Tính toán dầm liên tục bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau có tiết diện thay đổi

LVTS19 Tính toán dầm liên tục bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau có tiết diện thay đổi Đăng ngày 04072011 04:11:00 PM 625 Lượt xem 1028 lượt tải Giá : 0 VND Tính toán dầm liên tục bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau có tiết diện thay đổi Hãng sản xuất : Unknown Đánh giá : 0 điểm 1 2 3 4 5

Trường đại học kiến trúc hà nội

Hà Nội –2011

Trường đại học kiến trúc hà nội

-

Hoàng xuân lộc Khóa: 2008-2011 lớp ch2008x1

tính toán dầm liên tục

bê tông ứng suất trước căng sau

có tiết diện thay đổi

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng & công nghiệp

M2 số: 60.58.20

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS nguyễn tiến chương

Hà Nội –2011

hướng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn của mình Qua đây tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy

Tác giả cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán

bộ khoa đào tạo Sau Đại học thuộc trường đại học Kiến Trúc Hà Nội, bộ môn Kết cấu bê tông cốt thép và gạch đá đ giúp đỡ, chỉ dẫn, tạo điều kiện trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình đ động viên và tạo mọi

điều kiện tốt nhất cho tác giả học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người bạn

đ luôn nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành tốt luận văn này

Với khả năng và thời gian nghiên cứu có hạn, nội dung của luận văn không tránh khỏi còn có nhiều thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2011

Tác giả luận văn

Hoàng Xuân Lộc

Quê quán: Tuân chính – Vĩnh Tường– Vĩnh Phúc

Nơi công tác: Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng- Bộ Xây dựng Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài: “Tính toán dầm liên tục bê tông ứng suất căng sau có tiết diện thay đổi” là luận văn do cá nhân tôi thực hiện Các kết quả tính toán của các mô hình tuân thủ tiêu chuẩn Xây Dựng hiện hành Kết quả tính toán này không sao chép bất kỳ tài liệu nào khác

Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2011

Tác giả luận văn

Hoàng Xuân Lộc

Mục lục

Mở đầu 1

• Đặt vấn đề 1

• Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

• Nội dung nghiên cứu 2

• Phương pháp nghiên cứu 2

Chương 1- tổng quan về kết cấu bê tông ứng suất trước 3

1.1 Bản chất bê tông ứng suất trước 3

1.2 Những ưu điểm và ứng dụng của bê tông ứng suất trước 3

1.3 Lịch sử hình thành và phát triển bê tông ứng lực trước trên thế giới 4

1.4 Tình hình sử dụng bê tông ứng lực trước ở Việt Nam 8

1.5 Phân loại bê tông ứng suất trước 9

1.6 Vật liệu sử dụng cho bê tông ứng suất trước 11

1.6.1 Bê tông cường độ cao 11

1.6.2 Thép cường độ cao 12

1.7 Các hệ thống tạo ứng suất trước 13

1.7.1 Thiết bị căng 13

1.7.2 Các phương pháp căng 13

1.8 Các giai đoạn chịu tải của bê tông ứng suất trước 14

1.8.1 Giai đoạn ban đầu 15

1.8.2 Giai đoạn trung gian 16

1.8.3 Giai đoạn cuối cùng 16

1.9 Tổn hao ứng suất trước 17

1.9.1 Bản chất của sự tổn hao ứng suất trước 17

1.9.2 Tổn hao do chùng ứng suất trong cốt thép 18

1.9.3 Tổn hao do co ngót của bê tông 20

1.9.4 Tổn hao do từ biến của bê tông 21

1.9.5 Tổn hao ứng suất do ma sát 22

1.9.6 Tổn hao ứng suất do dịch chuyển neo 23

1.9.7 Các ước tính tổng quát cho tổn hao ứng suất trước 24

1.10 So sánh bê tông ứng suất trước và bê tông cốt thép thường 25

1.11 Phương pháp tính bê tông ứng suất trước 27

Chương 2 – tính toán dầm liên tục bê tông ứng suất trước căng sau có tiết diện thay đổi 28

2.1 Trạng thái ứng suất của cấu kiện bê tông ứng suất trước 28

2.1.1 Các giả thiết cơ bản 28

2.1.2 ứng suất trong bê tông 28

2.1.3 ứng suất trong thép ứng suất trước 32

2.1.4 ảnh hưởng của tải trọng đến ứng suất kéo trong thép ứng suất trước 32

2.1.5 Sự thay đổi ứng suất trong thép dính kết và không dính kết 33

2.1.6 Mô men nứt 35

2.1.7 Mô men giới hạn 36

2.2 Tính toán và bố trí cáp trong dầm liên tục có tiết diện thay đổi 39

2.2.1 Giới thiệu chung về dầm liên tục ứng suất trước 39

2.2.2 Phân tích sự làm việc của dầm liên tục ứng suất trước theo lý thyết đàn hồi 42

2.3 Chuyển dịch đồng dạng và tuyến cáp thích dụng 50

2.3.1 Chuyển dịch đồng dạng 50

2.3.2 Tuyến cáp thích dụng 51

2.4 Bố trí cáp ứng suất trước sử dụng đường hợp lực C-line 53

2.4.1 Bố trí cáp ứng suất trước trong dầm đơn giản 53

2.4.2 Bố trí cáp ứng suất trước trong dầm liên tục 55

2.4.3 Vết nứt và cường độ giới hạn 57

2.5 Phương pháp cân bằng tải trọng 59

2.5.1 Khái niệm chung 59

2.5.2 Phương pháp cân bằng tải trọng áp dụng cho dầm liên tục 62

Ch−¬ng 3 - vÝ dô tÝnh to¸n 65

KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ 79

KÕt luËn 79

KiÕn nghÞ vµ h−íng nghiªn cøu tiÕp theo 80

Tµi liÖu tham kh¶o 81

DANH MụC CáC BảNG BIểU

Bảng 1.1 Phân loại bê tông ứng suất trước 10

Bảng 1.2 Đề xuất ứng suất cho phép theo tiêu chuẩn ACI 318-2002 11

Bảng 1.3 Độ lớn tổng tổn hao ứng suất trước cho hệ căng trước và căng sau tính bằng % lực ứng suất trước 25

Bảng 1.4 Giới hạn tổn hao ứng suất lớn nhất (ACI- ASCE) 25

Bảng 1.5 So sánh bê tông ứng suất trước và bê tông cốt thép 26

DANH MụC CáC HìNH Vẽ, Đồ THị Hình 2.1 Cặp ngẫu lực C-T 29

Hình 2.2 Phân bố ứng suất tại các tiết diện khác nhau trên dầm 30

Hình 2.3 Sự làm việc của dầm bê tông ứng suất trước 31

Hình 2.4 Phân bố ứng suất theo lý thuyết đàn hồi 31

Hình 2.5 ảnh hưởng của ứng suất trước và tải trọng đến góc xoay của dầm 33

Hình 2.6 Biểu đồ ứng suất do mô men nứt gây ra trên tiết diện 36

Hình 2.7 Mô men giới hạn 37

Hình 2.8 So sánh khả năng chịu tải của dầm đơn giản và dầm liên tục 39

Hình 2.9 Bố trí cáp trong dầm liên tục ứng suất trước toàn phần 40

Hình 2.10 Dầm liên tục ứng suất trước từng phần 41

Hình 2.11 Dầm đơn giản ứng suất trước 43

Hình 2.12 Mô men trong dầm liên tục 44

Hình 2.13 Tính toán mô men do ứng suất trước 45

Hình 2.14 Liên hệ vi phân giữa các thành phần nội lực và tải phân bố 46

Hình 2.15 Tải trọng do ứng suất trước tác dụng lên dầm có tiết diện không đổi 48

Hình 2.16 Tải trọng do ứng suất trước tác dụng lên dầm có tiết diện thay đổi theo nhịp 48

Hình 2.17 Tải trọng do ứng suất trước tác dụng lên dầm có tiết diện thay đổi có dạng tuyến tính 49

Hình 2.18 Chuyển dịch đồng dạng 50

Hình 2.19 Tuyến cáp thích dụng 52

Hình 2.20 Vùng giới hạn cho tuyến cáp 54

Hình 2.21 Các vùng giới hạn không hợp lý 55

Hình 2.22 Vùng giới hạn của đường hợp lực 56

Hình 2.23 Các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt thép chịu uốn 60

Hình 2.24 Cân bằng tải trọng cho dầm đơn giản 62

Hình 2.25 Cân bằng cho dầm công -son 63

Hình 3.1 Mặt bằng kết cấu tầng 65

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán dầm B2 65

Hình 3.3 Biểu đồ mô men gây bởi tĩnh tải 68

Hình 3.4 Biểu đồ bao mô men trong dầm 68

Hình 3.5 Tĩnh tải tác dụng lên dầm 68

Hình 3.6 Hình dạng cáp theo lý thuyết 69

Hình 3.7 Bố trí cáp theo thực tế 69

Hình 3.8 Xác định tải trọng tương đương 70

Hình 3.9 Biểu đồ mô men gây bởi ứng suất trước 71

Hình 3.10 Biểu đồ mô men gây bởi ứng suất trước sau khi tăng cáp nhịp BC 72

Hình 3.11 Biểu đồ mô men thứ cấp 72

Hình 3.12 Biểu đồ mô men do tải trọng tính toán 74

Hình 3.13 Bố trí cốt thép trong dầm 79

Mở đầu:

• Đặt vấn đề

Sự phát triển của công nghệ ứng lực trước với độ tin cậy cao là yếu tố kỹ thuật quan trọng nhất làm cho kết cấu bê tông cạnh tranh thắng lợi trong các lĩnh vực xây dựng mà trước đó kết cấu thép chiếm ưu thế như công trình cầu vượt khẩu

độ lớn, công trình nhà có lưới cột thưa, không gian rộng, các công trình có tải trọng lớn…

Trên thế giới công nghệ bê tông ứng lực trước đang được phát triển mạnh và ngày càng được hoàn thiện Nó trở thành một công cụ hữu hiệu để tạo được những giải pháp kết cấu thoả m=n được yêu cầu thẩm mỹ và kỹ thuật cao, hiệu quả về mặt kinh tế và áp dụng trong phạm vi rộng r=i

Vì vậy, tác giả chọn đề tài luận văn “Tính toán dầm liên tục bê tông ứng suất trước căng sau có tiết diện thay đổi” làm nội dung nghiên cứu Hướng nghiên cứu này nhằm làm sáng tỏ về vấn đề tính toán và bố trí cáp ứng suất trước trong dầm liên tục có tiết diện thay đổi

• Mục đích nghiên cứu của đề tài

Tìm hiểu sự làm việc của kết cấu bêtông ứng suất trước Nghiên cứu chuyên sâu về dầm liên tục ứng suất trước căng sau có tiết diện thay đổi trong việc tính toán

và bố trí cáp để đạt được hiệu quả cao nhất khi chịu tải trọng bên ngoài

Nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của số lượng cáp, cách bố trí cáp trong trường hợp dầm có tiết diên thay đổi đến nội lực trong dầm

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các tiêu chuẩn hiện hành và các chỉ dẫn trong tính toán kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau

Hồ sơ thiết kế các nhà cao tầng có hệ thống dầm bê tông cốt thép ứng suất trước nghiên cứu các công trình đ= xây dựng và đang trong giai đoạn thiết kế

Đối tượng nghiên cứu là cấu kiện dầm liên tục bê tông ứng suất trước căng sau có tiết diện thay đổi

• Nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu về ứng dụng của dầm liên tục bêtông ứng suất trước trong kết cấu công trình tại Việt Nam và trên thế giới

Phân tích sự làm việc của kết cấu, từ đó đưa ra phương pháp tính toán thiết kế dầm liên tục bêtông ứng suất trước căng sau có tiết diện thay đổi

Ví dụ tính toán áp dụng cho kết cấu thực tế

• Phương pháp nghiên cứu

Tính toán dầm liên tục bê tông ứng suất trước căng sau có tiết diện thay đổi theo các tiêu chuẩn hiện hành Xây dựng các quy trình tính toán cụ thể cho từng trường hợp

Chương I: Tổng quan về kết cấu bê tông ứng suất trước 1.1 Bản chất bê tông ứng suất trước [7]

Bê tông là vật liệu có cường độ chịu kéo rất nhỏ so với cường độ chịu nén của

nó Cốt thép là vật liệu có cường độ chịu kéo rất cao Do đó, để tăng khả năng chịu kéo cho bê tông người ta đ+ sử dụng hỗn hợp bê tông cốt thép, trong đó kết hợp khả năng chịu kéo của cốt thép và khả năng chịu nén của bê tông Tuy vậy, bê tông cốt thép chỉ

là sự kết hợp thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng cùng làm việc một cách bị động

Bê tông ứng lực trước là sự kết hợp chủ động, tích cực giữa bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ cao

Phương pháp ứng lực trước bê tông được thực hiện bằng cách đặt vào kết cấu một lực nén trước bởi việc kéo cốt thép Nhờ tính đàn hồi của cốt thép có xu hướng co lại và sẽ tạo nên một lực nén trước Lực nén trước này sẽ gây ra ứng suất nén trước trong bê tông, ứng suất nén trước sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng gây ra Do vậy, khả năng chịu kéo của bê tông sẽ được nâng cao và giảm độ võng cho kết cấu nên hạn chế sự phát triển vết nứt

Theo TCVNXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông ứng suất trước: Là kết cấu bê tông cốt thép, trong đó một phần hoặc toàn bộ các cốt thép được căng gây ứng suất trước làm cho toàn bộ hoặc một phần bê tông được nén trước khi đưa vào chịu lực với mục đích tiêu diệt ứng suất kéo do tải trọng ngoài gây ra

1.2 Những ưu điểm và ứng dụng của bê tông ứng suất trước [7]

Bê tông ứng suất trước có những ưu điểm lớn so với các dạng kết cấu xây dựng khác như bê tông cốt thép và thép như sau:

- Cấu kiện bê tông ứng suất trước có khả năng chịu uốn cao hơn dưới tác dụng của tải trọng làm việc so với cấu kiện có cùng chiều dài Do có độ cứng lớn hơn nên có độ võng và biến dạng nhỏ hơn

- Việc sử dụng bê tông và thép cường độ cao trong cấu kiện bê tông ứng suất trước cho phép cấu kiện có thể mảnh và nhẹ hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép Do

sự giảm tĩnh tải sẽ giảm bớt tải trọng trong thiết kế và chi phí cho móng

- Sử dụng bê tông ứng suất trước có thể tiết kiệm được khoảng 15-30% khối lượng

bê tông và 60-80% khối lượng cốt thép so với cấu kiện bê tông cốt thép nhưng lại phải tăng chi phí cho bê tông cường độ cao, neo và các thiết bị khác Do vậy, đối với cấu kiện nhịp lớn thì sử dụng bê tông ứng suất trước nói chung kinh tế hơn so với cấu kiện

bê tông cốt thép và thép

- Cấu kiện bê tông ứng suất trước có khả năng chịu lực cắt cao hơn, do hiệu quả của ứng suất trước nén mà giảm ứng suất kéo chính Việc sử dụng cáp uốn cong đặc biệt với cấu kiện nhịp lớn sẽ làm giảm lực cắt ở tiết diện gối tựa

- Đặc điểm của bê tông ứng suất trước là bê tông cường độ cao và khả năng chịu nứt cao do đó tăng độ bền của kết cấu dưới các điều kiện môi trường kết hợp và có khả năng chống thấm tốt hơn Vì vậy, bê tông ứng suất trước sử dụng rộng r+i cho các kết cấu đỏi hỏi khả năng chống thấm cao như ống dẫn có áp, bể chứa chất lỏng và chất khí

- Vì sức bền mỏi của bê tông ứng suất trước là tương đối tốt hơn so với các vật liệu khác nên có thể sử dụng cho các kết cấu chịu tải trọng động như cầu đường sắt hay móng máy

- Bê tông ứng suất trước có khả năng chịu lửa và chịu ăn mòn tốt

- Do có tính linh hoạt và dễ thích nghi nên bê tông ứng suất trước có thể sử dụng rộng r+i trong nhiều lĩnh vực như xây nhà dân dụng, xi lô lớn, bể chứa lớn, cầu vượt giao thông, cầu nhịp lớn, tháp cao, cọc, cừ

Nguyên lý này được P G Jackson (Mỹ) đưa vào áp dụng thành công cho vòm gạch, đá, bê tông từ năm 1886 Tiếp theo K.During (Đức) đ+ gây ra ứng suất nén trong bản bê tông bằng việc tăng cường cốt thép thường Tuy vậy phương pháp này không

đem lại hiệu quả mong muốn vì chỉ có thời gian ngắn sau khi căng và bê tông đ+ 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 Thực vậy khi dùng cốt thép thông thường có cường độ thấp không quá 1225 kg/cm2 và biến dạng (độ d+n tỷ đối) chỉ đạt tới giá trị bằng:

1225

0, 0006 2100000

Trong những năm 1928-1929 kĩ sư nổi tiếng người Pháp E.Freyssinet đ+ lần đầu tiên chứng minh được có thể và cần sử dụng loại thép có cường độ cao để nâng cao lực gây ứng suất trước trong bê tông lên tới 4000 kg/cm2 mới có thể triệt tiêu được toàn bộ các tổn hao ứng suất ứng suất do các nguyên nhân xảy ra trong quá trình thi công và sử dụng kết cấu Ông đ+ căng sợi thép có giới hạn bền (trước thời điểm bị kéo đứt) fu =

