I. Tổng Quan Giải Pháp Tăng Cường Sàn Bê Tông Cốt Thép Hiện Nay
Kết cấu sàn bê tông cốt thép (BTCT) được sử dụng rộng rãi trong xây dựng dân dụng và công nghiệp. Tuy nhiên, sau nhiều năm sử dụng, nhiều công trình BTCT bị xuống cấp do tác động của môi trường và tải trọng. Do đó, cần có các giải pháp gia cường sàn bê tông cốt thép hiệu quả. Hiện nay, có nhiều công nghệ sửa chữa, tăng cường kết cấu sàn BTCT đã được ứng dụng tại Việt Nam, bao gồm: công nghệ bọc áo bê tông cốt thép (reinforced concrete jacketing), dán bản thép, dự ứng lực ngoài, dán bằng vật liệu polymer cốt sợi FRP (fiber reinforced polymer). Các công nghệ này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng trường hợp cụ thể. Việc lựa chọn phương pháp gia cố kết cấu phù hợp cần dựa trên đánh giá kỹ lưỡng về tình trạng công trình, yêu cầu kỹ thuật và chi phí.
1.1. Công nghệ bọc áo bê tông cốt thép RC Jacketing
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là bổ sung thêm cốt thép ngoài để tham gia chịu lực cùng kết cấu bê tông cốt thép cũ. Sau đó, bê tông được phun để tạo lớp áo dày bảo vệ lớp mặt bê tông cũ, bảo vệ lớp cốt thép mới và cùng tham gia chịu lực. Sự truyền nội lực từ phần kết cấu cũ sang lớp bê tông cốt thép mới được đảm bảo nhờ sự dính bám trên bề mặt kết cấu và thông qua cốt thép. Tuy nhiên, biện pháp này có một số nhược điểm như nứt do co ngót, yêu cầu thiết bị kỹ thuật lớn, hao hụt vật liệu và tăng tải trọng sàn.
1.2. Phương pháp dán bản thép ngoài gia cường sàn BTCT
Phương pháp này sử dụng các bản thép dán lên bề mặt bê tông bằng keo để sửa chữa hoặc tăng cường cấu kiện cũ. Các tấm thép, dải thép được dán lên bền mặt bê tông, thường ở vùng chịu kéo của mặt cắt (phía đáy sàn). Mục đích chính là khôi phục hoặc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu, thay thế các cốt thép đã bố trí không đủ hoặc sai vị trí cần thiết. Ưu điểm của phương pháp này là dễ thi công, chi phí thấp, tĩnh tải tăng lên ít. Tuy nhiên, khả năng chịu lực khó kiểm soát, bản thép dễ bị gỉ và cần chế tạo theo bề mặt bê tông của cấu kiện cũ.
II. Vật Liệu Bê Tông Cốt Lưới Dệt TRC Cho Gia Cường Sàn
Bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete – TRC) là một loại vật liệu mới, cấu thành từ hai thành phần chính là lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn. Lưới sợi dệt được làm từ những sợi nhỏ, có nguồn gốc từ các bon hoặc thủy tinh, được bó lại thành các bó nhỏ. Sau đó, các bó sợi được dệt thành tấm lưới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế thép làm cốt. Bê tông cốt lưới dệt có nhiều ưu điểm như cường độ cao, trọng lượng nhẹ và rất bền vững với môi trường. Một số nghiên cứu trên thế giới cho thấy, bê tông cốt lưới dệt đặc biệt phù hợp cho việc tăng cường, sửa chữa các công trình cũ, nhất là các công trình yêu cầu cao về chống ăn mòn, hoặc sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
2.1. Ưu điểm vượt trội của bê tông cốt lưới dệt TRC
Bê tông cốt lưới dệt (TRC) sở hữu nhiều ưu điểm so với các vật liệu gia cường truyền thống. TRC có cường độ chịu kéo cao, khả năng chống ăn mòn tốt, trọng lượng nhẹ, và dễ dàng thi công. Đặc biệt, TRC có thể được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và hóa chất. Theo nghiên cứu của Curbach [21], TRC có khả năng tăng cường đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép.
