M c đắch : Trình bày nh ng thành ph n c b n c a D L ngoài đ qua đó phân tích nh ng ði m khác bi t c b n v nguyên lý làm vi c và c u t o gi a D L ngoài ti t di n và D L trong ti t di n.
2.1) CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA DƯL NGOÀI
Nguyên tắc cơ bản của DƯL ngoài là tạo một lực nén trước trong cáp DƯL tại vùng bê tông chịu ứng suất kéo để DƯL tham gia làm việc cùng kết cấu khi có hoạt tải tác dụng. Do vậy, đối với kết cấu bê tông DƯL ngoài thường phải có các thành phần sau đây :
2.1.1) Cáp DƯL
Thành phần tạo DƯL cho kết cấu, thường dùng cáp cường độ cao do nó có những ưu điểm sau :
- Cường độ căng kéo cao dẫn đến số lượng cáp đặt ngoài tiết diện ít, chi tiết các bộ phận cấu tạo nhỏ, hiệu quả kinh tế cao.
- Trong quá trình căng kéo sẽ làm xuất hiện các mất mát ứng suất, ứng suất còn lại tác dụng vào cấu kiện giảm, nếu sử dụng thép thường sẽ không hiệu quả.
Trong công nghệ DƯL ngoài, cáp DƯL gồm các dạng sau : 2.1.1.1) Cáp gồm các tao thép bọc trong ống ghen có chứa mỡ chống gỉ
Cáp này thường được ký hiệu là cáp TGG (bọc mỡ mềm) và cáp TGC (bọc mỡ cứng), trong đó cáp bọc mỡ cứng có ưu điểm hơn vì ít bị rò rĩ khi nhiệt độ lên cao. Cả hai loại cáp này có có ưu điểm sau :
- Do là các tao thép riêng lẽ nên có thể căng kéo từng tao một bằng kích gọn, nhẹ
- Cáp được bao bọc xung quanh bằng mỡ nên nó có độ chống gỉ cao, độ linh động của cáp trong ống cao nên khi căng kéo hệ số ma sát giữa cáp và thành ống nhỏ.
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
2.1.1.2) Cốt thép DƯL ngoài tráng kẽm
Là loại thép DƯL được mạ kẽm bên ngoài. Việc mạ kẽm sẽ làm giảm tính năng cơ học của thép và dễ bị gỉ dưới tác động của môi trường xâm thực. Vì vậy, loại thép này đã bị Ủy ban liên bộ về DƯL của Pháp cấm sử dụng sau sự cố một vài công trình sử dụng loại cáp này.
2.1.1.3) Cốt thép DƯL ngoài bằng thép không gỉ A
A
Mặt cắt A-A (dọc thanh Maccaloy )
Hình II-1
Là các thanh thép cường độ cao (thanh Maccaloy), sử dụng cho việc liên kết ụ neo vào kết cấu khi tạo DƯL ngoài theo phương ngang hoặc phương thẳng đứng. Đây là loại thép hợp kim (crôm, nikel, đồng...) và các thành phần phi kim khác (cacbon, silic...) với tỷ lệ phối hợp khác nhau. Do đó, nó có sự khác nhau về tính chống gỉ và tính năng cơ lý. Tuy nhiên, thép này có thể bị gỉ cục bộ tại
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
bề mặt tiếp xúc với bề mặt cấu kiện cũ nên khi dùng cần phải lưu ý các vấn đề sau :
- Do không được bọc trong ống bảo vệ nên tránh cho thép tiếp xúc với các loại clo-rua trong môi trường không khí vì đây là chất dễ gây ăn mòn cốt thép.
- Thép được liên kết vào các bộ phận truyền lực chính để truyền DƯL vào kết cấu. Vì vậy, lực căng trong thép nên nhỏ hơn 0.7 cường độ giới hạn kéo đứt và khi dùng phải thí nghiệm lực kéo giới hạn, lực kéo căng để đo độ tự chùng của thép và trị số môđuyn đàn hồi nhằm làm cơ sở cho việc xác định lực căng kéo và đo đạc.
Như vậy, trong ba loại thép trên, loại tao thép bọc trong ống ghen có chứa mở chống gỉ là có nhiều ưu điểm nên thường được sử dụng. Ngoài ra, đối với giải pháp DƯL ngoài theo phương ngang cầu, để tiết kiệm kinh phí có thể sử dụng vữa bơm thay mỡ để lấp vào lồng ống bảo vệ.
