3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
1.2. ứng suất tr−ớc trong kết cấu công trình bằng thép hoặc BTCT
1.2.1. Nguyên lý ứng suất tr−ớc
ứng suất tr−ớc là việc chủ động tạo ra cho kết cấu các ứng suất ban đầu ng−ợc dấu với ứng suất do tải trọng gây ra nhằm làm tăng khả năng chịu lực và giảm biến dạng cuối cùng của kết cấu [5] [18] [31].
1.2.2. Các ph−ơng pháp tạo ứng suất tr−ớc
Ph−ơng pháp sử dụng dây (thanh) căng bằng thép c−ờng độ cao để gây ứng suất tr−ớc trong kết cấu, ph−ơng pháp này đ−ợc phân thành hai loại tùy theo thời điểm căng dây để tạo ứng suất tr−ớc là ph−ơng pháp căng tr−ớc và ph−ơng pháp căng sau. Ph−ơng pháp căng tr−ớc th−ờng đ−ợc sử dụng trong kết cấu công trình bằng thép. Đối với kết cấu bê tông cốt thép, tùy theo điều kiện thực tế, ng−ời ta có thể sử dụng ph−ơng pháp căng tr−ớc hoặc căng sau.
Ph−ơng pháp gây chuyển vị c−ỡng bức gối tựa nhằm điều chỉnh nội lực hợp lý trong kết cấu, trong các kết cấu siêu tĩnh nh− dầm, dàn, vòm. Ph−ơng pháp này th−ờng sử dụng trong các kết cấu công trình bằng thép.
Ph−ơng pháp gây ứng suất kéo tr−ớc các cấu kiện mảnh để tạo độ cứng cho chúng, th−ờng đ−ợc dùng rộng rãi trong kết cấu thép nhằm tăng độ cứng cho kết cấu, đặc biệt là các kết cấu treo.
Ph−ơng pháp tạo ứng suất tr−ớc bằng cách gây biến dạng đàn hồi các bộ phận của kết cấu [5] [18] [31].
1.2.3. Hiệu quả của việc sử dụng ph−ơng pháp ứng suất tr−ớc
Về kỹ thuật: Ph−ơng pháp ứng suất tr−ớc đ−ợc sử dụng với mục đích tăng khả năng chịu lực, giảm biến dạng khi sử dụng của kết cấu.
Về kinh tế: Khi sử dụng ứng suất tr−ớc sẽ làm giảm kích th−ớc các cấu kiện, từ đó có thể giảm đ−ợc chi phí vật liệu... Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu c−ờng độ cao có giá thành đơn vị cao hơn, biện pháp thi công phức tạp hơn. Nh−ng tổng thể lại, kết cấu ứng suất tr−ớc sẽ có hiệu quả kinh tế hơn đặc biệt cho kết cấu nhịp lớn, các cấu kiện điển hình đ−ợc thi công hàng loạt và cấu kiện đúc sẵn hoặc kết cấu liên hợp [14].
Về phạm vi áp dụng: Ph−ơng pháp ứng suất tr−ớc thích hợp với các kết cấu nhà cao tầng, kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng lớn, các kết cấu có yêu cầu về độ mảnh hoặc có kiến trúc đặc biệt.