2.2. Cấu tạo và thành phần của bê tông cốt lưới dệt
Bê tông cốt lưới dệt (TRC) bao gồm hai thành phần chính: lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn. Lưới sợi dệt thường được làm từ sợi carbon hoặc sợi thủy tinh, có cường độ chịu kéo rất cao. Bê tông hạt mịn có kích thước hạt nhỏ hơn so với bê tông thông thường, giúp tăng cường độ bám dính giữa bê tông và lưới sợi. Sự kết hợp giữa hai thành phần này tạo nên một vật liệu gia cường có khả năng chịu lực và độ bền cao.
III. Giải Pháp Tăng Cường Sàn BTCT Bằng Bê Tông Cốt Lưới Dệt
Bê tông cốt lưới dệt có thể sử dụng để tăng cường hiệu quả các kết cấu dầm, cột, bản chịu uốn, cắt, nén và xoắn. Ở Việt Nam, TRC là một dạng vật liệu mới, và đang được nghiên cứu kỹ lưỡng để đưa vật liệu này vào sử dụng trong các công trình xây dựng một cách an toàn và tin cậy. Một trong những hướng nghiên cứu mới, hứa hẹn khả năng sử dụng phù hợp vật liệu này là để tăng cường khả năng chịu lực cho các kết cấu sàn BTCT của công trình dân dụng. Do đó, cần phải thực hiện một số nghiên cứu cụ thể, bao gồm việc đề xuất các giải pháp tăng cường một số dạng kết cấu sàn BTCT bằng TRC, đồng thời nghiên cứu tính toán xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu được tăng cường.
3.1. Tăng cường sàn BTCT làm việc một phương bằng TRC
Đối với sàn BTCT làm việc một phương, lưới sợi dệt được bố trí theo phương chịu lực chính của sàn. Lưới sợi dệt có thể được dán trực tiếp lên bề mặt sàn hoặc được đặt trong lớp bê tông hạt mịn mới đổ trên bề mặt sàn cũ. Việc bố trí lưới sợi dệt giúp tăng cường khả năng chịu uốn của sàn, giảm độ võng và tăng tuổi thọ của công trình. Cấu trúc phù hợp của lưới sợi dệt để tăng cường sàn BTCT làm việc 1 phương được thể hiện trong Hình 2.21.
3.2. Tăng cường sàn BTCT làm việc hai phương bằng TRC
Đối với sàn BTCT làm việc hai phương, lưới sợi dệt được bố trí theo cả hai phương chịu lực chính của sàn. Việc bố trí lưới sợi dệt theo cả hai phương giúp tăng cường khả năng chịu uốn của sàn theo cả hai phương, giảm độ võng và tăng khả năng chịu tải trọng phân bố đều. Cấu trúc điển hình của lưới sợi dệt để tăng cường sàn BTCT làm việc 2 phương được thể hiện trong Hình 2.28.
3.3. Quy trình thi công tăng cường sàn BTCT bằng TRC
Quy trình thi công tăng cường sàn BTCT bằng TRC bao gồm các bước sau: (1) Sửa chữa kết cấu nền và chuẩn bị bề mặt. (2) Thi công TRC. Bề mặt bê tông cũ cần được làm sạch, loại bỏ các lớp vật liệu yếu, và tạo nhám để tăng độ bám dính với lớp TRC mới. Sau đó, lớp TRC được thi công bằng phương pháp trát hoặc phun bê tông hạt mịn. Các bước thi công tăng cường bằng TRC được thể hiện trong Hình 2.33.
IV. Nghiên Cứu Ứng Xử Chịu Uốn Của Sàn BTCT Gia Cường TRC
Để đánh giá hiệu quả của việc tăng cường sàn BTCT bằng TRC, cần nghiên cứu tính toán xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu được tăng cường. Các nghiên cứu này có thể được thực hiện bằng phương pháp tính toán lý thuyết, mô phỏng số, hoặc thí nghiệm thực tế. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin về khả năng chịu lực, độ võng, và độ bền của sàn sau khi được gia cường bằng TRC. Trong luận văn này, mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu đề xuất một số giải pháp tăng cường sàn BTCT bằng TRC. Đồng thời, nghiên cứu tính toán xác định ứng xử chịu uốn của sàn BTCT được tăng cường bằng TRC.
