Tài liệu Tính toán khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước theo một số tiêu chuẩn thiết kế

TÓM TẮT LUẬN VĂN TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ Học viên: Nguyễn Hữu Hùng; Chuyên ngành: Xây dựng công trình DD & CN Mã số: 60.58.02.08; Khóa: K31; Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Giải pháp kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới nhờ vào những ưu điểm của nó so với kết cấu sàn bê tông cốt thép thông thường. Bản sàn phẳng bê tông ứng lực trước được kê trực tiếp lên cột nên ngoài việc tính toán bảo đảm khả năng chịu lực còn phải nghiên cứu tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn để bảo đảm không bị nén thủng dưới tác dụng của tải trọng. Nghiên cứu này khái quát những ưu, nhược điểm của sàn phẳng bê tông ứng lực trước và nêu ra lý thuyết tính toán hoàn chỉnh khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy những điểm khác biệt về tính toán khả năng chống chọc thủng khi tính toán theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 và Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318M-08. Các giải pháp thiết kế và cấu tạo bản sàn phẳng để bảo đảm sàn không bị chọc thủng cũng được đưa ra trong Luận văn. Toàn bộ các kết quả nghiên cứu được và những kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo được trình bày chi tiết trong phần kết luận và kiến nghị. Từ khóa - sàn phẳng; bê tông ứng lực trước; bê tông cốt thép; chống chọc thủng; tiêu chuẩn thiết kế. --------------------------------------------------------------------CALCULATING THE CAPABILITY OF PUNCHING SHEAR RESISTANCE OF PRESTRESSED FLAT SLAB ACCORDING TO DESIGN STANDARDS Abstract - The structural solutions of prestressed flat slab have been using in many countries around the world because of its advantages compared to conventional reinforced slab. Because prestressed flat slab is supported directly on the columns, in addition to the usual design criteria, it must be studied to calculate the punching shear resistance under the effect of the loads. This study presents the advantages and disadvantages of prestressed flat slab and proposes a complete computational theory of the punching shear resistance. The results of the study show the differences between Vietnam Standard (according to the TCVN 5574: 2012 Code) and American Standard (according to the ACI 318M-08 Code) in calculation of the punching shear resistance. The design and detailing solutions of the prestressed flat slab that secure against punching shear in slab were carried out in the thesis. All of the study results and recommendations for further studies are detailed in the conclusions and recommendations. Key words - flat slab; prestressed concrete; reinforced concrete; punching shear resistance; design standard. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1 3. Dối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 1 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC......... 3 1.1. TỔNG QUAN .......................................................................................................... 3 1.1.1. Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trước ................................................. 3 1.1.2. Sự hình thành, phát triển của kết cấu bê tông ứng lực trước ........................ 3 1.1.3. Phân loại kết cấu bê tông ứng lực trước ....................................................... 5 1.2. VẬT LIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC ............. 7 1.2.1. Bê tông cường độ cao ................................................................................... 7 1.2.2. Thép ứng lực trước ....................................................................................... 9 1.3.3. Các vật liệu khác ......................................................................................... 12 1.3. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC .............. 14 1.3.1. Ưu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thường ........................................ 14 1.3.2. Nhược điểm ................................................................................................ 15 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................... 