1
BÀI GIẢNG
MÔN HỌC: Söa ch÷a, gia cè kÕt cÊu c«ng tr×nh
(15 TIẾT)
Chương 1. Khái niệm chung (3 tiết)
1.1. Các nguyên nhân gây hư hỏng công trình
Bao gồm các yếu tố tác động cơ học, lý học và hóa học diễn ra trong quá trình xây
dựng và sử dụng công trình; những sai sót trong công tác khảo sát, thiết kế và thi công
hoặc không kịp thời duy tu trong quá trình vận hành công trình.
- Các tác động cơ học bao gồm: Các loại tải trọng tác dụng lên công trình.
- Các tác động lý hoá học bao gồm: Tác dụng của nhiệt độ, độ ẩm, lún không đều, chấn
động, môi trường ăn mòn hoá học, điện hoá….
+ Ở nhiệt độ âm ( dưới -150C), lượng nước dư trong BT bị đóng băng, thể tích tăng
lên, chèn ép vào BT, gây nứt vỡ BT. Nhiệt độ tăng cao (4000C-12000C), cường độ BT
giảm xuống, thể tích tăng lên. Sự chênh lệch nhiệt độ do phía bị đốt nóng cũng làm cho
kết cấu bị biến dạng, gây nứt, vỡ bề mặt.
+ ăn mòn: Do CO2 thấm vào BT, các muối có trong nước mềm hòa tan Ca(OH)2 làm
giảm độ kiềm trong BT, BT mất khả năng bảo vệ cốt thép. Do muối sinh ra trong các
phản ứng ăn mòn với thành phần của xi măng tạo thành chất kết tinh có thể tích tăng lên
trên hai lần, chèn ép làm vỡ BT.
+ ăn mòn cốt thép.
- Các sai sót trong công tác khảo sát và thiết kế:
+ Khảo sát: Số liệu thiếu xác thực về tình hình địa hình, địa chất, thuỷ văn; các số liệu
về khí hậu, qui mô và tính chất của các công trình lân cận…. Các số liệu không chính xác
về các chỉ tiêu cơ lý của đất nền. Chiều sâu khảo sát chưa đủ. (thông thường quy định
chiều sâu khảo sát là 1.5Hcông trình; khi gặp nền đất yếu cần tăng thêm chiều sâu khảo sát).
Những sai sót này sẽ dẫn đến giải pháp về nền móng công trình không đảm bảo.
+ Trong thiết kế: Việc áp dụng các giải pháp kết cấu và nền móng không phù hợp,
chưa đề cập đầy đủ các dạng tải trọng có thể xảy ra, chưa đủ các tổ hợp tải trọng; tính
toán sai, xác định sơ đồ tính sai; sử
dụng vật liệu không thoả đáng, cấu
tạo chi tiết không phù hợp (quá
nhiều thép, không đủ khoảng hở,
không đủ neo, cấu tạo liên kết sai)
….Lựa chọn các giải pháp kết cấu
cho các bộ phận không phù hợp
(BTCT toàn khối, BTCT lắp ghép,
BTCT ứng lực trước), cụ thể:
* BTCT toàn khối: Có độ cứng, bậc
siêu tĩnh cao nhưng lại nhạy cảm
với lún lệch và sự thay đổi nhiệt độ,
trong tính toán nếu không kể đến
những tác động này sẽ gây ra
những sự cố cho công trình.
* BTCT lắp ghép: ít nhạy cảm với lún lệch và nhiệt độ, nhưng lại chịu xâm thực của môi
trường mạnh tại các vị trí mối nối, làm công trình nhanh chóng hư hỏng.
* BTCT ứng lực trước: Cần chú ý bảo vệ chống ăn mòn cho CT ứng lực trước, đặc biệt là
những công trình ven biển, hoặc những công trình trong điều kiện ăn mòn cao. Ngoài ra ở
những đầu neo khi lực căng lớn có thể gây nứt vỡ cục bộ.
