Đồ án môn kết cấu

Đồ án môn kết cấu - Khái niệm: Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần...

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP……… 5

I.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP……… 5

I.1.1 Thực chất của bê tông cốt thép thường (BTCT)……… 5

I.1.2 Thực chất của bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTƯST) ………7

I.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU BTCT……… 8

I.3 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO CỦA KẾT CẤU BTCT……… 9

I.3.1 Đặc điểm chung về cấu tạo ……… 9

I.3.2 Đặc điểm chế tạo ………12

CHƯƠNG II : TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU ……… 17

II.1 BÊ TÔNG……… 17

II.1.1 Phân loại bê tông………17

II.1.1.2 Theo tỷ trọng của bê tông ……… 19

II.1.2 Các tính chất tức thời (ngắn hạn) của bê tông cứng ……….19

II.1.3 Các tính chất dài hạn của bê tông cứng……… 22

II 2 CỐT THÉP……… 27

II.2.1 Cốt thép không dự ứng lực (cốt thép thường) ……… 27

II.2.2 Cốt thép dự ứng lực (cốt thép CĐC) ……….30

CHƯƠNG III: NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN 22 TCN 272-05 ……33

III.1 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 – 05……… 33

III.1.1 Vài nét về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18 – 1979……… 33

III.1.2 Cơ sở của nội dung Tiêu chuẩn mới 22 TCN 272-05 ……… 33

III.2 Quan điểm chung về thiết kế……… 34

III.3 Sự phát triển của quá trình thiết kế ……….35

III.3.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép - ASD (Allowable Stress Design) ………35

III.3.2.Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD (Load and Resistance Factors Design) ……….35

III.4 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05……… 36

III.4.1 Tổng quát ……….36

III.4.2 Các trạng thái giới hạn theo 22 TCN 272-05 ……… 38

III.5 Tải trọng và tổ hợp tải trọng ……… 41

III.5.1 Phân loại các tải trọng ……… 41

III.5.2 Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng tương ứng……… 42

III.5.3 Hoạt tải xe thiết kế ………43

III 6 Kết cấu bê tông cốt thép……… 46

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG VÀ TRẠNG THÁI GIỚI HẠN MỎI……… 47

IV.1 TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG ……… 47

III.1.2 Khống chế biến dạng (A5.7.3.6) ……… 49

IV.1.3 Phân tích ứng suất trong BT, CT của dầm BTCT thường chịu uốn ở TTGHSD 51 IV.1.4 Các giới hạn ứng suất đối với bê tông……… 57

IV.2 TRẠNG THÁI GIỚI HẠN MỎI ……… 63

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT) CHỊU UỐN Ở TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ (TTGHCĐ) ……… 64

V.1 QUY ĐỊNH VỀ CẤU TẠO……… 64

V.1.1 Cấu tạo của bản, dầm……… 64

V.1.2 Chiều cao tối thiểu……… 66

V.1 3 Chiều rộng bản cánh hữu hiệu……… 67

V.2 ĐẶC ĐIỂM CHỊU LỰC CỦA DẦM VÀ CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN CHO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ………67

V.2.1 Đặc điểm chịu lực của dầm……… 67

V.2.2 Các giả thiết cơ bản ……… 69

V.2.3 Các giai đoạn của trạng thái us-bd trên tiết diện thẳng góc của dầm BTCT thường chịu uốn thuần túy ………70

V 3 CÁC GIỚI HẠN VỀ CỐT THÉP……… 72

V.3.1 Tính dẻo và lượng cốt thép chịu kéo tối đa ……… 72

V.3.2 Cốt thép chịu kéo tối thiểu……… 73

V.4 TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT, BTCT THƯỜNG CHỊU UỐN THUẦN TÚY……… 74

V.4.1 Tiết diện chữ nhật đặt cốt thép đơn……… 74

V.4.2 Mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép kép……… 79

V.5 TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CHỮ T BTCT THƯỜNG CHỊU UỐN THUẦN TÚY… 85 V.5.1 Trường hợp trục trung hòa đi qua sườn dầm (c > hf) ………86