15 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5574:2012, TIÊU CHUẨN MỸ ACI 318M-08 ......... 16 2.1. TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC ...................... 16 2.1.1. Sự làm việc của sàn phẳng bê tông ứng lực trước ...................................... 16 2.1.2. Sự làm việc của kết cấu siêu tĩnh ứng lực trước ......................................... 19 2.1.3. Lý thuyết chọc thủng sàn ............................................................................ 20 2.2. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC ... 21 2.2.1. Các quan niệm phân tích kết cấu bê tông ứng lực trước ............................ 21 2.2.2. Các giai đoạn chịu tải của sàn phẳng bê tông ứng lực trước [3] ................ 22 2.2.3. Chọn chiều dày bản sàn bê tông ứng lực trước .......................................... 24 2.2.4. Tải trọng cân bằng ...................................................................................... 24 2.2.5. Mô hình cáp ứng lực trước ......................................................................... 25 2.2.6. Tổn hao ứng suất trong thép ứng lực trước ................................................ 27 2.2.7. Các phương pháp tính toán nội lực sàn phẳng............................................ 29 2.2.8. Kiểm tra ứng suất trong bê tông và bố trí cốt thép thường ......................... 34 2.3. CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5574:2012 .. 35 2.4. CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC THEO TIÊU CHUẨN MỸ ACI 318M-08................ 36 2.4.1. Xác định tiết diện tới hạn ............................................................................ 36 2.4.2. Khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước ............ 38 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................... 45 CHƯƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................................. 46 3.1. SƠ ĐỒ - SỐ LIỆU TÍNH TOÁN ........................................................................... 46 3.1.1. Sơ đồ mặt bằng ........................................................................................... 46 3.1.2. Các thông số chính đầu vào ........................................................................ 47 3.1.3. Chọn tiết diện cột ........................................................................................ 48 3.2. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC THEO TIÊU CHUẨN TCVN 5574:2012 ................................... 48 3.2.1. Kiểm tra chọc thủng sàn phẳng đối với cột giữa ........................................ 49 3.2.2. Kiểm tra chọc thủng sàn phẳng đối với cột biên ........................................ 49 3.2.3. Kiểm tra chọc thủng sàn phẳng đối với cột góc ......................................... 49 3.2.4. Nhận xét ...................................................................................................... 50 3.3. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC THEO TIÊU CHUẨN MỸ ACI 318M-08 ............................. 51 3.3.1. Quỹ đạo cáp và hao ứng suất ...................................................................... 51 3.3.2. Tải trọng cân bằng ...................................................................................... 52 3.3.3. Tính toán mô men thứ cấp M2 do tải trọng cân bằng gây ra ...................... 53 3.3.4. Tính toán mô men do tải trọng tính toán gây ra ......................................... 54 3.3.5. Kiểm tra khả năng chịu cắt của bản sàn phẳng bê tông ứng lực trước ....... 55 3.3.6. Nhận xét ...................................................................................................... 60 3.4. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC SỬ DỤNG PHẦN MỀM SAFE V12.3.2 .................................... 61 3.4.1. Khai báo vật liệu, tiết diện cấu kiện ........................................................... 61 3.4.2. Gán tải trọng và bố trí cáp ứng lực trước.................................................... 65 3.4.3. Phân tích và kiểm tra chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước ........... 68 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................... 69 3.5.1. So sánh kết quả tính toán ............................................................................ 