1.3. Ph−ơng pháp ứng suất tr−ớc trong kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.3.1. Một số nghiên cứu ở n−ớc ngoài và trong n−ớc 1.3.1. Một số nghiên cứu ở n−ớc ngoài và trong n−ớc
1.3.1.1. Nghiên cứu thực nghiệm
Hiện nay, việc sử dụng ph−ơng pháp ứng suất tr−ớc trong kết cấu LHT- BT còn là những nghiên cứu ban đầu riêng rẽ, ch−a thấy công bố các nghiên cứu cụ thể về lý thuyết, ch−a có các tài liệu chính thức, và hầu hết là các nghiên cứu thực nghiệm, mặc dù kết cấu liên hợp thép bê tông có những điều kiện cần và đủ để có thể sử dụng ph−ơng pháp ứng suất tr−ớc nh− kết cấu thép hoặc kết cấu bê tông cốt thép thông th−ờng. D−ới đây là một số nghiên cứu thực nghiệm đ−ợc công bố:
• Nghiên cứu thực nghiệm của M.Safan, tr−ờng Đại học kỹ thuật Czech tại Prague [41], đã so sánh về khả năng chịu lực, độ võng giữa hai dầm LHT-BT và dầm LHT-BT ƯST có kích th−ớc nh− nhau (dầm liên tục 2 nhịp, 7m/nhịp, phần dầm thép I.B.No30, bản bê tông kích th−ớc 600x6mm, dùng 2 thanh căng đ−ờng kính 15,5mm). Kết quả cho thấy với cùng một tiết diện, sơ đồ kết cấu và cùng loại tải trọng tác động thì khả năng chịu lực nh− sau:
Bảng 1.1. So sánh kết quả thí nghiệm giữa dầm LHT-BT và dầm LHT- BT ƯST trong thí nghiệm của M. Safan
Nội dung so sánh Dầm LHT-BT Dầm LHT-BT ƯST
Tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên (ΣP) 25 kN 115 kN Tổng số vết nứt khi kết thúc thí nghiệm 31 vết nứt/ tổng chiều dài vết nứt là 233 cm 20 vết nứt/ tổng chiều dài vết nứt là 126 cm Tải trọng cực đại (ΣP) 230 kN 300 kN Độ võng so sánh 1 0,56
Hình 1.9. Sơ đồ thí nghiệm của M.Safan
Hình 1.10. Mặt cắt tiết diện
• Một số nghiên cứu của Shimming Chen (Đại học Tổng hợp Tongji) nh− khảo sát thí nghiệm so sánh dầm LH T-BT ƯST với dầm LH T-BT (01 dầm liên tục 2 nhịp; 01 dầm liên tục 1 nhịp có 2 đầu công-xôn) [34]; Nghiên cứu thực nghiệm trên 2 dầm đơn giản LH T-BT ƯST, nhịp 5,0 m [35]; hoặc xác định bề rộng hiệu quả của dầm LH T-BT ƯST có dây căng ngoài [33] cho các kết luận nh− sau:
- Sử dụng ứng suất tr−ớc vào dầm LHT-BT sẽ làm tăng khả năng chịu lực, giảm độ võng [35];
- Bề rộng hiệu quả của bản sàn tăng lên so với khi không ứng suất tr−ớc [33];
- Sự co ngót của bê tông có ảnh h−ởng đến bề rộng hiệu quả của dầm LHT-BT ứng suất tr−ớc, tuy nhiên ảnh h−ởng này đ−ợc bỏ qua khi xác định bề rộng hiệu quả [33].
- Sự tr−ợt bề mặt giữa bê tông và thép trong dầm LHT-BT ứng suất tr−ớc giảm so với dầm LHT-BT [34];
Hình 1.13. Quan hệ mô men và độ võng trong thí nghiệm Shiming Chen [34] Ghi chú: dầm BS1 trong thí nghiệm 1 là dầm LHT-BT ; dầm BS1 trong thí nghiệm 2 và dầm BS2 là dầm LHT-BT ứng suất tr−ớc;
• Với nghiên cứu thực nghiệm trên 6 dầm LH T-BT đơn giản nhịp 5,5m (bao gồm 01 dầm không ƯST; 02 dầm ƯST sử dụng dây căng thẳng; 03 dầm ƯST sử dụng dây căng gấp khúc), Wojciech Lorenc (Tr−ờng Đại học công nghệ Wroclaw - Ba Lan) đã đ−a ra một số kết luận cơ bản sau:
- Dây căng ngoài ứng suất tr−ớc làm tăng khả năng chịu tải và tải trọng cực hạn của dầm LHT-BT lên 25% tại các tiết diện chịu mô men d−ơng so với dầm LHT-BT không ứng suất tr−ớc.
