Gia cố dầm

1. Tổng quan dự án

Một tòa nhà văn phòng toàn diện ở huyện Kỳ Giang, thành phố Trùng Khánh đã hoàn thành vào năm 1999. Các vấn đề sau đây đã được phát hiện trong quá trình kiểm tra chất lượng vào tháng 8 năm 2007:

(1) Một số dầm khung có vết nứt rõ ràng ở giữa nhịp, lộ ra các gân và bị ăn mòn nghiêm trọng, gây nguy hiểm về an toàn:

(2) Cường độ bê tông thiết kế ban đầu là C30 và cường độ bê tông đo được nằm trong khoảng từ C20 đến C30.

Nguyên nhân của sự cố là do chất lượng xây dựng kém, ảnh hưởng đến độ bền của các cấu kiện. Tuy nhiên, tòa nhà văn phòng vẫn có thể sử dụng sau khi gia cố các dầm khung liên quan.

2. Phân tích hiệu suất của tấm sợi carbon và xác định phương án gia cố

2.1. Ưu điểm về hiệu suất của tấm sợi carbon

(1) Nhẹ và độ bền cao. Trọng lượng nhẹ, về cơ bản không làm tăng trọng lượng của kết cấu gia cố. Độ bền cao, độ bền kéo của nó gấp khoảng 10 lần thép. Đặc biệt, sợi carbon mô hình đàn hồi cao, độ bền kéo của nó lớn hơn thép 68 lần, và mô đun đàn hồi của nó lớn hơn thép từ 2,0 đến 2,6 lần.

(2) Độ bền cao. Hiệu suất của nó vẫn không thay đổi ở nhiệt độ cao 600~3°C và vẫn mềm dẻo ở nhiệt độ thấp 0°C trong hợp kim nhôm; nó không bị ăn mòn bởi axit, kiềm và muối trong môi trường khắc nghiệt.

(3) Kết cấu tốt. Vì tấm sợi carbon nhẹ, có thể gấp lại và uốn cong nên có thể sử dụng nhiều hình dạng linh kiện khác nhau, việc đúc khuôn rất thuận tiện và có thể dán nhiều lớp tùy theo lực.

(4) Hệ số giãn nở nhiệt nhỏ. Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu sợi carbon rất nhỏ, và hệ số giãn nở nhiệt theo hướng sợi gần như bằng 0. Đặc điểm này hiện chưa có vật liệu nào khác có được. Mặc dù hệ số giãn nở nhiệt vuông góc với hướng sợi tương đối lớn, nhưng tích đẳng hướng lại nhỏ nhất so với các vật liệu khác.

2.2. Kế hoạch tăng cường của dự án này được xác định

Theo yêu cầu công nghệ của một số phương pháp gia cố thông dụng và điều kiện cụ thể của dự án, đồng thời xem xét toàn diện các yếu tố kinh tế, phương pháp loại trừ được áp dụng để xác định phương án gia cố cuối cùng.

Trước hết, vì tòa nhà chủ yếu dùng làm văn phòng nên chiều cao tầng thấp, nên phương pháp mở rộng mặt bằng sẽ làm giảm thêm diện tích sử dụng, không phù hợp với tình hình thực tế của dự án, do đó phương án đầu tiên bị loại trừ.

Thứ hai là phương pháp liên kết cốt thép thường dùng. Cần phải sử dụng bu lông nở cao su để đóng chặt tấm thép và bề mặt dầm bê tông ở một khoảng cách nhất định theo chiều dọc của tấm thép. Điều này đòi hỏi phải khoan rất nhiều lỗ trên bề mặt dầm bê tông. Do tòa nhà văn phòng tổng hợp nằm cạnh nhà dưỡng lão ở huyện Kỳ Giang, tiếng ồn của việc khoan chắc chắn sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến cư dân xung quanh. Do đó, phương pháp liên kết cốt thép cũng bị loại trừ.

Thứ ba, phương pháp gia cố ứng suất trước cũng bị loại trừ vì yêu cầu cao về thiết bị thi công, thi công tại chỗ cồng kềnh và chi phí tương đối cao.

3. Thiết kế gia cố tấm sợi carbon

3.1. Nguyên tắc chỉ đạo cơ bản trong thiết kế gia cố của dự án này: Lớp bảo vệ bê tông của một phần dầm khung tòa nhà văn phòng tổng hợp bị nứt, gây ra hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng các thanh thép, làm giảm diện tích tiết diện thanh thép, giảm cường độ chịu lực của thanh thép và cường độ liên kết giữa thanh thép và bê tông. Trong trường hợp gia cố bằng sợi carbon, số lượng tấm sợi carbon dọc cần được tính toán dựa trên mức độ ăn mòn của kết cấu để cải thiện khả năng chịu uốn: số lượng tấm sợi carbon ngang cần được tính toán để cải thiện khả năng chịu cắt.

3.2. Chiều dài neo đậu

Hiệu suất liên kết giữa tấm CFRP và bê tông có một chiều dài neo hiệu quả về mặt phân bố biến thiên hoặc phân bố ứng suất. Từ biểu đồ khoảng cách giữa biến dạng và vết nứt, có thể thấy rằng, ngoại trừ sự khác biệt về giá trị số, hình dạng của đường cong rất giống nhau, cho thấy biến dạng và ứng suất trong tấm sợi carbon đang phát triển đều đặn. Đồng thời, biến dạng và ứng suất liên kết chủ yếu thay đổi đáng kể trong phạm vi 50mm tính từ vết nứt, điều này có thể giải thích rằng chiều dài liên kết và neo của tấm sợi carbon là khoảng 100mm.

Chiều rộng của dầm khung và dầm phụ của dự án này đều là 250mm. Thay các thông số liên quan vào công thức trên, ta tính được 2 lớp sợi carbon rộng 200mm, dày 0,111mm cần được dán dọc theo đáy dầm. Phía trên dầm được dán hai lớp sợi carbon rộng 200mm, dày 0,111mm, chiếm 1/3 nhịp dầm, và sử dụng hạt sợi carbon dọc rộng 100mm để neo.