69 3.5.2. Nhận xét kết quả tính toán .......................................................................... 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 72 QUYẾT DỊNH GIAO DỀ TAI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT: BTCTbê tông cốt thép PTHHphần tử hữu hạn ƯLTứng lực trước CÁC KÝ HIỆU: Adiện tích tiết diện Acdiện tích tiết diện ngang của bê tông Apsdiện tích tiết diện ngang của cốt thép ƯLT Asdiện tích tiết diện ngang của cốt thép thường bchiều rộng của tiết diện ngang b0chu vi của tiết diện tính toán quy ước dchiều cao làm việc của sàn eđộ lệch tâm của cáp ƯLT Ecmô đun đàn hồi của bê tông Epsmô đun đàn hồi của cốt thép ƯLT Fbtkhả năng chống chọc thủng của bản sàn phẳng Fcttải trọng gây nên sự phá hoại theo kiểu chọc thủng fc’cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu trụ bê tông ở 28 ngày tuổi fci’cường độ chịu nén của bê tông tại thời điểm truyền lực ftcường độ chịu kéo của bê tông fpcứng suất nén trung bình của bê tông do lực nén trước gây ra fpeứng suất hiệu quả của thép ƯLT fpugiới hạn bền của thép ƯLT fpygiới hạn chảy của thép ƯLT fpiứng suất căng ban đầu của thép ƯLT fycường độ của thép thường f, δứng suất hschiều dày sàn Imô men quán tính l,Lchiều dài hoặc nhịp Mmô men uốn Nlực dọc trục Plực căng trước hiệu quả P0lực căng ban đầu Rbtcường độ chịu kéo của bê tông theo Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 Vlực cắt Vpthành phần thẳng đứng của lực nén trước hiệu quả Zb, Ztmô men quán tính tĩnh của tiết diện tại thớ trên và dưới wbtải trọng cân bằng phân bố đều øhệ số giảm độ bền γhệ số truyền mô men DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 3.1. 3.2. 3.3. Tên bảng Quy định cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước Độ bền tối thiểu của thép thanh ứng lực trước Độ bền tối thiểu của thép sợi ứng lực trước Các loại cáp phổ biến trên thị trường Tổng tổn hao ứng suất cho phương pháp căng trước và căng sau Hệ số phân phối mô men âm và mô men dương Tỷ lệ % mô men âm phân chia cho dải trên cột cho các ô bản ở giữa Tỷ lệ % mô men âm phân chia cho dải trên cột cho các ô bản biên Ứng suất cho phép của bê tông theo ACI 318M-08 Đặc trưng của tiết diện tới hạn theo các trường hợp Hình 2.22 Số liệu bề rộng và chiều cao khung tương đương Bảng so sánh kết quả tính toán khả năng chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước theo các tiêu chuẩn với thông số hs = 22 cm, B30, fpc = 14 kG/cm2 So sánh các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước Trang 9 10 11 12 29 30 31 32 35 45 47 69 70 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH Số hiệu hình 1.1. Tên hình Hạn chế ứng suất kéo trên tiết diện bê tông bằng lực nén trước P Trang 3 1.2. Khu căn hộ, khách sạn FLC Sea Tower sử dụng hệ sàn phẳng bê tông ứng lực trước 5 1.3. Các giai đoạn của phương pháp căng trước 6 1.4. Các giai đoạn của phương pháp căng sau 6 1.5. Cốt thép ứng lực trước (cáp 7 sợi) 11 1.6. Hình dạng cáp ứng lực trước 11 1.7. Ống gen tròn và gen dẹt 12 1.8. Hình dạng máy bơm thủy lực 13 1.9. Vữa cường độ cao, độ dẻo lớn 14 2.1. Các dạng sàn bê tông ứng lực trước 16 2.2. So sánh sự làm việc của các loại bản 17 2.3. Sự phân bố của mô men uốn M1 theo phương L2 18 2.4. Mô men dải trên cột và dải giữa nhịp của sàn phẳng 18 2.5. Dầm đơn giản bê tông ứng lực trước 19 2.6. Mô men do ứng lực trước trong dầm liên tục 20 2.7. Sàn phẳng bị phá hoại do chọc thủng 21 2.8. Tải trọng cân bằng trong dầm liên tục 24 2.9. Mô hình cáp trong tính toán 26 2.10. Quỹ đạo cáp thực tế và tải trọng cân bằng trong dầm liên tục 26 2.11. Sơ đồ dải trên cột và dải giữa nhịp 31 2.12. Khung tương đương 32 2.13. Tháp nén thủng theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 36 2.14. Diện tích tính toán và tiết diện tới hạn với “wide-beam shear” 37 2.15. Tháp chọc thủng theo tiêu chuẩn ACI 318M-08 37 2.16. Diện tích tính toán và tiết diện tới hạn với “two-way shear” 38 2.17. Quy định thiết kế và bố trí thép đai trong sàn 40 2.18. Sự truyền mô men và lực cắt 41 Số hiệu hình Tên hình Trang 2.19. Tham số b1, b2 42 2.20. Mối quan hệ của các tham số trong công thức (2.21) và (2.22) 42 2.21. Sự phân bố ứng suất ở cột giữa, cột biên và cột góc 43 2.22. Kích thước tiết diện tới hạn 44 3.1. Mặt bằng sàn 46 3.2. Sơ đồ khung tương đương 47 3.3. 