Tài liệu Nckhsv xd 2017 18

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2016 - 2017 TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN DỰ BÁO NỨT CHO CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Mã số đề tài: XD – 2017 -18 Sinh viên thực hiện, mã số sinh viên, lớp: 1 Lê Viết Dũng 451958 58XD8 2 Phạm Đình Giang 390058 58XD8 3 Dương Ngọc Hoàng 554558 58XD8 4 Bùi Ngọc Toàn 449858 58XD8 Giáo viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Bá Duẩn Hà Nội, 2017 i MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... iv DANH MỤC BIỂU ĐỒ .......................................................................................... v MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 6 1 Tổng quan ............................................................................................................ 6 2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 11 2.1 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 11 2.2 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 12 CHƯƠNG 1: NHẬN BIẾT VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU BTCT ....................... 13 1.1 Giới thiệu chung .............................................................................................. 13 1.2 Vết nứt kết cấu ( Structural cracks ) ................................................................. 13 1.2.1 Vết nứt chịu uốn ( Flexural cracks ) .............................................................. 13 1.2.2 Vết nứt chịu cắt ( Shear cracks ) ................................................................... 14 1.2.3 Vết nứt nội vi mô ( Internal micro-cracks ) ................................................... 15 1.3 Vết nứt phi kết cấu ( Non-structural cracks ) .................................................... 16 1.3.1 Vết nứt ở trạng thái chưa cứng hóa ( Pre-hardening cracks ) ......................... 17 1.3.2 Vết nứt ở trạng thái cứng hóa (Cracks in Hardened Concrete)....................... 20 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NỨT DẦM THEO CÁC TIÊU CHUẨN ................... 23 2.1 Tính bề rộng vết nứt dầm tiêu chuẩn theo TCVN 5574 2012 ........................... 23 2.1.1 Khả năng xảy ra vết nứt trong dầm ............................................................... 23 2.1.2 Công thức tính bề rộng vết nứt trong dầm ..................................................... 26 2.2 Tính bề rộng vết nứt dầm tiêu chuẩn theo BS 8110 .......................................... 29 2.3 Tính bề rộng vết nứt dầm tiêu chuẩn theo ACI 318 .......................................... 33 2.3.1 Khả năng xảy ra vết nứt trong dầm ............................................................... 33 2.3.2 Công thức tính bề rộng vết nứt trong dầm ..................................................... 35 2.4 Nhận xét công thức tính bề rộng vết nứt theo các tiêu chuẩn khác nhau ........... 37 ii CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM.................... 38 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ..................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 42 PHỤ LỤC................................................................................................................ 1 1. Bảng tính bề rộng vết nứt dầm theo TCVN 5574 2012 ........................................ 1 2. Bảng tính bề rộng vết nứt dầm theo BS 8110 ....................................................... 5 3. Bảng tính bề rộng vết nứt dầm theo ACI 318 ....................................................... 8 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bề rộng vết nứt hạn chế thấm cho kết cấu theo TCVN 5574 2012 .. 28 Bảng 2 Bề rộng vết nứt đảm bảo an toàn cho cốt thép theo TCVN 5574 2012 .................................................................................................. 29 Bảng 3 Một số điểm khác nhau giữa các tiêu chuẩn ....................................... 