Tài liệu Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng lực trước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TỪ THỊ THÙY TRANG LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TỪ THỊ THÙY TRANG LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRƢƠNG HOÀI CHÍNH Đà Nẵng - Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Từ Thị Thùy Trang ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trƣơng Hoài Chính - Ngƣời đã hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học và tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài “Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng lực trước”. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến quý thầy, cô giáo, cùng tập thể cán bộ viên chức trong Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng đã giảng dạy, giúp đỡ cho tôi có những kiến thức, kỹ năng cần thiết để hoàn thành luận văn này. Và sau cùng, tôi cảm ơn gia đình, ngƣời thân đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Từ Thị Thùy Trang iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU .............................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH ....................................................................... xi MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 15 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................. 15 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 15 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................... 15 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................. 15 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ........................................ 15 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN ................................................................................ 16 CHƢƠNG 1 ................................................................................................................... 17 TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC ............................................ 17 1.1. GIỚI THIỆU KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC .................................... 17 1.1.1. Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trƣớc ........................................................ 17 1.1.2. Nguyên lý làm việc .............................................................................................. 17 1.1.3. Sự hình thành, phát triển của kết tông ứng lực trƣớc .......................................... 19 1.1.4. Tình hình sử dụng bê tông ứng lực ở Việt Nam .................................................. 22 1.2. PHÂN LOẠI KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC .................................... 24 1.2.1. Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trƣớc.................................................. 24 1.2.2. Theo vị trí bố trí cáp ứng lực trƣớc ..................................................................... 27 1.2.3. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện ở giai đoạn sử dụng ............ 27 1.3. ƢU, NHƢỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC .............. 27 1.3.1. Ƣu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thƣờng................................................. 27 1.3.2. Nhƣợc điểm ......................................................................................................... 28 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 29 CHƢƠNG 2 ................................................................................................................... 30 CƠ SỞ LÝ THUYẾTVỀ TÍNH TOÁN SÀN BÊ TÔNG ............................................. 30 ỨNG LỰC TRƢỚC ...................................................................................................... 30 2.1. VẬT LIỆU TRONG BÊ TÔNG ỨNG LỰC.......................................................... 30 2.1.1. Bê tông cƣờng độ cao .......................................................................................... 30 iv 2.1.2. Thép ứng lực trƣớc .............................................................................................. 32 2.2. CÁC QUAN NIỆM PHÂN TÍCH KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC ... 