17000 kg/cm2 và để gây ứng lực trước trong bê tông ứng suất trong cốt căng đ+ đi đến giá trị fp = 1000 kg/cm2 bằng 70%-80% giới hạn bền (fu) Trong trường hợp này biến dạng của thép căng sau đ+ bị trừ đi tổng các giá trị biến dạng do các tổn hao xẩy ra trong quá trình căng và chịu lực có thể lên tới 0,0008 (0,08%), vậy biến dạng còn lại trong cốt thép có giá trị: 0,0050 – 0,0008 = 0,0042 tương ứng với ứng suất còn tồn tại trong cốt thép để gây ứng lực trước trong bê tông là:

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy ứng suất nén trước trong bê tông vẫn còn tồn tại với một giá trị đủ để cân bằng từng phần hay toàn bộ các ứng suất kéo khi chịu tải Thành công trong việc gây ứng suất trước bằng việc sử dụng cốt thép cường độ cao đ+ nhanh chóng đưa kết cấu bê tông ứng suất trước vào các công trình xây dựng

Đến năm 1939 E Freyssinet đ+ sáng chế ra công cụ căng thép bằng loại kích rỗng 2 thì

và bộ neo hình côn có độ tin cậy cao cho sự truyền lực căng vào kết cấu trong quá trình thi công và sử dụng

Song song với việc hoàn thiện các công nghệ gây ứng suất trước – căng trước (căng trên bệ) hay căng sau (căng trên bê tông) các công trình nghiên cứu về lý thuyết tính toán cũng được tiến hành ở nhiều nước

Các viện nghiên cứu kết cấu bê tông, thuộc Viện hàn lâm khoa học xây dựng Liên Xô trước đây đ+ đạt nhiều thành công trong lĩnh vực lý thuyết, thực nghiệm và triển khai các công nghệ sản xuất, ứng dụng các dạng kết cấu bê tông ứng suất trước trong công trình xây dựng Các nhà khoa học Xô Viết A.A Gvodiep, B.B Mikhailop, P.L Pasternac,… từ năm 1930 đ+ công bố những công trình đầu tiên trên thế giới về kết cấu bê tông ứng suất trước B.B.Mikhailop đ+ thành công trong hàng loạt công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các kết cấu bê tông ứng suất trước đúc sẵn theo phương pháp ly tâm cho cột, trụ, ống cao áp,… và đến năm 1940 đ+ đưa vào ứng dụng máy căng thép liên tục gây ứng suất trước cho các thành bể, tháp chứa cỡ lớn Đặc biệt, sau thế chiến thứ hai, loại kết cấu có hiệu quả cao về kinh tế, kỹ thuật này đ+ góp phần quan trọng trong việc xây dựng mới và khôi phục các thành phố, nhà máy bị tàn phá ở Liên Xô và các nước Đông Âu trước đây

Tại châu Âu kết cấu bê tông ứng suất trước phát triển nhanh chóng ở Pháp, Bỉ, rồi đến Anh , Đức, Thụy Sĩ, Hà Lan Trong gần 500 cầu được xây dựng ở Đức 1949

đến 1953 đ+ có 350 cầu bê tông ứng suất trước ở Liên Xô trước đây và CH Liên Bang Nga hiện nay các cấu kiện bê tông đúc sẵn như tấm sàn từ 6m, dầm, sàn khẩu độ từ 18m trở lên đều quy định dùng bê tông ứng suất trước Trong các nhà máy bê tông đúc sẵn thường sử dụng các bệ đúc có chiều dài từ 30m đến 180m rất thuận tiện cho chế tạo hàng loạt cấu kiện bê tông ứng suất trước theo công nghệ căng trước

Những kết cấu có khẩu độ lớn tới 100m tỏ ra rất hiệu quả khi dung bê tông ứng suất trước

Tại Mỹ chú trọng ứng dụng bê tông ứng suất trước vào xây dựng các bể chứa nhiên liệu có dung tích từ 10.000m3 trở lên

Công nghệ căng cốt thép cũng ngày một được cải tiến, ngày một hiện đại Các kích thủy lực có công suất lớn cho phép căng đồng thời hàng chục bện, bó cáp với lực

căng từ 200 tấn đến 600 tấn có hành trình của kích từ 1,25m đến 1,5m Thậm chí cùng một lúc có thể căng cho 2,3 bệ với tổng lực căng tới 1200 tấn và 2400 tấn

Trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng, sử dụng bê tông ứng suất trước cho phép tăng kích thước lưới cột, hoặc giảm chiều dài sàn, khối lượng thép cũng được giảm

đáng kể Các ô sàn phẳng không dầm khẩu độ tới 15,6m mà chiều dày bê tông ứng lực trước không qúa 15cm đ+ sớm được ứng dụng ở Mỹ Trong phương pháp thi công bằng

hệ kích nâng sàn bê tông ứng suất trước đúc sẵn, mỗi tấm sàn phẳng có trọng lượng từ

300 tấn đến 800 tấn cũng được áp dụng phổ biến ở châu Âu

Hệ kết cấu IMS có xuất xứ từ cộng hòa liên bang Nam Tư trước đây rồi phát triển đến các nước khác trong đó có Cuba Hệ này được hợp thành từ các cấu kiện bê tông đúc sẵn và được gây ứng suất trước bằng việc căng thép dọc theo các trục lưới cột sau khi hoàn thành phần lắp ghép từng tầng

Ngoài nhà cửa, bê tông ứng suất trước còn sử dụng hiệu quả trong việc xây dựng các kết cấu chuyên dụng như đường băng cho máy bay hạng năng, các tháp vô tuyến truyền hình chiều cao lớn, vỏ lò phản ứng hạt nhân,…

ở châu á nhất là các nước trong khu vực, các kết cấu bê tông ứng suất trước

được ứng dụng phổ biến một phần nhờ đ+ sản xuất được các loại thép cường độ cao, các loại cáp ứng lực trước, 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, Indonexia, Thái Lan,… Chẳng hạn ở Indonexia có tới 80% khối lượng kết cấu sàn nhà cao tầng được sử dụng bê tông ứng suất trước Nhiều ngôi nhà 30 – 40 tầng xây dựng ở Thái Lan được

sử dụng hệ sàn phẳng không dầm bê tông suất lực trước

Ngôi ngà 41 tầng Parnpat Centre có diện tích sàn 56000m2 với 12 tầng hầm dùng làm gara ô tô và dịch vụ công cộng đều dùng bê tông ứng suất trước với kết cấu sàn phẳng có chiều dày 16cm đến 20cm và hệ dầm bản rộng chiều cao 45cm cho khẩu

độ tới 13m

Ngay ở Mỹ là nước thường xây dựng nhà cao tầng bằng kết cấu thép kể cả sàn, nhưng gần đây cũng đ+ xây dựng một chung cư 52 tầng với 10000m2 sàn bê tông ứng suất trước (toàn nhà Santa Maria condominimum)

Tại Singapore ngoài các chung cư, khách sạn, trụ sở cao tầng còn dùng sàn bê tông ứng suất trước trong công trình bệnh viện, trường học với lưới cột thông dụng 8mx8m

Những ngôi nhà cao tầng ở Hồng Kông được xây dựng với các thể loại kết cấu chịu lực khá độc đáo với việc sử dung các tầng cứng (tầng chuyển) bê tông ứng suất trước Tầng chuyển có chiều cao 5m đỡ khối cao tầng

1.4 Tình hình sử dụng bê tông ứng lực trước ở Việt Nam [3]

Kết cấu bê tông ứng suất trước được nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam khá sớm,

từ những năm 60 thế kỉ 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 ứng suất trước đầu tiên do các nhà thiết kế và xây dựng Việt Nam thực hiện từ những năm đó Tuy nhiên do hoàn cảnh chiến tranh nên không có điều kiện tiếp tực nghiên cứu và phát triển công nghệ này

Tại miền Nam thời kỳ trước năm 1975 đ+ có những xưởng đúc dầm bê tông ứng suất trước đặc biệt đ+ sử dụng bê tông ứng suất trước vào xây dựng 8 thủy đài có dung tích lớn tại Sài Gòn Các công trình này do các công ty của Pháp thiết kế và xây dựng, tư vấn giám sát là Hàn Quốc, rất tiếc cả 8 thủy đài này đều không đảm bảo chất lượng thi công và không thể đưa vào sử dụng từ đó đến nay

Công trình khách sạn Thắng Lợi quà tặng của nhân dân Cuba được xây dựng từ năm 1973 Đây là 2 d+y nhà nhiều tầng đầu tiên được sử dụng hệ kết cấu bê tông ứng suất trước lắp ghép tại Việt Nam

Các tấm sàn, tấm tường, dầm đều dùng bê tông ứng suất trước được đúc sẵn tại Cuba và chuyên chở trên qu+ng đường dài nửa vòng trái đất đến lắp ghép trên mặt nước

