2 VẬT LIỆU DÙNG TRONG Bấ TễNG CỐT THẫP
2.3.1.Khỏi niệm về dớnh bỏm giữa bờtụng và cốt thộp
2.3.1.1. Khỏi niệm
Lực dớnh bỏm giữa bờ tụng và cốt thộp là yếu tố cơ bản đảm bảo sự làm việc chung của hai loại vật liệu, làm cho bờ tụng và cốt thộp cú cựng biến dạng với nhau và cú sự truyền lực qua lại giữa chỳng.
2.3.1.2. Thớ nghiệm xỏc định lực dớnh bỏm
Chế tạo mẫu bằng cỏch đổ bờ tụng ụm lấy đoạn cốt thộp. Thớ nghiệm bằng cỏch kộo hoặc nộn cho cho cốt thộp tụt khỏi bờ tụng (hỡnh 2.10). Cường độ trung bỡnh của lực dớnh được xỏc định theo cụng thức: P l (2-24)
Trong đú: P – Lực kộo (hoặc nộn) làm cốt thộp tụt khỏi bờ tụng - Đường kớnh cốt thộp
l – Chiều dài đoạn cốt thộp chon trong bờ tụng
Hỡnh 2.10: Thớ nghiệm xỏc định lực dớnh
Để thớ nghiệm làm cốt thộp tụt khỏi bờ tụng thỡ chiều dài đoạn l phải được hạn chế trong một phạm vi nào đú. Nếu l quỏ lớn thỡ khi thớ nghiệm cốt thộp cú thể bị kộo hoặc nộn quỏ giới hạn chảy (thậm chớ cú thể bị kộo đứt) mà khụng bị tụt. Kết quả thớ nghiệm cho thấy sự phõn bố lực dớnh dọc theo đoạn cốt thộp là khụng đều, nú bằng khụng tại hai đầu mỳt và đạt giỏ trị max ở nơi cỏch tiết diện đầu tiờn một khoảng C
1 1 4 3 C l và max hoặc max P l (2-25)
Bài giảng kết cấu bờ tụng cốt thộp 08/2013 www.bmketcau.net
Bộ mụn Kết cấu – Khoa Cụng trỡnh – ĐH GTVT 37
2.3.1.2. Cỏc yếu tố tạo nờn lực dớnh bỏm
Lực dớnh bỏm được tạo ra nhờ cỏc yếu tố chớnh sau :
- Sự dớnh bỏm hoỏ học,
- Ma sỏt,
- Sự tương tỏc cơ học giữa cốt thộp và bờ tụng.
Ở cỏ c thanh cốt thộp trũn trơn, hai yếu tố đầu tiờn đúng vai trũ quan trọng nhất trong việc tạo ra lực dớnh bỏm. Trong khi đú, ở cốt thộp cú gờ thỡ sự tương tỏc cài khoỏ giữa bờ tụng với cỏc gờ cốt thộp lại đúng vai trũ quyết định. Vỡ vậy, cỏc yếu tố chớnh cú ảnh hưởng đến sự dớnh bỏm giữa cốt thộp và bờ tụng là :
- Diện tớch gờ tớnh đổi của cốt thộp,
- Cường độ và thành phần của bờ tụng,
- Bề dày lớp bờ tụng bảo vệ,
- Đường kớnh cốt thộp,
- Vị trớ cốt thộp khi đổ bờ tụng. 2.3.2. Chiều dài phỏt triển lực
Lực cần thiết để kộo một thanh cốt thộp ra khỏi một khối bờ tụng sẽ tăng lờn khi chiều dài chụn của thanh này tăng lờn (Hỡnh 2.11). Khi chiều dài chụn trở nờn đủ lớn, thanh thộp sẽ bị chảy dẻo trước khi bị kộo ra khỏi k hối bờ tụng. Chiều dài chụn tối thiểu cần thiết để phỏt triển lực chảy dẻo của thanh cốt thộp được gọi là chiều dài phỏt triển lực. Chiều dài phỏt triển lực ld, được sử dụng như là một giỏ trị chỉ thị về đặc trưng dớnh bỏm của cỏc thanh cốt thộp.
