khống chế bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG VĂN TRUNG KHỐNG CHẾ BỀ RỘNG VẾT NỨT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS. TS PHAN QUANG MINH Phản biện 1: TS. Trương Hoài Chính Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Quang Viên Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 9 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện tượng nứt kết cấu bê tông cốt thép thường gây lo ngại cho chủ đầu tư và người sử dụng công trình. Mặc dù đã tính toán khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn 1 (Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012) nhưng khi tính toán đều bỏ qua quy định giới hạn bề rộng vết nứt trong quá trình tính toán kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn 2 (hay trạng thái giới hạn sử dụng). Các vết nứt ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu, làm giảm độ bền lâu của kết cấu, cần thiết phải xử lý hay gia cường để tránh xảy ra sự cố công trình Ngược lại, trong nhiều trường hợp hiện tượng nứt kết cấu có thể chấp nhận được mà không đòi hỏi xử lý hay gia cường bổ sung để kết quả tính toán kiểm tra khả năng chịu lực thực tế của kết cấu hoặc kết quả thí nghiệm thử tải kết cấu cho thấy kết cấu đảm bảo các yêu cầu chịu lực theo thiết kế. Vì vậy, việc xét đến ảnh hưởng của vết nứt trong tính toán thiết kế kết cấu là cần thiết nhằm tránh các sự cố nảy sinh do nứt kết cấu hoặc có thể tránh được việc xử lý kết cấu không cần thiết khi phát hiện thấy hiện tượng nứt nhưng nằm trong giới hạn cho phép của quy chuẩn, tiêu chuẩn.Hai vấn đề nứt liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép là: (1) Tính năng sử dụng (bao gồm bề rộng khe nứt lớn nhất, mật độ vết nứt và sự ăn mòn cốt thép) (2) ảnh hưởng của nứt đến sự suy giảm độ cứng kết cấu/cấu kiện. Vì vậy tác giả chọn đề tài: “ Khống chế bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế ” 2 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu các yêu cầu tính toán và khống chế bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt thép theo lý thuyết kết cấu bê tông cốt thép và theo các tiêu chuẩn thiết kế . 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nguyên cứu :Dầm bê tông cốt thép chịu uốn - Phạm vi nguyên cứu :Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012; Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1; Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-95 và ACI 318-2002 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết. - Phân tích dựa trên các bài toán cụ thể 5. Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, nội dung luận văn được trình bày gồm có 3 chương: - Chương 1: Tổng quan về vết nứt. - Chương 2: Khống chế bề rộng vết nứt của cấu kiện chịu uốn bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế. - Chương 3: Ví dụ tính toán. - Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẾT NỨT 1.1. KHÁI NIỆM Nứt là một hiện tượng bệnh lý đặc trưng của kết cấu bê tông cốt thép. Sự xuất hiện các khe nứt báo hiệu tình trạng suy giảm tính năng chịu lực của kết cấu. Bắt đầu từ những vết nứt đầu tiên do co ngót trong giai đoạn thi công cho đến những khe nứt gẫy của kết cấu bê tông cốt thép, hiện tượng nứt thực sự là một tiêu chí quan trọng để đánh giá tình trạng chịu tải của kết cấu công trình. 