37 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Vết nứt sàn khu đô thị Thành phố giao lưu (Hà Nội) ............................ 6 Hình 2 Vết nứt sàn tầng trệt Nhà ở chiến sĩ (Lương Thế Vinh, Hà Nội) ........... 7 Hình 3 Vết nứt xuyên qua dầm tòa nhà Apex Tower (Hà Nội)......................... 8 Hình 4 Cầu thang bị nứt tại khu tập thể A Ngọc Khánh, Hà Nội ...................... 9 Hình 5 Nứt sàn tại khu chung cư cũ A3 (Vĩnh Hồ) .......................................... 9 Hình 6 Vết nứt đáy bể xử lý nước thải – Nhà máy nhiệt điện Mông Dương ... 10 Hình 7 Vết nứt sàn công trình HH6, khu đô thị An Khánh, Hà Nội ............... 11 Hình 8 Vết nứt chịu uốn trong dầm................................................................ 14 Hình 9 Vết nứt chịu cắt trong dầm ................................................................. 15 Hình 10 Vết nứt sàn DƯL tòa nhà 97-99 Láng Hạ do chuyển vị tường vây ... 16 Hình 11 Các loại vết nứt phi kết cấu trong bê tông ........................................ 17 Hình 12 Vết nứt co ngót sàn phẳng DƯL khi chưa căng cáp .......................... 18 Hình 13 Vết nứt do lắng cốt liệu .................................................................... 19 Hình 14 Vết nứt do chuyển vị ván khuôn....................................................... 20 Hình 15 Vết rạn nứt ở trạng thái cứng hóa ..................................................... 21 Hình 16 Vết nứt co ngót ở trạng thái cứng hóa .............................................. 21 Hình 17 Biểu đồ ứng suất xác định mô men uốn kháng nứt Mcrc .................. 24 Hình 18 Biểu đồ ứng suất xác định biến dạng suy giảm ................................. 31 Hình 19 Biểu đồ ứng suất xác định bề rộng vết nứt theo BS 8110 ................. 32 Hình 20 Khoảng cách từ điểm xét đến bề mặt của thanh thép dọc gần nhất ... 33 Hình 21 Biểu đồ ứng suất xác định chiều cao vùng nén theo ACI 318 ........... 34 Hình 22 Sơ đồ tính bề rộng vết nứt theo ACI 318 .......................................... 36 Hình 23 Sơ đồ thí nghiệm nứt dầm bê tông cốt thép ...................................... 38 Hình 24 Hình ảnh thí nghiệm nứt dầm bê tông cốt thép ................................. 39 v DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 1 So sánh kết quả vết nứt dầm thép 2phi12 ....................................... 40 Biểu đồ 2 So sánh kết quả vết nứt dầm thép 2phi14 ....................................... 40 6 MỞ ĐẦU 1 Tổng quan Vết nứt luôn tồn tại trong kết cấu bê tông do cường độ chịu kéo của bê tông thấp. Ảnh hưởng của vết nứt đến sự làm việc của công trình :  Khả năng chịu lực;  Tuổi thọ của công trình;  Tính chất chống thấm;  Thẩm mỹ của công trình. Nứt kết cấu bê tông có thể xảy ra ở nhiều thời điểm khác nhau với nhiều nguyên nhân khác nhau. Khi vừa thi công xong Hình 1 Vết nứt sàn khu đô thị Thành phố giao lưu (Hà Nội) 7 Hình 2 Vết nứt sàn tầng trệt Nhà ở chiến sĩ (Lương Thế Vinh, Hà Nội) 8 Hình 3 Vết nứt xuyên qua dầm tòa nhà Apex Tower (Hà Nội) Khi công trình đã tồn tại nhiều năm 9 Hình 4 Cầu thang bị nứt tại khu tập thể A Ngọc Khánh, Hà Nội Hình 5 Nứt sàn tại khu chung cư cũ A3 (Vĩnh Hồ) Vết nứt là đặc trưng cơ bản cho sự hư hỏng của công trình. Đặc điểm của vết nứt (phương, chiều dài, chiều rộng, sự phát triển) là cơ sở cho việc xác định nguyên nhân gây hư hỏng công trình. Ví dụ dạng vết nứt đáy bể công trình bể xử lý nước thải 10 – Nhà máy nhiệt điện Mông Dương (Quang Ninh) thể hiện nguyên nhân do tải trọng. Công trình thi công vào mùa mưa, có mực nước ngầm cao hơn so với báo cáo khảo sát địa chất và công trình nứt trong trường hợp bể chịu tải trọng đẩy nổi do tải trọng thực tế thi công vượt quá tải trọng thiết kế. Hình 6 Vết nứt đáy bể xử lý nước thải – Nhà máy nhiệt điện Mông Dương Ngược lại, vết nứt đáy sàn của công trình HH6 khu đô thị An Khánh, Hà Nội hoàn toàn không phải do tải trọng như trường hợp vết nứt đáy bể công trình bể xử lý nước thải – Nhà máy nhiệt điện Mông Dương (Quang Ninh). 