3.4. Chi tiết hai đáy tháp nén thủng cột giữa theo TCVN 5574:2012 Biểu đồ quan hệ giữa lực cắt với chiều dày sàn và cường độ bê tông 48 50 3.5. Quỹ đạo cáp theo phương Y 51 3.6. Quỹ đạo cáp theo phương X 51 3.7. Biểu đồ mô men do tải trọng cân bằng tác dụng lên dải bề rộng 1m 53 3.8. Biểu đồ mô men do tải trọng cân bằng tác dụng lên dải bề rộng 1m 54 3.9. Biểu đồ mô men do tải trọng tính toán tác dụng lên dải bề rộng 1m 54 3.10. Biểu đồ mô men do tải trọng tính toán tác dụng lên dải bề rộng 1m 55 3.11. Tiết diện tính toán chọc thủng tại cột giữa 55 3.12. Tiết diện tính toán chọc thủng tại cột biên 57 3.13. Tiết diện tính toán chọc thủng tại cột góc 59 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất cắt với chiều dày sàn 3.14. (hs) , cường độ bê tông (fc’) và tải trọng cân bằng do fpc gây ra 61 3.15. Khai báo các thông số bê tông cường độ cao 62 3.16. Khai báo các thông số cáp ứng lực trước 62 3.17. Khai báo các thông số sàn phẳng bê tông ứng lực trước 63 3.18. Mô hình sàn phẳng trong phần mềm SAFE V12.3.2 63 3.19. Khai báo các thông số cáp đơn 7 sợi 64 3.20. Khai báo các trường hợp tải trọng 64 3.21. Tổ hợp tải trọng dùng kiểm tra chọc thủng sàn 64 Số hiệu hình Tên hình Trang 3.22. Gán tải trọng cho sàn 65 3.23. Quỹ đạo cáp theo phương X 65 3.24. Quỹ đạo cáp theo phương Y 66 3.25. Gán ứng suất căng cáp và hao ứng suất 66 3.26. Chia sàn thành các dải trên cột và dải giữa nhịp 67 3.27. Mặt bằng bố trí cáp ứng lực trước 67 3.28. Mô hình 3D sàn phẳng bê tông ứng lực trước 68 3.29. Kiểm tra chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước 68 3.30. Biểu đồ khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ƯLT theo TCVN 5574:2012, ACI 318M-08 và SAFE V12.3.2 với các thông số hs=22cm, B30 và fpc = 14 kG/cm2 69 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, giải pháp kết cấu sàn phẳng bê tông ƯLT đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt cho các công trình nhà cao tầng và các công trình công cộng… Kết cấu sàn phẳng bê tông ƯLT là loại sàn không dầm. Bản sàn được kê trực tiếp lên cột nên ngoài việc tính toán đảm bảo khả năng chịu lực còn phải tính toán kiểm tra khả năng chống chọc thủng của sàn để sàn không bị nén thủng dưới tác dụng của tải trọng. Vấn đề xây dựng quy trình tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ƯLT tùy thuộc vào quan niệm tính toán của từng tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 có đề cập đến việc tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn, tuy nhiên còn có những điểm khác biệt so với tiêu chuẩn nước ngoài. Chính vì vậy, đề tài “Tính toán khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước theo một số tiêu chuẩn thiết kế” là đề tài cần nghiên cứu để so sánh quan niệm cũng như kết quả tính toán theo từng Tiêu chuẩn, giúp người thiết kế hiểu rõ hơn về vấn đề này. 2. Mục tiêu nghiên cứu Tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ƯLT theo các tiêu chuẩn thiết kế: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318M-08 và sử dụng phần mềm SAFE V12.3.2 fđể so sánh với các kết quả tính toán, sau đó đưa ra nhận xét và kiến nghị. 3. Dối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ƯLT. - Phạm vi nghiên cứu: Tính toán và so sánh khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ƯLT theo tiêu chuẩn Việt Nam 5574 :2012 và tiêu chuẩn Mỹ ACI 318M-08. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết; Nghiên cứu các tiêu chuẩn ; Áp du ̣ng tính toán ; So sánh, đánh giá. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Sàn phẳng bê tông ƯLT với nhiều ưu điểm nên đã được sử dụng nhiều trong 2 công trình nhà cao tầng và công trình công cộng. Dựa vào kết quả nghiên cứu sẽ giúp người thiết kế có cái nhìn tổng quan về khả năng chống chọc thủng của bản sàn phẳng bê tông ƯLT khi tính toán theo các tiêu chuẩn thiết kế. Từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị khi thiết kế kết cấu sàn phẳng bê tông ƯLT. 6. Cấu trúc của luận văn Toàn bộ Luận văn được trình bày trong 3 chương. Ngoài phần “Mở đầu” trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu thì nội dung chính của Luận văn được trình bày từ Chương 1 đến Chương 3 và phần Kết luận, kiến nghị. Chương 1. “Tổng quan về kết cấu bê tông ứng lực trước”, trình bày khái quát về sự hình