1.2. SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP [6] Theo dõi sự phát triển của ứng suất và biến dạng tiết diện thẳng góc của dầm trong quá trình thí nghiệm, có thể chia thành các giai đoạn sau: Giai đoạn 1. (Giai đoạn đàn hồi và tiết diện chưa có vết nứt) M s b <R b s b <R s a) M s b <R b s b <R s b) x I Ia R bt Giai đoạn 2. (Giai đoạn ứng suất đàn hồi và tiết diện có vết nứt) M s b <R b s b <R s c) x M s b <R b R s d) x II IIa Giai đoạn 3.( Giai đoạn phá hoại) 4 M R b R s e) x M g) x th1 th2 s s <R s R b 1.3. PHÂN LOẠI VẾT NỨT[8] 1.3.1. Vết nứt trong sàn bê tông toàn khối Vết nứt trong bản sàn do tác động của lực gây nên phụ thuộc vào sơ đồ tính của bản: loại và đặc trưng của tác động, cách đặt cốt thép và tỉ lệ giữa các nhịp. 1.3.2.Vết nứt trong sàn Panel lắp ghép Các panel sườn lắp ghép loại chữ П và 2T là kết cấu tổ hợp từ dầm (sườn) và bản. Vì vậy, đặc trưng hình thành vết nứt trong loại kết cấu này do tải trọng sử dụng không khác trong dầm và bản sàn . Mặt khác, do hình dáng phức tạp, đặt cốt thép dày nên khi sản xuất panel thường có những khuyết tật công nghệ dưới dạng vết vỡ và vết nứt do co ngót như: các vết nứt dọc theo cốt thép, do bê tông được dầm không liên tục; vết nứt do biến dạng khuôn, tỉ lệ xi măng : nước (X : N) lớn. 1.3.3. Vết nứt trong dầm có đặt cốt thép thường Trong dầm thường xuất hiện những vết nứt thẳng góc hoặc vết nứt xiên với trục dọc cấu kiện. Những vết nứt thẳng góc thường xuất hiện ở vùng chịu mômen uốn lớn nhất, còn những vết nứt xiên ở vùng chịu ứng suất tiếp lớn nhất, gần gối tựa. 1.3.4. Vết nứt trong dầm ứng lực trước Các dầm ứng lực trước thường phải tuân theo yêu cầu cao về khả năng chống nứt. Vì vậy, sự xuất hiện các vết nứt có bề rộng lớn 5 thường chứng tỏ dầm bị quá tải, hoặc sai sót nghiêm trọng trong công nghệ chế tạo dầm 1.3.5.Vết nứt trong cột bê tông cốt thép Những vết nứt trong cột phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái nén lệch tâm và đặc trưng của tải trọng tác dụng. Ngoài ra, còn do ảnh hưởng của cường độ bê tông, bố trí cốt thép, điều kiện đông cứng của bê tông 1.4. MỘT SỐ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG NỨT KẾT CẤU BÊ TÔNG PHÁT SINH TRONG QUÁ TRÌNH ĐÔNG RẮN 1.4.1. Nguyên tắc chung Quá trình phát sinh các vết nứt trong kết cấu bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của các yếu tố khí hậu có thể kéo dài từ sau giai đoạn bảo dưỡng ban đầu cho tới một vài năm sau. Nguyên nhân phát sinh vết nứt là do biến dạng cứng của bê tông quá lớn làm cho ứng suất kéo phát sinh vượt quá giới hạn kéo cho phép của bê tông. 1.4.2. Đặt khe co dãn nhiệt ẩm đối với kết cấu bê tông và bê tông cốt thép a) Nguyên tắc chung Biện pháp đặt khe co dãn nhiệt ẩm dưới đây là nhằm giải toả ứng suất . Loại hình khe co dãn nhiệt ẩm. Có 2 loại khe co