11 Hình 7 Vết nứt sàn công trình HH6, khu đô thị An Khánh, Hà Nội Các sự cố nêu trên đặt lại vấn đề phân biệt các loại vết nứt và tính toán kiểm tra vết nứt trong kết cấu công trình theo trạng thái giới hạn II một cách đầy đủ từ giai đoạn thiết kế, thi công, sử dụng để hạn chế và kiểm soát vết nứt. 2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Trong thực hành tính toán thiết kế kết cấu BTCT hiện nay, có nhiều tiêu chuẩn thiết kế tồn tại song song. Chúng ta có thể kể đến các tiêu chuẩn như: tiêu chuẩn Việt nam (TCVN 5574:2012); tiêu chuẩn Anh (BS 8110) và tiêu chuẩn Mỹ (ACI 318). Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn này công thức tính toán vết nứt là tương đối khác nhau. Sự khác nhau này gây ra nhiều lúng túng cho các kỹ sư thiết kế trong quá trình tính toán thiết kế, kiểm tra kết cấu công trình. Chính vì những lý do này mà nghiên cứu được thực hiện, với những mục tiêu chính như sau: 12  Tìm hiểu về phương pháp tính toán nứt của các tiêu chuẩn đang được áp dụng phổ biến hiện nay là tiêu chuẩn Việt nam (TCVN 5574:2012); tiêu chuẩn Anh (BS 8110) và tiêu chuẩn Mỹ (ACI 318).  Kiểm nghiệm lại tính khả dụng của các công thức tính toán nứt của ba tiêu chuẩn hiện hành: tiêu chuẩn Việt nam (TCVN 5574:2012); tiêu chuẩn Anh (BS 8110) và tiêu chuẩn Mỹ (ACI 318). Các kết quả tính theo các tiêu chuẩn trên đây được so sánh với một số giá trị thực nghiệm thu được để tìm ra tiêu chuẩn phù hợp nhất.  Đưa ra các khuyến cáo trong việc phân loại và xử lý vết nứt. 2.2 Phạm vi nghiên cứu Nhận biết các loại vết nứt trong kết cấu bê tông. Tính toán, so sánh vết nứt của dầm bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành: tiêu chuẩn Việt nam (TCVN 5574:2012); tiêu chuẩn Anh (BS 8110) và tiêu chuẩn Mỹ (ACI 318) bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với số liệu thực nghiệm. 13 CHƯƠNG 1: NHẬN BIẾT VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU BTCT 1.1 Giới thiệu chung Kết cấu bê tông rất dễ bị nứt, ở cả trạng thái dẻo và trạng thái cứng. Trong báo cáo này cung cấp thông tin cơ bản về các loại vết nứt trên bê tông và ảnh hưởng của chúng đối với sự làm việc dài hạn của kết cấu bê tông. Kêt cấu bê tông có xu hướng tự nứt do các yếu tố bên trong hoặc bên ngoài, thường bị ảnh hưởng bởi vật liệu, thiết kế, thi công, tải trọng làm việc và các điều kiện môi trường. Các yếu tố này có thể tác động đơn lẻ hoặc kết hợp với nhau. Các biện pháp phù hợp được đưa ra bao gồm, lựa chọn vật liệu tốt, hồ sơ thiết kế đầy đủ, điều kiện thi công đảm bảo cần được thực hiện để ngăn chặn hoặc ít nhất làm giảm thiểu sự xuất hiện của nứt. Khi xảy ra nứt, điều quan trọng là xác định ảnh hưởng của chúng đến khả năng chịu lực của kết cấu và công năng sử dụng của công trình. Phân loại vết nứt chủ yếu dựa vào nguyên nhân hoặc cơ chế chính gây ra chúng. Các vết nứt kết cấu (structural cracks) do tải trọng sử dụng, trong khi các vết nứt phi kết cấu (nonstructural cracks) chủ yếu là do tính chất hóa, lý của bê tông và các vật liệu thành phần tạo ra nó, thực tế thi công, điều kiện sử dụng. 1.2 Vết nứt kết cấu ( Structural cracks ) 1.2.1 Vết nứt chịu uốn ( Flexural cracks ) Các vết nứt trong cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn bắt đầu từ vùng bê tông chịu kéo, ví dụ ở đấy của dầm. Các kết cấu dầm, sàn thường bị biến dạng và chuyển vị lớn khi làm việc. Biến dạng và chuyển vị của dầm, sàn càng lớn khi nhịp hoặc tải trọng tác dụng tăng. Khi đó, cốt thép và bê tông xung quanh đó sẽ chịu kéo. Khi ứng suất kéo trong bê tông vượt quá ứng suất kéo cho phép của bê tông, một vết nứt ngang dầm hoặc vết nứt uốn hình được hình thành (Hình 8). 