Bài giảng Bệnh học và sửa chữa công trình: Phần 3.3 - TS. Nguyễn Hoàng Giang

Phần 3.3
GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP


NỘI DUNG CỦA PHẦN 3.3
ƒ MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT
ƒ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG
ƒ PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BỌC NGOÀI BẰNG BÊ TÔNG
ƒ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP
ƒ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE
((Fibres Reinforced Polymers
y
- FRP))
ƒ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ỨNG LỰC
TRƯỚC CĂNG NGOÀI


MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC GIA CƯỜNG
ƒ Do nhiều nguyên nhân khác nhau, kết cấu công trình bị hư hỏng, giảm khả
năng làm việc
ƒ Mục đích của việc gia cường kết cấu nhằm tăng khả năng chịu lực qua đó
kéo dài tuổi thọ của công trình xây dựng như thiết kế ban đầu
ƒ Việc
Việ gia
i cường
ờ cũng
ũ đ
được thực
h
hiện
hiệ khi thay

h đổi mục đích
đí h sử
ử dụng
d
kết
kế cấu
ấ
(công trình) so với thiết kế đề ra ban đầu


CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG
Phân loại các phương pháp gia cường :
ƒ Gia cường
g chủ động
ộ g hoặc
ặ g
gia cường
g thụ
ụ động
ộ g
Căn cứ vào cách tác dụng lực lên bộ phận cấu kiện dùng để gia cường
Phương pháp gia cường chủ động: ứng
suất trước bộ phận gia cường trước khi
kết cấu gia cường chịu tác dụng của
hoạt tải
Gia cường chủ động dầm BTCT bằng
ứng suất trước

Thanh căng làm việc
ngay khi chưa có hoạt tải

tác dụng lên kết cấu gia
cường

Phương pháp gia cường thụ động: ứng
suất trong bộ phận gia cường chỉ xuất
hiện khi có hoạt tải tác dụng lên kết cấu
gia cường
Gia cường thụ động dầm BTCT
bằng cách dán bản thép

Bản thép chỉ chịu lực khi
có hoạt tải tác dụng lên
dầm. Khi dầm bị võng, bản
thép bắt
ắ đầu
ầ tham gia chịu
lực với dầm


CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG
Phân loại các phương pháp gia cường :
ƒ Theo vật liệu sử dụng để gia cường :
- Cốt thép
- Bê tông
- Bản thép
- Vật liệu
liệ composite
it

ƒ Điều chỉnh lực tác dụng lên kết cấu

- Ứng lực trước căng ngoài
- Bổ xung gối tựa


PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BỌC NGOÀI BẰNG BÊ TÔNG

- Tăng diện tích mặt cắt tiết diện và hàm lượng thép từ đó nâng cao khả
năng chịu tải và độ cứng của kết cấu được gia cường
- Có thể gia cường bọc xung quanh phía ngoài, gia cường 1 mặt, 2 mặt…
- Áp dụng cho kết cấu cột, dầm, sàn BTCT

Một số dạng gia cường kết cấu cột
Concrete repair and maintenance illustrated – P.H Emmons


PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BỌC NGOÀI BẰNG BÊ TÔNG

Một số dạng gia cường kết cấu dầm

Một số
ố dạng
d
gia
i cường
ờ kết cấu
ấ sàn
à

Concrete repair and maintenance illustrated – P.H Emmons

PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BỌC NGOÀI BẰNG BÊ TÔNG

Nguyên lý thiết kế của phương pháp gia cường bọc ngoài bằng
bê tông
- Kết cấu được gia cường làm việc như là một kết cấu đúc toàn khối duy nhất
- Cốt thép trong kết cấu cũ và cốt thép bổ xung để gia cường, ở trạng thái
giới hạn, đều đạt tới cường độ tính toán của loại thép sử dụng
- Cốt dọc trong kết cấu cũ đặt cách cạnh chịu kéo của tiết diện mới gia cường
một khoảng lớn hơn 0,5(h-x) thì coi cốt dọc đó sẽ làm việc, ở trạng thái giới
hạn, bằng 80% cường độ thiết kế (0,8Ra)
- Cốt đai trong kết cấu cũ và trong kết cấu gia cường cùng làm việc chung


PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BỌC NGOÀI BẰNG BÊ TÔNG

Ví dụ thiết kế gia cường dầm bằng tăng tiết diện vùng kéo
x

α Rn b

h

h

o

ma Ra Fa

a

Δh
Δ

a

o

M yc

m att R att Fat

b

- Thiếu
Thiế hụt
h t về
ề khả năng
ă
chịu
hị tải (hoặc
(h ặ tải trọng
t
gia
i tăng)
tă ) : ΔM
- Chiều cao lớp bê tông gia cường xác định trước ( a, a0 )
- ma, mat : hệ số lấy bằng 0,85
0 85
- Cường độ chịu nén bê tông Rn; cường độ của thép Ra, Rat

PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BỌC NGOÀI BẰNG BÊ TÔNG

Ví dụ thiết kế gia cường dầm bằng tăng tiết diện vùng kéo
- Bước 1 : Xác định khả năng chịu lực hiện trạng của kết cấu
- Bước 2 : Xác định sơ bộ diện tích cốt thép gia cường Fat

Fat =

ΔM

Z = ξ (h0 + Δh )

ξ = 0,6 ÷ 0,8

mat ZRat

- Bước
B ớ 3 : Kiể
Kiểm tra khả năng
ă
chịu
hị tải
ải của
ủ tiết
iế diện
diệ sau gia
i cường
ờ

x
x
[M ] = ma Ra Fa (h0 − ) + mat Rat Fat (h0 + Δh − )
2
2
m R F + mat Rat Fat
α =0,75
x= a a a
αRn b
Kiểm tra điều kiện : [M] ≥ Myc


PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BỌC NGOÀI BẰNG BÊ TÔNG

Ví dụ thiết kế gia cường cột chịu nén đúng tâm
- Chiều dày lớp bê tông tăng cường c ≥ 6 cm
- Lượng cốt thép bổ xung nên lấy bằng 1% diện tích bê tông :
Fat = 0,01 Fbt

Khả năng chịu lực :

N gh = ϕ [Rn (α b Fb + Fbt ) + m a Ra (Fa + Fat )]
Suy ra :

N gh
Fbt =

ϕ

− α b Rn Fb − ma Ra Fa
Rn + 0,01ma Ra


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

‰ Một số đặc điểm của phương pháp
- Giải pháp
há gia
i cường
ờ đơn
đ
giản
iả ít ảnh
ả h hưởng
h ở đến
đế hình
hì h dạng
d
và
à kích
kí h thước
th ớ
của kết cấu gia cường
- Tăng khả năng chịu lực và độ cứng của kết cấu gia cường
- Độ bám dính giữa bản thép và kết cấu bê tông quyết định đến hiệu quả
gia cường
- Độ bám dính giữa bản thép và kết cấu bê tông quyết định đến hiệu quả
gia cường
- Sử dụng phương pháp dán bản thép để gia cường chịu uốn, chịu cắt

GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP
‰ Một số đặc điểm


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

‰ Một số vấn đề gặp phải khi sử dụng phương pháp gia cường
y
này
- Liên kết giữa bản thép và bê tông
- Độ bền của bản thép : chịu tác động môi trường (ăn mòn)
- Liên quan đến ứng xử cơ học:
+ Hiện tượng uốn cục bộ bản thép quanh vị trí vết nứt
(Calgaro et Lacroix, 1997) khi thí nghiệm với những bản thép gia cường có chiều dày từ
3mm đến 5mm gia cường các dầm BTCT chịu uốn có chiều cao đến 200 mm thì ứng
suất chảy dẻo trong bản thép nhỏ hơn 30 đến 35% ứng suất chảy của thép khi thí
nghiệm
g ệ kéo.