V.5.2 Trường hợp trục trung hòa đi qua cánh dầm (c ≤ hf)……… 87

V.6 TÍNH TOÁN MẶT CẮT BTCT DƯL CHỊU UỐN THUẦN TÚY……… 91

V.6.1 Trường hợp cốt thép DƯL có dính bám……… 91

V.6.2 Trường hợp cốt thép DƯL không dính bám……… 93

V.7 MẤT MÁT DỰ ÚNG LỰC ………93

V.7.1 Tổng mất mát ứng suất trước……… 93

V.7.2 Các mất mát ứng suất tức thời 93

V.7.3 Các mất mát ứng suất theo thời gian ………95

CHƯƠNGVI : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẮT VÀ XOẮN ……… 97

VI.1 MÔ HÌNH CHỐNG VÀ GIẰNG (strut and tie models) ……… 97

VI.1.1 Nguyên lý chung và phạm vi áp dụng ………97

VI.1.2 Phân chia kết cấu thành các vùng B và D: ………99

VI.1.3 Một số mô hình tiêu biểu ……….102

VI.1.4 Các bộ phận của mô hình chống và giằng : ……… 106

VI.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ, CÁC YÊU CẦU CHUNG ……….108

VI.2.1 Các phương pháp thiết kế ……….108

VI.2.2 Các yêu cầu chung ………108

VI.3 MÔ HÌNH THIẾT KẾ THEO MẶT CẮT ……….110

CHƯƠNG VII: CẤU KIỆN CHỊU NÉN ……… 120

VII.1 KHÁI NIỆM ………120

VII.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO ……… 120

VII.2.1 Mặt cắt ngang………120

VII.2.2 Vật liệu……… 120

VII.3 PHÂN LOẠI CỘT THEO KHẢ NĂNG CHỊU LỰC……… 123

VII.5 KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT NGẮN……… 124

VII.5.1 Cột ngắn chịu nén đúng tâm ……….124

VII.5.3 Cột ngắn chịu nén lệch tâm, tiết diện tròn ………129

VII.6 KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT DÀI (CỘT MẢNH) ………130

VII.6.1 Hệ số điều chỉnh chiều dài hữu hiệu K ………131

VII.6.3 Trình tự tính toán cột mảnh……… 133

VI.7 CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO HAI PHƯƠNG……… 134

CHƯƠNG VIII:CHI TIẾT CỐT THÉP……… 140

VIII.1 CÁC MÓC CỐT THÉP VÀ ĐỘ UỐN CONG……… 140

VIII.1.1 Móc tiêu chuẩn (hình 7.1) ………140

VIII.1.2 Đường kính uốn cong tối thiểu……… 140

VIII.2 KHOẢNG CÁCH BẢO VỆ CỐT THÉP ……… 141

VIII.2.1 Lớp bảo vệ………141

VIII.2.3 Khoảng cách tối đa……… 145

VIII.3 TRIỂN KHAI CỐT THÉP……… 145

VIII.3.1 Triển khai cốt thép chịu kéo……….145

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

****************************

I.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

I.1.1 Thực chất của bê tông cốt thép thường (BTCT)

- Khái niệm: Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần

có đặc trưng cơ học khác nhau là bê tông và thép cùng phối hợp chịu lực với nhau một cách hợp lý và kinh tế

+ Bê tông là một loại đá nhân tạo, thành phần bao gồm cốt liệu ( đá dăm, sỏi, cát) và chất kết dính ( xi măng) , nước và phụ gia (nếu có) Bê tông có đặc điểm là khả năng chịu nén tốt hơn khả năng chịu kéo rất nhiều (10  20 lần)

+ Thép là vật liệu có khả năng chịu kéo và chịu nén đều tốt tương đương nhau

- Như vậy, việc sử dụng riêng bê tông để làm các cấu kiện chịu lực có phát sinh ứng suất kéo (cấu kiện chịu kéo, uốn, kéo nén lệch tâm, ) sẽ là không hợp lý

- Để thấy được sự cộng tác chịu lực giữa bê tông và cốt thép ta xem xét hai thí nghiệm sau:

TTH

P

ctf

fccTN1:

Vïng chÞu nÐn

Vïng chÞu kÐo VÕt nøt th¼ng gãc duy nhÊt

Hình 1.1 - Dầm bê tông không cốt thép

+ Khi tải trọng P trong hình 1.1 tăng dần thì tại vùng chịu kéo (thớ dưới dầm) vết nứt đầu tiên sẽ xuất hiện tại khu vực giữa dầm (khu vực có M max) khi ứng suất kéo fct  fctu (c = concrete, t = tensile, u = ultimate), trong khi đó thì ứng suất nén ở thớ trên fcc << fccu (c = concrete, c = compress)