Hồ Tây thơ mộng của Hà Nội trong những năm đất nước còn chiến tranh

Từ những năm 80 thế kỉ trước đến nay công nghệ bê tông ứng suất trước đ+ lại

du nhập vào Việt Nam và phát triển khá nhanh chóng với trình độ tiên tiến thế giới Các cầu bắc qua các sông lớn như sông Gianh, sông Tiền, sông Hậu và cầu B+i Cháy trừ nhịp giữa dùng kết cấu dây văng các nhịp còn lại đều dùng bê tông ứng suất trước căng sau

Trong xây dựng công trình công nghiệp sản xuất xi măng hàng loạt các xi lô, tháp chứa trong các nhà máy xi măng Hoàng Thạch, Sao Mai, Hà Tiên, Bút Sơn đều có

đường kính lớn từ 24 đến 30m và cao tới 63m đều được thiết kế dùng bê tông ứng lực trước căng sau Nhờ vậy chiều dày thành xi lô giảm đáng kể từ 30cm xuống 20 – 25

cm so với các si lô dùng bê tông thường ( từ 40cm – 50cm) Trước đây công tác thiết

kế và gây ứng lực trước, các si lô chứa xi măng đều do các h+ng nước ngoài thực hiện,

đến nay các đơn vị thi công ngành xây dựng đ+ hoàn toàn làm chủ được các công nghệ căng cáp cũng như đổ bê tông các tháp chứa xi măng cỡ lớn bằng ván khuôn trượt

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 ứng lực trước căng sau Từ năm 1995 khi công trình nhà điều hành đại học Quốc Gia Hà Nội được công ty tư vấn xây dựng dân dụng Việt Nam – Viện Khoa Học Công nghệ xây dựng và công ty xây dựng số 9 –

Bộ xây dựng lần đầu tiên đ+ thiết kế, giám sát và thi công thành công 9 tầng sàn phẳng không dầm bê tông ứng suất theo công nghệ căng sau đánh dấu bước phát triển mới trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam

Cho đến nay nhiều nhà cao tầng, các công trình công nghiệp, công trình công cộng đ+ và đang được các đơn vị thiết kế xây dựng trong nước sử dung công nghệ bê tông ứng lực trước ngày càng có hiệu quả

Trung tâm thông tin thương mại hàng hải quốc tế 21 tầng trong đó có 2 tầng hầm với tổng diện tích trên 10000m2 Hệ khung công xon có độ dài vươn tới 8m và 12m đỡ khán đài cung thể thao tổng hợp Quần Ngựa Hà Nội, các chung cư cao tầng 27 Huỳnh Thúc Kháng, nhà A4, B4 làng quốc tế Thăng Long,…, cũng như nhiều cao ốc xây dựng tại thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Vinh, Vũng Tàu,… đều sử dụng bê tông ứng suất trước căng sau

Có thể nói hệ sàn bê tông ứng lực trước đ+ 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

1.5 Phân loại bê tông ứng suất trước [7]

Bê tông ứng suất được phân loại tuỳ thuộc phương pháp tạo ứng suất trước, phương pháp thi công, đặc điểm thiết kế Có thể phân loại bê tông ứng suất trước theo bảng sau

Bảng 1.1 Phân loại bê tông ứng suất trước

Cơ sở phân

loại

Phân loại bê tông ứng suất trước theo phương pháp tạo ứng suất trước

Đặc điểm bê tông ứng suất trước theo từng phân

Thép ứng suất trước được căng trong hai khối neo trong khuôn trước khi đúc bê tông Khi bê tông

đạt đủ cường độ áp lực kích được thả ứng suất trước được truyền cho bê tông bởi lực dính

Phương pháp căng sau

Cấu kiện bê tông được đúc kết hợp với đặt các sợi thép cường độ cao trong ống Khi bê tông đạt đủ cường độ, sợi thép được căng bởi kích và được neo bằng nêm hay đai ốc.Lực được truyền cho bê tông bởi các neo và khi cáp được uốn cong

Dựa vào vị

trí cáp

Phương pháp căng trong

Sợi cáp nằm trong cấu kiện bê tông ứng suất trước

Phương pháp căng ngoài

Sợi cáp nằm ngoài cấu kiện bê tông ứng suất trước

Dựa vào

mức độ

căng thép

ứng suất trước toàn phần

Bê tông được ứng suất trước sao cho không xuất hiện ứng suất kéo khi chịu tải trọng sử dụng ứng suất trước

Cấu kiện bê tông ứng suất trước sản xuất hàng loại ở nhà máy, sau đó đưa ra công trường lắp ghép

Bê tông ứng suất trước đổ tại chỗ

Cấu kiện bê tông ứng suất trước được thi công tại công trường

1.6 Vật liệu sử dụng cho bê tông ứng suất trước [7]

có thể đạt được dễ dàng không có yêu cầu cao về công nghệ

ứng suất kéo nén cho phép trong bê tông trong giai đoạn truyền và đặt tải làm việc được định nghĩa bởi cường độ chịu nén tương ứng của bê tông ở mỗi giai đoạn Những điều khoản trong tiêu chuẩn của Mỹ đề xuất ứng suất cho phép lớn nhất cho theo bảng 1.2

Bảng 1.2 Đề xuất ứng suất cho phép theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318 – 2002

(a) Tại đầu mút của cấu kiện gối đơn giản 0 5 f ' ci

(b) Tại những vị trí khác 0 25 f ' ci

Giai đoạn tải

trọng làm việc

ứng suất nén

0,45f’c

ứng suất kéo

Tiết diện không nứt 0 5 f 'cTiết diện nứt f 'c

1.6.2 Thép cường độ cao

Thép cường độ cao sử dụng cho cấu kiện bê tông ứng suất trước nói chung bao gồm dạng sợi, thanh hay cáp Cường độ chịu nén cao hơn do tăng thành phần Các-bon trong thép so với thép cán Thỏi thép được cán nóng thành thanh sau đó kéo nguội qua một loại khuôn kéo sợi để giảm đường kính và tăng cường độ chịu kéo Sau qua trình kéo nguội qua các khuôn, để nâng cao cường độ chiu kéo, sợi thép được tôi hay hoá già hay làm mất ứng suất bởi xử lý sợi thép tại nhiệt độ 1500 – 4200 Với cấu kiện căng sau, dạng sợi và cáp nói chung thường được sử dụng rộng r+i

a) Yêu cầu về cường độ và đặc tính của các loại thép cường độ cao

Cường độ giới hạn của thép cường độ cao có thể dễ dàng xác định bằng thí nghiệm Cường độ chịu kéo tới hạn của sợi thép cán nguội thay đổi theo đường kính của nó Cường độ chịu kéo giảm khi đường kính của sợi thép tăng Giới hạn đàn hồi và

điểm chảy của nó là không dễ có thể xác định chính xác được Do đó người ta đề xuất

điểm chảy của thép cường độ cao là giá trị 0,2% biến dạng dư và 1% biến dạng

- Sợi thép cường độ cao: Sợi thép sử dụng cho bê tông ứng lực trước nói chung tuân theo tiêu chuẩn ASTM A-421 Sợi thép được quấn thành cuộn và được cắt và lắp ở nhà máy hay tại hiện trường Trước khi thi công, sợi thép cần được vệ sinh bề mặt để tăng lực dính kết với bê tông

- Cáp cường độ cao: Cáp sử dụng cho bê tông ứng suất trước tuân theo tiêu chuẩn ASTM A-416 với hai loại cáp 7 sợi cường độ giới hạn nhỏ nhất cho sẵn là 1724 MPa

và 1862 MPa Tiêu chuẩn này được sử dụng cho cả cấu kiện căng trước và căng sau, dính kết hay không dính kết

- Thép thanh cường độ cao: Thép thanh sử dụng cho bê tông ứng lực trước tuân theo tiêu chuẩn ASTM A-322 và A-29 Những thanh như vậy có yêu cầu có ứng suất phá hoại đạt tới 90% cường độ giới hạn Mặc dù cường độ giới hạn thực tế thường đạt tới 1100 MPa, nhưng giá trị tiêu chuẩn nhỏ nhất thường lấy là 1000MPa Hầu hết các tiêu chuẩn thường đưa ra những giới hạn chảy nhỏ nhất là 896 MPa mặc dù giá trị thực

tế còn cao hơn Độ d+n dài nhỏ nhất tại lúc phá hoại ở vị trí chiều dài bằng 20 lần

đường kính là 7% với độ giảm nhỏ nhất của tiết diện tại lúc phá hoại 25%

b) ứng suất cho phép trong thép

ứng suất kéo trong thép tại thời điểm căng sau neo và sau khi cho phép tất cả những tổn hao có thể nói chung được thể hiện như là phần nhỏ của cường độ chịu nén tới hạn hay ứng suất phá hoại Gợi ý của tiêu chuẩn của nhiều quốc gia thay đổi sát giới hạn với sự quan tâm tới ứng suất cho phép trong cấu kiện ứng suất trước ở những thời điểm khác nhau

