ĐẶT VẤN ĐỀ Ở Việt Nam, trong khoảng hơn 100 năm gần đây, kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã đƣợc ứng dụng hiệu quả trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Qua nhiều năm khai thác trong môi trƣờng khí hậu khắc nghiệt về nhiệt độ, độ ẩm và các chất ăn mòn, đồng thời lại trải qua chiến tranh ác liệt, nên nhiều công trình sử dụng BTCT ở nƣớc ta hiện đang trong tình trạng suy thoái nghiêm trọng. Bên cạnh đó, các kết cấu cũ này không còn đáp ứng đƣợc nhu cầu tải trọng ngày càng lớn. Thực tế đó đòi hỏi phải có những giải pháp sửa chữa, gia cƣờng công trình BTCT bằng các vật liệu có tính năng ƣu việt, phù hợp với hoàn cảnh nƣớc ta.
Nhiều công nghệ sửa chữa, tăng cƣờng kết cấu BTCT đã đƣợc ứng dụng ở Việt Nam, bao gồm: công nghệ bọc “áo” BTCT (reinforced concrete jacketing), dán bản thép, dự ứng lực ngoài, dán bằng vật liệu polymer cốt sợi FRP (fiber reinforced polymer) v. Các công nghệ này đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng. Trong khoảng 10 năm gần đây, FRP đã đƣợc sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới do tính phù hợp đặc biệt của nó đối với công tác sửa chữa, tăng cƣờng. Ƣu điểm của vật liệu FRP có trọng lƣợng nhỏ, cƣờng độ cao, không gỉ, không dẫn điện, không nhiễm từ, có tính linh động trong sử dụng.
Tuy nhiên, FRP cũng có một số nhƣợc điểm, có thể dẫn đến hƣ hại nghiêm trọng khi sử dụng không hợp lý trong các điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt, đặc biệt là dễ bị suy thoái dƣới tác động nhiệt độ cao cũng nhƣ các tia năng lƣợng cao nhƣ tia tử ngoại, tia gamma, v. trong ánh sáng mặt trời [5]. Một trong những giải pháp mới đang đƣợc nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam là sử dụng bê tông cốt lƣới dệt để sửa chữa, tăng cƣờng khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT. Bê tông cốt lƣới dệt (Textile Reinforced Concrete – TRC) là một loại vật liệu mới, cấu thành từ hai thành phần chính là lƣới sợi dệt và bê tông hạt mịn.
Lƣới sợi dệt đƣợc làm từ những sợi nhỏ, có nguồn gốc từ các bon hoặc thủy tinh, đƣợc bó lại thành các bó nhỏ. Sau đó, các bó sợi đƣợc dệt thành tấm lƣới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế thép làm cốt. Lƣới sợi dệt là vật liệu có nhiều ƣu điểm nhƣ có cƣờng độ cao, trọng lƣợng nhẹ và rất bền vững với môi trƣờng. Một số nghiên cứu trên thế giới cho thấy, bê tông cốt lƣới dệt đặc biệt phù hợp cho việc tăng cƣờng, sửa chữa các công trình cũ, 1 nhất là các công trình yêu cầu cao về chống ăn mòn, hoặc sử dụng trong môi trƣờng khắc nghiệt.
Bê tông cốt lƣới dệt có thể sử dụng để tăng cƣờng 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 đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng để đƣa vật liệu này vào sử dụng trong các công trình xây dựng một cách an toàn và tin cậy. Một trong những hƣớng nghiên cứu mới, hứa hẹn khả năng sử dụng phù hợp vật liệu này là để tăng cƣờng 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 cƣờng một số dạng kết cấu sàn BTCT bằng TRC, đồng thời nghiên cứu tính toán xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu đƣợc tăng cƣờng.
