính: keo epoxy
Mô tả thi công
Đặc điểm tính toán
- Quan niệm tính
- Tiêu chuẩn tính toán: ACI 440
Ôn tập chương 3
1.Nêu nguyên tắc chung khi gia cố kết cấu
BTCT?
2.Các giải pháp gia cố kết cấu BTCT: đặc điểm
cấu tạo, thi công, tính toán của từng giải
pháp?