Tiờu chuẩn ACI giả thiết rằng, chiều dài phỏt triển lực cơ sở cần thiết để phũng ngừa sự vỡ chẻ (split), db sp, , là hàm của diện tớch thanh cốt thộp trong khi chiều dài cần thiết phũng ngừa sự kộo tuột (pull out) db po, là hàm của đường kớnh thanh thộp. Cụng thức để tớnh chiều dài phỏt triển lực cơ sở này như sau: đối với thanh số hiệu 35 và cỏc thanh nhỏ hơn:
, 0, 02 mm, MPa db sp A fb y fc (2.29) , 0,375 mm, MPa db sp d fb y fc (2.30)
Cỏc cụng thức (2.29) và (2.30) chỉ ra rằng, khi cường độ của bờ tụng tăng, chiều dài phỏt triển lực sẽ nhỏ đi. Tuy nhiờn, khụng cho phộp chiều dài phỏt triển lực giảm hơn nữa khi cường độ bờ tụng lớn hơn 70 MPa và vỡ vậy, thành phần fc khụng được lấy lớn hơn 8,37 MPa.
Bài giảng kết cấu bờ tụng cốt thộp 08/2013 www.bmketcau.net
Bộ mụn Kết cấu – Khoa Cụng trỡnh – ĐH GTVT 38
Hỡnh 2.11 Khỏi niệm về chiều dài phỏt triển lực
Hỡnh 2.12Vũng ứng suất kộo trong bờ tụng cõn bằng với thành phần ly tõm của lực nộn nghiờng
2.3.3. Cỏc dạng phỏ hoại và hư hỏng của bờ tụng cốt thộp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.3.1. Phỏ hoại do chịu lực
Bờ tụng và cốt thộp làm việc với nhau cho đến khi bị phỏ hoại. Với thanh chịu kộo, sau kho bờ tụng bị nứt cốt thộp chịu toỏn bộ lực kộo và nú bị xem là bắt đầu phỏ hoại khi ứng suất trong cốt thộp đạt đến giới hạn chảy. Với cột chịu nộn sự phỏ hoại bắt đầu khi ứng suất nộn trong bờ tụng đạt đến giới hạn cường độ chịu nộn, bờ tụng bị nộn vỡ. Sự phỏ hoại của cấu kiện chịu uốn cú thể bắt đầu từ vựng chịu kộo hoặc chịu nộn. Khi cốt thộp chịu kộo là vừa phải thỡ sự phỏ hoại là bắt đầu từ vựng chịu kộo với việc cốt thộp đạt đến giới hạn chảy, cú biến dạng lớn, vết nứt mở rộng. Khi cốt thộp khỏ nhiều thỡ sự phỏ hoại bắt đầu từ vựng nộn với việc ứng suất trong bờ tụng đạt đến giới hạn cường độ, vựng nộn bị nộn vỡ.
2.3.3.2. Phỏ hoại do biến dạng cưỡng bức
Biến dạng cưỡng bức gõy ra do chuyển vị của cỏc liờn kết, do thay đổi nhiệt độ, do co ngút của bờ tụng…Trong kết cấu tĩnh định biến dạng cưỡng bức khụng gõy ra nội lực. Trong kết cấu siờu tĩnh biến dạng cưỡng bức thường bị ngăn cản, làm phỏt sinh nội lực và cú thể làm kết cấu bị hư hỏng hoặc phỏ hoại. Sự hư hỏng thể hiện ở chỗ bờ tụng bị nứt, vỡ. Sự phỏ hoại xảy ra giống như khi phỏ hoại do chịu lực.
2.3.3.2. Hư hỏng do tỏc dụng của mụi trường
Dưới tỏc động của mụi trường bờ tụng cốt thộp cú thể bị hư hỏng do tỏc dụng cơ, lý, húa, sinh vật.
Về cơ học và vật lý, bờ tụng cú thể bị bào mũn do mưa, dũng chảy, bị hun núng do mặt trời hoặc cỏc nguồn nhiệt. Đối với cỏc cụng trỡnh chịu lạnh, đúng và tan băng cú thể gõy hư hỏng cấu trỳc của bờ tụng.