1.7 Các hệ thống tạo ứng suất trước [7]

1.7.1 Thiết bị căng

Thiết bị sử dụng cho căng thép, được chia thành các dạng sau:

a) Cơ khí: Thiết bị cơ khí nói chung được sử dụng bao gồm trọng lượng có hay không có bộ truyền lực đòn bẩy, bộ truyền lực số kết hợp với bộ ròng rọc có hoặc không có bánh răng và máy cuốn sợi Những thiết bị này được sử dụng chủ yếu cho thành phẩm bê tông ứng suất trước sản xuất ở nhà máy với quy mô lớn

b) Thuỷ lực: Kích thuỷ lực là một thiết bị đơn giản nhất để sinh ra lực ứng suất trước lớn được sử dụng rộng r+i như là một thiết bị căng khoảng từ 5-100T Các kích thuỷ lực lớn cho lực căng trong khoảng từ 200-600T

Ngoài ra còn có phương pháp điện, hoá Điều quan trọng nhất là trong suốt qúa trình ứng suất trước, lực tác dụng cần được đo một cách chính xác

1.7.2 Các phương pháp căng

Có hai phương pháp chủ yếu thường được sử dụng để tạo ứng suất trước trong bê tông

a) Phương pháp căng trước:

Trong hệ thống căng trước, thép ứng suất trước được căng giữa khối neo cứng,

đúc trong nền hay một cột hay bệ căng trước dạng khuôn, trước khi đúc bê tông trong khuôn Khi bê tông đạt đủ cường độ, áp lực kích được thả ra Sợi thép cường độ cao có

xu thể bị co ngắn lại nhưng bị cản trở do lực dính giữa bê tông và thép Trong trường hợp này, ứng suất trước được truyền cho bê tông bởi lực dính

Sự truyền ứng suất trước cho bê tông thường được thực hiện bởi kích thuỷ lực hay kích vít lớn mà nhờ nó tất cả các sợi thép được thả ra đồng thời khi bê tông đ+ đạt đến một cường độ yêu cầu Nói chung, cáp có đường kính tới 18mm và sợi thép cường độ cao neo chặt bản thân nó với sự trợ giúp của lực dính bề mặt và bởi chất kết dính bám

vào những vệt lõm xung quanh sợi thép Lực dính của thép ứng suất trước được nâng cao đáng kể nhờ những vết lõm trên bề mặt hay bởi sự xoắn vặn của sợi thép Sợi cáp

có đặc tính kết dính tốt hơn sợi thô có tiết diện tương đương

Phương pháp căng trước nói chung được sử dụng cho quy trình sản xuất hàng loạt cấu kiện căng trước tại nhà máy

b) Phương pháp căng sau:

Trong cấu kiện căng sau, cấu kiện bê tông được đúc kết hợp với đặt các ống và

đường r+nh có đặt cốt thép ứng suất trước Khi bê tông đạt đủ cường độ, sợi thép cường

độ cao được căng bằng cách kích đặt vào bề mặt cuối của cấu kiện và được neo bằng các nêm hay đai ốc Lực được truyền cho bê tông bằng các neo ở cuối cùng và khi cáp

được uốn cong, qua áp lực xuyên tâm giữa cáp và ống Khoảng hở giữa cáp và ống

được bơm vữa sau khi căng xong

Hệ thống neo của Freyssinet được sử dụng rộng r+i bao gồm một trụ với một phần hình nón bên trong qua đó sợi thép cường độ cao và tỳ vào thành của nó, sợi thép được nêm bởi chốt hình nón xếp dọc với r+nh đặt các sợi cáp ưu điểm chính của hệ thống Freyssinet là số lượng lớn các sợi thép được kéo đồng thời sử dụng kích thuỷ lực tác

động kép

Phương pháp căng sau rất phù hợp cho những cấu kiện nhịp từ trung bình đến nhịp lớn, khi mà chi phí cho căng chỉ là một phần nhỏ so với tổng chi phí Vì thế, sẽ là kinh tế hơn khi sử dụng một vài cáp hay thanh chịu lực lớn Một ưu điểm của phương pháp căng sau là cho phép sử dụng cáp uốn cong hay cáp rời có thể giúp cho nhà thiết

kế thay đổi sự phân bố tuỳ ý theo tiết diện cũng như kháng lại tải trọng bên ngoài hiệu quả hơn

1.8 Các giai đoạn chịu tải của bê tông ứng suất trước [7]

Trong tính toán thiết kế, cần phải nghiên cứu về các giai đoạn chịu tải mà cấu kiện bê tông ứng suất trước phải chịu Với kết cấu đổ tại chỗ, bê tông ứng suất trước

được thiết kế ít nhất cho hai giai đoạn: giai đoạn ban đầu trong khi ứng suất trước và giai đoạn cuối cùng dưới tác dụng của tải trọng ngoài Với kết cấu đúc sẵn, một giai

đoạn thứ ba là vận chuyển và sử dụng phải được nghiên cứu

1.8.1 Giai đoạn ban đầu

Cấu kiện chịu ứng suất trước nhưng không chịu bất kỳ tải trọng ngoài tác dụng Giai đoạn này có thể chia thành các giai đoạn nhỏ và có thể một trong số những giai

đoạn nhỏ này là không quan trọng vả bỏ qua trong tính toán

a) Giai đoạn ban đầu

Giai đoạn trước khi bê tông được ứng suất trước nó quá yếu để chịu tải trọng, vì vậy cần phải ngăn cản sự biến dạng của gối đỡ của nó, muốn vậy hệ thống cốp pha phải chắc chắn Lúc này, có thể xảy ra sự co ngót của bê tông Nếu muốn làm giảm tối thiểu hay loại trừ vết nứt trong bê tông ứng suất trước, phải bảo dưỡng cẩn thận trước khi truyền ứng suất trước Cần tránh làm khô hay thay đổi nhiệt độ một cách đột ngột Những vết nứt có thể mất đi hay không khi tác dụng ứng suất trước tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố Vết nứt do co ngót sẽ làm mất khả năng chịu ứng suất kéo của bê tông

b) Giai đoạn trong khi ứng lực trước

Trong giai đoạn này thép ứng suất trước chịu ứng suất lớn ứng suất trong thép ở giai đoạn này là 0.80 fpu hay 0.94fpy Với bê tông, việc truyền ứng suất trước tác động mạnh mẽ đến khả năng chịu cắt tại vùng neo Vì bê tông chưa đủ tuổi trong khi ứng suất trước đ+ đạt tới giá trị lớn nhất tại giai đoạn này, sự phá hoại bê tông ở vùng neo

có thể xảy ra nếu bê tông chất lượng kém hay bị rỗ vì vậy phải gia cường bê tông vùng neo ứng suất trước không đối xứng hay tập trung sẽ có thể gây ra sự vượt ứng suất cho phép trong bê tông Do vậy, trình tự ứng suất trước các thép ứng lực trước cần phải

được nghiên cứu trước một cách hợp lý

c) Giai đoạn tại lúc truyền ứng suất trước

Giai đoạn truyền ứng suất trước, với cấu kiện căng trước, truyền ứng suất trước

được hoàn thành trong một quá trình ngắn Đối với cấu kiện căng sau, truyền ứng suất trước thường từ từ và ứng suất trước trong thép được truyền cho bê tông một cách lần lượt Trong cả hai trường hợp đều không có tải trọng ngoài tác dụng lên kết cấu ngoại trừ tải trọng bản thân Sau khi truyền, bê tông chịu lực ứng suất trước lớn nên ở trạng thái làm việc nguy hiểm, đây là yếu tố quan trọng khi thiết kế cấu kiện bê tông ứng suất trước Nếu trong quá trình thiết kế không lưu ý thì sẽ có thể đưa đến sự phá hoại của cấu kiện

d) Giai đoạn căng lại

Nếu như cấu kiện được đúc và ứng suất trước tại chỗ, nó thường là tự chống đỡ trong và sau khi ứng suất trước Vì vậy cốp pha có thể được tháo sau khi ứng suất trước

và không có trường hợp tải trọng mới nào tác động lên kết cấu Một vài kết cấu bê tông

được căng lại như là ứng suất trước hai hay ba giai đoạn Cho nên ứng suất tại các giai

đoạn căng khác nhau cần phải được nghiên cứu

1.8.2 Giai đoạn trung gian

Đây là giai đoan vận chuyển và lắp, chỉ xảy ra trong cấu kiện đúc sẵn Điều đặc biệt quan trọng là chắc chắn rằng cấu kiện được chống đỡ đầy đủ trong suốt thời gian Không chỉ trong khi lắp dựng cấu kiện mà khi tác động thêm tĩnh tải (ví dụ như các lớp sàn hay mái) cần phải chú ý tới điều kiện chống đỡ và tải trọng

1.8.3 Giai đoạn cuối cùng

Đây là giai đoạn tải trọng thực sự tác động lên kết cấu Cũng như các dạng kết cấu khác, cần phải quan tâm đến các tổ hợp khác nhau của tại trọng động trên các phần khác nhau của kết cấu với tải trọng ngang như gió và động đất hay ảnh hưởng của nhiệt