+ Khi P tiếp tục tăng thì vết nứt đầu tiên đó sẽ càng mở rộng và nâng cao, phần chịu nén thu hẹp dần cho tới khi dầm bị phá hoại Sự phá hoại này sẽ xảy ra trong khi các tiết diện khác của dầm vẫn chưa bị phá hoại (chưa nứt), nên sự phá hoại này là đột ngột (phá hoại giòn) Đồng thời, ta thấy khi dầm bị phá hoại thì khả năng chịu lực của vật liệu, nhất là khả năng chịu nén của bê tông vẫn chưa được khai thác hết, khả năng chịu mô men của dầm nhỏ

 không hợp lý

+ Nếu ta đặt thêm cốt thép dọc vào vùng chịu kéo của dầm như hình 1.2 (ta cũng có thể dùng một số loại cốt liệu khác như tre nứa, thủy tinh, polime, )  ta được một loại vật

liệu mới là BTCT (bê tông có cốt) Nghiên cứu thêm ta sẽ thấy, nếu lượng cốt thép đặt vào là hợp lý thì thì tình hình phá hoại của dầm sẽ không xảy ra đột ngột nữa (phá hoại dẻo) và khả năng chịu lực của dầm sẽ tăng lên rất nhiều (có thể tới 20 lần) Thật vậy, khi ứng suất kéo lớn nhất trong dầm fct  fctu, thì vết nứt đầu tiên xuất hiện và mở rộng dần Tại đó toàn bộ lực kéo

sẽ do cốt thép chịu Nếu P tiếp tục tăng, thì các tiết diện gần đó cũng sẽ xảy ra tương tự Sự phá hoại của dầm sẽ xảy ra khi fst  fstu và fcc  fccu Như vậy, cường độ của hay khả năng chịu lực của cả bê tông và cốt thép đều được khai thác hết

TN2:

cc f

bê tông có cùng kích thước

- Trong cấu kiện BTCT, do cốt thép chịu kéo và nén đều tốt, nên nó còn được đặt vào vùng chịu nén của cấu kiện để gia cường thêm cho bê tông tại vùng đó  cấu kiện sẽ có kích thước giảm đi, chịu lực khi vận chuyển, lắp ráp được tốt hơn,

- Bê tông và thép có thể kết hợp cùng chịu lực với nhau một cách hợp lý như trên là do những yếu tố sau:

+ Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép có lực dính bám khá lớn, lực dính bám này giữ cho cốt thép không bị tuột khỏi bê tông khi chịu kéo, nên lực có thể truyền từ bê tông sang thép và ngược lại Lực dính bám là yếu tố quan trọng nhất đối với BTCT Nhờ có lực dính bám mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế Do vậy, người ta phải tìm mọi cách để tăng cường lực dính bám giữa bê tông

và cốt thép

+ Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học nào mà bê tông còn có tác dụng bảo vệ cho cốt thép chống lại các tác dụng trực tiếp của môi trường, của các đám cháy,

+ Hệ số giãn nở dài vì nhiệt của bê tông và cốt thép là xấp xỉ bằng nhau ( bê tông c = 1.10-5  1,5.10-5/oC, thép s = 1,2.10-5/oC ) Do đó khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông

thường (dưới 100oC) thì sự giãn dài vì nhiệt của hai vật liệu này không chênh lệch nhau mấy

 nội ứng suất phát sinh sẽ không đáng kể

I.1.2 Thực chất của bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTƯST)

- Ta thấy, BTCT thường (BTCT không DUL) có nhược điểm lớn là vết nứt xuất hiện sớm  giới hạn chống nứt thấp

+ Thực nghiệm cho thấy, khi ứng suất kéo trong cốt thép fst = 20  30MPa thì lớp bê tông bao bọc xung quanh cốt thép đã bắt đầu bị rạn nứt Khi fct = 180  250MPa thì bề rộng vết nứt khoảng 0,2  0,3mm Đây cũng là bề rộng vết nứt giới hạn mà các TCTK quy định (quy định này xuất phát từ các yêu cầu như bảo vệ cho cốt thép khỏi bị ăn mòn do nước hoặc hơi nước xâm nhập vào, hoặc do điều kiện tâm lý của người sử dụng, )

+ Như vậy, nếu ta sử dụng cốt thép cường độ cao (fpy = 1000  1600MPa) để chế tạo BTCT thường thì sẽ không khai thác hết khả năng chịu lực của nó được, vì giới hạn bề rộng vết nứt cũng chính là giới hạn trị số ứng suất kéo trong cốt thép như ở trên