4.1. Mô hình tính toán lý thuyết xác định sức kháng uốn
Mô hình tính toán lý thuyết được sử dụng để xác định sức kháng uốn của sàn BTCT được tăng cường bằng TRC. Mô hình này dựa trên các giả thiết về phân bố ứng suất và biến dạng trong bê tông và lưới sợi dệt. Các thông số vật liệu như cường độ chịu nén của bê tông, cường độ chịu kéo của lưới sợi dệt, và mô đun đàn hồi của các vật liệu được sử dụng trong mô hình. Mô hình tính toán lý thuyết được kiểm chứng bằng các ví dụ tính toán.
4.2. Mô hình mô phỏng số đánh giá khả năng chịu lực
Mô hình mô phỏng số được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của sàn BTCT được tăng cường bằng TRC. Kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng để tạo ra mô hình số của sàn. Các thông số vật liệu và điều kiện biên được nhập vào mô hình. Kết quả mô phỏng số cung cấp thông tin về phân bố ứng suất, biến dạng, và khả năng chịu tải của sàn. Mô hình bê tông phá hoại dẻo được sử dụng để mô phỏng ứng xử của bê tông.
V. Ứng Dụng Thực Tế Tính Toán Gia Cường Sàn BTCT Bằng TRC
Việc ứng dụng bê tông cốt lưới dệt (TRC) vào thực tế đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về vật liệu, quy trình thi công, và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường. Các ví dụ thực tế về việc sử dụng TRC để gia cường sàn bê tông cốt thép đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này. Bên cạnh đó, việc tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật, lựa chọn vật liệu phù hợp, và kiểm soát chất lượng thi công là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình. Trong chương 4, luận văn trình bày ví dụ tính toán tăng cường khả năng chịu lực của sàn BTCT làm việc 2 phương bằng bê tông cốt lưới dệt.
5.1. Ví dụ tính toán tăng cường sàn BTCT làm việc 2 phương
Ví dụ tính toán trình bày trong chương 4 minh họa quy trình thiết kế và tính toán gia cường sàn BTCT làm việc 2 phương bằng bê tông cốt lưới dệt. Các bước tính toán bao gồm xác định hiện trạng kết cấu, lựa chọn vật liệu TRC, tính toán chiều dày lớp TRC cần thiết, và kiểm tra khả năng chịu lực của sàn sau khi gia cường. Ví dụ tính toán này cung cấp hướng dẫn chi tiết cho việc áp dụng TRC vào thực tế.
5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường bằng TRC
Hiệu quả gia cường sàn BTCT bằng TRC phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng vật liệu TRC, độ bám dính giữa TRC và bê tông cũ, phương pháp thi công, và điều kiện môi trường. Việc lựa chọn vật liệu TRC có cường độ và độ bền phù hợp, đảm bảo bề mặt bê tông cũ được làm sạch và tạo nhám kỹ lưỡng, và kiểm soát chất lượng thi công chặt chẽ là rất quan trọng để đạt được hiệu quả gia cường tối ưu.
VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Của Bê Tông Cốt Lưới Dệt
Nghiên cứu về việc sử dụng bê tông cốt lưới dệt (TRC) để tăng cường kết cấu sàn bê tông cốt thép đã cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu này trong lĩnh vực xây dựng. TRC không chỉ là một giải pháp hiệu quả để sửa chữa và nâng cấp các công trình hiện có, mà còn mở ra những hướng đi mới trong thiết kế và xây dựng các công trình bền vững và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, để TRC được ứng dụng rộng rãi hơn, cần có thêm nhiều nghiên cứu về đặc tính vật liệu, quy trình thi công, và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.
6.1. Các kết luận chính từ nghiên cứu về TRC
Các kết luận chính từ nghiên cứu về TRC bao gồm: (1) TRC có khả năng tăng cường đáng kể khả năng chịu lực của sàn BTCT. (2) TRC có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt. (3) TRC có trọng lượng nhẹ và dễ dàng thi công. (4) TRC là một giải pháp gia cường sàn BTCT hiệu quả và bền vững.
6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của TRC
Các hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của TRC bao gồm: (1) Nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến độ bền của TRC. (2) Phát triển các quy trình thi công TRC hiệu quả và tiết kiệm chi phí. (3) Xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật cho việc thiết kế và thi công TRC. (4) Nghiên cứu ứng dụng TRC trong các lĩnh vực xây dựng khác, như xây dựng cầu, hầm, và các công trình biển.