Chiều dài chụn
Chiều dài chụn Chiều dài chụn=Chiều
dài phỏt triển lực b y P A f Giỏ tr ị tối đa của lực P
Bài giảng kết cấu bờ tụng cốt thộp 08/2013 www.bmketcau.net
Bộ mụn Kết cấu – Khoa Cụng trỡnh – ĐH GTVT 39
Về húa học, bờ tụng bị xõm thực do cỏc chất húa học (axit, bazơ, muối) cú trong mụi trường. Cỏc chất này cú phản ứng húa học với cỏc thành phần của đỏ xi măng tạo ra cỏc chất hũa tan hoặc làm giảm cường độ, phỏ hỏng sự liờn kết (bờ tụng bị mủn).
Cốt thộp cú thể bị xõm thực do tỏc dụng húa học và điện phõn của mụi trường. Khi cốt thộp bị gỉ thể tớch lớp gỉ tăng lờn nhiều lần so với thể tớch kim loại ban đầu chốn ộp vào bờ tụng làm cho lớp bờ tụng bờn ngoài bị nứt, vỡ. Sự mở rộng vết nứt trong bờ tụng làm cho cốt thộp dễ bị gỉ hơn. Trong mụi trường cú hơi nước mặn, mụi trường cú nhiệt độ và độ ẩm cao cốt thộp bị gỉ nhiều hơn. Ứng suất trong cốt thộp càng cao và sự gia cụng nguội cốt thộp cũng làm cho cốt thộp dễ bị gỉ hơn.
Về sinh vật, cỏc loại rong rờu, hà, những vi khuẩn ở sụng biển cũng gõy tỏc dụng làm hư hỏng bề mặt bờ tụng do tỏc dụng của những chất húa học chỳng tiết ra.
Về tỏc dụng thời gian, trong vài năm đầu bờ tụng cú tăng cường độ (trong mụi trường thuận lợi). Tuy vậy sau vài chục năm bờ tụng sẽ bị già lóo và cường độ cú thể bị giảm dần.
Bài giảng kết cấu bờ tụng cốt thộp 08/2013 www.bmketcau.net
Bộ mụn Kết cấu – Khoa Cụng trỡnh – ĐH GTVT 40
3 NGUYấN Lí THIẾT KẾ THEO TIấU CHUẨN 22TCN272-05
3.1 QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT Kấ
Trong thiết kế cỏc kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương ỏn khả thi đó được chọn .Cụng tỏc thiết kế bao gồm việc tớnh toỏn nhằm chứng minh cho những người cú trỏch nhiệm thấy rằng mọi tiờu chuẩn tớnh toỏn và cấu tạo đều được thoả món .
Điều kiện để đảm bảo độ an toàn của một cụng trỡnh là : Sức khỏng của vật liệu Hiệu ứng của tải trọng
R≥ Q (3.1)
Điều kiện trờn phải được xột trờn tất cả cỏc bộ phận của kết cấu .
Khi núi về sức khỏng của vật liệu ta xột khả năng làm việc tối đa của vật liệu mà ta gọi là trạng thỏi giới hạn(TTGH).
Một trạng thỏi giới hạn là một trạng thỏi mà vượt qua nú thỡ kết cấu hay một bộ phận nào đú khụng hoàn thành mục tiờu thiết kế đề ra .
Mục tiờu là khụng vượt quỏ TTGH, tuy nhiờn đú khụng phải là mục tiờu duy nhất , mà cần xột đến cỏc mục đớch quan trọng khỏc , như chức năng , mỹ quan , tỏc động đến mụi trường và yếu tố kinh tế.Sẽ là khụng kinh tế nếu thiết kế một cầu mà chẳng cú bộ phận nào, chẳng bao giờ bị hư hỏng.Do đú càn phải xỏc định đõu là giới hạn chấp nhận được trong rủi ro của xỏc suất phỏ huỷ . Việc xỏc định một miền an toàn chấp nhận được ( cường độ lớn hơn bao nhiờu so với hiệu ứng của tải trọng )khụng dựa trờn ý kiến chủ quan của một cỏ nhõn nào mà dựa trờn kinh nghiệm của một tập thể.Tiờu chuẩn 22TCN272-05 cú thể đỏp ứng được .