Trong luận văn này, mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu đề xuất một số giải pháp tăng cƣờng sàn BTCT bằng TRC. Đồng thời, nghiên cứu tính toán xác định ứng xử chịu uốn của sàn BTCT đƣợc tăng cƣờng bằng TRC. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là kết cấu sàn BTCT trong công trình xây dựng dân dụng, bao gồm kết cấu sàn BTCT làm việc 1 phƣơng và 2 phƣơng. Phạm vi nghiên cứu là các kết sàn dạng bản kê 4 cạnh hoặc 2 cạnh, liên kết khớp với kết cấu đỡ phía dƣới (tƣờng hoặc dầm đỡ).
Để hoàn thành nội dung luận văn, phƣơng pháp sẽ đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là phƣơng pháp tính toán lý thuyết, kết hợp với mô phỏng số. Kết cấu của luận văn gồm 4 chƣơng chính: Chƣơng 1: Tổng quan về các giải pháp tăng cƣờng kết cấu sàn BTCT. Chƣơng này sẽ trình bày về các giải pháp tăng cƣờng đã đƣợc sử dụng ở Việt Nam, phân tích ƣu nhƣợc điểm của các giải pháp này. Chƣơng 2: Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp tăng cƣờng sàn BTCT bằng TRC, giới thiệu chi tiết về vật liệu TRC cũng nhƣ trình bày các giải pháp cụ thể để tăng cƣờng sàn BTCT 1 phƣơng và 2 phƣơng bằng vật liệu này.
Chƣơng 3: Nghiên cứu tính toán xác định ứng xử chịu uốn của sàn BTCT đƣợc tăng cƣờng bằng TRC. 2 Chƣơng 4: Trình bày ví dụ tính toán tăng cƣờng khả năng chịu lực của sàn BTCT làm việc 2 phƣơng bằng bê tông cốt lƣới dệt. Phần Kết luận sẽ trình bày các kết luận chính, và kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp theo. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƢỜNG SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 CÔNG NGHỆ BỌC ÁO BÊ TÔNG CỐT THÉP (RC JACKETING) Nguyên tắc cơ bản của phƣơng 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 đƣợc 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 (Hình 1. Sự truyền nội lực từ phần kết cấu cũ sang lớp bê tông cốt thép mới đƣợc đảm bảo nhờ sự dính bám trên bề mặt kết cấu và thông qua cốt thép.1 Công nghệ áo bê tông cốt thép tăng cƣờng cho dầm, sàn, cột Tuy nhiên, biện pháp này có một số nhƣợc điểm. Đó là nếu sử dụng các vật liệu truyền thống (xi măng thƣờng) thì việc nứt do co ngót là không thể tránh khỏi đối với kết cấu. Mặt khác, quá trình phun dù khô hay ƣớt đều đòi hỏi thiết bị kỹ thuật lớn và quy trình công nghệ chặt chẽ, hao hụt vật liệu trong quá trình thi công tƣơng đối lớn, tới 30% vật liệu sử dụng và còn gây ảnh hƣởng tới môi trƣờng khu vực thi công.
Đồng thời, tải trọng sàn sau khi sửa chữa cũng tăng lên đáng kể.2 PHƢƠNG PHÁP DÁN BẢN THÉP NGOÀI Nguyên tắc cơ bản của phƣơng pháp này là dán các bản thép ngoài, bổ sung lên bề mặt bê tông của kết cấu cũ, để sửa chữa hoặc tăng cƣờng cấu kiện cũ. Các tấm thép, dải thép đƣợc dán lên bền mặt bê tông bằng keo. Thông thƣờng, các bản thép đƣợc dán thêm vào vùng chịu kéo của mặt cắt (phía đáy sàn), nhƣng cũng có trƣờng hợp dán cả phần chịu nén của sàn. Mục đích chính của giải pháp này: Khôi phục lại hoặc tăng cƣờng khả năng chịu lực của kết cấu; thay thế các cốt thép đã bố trí không đủ hoặc sai vị trí cần thiết.2 Công nghệ dán bản thép tăng cƣờng cho sàn Để đảm bảo chất lƣợng, bê tông của kết cấu đƣợc tăng cƣờng cần phải có đủ khả năng chống cắt trƣợt, bề mặt bê tông trƣớc khi dán keo phải sạch và khô ráo.
