kết cấu bê tông dự ứng lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG GIAO THÔNG BỘ MÔN KẾT CẤU XÂY DỰNG BÀI GIẢNG KẾT CẤU BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC Chủ biên Ngô Đăng Quang TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG GIAO THÔNG BỘ MÔN KẾT CẤU XÂY DỰNG BÀI GIẢNG KẾT CẤU BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC Chủ biên Ngô Đăng Quang MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 1.1 1.2 1.3 1.4 KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA DỰ ỨNG LỰC 10 CÁC KẾT CẤU BÊ TƠNG DỰ ỨNG LỰC ĐIỂN HÌNH 12 SO SÁNH BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC VỚI BÊ TÔNG CỐT THÉP 16 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ DỰ ỨNG LỰC 19 2.1 THUẬT NGỮ 19 2.1.1 Công nghệ 19 2.1.2 Dính bám 19 2.1.3 Vị trí cốt dự ứng lực 19 2.1.4 Cấp độ dự ứng lực 20 2.2 CÁC HỆ THỐNG DỰ ỨNG LỰC 21 2.2.1 Cốt dự ứng lực 21 2.2.2 Ống gen 22 2.2.3 Neo 23 2.3 DỰ ỨNG LỰC CĂNG TRƯỚC 24 2.3.1 Các thao tác tạo dự ứng lực căng trước 24 2.3.2 Các cấu kiện dự ứng lực căng trước tiêu chuẩn 25 2.4 DỰ ỨNG LỰC CĂNG SAU 27 2.4.1 Các thao tác tạo dự ứng lực căng sau 27 2.4.2 Các hệ thống tạo dự ứng lực căng sau 28 2.4.3 Bơm vữa cho ống gen 35 2.4.4 Quỹ đạo cốt dự ứng lực căng sau cho kết cấu dầm 36 2.5 CÁC MẤT MÁT DỰ ỨNG LỰC 40 2.5.1 Giới thiệu chung 40 2.5.2 Mất mát ma sát fpF 41 2.5.3 Mất mát biến dạng neo trượt cáp dự ứng lực với thiết bị neo 2.5.4 Mất mát co ngắn đàn hồi fpA 45 fpES 46 2.5.5 Mất mát co ngót fpSR 47 2.5.6 Mất mát từ biến fpCR 48 2.5.7 Mất mát chùng cốt dự ứng lực fpR 49 2.5.8 Ví dụ tính tốn mát dự ứng lực ma sát biến dạng neo 50 2.6 BÀI TẬP 53 CHƯƠNG CỐT DỰ ỨNG LỰC 55 3.1 CÁC DẠNG CỐT THÉP 55 3.2 QUAN HỆ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA CỐT THÉP 58 3.3 3.4 3.5 3.6 SỰ CHÙNG CỦA THÉP DỰ ỨNG LỰC 60 CÁC ĐẶC TÍNH MỎI CỦA CỐT THÉP 63 CÁC ĐẶC TÍNH NHIỆT CỦA CỐT THÉP 65 CÁC ĐẶC TÍNH DÍNH BÁM CỦA CỐT THÉP 65 CHƯƠNG ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 68 4.1 4.2 4.3 4.4 ỨNG XỬ CHỊU UỐN 68 ỨNG XỬ CHỊU CẮT 70 ỨNG XỬ CHỊU XOẮN 72 ỨNG XỬ CHỊU KÉO 74 CHƯƠNG 5.1 5.2 5.3 5.4 TÍNH TỐN NỘI LỰC TRONG BÊ TÔNG DO DỰ ỨNG LỰC 75 GIỚI THIỆU CHUNG 75 TÁC ĐỘNG CỦA DỰ ỨNG LỰC LÊN BÊ TÔNG 75 NỘI LỰC TRONG BÊ TÔNG CỦA DẦM TĨNH ĐỊNH DO DỰ ỨNG LỰC 78 NỘI LỰC TRONG BÊ TÔNG CỦA DẦM SIÊU TĨNH DO DỰ ỨNG LỰC 81 CHƯƠNG TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 88 6.1 CẤU KIỆN CHỊU LỰC DỌC 88 6.1.1 Giới thiệu 88 6.1.2 Các điều kiện tương thích biến dạng 88 6.1.3 Các điều kiện cân 90 6.1.4 Tính tốn ứng xử cấu kiện chịu lực dọc trục 90 6.1.5 Xem xét tác động dài hạn 96 6.1.6 Tính tốn ứng xử dài hạn cấu kiện C 97 6.1.7 So sánh ứng xử ngắn hạn dài hạn 100 6.1.8 Ứng xử đàn hồi trước bê tông nứt 101 6.1.9 Ví dụ tính toán ứng xử đàn hồi chưa nứt 103 6.2 CẤU KIỆN CHỊU UỐN 106 6.2.1 Giới thiệu 106 6.2.2 Các điều kiện tương thích 107 6.2.3 Các điều kiện cân 108 6.2.4 Tính tốn ứng xử chịu uốn 109 6.2.5 Tính tốn ứng xử dài hạn 113 6.2.6 Ứng xử đàn hồi trước