thành và phát triển của bê tông ƯLT trên thế giới và Việt Nam; Phân tích các ưu, nhược điểm của kết cấu bê tông ƯLT so với bê tông cốt thép thường là những nội dung chính của chương. Chương 2. “Cơ sở lý thuyết về tính toán khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, tiêu chuẩn Mỹ ACI 318M-08”, trình bày về lý thuyết tính toán khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ƯLT theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 và tiêu chuẩn Mỹ ACI 318M-08, làm cơ sở để thực hiện ví dụ tính toán trong Chương 3. Chương 3. “Ví dụ tính toán”, tác giả đưa ra ví dụ tính toán với sơ đồ mặt bằng sàn, các thông số đầu vào như vật liệu, tải trọng tác dụng, chọn chiều dày sàn và tiết diện cột. Từ cơ sở lý thuyết Chương 2, tiến hành tính toán khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ƯLT tại các vị trí cột khác nhau theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, tiêu chuẩn Mỹ ACI 318M-08 và sử dụng phần mềm SAFE V12.3.2 để so sánh, nhận xét các kết quả tính toán đạt được. Trên cơ sở phân tích các điểm khác biệt giữa tiêu chuẩn Việt Nam và Mỹ, tác giả đã đưa ra kết luận và kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo để đảm bảo hơn khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước khi thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574 :2012. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1. TỔNG QUAN 1.1.1. Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trước 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 tương thích giữa thép và bê tông là một trong những lý do ứng dụng loại vật liệu mới là bê tông ƯLT. Bê tông ƯLT là sự kết hợp một cách tích cực, có chủ ý giữa bê tông và cốt thép. Trong cấu kiện bê tông ƯLT, ƯLT thường được tạo ra bởi việc kéo các sợi cáp bằng thép cường độ cao đặt trong lòng các cấu kiện bê tông theo một cách phù hợp, rồi gắn chặt cáp vào bê tông thông qua lực dính hoặc neo. Nhờ tính đàn hồi, cáp có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước P và gây ra ứng suất nén trước trong bê tông. Ứng suất nén này sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra. Nhờ vậy mà ta có thể làm các cấu kiện đó có độ cứng tốt hơn, vượt được nhịp xa hơn trong khi lại chỉ cần dùng lượng cốt thép ít hơn, kích thước cấu kiện nhỏ hơn các cấu kiện BTCT bình thường. Hình 1.1. Hạn chế ứng suất kéo trên tiết diện bê tông bằng lực nén trước P 1.1.2. Sự hình thành, phát triển của kết cấu bê tông ứng lực trước Nguyên lý tạo ƯLT đã được ứng dụng trong thực tế từ nhiều thế kỷ trước, khi con người chế tạo những thùng chứa chất lỏng như nước, rượu…. hay khi làm trống, các thanh gỗ phẳng hoặc cong được 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 ngược 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 được áp lực lớn của chất lỏng bên trong mà không bị thấm hay rò rỉ. 4 Năm 1886, P.H. Jackson, một kỹ sư người San Francisco, đã giành được bằng sáng chế nhờ việc buộc chặt các sợi dây thép vào bê tông khi thi công sàn nhà bằng phương pháp cuốn vòm. Vào năm 1888, C.E.W. Doehring, người Đức, cũng đã nhận được bằng sáng chế nhờ vào việc tạo nên lực kéo trước vào kim loại đặt trong bê tông trước khi chất tải lên sàn. Tuy vậy phương pháp này không đem lại hiệu quả mong muốn vì chỉ một thời gian ngắn sau khi căng và bê tông đã đông cứng thì trong bê tông hầu như không còn ứng suất nén nữa. Hiện tượng này được gọi là sự tổn hao ứng suất do co ngót và từ biến của bê tông. Trong những năm 1928 - 1929, sự phát triển của bê tông ƯLT hiện đại thực sự được khởi đầu khi E. Freyssinet, người Pháp sử dụng các sợi thép có cường độ cao để nâng cao lực gây ứng suất trước trong bê tông lên tới trên 400 kG/cm2 mới có thể triệt tiêu được toàn bộ các tổn hao ứng suất do các nguyên nhân xảy ra trong quá trình thi công và sử dụng kết cấu. Tuy nhiên phương pháp thực hành đầu tiên được tìm ra bởi E. Hoyer, người Đức. Với phương pháp này các sợi thép được căng giữa hai bệ neo đặt cách nhau vài chục mét trước khi đúc một vài cấu kiện trong các khuôn đặt giữa hai khối neo, khi bê tông đạt đủ cường độ, sợi thép được cắt khỏi neo và sẽ gây nên ƯLT trong các cấu kiện đó. Thành công trong việc tạo ƯLT bằng việc sử dụng cốt thép cường độ cao đã nhanh chóng đưa kết cấu bê tông ƯLT vào các công trình xây dựng. Đến