2
- Các sai sót trong quá trình thi công: Là nguyên nhân rất quan trọng làm giảm chất lượng
công trình (rất nhiều: trộn sai cấp bền bê tông, sử dụng xi măng kém chất lượng, cốt liệu
không sạch, không đúng qui cách, chất lượng vật liệu không đạt yêu cầu, sử dụng phụ gia
không thích hợp, lớp bảo vệ không đúng, đặt sai và không đúng các yêu cầu cấu tạo đối
với cốt thép, sai tim, trục định vị phải nắn chỉnh, copha không đảm bảo yêu cầu, đầm bê
tông không đảm bảo, bảo dưỡng không tốt …)
- Chế độ bảo dưỡng công trình trong quá trình vận hành ảnh hưởng nhiều đến tuổi thọ của
công trình, đặc biệt là đối với các công trình công nghiệp (Sử dụng công trình không đúng
với chức năng ban đầu, sửa chữa cải tạo tùy tiện, làm thay đổi sơ đồ chịu lực ban đầu, bảo
trì đúng hạn, không đúng qui trình …).
1.2. Đối tượng sửa chữa , gia cố và cải tạo công trình
- Những công trình đã sử dụng lâu năm bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân
khác nhau như tải trọng, khí hậu, hoá chất ăn mòn, sự cố… gây nên.
- Những công trình bị hư hỏng do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi
công.
- Những công trình do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết
bị, thay đổi công năng,… dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng.
- Những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao,
nâng thêm tầng….
→ Như vậy, việc gia cố, sửa chữa và cải tạo là đề cập đến những công trình có nhu cầu
cải thiện về mặt chịu tải trọng cũng như công năng nhằm đảm bảo an toàn, tăng tuổi thọ
hoặc tăng hiệu quả sử dụng của công trình.
* Cũng như xây mới, việc gia cố, sửa chữa và cải tạo công trình có sẵn vẫn phải qua các
khâu khảo sát và thiết kế, sau đó mới có thể tiến hành thi công. Tuy nhiên công tác khảo
sát, thiết kế có những đặc điểm khác so với việc làm xây mới công trình. Do vậy, cần
đánh giá đúng tính chất, nguyên nhân và mức độ hư hỏng của công trình, xác định được
mục đích và yêu cầu của công tác sửa chữa, gia cố sẽ quyết định tính đúng đắn cho các
giải pháp được lựa chọn.
1.3. Đánh giá tính chất và mức độ hư hỏng của công trình
Có 2 dạng hư hỏng:
a. Hư hỏng thấy được: Thể hiện sự sút kém về khả năng chịu tải của kết cấu cũng như
sự giảm tính năng sử dụng so với ban đầu, chẳng hạn trên kết cấu xuất hiện những vết nứt
hoặc biến dạng vượt quá giới hạn cho phép, mái bị dột, khu WC bị thấm nước, các lớp ốp,
lát bị bong, rộp…
gọi H - mức độ hư hỏng của công trình (%),
ei - mức độ hư hỏng của cấu kiện thành phần i (%),
ti - tỉ lệ giá thành của cấu kiện i so với giá thành toàn bộ công trình,
ta có: 1
.
100
n
i i
i
t e
H (%)
Khi H > 80% coi như công trình đã hoàn toàn bị phá huỷ.
b. Hư hỏng không thấy được: Việc đánh giá dựa trên các cơ sở:
- Mức độ giảm giá công trình do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và giá xây dựng hạ
xuống được đánh giá bằng hiệu số vốn đầu tư tại thời điểm xây dựng công trình và tại thời
điểm khảo sát để sửa chữa, gia cố.
- Mức độ bất hợp lý về mặt sử dụng được đánh giá bằng phụ phí để dỡ bỏ những phần
bất hợp lý đó của công trình.
→ Kết hợp cả 2 dạng hư hỏng trên để đánh giá toàn diện mức độ hư hỏng của công trình.