dãn nhiệt ẩm sau đây : Khe dãn, Khe co - Tại khe dãn : Bê tông và cốt thép bị cắt đứt hoàn toàn. Khi cần thiết có thể dùng kết cấu có thanh truyền lực để truyền lực qua khe. Bề rộng khe không nhỏ hơn 2 cm. Khe dãn cần phải thông thoáng, không chứa các vật lạ làm cản chuyển dịch đầu mút bê tông khi biến dạng, như gỗ, đá, bê tông vụn,gạch vỡ, đất cát vv 6 - Tại khe co: Tiết diện bê tông bị cắt xuống độ sâu h. Thường độ sâu h không quá (1- 3) cm đối với kết cấu có chiều dày nhỏ (như mặt đường ô tô; sàn mái); hoặc có thể sâu hơn đối với kết cấu có chiều dày lớn (như tường chắn đất). Cốt thép có thể đi qua khe này. Bề rộng b của vết cắt khoảng 1 cm. Có thể xảm hoặc không xảm ma tít vào vết cắt tuỳ theo yêu cầu của khe. b) Nguyên tắc đặt khe co dãn nhiệt ẩm Khe co dãn nhiệt ẩm được đặt theo quy định của TCVN 5718:1993. Ngoài ra cần thực hiện những yêu cầu và chỉ dẫn dưới đây: - Khe dãn được đặt tại các vị trí nhằm tạo điều kiện để kết cấu bê tông dễ dàng chuyển dịch đầu mút tại khe khi bị biến dạng co nở theo thời tiết. Khe dãn thường được kết hợp tại các vị trí kết cấu có dầm hoặc cột chịu lực. - Khe co được đặt tại các vị trí tạo cho kết cấu có thể phát sinh vết nứt chủ động để giải toả ứng suất do biến dạng co nở theo thời tiết. 1.5. NHẬN XÉT Khống chế bề rộng vết nứt đóng vai trò rất quan trọng bởi hai lý do chính thẩm mỹ và độ bền. - Thứ nhất, các vết nứt rộng làm giảm giá trị diện mạo của kết cấu và cũng có thể gây cảnh báo rằng kết cấu hình như có vấn đề. - Thứ hai, các vết nứt rộng có thể gây cho độ bền của công trình có vấn đề không tốt. Vết nứt cung cấp một con đường để không khí, nước và clo tiếp xúc nhanh với cốt thép mà có thể dẫn đến ăn mòn và hư hỏng kết cấu. Chương 2 sẽ nghiên cứu về lý thuyết khống chế bề rộng vết nứt của cấu kiện chịu uốn bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 1992-1-1, Tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-95 và ACI 318-2002. 7 CHƯƠNG 2 KHỐNG CHẾ BỀ RỘNG VẾT NỨT CỦA CẤU KIỆN CHỊU UỐN BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 2.1. TÍNH TOÁN SỰ HÌNH THÀNH VÀ MỞ RỘNG VẾT NỨT THEO TIÊU CHUẨN TCVN 5574:2012 2.1.1. Khái niệm chung [6] Đối với kết cấu bê tông cốt thép nói chung, vết nứt có thể xuất hiện do biến dạng ván khuôn, do co ngót của bêtông, do sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm, do sự tác động khác. Khi trong bê tông xuất hiện ứng xuất kéo vướt quá cường độ chịu kéo của nó thì bê tông bắt đầu bị nứt. Ở thời điểm mới nứt, mắt thường không nhìn thấy được, chỉ khi bề rống vết nứt từ 0,005 mm trở lên mới thấy .Khe nứt có thể làm cho công trình mất khả năng chống thấm, làm cho bê tông không bảo vệ được cốt thép khỏi bị ăn mòn vì tác dụng xâm thực của môi trường. Không phải mọi vết nứt điều nguy hiểm. Ngay cả khi có tải trọng tác dụng vẫn có thể cho phép hoặc không cho phép xuất hiện vết nứt . 