37 2.2.1.Quan niệm thứ nhất .............................................................................................. 37 2.2.2. Quan niệm thứ hai ............................................................................................... 37 2.2.3. Quan niệm thứ ba ................................................................................................ 37 2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG SÀN PHẲNG ............ 40 2.3.1. Phƣơng pháp phân phối trực tiếp ........................................................................ 40 2.3.2. Phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng ....................................................................... 43 2.3.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ............................................................... 45 2.4. QUY TRÌNH THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC ........... 46 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 48 CHƢƠNG 3 ................................................................................................................... 50 VÍ DỤ TÍNH TOÁN ..................................................................................................... 50 3.1. SƠ ĐỒ - CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN .................................................................. 50 3.1.1. Sơ đồ mặt bằng .................................................................................................... 50 3.1.2. Các thông số chính .............................................................................................. 50 3.2.CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA KHUNG TƢƠNG ĐƢƠNG (KHUNG TRỤC B) ....... 57 3.2.1.Xác định các cột tƣơng đƣơng .............................................................................. 58 3.2.2.Xác định bản dầm tƣơng đƣơng ........................................................................... 60 3.3. THIẾT KẾ CÁP ỨNG LỰC TRƢỚC.................................................................... 61 3.3.1. Xác định hình dạng cáp ứng lực .......................................................................... 61 3.3.2. Xác định lực ứng lực trƣớc và tổn hao ứng suất ................................................. 62 3.3.3. Xác định tải trọng cân bằng ................................................................................. 65 3.4. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU CẮT ................................................................... 66 3.4.1. Công thức tính toán ............................................................................................. 66 3.4.2.Tính toán kiểm tra tại sàn tầng 2 tƣơng ứng với kích thƣớc cột 1000x1000mm . 67 3.4.3. Tính toán kiểm tra tại sàn tầng 10 tƣơng ứng với kích thƣớc cột 700x700mm .. 70 3.5. KIỂM TRA ĐỘ VÕNG CỦA SÀN ....................................................................... 74 3.6. LẬP BẢNG SO SÁNH .......................................................................................... 77 3.6.1. So sánh kết quả tính toán ..................................................................................... 77 3.6.2. Nhận xét kết quả tính toán ................................................................................... 78 v KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 79 1. KẾT LUẬN ............................................................................................................... 79 2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................................... 79 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 80 PHỤ LỤC ...................................................................... Error! Bookmark not defined. QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) vi TÓM TẮT LUẬN VĂN LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC Học viên: Từ Thị Thùy Trang; Chuyên ngành: Kỹ thuật XD CT DD & CN Mã số: 60.58.02.08; Khóa: K32; Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trong những năm gần đây, việc sử dụng sàn bê tông ứng lực trƣớc trong nhà nhiều tầng đem lại nhiều thuận lợi hơn so với sàn bê tông cốt thép thông thƣờng. Hệ thống sàn bê tông ứng lực trƣớc rất phù hợp cho sàn nhà nhiều tầng với tải trọng động và cần không gian lớn, cũng nhƣ các kết cấu cần vƣợt nhịp lớn. Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phƣơng án kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc thƣờng ngƣời thiết kế hay dùng một cấp bền chịu nén cho kết cấu cột và sàn, điều này dẫn đến sự bất hợp lý trong việc tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu. Luận văn nghiên cứu lựa chọn sử dụng cấp độ bền khác nhau giữa cột và sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc đảm bảo điều kiện cƣờng độ và khả năng biến dạng cần đảm bảo độ bền tối thiểu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 318. Từ đó đƣa ra kiến nghị sử dụng cấp độ bền chịu nén B hợp lý cho sàn khác cột trong thiết kế kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc cho nhà cao tầng trong một vài trƣờng hợp cụ thể. Toàn bộ các kết quả nghiên cứu đƣợc và những kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo đƣợc trình bày chi tiết trong phần kết luận và kiến nghị. Từ khóa - sàn phẳng; bê tông ứng lực trƣớc; bê tông cốt thép; cấp bền chịu nén bê tông. --------------------------------------------------------------------THE SELECTION CONCRETE COMPRESSIVE STRENGTH LOGICALLY OF PRESTRESSED SLAB Abstract -In recent years, pre-stressed concrete floors are used in a lot number of high-rises and proved their advantages over reinforce concrete. Pre-stressed concrete floor systems are ideally suited for high buildings where the live loads and great spaces are required and longer spans are desirable. For civil and industrial construction For construction works of large size and number of floors, with pre-stressed concrete plan floor plan, it is usually designed or used for a durable construction of column and floor structure, which leads to unsuitable to make full use of the working ability of the material. The dissertation study uses different durability levels between the prestressed concrete columns and slabs to ensure the strength and deformability of the concrete. It is necessary to ensure the minimum compressive strength required by ACI 318. It is therefore recommended to use a concrete compressive strength B for other floors in the design of pre-stressed concrete floor plan for high-rise buildings in a few specific cases. The findings and recommendations for further studies are presented in the conclusions and recommendations section. vii Key words - flat slab; prestressed concrete; reinforced concrete ; concrete compressive strength. viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT: BTCT bê tông cốt thép PTHH phần tử hữu hạn ƢLT ứng lực trƣớc CÁC KÝ HIỆU: A diện tích tiết diện I mô men quán tính M mô men uốn N lực dọc trục P lực căng trƣớc hiệu quả V lực cắt b chiều rộng của tiết diện ngang e độ lệch tâm của cáp ƢLT f, δ ứng suất l,L chiều dài hoặc nhịp Ac diện tích tiết diện ngang của bê tông Aps diện tích tiết diện ngang của cốt thép ƢLT As diện tích tiết diện ngang của cốt thép thƣờng Ec mô đun đàn hồi của bê tông Eps mô đun đàn hồi của cốt thép ƢLT Fbt khả năng chống chọc thủng của bản sàn phẳng Fct tải trọng gây nên sự phá hoại theo kiểu chọc thủng P0 lực căng ban đầu Vp thành phần thẳng đứng của lực nén trƣớc hiệu quả Zb, Zt mô men quán tính tĩnh của tiết diện tại thớ trên và dƣới b0 chu vi của tiết diện tính toán quy ƣớc ’ fc cƣờng độ chịu nén đặc trƣng của mẫu trụ bê tông ở 28 ngày tuổi ’ fci cƣờng độ chịu nén của bê tông tại thời điểm truyền lực ft cƣờng độ chịu kéo của bê tông fpc ứng suất nén trung bình của bê tông do lực nén trƣớc gây ra fpe ứng suất hiệu quả của thép ƢLT fpu giới hạn bền của thép ƢLT fpy giới hạn chảy của thép ƢLT fpi ứng suất căng ban đầu của thép ƢLT fy cƣờng độ của thép thƣờng hs chiều dày sàn wb tải trọng cân bằng ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang Bảng 1 Quy định cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trƣớc 31 Bảng 2 Độ bền tối thiểu của thép thanh ứng lực trƣớc 33 Bảng 3 Độ bền tối thiểu của thép sợi ứng lực trƣớc 33 Bảng 4 Phân tích theo phƣơng pháp cân bằng tải trọng 38 Bảng 5 Hệ số phân phối mô men âm và mô men dƣơng 41 Bảng 6 Tỷ lệ % mô men âm phân chia cho dải trên cột cho các ô bản ở giữa 42 Bảng 7 Độ dày tối thiểu của sàn bê tông ứng lực trƣớc 46 Bảng 9 Bảng 10 Bảng 11 Bảng 