Khi dán bản thép vào bê tông, phải tạo lực ép dàn đều vào keo và làm cho bản thép áp sát theo dạng bề mặt bê tông. Để đảm bảo cho bản thép gắn thêm vào làm việc với kết cấu, thì bản thép không đƣợc trƣợt trên bê tông. Điều này đòi hỏi bê tông phải có độ bằng phẳng và đủ khả năng chống trƣợt. Đối với kết cấu bê tông cốt thép cũ đã hƣ hỏng, trƣớc khi dán bản thép ta phải đập bỏ hoàn toàn phần bê tông cũ bị hƣ hỏng, tạo ra một lớp bê tông mới dính bám tốt với lớp bê tông cũ và có cƣờng độ phải đủ lớn.
Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm: - Các bản thép thƣờng đƣợc dính ở mặt dƣới dầm nên dễ dàng thi công và kiểm tra. 5 - Giải pháp này dễ thi công với chi phí thấp. Tĩnh tải sau khi gia cƣờng bằng bản thép tăng lên rất ít và hầu nhƣ không ảnh hƣởng đến kết cấu hiện hữu. Các tải trọng dài hạn tiếp tục đƣợc chịu bởi mặt cắt nguyên ban đầu.
Ứng suất trong bản thép chỉ xuất hiện khi có các hoạt tải tác dụng lên kết cấu liên hợp, do vậy từ biến không phải là vấn đề cần phải quan tâm. - Các bản thép chịu nén cũng có thể đƣợc sử dụng để sửa chữa đối với trƣờng hợp kết cấu bị biến dạng quá lớn, mở rộng vết nứt lớn, chống lại sự phát triển của phá hoại dƣới tác dụng của các chấn động… Một số nhƣợc điểm: - Khả năng chịu lực và sự ổn định của cấu kiện rất khó kiểm soát và kiểm tra. Các bản thép thƣờng ít đƣợc kéo dài đến vùng chịu nén của kết cấu bê tông. Do đó, ta thƣờng hay bổ sung thêm bu lông neo.
Mà tại vị trí này hay xuất hiện ứng suất cắt và trƣợt. Vì vậy, bu lông phải là loại cƣờng độ cao. Quá trình khoan và bắt bu lông vào bê tông có thể phát sinh những sự cố, đặt biệt có thể làm giảm tiết diện thép bên trong bê tông. - Dƣới tác dụng của môi trƣờng, bản thép cũng có hiện tƣợng gỉ.
Hiện tƣợng này ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sự dính kết giữa bản thép và bê tông do sự xuống cấp của lớp keo dính bám. Vì vậy, giải pháp sử dụng lớp sơn phủ có độ bền cao và độ giãn nở phù hợp với thép và keo dính bám để đảm bảo độ bền của công trình. - Cần phải quan tâm tới tiết diện cấu kiện sau khi tăng cƣờng không đƣợc quá nhiều cốt thép. Nếu tải trọng vƣợt quá một lƣợng nhất định so với sức chịu tải của cấu kiện, thì kết cấu sẽ bị phá hoại đột ngột do bê tông bị nén vỡ, còn cốt thép chƣa chảy.
- Tuy bản thép dán thêm vào không làm tăng nhiều tĩnh tải của kết cấu, nhƣng bản thân cấu kiện bê tông đã nặng nề khi so sánh với các phƣơng pháp tăng cƣờng dự ứng lực, đồng thời việc bốc dỡ khi thi công gặp nhiều khó khăn. - Bản thép cần phải chế tạo theo bề mặt bê tông của cấu kiện cũ, do đó việc chế tạo bản thép phức tạp. Quá trình lắp ghép cồng kềnh cũng nhƣ cần nhiều thời gian và nhân công để hoàn thiện hạng mục này. Nếu thi công trong khu vực chật hẹp, khó khăn trong cẩu lắp.