14 Hình 8 Vết nứt chịu uốn trong dầm Dưới tác dụng ngắn hạn của tải trọng, vết nứt có khuynh hướng xuất hiện trong phạm vi từ bề mặt dầm đến cốt thép chịu kéo. Dưới tác dụng dài hạn của tải trọng, bề rộng vết nứt tăng lên, mở rộng lên miền bê tông chịu nén. 1.2.2 Vết nứt chịu cắt ( Shear cracks ) Các vết nứt trong cấu kiện bê tông cốt thép chịu cắt có thể do tải trọng sử dụng hoặc do chuyển vị cưỡng bức. Các vết nứt này được dễ mô tả hơn các vết nứt chéo do sự kết hợp của hiệu ứng uốn và cắt đồng thời xảy ra trong kết cấu. Nói chung, kết cấu dầm và cột thường bị nứt như vậy, xem Hình 9 15 Hình 9 Vết nứt chịu cắt trong dầm 1.2.3 Vết nứt nội vi mô ( Internal micro-cracks ) Vết nứt nội vi mô có thể xảy ra trong các vùng ứng suất đặc biệt như do sự khác biệt về tốc độ làm mát (kết cấu siêu tĩnh), do tải trọng nén (kết cấu ứng suất trước) và chuyển vị cưỡng bức. Những vết nứt nội vi mô ban đầu có thể không liên tục nhưng có khả năng phát triển liên tục và trở thành một dấu hiệu để nhận biết sự cố sẽ xảy ra trong kết cấu. 16 Hình 10 Vết nứt sàn DƯL tòa nhà 97-99 Láng Hạ do chuyển vị tường vây 1.3 Vết nứt phi kết cấu ( Non-structural cracks ) Các vết nứt phi kết cấu bao gồm các vết nứt trước khi bê tông đạt cường độ, vết nứt sau khi bê tông đạt cường độ và vết nứt do các hiệu ứng hóa học. Các vết nứt phi kết cấu chịu ảnh hưởng bởi thành phần vật liệu của bê tông và các yếu tố khác như nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, chế độ bảo dưỡng và điều kiện thi công thực tế. Một số loại vết nứt bị xâm nhập nên cốt thép bị ăn mòn dẫn đến nứt phát triển nghiệm trọng hơn. Tác động tức thời của vết nứt có thể được giảm thiểu và kiểm soát bằng cách giám sát chặt chẽ các khâu thiết kế chi tiết như cấu tạo cốt thép, kỹ thuật thi công và biện pháp thi công. 17 Hình 11 Các loại vết nứt phi kết cấu trong bê tông 1.3.1 Vết nứt ở trạng thái chưa cứng hóa ( Pre-hardening cracks ) Những vết nứt xảy ra trong vòng vài giờ sau khi đổ và đầm chặt bê tông, nhưng trước khi bê tông cứng hóa. Vết nứt co ngót ( Plastic shrinkage cracks ): gây ra bởi việc làm khô nhanh bề mặt bê tông, trong vòng sáu giờ đầu tiên (thậm chí trong vài phút) sau khi đổ bê tông, do mất độ ẩm nhanh từ bề mặt bê tông tiếp xúc với môi trường (Hình 12). 18 Hình 12 Vết nứt co ngót sàn phẳng DƯL khi chưa căng cáp Các yếu tố như vận tốc gió lớn, nhiệt độ không khí cao và độ ẩm thấp đều có thể gây vết nứt vì chúng đẩy quá trình bay hơi của nước, vượt quá tốc độ thoát nước ở bề mặt bê tông. Các vết nứt co ngót có thể là một vùng lớn hoặc những vết nứt chéo, song song, có độ sâu khác nhau. Để hạn chế vết nứt co ngót chúng ta cần:  Một chế độ bảo dưỡng nghiêm ngặt để hạn chế tác động của môi trường bên ngoài.  Thiết kế cấp phù hợp với kết cấu và điều kiện môi trường làm việc của kết cấu. Phòng thí nghiệm công trình – Trường Đại học Xây dựng đã có một nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến tình trạng nứt do co ngót trong bê tông ở điệu kiện khí hậu của Việt Nam [6].  Sử dụng lưới gia cường, chống nứt trong kết cấu bê tông. Vết nứt do lắng cốt liệu (Plastic Settlement Cracks ): Gây ra bởi bê tông lắng 19 xuống dưới trọng lượng bản thân của nó, đặc biệt là khi có quá nhiều nước và việc lắng cốt liệu gây biến dạng cục bộ. Các vết nứt có thể nghiệm trọng hơn do sự đầm chặt không đều và sự có mặt của các lỗ rỗng dưới các thanh cốt thép. Các vết nứt có thể được mở rộng và trở nên rõ ràng hơn do co ngót khi bề mặt bê tông khi khô ráo. Những vết nứt này có xu hướng hình thành dọc theo thép chịu lực và có thể là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn nghiêm trọng trong kết cấu bê tông cốt thép. Hình 13 Vết nứt do lắng cốt liệu Các vết nứt có thể được ngăn chặn bằng cách đảm bảo rằng cấp phối bê tông hợp lý, cho phép đầm chặt tốt và ván khuôn đủ độ cứng, không bị dịch chuyển trong quá trình thi công. Vết nứt do chuyển vị ván khuôn (Cracks Caused by Formwork Movement) Các vết nứt do chuyển vị cưỡng bức của ván khuôn sau khi bê tông bắt đầu đóng rắn nhưng chưa đạt cường độ để chịu được trọng lượng bản thân của nó và gây ra nứt.