Đang tải... (xem toàn văn)
Bê tông cốt thép Vấn đề nứt trong kết cấu bê tông cốt thép cao tầng Hiện tượng nứt trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường và ứng suất trước (do tải trọng gây ra), các yếu tố ảnh hưởng đến bề rộng khe nứt, nguyên lý tính toán bề rộng khe nứt theo một số tiêu chuẩn thiết kế, ảnh hưởng của nó đến độ cứng kết cấu. Một số nhận xét và kiến nghị khi xét đến ảnh hưởng của nứt trong kết cấu BTCT cao tầng.
Vấn đề nứt kết cấu bê tông cốt thép cao tầng Hiện tượng nứt kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường ứng suất trước (do tải trọng gây ra), yếu tố ảnh hưởng đến bề rộng khe nứt, ngun lý tính tốn bề rộng khe nứt theo số tiêu chuẩn thiết kế, ảnh hưởng đến độ cứng kết cấu Một số nhận xét kiến nghị xét đến ảnh hưởng nứt kết cấu BTCT cao tầng Nứt kết cấu BTCT Hiện tượng nứt kết cấu BTCT đặc biệt kết cấu cao tầng thường gây lo ngại cho chủ đầu tư người sử dụng cơng trình tính tốn khả chịu lực theo trạng thái giới hạn, lý thuyết tính tốn phương Đơng phương Tây thường bỏ qua làm việc bê tông vùng chịu kéo, xét đến làm việc cốt thép chịu lực Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam Tiêu chuẩn kết cấu bê tông TCVN 5574:1991 quy định giới hạn bề rộng khe nứt tính tốn kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn Song thực tế tính tốn thiết kế thường bỏ qua bước tính tốn kiểm tra hình thành vế nứt bề rộng khe nứt kết cấu/cấu kiện Khi vết nứt ảnh hưởng đến an toàn kết cấu, hay làm giảm độ bền lâu kết cấu, cần thiết phải xử lý hay gia cường để tránh xảy cố cơng trình Ngược lại, nhiều trường hợp tượng nứt kết cấu chấp nhận mà khơng đòi hỏi xử lý hay gia cường bổ sung kết tính toán kiểm tra khả chịu lực thực tế kết cấu kết thí nghiệm thử tải kết cấu cho thấy kết cấu đảm bảo yêu cầu chịu lực theo thiết kế Vì vậy, việc xét đến ảnh hưởng nứt tính tốn thiết kế kết cấu cần thiết nhằm tránh cố nảy sinh nứt kết cấu tránh việc xử lý kết cấu không cần thiết phát thấy tượng nứt nằm giới hạn cho phép quy chuẩn, tiêu chuẩn Hai vấn đề nứt liên quan đến tính tốn thiết kế kết cấu BTCT cao tầng là: (1) Tính sử dụng (bao gồm bề rộng khe nứt lớn nhất, mật độ vết nứt ăn mòn cốt thép, (2) ảnh hưởng nứt đến suy giảm độ cứng kết cấu/cấu kiện Nứt kết cấu/cấu kiện BTCT thường xếp loại theo nguyên nhân gây nứt: Có loại nứt chính: (1) Các vết nứt uốn dầm/sàn BTCT thường hay BTCT ứng lực trước (ƯLT); (2) Các vết nứt xiên uốn - cắt; (3) Các vết nứt tách dọc theo cốt thép chủ dầm hay vùng neo kết cấu ƯLT; (4) Các vết nứt nhiệt độ co ngót (5) Các vết nứt lún gây Nhiều nghiên cứu thống rằng, có số đặc điểm giống chế hình thành vết nứt kết cấu/cấu kiện, nghiên cứu bắt đầu phát triển vết nứt chưa thực thoả mãn u cầu tính tốn thiết kế Ở chủ yếu tập trung đến vấn đề nứt dầm/sàn BTCT thường hay ƯLT tải trọng tác động gây Có hai vấn đề nứt kết cấu, bao gồm tính sử dụng suy giảm độ cứng kết cấu Bề rộng khe nứt lớn mật độ vết nứt liên quan đến tính sử dụng (vì xuất vết nứt gây cảm giác khó chịu bất