Khi cáp DƯL đặt ngoài bị chùng, hoặc hư hỏng, ta có thể căng kéo lại hoặc thay thế từng tao cáp một mà không làm ảnh hưởng đến điều kiện khai thác của công trình.
Trong công nghệ DƯL ngoài nên dùng các tao thép có độ tự chùng thấp, đó là tao gồm 7 sợi thép có đường kính 0.5” và 0.6” (inches).
Bảng 1 : Các tính năng kỹ thuật của cáp theo 2 tiêu chuẩn Euronorm và ASTM Bảng 1
0.5” 0.6”
Loại cáp
Euronorm 138-79
Super
ASTM A416-85 Grade 270
Euronorm 138-79
Super
ASTM A416-85 Grade 270 - Đường kính (mm)
- Dieọn tớch (mm2) - Trọng lượng (kg/m)
- Cường độ kéo chảy (N/mm2) - Cường độ giới hạn (N/mm2) - Lực kéo đứt nhỏ nhất (KN)
12.90 100 0.785 1.580 1.860 186.0
12.70 98.71 0.775 1.670 1.860 183.7
15.70 150 1.18 1.500 1.770 265.0
15.20 140 1.10 1.670 1.860 260.7 Đặc tính
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
Hình II-2 : Các dạng tao thép gồm 7 sợi thép của hãng OVM thường dùng
Hình II-2
Các tao cáp này thường được bao bọc bởi ống thép hoặc ống nhựa để bảo vệ chống gỉ. Vữa vi măng được bơm đầy trong các ống do đó các tao thép DƯL sẽ được gắn chặt hoàn toàn trong ống, đôi khi có thể bơm các chống chống ăn mòn như sáp hoặc mỡ thay thế. Nhằm cải thiện tốt hơn việc bảo vệ chống ăn mòn cho cáp, người ta sử dụng các các bó cáp đặt trong ống nhựa đã được bơm đầy mỡ thay vì sử dụng các tao thép riêng lẽ.
Bảng 2 : Các tính năng kỹ thuật của thanh Maccaloy.
Bảng 2
Đường kính (mm) φ26 φ32 φ36 φ40 φ50
Lực có hiệu (KN) 383 581 734 910 1415
Ứng suất tương ứng (N/mm2) 721 722 721 724 721
Lực khai thác (KN) 328 498 629 780 1213
Ứng suất khai thác (N/mm2) 618 619 618 620 618
Lực kéo đứt chuẩn (KN) 547 830 1048 1300 2022
Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn (N/mm2) 1030 1030 1030 1030 1030
2.1.2) Uù Neo cỏp
Để truyền lực DƯL vào kết cấu cũ cần phải có những điểm để neo cáp DƯL. Đó chính là ụ neo, bộ phận được liên kết chặt vào thành cấu kiện cũ theo dạng ngàm cứng để truyền DƯL vào kết cấu. Ụ neo có thể làm bằng thép hoặc bê tông, bên trong chứa bộ neo cáp DƯL. Việc chọn lựa bộ neo thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : bộ neo có thể điều chỉnh, có thể thay thế, khả năng
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
chịu lực, khả năng chịu nén cục bộ, quá trình lắp đặt, hướng đi của cáp DƯL, điều kiện môi trường.
Hình II-3 : Mặt cắt ngang bố trí ụ neo cáp tại các dầm chủ
2.1.3) Oáng dẫn và phụ kiện
Cáp DƯL ngoài do không được bao bọc và liên kết với bê tông cấu kiện cũ nên thường được bao bọc trong ống dẫn bảo vệ chống gỉ. Đây là loại ống bảo vệ được dùng riêng cho cáp DƯL ngoài và thường có hai loại sau :
- Ống dẫn bằng thép : là loại ống cứng, có bề dày lớn hơn 2mm và được tráng kẽm 2 mặt, thích hợp cho việc luồn cáp DƯL ngoài, dễ lắp đặt.
Nhược điểm của ống này là giá thành cao, hệ số ma sát giữa cáp và thành ống lớn.
- Ống dẫn bằng nhựa: là loại ống dẫn được làm bằng chất polyethylene tỷ trọng cao (PEHD) có thấm cacbon, chất này có tác dụng như là một chất ổn định tia cực tím nên không sợ bị lão hóa nhanh. Chiều dày và khả năng bảo vệ của ống được chọn tùy theo loại cốt thép DƯL. Hệ số ma sát giữa cáp và thành ống nhỏ.
