Gia cố dầm bê tông cốt thép bằng công nghệ FRP và ứng dụng vào dầm đỡ cột anten dây co trên mái nhà

Chia sẻ: Nhan Chiến Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu "Gia cố dầm bê tông cốt thép bằng công nghệ FRP và ứng dụng vào dầm đỡ cột anten dây co trên mái nhà" trình bày về giải pháp đã được ứng dụng thành công tại trạm thu phát sóng di động - BTS NAN0031 tại phường Hồng Sơn, thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An đã mở ra cơ hội áp dụng rộng rãi cho các trạm BTS có kết cấu bê tông cốt thép bị hư hỏng trên toàn quốc trong thời gian tới. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Gia cố dầm bê tông cốt thép bằng công nghệ FRP và ứng dụng vào dầm đỡ cột anten dây co trên mái nhà

260 GIA CỐ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÔNG NGHỆ FRP VÀ ỨNG DỤNG VÀO DẦM ĐỠ CỘT ANTEN DÂY CO TRÊN MÁI NHÀ Nguyễn Lê Đạt1,*, Đỗ Văn Điệp1, Phạm Đức Thọ2 1 Công ty CP Tư vấn Thiết kế Viettel - Tập đoàn Công nghiệp - Viễn thông Quân đội (Viettel) 2 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt Hiện tại, phần lớn các trạm thu phát sóng di động (BTS- Base Transceiver Station) ở nước ta nói chung là cột anten dây co trên mái nhà, được đặt tại các khu vực đô thị, khu vực tập trung đông dân cư. Loại cột này có đặc điểm là được đỡ bởi hệ dầm bê tông cốt thép (đặt trên các dầm bê tông cốt thép của mái nhà). Sau một thời gian dài sử dụng, dưới sự tác động của trọng lượng bản thân cột anten và thiết bị, tải trọng gió bão và một số tác động ngoại cảnh khác, nhiều dầm đỡ cột anten đã bị võng, bị nứt, bong tróc, lộ cốt thép nghiêm trọng, làm suy giảm khả năng chịu lực của dầm, cốt thép dễ bị han rỉ do xâm thực của môi trường. Nếu tình trạng này không được xử lý thì cột anten sẽ bị nghiêng, nguy cơ gãy đổ rất cao, gây mất an toàn cho con người và tài sản, làm gián đoạn thông tin, ảnh hưởng tiêu cực tới sản xuất kinh doanh cho các công ty cung cấp dịch vụ di động. Từ khóa: Gia cố dầm bê tông cốt thép bằng công nghệ FRP, công nghệ FRP, tấm FRP, dầm đỡ cột anten dây co trên mái nhà, dầm bê tông cốt thép; gia cường, ứng xử uốn. 1. Đặt vấn đề Trước thực tế đó, các kỹ sư của Tập đoàn Công nghiệp - Viễn thông Quân đội (Viettel) đã nghiên cứu tìm ra một giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép cho dầm móng đỡ cột anten, kết cấu mái nhà thực sự hiệu quả và tiết kiệm chi phí, thời gian. Nếu trước đây phải xây dựng một cột anten mới bên cạnh cột anten cũ, sau đó phá dỡ cột anten đã hư hỏng gây lãng phí về thời gian, chi phí, gián đoạn thông tin thì với giải pháp gia cố dầm bê tông cốt thép đỡ cột anten dây co trên mái nhà bằng công nghệ tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông (FRP- Fiber Reinforced Polymer) đã giúp tăng hiệu quả sử dụng công trình, khắc phục được những hạn chế nêu trên. Giải pháp đã được ứng dụng thành công tại trạm thu phát sóng di động - BTS NAN0031 tại phường Hồng Sơn, thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An đã mở ra cơ hội áp dụng rộng rãi cho các trạm BTS có kết cấu bê tông cốt thép bị hư hỏng trên toàn quốc trong thời gian tới. Xét về hiệu quả, giải pháp gia cố dầm bê tông cốt thép đỡ cột anten dây co trên mái nhà bằng công nghệ FRP có nhiều điểm ưu việt hơn so với các giải pháp truyền thống như: i) Giảm thời gian thi công (triển khai nhanh trong một thời gian ngắn); ii) Không gây gián đoạn thông tin (do không phải tháo dỡ di dời thiết bị); iii) Tiết kiệm chi phí (không phải xây dựng cột mới, cũng không phải tháo dỡ thu hồi cột cũ); iv) Không gây ảnh hưởng đến cuộc sống sinh hoạt của đơn vị cho thuê trạm và người dân xung quanh. * Ngày nhận bài: 25/02/2022; Ngày phản biện: 01/4/2022; Ngày chấp nhận đăng: 12/4/2022 * Tác giả liên hệ: Email: nguyenledat@gmail.com