an người sử dụng cơng trình khả ăn mòn cốt thép chịu lực ảnh hưởng đến độ bền lâu kết cấu/cấu kiện) Sự suy giảm độ cứng kết cấu/cấu kiện bị nứt xét đến phân tích nội lực biến dạng kết cấu Ngoài ra, giới hạn nứt kết cấu BTCT thường ƯLT vấn đề thảo luận, TCVN 5574: 1991 quy định tương đối rõ giới hạn bề rộng khe nứt lớn (thường nhỏ 0,30mm kết cấu BTCT sử dụng thường (được che phủ), nhỏ 0,15mm kết cấu BTCT sử dụng thép cường độ cao (ƯLT) Có nghiên cứu đưa ảnh hưởng bề rộng khe nứt tới ăn mòn thép bê tông, hay khả chống cháy tăng nhiệt độ Các nghiên cứu ăn mòn xem xét đến ảnh hưởng yếu tố độ thấm bê tông, môi trường khắc nghiệt, gần bỏ qua ảnh hưởng nứt Các vấn đề khác mật độ phân bố vết nứt chưa đề cập tiêu chuẩn TCVN BTCT hành Các quy định cụn thể giới hạn bề rộng khe nứt cắt, xoắn chưa trình bày tiêu chuẩn Các yếu tố ảnh hưởng tới bề rộng khe nứt Bề rộng khe nứt uốn phụ thuộc vào yếu tố hình học/cấu tạo tải trọng (bao gồm ảnh hưởng môi trường), Bề rộng khe nứt bé đio vị trí gặp cốt thép (dọc) cấu kiện BTCT mở rộng theo bề mặt cấu kiện Vì chiều dày lớp bê tông bảo vệ khoảng cách cốt ảnh hưởng tới bề rộng khe nứt Các thép nên bố trí tương đối gần với hai mặt bên mặt đáy dầm Tải trọng tác động ảnh hưởng lớn tới bề rộng khe nứt phân bố vết nứt.Bề rộng khe nứt tỷ lệ thuận với ứng suất kéo (trung bình) cốt thép (f s) Sự phân bố bề rộng khe nứt phụ thuộc vào thay đổi moment uốn dọc theo chiều dài cấu kiện Quan hệ tải trọng - thời gian ảnh hưởng tới phát triển vết nứt, ví dụ: tải trọng lặp lặp lại hay tác dụng kéo dài làm tăng bề rộng khe nứt, ảnh hưởng quan trọng nhà cao tầng so với loại kết cấu khác cầu hay nhà cơng nghiệp Mục đích nghiên cứu nứt phải giải thích ảnh hưởng yếu tố hình học/cấu tạo tải trọng/tác động tới khoảng cách bề rộng khe nứt Từ đó, phát triển cơng thức đủ xác, đơn giản xét đến ảnh hưởng nứt kết cấu tính tốn thiết kế Nghiên cứu nứt uốn dựa giả thuyết sau: (1) Bề rộng khe nứt lấy tích số khoảng cách vết nứt chênh lệch biến dạng cốt thép bê tông (2) Khoảng cách vết nứt tổng hai thành phần, thành phần tỷ lệ với chiều dày lớp bê tông bảo vệ, thành phần tỷ lệ với tỷ số diện tích bê tơng vùng chịu kéo chu vi cốt thép chịu kéo, (3) Biến dạng (strain) trung bình dọc teo cốt thép tỷ lệ với ứng suất kéo cốt thép tính tiết diện bị nứt Nứt dầm BTCT thường Có nhiều nghiên cứu thực nghiên cứu tính tốn bề rộng khe nứt khoảng cách vết nứt dầm BTCT Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tải trọng tác dụng lên dầm BTCT tăng, số lượng vết nứt tăng, với khoảng cách vết nút bé Tuy nhiên, tải trọng lớn giá trị định số lượng vết nứt không tăng thêm, khoảng cáh vết nứt không đổi, vết nứt mở rộng kéo dài Bề rộng khe nứt vị trí đặt cốt thép tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ biến dạng trung bình cốt thép tăng; bề rộng khe nứt tăng lên chiều cao vùng chịu nén bi giảm (hay (h-x) tăng lên, h-chiều cao dầm, x - chiều cao vùng chịu nén) Theo tiêu chuẩn Anh BS 8110, bề rộng khe nứt xác định theo công thức sau: a Cmin Wcr 3acr m / 1 2 cr h x (1) Trong đó: Wcr - bề rộng khe nứt bề mặt bê tơng acr- khoảng cách từ vị trí khe nứt đến cốt thép gần nhất; εm - Biến dạng trung bình vị trí (cao trình) vết nứt xem xét Cmin - Chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu BS 8110 quy định bề rộng khe nứt lớn kết cấu/cấu kiện che phủ 0,40mm Tiêu chuẩn ACI 318 cuảt Mỹ quy định bề rộng khe nứt tính theo cơng thức sau, dựa kết nghiên cứu Gergely Lutz, Đại học Cornell, Hoa Kỳ: Wcr = 0.091 * z (2) Z fs dc A (3) Trong đó: dc - chiều dày lớp bê tông bảo vệ đo từ bề mặt bê tông đến trọng tâm cốt téhp gần (in) A- diện tích phần bê tông xung quanh cốt thép (in2) Wcr - bề rộng khe nứt (in), fs (ksi) ACI 318 quy định bề rộng khe nứt lớn kết cấu/ cấu kiện che phủ 0,40mm Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574: 1991 kiến nghị bề rộng khe nứt thẳng góc với trục dọc cấu kiện an xác định theo công thức (4): an = KCη a (70-20* P) d E (4) Trong đó: k=1.0, C=1.0 (đối với tải trọng tác dụng ngắn hạn), C= 1.5 (đối với tải trọng tác dụng dài hạn hay lặp lặp lại), P= tỷ số phần trăm cốt thép dọc chịu kéo diện tích làm việc tiết diện bê tơng d- đường kính cột thép dọc chịu kéo Ea σa – module đàn hồi ứng dụng suất cốt thép chịu kéo TCVN 5574: 1991 quy định bề rộng khe nứt lớn kết cấu/cấu kiện che phủ 0.35mm Khác với tiêu chuẩn Anh tiêu chuẩn Mỹ, bề rộng khe nứt xác định theo tiêu chuẩn không phụ thuộc vào yếu tố bề dày lớp bê tông bảo vệ Trong dầm bê tông ƯLT Dầm BTCT ƯLT trạng thái giới hạn sử dụng bình thường không cho phép xuất vết nứt Tuy nhiên, cho phép nứt dầm bê tơng ƯLT bán phần (partially prestressed), dầm bê tông ƯLT không bám dính căng sau, số trường hợp đặc biệt vượt tải Tiêu chuẩn Anh BS 8110 quy định cấp cấu kiện BTCT ƯLT, với cấp (class 3- thường áp dụng kết cấu ƯLT căng bán phần) cho phép có vết nứt có bề rộng nhỏ 0.10mm mơi trường xung quanh khắc nghiệt nhỏ 0.20mm mơi trường bình thường Giáo sư Leonhardt kiến nghị giới thiệu giới hạn bề rộng khe nứt lớn kết cấu/cấu kiện BTCT ƯLT 0.10mm Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574: 1991 quy định kết cấu/cấu kiện bình thường sử dụng thép cường độ cao, đường kính nhỏ 3mm, làm việc nơi che phủ, bề rộng khe nứt lớn nhỏ 0.15mm Ảnh hưởng nứt đến độ suy gảm độ cứng kết cấu Do ảnh hưởng nứt, độ cứng kết cấu/cấu kiện BTCT bị suy giảm so với không bị nứt Sự suy giảm độ cứng so với không bị nứt lớn kết cấu bắt đầu bị nứt Sự suy giảm (so với độ cứng kết cấu (bị nứt trước đó) nhiều cácvết nứt phát triển Một điều cần ý là, vết nứt phát triển dọc theo chiều dài dầm, giả thiết tiết diện không bị nứt giả thiết bị nứt khơng thoả mãn tính tốn dầm (một số tiêu chuẩn kiến nghị giả thiết tiết diện bị nứt bán phần (partially cracked section), ví dụ BS 8110: 1997) Các nghiên cứu Mỹ cho thấy, dầm có hàm lượng cốt thép bình thường, phân tích tác dụng tải trọng tính tốn (factored loads), độ cứn 0.5*El uc (Elucđộ cứng dầm không bị nứt), độ cứng cột lấy 0.8*EL uc Ngoài ra, độ cứng kết cấu bị