2.1.2. Khả năng chống nứt của kết cấu Có ba cấp khả năng chống nứt căn cứ vào điều kiện làm việc của chúng và loại cốt thép được dùng : + Cấp 1 : Không cho phép xuất hiện vết nứt. + Cấp 2 : Cho phép xuất hiện vết nứt ngắn hạn với bề rộng hạn chế 1 crc a nhưng chắc chắn vết nứt sẽ được khép kín trở lại dở bỏ tải trọng tạm thời + Cấp 3 : Cho phép xuất hiện vết nứt ngắn hạn với bề rộng hạn chế 1 crc a và cho phép xuất hiện vết nứt dài hạn với bề rộng hạn 8 chế 2 crc a . 2.1.3. Tính toán về sự hình thành vết nứt - Mômen kháng nứt của cấu kiện chịu uốn ,er crcbtspl MRW = (2.7) Trong đó : pl W là mômen kháng uốn của tiết diện đối với thớ chịu kéo ngoài cùng có xét đến biến dạng không đàn hồi của bê tông vùng chịu kéo . 2(') . bososo plbo III WS hx aa ++ =+ - (2.8) Điều kiện để cấu kiện không bị nứt như sau : crc MM £ (2.9) Trong đó : M là mômen ngoại lực trên tiết diện đang xét. 2.1.4.Tính toán theo sự mở rộng vết nứt thẳng góc với trục dọc cấu kiện [2] Bề rộng vết nứt thẳng góc với trục dọc cấu kiện crc a (mm), được xác định theo công thức: 3 20(3,5100) s crcl s ad E s djhm =- (2.10) 2.2. KHỐNG CHẾ BỀ RỘNG VẾT NỨT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 1992-1-1 2.2.1. Các yêu cầu cấu tạo về khống chế vết nứt [11] a) Diện tích cốt thép tối thiểu Trong các dầm có tiết diện chữ T và dầm hộp cốt thép tối thiểu phải xác định đối với từng phần riêng rẽ của tiết diện ( sườn và cánh). ,min,eff sscctct AkkfA s = (2.19) b) Đường kính cốt thép Đường cốt thanh thép lớn nhất được biến đổi như sau : [...]... 318-95 Kt qu tớnh toỏn b rng theo cỏc tiờu chun ny chnh lch nhau rt ln - Vic tớnh b rng vt nt theo TCVN 5574:2012 khụng cp n s nh hng ca lp bo v ct thộp m ch a ra cỏc yờu cu v m bo chiu dy cu to theo yờu cu v chng n mũn, trong khi ú Eurocode 1992-1-1 v ACI 318-95 v ACI 318-2002 li cú cp - Theo TCVN 5574:2012 v Eurocode 1992-1-1, b rng vt nt ph thuc vo ng kớnh ct thộp, tuy nhiờn theo Tiờu chun hoa k ACI... rỳt ra nhng nhn xột sau õy: 12 - Quy trỡnh tớnh toỏn mụmen khỏng nt v b rng vt nt theo tiờu chun Vit Nam TCVN 5574:2012 l khỏ phc tp hn so vi hai tiờu chun Eurocode 1992-1-1 v ACI 318-95 - khng ch b rng vt nt theo hai Tiờu Chun Eurocode 1992-1-1 v ACI 318-2002 u khng ch ng sut trong ct thộp khụng vt quỏ gii hn cho phộp - Theo ACI 318-2002 hin nay khụng hn ch b rng vt nt m ch yờu cu hn ch ng sut trong... acrc.1t - acrc.1d + acrc.2 = 0,186 - 0, 088 + 0,127 = = 0, 225mm < 0, 4mm Vy b rng vt nt ca dm bờ tụng ct thộp m bo an ton 18 3.3 TNH TON THEO EUROCODE 1992-1-1 3.3.1 Kim tra kh nng xy ra vt nt ca dm bờ tụng ct thộp Cp bn B25 theo TCVN 5572-2012 tng ng cp bn C20/25 theo tiờu chun chõu õu Eurocode 1992-1-1 Vi C20/25 ta cú : f ck = 20MPa, f ck ,cube = 25MPa f cm = 28MPa, f cm ,cube = 35MPa f ctm = 0,3... ,cube / 10 ự = 32GPa ù ở ỷ ợ ỵ Es = 20 104 MPa bh 2 6 = 2,56 MPa = 25,6kG / cm 2 Theo (2.25) ta cú : M cr = f ctm Trong ú : f ctm 25 602 bh 2 = 25,6 6 6 = 384000kGcm = 38, 4kNm M cr = f ctm Vy M cr < M =240 (kNm) Do dú dm b nt 3.3.2 Tớnh b rụng vt nt Theo (2.28) ta cú : w k = sr ,max (e sm - e cm ) - Tớnh (e sm - e cm ) theo (2.31) ta cú : f s s - kt ct ,eff (1 + a e r p ,eff ) r p ,eff s e sm - e... vt nt tớnh theo cỏc tiờu chun cú s chờnh lch ln Trong