. 261 Hình 1. Hiện trạng dầm móng một số trạm viễn thông Hình 2. Hiện trạng dầm móng một số trạm viễn thông bị xuống cấp, cốt thép bị ăn mòn dẫn đến làm nứt vỡ bị xuống cấp, cốt thép bị ăn mòn dẫn đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu BTCT của dầm móng. và phá huỷ kết cấu BTCT của dầm móng. 1.1. Công nghệ FRP là gì? FRP (Fiber Reinforced Polymer) là công nghệ tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông (bê tông cốt thép thường và dự ứng lực) bằng cách sử dụng vải sợi cường độ cao dính bám ngoài. Thực chất, đây là một loại vật liệu composite được tạo thành từ vải sợi cường độ cao (vải sợi carbon, aramid hoặc thủy tinh) và chất kết dính dạng keo epoxy. Chất kết dính dạng keo epoxy sau khi tẩm đều lên bề mặt vải sợi cường độ cao sẽ đông cứng lại tạo thành tấm composite FRP. Trong các loại vải sợi thì vải sợi carbon cường độ cao được sử dụng phổ biến nhất do có mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo lớn nhất. 1.2. Một số đặc điểm kỹ thuật của vải sợi carbon cường độ cao và keo epoxy Bảng 1. Đặc điểm của vải sợi carbon cường độ cao Cường độ Mô đun Trọng Độ dãn dài Mã số sản Độ dày Density chịu kéo đàn hồi lượng kéo cực phẩm (mm) (g/m3) (MPa) kéo (GPa) (g/m2) hạn (%) CR120 4090 245 0.111 200 1.8 1.7 CR130 4090 245 0.167 300 1.8 1.7 CR140 4090 245 0.222 400 1.8 1.7 CR145 4090 245 0.250 450 1.8 1.7 CR160 4090 245 0.333 600 1.8 1.7 Bảng 2. Đặc điểm của keo epoxy đi kèm Mã sản phẩm Đặc tính PP thí nghiệm Primer P - 10 Dyne D - 70 Mục đích sử dụng Keo lót Keo tẩm JIS K5600 Cường độ bám dính (N/mm2) JIS A6909 ≥ 1.9 - JSCEE545 Cường độ chịu uốn (N/mm2) JIS K7171 - ≥ 40 JIS K7161 Cường độ chịu kéo (N/mm2) - ≥ 30 JIS K7113 Cường độ chịu cắt (N/mm2) JIS K6850 - ≥ 10 Tỷ trọng JIS K7112 1.20 ± 0.1 1.17 ± 0.1
262 Mã sản phẩm Đặc tính PP thí nghiệm Primer P - 10 Dyne D - 70 Độ nhớt hỗn hợp (MPa.s) JIS K7117 1500 ± 900 ≤ 20000 R: Tiêu chuẩn JIS K6833 1000 ± 700 ≤ 20000 W: Mùa đông 1.3. Ưu điểm của công nghệ gia cường bằng vật liệu FRP Có nhiều phương pháp tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bê tông, như phương pháp bọc thêm bê tông, phương pháp dán bản thép, phương pháp tạo dự ứng lực ngoài và phương pháp sử dụng vật liệu FRP. Tuy nhiên, phương pháp sử dụng vật liệu FRP ngày nay được sử dụng phổ biến hơn cả do nó có những ưu điểm sau: - Trọng lượng nhẹ, chỉ bằng 1/4-1/5 so với thép; - Cường độ rất cao, gấp khoảng 10 lần thép, do đó đem lại hiệu quả gia cường cao; - Có chiều dầy rất mỏng nên không làm thay đổi hình dạng kiến trúc và kích thước của kết cấu sau khi gia cường. Ngoài ra, sau khi gia cường, chúng ta có thể dễ dàng che phủ bằng các vật liệu thích hợp khác nhau (trát vữa, sơn); - Dễ dàng thi công, có thể thi công với không gian hẹp, kết cấu có hình dạng phức tạp và ít gây tiếng ồn; - Độ bền cao, không phát sinh han gỉ, không