ảnh hưởng tượng vi nứt (micro - cracking) Một số nghiên cứu cho thấy có tượng vi nứt (vết nứt khơng nhìn thấy mắt thường), độ cứng kết cấu giảm đến lần Tuy nhiên, tất điều nêu chưa quan tâm mức phân tích nội lực chuyển vị kết cấu tác dụng tải trọng tiêu chuẩn (trạng thái giới hạn sử dụng bình thường/trạng thái giới hạn thứ 2) tải trọng tính tốn(trạng thái giới hạn cưc hạn/trạng thái giới hạn thứ nhất) thực tế thiết kế nước ta phần mềm tính tốn kết cấu thơng dụng SAP 2000 có cửa sổ để thực điều thông qua hệ số thay đổi độ cứng Như vậy, phân tích kết cấu, ảnh hưởng nứt đến đô cứng cấu kiện làm thay đổi lại nội lực kết cấu Kết phân tích khung BTCT cao tầng cơng trình cụ thể cho thấy, moment dầm mái xét đến suy giảm độ cứng kết cấu nứt (độ cứng dầm lấy 0.5 độ cứng dầm không bị nứt) M = 759tm nhỏ moment dầm M = 867tm không xét đến ảnh hưởng nứt 12% Sự giảm độ cứng dầm tăng khả ngàm dầm ngang với cột so với dầm không bị nứt, dẫn đến moment nhịp dầm trường hợp có xét đến suy giảm độ cứng nứt nhỏ so với trường hợp không bị nút Một số nhận xét kiến nghị Nứt dầm BTCT tượng bình thường Các dầm BTCT bị nứt cấp tải trọng nhỏ tải trọng tiêu chuẩn, số trường hợp bị nứt co ngót trước chịu tải.Hiện tượng nứt uốn thường khó tránh được, song lại tạo điều kiện cho cốt thép chịu kéo làm việc hiệu Điều quan trọng bề rộng khe nứt phải nằm giới hạn cho phép tiêu chuẩn hay quy phạm thiết kế áp dụng Giới hạn bề rộng khe nứt tiêu chuẩn TCVN 5574: 1991 chủ yếu tập trung vào vấn đề ăn mòn kết cấu, quan điểm chống ăn mòn kết cấu lại gắn với chiều dày lớp bê tông bảo vệ Công thức tính bề rộng khe nứt tiêu chuẩn Việt Nam chưa đề cập đến ảnh hưởng chiều dày lớp bê tông bảo vệ tiêu chuẩn Anh Mỹ Ngồi ra, cần có quy định cho phép có vết nứt giới hạn bề rộng khe nứt kết cấu bê tơng ƯLT (căng bán phần, bám dính hay khơng bám dính) để dễ áp dụng thiết kế loại kết cấu Mật độ vết nứt, giới hạn riêng nứt cắt, xoắn, vết nứt con-son chưa đề cập tiêu chuẩn BTCT Những vấn đề cần có nghiên cứu khảo sát để có quy định cụ thể, áp dụng thiết kế kết cấu cao tầng Sự suy giảm độ cứng kết cấu nứt cần nghiên cứu thêm cho viêc phân tích nội lực hay chuyển vị kết cấu đảm bảo an toàn với làm việc thực kết cấu Đối với kết cấu thấp tầng hay nhịp bé, vấn đề khơng quan trọng, có ảnh hưởng đáng kể kết cấu cao tầng, siêu cao tầng hay kết cấu nhịp lớn Nguyễn Đại Minh, Nguyễn Hoàng Dương (Nguồn tin: T/C Sài Gòn đầu tư & Xây dựng, số 11/2006) ... xác định theo công thức sau: a Cmin Wcr 3acr m / 1 2 cr h x (1) Trong đó: Wcr - bề rộng khe nứt bề mặt bê tông acr- khoảng cách từ vị trí khe nứt đến cốt thép gần... sau, dựa kết nghiên cứu Gergely Lutz, Đại học Cornell, Hoa Kỳ: Wcr = 0.091 * z (2) Z fs dc A (3) Trong đó: dc - chiều dày lớp bê tông bảo vệ đo từ bề mặt bê tông đến trọng tâm cốt téhp gần (in)... thẳng góc với trục dọc cấu kiện an xác định theo công thức (4): an = KCη a (70-20* P) d E (4) Trong đó: k=1.0, C=1.0 (đối với tải trọng tác dụng ngắn hạn), C= 1.5 (đối với tải trọng tác dụng