3.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRèNH THIẾT KẾ
3.2.1. Thiết kế theo ứng suất cho phộp (ASD)-Allowable Stress Design
Độ an toàn được xỏc định bằng cỏch cho rằng hiệu ứng của tải trọng sẽ gõy ra ứng suất chỉ bằng một phần của ứng suất gõy phỏ hoại (Ứng suất phỏ hoại là cường độ giới hạn của bờ tụng hoặc giới hạn chảy của thộp) , (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ số an toàn (F)= Cường độ của vật liệu(R) / hiệu ứng tải trọng(Q)
sức kháng, 2 hiệu ứng tải trọng, 0, 5 y y f R F Q f
Vỡ phương phỏp thiết kế này đặt ra giới hạn về ứng suất nờn được biết đến với tờn gọi thiết kế theo ứng suất cho phộp (Allowable Stress Design, ASD).
Phương phỏp này cú nhiều nhược điểm như :
- Quan điểm về độ bền dựa trờn sự làm việc đàn hồi của vật liệu đẳng hướng,đồng nhất .
- Khụng biểu hiện được một cỏch hợp lý về cường độ giới hạn là chỉ tiờu cơ bản về khả năng chịu lực hơn là ứng suất cho phộp
- Hệ số an toàn chỉ ỏp dụng riờng cho cường độ , chưa xột đến sự biến đổi của tải trọng
Bài giảng kết cấu bờ tụng cốt thộp 08/2013 www.bmketcau.net
Bộ mụn Kết cấu – Khoa Cụng trỡnh – ĐH GTVT 41
- Việc chọn hệ số an toàn dựa trờn ý kiến chủ quan và khụng cú cơ sở tin cậy về xỏc suất hư hỏng.
Để khắc phục thiếu sút này cần một phương phỏp thiết kế cú thể :
- Dựa trờn cơ sở cường độ giới hạn của vật liệu
- Xột đến sự thay đổi tớnh chất cơ học của vật liệu và sự biến đổi của tải trọng
- Đỏnh giỏ độ an toàn liờn quan đến xỏc suất phỏ hoại .
Phương phỏp khắc phục cỏc thiếu sút trờn đú là AASHTO-LRFD 1998 và nú được chọn làm cơ sở biờn soạn tiờu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05.
3.2.2. Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức khỏng (LRFD-Load and Resistance Factors Design) Design)
Để xột đến sự thay đổi ở cả hai phớa của bất đẳng thức trong phương trỡnh 3.1 .Phớa sức khỏng được nhõn với một hệ số sức khỏng dựa trờn cơ sở thống kờ (Phớa tải trọng được nhõn lờn với hệ số tải trọng dựa trờn cơ sở thống kờ tải trọng, thường lớn hơn 1.Vỡ hiệu ứng tải trong trạng thỏi giới hạn bao gồm một tổ hợp của nhiều loại tải trọng (Qi) ở nhiều mức độ khỏc nhau của sự dự tớnh nờn phớa tải trọng được biểu hiện là tổng của cỏc giỏ trị i Qi .Nếu sức khỏng danh định là Rn , tiờu chuẩn an toàn sẽ là :
Rn ≥ Hiệu ứng của i Qi (3.2)
Vỡ phương trỡnh 3.2 chứa cả hệ số tải trọng và hệ số sức khỏng nờn phương phỏp thiết kế được gọi là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức khỏng ( LRFD).
Hệ số sức khỏng cho trạng thỏi giới hạn cần xột tới tớnh phõn tỏn của :
- Tớnh chất vật liệu
- Phương trỡnh dự tớnh cường độ
- Tay nghề cụng nhõn
- Kiểm soỏt chất lượng
- Tỡnh huống hư hỏng
Hệ số tải trọng i dựng cho cỏc tải trọng cần xột tới độ phõn tỏn của :
- Độ lớn của tải trọng
- Sự sắp xếp của tải trọng
- Tổ hợp tải trọng cú thể xảy ra Ưu điểm của LRFD:
- Cú xột đến sư biến đổi cả về sức khỏng và tải trọng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Đạt được mức độ an toàn đồng đều cho cỏc TTGH khỏc nhau và cỏc loại cầu mà khụng cần phõn tớch xỏc suất và thống kờ phức tạp.