bị ăn mòn, chịu được môi trường kiềm. 1.4. Ứng dụng của công nghệ FRP trong xây dựng Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp hiện nay, để xử lý hiện tượng nứt vỡ, võng lớn của kết cấu bê tông cốt thép có rất nhiều các giải pháp khác nhau như cấy cốt thép đổ bù bê tông phủ gia cố phía ngoài, thiết kế thêm hệ dầm phụ hỗ trợ chống đỡ cùng hệ dầm chính. Tuy nhiên, giải pháp gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng công nghệ FRP luôn là sự lựa chọn hàng đầu bởi nó có các ưu điểm mà nhiều giải pháp khác không có được như: trọng lượng nhẹ (chỉ bằng 1/4-1/5 so với thép); cường độ cao (gấp khoảng 10 lần thép) nên hiệu quả gia cường cao; lớp phủ mỏng (do đó không làm thay đổi hình dạng kiến trúc và kích thước của kết cấu sau khi gia cường); sau khi gia cường, có thể dễ dàng che phủ bằng các vật liệu thích hợp khác (trát vữa, sơn); dễ thi công (có thể thi công với không gian hẹp); độ bền cao, không phát sinh han gỉ, không bị ăn mòn, chịu được môi trường kiềm. Hình 3. Hình ảnh vải sợi carbon cường độ cao Hình 4. Hình ảnh vải sợi carbon cường độ cao và tấm FRP và tấm FRP Công nghệ tăng cường kết cấu bê tông bằng vật liệu FRP có thể áp dụng cho nhiều dạng công trình khác nhau, như công trình nhà dân dụng, nhà công nghiệp, công trình cầu cống, công trình đập thủy điện, công trình hầm… Việc tăng cường cũng có thể áp dụng cho nhiều loại cấu
. 263 kiện khác nhau, như gia cường cho kết cấu chịu nén, kết cấu chịu cắt, kết cấu chịu uốn. Dưới đây là một vài hình ảnh gia cường bằng vật liệu FRP điển hình trong thực tế. Hình 5. Hình ảnh gia cố dầm và cột bê tông Hình 6. Hình ảnh gia cố dầm và cột bê tông cốt thép bằng công nghệ FRP cốt thép bằng công nghệ FRP Hình 7. Hình ảnh gia cố dầm sàn bê tông Hình 8. Hình ảnh gia cố dầm sàn bê tông cốt thép bằng công nghệ FRP cốt thép bằng công nghệ FRP 1.5. Làm chủ công nghệ FRP trong ngành viễn thông Trước mắt, giải pháp sẽ được áp dụng cho tất cả các trạm BTS của Viettel có sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ở các hạng mục: gia cố, gia cường, sửa chữa dầm bê tông cốt thép đỡ cột anten dây co trên mái bị võng nứt, kết cấu bê tông cốt thép mái nhà đặt trạm BTS bị hư hỏng; gia cố, gia cường cột dầm sàn bê tông cốt thép và dầm cột đỡ phòng máy lắp ghép bị võng nứt; gia cố, gia cường móng co bị nứt vỡ nhẹ; gia cố, gia cường, sửa chữa các loại cột treo cáp viễn thông bị cong, bị nứt vỡ có nguy cơ đổ gãy. 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu Việc tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông bằng vật liệu FRP có thể tham khảo Tiêu chuẩn ACI 440.2R-08 - Hướng dẫn thiết kế và xây dựng hệ thống FRP dính bám ngoài cho việc gia cường kết cấu bê tông (Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures) và TCVN 5574-2018 Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Các tiêu chuẩn thiết kế này hướng dẫn chi tiết cách tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông chịu uốn, chịu cắt và chịu nén. Việc tính toán thiết kế gia cường khả năng chịu uốn của kết cấu bê tông dựa trên giả thiết vật liệu FRP dán bên ngoài bề mặt chịu kéo của tiết diện sẽ tham gia chịu kéo cùng với cốt thép chịu kéo của tiết diện, do đó năng cao được khả năng chịu uốn của tiết diện được gia cường FRP, như minh họa trong hình dưới đây.