* Cơ sở đánh giá theo TCXDVN 373-2006 – “Chỉ dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm
của kết cấu nhà”. Việc đánh giá theo phương pháp đánh giá tổng hợp, dựa trên mức độ
3
nguy hiểm của các cấu kiện, đánh giá mức độ nguy hiểm của các bộ phận từ đó đánh giá
mức độ nguy hiểm cả công trình. Các công thức của tiêu chuẩn khá dài tham khảo trong
tiêu chuẩn này. Theo tiêu chuẩn, để đánh giá tình trạng nguy hiểm của công trình, độ
nguy hiểm được phân chia thành 4 cấp sau đây:
Cấp A:
฀ Kết cấu an toàn.
฀ Chưa có nguy hiểm
฀ Khả năng chịu lực của kết cấu có thể thoả mãn yêu cầu sử dụng bình thường.
Cấp B:
฀ Cá biệt có cấu kiện ở trạng thái nguy hiểm cục bộ, nhưng kết cấu chịu lực chưa bị
ảnh hưởng.
฀ Khả năng chịu lực của kết cấu cơ bản đạt yêu cầu.
฀ Công trình đáp ứng được yêu cầu sử dụng bình thường.
Cấp C:
฀ Khả năng chịu lực của một bộ phận kết cấu không đáp ứng được yêu cầu sử dụng
bình thường.
฀ Xuất hiện tình trạng nguy hiểm cục bộ.
Cấp D:
฀ Khả năng chịu lực của kết cấu chịu lực không đáp ứng được yêu cầu sử dụng bình
thường.
฀ Nhà xuất hiện tình trạng nguy hiểm tổng thể.
từ đó, kiến nghị hướng xử lý, có thể tham khảo theo bảng sau đây
Mức độ
nguy hiểm
Biểu hiện nguy hiểm Phương hướng xử lý
Cấp A
Kết cấu an toàn, chưa có nguy hiểm, khả
năng chịu lực của kết cấu có thể thoả mãn
yêu cầu sử dụng bình thường.
Bảo trì định kỳ
Cấp B
Cá biệt có cấu kiện ở trạng thái nguy hiểm
cục bộ, nhưng kết cấu chịu lực chưa bị ảnh
hưởng, khả năng chịu lực của kết cấu cơ bản
đạt yêu cầu, công trình đáp ứng được yêu cầu
s
ình th
ư
ờng.
Sửa chữa nhỏ
Cấp C
Khả năng chịu lực của một bộ phận kết cấu
không đáp ứng được yêu cầu sử dụng bình
thường, xuất hiện tình trạng nguy hiểm cục
bộ.
Sửa chữa lớn
Cấp D
Khả năng chịu lực của kết cấu chịu lực không
đáp ứng được yêu cầu sử dụng bình thường,
Nhà xuất hiện tình trạng nguy hiểm tổng thể.
Sửa chữa toàn diện, kèm
theo gia cường lại hệ kết
cấu, hoặc kiến nghị dỡ bỏ
nhằm đảm bảo an toàn cho
công trình lân cận.
Chương 2. Công tác khảo sát, thiết kế (2 tiết)
2.1. Mục đích
- Khảo sát một công trình cần gia cố, sửa chữa gần giống như khám bệnh cho người ốm,
nên gần đây người ta đưa ra thuật ngữ “Bệnh học công trình”. Mục đích là xác định trạng
thái, mức độ các hư hỏng và tìm nguyên nhân của chúng.
4
- Công tác khảo sát nhằm mô tả và đánh giá đúng hiện trạng của kết cấu. Phân tích kết
quả khảo sát kết hợp với những lập luận hợp qui luật để tìm ra nguyên nhân của hư hỏng
làm tiền đề cho việc thiết kế, sửa chữa.
Tiêu chuẩn hiện hành (TCXDVN 373-2006).
2.2. Nội dung
Nội dung của công tác khảo sát bao gồm:
- Hiện trạng về khả năng chịu tải của kết cấu (kết cấu chịu lực và bao che)
- Khảo sát nền móng
- Mức độ bất hợp lý về phương diện sử dụng
- Môi trường làm việc của công trình và ảnh hưởng của các công trình lân cận.