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP
+ Sự tương quan về biến dạng giữa cốt thép trong kết cấu BT và bản thép gia
cường
Nghiên cứu thực nghiệm của (Calgaro et Lacroix, 1997) cho thấy biến dạng không
tuyến tính của cốt thép trong kết cấu BT và bản thép gia cường
• Một số tác giả kiến nghị giảm cường độ tính
toán của bản thép gia cường để tránh phá
hoại cục bộ bản thép

• Áp dụng sơ đồ biến dạng theo (Calgaro et
Lacroix, 1997) dẫn đến khó khăn khi thiết kế
gia cường nên trong thực tế vẫn áp dụng sơ
đồ biến dạng tuyến tính


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

+ Độ bền liên kết giữa bản thép gia cường và bề mặt bê tông
Việc bong
Việ
b
bề mặt
ặt liê
liên kết bả
bản thé
thép – kết cấu
ấ bê tông
tô là yếu
ế tố cơ bả
bản ả
ảnh
hh
hưởng
ở đế
đến
độ bền của việc gia cường
Bong bề mặt liên kết bản thép- kết cấu BT do sự tập trung ứng suất cắt và ứng suất kéo
ở vùng biên của bản thép

GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

+ Độ bền liên kết giữa bản thép gia cường và bề mặt bê tông

Phá hoại kết cấu do bong bản
thép gia cường

Phá hoại kết cấu do nứt vỡ lớp
bê tông bảo vệ


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

- Một số biện pháp liên kết bản thép với kết cấu sửa chữa

Concrete repair and maintenance illustrated – P.H Emmons


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

- Một số biện pháp hạn chế bong vùng biên bản thép

Bu lông liên kết

Dán bản thép gia cường thành
kết cấu
ấ

GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG CÁCH DÁN BẢN THÉP

Ví dụ thiết kế gia cường dầm bằng dán bản thép

- Bước 1 : Xác định khả năng chịu lực hiện trạng của tiết
ế diện
- Bước 2 : xác định diện tích thép bản gia cường và chọn kích thước bản
thép
- Bước 3 : Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện sau gia cường


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU POLYME
(Fibres Reinforced Polymers - FRP)

‰ Một số đặc điểm
-G
Gia
a cường
cườ g kết
ết cấu BTCT
C bằng
bằ g vật
ật liệu
ệu FRP được nghiên
g ê cứu và
à
áp dụng ở các nước tiên tiến từ những năm 1990
- Vật liệu FRP là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật
liệ sợi.
liệu

i Có 3 dạng
d
vật
ật liệu
liệ sợii :
+ Sợi các bon CFPR
+ Sợi thủy tinh GFPR
+ Sợi aramid AFPR
- Đặc điểm của các loại sợi trên : cường độ chịu kéo rất cao, mô đun
đàn hồi rất lớn,
lớn trọng lượng nhỏ,
nhỏ khả năng chống mài mòn cao
cao, cách
điện, chịu nhiệt tốt, độ bền theo thời gian cao…


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU POLYME
(Fibres Reinforced Polymers - FRP)

‰ Một số đặc điểm

Đặc trưng cơ học của sợi thủy tinh GFRP


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU POLYME
(Fibres Reinforced Polymers - FRP)

‰ Một số đặc điểm

Đặc trưng cơ học của sợi các bon CFRP

GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU POLYME
(Fibres Reinforced Polymers - FRP)

‰ Một số đặc điểm

Đặc trưng cơ học của một số loại keo dán


GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG VẬT LIỆU POLYME
(Fibres Reinforced Polymers - FRP)

‰ Một số đặc điểm
- Các dạng FRP được sử dụng để gia cường kết cấu BTCT : FRP dạng
tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cuộn, FRP dạng vải

D
Dạng
tấ
tấm

D
Dạng
cuộn
ộ

D
Dạng
th

thanh
h

D
Dạng
bă
băng