năm 1939, E. Freyssinet đã sáng chế ra công cụ căng thép bằng loại kích rỗng 2 thì và bộ neo hình côn có độ tin cậy cao trong việc giữ hai hoặc một đầu cốt thép được căng không bị tuột đảm bảo cho sự truyền lực căng vào kết cấu trong quá trình thi công và sử dụng. Từ năm 1945, trong bối cảnh sau chiến tranh thế giới lần thứ hai và sự khan hiếm của thép xây dựng ở Châu Âu, với đặc điểm sử dụng ít thép hơn, bê tông ƯLT đã trở thành một vật liệu xây dựng đóng vai trò quan trọng. Trong gần 500 cầu được xây dựng ở Đức từ năm 1949 đến 1953 đã có 350 cầu dùng bê tông ƯLT. Tại Mỹ chú trọng ứng dụng bê tông ƯLT vào xây dựng các bể chứa nhiên liệu có dung tích từ 10.000 m3 trở lên. Trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng, sử dụng bê tông ƯLT cho phép tăng kích thước lưới cột, giảm chiều cao tầng, giảm thời gian thi công, khối lượng thép cũng giảm đáng kể. Các kết cấu bê tông ƯLT được ứng dụng phổ biến một phần nhờ đã sản xuất được các loại thép cường độ cao, các loại cáp ƯLT, các loại neo và phụ kiện kèm theo phù hợp với các tiêu chuẩn tiên tiến, có giá thành hợp lý như Trung Quốc, Singapore, Thái Lan…. Ở Việt Nam từ những năm 60 thế kỷ XX, cầu Phủ Lỗ và các kết cấu chịu lực nhà máy đóng tàu Bạch Đằng là những công trình ứng dụng công nghệ bê tông ƯLT đầu 5 tiên do các đơn vị thiết kế trong nước thực hiện. Tại miền Nam thời kỳ trước năm 1975 đã có những xưởng đúc dầm bê tông ƯLT. Đặc biệt đã sử dụng bê tông ƯLT vào xây dựng 8 thủy đài có dung tích lớn tại Sài Gòn. Các công trình này do các Công ty tư vấn thiết kế của Pháp thiết kế và xây dựng. Từ những năm 80 thế kỷ trước đến nay công nghệ bê tông ƯLT đã phát triển ở Việt Nam khá nhanh chóng với trình độ tiên tiến thế giới. Trước đây một vài dự án nhà cao tầng ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh do các công ty nước ngoài thiết kế kết cấu sàn bê tông ƯLT căng sau. Từ năm 1995 công trình Nhà Điều hành Đại học Quốc Gia Hà Nội được các đơn vị thiết kế, đơn vị thi công và giám sát trong nước thực hiện nó đánh dấu bước phát triển mới trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam. Có thể nói hệ sàn bê tông ƯLT đã và đang là một nhu cầu không thể thiếu trong xây dựng các nhà nhiều tầng tại các đô thị và thành phố trong nước. Hình 1.2. Khu căn hộ, khách sạn FLC Sea Tower sử dụng hệ sàn phẳng bê tông ứng lực trước 1.1.3. Phân loại kết cấu bê tông ứng lực trước Phân loại bê tông ƯLT tùy thuộc vào đặc điểm thiết kế và phương pháp thi công. a. Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trước - Bê tông ƯLT căng trước: Cốt thép ƯLT được kéo căng ra trước trên bệ khuôn đúc bê tông trước khi chế tạo kết cấu bê tông (như căng dây đàn). Sau đó kết cấu bê tông được đúc bình thường với cốt thép ƯLT như kết cấu BTCT thông thường. Đến khi bê tông đạt đến một giá trị cường độ nhất định để có thể giữ được ƯLT, thì tiến hành cắt cốt thép rời ra khỏi bệ căng. Do tính đàn hồi cao của cốt thép, nó có xu hướng biến dạng co lại dọc theo trục của cốt thép. Nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép ƯLT, biến dạng này được chuyển hóa thành biến dạng vồng ngược của kết cấu bê tông so với phương biến dạng khi kết cấu bê tông chịu tải trọng. Phương pháp này tạo kết 6 cấu ƯLT nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép, và được gọi là phương pháp căng trước vì cốt thép được căng trước cả khi kết cấu bê tông được hình thành và đạt tới cường độ thiết kế. Phương pháp này, cần có một bệ căng cố định nên thích hợp cho việc chế tạo các kết cấu bê tông ƯLT đúc sẵn trong các nhà máy bê tông đúc sẵn. Hình 1.3. Các giai đoạn của phương pháp căng trước Ưu điểm của phương pháp căng trước là có thể phân bố lực nén đều đặn trong cấu kiện dựa trên lực bán dính trên suốt chiều dài cốt thép nên ít có rủi ro do tổn hao ƯLT. Nhược điểm của phương pháp này là phải lắp đặt bệ tỳ phức tạp. - Bê tông ƯLT căng sau: Phương pháp này thường sử dụng cho kết cấu bê tông đổ tại chỗ. Trước hết đặt thép ƯLT và cốt thép thông thường rồi đổ bê tông. Khi bê tông đạt đến cường độ nhất định thì tiến hành căng cốt thép với ứng suất quy định. Sau khi căng xong, cốt thép ƯLT được neo chặt vào đầu cấu kiện, thông qua các neo đó, cấu kiện sẽ bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép. Hình 1.4. Các giai đoạn của phương pháp căng sau 7 b. Theo vị trí bố trí cáp ứng lực trước Người ta phân thành phương pháp căng trong và căng ngoài. Phương pháp căng trong là cách căng trước thép ƯLT nằm trong bê tông như đã đề cập tới ở trên. Khi thép ƯLT nằm bên ngoài cấu kiện, ta có phương pháp căng ngoài. Ngoài ra, có thể tạo lực ƯLT bởi các tác nhân khác bên ngoài cấu kiện, ví dụ như đối với các kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục, khung, vòm…, bằng cách chuyển vị cưỡng bức gối tựa có thể tạo nên ứng suất trước nhằm điều chỉnh hợp lý sự phân bố nội lực trong kết cấu. c. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện ở giai đoạn sử dụng Người ta phân thành ứng lực toàn phần và ứng lực một phần. Ứng lực toàn phần nghĩa là cấu kiện được thiết kế sao cho không xuất hiện ứng suất kéo khi chịu tải trọng sử dụng. Nếu dưới tác dụng của tải trọng sử dụng, sau khi ƯLT vẫn có ứng suất kéo được khống chế trong cấu kiện, người ta gọi đó là ứng lực một phần. d. Theo việc đặt cáp ứng lực trước trong cấu kiện Người ta phân thành ứng lực thẳng và ứng lực vòng. Đối với các cấu kiện có dạng thẳng như dầm, sàn… tuy rằng bản thân các sợi cáp được đặt theo hình parabol nhưng chúng không bị uốn cong trên mặt bằng, vì vậy được gọi là ứng lực thẳng. Đối với các kết cấu có tiết diện dạng tròn như silô, bể chứa…, các cáp ƯLT được đặt theo chu vi của cấu kiện, do vậy được gọi là ứng lực vòng. 1.2. VẬT LIỆU CHỦ YẾU DÙNG TRONG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.2.1. Bê tông cường độ cao Bê tông dùng trong cấu kiện bê tông ƯLT là bê tông nặng. Việc lựa chọn cấp độ bền bê tông phụ thuộc vào dạng, loại và đường kính của cốt thép căng, cũng như phụ thuộc vào việc có dùng neo hay không dùng neo. Ngoài ra việc lựa chọn cấp độ bền bê tông còn phụ thuộc vào cường độ mà nó cần phải có khi bắt đầu gây ƯLT, cũng như vào loại tải trọng tác dụng lên cấu kiện. Thông thường, với kết cấu nhịp lớn dầm, dàn... nên dùng bê tông có cấp độ bền B40 hoặc B45, còn đối với kết cấu có nhịp thông thường như panen, xà gỗ... nên dùng bê tông B30 hoặc B35. Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08, bê tông đạt cường độ chịu nén tại 28 ngày tuổi từ 27,58 đến 68,95 MPa. a. Đặc tính yêu cầu của bê tông ứng lực trước Bê tông dùng trong kết cấu bê tông ƯLT phải có chất lượng cao, với các đặc tính yêu cầu cơ bản như sau: 1. Cường độ cao với tỷ số X/N thấp. 2. Bền vững môi trường sử dụng, độ thấm nước nhỏ, lượng xi măng tối thiểu và phương pháp chế tạo, dưỡng hộ tốt. 8 3. Co ngót và từ biến thấp nhất bằng cách giới hạn hàm lượng xi măng, sử dụng các loại phụ gia khoáng siêu mịn và phụ gia hóa học. 4. Tính công tác tốt, có thể thi công bằng nhiều phương pháp khác nhau. Nói chung: - Bê tông căng sau có cường độ nén tối thiểu ở 28 ngày: - Bê tông căng trước có cường độ nén tối thiểu 28 ngày: . - Bê tông ở giai đoạn nén trước (transfer) có cường độ tối thiểu 25 MPa. b. Ứng suất cho phép trong bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318M - 08 Ứng suất cho phép trong bê tông được quy định và khống chế tùy theo từng tiêu chuẩn. Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08 được quy định như sau: - Ứng suất trong bê tông ngay sau khi truyền lực ƯLT (trước khi xảy ra tổn hao ứng suất) không được vượt quá các giá trị sau: + Ứng suất nén lớn nhất: 0,60fci’ + Ứng suất kéo tại hai đầu mút của cấu kiện có gối tựa đơn giản: 0,5 + Ứng suất kéo tại các vị trí khác: 0,25 Nếu ứng suất kéo vượt quá các giá trị trên thì cần bố trí thêm thép chịu kéo (thép thường hoặc thép ƯLT) vào vùng chịu kéo để chịu tổng lực kéo trong bê tông được tính toán với giả thiết tiết diện không bị nứt. - Ứng suất ứng với tải trọng làm việc (sau khi đã xảy ra tổn hao ứng suất) + Ứng suất nén lớn nhất do tải trọng dài hạn: 0,45fc’ + Ứng suất nén lớn nhất do tổng tải trọng: 0,60fc’ + Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện không cho phép nứt: 0,5 + Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện cho phép nứt: Ứng suất có thể vượt quá ứng suất cho phép nếu phân tích và kiểm tra chứng tỏ được kết cấu không bị hư hỏng. c. Mô đun đàn hồi của bê tông Đặc trưng ứng suất - biến dạng của bê tông khi chịu nén không phải là tuyến tính nhưng với tải trọng không vượt quá 30% cường độ phá hoại thì có thể giả thiết biến dạng là tuyến tính. Cần xác định đặc tính biến dạng của bê tông dưới tác dụng cảu tải trọng ngắn hạn và tải trọng dài hạn để xác định cường độ chịu uốn và mô đun đàn hồi, từ đó tính toán độ võng của cấu kiện ƯLT. Mô đun đàn hồi của bê tông tăng lên cùng 9 với cường độ chịu nén trung bình của bê tông nhưng với tốc độ chậm hơn. Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08, mô đun đàn hồi của bê tông: (MPa). Bảng 1.1. Quy định cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước [10] Loại và nhóm cốt thép căng Cấp độ bền của bê tông không thấp hơn 1. Thép sợi nhóm: B-II (có neo) B20 Bp-II (không có neo) có Nhỏ hơn hoặc bằng 5mm đường kính: Lớn hơn hoặc bằng 6mm B20 K-7 và K-19 B30 B20 2. Thép thanh không có neo và có đường kính: CIV, A-IV + Từ 10mm đến 18mm, A-V nhóm A-VI và AT-VII + Lớn hơn hoặc bằng 20mm, nhóm B15 B20 B30 CIV, A-IV B20 A-V B25 A-VI và AT-VII B30 Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08, bê tông ƯLT có cường độ nén mẫu lăng trụ ở 28 ngày tuổi 28 - 55MPa; Với cường độ như vậy, bê tông sẽ có sự co ngót nhỏ, đặc tính từ biến nhỏ và có mô đun đàn hồi cao, giảm lượng hao tổn ứng suất trong thép ƯLT. 1.2.2. Thép ứng lực trước Trong cấu kiện bê tông ƯLT cần dùng thép cường độ cao, bởi vì trong quá trình chế tạo và sử dụng một phần ứng suất căng ban đầu bị mất đi. Tốt nhất là dùng sợi thép cường độ cao. a. Phân loại thép ứng lực trước Theo TCVN 5574:2012, các loại thép sợi tròn, thép thanh dùng làm cốt thép bê tông ƯLT bao gồm: - Thép thanh nhóm A-V (A-V, Aт-V, Aт-VK, Aт-VCK), A-VI (A-VI, Aт-VI, Aт-VIK) và Aт-VII; - Thép sợi kéo nguội: Tròn trơn B-II, có gờ nhóm Bp-II; - Thép cáp: Loại 7 sợi K-7, loại 19 sợi K-19; - Cho phép sử dụng thép thanh nhóm CIV, A-IV (A-IV, AT-IV, AT-IVC, ATIVK) và A-IIIB làm cốt thép căng. 10 - Trong các kết cấu có chiều dài không lớn hơn 12m nên ưu tiên sử dụng cốt thép thanh nhóm AT-VII, AT-VI và AT-V. Để làm cốt thép căng cho kết cấu bê tông ƯLT làm từ bê tông nhẹ có cấp B7,5 đến B12,5, nên sử dụng các loại thép thanh sau đây: CIV, A-IV (A-IV, AT-IV, AT-IVC, AT-IVK) và A-IIIB. - Để làm cốt thép căng cho kết cấu chịu áp lực hơi, chất lỏng và vật liệu rời nên dùng các loại thép sau đây: + Thép sợi nhóm B-II, Bp-I và thép cáp K-7 và K-19; + Thép thanh nhóm A-V, A-VI và AT-VII; + Thép thanh nhóm CIV, A-IV (A-IV, Aт-IV, Aт-IVK, Aт-IVC). Trong các kết cấu trên cũng cho phép sử dụng thép nhóm A-IIIв. Để làm cốt thép căng trong các kết cấu làm việc trong môi trường xâm thực mạnh nên ưu tiên dùng thép nhóm CIV, A-IV, cũng như các loại thép nhóm Aт-VIK, Aт-VK, Aт-VCK và Aт-IVK. b. Đặc tính yêu cầu của thép ứng lực trước 1. Cường độ kéo cao. 2. Độ dẻo lớn, ít bị ăn mòn. 3. Dễ uốn, tại các điểm uốn (harping point) và gần vùng neo. 4. Lực dính bám với bê tông cao, đặc biệt cho kết cấu căng trước. 5. Sự chùng ứng suất thấp, để giảm hao tổn ứng suất trong thép. c. Ứng suất cho phép trong thép ƯLT theo ACI 318M-08 - Ứng suất ban đầu khi căng thép ƯLT: - Ứng suất ngay sau khi cắt thép ƯLT (transfer) - Ứng suất tại đầu neo sau khi cắt thép ƯLT: Bảng 1.2. Độ bền tối thiểu của thép thanh ứng lực trước [10] Nhóm thép thanh Giới hạn chảy, MPa Giới hạn bền, MPa C-IV, A-IV (cán nóng) ≥ 590 ≥ 900 A-V (cán nóng) ≥ 788 ≥ 1000 A-VI (cán nóng) ≥ 980 ≥ 1250 AT-VII ≥ 1175 ≥ 1400 11 Bảng 1.3. Độ bền tối thiểu của thép sợi ứng lực trước [10] Nhóm thép sợi Bp-II K-7 (cáp 7 sợi) K-19 (cáp 19 sợi) Giới hạn chảy, MPa Giới hạn bền, MPa ≥ 1500 ≥ 1780 ≥ 1400 ≥ 1670 ≥ 1300 ≥ 1570 ≥ 1200 ≥ 1470 ≥ 1500 ≥ 1770 ≥ 1400 ≥ 1670 ≥ 1500 ≥ 1770 - Hiện nay, ở Việt Nam thường sử dụng cáp 7 sợi sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM A-416 (Mỹ) với hai loại cáp có giới hạn bền nhỏ nhất là 1720MPa và 1860Mpa, có cấu tạo như sau: + Sợi thép có cường độ cao (wires): Có đường kính từ 2,5 - 8mm, bề mặt có thể có gờ hoặc không; + Sợi cáp (Strands): Gồm nhiều sợi thép bện xoắn lại với nhau. Thường có loại 2 sợi, 3 sợi và 7 sợi. Cáp 7 sợi (đường kính sợi 3mm - 5mm) sử dụng phổ biến nhất, được chế tạo từ 6 sợi thép xoắn quanh một sợi thẳng ở giữa); Hình 1.5. Cốt thép ứng lực trước (cáp 7 sợi) Hình 1.6. Hình dạng cáp ứng lực trước + Bó cáp (Tendons): Gồm nhiều sợi cáp bó chung với nhau nhằm tạo được lực căng lớn, thường được dùng cho cấu kiện căng sau.