Khống chế bề rộng vết nứt của dầm bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn 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

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

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

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

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)

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

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

1.4.2 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

- 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

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

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 a crc1 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 a crc1 và cho phép xuất hiện vết nứt dài hạn với bề rộng hạn

chế a crc2

2.1.3 Tính toán về sự hình thành vết nứt

- Mômen kháng nứt của cấu kiện chịu uốn

M crc =R bt s, erW pl (2.7)

Trong đó : W là mômen kháng uốn của tiết diện đối với thớ pl

chịu kéo ngoài cùng có xét đến biến dạng không đàn hồi của bê tông

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 a crc(mm),

được xác định theo công thức:

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

Khi uốn (tại phần ít nhất trong tiết diện chịu nén) :

* ,eff / 2,9 / 2( )

f =f - (2.23) Khi kéo (kéo đều dọc trục) :

* ,eff / 2,9 / 8( )

f =f - (2.24)

Bảng 2.1 Đường kính thanh thép lớn nhất fs* để khống chế vết nứt

Kích cỡ lớn nhất của thanh thép [mm] Ứng suất trong

c) Khoảng cách giữa các thanh thép dọc

Khoảng cách giữa các thanh thép dọc chịu kéo không được vượt quá giá trị lớn nhất, được cho ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Khoảng cách lớn nhất giữa các thanh thép dọc để khống

280 200 150 50

2.2.2 Mômen kháng nứt của tiết diện [6]

Tại tiết diện chuẩn bị nứt, ứng suất kéo trong bê tông bằng cường độ chịu kéo của bê tông, tương ứng với khả năng kháng nứt của tiết diện :

2.2.3 Tính bề rộng vết nứt thẳng góc theo theo Tiêu Chuẩn Eurocode 1992-1-1 [6]

a) Ứng suất trong bê tông và cốt thép chịu kéo sau khi nứt

Xét một cấu kiện chịu kéo trung tâm Dưới tác dụng của lực dọc N, cấu kiện bị nứt với bề rộng khe nứt là wk và khoảng cách giữa các khe nứt là s r.Ở chỗ có khe nứt, ứng suất trong cốt thép là lớn nhất và có giá trị là s c crc, Trong khoảng giữa hai khe nứt, vì có

sự truyền lực từ cốt thép sang bê tông thông qua lực dính nên ứng

suất trong cốt thép giảm dần và đạt giá trị cực tiểu ở giữa hai khe nứt

b) Bề rộng vết nứt w k

Chiều rộng vết nứt wk có thể tính theo biểu thức :

, ax

wk =s r m (e sm-e cm) (2.28) Khoảng cách lớn nhất giữa các vết nứt:

Ta có công thức sau:

,eff ,eff

2.3 KHỐNG CHẾ BỀ RỘNG VẾT NỨT THEO TIÊU CHUẨN

HOA KỲ ACI 318-95 VÀ ACI 318-2002

2.3.1 Tính theo ACI 318-95

- Xác định bề rộng khe nứt lớn nhất [9]

Công thức thực nghiệm của Gergely-lutz dựa trên các nghiên

cứu thống kê các số liệu của người khảo sát về vết nứt có dạng sau :

3

w 0,076= b f s d A c (2.40)

Trong đó : z=fs3d A c (2.41)

2.3.2 Mômen kháng nứt của tiết diện [9]

Mômen kháng nứt của tiết diện M cr tính theo công thức sau :

g r cr

t

I f M

y

= (2.42)

2.3.3 Tính theo ACI 318-2002 [10]

Khoảng cách s của cốt thép gần nhất với bề mặt chịu kéo sẽ

không vượt quá công thức :

- Quy trình tính toán mômen kháng nứt và bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 là khá phức tạp hơn so với hai tiêu chuẩn Eurocode 1992-1-1 và ACI 318-95

- Để khống chế bề rộng vết nứt theo hai Tiêu Chuẩn Eurocode 1992-1-1 và ACI 318-2002 đều khống chế ứng suất trong cốt thép không vượt quá giới hạn cho phép

- Theo ACI 318-2002 hiện nay không hạn chế bề rộng vết nứt

mà chỉ yêu cầu hạn chế ứng suất trong bê tông và cốt thép

Trên cơ sở lý thuyết này, sẽ trình bày chi tiết qua thí dụ tính toán ở Chương 3

CHƯƠNG 3 CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN

8000 mm

p tc = 16 (kN/m)

g tc = 14 (kN/m)