Mỡ chống gỉ bơm để bảo vệ cáp DƯL ngoài, thường có 2 dạng :
- Mỡ mềm : là loại mỡ khó bơm, dễ toát dầu khi thời tiết nóng bức, hệ số dãn nở của mỡ gấp 10 lần thép nên các ống dẫn bằng thép cần phải dự trù các buồng nở để chứa lượng mỡ dư thừa.
- Mỡ cứng : là loại mỡ dễ bơm hơn mỡ mềm và không toát dầu.
Cả hai loại mỡ này thường được dùng trong trường hợp cần thay đổi lực căng hoặc dỡ bỏ cáp DƯL ngoài.
2.1.4) Ụ chuyển hướng
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
Để phát huy hiệu quả truyền lực, cáp DƯL ngoài thường được bố trí đi sát biểu đồ moment uốn của cấu kiện. Khi đó, cần bố trí các bộ phận cấu tạo tại vị trí cáp chuyển hướng. Đó chính là các ụ chuyển hướng, bộ phận liên kết với cấu kiện được gia cường tại những điểm định vị trước, thường là các vị trí có độ cứng lớn như dầm ngang. Hiệu quả truyền lực DƯL thông qua sự chuyển hướng bó cáp tại vị trí ụ chuyển hướng
2.1.5) Hỗn hợp mỡ lấp lòng ống
Là hỗn hợp cốt liệu mịn có độ đặc chắc, tránh bọt khí được bơm đầy vào lồng ống để tạo nên lớp bảo vệ, chống ăn mòn cáp DƯL. Vì vậy, cần chọn lựa thành phần và tỉ lệ pha trộn hỗn hợp này theo đúng quy tắc và chỉ dẫn sử dụng để chống lại các tác nhân ăn mòn.
Tóm lại, DƯL ngoài bao gồm những thành phần chủ yếu sau đây : - Thép cường độ cao nhằm tạo DƯL cho kết cấu.
- Các chi tiết bảo vệ thép cường độ cao.
- Các chi tiết neo, giữ cáp DƯL : ụ neo, ụ chuyển hướng.
- Hỗn hợp mỡ bảo vệ cáp tránh hiện tượng gỉ.
2.2) NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BTDƯL NGOÀI TIẾT DIỆN 2.2.1) Nguyên lý tính toán
Việc xác định các thành phần lực tác dụng vào kết cấu được tính tương tự như DƯL trong tiết diện. Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo của DƯL ngoài, khi xác định giá trị của các thành phần lực cần lưu ý những đặc điểm sau :
- Lực căng trong cáp DƯL đặt ngoài tiết diện bê tông được coi là ngoại lực tác dụng vào kết cấu thông qua các chi tiết truyền lực là các ụ neo và ụ chuyển hướng.
- Trong khoảng cách giữa 2 điểm liên kết cứng, tiết diện bê tông kết cấu cũ và cáp DƯL ngoài không cùng biến dạng do mỡ bơm trong ống bọc chỉ có tác dụng bảo vệ thép, không có tác dụng tạo dính bám. Vì vậy, cáp DƯL ngoài không tham gia chịu lực cùng bê tông nên khi xác định tiết diện của bê tông làm việc trong giai đoạn đàn hồi, không tính đổi tiết diện thép của cáp DƯL ra bê tông. Theo định luật Hook, biến dạng của bê tông và thép DƯL ở một điểm tiếp xúc :
t t t b b
b E E
ε σ
ε =σ ; = (1)
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
Eb, Et : Moduyn đàn hồi của bê tông và thép Do không có dính bám nên εb ≠εt
Do đặc điểm làm việc của cấu kiện BTDƯL ngoài là kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi và kiểm tra ứng suất tại các tiết diện nên việc xác định ứng suất, nội lực cần phù hợp với các nguyên lý tính toán của sức bền vật liệu – keát caáu.