độ Với kết cấu bê tông ứng lực trước đặc biệt cho những dạng không thông dụng cần thiết phải nghiên cứu vết nứt và tải trọng giới hạn của nó, sự làm việc của nó dưới tải trọng dài hạn thực tế thêm vào tải trọng làm việc

a) Tải trọng dài hạn

Độ vồng hay độ võng của cấu kiện ứng suất trước dưới tải trọng dài hạn thực tế (thường chỉ có tĩnh tải) thường được điều chỉnh bằng các yếu tố trong thiết kế vì ảnh hưởng của từ biến cuối cùng sẽ làm tăng độ lớn của nó Do đó, người ta thường giới hạn độ vồng hay độ võng dưới tải trọng dài hạn

b) Tải trọng làm việc

Thiết kế cho tải trọng làm việc là một bước kiểm tra ứng suất và biến dạng quá mức Không cần thiết phải đưa ra một đảm bảo về sự làm việc quá tải Do vậy, người ta thường thiết kế dựa trên tính toán tải trọng làm việc và sau đó kiểm tra cường độ c) Tải trọng nứt

Nứt trong cấu kiện bê tông ứng suất trước báo hiệu sự thay đổi đột ngột về lực dính kết và ứng suất cắt Đôi khi nó còn là thước đo của cường độ phá hoại Với kết

cấu chịu ảnh hưởng của ăn mòn, thép ứng suất trước không dính kết thì vết nứt càng không được phép và với kết cấu mà vết nứt có thể đưa đến một độ võng quá mức thì sự nghiên cứu về tải trọng nứt là rất quan trọng

d) Tải trọng giới hạn

Kết cấu dựa trên ứng suất làm việc không thể có một giới hạn thích hợp cho sự quá tải Vì yêu cầu kết cấu có một khả năng chịu tải trọng tính toán nhỏ nhất xác định nên cần thiết xác định cường độ giới hạn Nói chung cường độ giới hạn của một kết cấu được định nghĩa bởi tải trọng lớn nhất mà kết cấu có thể chịu trước khi phá hoại Cường độ giới hạn được tính toán một cách dễ dàng và được chấp nhận như là một tiêu chuẩn thiết kế với bê tông ứng suất trước

1.9 Tổn hao ứng suất trước [4]

Sau khi tạo ứng suất trước trong cấu kiện, lực ứng suất trước trong bê tông không giữ nguyên giá trị ban đầu mà chịu một sự giảm đi từ từ theo thời gian từ giai đoạn truyền cho đến giai đoạn chịu tải do nhiều nguyên nhân gọi là sự tổn hao ứng suất

1.9.1 Bản chất của sự tổn hao ứng suất

Khi thiết kế cần thiết phải tính toán sự tổn hao ứng suất một cách hợp lý Phân tích và thiết kế tổng thể của cấu kiện bê tông ứng suất trước tại mỗi giai đoạn chịu tải, cùng với đặc trưng của vật liệu thích hợp cho từng giai đoạn làm việc của kết cấu

- Khi căng trên bệ cần kể đến:

+ Những tổn hao thứ nhất: do biến dạng neo, do ma sát cốt thép với thiết bị nắn hướng,

do chùng ứng suất trong cốt thép, do thay đổi nhiệt độ, do biến dạng khuôn (khi căng cốt thép trên khuôn), do từ biến nhanh của bê tông

+ Những tổn hao thứ hai: do co ngót và từ biến của bê tông

- Khi căng trên bê tông cần kể đến:

+ Những tổn hao thứ nhất: do biến dạng neo, do ma sát cốt thép với thành ống đặt thép (cáp) hoặc với bề mặt bê tông của kết cấu

+ Những tổn hao thứ hai: do chùng ứng suất trong cốt thép, do co ngót và từ biến của

bê tông, do nén cục bộ của các vòng cốt thép lên bề mặt bê tông, do biến dạng mối nối giữa các khối bê tông (đối với các kết cấu lắp ghép từ các khối)

Tổn hao ứng suất trước trong cốt thép không được lấy nhỏ hơn 100Mpa

Khi tính toán cấu kiện tự ứng suất trước chỉ kể tổn hao ứng suất trước do co ngót và từ biến của bê tông tùy theo mác bê tông tự ứng suất trước và độ ẩm của môi trường

Đối với các kết cấu tự ứng suất trước làm việc trong điều kiện b+o hòa nước, không cần cần kể đến tổn hao ứng suất trước do co ngót

Sau đây là các dạng tổn hao ứng suất cơ bản phải được quan tâm tới trong tính toán và thiết kế

1.9.1 Chùng ứng suất trong cốt thép

Khi ứng suất trước được truyền cho bê tông, cấu kiện co ngắn lại, làm cho thép ứng suất trước cũng bị co ngắn, gây nên tổn hao ứng suất trong thép Xét sự co ngắn dọc trục của bê tông gây ra bởi ứng suất trước, ta có co ngắn đơn vị:

Với giá trị của ứng suất trước ban đầu Fi và tiết diện quy đổi At=Ac+nAs, ta có:

Es là mô đun đàn hồi của thép

Từ các công thức trên, nhận thấy sự thay đổi ứng suất trong thép tại lúc truyền ứng suất trước bằng n lần ứng suất của bê tông tại vị trí cốt thép, với hệ số n=Es/Ec

Khi cấu kiện chịu uốn do trọng lượng bản thân và do mômen gây bởi sự lệch tâm của

Tải trọng bản thân wG gây mômen MG trên tiết diện muốn tìm tổn hao, để tìm tổn hao ứng suất tại vị trí của thép, lấy y=e, khi đó ứng suất của bê tôngtại vị trí thép gây ra bởi ứng lực trước F là:

2 G cir

áp dụng từ từ cho bê tông, sự co ngắn của bê tông tăng lên mỗi khi cáp được căng chặt ngược lại với nó, và tổn hao ứng suất trong bê tông do co ngắn đàn hồi khác với trong thép ứng suất trước Thép ứng suất trước được căng ban đầu sẽ chịu lượng tổn hao lớn nhất do co ngắn của bê tông gây bởi các thép ứng suất trước khác được căng muộn hơn Thép ứng suất trước được căng sau cùng sẽ không chịu bất kì một tổn hao nào do co ngắn đàn hồi của bê tông, vì tất cả các co ngắn đó sẽ xấy ra khi ứng suất trước trong thép ứng suất trước cuối cùng được đo Việc tính toán của những tổn hao đó khá phức tạp, nhưng với phương pháp thực hành, có thể lấy giá trị tổn hao trung bình của tất cả các cáp bằng một nửa tổn hao của cáp ban đầu với một độ chính xác chấp nhận được Phương pháp tính toán ở trên cho rằng thép ứng suất trước được căng lần lượt và đều

đạt tới cùng một giá trị ứng suất được đo bởi áp kế hay lực kế Có thể kích thép ứng

suất trước tới những áp suất ban đầu khác nhau, với những tổn hao khác nhau tương ứng sao cho tất cả thép ứng suất trước sẽ cùng đạt tới một giá trị ứng suất sau khi đ+ kể tới tổn hao của nó Tuy nhiên một quy trình như vậy mang nặng tính lí thuyết và khó

áp dụng trên thực tế vì sự phức tạp của nó Khi trong cấu kiện có nhiều cáp và co ngắn

đàn hồi của bê tông là đáng kể, có thể chia cáp thành 3 hoặc 4 nhóm; mỗi nhóm sẽ

được căng theo trình tự tới những giá trị tương ứng khác nhau

Trong thực tế, cả hai phương pháp sau đây đều được sử dụng

Căng tất cả các thép ứng suất trước tới cùng một giá trị ứng suất ban đầu xác

định và cho phép thiết kế với tổn hao trung bình

Căng tất cả các thép ứng suất trước tới giá trị lớn hơn giá trị ứng suất ban đầu xác định một lượng đúng bằng tổn hao trung bình Tổn hao do co ngắn đàn hồi của bê tông sẽ không được tính đến trong thiết kế nữa

Phương pháp thứ nhất được sử dụng trong trường hợp tổn hao do co ngắn đàn hồi là không đáng kể Nếu thép có thể chịu được sự căng quá mức và cần tới một giá trị ứng suất trước hiệu quả lớn, có thể áp dụng phương pháp thứ hai

Đề xuất của ACI-ASCE cho việc tính toán tổn hao đàn hồi như sau:

(1.8)

Trong đó:

Kes=1,0 cho cấu kiện căng trước

Kes=0,5 cho cấu kiện căng sau khi thép các ứng suất trước được căng liên tục theo cùng một trình tự