12 Bảng 13 Bảng quy đổi cƣờng độ nén của mẫu lăng trụ sang mẫu lập phƣơng Bảng cƣờng độ trung bình của mẫu lập phƣơng Bảng các thông số tính toán của bê tông Bảng sơ bộ tiết diện cột Bảng tải trọng tác dụng lên sàn Bảng tải trọng gió tác dụng lên sàn Bảng 14 Bảng tải trọng gió tác dụng vào khung ngang 56 Bảng 15 Bảng kích thƣớc của cột dầm sàn của khung tƣơng đƣơng sàn tầng 2 ứng với từng cấp bền nén 59 Bảng 8 51 51 52 53 54 55 Bảng 18 Bảng kích thƣớc của cột dầm sàn của khung tƣơng đƣơng sàn tầng 10 ứng với từng cấp bền nén Xác định ứng suất trong cáp sau khi trừ đi tổn hao tức thời Tỷ lệ hao ứng suất Bảng 19 Xác định lực căng hiệu quả trên từng dải 64 Bảng 20 Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 2 70 Bảng 16 Bảng 17 60 64 64 x Bảng 21 Bảng 22 Bảng 23 Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 10 Kết quả phân tích độ võng tƣơng ứng với từng cấp độ bền chịu nén của bê tông Bảng so sánh khả năng chịu lực 74 77 77 xi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH Số hiệu hình và đồ thị Hình 1.1 Hình 1.2 Tên hình và đồ thị Trang 17 18 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Cấu kiện bê tông ứng lực trƣớc Bê tông cốt thép ứng lực trƣớc Sơ đồ gây ứng lực trƣớc trong cấu kiện bê tông chịu nén bằng cốt thép cƣờng độ cao Ứng lực trƣớc của một số dụng cụ Bê tông ứng suất lực trƣớc thế kỷ 19 Bức chân dung của Eugene Freyssinet Tòa nhà Keangnam Hà Nội Tòa nhà F.HOME Đà Nẵng Sơ đồ phƣơng pháp căng trƣớc Hình 1.10 Sơ đồ phƣơng pháp căng sau 25 Hình 1.3 18 20 21 22 23 24 25 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Dầm sàn bê tông cốt thép thông thƣờng và sàn bê tông ứng lực trƣớc Hình dạng cáp ứng lực trƣớc Cốt thép ứng lực trƣớc (cáp 7 sợi) Ống gen Hệ đầu neo Van bơm vữa bằng nhựa Hình 2.6 Bố trí con kê 36 Hình 2.7 Kích thủy lực kéo cáp cho đƣờng cáp dẹp, khả năng tạo lực tối đa 256kN 36 Hình 2.8 Máy bơm thủy lực 37 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Phân tích theo phƣơng pháp ứng suất cho phép Sơ đồ dải trên cột và dải giữa nhịp Sơ đồ khung tƣơng đƣơng Sơ đồ cột tƣơng đƣơng 38 42 43 44 Hình 2.13 Sơ đồ cáp đối với sàn liên tục 47 Hình 2.14 Hình 3.1 Hình 3.2 Sơ đồ cáp đối với sàn dạng bản công xôn Mặt bằng sàn Sơ đồ khung không gian 3D 47 50 54 Hình 1.11 28 33 34 34 35 35 xii Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Mặt bằng dải sàn Sơ đồ khung tƣơng đƣơng trục B Cột tƣơng đƣơng Bản dầm tƣơng đƣơng 57 58 59 61 Hình 3.7 Hình dạng cáp theo dải 61 Hình 3.8 Hình 3.9 Biểu đồ mô men của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng 2 Biểu độ lực cắt của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng 2 67 67 Hình 3.10 Tiết diện chịu cắt của cột biên 1000x1000mm 67 Hình 3.11 Tiết diện chịu cắt của cột giữa 1000x1000mm 69 Hình 3.12 Hình 3.13 Biểu đồ mô men của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng 10 Biểu độ lực cắt của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng 10 71 71 Hình 3.14 Tiết diện chịu cắt của cột biên 700x700mm 71 Hình 3.15 Tiết diện chịu cắt của cột giữa 700x700mm 73 Hình 3.16 Tổ hợp tải trọng tính độ võng sàn 75 Hình 3.17 Độ võng của sàn tƣơng ứng cấp bền nén B35 76 Hình 3.18 Bảng chuyển vị của sàn tƣơng ứng cấp bền nén B35 76 Hình 3.19 Biểu đồ quan hệ khả năng chống chọc thủng của sàn tƣơng ứng với từng cấp bền ở vị trí cột giữa và cột biên 78 15 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, việc sử dụng sàn bê tông ứng lực trƣớc trong nhà nhiều tầng đem lại nhiều thuận lợi hơn so với sàn bê tông cốt thép thông thƣờng. Hệ thống sàn bê tông ứng lực trƣớc rất phù hợp cho sàn nhà nhiều tầng với tải trọng động và cần không gian lớn, cũng nhƣ các kết cấu cần vƣợt nhịp lớn. Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phƣơng án kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc thƣờng ngƣời thiết kế hay dùng một cấp bền cho kết cấu cột và sàn, điều này dẫn đến sự bất hợp lý trong việc tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu. Cần lựa chọn sử dụng cấp độ bền khác nhau giữa cột và sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc đảm bảo điều kiện cƣờng độ và khả năng biến dạng đảm bảo độ bền tối thiểu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 318. Trong kết cấu nhà nhiều tầng hiện nay sử dụng sàn phẳng ứng lực trƣớc, thƣờng cấp bền trong cột bê tông cốt thép lớn hơn cấp bền của sàn ứng lực trƣớc, và sự bất hợp lý trong liên kết cột với sàn nhƣ chọc thủng, tăng cáp, tăng thép thƣờng, …Vì vậy, cần chọn một cấp bền nén trong sàn hợp lý để thỏa mãn điều kiện liên kết và kinh tế. Việc nghiên cứu đề tài “Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng lực trước” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Tính toán, lựa chọn cấp bền nén hợp lý của bê tông sàn phẳng ứng lực trƣớc trong nhà nhiều tầng và từ đó đƣa ra nhận xét và kiến nghị. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc trong nhà nhiều tầng. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sử dụng cấp bền chịu nén hợp lý trong việc thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc (xét tại vị trí liên kết với cột nhà nhiều tầng). 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết tính toán sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc; - Thí dụ bằng số để kiểm chứng kết quả 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Sàn phẳng bê tông ƢLT với nhiều ƣu điểm nên đã đƣợc sử dụng nhiều trong công trình nhà cao tầng và công trình công cộng. Dựa vào kết quả nghiên cứu sẽ giúp ngƣời thiết kế có cái nhìn tổng quan về cấp bền chịu nén của bê tông sàn phẳng bê tông ƢLT so với cấp bền chịu nén của bê tông cột trong kết cấu nhà nhiều tầng. Từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị khi thiết kế kết cấu sàn phẳng bê tông ƢLT. 16 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Toàn bộ Luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng. Ngoài phần “Mở đầu” trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu thì nội dung chính của Luận văn đƣợc trình bày từ Chƣơng 1 đến Chƣơng 3 và phần Kết luận, kiến nghị. Chƣơng 1, Tổng quan về sàn bê tông ứng lực trƣớc. Chƣơng 2, Cơ sở lý thuyết về tính toán sàn bê tông ứng lực trƣớc. Chƣơng 3, Ví dụ tính toán. 17 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC 1.1. GIỚI THIỆU KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC 1.1.1. Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trƣớc [3] Cấu kiện bê tông cốt thép là sự kết hợp khả năng chịu kéo của cốt thép và chịu nén của bê tông. Tuy nhiên, BTCT là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng cùng làm việc một cách bị động.Việc xuất hiện sớm các vết nứt trong kết cấu BTCT do sự biến dạng không tƣơng thích giữa thép và bê tông là một trong những lý do ứng dụng loại vật liệu mới là bê tông ứng lực trƣớc. Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trƣớc, còn gọi là kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trƣớc, hay bê tông tiền áp, hoặc bê tông dự ứng lực (tên gọi Hán Việt) là kết cấu bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp tích cực, có chủ ý giữa bê tông cƣờng độ cao và cốt thép cƣờng độ cao. Trong cấu kiện bê tông ƢLT, ngƣời ta đặt vào một lực nén trƣớc bằng việc kéo các sợi cáp bằng thép cƣờng độ cao đặt trong lòng các cấu kiện bê tông một cách phù hợp. Lực nén này gây ra ứng suất nén trƣớc trong bê tông và sẽ làm triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng tác dụng lên. Do vậy, sử dụng bê tông ƢLT sẽ làm tăng khả năng làm việc của cấu kiện cũng nhƣ tăng độ ổn định. Nhờ hạn chế đƣợc độ võng, giảm kích thƣớc tiết diện nên các kết cấu vƣợt nhịp lớn hơn hay khẩu độ lớn hơn, làm tăng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật so với bê tông cốt thép thƣờng. Hình 1. 1. Cấu kiện bê tông ứng lực trước 1.1.2. Nguyên lý làm việc Bê tông thƣờng có cƣờng độ chịu kéo rất nhỏ so với cƣờng độ chịu nén. Đó là nhân tố dẫn đến việc xuất hiện một loại vật liệu hỗn hợp là “bê tông cốt thép”. Việc xuất hiện sớm của các vết nứt trong bê tông cốt thép do biến dạng không tƣơng thích giữa thép và bê tông là điểm khởi đầu cho việc xuất hiện một loại vật liệu mới là “bê tông ứng lực trƣớc”. Việc tạo ra một ứng suất nén cố định cho một vật liệu 18 chịu nén tốt nhƣng chịu kéo kém nhƣ bê tông sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo vì ứng suất kéo xảy ra sau khi ứng suất nén đã bị vô hiệu. 1. Kết cấu chịu lực phân bố đều ; 2. Biến dạng của kết cấu bê tông cốt thép thƣờng ; 3. Kéo căng cốt thép cƣờng độ cao; 4. Buông cốt thép ứng lực trƣớc ; 