nứt 116 6.2.7 Ví dụ tính tốn ứng xử giai đoạn đàn hồi chưa nứt 120 6.2.8 Tính tốn độ vồng độ võng 125 6.2.9 Ví dụ tính toán độ vồng độ võng 128 6.2.10 Xem xét đến q trình thi cơng – Kết cấu liên hợp 132 6.2.11 Tính tốn biến dạng co ngót thay đổi nhiệt độ không 139 6.2.12 Đánh giá khả chịu mỏi 144 6.2.13 Các cấu kiện dự ứng lực khơng dính bám 146 6.2.14 Ví dụ tính tốn dầm bê tơng dự ứng lực khơng dính bám 148 6.3 BÀI TẬP 153 CHƯƠNG 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 THIẾT KẾ KHÁNG UỐN 160 GIỚI THIỆU 160 CÁC CHỈ DẪN THIẾT KẾ TỔNG QUÁT 160 ỨNG SUẤT CHO PHÉP TRONG CỐT DỰ ỨNG LỰC 161 ỨNG SUẤT CHO PHÉP TRONG BÊ TƠNG 163 TÍNH TỐN ỨNG SUẤT TRONG BÊ TÔNG 166 VÍ DỤ VỀ TÍNH TỐN ỨNG SUẤT TRONG BÊ TÔNG 171 KHỐNG CHẾ NỨT 175 TÍNH TỐN ĐỘ VỒNG VÀ ĐỘ VÕNG 176 MÔ MEN KHÁNG 176 7.9.1 Xác định ứng suất cốt dự ứng lực theo Tiêu chuẩn ACI 318-05 178 7.9.2 Xác định ứng suất cốt dự ứng lực chiều cao vùng bê tông chịu nén theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 181 7.9.3 Mô men kháng 185 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 YÊU CẦU VỀ TÍNH DẺO 185 QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 187 CÁC XEM XÉT BỔ SUNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 195 VÍ DỤ THIẾT KẾ DẦM SÀN CHỮ T KÉP ( ) 199 VÍ DỤ THIẾT KẾ BẢN SÀN MỘT CHIỀU DỰ ỨNG LỰC KÉO SAU 205 CHƯƠNG THIẾT KẾ KHÁNG CẮT VÀ XOẮN 215 8.1 GIỚI THIỆU CHUNG 215 8.2 THIẾT KẾ KHÁNG CẮT 215 8.2.1 Sức kháng cắt bê tông cấu kiện bê tông dự ứng lực 215 8.2.2 Ví dụ tính tốn lực cắt gây nứt nghiêng 218 8.2.3 Thiết kế kháng cắt theo mơ hình Tiêu chuẩn ACI 318-05 221 8.2.4 Thiết kế kháng cắt theo mô hình Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 223 8.2.5 Ví dụ thiết kế kháng cắt theo mơ hình Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 228 8.3 THIẾT KẾ KHÁNG XOẮN 234 8.3.1 Tính tốn mơ men xoắn gây nứt 234 8.3.2 Ví dụ tính tốn ứng xử chịu xoắn trước nứt 235 8.3.3 Phương pháp thiết kế cấu kiện chịu xoắn, cắt uốn đồng thời 236 8.3.4 Ví dụ thiết kế dầm chịu xoắn, cắt uốn đồng thời 237 CHƯƠNG THIẾT KẾ CẤU TẠO 242 9.1 BỐ TRÍ CỐT DỰ ỨNG LỰC TRÊN MẶT CẮT NGANG 242 9.1.1 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ 242 9.1.2 Khoảng cách cốt dự ứng lực 243 9.2 KIỀM CHẾ CỐT DỰ ỨNG LỰC 245 9.3 CÁC XEM XÉT ĐẶC BIỆT CHO VÙNG NEO 248 9.3.1 Khái niệm vùng neo 248 9.3.2 Vùng neo cấu kiện dự ứng lực kéo sau 249 9.3.3 Tính tốn khả chịu lực vùng cục 249 9.3.4 Xem xét vùng neo trung gian 251 9.3.5 Vùng neo cấu kiện dự ứng lực kéo trước 253 9.4 TRIỂN KHAI CỐT DỰ ỨNG LỰC 254 TÀI LIỆU THAM KHẢO 256 CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC Bê tơng có cường độ cao dẻo dai chịu nén lại có cường độ thấp giịn chịu kéo nên, để cải thiện làm việc nó, người ta thường sử dụng biện pháp nén trước vùng bê tông chịu kéo tác động bên ngồi Việc nén trước bê tơng tạo dạng kết cấu bê tông – kết cấu bê tông dự ứng lực Như vậy, kết cấu bê tông dự ứng lực dạng kết cấu bê tơng, đó, bê tơng nén trước để cải thiện khả chịu lực Phương pháp dự