- Trong dầm đơn giản, với một độ lệch tâm nh− nhau của dây căng thì d−ờng nh− không có sự khác nhau về sự làm việc giữa dầm sử dụng dây căng gấp khúc với dầm sử dụng dây căng thẳng không có neo trung gian; [41].
1.3.1.2. Nghiên cứu lý thuyết
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, các nghiên cứu về dầm LHT-BT ƯST ch−a thấy các công bố cụ thể. Trong tiêu chuẩn EC4 cũng ch−a đề cập đến vấn đề này.
Trong lĩnh vực cầu, các tác giả Lê Đình Tâm [19], Nguyễn Nh− Khải, Nguyễn Bình Hà [14] đã đề cập đến những −u điểm và khả năng ứng dụng của loại kết cấu này.
1.3.2. Các khả năng sử dụng ph−ơng pháp ứng suất tr−ớc trong kết cấu liên hợp thép -bê tông tại Việt Nam liên hợp thép -bê tông tại Việt Nam
Trong xây dựng dân dụng tại Việt Nam, kết cấu LHT-BT đã đ−ợc sử dụng, nh−ng mới chỉ tập trung tại Tp Hồ Chí Minh và Tp Hà Nội.
Cũng nh− kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép thông th−ờng, kết cấu LHT-BT có đầy đủ các điều kiện để sử dụng ph−ơng pháp ƯST nhằm điều chỉnh hợp lý nội lực trong kết cấu. Các ph−ơng pháp tạo ƯST hoàn toàn có thể sử dụng nh− kết cấu thép ƯST hoặc kết cấu BTCT ƯST. Do vậy khả năng áp dụng ph−ơng pháp ƯST trong kết cấu LHT-BT là hoàn toàn khả thi về kỹ thuật và chắc chắn đem lại hiệu quả kinh tế cho công trình.
Các nghiên cứu thực nghiệm về dầm LHT-BT ƯST cũng đã cho thấy tính hiệu quả của việc sử dụng ƯST trong kết cấu dầm LHT-BT. Vì vậy nghiên cứu sâu hơn về lý thuyết tính toán và thực nghiệm để có thể thiết kế và xây dựng chúng là điều rất cần thiết, nhất là đối với Việt Nam khi tốc độ xây dựng ngày càng lớn mạnh.
1.3.3. Nội dung nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận án
Vận dụng lý thuyết tính toán dầm LHT-BT theo tiêu chuẩn EC4, vào kiểm tra dầm LHT-BT ƯST theo hai trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn phá hoại.
Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã thiết lập công thức xác định mô men uốn dẻo giới hạn của dầm LHT-BT ƯST [M]dth để sử dụng thuận
tiện trong việc kiểm tra khả năng chịu lực của dầm LHT-BT ƯST theo trạng thái giới hạn phá hoại.
Đồng thời vận dụng các lý thuyết cơ học kết cấu vào kết cấu dầm LHT- BT ƯST để thành lập các công thức kiểm tra dầm LHT-BT ƯST theo trạng thái giới hạn sử dụng.
Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên hai dầm LHT-BT ƯST và dầm LHT-BT với kích th−ớc lớn để kiểm chứng lý thuyết và so sánh hiệu quả của hai loại dầm.
1.4. Vật liệu sử dụng trong dầm liên hợp thép -bê tông ứng suất tr−ớc 1.4.1. Bê tông 1.4.1. Bê tông
1.4.1.1. Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4
Trong kết cấu LHT-BT dùng bê tông thông th−ờng nh− trong kết cấu bê tông cốt thép. Có thể dùng bê tông nặng (bê tông thông th−ờng) với khối l−ợng riêng 1800<ρ≤2500 kg/ m3, hoặc bê tông nhẹ 1600 <ρ≤ 1800 kg/ m3.