2.2.2) Kiểm toán ứng suất kéo trong tiết diện cũ theo sự phát sinh vết nứt
Cáp DƯL ngoài không nằm trong bê tông nên các vết nứt trong bê tông tại các tiết diện không gây gỉ cốt thép DƯL. Vì vậy, tiêu chuẩn phát sinh và mở rộng vết nứt trong bê tông ở kết cấu DƯL ngoài không nghiêm ngặt như ở kết cấu DƯL trong tiết diện (không nhất thiết yêu cầu vùng chịu kéo phải có ứng suất nén dự trữ, mà có thể cho phép có ứng suất kéo, thậm chí cho nứt khi có hoạt tải, vết nứt này sẽ khép lại khi hoạt tải đi qua). Theo quy trình BPEL-91, ứng suất kéo tại các tiết diện kiểm tra phụ thuộc vào hoàn cảnh thi công, đối với các tiết diện thông thường, kiểm toán này được chia ra làm 3 cấp hạng sau :
2.2.2.1) Cấp hạng I
Trong khai thác : σk ≤ 0 Trong thi coâng : σk ≤ 0.7fij 2.2.2.2) Cấp hạng II
Trong khai thác : σk ≤ 0 ở tiết diện bao Trong thi công : σk ≤ 0.7fij ở tiết diện bao
σk ≤ 1.5fij ở các tiết diện khác Vớiù :
σk : Ưùng suất kéo tiêu chuẩn (không kể hệ số vượt tải, xung kích) của bê tông tại vị trí bất lợi trong tiết diện cần kiểm tra và được xác định theo nguyên lý tính toán của sức bền vật liệu đối với cấu kiện chịu nén uốn.
fij : cường độ tiêu chuẩn chịu kéo của bê tông ở j ngày tuổi
Tiết diện bao là diện tích bê tông giới hạn bởi mép cốt thép và hai đường song song với trục uốn. Hai đường song song nằm cách đường kính ngoài của ống dẫn cốt thộp một khoảng h >= ắ d (đường lớnh ống dẫn) hoặc h = 4cm.
2.2.2.3) Cấp hạng III
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
Cho phép xuất hiện vết nứt trong bê tông nhưng bề rộng vết nứt phải nhỏ hơn độ mở rộng vết nứt quy định của kết cấu.
Việc lựa chọn cấp hạng kiểm toán đối với 1 công trình thường căn cứ vào các yếu tố kỹ thuật và kinh tế sau :
- Môi trường xây dựng công trình.
- Dạng công trình, cách thức xây dựng, cách thức khai thác các bộ phận coâng trình.
- Loại tải trọng, thời gian tác dụng của tải trọng lên công trình.
- Kinh nghiệm tích lũy có được từ các công trình thực hiện từ trước.
Cấp hạng I thường được sử dụng để kiểm toán các cấu kiện đặc biệt như các thanh căng, thành vách của các bể chứa hình tròn và các cấu kiện chịu hoạt tải thường xuyên. Cấp hạng II áp dụng dụng cho công trình nằm trong môi trường ăn mòn (công trình cầu). Cấp hạng III thường được áp dụng cho các công trình ít bị ảnh hưởng của môi trường bên ngoài (công trình nhà).
2.2.3) Nguy cơ mất ổn định hình dạng trong kết cấu DƯL ngoài
Đối với kết cấu DƯL đặt trong tiết diện, do có dính bám giữa bê tông và cáp DƯL, trục trọng tâm của dầm và cáp ở mọi điểm có cùng chuyển vị nên ở mọi điểm trên cấu kiện không phát sinh độ lệch tâm và moment trong kết cấu.
Trái lại, ở kết cấu DƯL đặt ngoài tiết diện, hiện tượng này luôn xảy ra làm cho kết cấu có khả năng bị mất ổn định hình dạng. Vì vậy, cần tính toán chặt chẽ và có cấu tạo hợp lý để kết cấu không bị mất ổn định. Có hai biện pháp hạn chế mức độ mất ổn định trong kết cấu DƯL ngoài tiết diện :
- Khi chiều dài tự do của cáp quá lớn, bố trí thêm những điểm liên kết cáp DƯL vào kết cấu.
- Bố trí cáp DƯL đối xứng ở hai bên kết cấu. Các ụ neo, ụ chuyển hướng cần được đặt đối xứng để triệt tiêu hoặc hạn chế trạng thái nén leọch taõm.
2.2.4) Tính toán dao động cho cáp
Cáp DƯL ngoài và bê tông chỉ liên kết với nhau tại các ụ neo, ụ chuyển hướng, tại đây bê tông và cáp có cùng dao động. Trong khoảng cách giữa 2 liên kết, cáp và cấu kiện cũ không cùng dao động. Vì vậy, nếu khoảng cách giữa 2 liên kết quá dài, cáp sẽ có những dao động có thể xảy ra tình trạng cộng hưởng dẫn đến đứt cáp trong quá trình khai thác. Khi đó, cần phải tính toán chu kỳ dao
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
động cho các bó cáp DƯL để so sánh với dao động của cấu kiện cũ, xem chúng có cách nhau đủ xa để không sinh ra hiện tượng công hưởng.
