LỰA CHỌN tải TRỌNG cân BẰNG hợp lý TRONG THIẾT kế sàn PHẲNG bê TÔNG ỨNG lực TRƯỚC

LỰA CHỌN tải TRỌNG cân BẰNG hợp lý TRONG THIẾT kế sàn PHẲNG bê TÔNG ỨNG lực TRƯỚC

LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS. Trương Hoài Chính đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong quá trình làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, giảng viên Bộ môn Kết cấu Công trình, khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, Phòng KH, Sau đại học & HTQT - Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng cùng gia đình, bạn bè đã động viên và tạo điều kiện cho tác giả trong thời gian học cao học và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Với thời gian nghiên cứu và năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc không tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại, học viên mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp. Đà Nẵng, tháng 09 năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khác. Tác giả luận văn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU A Diện tích mặt cắt ngang tổng cộng. A c Diện tích mặt cắt ngang của bê tông. A ps Diện tích thép ứng lực trước A s Diện tích thép thường E ps Mô đun đàn hồi của thép E c Mô đun đàn hồi của bê tông e Độ lệch tâm của thép ƯLT F Lực ƯLT hiệu quả trong cáp f cu Cường độ chịu nén của bê tông mẫu lập phương ở 28 ngày tuổi f ci Cường độ chịu nén của bê tông tại thời điểm truyền lực f c Ứng suất đơn vị của bê tông f’ c Cường độ chịu nén của bê tông mẫu trụ ở 28 ngày tuổi f py Giới hạn chảy của thép ƯLT f pu Giới hạn bền của thép ƯLT f pi Ứng suất căng ban đầu của thép ƯLT f pe , P e Ứng suất hiệu quả, lực căng hiệu quả của thép ƯLT I Mô men quán tính của mặt cắt ngang σ Ứng suất trong bê tông SW Tĩnh tải LL Hoạt tải SDL Tải hoàn thiện và các vách ngăn PT Load Tải cáp W W Tải trọng tiêu chuẩn W b Tải trọng cân bằng CÁC TỪ VIẾT TẮT ƯLT Ứng lực trước BT ƯLT Bê tông ứng lực trước BTCT Bê tông cốt thép 1 MỞ ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá, ngành Xây dựng cơ bản đóng một vai trò hết sức quan trọng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mọi lĩnh vực khoa học và công nghệ, ngành Xây dựng cơ bản đã có những bước tiến đáng kể, nhất là trong nửa sau của thế kỷ XX. Minh hoạ rõ nét nhất cho sự phát triển này là sự xuất hiện ngày càng nhiều của các công trình xây dựng quy mô và hiện đại tại nhiều quốc gia trên thế giới. Trong sự phát triển đó, không thể không nhắc tới đóng góp hết sức quan trọng của các vật liệu dùng cho kết cấu xây dựng, trong đó có bê tông ứng lực trước ( ƯLT). Kể từ khi bê tông ƯLT được E. Freyssinet phát minh năm 1928, sự nghiên cứu và phát triển các vật liệu cường độ cao, các kỹ thuật tạo ƯLT, lý thuyết tính toán, biện pháp cấu tạo, công nghệ thi công các cấu kiện bê tông ƯLT đã đánh dấu những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực xây dựng cơ bản, nó cho phép kết cấu bê tông cạnh tranh thắng lợi trong những lĩnh vực mà trước đây kết cấu thép chiếm ưu thế như các công trình nhịp lớn, kết cấu chịu áp lực lớn, kết cấu công trình biển v.v. Cấu kiện xây dựng sử dụng bê tông ƯLT có nhiều ưu điểm như có khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) có cùng tiết diện, hạn chế được biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng được vật liệu có cường độ cao nên giảm được kích thước tiết diện, tiết kiệm được khối lượng vật liệu, làm giảm trọng lượng bản thân, giảm chi phí cho nền móng v.v. Ngày nay bê tông ƯLT đã trở thành một vật liệu đem lại các giải pháp kết cấu hợp lý, hiệu quả, kinh tế, đáp ứng được các yêu cầu kiến trúc và được sử dụng ngày càng rộng rãi. Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời các Tiêu chuẩn, quy phạm về bê tông ƯLT như Tiêu chuẩn FIP của Liên đoàn quốc tế về bê tông ƯLT; Tiêu chuẩn AASHTO cho cầu 2 đường, Tiêu chuẩn ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên hiệp châu Âu; Tiêu chuẩn Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHIIΠ của Liên Xô (cũ) v.v. Các Tiêu chuẩn, quy phạm kể trên không ngừng được cải tiến, hoàn thiện và luôn được sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần. Từ những năm 1995 trở lại đây, sàn bê tông ứng lực trước căng sau được ứng dụng ngày càng phổ biến trong xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam. Căn cứ các Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, việc lựa chọn phần trăm giá trị cân bằng trong tính toán sàn phẳng BT ƯLT để đạt hiệu quả kinh tế mà vẫn bảo đảm các điều kiện về độ võng và vết nứt cho phép của tiêu chuẩn là việc làm rất cần thiết đối với các kỹ sư thiết kế hiện nay. Xuất phát từ nhu cầu đó, mục đích của luận văn là Nghiên cứu lựa chọn tải trọng cân bằng hợp lý có xét đến hiệu quả kinh tế trong thiết kế sàn phẳng BT ƯLT, từ đó rút ra nhận xét, kết luận và kiến nghị áp dụng tính toán thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trước căng sau cho các công trình. Nội dung của luận văn gồm 3 chương: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về kết cấu bê tông ứng lực trước. Chương 2: Các phương pháp thiết kế, tính toán sàn phẳng bê tông ứng lực trước căng sau. Chương 3: Ví dụ tính toán. Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1. KHÁI NIỆM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Bê tông ứng lực trước là bê tông, trong đó thông qua lực nén trước để tạo ra và phân bố một lượng ứng suất bên trong phù hợp nhằm cân bằng với một lượng mong muốn ứng suất do tải trọng ngoài gây ra. Với các cấu kiện bê tông ƯLT, ứng suất thường được tạo ra bằng cách kéo thép cường độ cao. Bê tông chịu kéo rất kém, việc xuất hiện sớm của các vết nứt trong BTCT do biến dạng không tương thích giữa cốt thép và bê tông là điểm khởi đầu cho việc xuất hiện một loại vật liệu mới là “bê tông ứng suất trước”. Việc tạo ra một ứng suất nén cố định cho một vật liệu chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém như bê tông sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo vì ứng suất kéo xảy ra sau khi ứng suất nén đã bị vô hiệu. Sự khác nhau cơ bản giữa BTCT và bê tông ƯLT là ở chỗ trong khi bê tông cốt thép chỉ là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng cùng làm việc một cách bị động thì bê tông ƯLT là sự kết hợp một cách tích cực, có chủ ý giữa bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ cao. Trong cấu kiện bê tông ƯLT, người ta đặt vào một lực nén trước tạo bởi việc kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại và sẽ tạo nên lực nén trước, lực nén này gây nên ứng suất nén trước trong bê tông và sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra, do vậy làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông và làm hạn chế sự phát triển của vết nứt. Như vậy ứng lực trước chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Nói cách khác, trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng cốt thép đã bị căng trước, còn bê tông đã bị nén trước. 4 Trong cấu kiện BTCT thường, những khe nứt đầu tiên xuất hiện khi ứng suất trong cốt thép chịu kéo mới chỉ đạt từ 20 đến 30 MPa. Nếu dùng thép cường độ cao thì ứng suất trong cốt thép chịu kéo có thể đạt tới 1000 đến 1200 MPa hoặc lớn hơn, điều đó làm xuất hiện các khe nứt vượt quá giới hạn cho phép. Trong bê tông ứng lực trước do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước nên cần thiết và có thể dùng cốt thép cường độ cao. Mặt khác, để có thể giảm được kích thước tiết diện và từ đó giảm được trọng lượng bản thân cấu kiện, đồng thời tăng khả năng chịu ứng suất tập trung ở vùng neo thì cần phải sử dụng bê tông cường độ cao. Bê tông ƯLT đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cường độ cao. 1.2. NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Bê tông ƯLT 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 ƯLT có khả năng chịu uốn cao hơn dưới tác dụng của tải trọng làm việc so với cấu kiện BTCT có cùng kích thước chiều dày. 