ứng lực phổ biến kéo trước cốt thép để tạo lực nén trước bê tông Tài liệu tập trung cho kết cấu bê tông dự ứng lực cách kéo căng cốt thép Nếu cấu kiện chịu kéo làm từ bê tơng có cường độ chịu nén 35 MPa bê tơng bị nứt phá hoại ứng suất kéo đạt đến giá trị cường độ chịu kéo, khoảng MPa (xem Hình 1.1a) Cường độ chịu kéo bê tơng có giá trị thấp thường khơng ổn định Ngồi ra, biến dạng ứng với bê tơng nứt nhỏ Do đó, phá hoại thường đột ngột – phá hoại giòn Nếu cấu kiện tăng cường cốt dọc thích hợp khả chịu kéo cải thiện Ví dụ, cốt thép dọc có cường độ 400 MPa hàm lượng khoảng 1,5% (tương đương với 120 kg thép/m3 bê tơng) ứng xử chịu lực cấu kiện đạt Hình 1.1b Thay cho việc bị phá hoại vết nứt hình thành, cấu kiện tiếp tục chịu lực cốt thép qua mặt cắt ngang bị chảy Do cần phải có lượng lớn (năng lượng công diện tích phần nằm đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng) để phá hoại cấu kiện nên, nói rằng, cấu kiện dai dẻo Tuy nhiên, độ cứng cấu kiện bị giảm đáng kể sau nứt Nếu cấu kiện có chứa cốt thép thường với hàm lượng khoảng 40 kg/m3 cốt thép cường độ cao với hàm lượng khoảng 20 kg/m3 kéo trước để tạo lực nén trước bê tơng ứng xử chịu lực cấu kiện đạt Hình 1.1c Dự ứng lực nén làm tăng đáng kể khả chống nứt cho bê tơng và, qua đó, tạo cấu kiện dai cứng so với cấu kiện khơng có dự ứng lực Người sáng tạo bê tông dự ứng lực ứng dụng Eugene Freyssinet, kỹ sư người Pháp Ông người năm 1928 bắt đầu sử dụng sợi thép cường độ cao để nén bê tông Các thử nghiệm trước việc chế tạo bê tơng dự ứng lực cốt thép cường độ thường không thành công Nguyên nhân là, sau nén trước, bê tông tiếp tục co ngắn lại theo thời gian từ biến co ngót Tổng hợp từ biến co ngót phát sinh biến dạng co khoảng 1‰ Cốt thép thường, có cường độ thấp nên, kéo để tạo dự ứng lực với biến dạng giãn lớn 1,5‰ Như vậy, lần thử ban đầu để tạo dự CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC Ứng suất trung bình (MPa) Ứng suất trung bình (MPa) ứng lực bê tông, 2/3 dự ứng lực cốt thép bị từ biến co ngót Ngược lại, sợi thép cường độ cao kéo đến biến dạng khoảng 7‰ tạo dự ứng lực và, bị 1‰ , lại 6/7 dự ứng lực (a) Cấu kiện bê tông khơng cốt thép N 0,01 Ứng suất trung bình (MPa) 0,02 0,03 Biến dạng trung bình Cốt thép chảy Bê tông nứt (b) Cấu kiện bê tông cốt thép N 0,01 N 0,02 0,03 Biến dạng trung bình Bê tơng nứt Cốt thép chảy (c) Cấu kiện bê tơng dự ứng lực N Hình 1.1 N N 0,01 0,02 0,03 Biến dạng trung bình Sự làm việc cấu kiện bê tông không cốt thép, bê tông cốt thép bê tông dự ứng lực chịu kéo tâm Để giảm mát từ biến co ngót để tạo dự ứng lực nén mức cao, Freyssinet khuyên không nên dùng cốt thép cường độ cao mà bê tông cường độ cao CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG DỰ ỨNG LỰC Hình 1.2 Eugene Freyssinet, người phát minh bê tông dự ứng lực ứng dụng Sau cơng trình Freyssinet, bê tông dự ứng lực sử dụng ngày rộng rãi khắp nơi giới Ở nước ta, hầu hết cơng trình cầu lớn xây dựng thời gian vừa qua sử dụng bê tông dự ứng lực Hai phương pháp tạo dự