- Phương phỏp thiết kế thớch hợp Nhược điểm của LRFD:
- Yờu cầu thay đổi tư duy thiết kế ( so với tiờu chuẩn cũ )
Bài giảng kết cấu bờ tụng cốt thộp 08/2013 www.bmketcau.net
Bộ mụn Kết cấu – Khoa Cụng trỡnh – ĐH GTVT 42
- Yờu cầu cú cỏc số liệu đầy đủ về thống kờ và thuật toỏn tớnh xỏc suất để chỉnh lý hệ số sức khỏng trong trường hợp đặc biệt.
3.3 NGUYấN TẮC CƠ BẢN CỦA TIấU CHUẨN 22TCN 272-05
Bản Tiờu chuẩn thiết kế cầu mới 22 TCN 272-05 (lỳc ra đời, năm 2001, mang ký hiệu 22 TCN 272-01) đó được biờn soạn như một phần cụng việc của dự ỏn của Bộ giao thụng vận tải mang tờn “Dự ỏn phỏt triển cỏc Tiờu chuẩn cầu và đường bộ ”.
Kết quả của việc nghiờn cứu tham khảo đó đưa đến kết luận rằng, hệ thống Tiờu chuẩn AASHTO của Hiệp hội cầu đường Mỹ là thớch hợp nhất để được chấp thuận ỏp dụng ở Việt nam. Đú là một hệ thống Tiờu chuẩn hoàn thiện và thống nhất, cú thể được cải biờn để phự hợp với cỏc điều kiện thực tế ở nước ta. Ngụn ngữ của tài liệu này cũng như cỏc tài liệu tham chiếu của nú đều là tiếng Anh, là ngụn ngữ kỹ thuật thụng dụng nhất trờn thế giới và cũng là ngụn ngữ thứ hai phổ biến nhất ở Việt nam. Hơn nữa, hệ thống Tiờu chuẩn AASHTO cú ảnh hưởng rất lớn trong cỏc nước thuộc khối ASEAN mà Việt nam là một thành viờn.
Tiờu chuẩn thiết kế cầu mới được dựa trờn Tiờu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất bản thứ hai (1998), theo hệ đơn vị đo quốc tế SI. Tiờu chuẩn LRFD ra đời năm 1994, được sửa đổi và xuất bản lần thứ hai năm 1998. Tiờu chuẩn này đó được soạn thảo dựa trờn những kiến thức phong phỳ tớch lũy từ nhiều nguồn khỏc nhau trờn khắp thế giới nờn cú thể được coi là đại diện cho trỡnh độ hiện đại trong hầu hết cỏc lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm hiện nay.
Cỏc tài liệu Việt nam được liệt kờ dưới đõy đó được tham khảo hoặc là nguồn gốc của cỏc dữ liệu thể hiện cỏc điều kiện thực tế ở Việt nam:
- Tiờu chuẩn về thiết kế cầu 22 TCN 18–1979
- Tiờu chuẩn về tải trọng giú TCVN 2737 – 1995
- Tiờu chuẩn về tải trọng do nhiệt TCVN 4088 – 1985
- Tiờu chuẩn về thiết kế chống động đất 22 TCN 221 – 1995
- Tiờu chuẩn về giao thụng đường thủy TCVN 5664 – 1992
Cỏc quy định của bộ Tiờu chuẩn thiết kế cầu mới này nhằm sử dụng cho cỏc cụng tỏc thiết kế, đỏnh giỏ và khụi phục cỏc cầu cố định và cầu di động trờn tuyến đường bộ. Cỏc điều khoản sẽ khụng liờn quan đến cầu đường sắt, xe điện hoặc cỏc phương tiện cụng cộng khỏc. Cỏc yờu cầu thiết kế đối với cầu đường sắt dự kiến sẽ được ban hành như một phụ bản trong tương lai.
3.3.1. Tổng quỏt
Cầu phải được thiết kế để đạt được cỏc mục tiờu: thi cụng được, an toàn và sử dụng được, cú xột đến cỏc yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tớnh kinh tế, mỹ quan. Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục tiờu này, cần phải thỏa món cỏc trạng thỏi giới hạn. Kết cấu thiết kế phải cú đủ độ