(Tham khảo thêm các tài liệu về khảo sát, kiểm định chất lượng công trình).
2.2.1. Khảo sát kết cấu
- Yêu cầu: + Các bản vẽ kết cấu công trình có đánh dấu những chỗ, những bộ phận bị hư
hỏng và tình trạng hư hỏng.
+ Tình trạng về khả năng chịu tải của các kết cấu cơ bản, cụ thể: Mức độ biến
dạng, các vết nứt, mức độ và tính chất ăn mòn…
- Các công việc cần tiến hành: Đo, vẽ kết cấu công trình trong trường hợp công trình
không còn bản vẽ thiết kế cũ. Đối với kết cấu BTCT: Số liệu kích thước tiết diện, số
lượng và tiết diện cốt thép, loại cốt thép được sử dụng. Đối với kết cấu BTCT lắp ghép
phải xác định được các chi tiết liên kết và sơ đồ kết cấu.
- Đánh giá khả năng chịu tải của các kết cấu cơ bản:
+ Tính toán lại theo qui phạm hiện hành với giả thiết công trình còn nguyên vẹn với
tải trọng thực tế tác dụng.
+ Xác định số lượng, vị trí, bề rộng và độ sâu của vết nứt. Vết nứt do M,Q,N hoặc
xoắn gây ra. Vết nứt đã ổn định hay vẫn phát triển theo thời gian.
+ Kiểm tra cường độ của bê tông bằng các phương pháp thích hợp tuỳ theo mức độ
quan trọng cần thiết.
+ Kiểm tra các khuyết tật trong bê tông nếu thấy cần thiết.
+ Kiểm tra các chi tiết liên kết trong kết cấu BTCT lắp ghép.
+ Nếu kết cấu làm việc trong môi trường ăn mòn, cần kiểm tra tình trạng ăn mòn,
chiều sâu thâm nhập, hiện tượng ăn mòn cốt thép, cường độ bê tông miền bị chất ăn mòn
thâm nhập.
+ Tính lại khả năng chịu tải thực tế của kết cấu theo các số liệu thu được.
- Kiểm tra vết nứt, biến dạng có các dụng cụ, thiết bị chuyên dụng (theo giáo trình môn
thí nghiệm và kiểm định chất lượng công trình)
- Kiểm tra độ bền của vật liệu:
+ Trong phòng thí nghiệm: Các mẫu được cắt ra từ kết cấu được thử tới tải trọng phá
huỷ.
+ Tại hiện trường: Xác định bằng phương pháp không phá hoại mẫu: sai số từ 10%
đến 15%, tuy nhiên ưu điểm hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn; ví dụ như súng bật nẩy,
siêu âm, thiết bị phóng xạ, thiết bị từ,….
2.2.2. Khảo sát nền móng
- Yêu cầu: Các số liệu khảo sát nền móng công trình cần nêu được những đặc điểm của
khu đất, cấu tạo nền móng công trình và những công trình có liên quan, hiện trạng về khả
năng chịu tải và biến dạng của nền móng.
- Các công việc cần tiến hành:
+ Tìm hiểu cấu tạo kết cấu móng của công trình (căn cứ bản vẽ, cấu trúc bên trong).
+ Tình hình cấu tạo địa chất công trình và hiện trạng các công trình lân cận.
+ Tìm hiểu độ lún của công trình.
5
→ Đối với công trình có khung chịu lực: Vị trí khảo sát cần chọn ở phạm vi chân cột,
chân tường để biết tường xây trực tiếp lên móng hay trên dầm móng. Chọn các vị trí điển
hình như móng cột trục giữa, biên, đầu hồi.
→ Đối với công trình có tường chịu lực: Móng thường là móng băng hoặc bè BTCT, vị trí
khảo sát nên chọn cạnh tường biên, tường ngang và tường hồi.