ứng lực khác phát triển phương pháp dự ứng lực kéo sau phương pháp dự ứng lực kéo trước Hình 1.3 minh hoạ phương pháp tạo dự ứng lực kéo sau, đó, cốt thép kéo căng neo vào bê tông sau bê tông đúc đạt đến cường độ định Đây phương pháp Freyssinet sử dụng Ống gen Bước 1: Đúc cấu kiện bê tơng Sự co ngắn Kích Bước 2: Căng kéo cốt dự ứng lực kích tỳ lên bê tơng Neo Bước 3: Neo cốt dự ứng lực Hình 1.3 Dự ứng lực kéo sau Hình 1.4 minh hoạ phương pháp dự ứng lực kéo trước, theo đó, cốt thép căng bệ trước đổ bê tông Sau bê tông đạt đến cường độ mong muốn, cốt thép cắt khỏi bệ và, thông qua lực dính bám, tạo lực nén bê tơng Một kỹ sư người Đức E Hoyer phát triển phương pháp dự ứng lực kéo trước thành kỹ thuật ứng dụng vào năm 1938 CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC Cốt dự ứng lực căng trước Bệ Bước 1: Kéo căng cốt dự ứng lực bệ Bước 2: Đổ bê tông xung quanh cốt dự ứng lực kéo căng Cắt cốt dự ứng lực Cấu kiện co ngắn Bước 3: Buông dự ứng lực cắt cốt tạo co ngắn cấu kiện bê tông Hình 1.4 Dự ứng lực kéo trước Từ nghiên cứu này, bê tông dự ứng lực phát triển thành ngành cơng nghiệp có doanh thu lớn Hiện nay, hàng năm có 600.000 bê tơng dự ứng lực sử dụng tồn giới Theo thống kê, trung bình tồn giới có khoảng 66% thép dự ứng lực dùng xây dựng cầu số lại sử dụng cho cơng trình xây dựng dân dụng mục đích khác Tuy nhiên, nước phát triển Bắc Mỹ, châu Âu, quan hệ lại ngược lại, khoảng 59% thép dự ứng lực kéo sau dùng xây dựng dân dụng khoảng 26% dùng xây dựng cầu 1.2 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA DỰ ỨNG LỰC Nguyên lý bê tông cốt thép, cho bê tông dự ứng lực bê tông không dự ứng lực, cốt thép đặt vào vị trí kết cấu nơi ứng suất kéo phát sinh Trong bê tông dự ứng lực, cốt thép cường độ cao sử dụng kéo căng trước ngoại lực tác dụng Lực kéo ban đầu cốt thép gây lực nén bê tông xung quanh tạo khả chống nứt lớn cho bê tơng Hình 1.5 so sánh ứng xử dầm bê tông cốt thép thường (không dự ứng lực) với dầm bê tông dự ứng lực Ở dầm bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép khơng có biến dạng ứng suất trước ngoại lực tác dụng Do bê tơng có cường độ chịu kéo nhỏ nên, trước bê tông nứt, mơ men uốn và, đó, ứng suất kéo cốt thép ứng suất nén bê tông nhỏ Sau vết nứt hình thành, ứng suất kéo cốt thép tăng lên đáng kể tiếp tục tăng tải trọng tăng Tại thời điểm phá hoại, mô men uốn chịu ứng suất kéo lớn cốt thép ứng suất nén lớn bê tông 10 ... trước vùng bê tông chịu kéo tác động bên Việc nén trước bê tông tạo dạng kết cấu bê tông – kết cấu bê tông dự ứng lực Như vậy, kết cấu bê tông dự ứng lực dạng kết cấu bê tơng, đó, bê tông nén trước... chế tạo kết cấu bê tông dự ứng lực  Dự ứng lực căng trước, đó, cốt dự ứng lực căng kéo bệ trước đổ bê tông  Dự ứng lực căng sau, đó, cốt dự ứng lực căng kéo cấu kiện bê tông sau bê tông đạt... dầm bê tơng dự ứng lực Hình 1.11 Kết cấu nhà đỗ xe bê tông dự ứng lực Trong kết cấu không dự ứng lực bị biến dạng nhiều trước chúng đạt đến giới hạn chịu lực kết cấu dự ứng lực có khả chịu lực