Để xét ảnh hưởng dao động của cáp và dầm, ta xét 1 dầm trên đó có bố trí cáp DƯL ngoài. Chu kỳ dao động trong cáp được xác định theo công thức sau :
σ ρ 2 *
l g
Tc = c (2) Với :
lc : Chiều dài cáp giữa 2 điểm cố định (m) g : Gia tốc trọng trường (m/s2)
ρ : Trọng lượng riêng của cáp (kg/m3) σ : Ưùng suất kéo trong cáp (kg/m2)
Trong công thức (2), chu kỳ dao động của cáp phụ thuộc chủ yếu vào lc. Khi lc taêng " Tc taêng
Chu kỳ dao động trong dầm do tải trọng phân bố tác dụng được xác định :
EJ g Td Pld
* 5 π 4
= (3)
Với :
π : Thông số biến thiên dao động hình sin ld : Chiều dài dầm (m)
P : Trọng lượng dầm (trên 1m dài)
EJ : Độ cứng chống uốn của dầm (kg.m2)
Chu kỳ dao động điều hòa (Harmonique) của cáp xác định theo công thức : n
Tci =Tc ; (4) n : số bước sóng
Khi Tc = Td : xảy ra hiện tượng công hưởng. Vì vậy, chu kỳ chính và các chu kỳ dao động điều hòa (Harmonique) của cáp phải có sự khác biệt khá xa so với chu kỳ chính của dầm. Nếu không đủ độ xa phải giảm lc sao cho Tc và Tci khác biệt với Td. Theo BPEL 91, chiều dài lc nên nhỏ hơn 10m.
2.2.5) Xác định mất mát ứng suất :
Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2
Do đặc điểm công trình sửa chữa là những công trình đã xây dựng lâu năm nên khi xác định mất mát ứng suất trong cáp DƯL ngoài có những khác biệt trong cách xác định sau :
2.2.5.1) M t mát ứng suất tức thời :
Là những mất mát thường xảy ra trong giai đoạn thi công. Trong trường hợp căng sau, các cốt thép DƯL chịu những mất mát tức thời sau :
a) Mất mát ứng suất do ma sát σσx :
Đối với các tuyến cáp ngoài đi theo đường gấp khúc thì sẽ gây ra mất mát ứng suất trong cáp tại các điểm chuyển hướng. Khi căng kéo DƯL ngoài tiết diện, cáp DƯL bị ép vào thành ống dẫn gây nên góc lệch ngẫu nhiên trong cáp.
Vì vậy, khi tính toán, góc nghiêng α của cáp phải cộng thêm các góc lệch ngẫu nhiên. Góc lệch này sẽ được hạn chế nhiều nếu cấu tạo ụ chuyển hướng phù hợp với tuyến cáp đi qua.
Mất mát ứng suất trong cáp do ma sát (σx)càng lớn khi điểm xét càng cách xa neo, ở một điểm x nào đó tính từ neo, ta có mất mát ứng suất trong cáp nhử sau :
) 1
(
* (f kx)
o
x = σ − e− α+
σ (5)
Trong đó :
σ0 : Ưùng suất kéo trong cáp (ứng suất căng kéo ban đầu) sau khi trừ đi các mất mát ở neo (kG/m2).
x : Khoảng cách từ tiết diện đang xét đến tiết diện đầu neo (m)
α : Tổng các góc chuyển hướng của cáp DUL trên toàn bộ chiều dài x (radian)
k : Hệ số mất mát ứng suất trên 1 đơn vị chiều dài (1/m). Hệ số này được bỏ qua khi cốt thép đặt thẳng giữa hai điểm chuyển hướng.
e : Cô soá logarit neper
f : Hệ số ma sát trượt của cáp với ống (radian-1), phụ thuộc vào chất liệu ống dẫn. Theo BPEL-91, hệ số này khuyến cáo nên sử dụng các giá trị sau :
f = 0.2 đối với ống thép sạch và trơn f = 0.12 đối với ống PEHD
b) Mất mát ứng suất do ép neo, biến dạng khe σ σ