1.9.2 Tổn hao ứng suất do co ngót của bê tông

Sự co ngót của bê tông trong cấu kiện ứng suất trước làm cho thép ứng lực trước

co ngắn lại và gây ra sự tổn hao ứng suất Co ngót của bê tông chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, như từ biến, tỷ lệ khối lượng / bề mặt, độ ẩm tương đối và thời gian từ khi kết thúc bảo dưỡng ẩm tới khi tác dụng ứng suất trước Nguyên nhân chủ yếu của sự co ngót khô là sự mất nước không ngừng của bê tông Sự co ngót ở bề mặt cấu kiện có tỷ

lệ cao hơn ở các vị trí khác, sự khác nhau đó có thể gây ra gradient biến dạng dẫn tới

sự nứt bề mặt Vì vậy, để ngăn sự nứt do co ngót, bê tông cần được bảo dưỡng cẩn thận

0 c

δ = =

Vì co ngót là phụ thuộc vào thời gian, qua kinh nghiệm cho thấy 100% tổn hao chưa chắc sẽ xảy ra trong một vài năm, nhưng 80% sẽ xảy ra trong năm đầu tiên Cùng với từ biến, có một sự thay đổi lớn hơn hay nhỏ hơn so với giá trị biến dạng co ngót trung bình lấy bằng 550.10-6 Hệ số điều chỉnh cho tỷ lệ khối lượng / bề mặt (V/S) và

Tổn hao ứng suất do co ngót là sản phẩm của co ngót hiệu quả (εsh) và môđun đàn hồi

của thép ứng suất trước Với một vài loại bê tông, đặc biệt là bê tông nhẹ, co ngót giới hạn cơ bản có thể là lớn hơn so với giá trị sử dụng ở trên

Tổn hao ứng suất do co ngót có thể được tính theo công thức sau:

co ngót

Giá trị của Ksh cho cấu kiện căng sau:

1.9.4 Tổn hao do từ biến của bê tông

Từ biến là hiện tượng biến dạng phát triển theo thời gian trong khi tải trọng không thay đổi giá trị (tải trọng dài hạn) Với bê tông ứng suất trước, có nhiều yếu tố

ảnh hưởng đến tốc độ từ biến như tỷ lệ khối lượng / bề mặt, độ tuổi của bê tông khi truyền ứng suất trước, độ ảm tương đối và dạng của bê tông (nhẹ hay trung bình)

Từ biến được coi là xẩy ra với tĩnh tải thường xuyên tác dụng lên cấu kiện sau khi đ+

được ứng suất trước Tĩnh tải thường xuyên gây biến dạng kéo sẽ làm giảm một phần biến dạng nén ban đầu Đối với thép ứng suất trước dính kết, tổn hao ứng suất do từ biến được tính toán theo công thức sau:

Biểu thức tính toán theo ACI:

)( cir cds

Msd : Mô men gây ra bởi tải trọng chưa nhân hệ số vượt tải

Biểu thức tính toán theo thời gian:

Ec là môđun đàn hồi của bêtông; Cu là hệ số từ biến cực hạn

fsi : ƯS nén trong bê tông tại thớ đi qua tâm thép ứng lực trước ngay sau khi cắt cáp

As : diện tích tiết diện thép ứng lực trước

t: thời gian (tính bằng ngày) sau khi truyền tải vào bêtông

1.9.5 Tổn hao ứng suất do ma sát

Trong trường hợp cấu kiện căng sau, thép ứng suất trước được đặt trong ống đặt sẵn trong bê tông Tùy theo yêu cầu thiết kế mà ống có thể là thẳng hoặc theo dạng cong của sợi thép ứng suất trước Do đó để căng sợi thép dạng cong, xảy ra sự tổn hao ứng suất trong cấu kiện căng sau do ma sát giữa thép ứng suất trước và bê tông xung quanh ống Giá trị của sự tổn hao ứng suất này bao gồm:

Do ảnh hưởng uốn cong, phụ thuộc vào hình dạng của thép ứng suất trước dọc theo chiều dài của dầm

-Do ảnh hưởng dung sai phụ thuộc vào độ lệch cục bộ của cáp, đây là kết quả của sự không thẳng hàng ngẫu nhiên khó tránh khỏi, khi ống không thể được đặt một cách hoàn hảo theo dạng định trước trong suốt chiều dài cấu kiện

Độ lớn của lực ứng suất trước Fxs tại một khoảng cách x tính từ đầu căng là:

1.9.6 Tổn hao ứng suất do sự dịch chuyển neo

Trong hầu hết các hệ căng sau, khi cáp được căng và kích được thả để truyền ứng suất trước cho bê tông, các nêm ma sát sẽ bị trượt đi một khoảng nhỏ trước khi nó kẹp chặt sợi thép Độ lớn của sự dịch chuyển phụ thuộc vào dạng nêm và ứng suất trong sợi Trong hệ thống mà thép ứng suất trước được móc xung quanh bệ neo bê tông, sự tổn hao ứng suất có thể xảy ra do sợi được bắt vào neo Khi tấm neo được sử dụng, có thể cần thiết cho phép độ lún nhỏ của tấm vào trong đầu mút của cấu kiện bê tông Sự tổn hao trong suốt quá trình neo xẩy ra cùng với sự kẹp chặt của nêm Độ lớn của sự tổn hao ứng suất do sự dịch chuyển neo được tính toán như sau:

Trong đó:

∆: Sự dịch chuyển của neo, đơn vị mm

L: Độ dài của cáp, đơn vị mm

A: Diện tích tiết diện ngang của cáp, đơn vị mm2

Es: Môđun đàn hồi của thép, đơn vị N/mm2

F: Lực ứng suất trước trong cáp, đơn vị N

Với hệ thống căng trước dây chuyền, sự dịch chuyển của neo nói chung là nhỏ so với chiều dài của sợi thép được căng, do vậy thường được bỏ qua Trong khi ứng suất trước cấu kiện ngắn, cần chú ý cho phép sự tổn hao ứng suất do dịch chuyển neo chiếm một phần chủ yếu trong tổn hao tổng cộng

1.9.7 Các ước tính tổng quát cho tổn hao ứng suất trước [7]

Năm 1958 ACI-ASCE 423 đ+ đề xuất các ước tính tổng quát cho tổn hao ứng suất trong thiết kế cấu kiện bê tông ứng suất trước Theo đó, tổng tổn hao ứng suất gồm tổn hao do co ngắn đàn hồi, do từ biến, do co ngót và do chùng ứng suất (không bao gồm tổn hao do ma sát và trượt neo) trong bê tông thường là 240MPa đối với dầm căng trước và 170MPa đối với dầm căng sau Cho đến năm 1975 các giá trị trên được thay thế bởi hai đề xuất tổng quát theo tiêu chuẩn ASSHTO cho cấu kiện bê tông ứng suất trước điển hình và theo PTI cho cấu kiện bê tông ứng suất trước căng sau

Trên thực tế tổn hao ứng suất khó tổng quát hóa vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố như: đặc tính của thép và bê tông, điều kiện độ ẩm và bảo dưỡng, quá trình ứng suất trước, độ lớn và thời gian tác dụng ứng lực trước Tổn hao trung bình của ứng suất có thể lấy theo tỷ lệ phần trăm của lực ứng suất trước thể hiện như bảng 1.3, khi xem xét

bê tông và thép với những đặc tính trung bình

Bảng 1.3 Độ lớn tổng tổn hao ứng suất cho hệ căng trước và căng sau

tính bằng % lực ứng suất trước

Nguyên nhân tổn hao ứng suất

Hệ căng trước (% lực ứng suất trước)

Hệ căng sau (% lực ứng suất trước) Tổn hao do co ngắn đàn hồi và uốn của

liệu để có quyết định chính xác khi sử dụng cho công trình Sau đây là bảng so sánh những ưu khuyết điểm chính giữa bê tông ứng suất trước và bê tông cốt thép

Bảng 1.5 So sánh bê tông ứng suất trước và bê tông cốt thép

So sánh Bê tông cốt thép ứng suất trước Bê tông cốt thép thường

Vật liệu

Dùng thép cường độ cao Dùng bê tông cường độ cao từ 28-

55 MPa trở lên (Đối với mẫu lăng trụ)

Dùng thép cường độ thấp AI, AII

Nén trước bê tông làm giảm ứng suất kéo đồng thời tăng khả năng chịu cắt của tiết diện khi chịu tải trọng làm việc Vì vậy cùng một tiết diện BTứng suất trước chịu tải trọng làm việc lớn hơn bê tông thường

Chỉ một phần tiết diện ở một phía đường trung hòa chịu lực Cùng một tiết diện bê tông thường chịu tải trọng làm việc nhỏ hơn bê tông ứng suất trước

Tính kinh

tế

Để chịu cùng một tải trọng thì:

Bê tông ứng suất trước sử dụng khối lượng cốt thép và bê tông ít hơn

Tổng trọng lượng công trình truyền xuống móng giảm nên kết cấu móng nhỏ hơn

Bê tông ứng suất trước khó thi công hơn và giá thành đơn vị cao

Để chịu cùng một tải trọng thì:

Bê tông thường sử dụng khối lượng cốt thép và bê tông nhiều hơn

Tổng trọng lượng công trình truyền xuống móng lớn nên kết cấu móng phức tạp hơn

Bê tông và thép thường dễ thi

có ô sàn lớn, sàn nhà công nghiệp chịu tải trọng động lớn Phù hợp với các cấu kiện panen đúc sẵn do trọng lượng nhỏ, sản xuất hàng loạt nên giá thành ứng suất trước giảm

Bê tông cốt thép thường sử dụng hiệu quả đối với các công trình không nhiều tầng, ô sàn trung bình từ 7 mét trở xuống

1.11 Phương pháp tính toán dầm bê tông ứng suất trước [7]

Trong tính toán cấu kiện bê tông ứng suất trước, có hai tiêu chuẩn được sử dụng khả phổ biến trên thế giới là tiêu chuẩn ACI cho xây dựng dân dụng và tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đường Ngoài ra ở nhiều quốc gia cũng xây dựng những tiêu chuẩn tính toán riêng cho mình Tuy nhiên, các tiêu chuẩn dùng để tính toán cấu kiện bê tông ứng suất trước vẫn được dựa trên ba quan niệm cơ bản sau:

Quan niệm thứ nhất: Bê tông ứng suất trước được xem như vật liệu dàn hồi Bê tông vốn là một vật liệu chịu nén tốt nhưng chịu kéo rất kém Thông qua ứng suất trước, trong bê tông sẽ hạn chế đáng kể sự xuất hiện vết nứt, như vậy ứng suất biến dạng và chuyển vị của cấu kiện chịu ứng suất trước và ngoại lực được xem xét riêng rẽ

và có thể áp dụng được nguyên lý cộng tác dụng

Quan niệm thứ hai: ứng suất trước coi như là sự kết hợp của thép cường độ cao với bê tông Quan niệm này coi bê tông ứng suất trước như là bê tông cốt thép và tính toán theo các trạng thái giới hạn (Tính toán theo cường độ)

Quan niệm thứ ba: ứng suất trước nhằm đạt được cân bằng tải trọng Quan niệm này coi ứng lực trước như một thành phần để cân bằng với một thành phần tải trọng trên cấu kiện (Tính toán theo phương pháp cân bằng tải trọng)

Chương II: tính toán dầm liên tục bê tông ứng suất trước căng sau có tiết diện thay đổi

2.1 Trạng thái ứng suất của cấu kiện bê tông ứng suất trước [7]

2.1.1 Các giả thiết cơ bản

Việc phân tích ứng suất trong cấu kiện bê tông ứng suất trước dựa trên các giả thiết cơ bản sau:

- Bê tông là vật liệu đàn hồi thuần nhất

- Trong phạm vi ứng suất làm việc cả bê tông và thép làm việc đàn hồi, tuy nhiên dưới tải trọng dài hạn, có một phần nhỏ từ biến xảy ra với cả hai vật liệu

- Tiết diện giữ nguyên được tính chất phẳng trước và sau khi uốn Điều này có nghĩa là biến dạng đồng dạng phân bố dọc theo chiều cao tiết diện cấu kiện

Giả thiết ứng suất kéo không đạt tới giới hạn bền uốn của bê tông (tương đương với giai đoạn vết nứt nhìn thấy của bê tông), mọi thay đổi về tải trọng tác dụng lên cấu kiện sẽ chỉ gây lên một sự thay đổi ứng suất trong bê tông, đặc tính duy nhất của thép ứng suất trước là truyền và duy trì ứng suất trước trong bê tông Giai đoạn vết nứt nhìn thấy trên bê tông nói trên, sự thay đổi ứng suất của thép, tải trọng là nhỏ không đáng

M: Mô men uốn tính toán do tải trọng tính toán tác dụng

A: Diện tích toàn phần mặt cắt ngang của cấu kiện

I: Mô men quán tính của tiết diện

f: ứng suất trong bê tông

y: Khoảng cách từ thớ tính ứng suất tới trọng tâm tiết diện bê tông

r: Bán kính quán tính của tiết diện bê tông

Xét dầm bê tông đơn giản chịu tải trọng ngoài tác dụng, gây ra mô men M trong tiết diện Dầm được ứng suất trước bởi một thép ứng suất trước thẳng chịu một ứng suất

trước là F tại độ lệch tâm e Khi đó, ứng suất tổng cộng trong bê tông tại một tiết diện bất kì là tổng của ứng suất trước và ứng suất uốn do tải trọng ngoài

Trọng tâm của biểu đồ ứng suất trên tiết diện chính là vị trí của hợp lực C, có khoảng cách đến đến ứng suất trước trong thép T là a Do lực dọc trong dầm không

Khái niệm về đường hợp lực rất có ích trong việc hiểu được cơ chế chịu tải của tiết diện bê tông ứng suất trước.Trong trường hợp cấu kiện bê tông ứng lực trước, vị trí của đường hợp lực phụ thuộc vào độ lớn và chiều mô men tác dụng ở tiết diện ngang và

độ lớn, sự phân bố của ứng suất do ứng suất trước

Xét 1 dầm bê tông được ứng suất trước bởi 1 lực F ở độ lệch tâm e Dầm chịu một lực phân bố đều q ( bao gồm cả trọng lượng bản thân) Mặc dù tải trọng có độ lớn như vậy nhưng ứng suất thớ dưới cùng của tiết diện giữa nhịp có giá trị bằng 0 Sự phân

bố ứng suất tổng cộng tại tiết diện gối tựa, một phần tư nhịp và giữa nhịp được biểu diễn trên hình 2.2

Hình 2.2 Phân bố ứng suất tại các tiết diện khác nhau trên dầm

Tại tiết diện gối tựa, vì không có ứng suất uốn do tải trọng ngoài nên đường hợp lực ở vị trí tâm của thép, vị trí ở độ tâm là h/6 ở tiết diện giữa nhịp, ứng suất tổng cộng

sẽ phân bố có giá trị lớn nhất ở thớ trên cùng và bằng 0 ở thớ dưới cùng Lúc này,

đường hợp lực thay đổi hướng lên thớ trên cùng một lượng là h/3 so với vị trí ban đầu Tương tự như vậy ở tiết diện một phần tư nhịp, đường hợp lực cũng thay đổi một lượng

là h/4 so với vị trí ban đầu Tuy nhiên, nếu có lực phân bố đều trên dầm lớn hơn thì

đường hợp lực thậm trí có thể thay đổi vị trí với một lượng lớn hơn ở tiết diện giữa và một phần tư nhịp Do đó, có thể thấy rằng một sự thay đổi về mô men ngoại lực trong phạm vi đàn hồi của dầm bê tông ứng suất trước sẽ dẫn đến sự thay đổi vị trí đường hợp lực hơn là làm tăng các lực nén trong bê tông và lực kéo trong cốt thép của dầm

Trong cấu kiện bê tông cốt thép, khi mô men ngoại lực tăng lên, các giá trị lực nén trong bê tông C và lực kéo trong cốt thép T cũng tăng lên, trong khi cánh tay đòn giữa hai lực này là không đổi

Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, dưới tác dụng của tải trọng làm việc, khi mô men ngoại lực tăng lên, các gía trị lực nén trong bê tông C và lực kéo trong cốt thép ứng suất trước không đổi, trong khi cánh tay đòn a giữa chúng tăng lên

Hình 2.3 Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước

Với cấu kiện bê tông ứng suất trước, có thể biết được giá trị của ứng suất trước ban đầu T=F0 bằng thiết bị đo, và giá trị ứng suất trước hiệu quả sau khi đn kể tới các tổn hao T=F, do giá trị này thay đổi không đáng kể trong quá trình làm việc, nên với những giá trị mô men M khác nhau, có thể xác định được cánh tay đòn a từ công thức (2.2) Với các giá trị và vị trí khác nhau của hợp lực C, sự phân bố ứng suất trong tiết diện bê tông có thể theo lí thuyết đàn hồi hoặc dẻo Với sự phân bố theo lí thuyết đàn hồi, sự liên quan giữa vị trí của C và biểu đồ ứng suất được thể hiện trên hình

Hình 2.4 Phân bố ứng suất theo lý thuyết đàn hồi Khác với phương pháp trực tiếp phân tích ứng suất tổng cộng suất tổng cộng ở tiết diện dầm bê tông ứng suất trước, có thể sử dụng khái niệm đường hợp lực C-line để tính ứng suất Trong phương pháp này, dầm bê tông ứng suất trước được phân tích như dầm bê tông thường đàn hồi sử dụng các quy định cơ bản của kết cấu tĩnh định, với cốt thép chịu lực kéo T, bê tông chịu nén C, chúng tạo nên một cặp ngẫu lực kháng lại mô men ngoại lực ứng suất trước được coi như lực nén bên ngoài với lực kéo không đổi T trong thép ứng suất trước trên suất dầm Do vậy, tại bất kì tiết diện của một dầm bê tông ứng suất trước chịu tải, các điều kiện cân bằng tĩnh học∆H=0 và ∆M=0 luôn được thỏa mnn