Hình 3.1 Sơ đồ tải trọng phân bố đều lên Dầm đơn giản

Yêu cầu : Cho Dầm đơn giản tiết diện hình chữ nhật (hình 3.1) chịu tải trọng phân bố đều với các số liệu như sau :

- Tỉnh tải tiêu chuẩn 14 (kN/m)

- Hoạt tải tiêu chuẩn 16 (kN/m )

Tính

6 2

- Tĩnh tải tiêu chuẩn : g tc =14(kN m/ )

- Tĩnh hoạt tiêu chuẩn : p tc =16(kN m/ )

- Mômen lớn nhất do tổng tải trọng gây ra :

20 10

6,67

30 10

s b

E E

´

red

A = 250 x 600 + 7,00.(1847+ 226) = 163826,9(mm ) 2

Tính

2 0

x

d l b

ma

+Trong đó b =1,8,a =6,67

Tính 1847 0,0139

s o

A

b h

´Tính

o

A bh

a n

´Tính l j= f =0,0126

x

d l b

A bh

a n

´( do tải trọng tác dụng dài hạn và độ ẩm môi trường vượt quá 75% lấy hệ số n =0,15 1, 25 0,1875´ = )

3.3 TÍNH TOÁN THEO EUROCODE 1992-1-1

3.3.1 Kiểm tra khả năng xảy ra vết nứt của dầm bê tông cốt thép

Cấp độ bền B25 theo TCVN 5572-2012 tương đương cấp độ bền C20/25 theo tiêu chuẩn châu âu Eurocode 1992-1-1

Với C20/25 ta có : f ck =20MPa f, ck cube, =25MPa

bx A

cm

E E

´+ Xác định vị trí trục trung hòa :

c

- Với k t =0, 4 (tải trọng tác dụng dài hạn)

Vậy thế các giá trị vào (2.31) ta có :

( )4

2,56

0,058

20 100,0013 0,00086

c = 40 mm (chiều dày lớp bảo vệ)

Vậy thế các giá trị vào ta có :

c = 40 mm (chiều dày lớp bảo vệ)

Vậy thế các giá trị vào ta có :

-Hoạt tải tính toán: wc 16( / ) 91,37( / )

Tổng tải trọng tính toán:

Ta có hệ số chiều cao b =1,2 (đối với dầm)

+ Tính f s với điều kiện :

29 10

10,82,69 10

s b

E n E

´

´Thay vào phương trình ta có :

2

250

10,8 1847 10,8 1847 546 02

1847 546

s s

M f

Tính A :Diện tính bê tông xung quanh một thanh thép :

fs c 36 0,98 6, 43 66, 49( / ) 145( / )

ð

3 3

d

s = 9,843-2(1,57+0,314+1,128/2))/2 = 2,47 in <17,6 in (thỏa) Vậy khoảng cách cốt thép trong dầm bê tông cốt thép đủ để khống chế bề rộng vết nứt nhỏ hơn 0,016 in

Bảng 3.1 Bảng so sánh bề rộng vết nứt theo các tiêu chuẩn thiết

2002 thì không xét đến cốt thép vùng nén

- Từ kết quả tính bề rộng vết nứt tính theo các tiêu chuẩn có sự chênh lệch lớn Trong khi đó, từ 2002 tiêu chuẩn ACI 318 không khống chế bề rộng vết mà chỉ đưa ra các yêu cầu khống chế ứng suất trong cốt thép và bê tông Theo ACI 318-2002 chỉ có lớp thép đáy ảnh hưởng đến bề rộng vết nứt tại mặt đáy

- Việc tính bề rộng vết nứt theo TCVN 5574:2012 không đề cập đến sự ảnh hưởng của lớp bảo vệ cốt thép mà chỉ đưa ra các yêu cầu về đảm bảo chiều dày cấu tạo theo yêu cầu về chống ăn mòn, trong khi đó Eurocode 1992-1-1 và ACI 318-95 và ACI 318-2002 lại

có đề cập

- Theo TCVN 5574:2012 và Eurocode 1992-1-1, bề rộng vết nứt phụ thuộc vào đường kính cốt thép, tuy nhiên theo Tiêu chuẩn hoa kỳ ACI 318 từ 2002, cho dù đường kính cốt thép khác nhau cũng không ảnh hưởng kết quả tính toán vì chỉ xét đến lớp bảo vệ và ứng

suất trong cốt thép

2 Kiến Nghị

- Quy trình tính bề rộng vết nứt theo Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 là phức tạp Cần đưa ra các quy trình đơn giản hơn hoặc khống chế ứng suất trong bê tông và cốt thép để hạn chế phần tính toán