→ Xác định kích thước bề rộng, độ sâu của móng, kiểm tra cốt thép trong móng và đánh
giá lại khả năng chịu tải của móng.
- Khảo sát nền đất bằng các phương pháp khoan, xuyên hoặc kết hợp (phương pháp xuyên
tĩnh được sử dụng nhiều)
2.3. Thiết kế sửa chữa, cải tạo và gia cố
2.3.1. Nội dung
- Xác định sự cần thiết phải sửa chữa, gia cố và cải tạo công trình
- Thiết kế sửa chữa, gia cố bao gồm:
+ Phân tích kết quả khảo sát, xác định nguyên nhân gây hư hỏng
+ Các giải pháp cơ bản để sửa chữa, gia cố
+ Các giải pháp bảo vệ kết cấu
+ Vật liệu cơ bản được sử dụng
+ Biện pháp thi công
+ Dự toán thiết kế
2.3.2. Đặc điểm khác so với thiết kế mới
- Quan trọng nhất là việc sửa chữa, gia cố, cải tạo cần được thực hiện trong điều kiện vận
hành liên tục của công trình hoặc nếu có dừng thì chỉ được dừng trong thời gian hạn chế
→ Nên ưu tiên sử dụng các cấu kiện lắp ghép bằng BTCT hoặc bằng thép để làm kết cấu
gia cố. Những kết cấu gia cố này cần có cấu tạo đơn giản, nhẹ nhàng, dễ thực hiện. Để
tăng khả năng chịu tải và giảm nhẹ kết cấu gia cố có thể dùng kết cấu ứng lực trước. Dùng
BTCT đổ tại chỗ sẽ khó khăn hơn.
- Đưa kết cấu gia cố cùng tham gia làm việc với kết cấu được gia cố. Để thực hiện:
+ Cắt bỏ hết những phần tải trọng có thể cắt bỏ được trước khi gia cố
+ Có thể dùng kích để trả lại trạng thái “nghỉ tương đối” của kết cấu được gia cố, (ví
dụ như kích trả lại độ võng = 0 cho kết cấu chịu uốn).
+ Dùng kết cấu ứng lực trước như dây căng ƯLT, ống lồng ƯLT, thanh đạp ƯLT,….
- Đối với công trình bị ăn mòn, việc sửa chữa, gia cố phải được tiến hành đồng thời với
việc xử lý chống ăn mòn. Trước khi sửa chữa, gia cố cần phải làm sạch kết cấu cũ khỏi
tác nhân ăn mòn.
- Biện pháp thi công phải thuận tiện, phù hợp, dễ thực hiện và hiệu quả.
- Do tính linh hoạt của công việc sửa chữa, gia cố đòi hỏi người thiết kế luôn có mặt tại
hiện trường trong quá trình thi công để kịp giải quyết các yêu cầu đột xuất có thể xảy ra.
Chương 3. Gia cố kết cấu BTCT và kết cấu gạch đá (7 tiết)
3.1. Nguyên tắc chung
- Các giải pháp gia cố phải phù hợp với yêu cầu sử dụng của công trình, điều kiện phương
tiện, vật liệu và khả năng thi công.
- Sau gia cố, kết cấu phải đảm bảo về khả năng chịu tải, đảm bảo sự làm việc đồng thời
giữa kết cấu gia cố và kết cấu được gia cố. Đối với kết cấu siêu tĩnh, khi tính toán cần đề
cập đến sự phân phối lại nội lực trong kết cấu.
- Đối với kết cấu bị ăn mòn, trước hết cần loại trừ tác nhân gây ăn mòn trong kết cấu và
sau khi gia cố cần phải xử lý chống ăn mòn cho kết cấu.
- Kết cấu BTCT được gia cố theo 2 cách cơ bản:
+ Gia cố trong điều kiện giữ nguyên sơ đồ kết cấu và trạng thái ứng suất. Để giữ
nguyên sơ đồ kết cấu, việc gia cố chỉ có thể thực hiện bằng cách tăng tiết diện.