5. Biến dạng của bê tông cốt thép ứng lực trƣớc; 6. Tải trọng tác dụng vào bê tông cốt thép ứng lực trƣớc. Hình 1.2. Bê tông cốt thép ứng lực trước Hình 1.3. Sơ đồ gây ứng lực trước trong cấu kiện bê tông chịu nén bằng cốt thép cường độ cao Sự khác nhau cơ bản giữa bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trƣớc là ở chỗ: - Trong khi bê tông cốt thép chỉ là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng cùng làm việc một cách bị động thì bê tông ứng lực trƣớc là sự kết hợp một cách tích cực, có chủ ý giữa bê tông cƣờng độ cao và cốt thép cƣờng độ cao. - Trong cấu kiện bê tông ứng lực trƣớc, ngƣời ta đặt vào một lực nén trƣớc tạo bởi việc kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hƣớng co lại và sẽ tạo nên lực nén trƣớc, lực nén trƣớc này gây nên ứng suất nén trƣớc trong bê tông và sẽ triệt tiêu 19 hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra, do vậy làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông và làm hạn chế sự phát triển của vết nứt. - Sự kết hợp rất hiệu quả đó đã tận dụng đƣợc các tính chất đặc thù của hai loại vật liệu, đó là trong khi thép có tính đàn hồi và cƣờng độ chịu kéo cao thì bê tông là vật liệu dòn và có cƣờng độ chịu kéo rất nhỏ so với cƣờng độ chịu nén của nó. Nhƣ vậy ứng lực trƣớc chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cƣờng sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Chính vì vậy bê tông ứng lực trƣớc đã trở thành một sự kết hợp lý tƣởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cƣờng độ cao. - Cốt thép trong bê tông, là cốt thép cƣờng độ cao, đƣợc kéo căng ra bằng máy kéo ứng lực trƣớc, đạt tới một giá trị ứng suất nhất định, đƣợc thiết kế trƣớc, nằm trong giới hạn đàn hồi của nó, trƣớc khi các kết cấu bê tông cốt thép này chịu tải. - Lực căng cốt thép này làm cho kết cấu bê tông biến dạng ngƣợc với biến dạng do tải trọng gây ra sau này khi kết cấu làm việc. Nhờ đó, kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trƣớc có thể chịu tải trọng lớn gần gấp đôi so với kết cấu này, khi không căng cốt thép ứng lực trƣớc. (Khi chịu tải trọng bình thƣờng, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ đủ để triệt tiêu biến dạng do căng trƣớc, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trƣớc khi căng, giống nhƣ không hề chịu tải gì.). Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thƣờng, thì cốt thép cùng với vật liệu bê tông chỉ thực sự làm việc (có ứng suất) khi có sự tác dụng của tải trọng. Còn ở kết cấu ứng lực trƣớc, trƣớc khi đƣa vào chịu tải thì kết cấu đã có trong nó một phần ứng suất ngƣợc rồi. Cốt lõi của việc kết cấu bê tông ứng lực trƣớc có khả năng chịu tải rất lớn là nhờ việc tạo ra các biến dạng ngƣợc với khi làm việc bình thƣờng. Việc sử dụng vật liệu cơ tính cao nhƣ: cốt thép cƣờng độ cao, bê tông có cấp bền chịu nén cao... chỉ là điều kiện phụ trợ để tăng khả năng chịu tải của kết cấu bê tông ứng lực trƣớc. 1.1.3. Sự hình thành, phát triển của kết tông ứng lực trƣớc trên thế giới [3] Nguyên lý tạo ƢLT đã đƣợc ứng dụng trong thực tế từ nhiều thế kỷ trƣớc, khi con ngƣời chế tạo những thùng chứa chất lỏng nhƣ nƣớc, rƣợu…. hay khi làm trống, các thanh gỗ phẳng hoặc cong đƣợc ghép lại thật khít nhờ những đai bằng dây thừng hay bằng kim loại. Khi xiết chặt các đai ở thành thùng, xuất hiện các ứng lực nén vòng ngƣợc chiều tác dụng với các ứng suất kéo gây ra do áp lực thủy tĩnh hay áp lực hơi. Nhờ vậy trong thành thùng còn lại những ứng suất nén hoặc kéo vòng với giá trị nhỏ so với khả năng chịu nén, kéo của vật liệu đồng thời tạo nên sự khít chặt giữa các mảnh ghép thành thùng. Kết quả thùng có thể chịu đƣợc áp lực lớn của chất lỏng bên trong mà không bị thấm hay rò rỉ. 20 Đai dây song giằng quanh thùng lều gỗ Đai thép giằng quanh thùng rượu gỗ Hình 1.4. Ứng lực trước của một số dụng cụ - Bê tông cốt thép ứng lực trƣớc ở thời kỳ sơ khai đã đƣợc nghiên cứu từ thế kỷ 19, tuy nhiêu các kết quả thu đƣợc không hoàn toàn thành công. Điều đó đƣợc thể hiện qua các hiện tƣợng: + Khả năng chịu lực của cấu kiện này giảm theo thời gian ; + Co ngótvà từ biến của bê tông làm giảm hiệu quả của ứng lực trƣớc. - Giải pháp khắc phục các nhƣợc điểm trên là: + Dùng thép cƣờng độ cao để làm cốt thép ứng lực trƣớc ; + Dùng bê tông cƣờng độ cao.