Đối với bê tông thông th−ờng theo qui định của Tiêu chuẩn Eurocode 4 về kết cấu liên hợp thì dùng mác bê tông từ C20/25 đến C50/60. Các đặc tr−ng cơ học chính của chúng đ−ợc nêu trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các đặc tr−ng cơ học của bê tông theo Eurocode 4
Lớp độ bền C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 fck (N/mm2) 20 25 30 35 40 45 50 fctm (N/mm2) 2,2 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1 fcm (N/mm2) 28 33 38 43 48 53 58 Ecmx103(N/mm2) 29 30,5 32 33,5 35 36 37 Trong đó:
fck - c−ờng độ chịu nén đặc tr−ng của bê tông mẫu hình trụ ở 28 ngày;
fctm - c−ờng độ chịu kéo trung bình ở 28 ngày;
fcm - c−ờng độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu trụ;
ngắn hạn. [4][38] [51]
1.4.1.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, có thể dùng các loại bê tông cho kết cấu LHT-BT:
Bê tông nặng có khối l−ợng thể tích trung bình từ 2200-2500 kG/m3. Bê tông hạt nhỏ có khối l−ợng thể tích trung bình > 1800 kG/m3. Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng. [25]
1.4.1.3. So sánh các đặc tr−ng cơ học của bê tông giữa hai tiêu chuẩn Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005 Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005
Cách thành lập c−ờng độ tiêu chuẩn và c−ờng độ tính toán cho bê tông trong hai tiêu chuẩn EC2; EC4 và TCXDVN 356:2005 có những điểm khác nhau. Nên dựa vào các thông số này để so sánh cấp độ bền (Mác) bê tông giữa hai tiêu chuẩn là khó khăn. Tuy nhiên cả hai tiêu chuẩn đều dựa vào c−ờng độ trung bình của mẫu thí nghiệm để thiết lập các thông số về c−ờng độ dùng cho thiết kế. Các giá trị thí nghiệm của các mẫu đều tồn tại khách quan, không phụ thuộc và các hệ số của ph−ơng pháp tính (an toàn vật liệu, điều kiện làm việc...) theo từng tiêu chuẩn. Vì vậy để so sánh cấp độ bền của các mác bê tông ta dùng trực tiếp giá trị trung bình của các mẫu chịu nén. Để thống nhất với tiêu chuẩn Việt Nam, ta chuyển đổi tất cả các giá trị trung bình của mẫu nén hình trụ của EC4 thành mẫu lăng trụ. Kết quả chuyển đổi tại bảng 1.3.
Bảng 1.3. Giá trị fcm của bê tông ở tuổi 28 ngày theo Eurocode 4
Lớp độ bền C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 Mẫu hình trụ 28 33 38 43 48 53 58 fcm N/mm 2 Mẫu lập ph−ơng 35 39,6 46,7 55 60 64,7 69,6
Đối chiếu các số liệu trên (bảng 1.3) với các giá trị c−ờng độ trung bình của các mẫu thử trong TCXDVN 356:2005, một cách gần đúng chấp nhận
đ−ợc (sai số ≤ 1%) ta có thể so sánh t−ơng đ−ơng nh− sau:
Bảng 1.4. Lớp độ bền bê tông giữa Eurocode với TCXDVN 356:2005
Lớp độ bền theo EuroCode 4 Cấp độ theo TCXDVN 356:2005
C20/25 B25 (mác 350)
C25/30 B30 (mác 400)
C30/37 B35 (mác 450)
C35/45 B45 (mác 600)
Nh− vậy cần l−u ý rằng theo qui định của EC4 thì để chế tạo kết cấu liên hợp thép- bê tông chỉ đ−ợc dùng bê tông có mác 350 trở lên theo TVXDVN.