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 ƯLT cho phép cấu kiện có thể mảnh và nhẹ hơn so với cấu kiện BTCT. Do sự giảm tĩnh tải sẽ giảm bớt tải trọng trọng thiết kế và chi phí cho móng. - Sử dụng bê tông ƯLT có thể tiết kiệm được khoảng 15-30% khối lượng bê tông và 60-80% khối lượng cốt thép so với cấu kiện BTCT nhưng lại phải tăng chi phí cho bê tông cường độ cao, thép cường độ cao, neo và các thiết bị khác. Do vậy, đối với cấu kiện nhịp lớn thì sử dụng bê tông ƯLT nói chung kinh tế hơn so với cấu kiện BTCT và thép. - Cấu kiện bê tông ƯLT có khả năng chịu lực cắt cao hơn, do hiệu quả của ứng suất nén trước 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. 5 - Đặc điểm của bê tông ƯLT 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 ƯLT sử dụng rộng rãi cho các kết cấu đòi 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 ƯLT 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 ƯLT có khả năng chịu lửa và chịu ăn mòn tốt. - Do có tính linh hoạt và dễ thích nghi nên bê tông ƯLT có thể sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng nhà dân dụng, cầu vượt giao thông, cầu nhịp lớn, tháp TV, cọc, cừ 1.3. VẬT LIỆU CHO BÊ TÔNG ƯLT Bê tông ƯLT yêu cầu sử dụng vật liệu bê tông và thép có cường độ cao. 1.3.1. Bê tông cường độ cao Bê tông ƯLT yêu cầu bê tông có cường độ chịu nén cao vào độ tuổi sớm hợp lý với cường độ chịu kéo cao hơn so với bê tông thường, sự co ngót nhỏ, đặc tính từ biến nhỏ và giá trị môđun đàn hồi cao. Những đặc tính như là độ bền, tính không thấm nước và khả năng chịu mài mòn, đều chịu ảnh hưởng bởi cường độ của bê tông. a. Yêu cầu về cường độ Theo Tiêu chuẩn ACI, cường độ chịu nén với mẫu trụ ở 28 ngày tuổi cho bê tông ƯLT yêu cầu từ 28-55 MPa. Kinh nghiệm cho thấy rằng, sử dụng bê tông có cường độ từ 28-34 MPa nói chung là kinh tế nhất. Với cường độ bê tông từ 28-41 MPa có thể đạt được dễ dàng không có yêu cầu cao về công nghệ. Cường độ bê tông từ 41 MPa trở lên, cần có yêu cầu cao về thiết kế và điều chỉnh hỗn hợp, thi công và bảo dưỡng bê tông nên không dễ thực hiện tại 6 hiện trường. Do đó với các cấu kiện bê tông đúc sẵn tại nhà máy với yêu cầu chất lượng cao, người ta có thể sử dụng bê tông cường độ từ 41-55 MPa. Trong khi đó ở châu Âu, cường độ Tiêu chuẩn cho bê tông ƯLT cho mẫu lập phương ở 28 ngày tuổi là 450 kg/cm 2 , quy ra mẫu trụ là 35,5 MPa (với hệ số quy đổi là 1,25). Theo Tiêu chuẩn Ấn độ IS 1343-1980, cường độ chịu nén nhỏ nhất của mẫu lập phương ở 28 ngày tuổi cho cấu kiện căng trước là 40 N/mm 2 và cho cấu kiện căng sau là 30 N/mm 2 . b. Ứng suất cho phép trong bê tông Ứng suất kéo nén cho phép trong bê tông ở 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 Ấn độ, Anh, Mỹ và F.I.P đề xuất ứng suất cho phép lớn nhất cho theo bảng 1.1. Bảng 1.1. Đề xuất ứng suất cho phép theo một số tiêu chuẩn ACI : 318-1989 BS : 8110-1985 FIP : 1984 Giai đoạn truyền Ứng suất nén 0,60 f ci ’ 0,5 f ci cho uốn 0,4 f ci cho tải trọng dọc trục Ứng suất kéo (a) tại đầu mút của cấu kiện gối đơn giản: ' 5,0 ci f (b) Tại những vị trí khác: ' 25,0 ci f Kết cấu nhóm 1: 1 N/mm 2 Kết cấu nhóm 2 và 3: Căng trước: ' 5,0 ci f . 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1. KHÁI NIỆM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Bê tông ứng lực trước là bê tông, trong đó thông qua lực nén trước để tạo ra. về kết cấu bê tông ứng lực trước. Chương 2: Các phương pháp thiết kế, tính toán sàn phẳng bê tông ứng lực trước căng sau. Chương 3: Ví dụ tính toán. Kết