khi ú, t 2002 tiờu chun ACI 318 khụng khng ch b rng vt m ch a ra cỏc yờu cu khng ch ng sut trong ct thộp v bờ tụng Theo ACI 318-2002 ch cú lp thộp ỏy nh hng n b rng vt nt ti mt ỏy 24 KT LUN V KIN NGH 1 Kt Lun - Vic khng ch b rng vt nt úng vai trũ quan trng v kh nng chu lc v tớnh thm m - Quy trỡnh tớnh toỏn mụmen khỏng nt v b rng vt nt theo Tiờu... B rng vt nt w k Chiu rng vt nt w k cú th tớnh theo biu thc : w k = sr ,max (e sm - e cm ) Khong cỏch ln nht gia cỏc vt nt: sr , max = k3c + k1k2 k4f / r p ,eff Ta cú cụng thc sau: (2.28) 11 s s - kt e sm - e cm = f ct ,eff r p ,eff (1 + a e r p ,eff ) Es 0,6 ss Es (2.31) 2.3 KHNG CH B RNG VT NT THEO TIấU CHUN HOA K ACI 318-95 V ACI 318-2002 2.3.1 Tớnh theo ACI 318-95 - Xỏc nh b rng khe nt ln nht [9]... trong bờ tụng bng cng chu kộo ca bờ tụng, tng ng vi kh nng khỏng nt ca tit din : bh 2 (2.25) 6 l giỏ tr trung bỡnh cng chu kộo ca bờ tụng M cr = f ctm Trong ú : f ctm 2.2.3 Tớnh b rng vt nt thng gúc theo theo Tiờu Chun Eurocode 1992-1-1 [6] a) ng sut trong bờ tụng v ct thộp chu kộo sau khi nt Xột mt cu kin chu kộo trung tõm Di tỏc dng ca lc dc N, cu kin b nt vi b rng khe nt l w k v khong cỏch gia cỏc... 10811,76(in 4 ) 12 12 3.4.1 Kim tra kh nng xy ra vt nt ca dm bờ tụng ct thộp M cr = I g fr yt = 10811,76 354,57 = 324599,98(in - lb) 11,81 Vy M cr = 36,68kNm < M =240(kNm).Do dú dm b nt 3.4.2 Tớnh theo ACI 318-95 Tớnh theo (2.40) ta cú: w = 0, 076 b f s 3 d c A Ta cú h s chiu cao b = 1, 2 (i vi dm) + Tớnh f s vi iu kin : f s Ê 0,6 f y = 0,6 60000 = 36000 psi = 36ksi + Phng trỡnh xỏc nh chiu cao trc trung... = 276,8(kNm) 8 8 14 Tớnh a m = M 276,8 106 = = 0,272 < a R = 0, 429 Rb bho 14,5 250 5302 Tra ph luc E ( cỏc i lng dựng tớnh toỏn theo bn trong Bng E.1) => z = 0,837 M 287, 2 106 As = = = 1709,5(mm2 ) Rsz ho 365 0,837 530 Chn 3f 28( As = 18, 47cm 2 ) 3.2 TNH TON THEO TCVN 5574:2012 3.2.1 Kim tra kh nng xy ra vt nt ca dm bờ tụng ct thộp - Tnh ti tiờu chun : g tc = 14(kN / m) - Tnh hot tiờu chun... liu ca ngi kho sỏt v vt nt cú dng sau : w = 0, 076 b f s 3 d c A Trong ú : z = fs 3 dc A (2.40) (2.41) 2.3.2 Mụmen khỏng nt ca tit din [9] Mụmen khỏng nt ca tit din M cr tớnh theo cụng thc sau : M cr = I g fr yt (2.42) 2.3.3 Tớnh theo ACI 318-2002 [10] Khong cỏch s ca ct thộp gn nht vi b mt chu kộo s khụng vt quỏ cụng thc : s= ổ 36 ử 540 - 2,5cc Ê 12 ỗ ữ fs ố fs ứ (2.44) s l khong cỏch tõm n tõm ct thộp . của dầm bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế ” 2 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu các yêu cầu tính toán và khống chế bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt thép theo lý thuyết kết. Chương 1: Tổng quan về vết nứt. - Chương 2: Khống chế bề rộng vết nứt của cấu kiện chịu uốn bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn thiết kế. - Chương 3: Ví dụ tính toán. - Kết luận và kiến nghị. CHƯƠNG 2 KHỐNG CHẾ BỀ RỘNG VẾT NỨT CỦA CẤU KIỆN CHỊU UỐN BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 2.1. TÍNH TOÁN SỰ HÌNH THÀNH VÀ MỞ RỘNG VẾT NỨT THEO TIÊU CHUẨN TCVN 5574:2012