Về các chỉ tiêu cơ lý khác nh− mô đun đàn hồi, hệ số dãn nở nhiệt, hệ số Poát-xông nh− nhau cho cả hai tiêu chuẩn. [4] [25] [38]
1.4.2. Cốt thép thanh
1.4.2.1. Quy định của Eurocode 4
Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10080 3 đã đ−a ra ba mác thép dùng cho kết cấu liên hợp: S220; S400 và S500, các con số ở ký hiệu chỉ giới hạn đàn hồi của từng loại fsk (N/ mm2). Mác S220 là thép tròn trơn cán nóng, các mác S400 và S500 là thép thanh tròn và có gai (kể cả l−ới thép hàn) cho tính ma sát lớn. Trong phạm vi luận án chỉ tính toán dẻo ở mức cho phép chủ yếu đối với các mác thép S400, S500 loại có tính dẻo dai lớn: theo qui định của Eurocode 2 nếu fs(u) là c−ờng độ kéo đứt của thép và εsk(u)
là biến dạng t−ơng đối khi bị đứt thì yêu cầu về tính dẻo dai nh− sau:
08 , 1 f f và 5% sk ) u ( s (u) sk > > ε (1.1)
Trong đó: fsk - giới hạn đàn hồi đặc tr−ng khi kéo của thép thanh
fu- giá trị c−ờng độ kéo đứt của thép thanh.
đơn giản tính toán, trong kết cấu liên hợp cho phép lấy giá trị của Es là giá trị của Ea = 210 kN/ mm2 của thép kết cấu [38] [51].
1.4.2.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005
TCXDVN qui định dùng thép thanh cho kết cấu bê tông cốt thép, giá trị c−ờng độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn và c−ờng độ chịu kéo tính toán khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai Rs,ser, nêu tại bảng 1.5.
Bảng 1.5. Thép thanh dùng cho kết cấu BTCT theo TCXDVN 356:2005 Nhóm cốt thép thanh Giá trị Rsn và Rs,ser (MPa)
C I (A-I) C II (A-II) C III (A-III) C IV (A-IV) A-V A-VI A-VII 235 295 390 590 788 980 1175
Có thể thấy rằng các đặc tr−ng cơ học nh− giới hạn chảy, mô đun đàn hồi, tính dẻo... về cơ bản giống nh− thép của Eurocode. Khi thiết kế có thể có quy định sử dụng các loại thép này và lấy giá trị giới hạn đàn hồi làm cơ sở để tính toán theo các công thức của EC 4 [38] [51].
1.4.3. Thép kết cấu
1.4.3.1. Quy định theo Eurocode 4
Trong tiêu chuẩn EC4 trình bầy cách tính toán các kết cấu liên hợp đ−ợc sản xuất từ thép mác thông th−ờng S235, S275 và S355, xác định trong tiêu chuẩn EN 10025 và EN 10113 . Để có các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi fy và c−ờng độ kéo đứt fu của các cấu kiện bằng thép cán nóng phụ thuộc vào chiều dầy, đã thành lập các bảng tra. [4]
1.4.3.2. Quy định theo TCVN 5709 - 1993
Theo TCVN 5709 – 1993 - Thép cán nóng dùng cho xây dựng, các chỉ tiêu cơ học của các loại thép cácbon cán nóng có thể sử dụng trong kết cấu xây dựng nêu ở bảng 1.6.
Bảng 1.6. Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng theo TCVN 5709 Giới hạn chảy,N/mm2
cho độ dầy, mm
Độ dãn dài % cho độ dầy, mm Mác thép Độ bền kéo N/mm2 ≤ 20 >20 đến 40 > 40 đến 100 ≤ 20 >20 đến 40 > 40 đến 100 XCT34 XCT38 XCT42 XCT52 340-440 380-500 420-520 520-620 220 240 260 360 210 230 250 350 200 220 240 350 32 26 23 22 31 25 23 22 29 23 22 21 Đối chiếu các loại thép trong hai tiêu chuẩn và theo qui định của Eurocode 4 nên dùng thép Việt Nam có các mác từ XCT38 trở lên [4].
1.4.4. Tôn định hình của sàn liên hợp
Chỉ nêu ra ở đây các tôn định hình phù hợp với Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10147, với các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi của vật liệu thép cơ bản fyp từ 220 đến 350 N/ mm2. Nói chung chiều dầy của các tấm tôn này từ 0,7