264 Hình 11. Mô hình tính toán gia cường khả năng chịu uốn của dầm bằng FRP 3. Kết quả và thảo luận Hiện trạng trạm NAN0031 (của Viettel): Hình 12. Sơ đồ làm việc của dầm đỡ cột anten - Mác bê tông thiết kế: M200; Bd = 200mm; Hd = 400m; Chiều dài nhịp dầm tính toán L = 4.1m - Tải trọng tính toán yêu cầu Fz = 7T; Giả định: Fx = Fy = 0; Mô men uốn lớn nhất yêu cầu Mu = Fz*L/4 = 70.39 kN.m - Cốt thép dọc chịu kéo 3Φ20 - AII; Cốt thép đai Φ8 - AI; Hệ số chuyển đổi khối ứng suất nén hình chữ nhật tương tương β1 = 0.85. - Hiện trạng dầm đỡ cột anten: Hệ dầm móng bị nứt vỡ, rất nguy hiểm cho kết cấu tòa nhà, gây mất an toàn cho người dân và thiệt hại về tài sản. Trạm có vị trí quan trọng, không thể di dời, không thể tắt trạm trong thời gian dài để củng cố. - Xác định sức kháng uốn tính toán của tiết diện trước khi gia cường FRP: Mr = 65.03 kNm - Kiểm tra khả năng chịu lực trước khi gia cường: Mr = 65.03 kNm < Mu = 70.39 kN.m  Kết luận: Không đảm bảo an toàn chịu lực - Sau khi gia cố dầm bằng công nghệ FRP: - Loại vật liệu sử dụng để tăng cường: UT-G20; Số lớp sợi thiết kế: nf = 1 lớp; Chiều dày của tấm sợ gia cường (1 lớp): tf = 0.111mm; Chiều rộng sợi gia cường: bf1 = 250mm;
. 265 Chiều dài vải sợi gia cường: > 0.8 chiều dài dầm. - Mô đun đàn hồi Ef = 245.000 Mpa - Cường độ chịu kéo của sợi carbon: f*fu = 4090 MPa - Biến dạng cực đại của vật liệu sợi: ε*fu = 0.017 - Hệ số chiết giảm môi trường: CE = 0.95 - Cường độ chịu kéo tính toán: ffu = 3886 Mpa - Biến dạng cực đại tính toán: εfu = 0.016 - Trọng lượng riêng của tấm: γ = 200 g/cm2 - Diện tích tiết diện các lớp sợi: Af = 28mm2 - Kết quả tính toán dầm theo điều kiện chịu uốn: Sức kháng uốn của tiết diện sau khi gia cường FRP: Mrf = 76.74 kNm. - Kiểm tra khả năng chịu lực sau khi gia cường: Mr = 76.74 kNm > Mu = 70.39 kN.m  Kết luận: Đảm bảo an toàn chịu lực. Hiệu quả gia cường là Hf = 18,01% Bước 1: Chuẩn bị bề mặt kết cấu trước khi dán sợi, Bước 2: Quét keo lót lên bề mặt kết cấu cắt vải sợi theo thiết kế và pha trộn keo theo quy định Bước 3, 4: Quét keo tẩm lên bề mặt kết cấu theo Bước 5: Quét keo tẩm lên bề mặt vải sợi. quy định + Dán vải sợi carbon cường độ cao Lặp lại Bước 4 và 5 nếu thi công nhiều lớp
266 Bước 6: Kiểm tra và hoàn thiện bề mặt Bước 6: Kiểm tra và hoàn thiện bề mặt Một số hình ảnh thực tế thử nghiệm công nghệ FRP tại trạm NAN0031 4. Kết luận Công nghệ tăng cường kết cấu bê tông bằng vật liệu FRP có thể áp dụng cho nhiều dạng công trình khác nhau, như dân dụng, công nghiệp, cầu cống, đập thủy điện, công trình hầm… Việc tăng cường cũng có thể áp dụng cho nhiều loại cấu kiện khác nhau, như gia cường cho kết cấu chịu nén, kết cấu chịu cắt, kết cấu chịu uốn. Với thành công trong việc áp dụng công nghệ FRP tại Việt Nam, hy vọng đây sẽ là một trong những giải pháp xanh, giải pháp hiệu quả trong việc xây dựng một hạ tầng mạng lưới viễn thông xanh và bền vững. Lời cảm ơn Xin cảm ơn Công ty CP Tư vấn Thiết kế Viettel (VTK), Công ty Cổ phần Công nghệ tiên tiến Nhật - Việt (JVTEK) và Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo điều kiện và phối hợp cùng chúng tôi nghiên cứu, thử nghiệm ứng dụng công nghệ này vào thực tế. Tài liệu tham khảo Tiêu chuẩn ACI 440.2R-08 - Hướng dẫn thiết kế và xây dựng hệ thống FRP dính bám ngoài cho việc gia cường kết cấu bê tông (Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures). Tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. ISO 10406-3:2019 Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete - Test methods. ISO 18319:2015 Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement for concrete structures - Specifications of FRP sheets.