+ Việc tăng cường độ BT hoặc sử dụng cốt thép có đường kính nhỏ cũng phần nào giảm được bề rộng vết nứt, nhưng hiệu quả của nó rất thấp

+ Hơn nữa, với những cấu kiện yêu cầu có khả năng chống thấm (chống nứt) thì BTCT thường tỏ ra bất lực Thực tế cho thấy kết cấu BTCT thường không có khả năng chống nứt hoặc khả năng chống nứt rất hạn chế

- Do vậy, để tăng giới hạn chống nứt cho kết cấu BTCT và sử dụng được hợp lý cốt thép CĐC cũng như bê tông CĐC thì cách tốt nhất là sử dụng BTCT DUL

+ Khái niệm kết cấu dự ứng lực: Kết cấu dự ứng lực nói chung là loại kết cấu mà khi

chế tạo chúng người ta tạo ra một trạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất

do tải trọng khi sử dụng nhằm, nhằm hạn chế các yếu tố có hại đến tình hình chịu lực của kết cấu do tính chất chịu lực kém của vật liệu sinh ra

+ Với bê tông cốt thép, thì chủ yếu người ta tạo ra ứng suất nén trước cho những vùng của tiết diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ứng suất kéo Ứng suất nén trước này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng khi sử dụng sinh ra Nhờ vậy mà cấu kiện sẽ không bị nứt hoặc nứt rất nhỏ

+ Để rõ hơn, ví dụ ta xét một dầm giản đơn BTCT DUL chịu tải trọng như hìnhvẽ:

Do DUL Do P DULHT DULKHT

t f

f c f t

f c f c

t f

- Ưu điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường hay tác dụng chính của dự ứng lực như sau:

+ Nâng cao giới hạn chống nứt, do đó có tính chống thấm cao

+ Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bê tông cường độ cao dẫn đến giảm giá thành và kích thước cấu kiện

+ Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm ,vượt được nhịp lớn hơn so với BTCT thường

+ Chịu tải đổi dấu tốt hơn nên sức kháng mỏi tốt

+ Nhờ có ứng suất trước mà phạm vi sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép, phân đoạn mở rộng ra nhiều Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực trước để nối các cấu kiện đúc sẵn của một kết cấu lại với nhau

- Nhược điểm của kết cấu BTCTDƯL so với BTCT thường :

+ Ứng lực trước không những gây ra ứng suất nén mà còn có thể gây ra ứng suất kéo ở phía đối diện làm cho bê tông có thể bị nứt

+ Chế tạo phức tạp hơn yêu cầu kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật để có thể đạt chất lượng như thiết kế đề ra

I.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU BTCT

Tham khảo các tài liệu khác ( Cầu bê tông cốt thép nhịp giản đơn – GS.TS Nguyễn Viết Trung)

I.3 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO CỦA KẾT CẤU BTCT

I.3.1 Đặc điểm chung về cấu tạo

Trong bê tông cốt thép, giải quyết vấn đề cấu tạo sao cho hợp lý là rất quan trọng Hợp lý về mặt chọn vật liệu (Mác bê tông hay cấp bê tông, nhóm thép hay loại thép), hợp lý

về chọn dạng tiết diện và kích thước tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép để có thể đồng thời đáp ứng được sự chịu lực cục bộ của các bộ phận kết cấu chưa được xem xét đầy đủ trong tính toán như tính không liên tục của kết cấu, vị trí đặt tải trọng tập trung, Giải quyết các liên kết giữa các bộ phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu chống xâm thực, có thể thi công được (tính khả thi),

a Kết cấu bê tông cốt thép thường

Cốt thép được đặt vào trong cấu kiện bê tông cốt thép thường bao gồm: cốt thép chịu ứng suất kéo, chịu ứng suất nén, để định vị các cốt thép khác và cốt thép cấu tạo khác Số

lượng cốt thép do tính toán định ra, nhưng nó cũng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo

 Cốt thép chịu ứng suất kéo do nhiều nguyên nhân gây ra như: Mô men uốn, lực cắt, lực dọc trục, mô men xoắn , tải cục bộ

- Cốt thép chịu kéo do mômen uốn gây ra đó là các cốt thép dọc chủ đặt ở vùng chịu kéo của cấu kiện, chúng được đặt theo biểu đồ M trong cấu kiện và đặt càng xa trục trung hoà càng tốt

Cèt thÐp däc chÞu kÐo do M Cèt thÐp däc chÞu kÐo do M

L w

M

Hình 1.4 - Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép

- Cốt thép chịu kéo do lực cắt gây ra đó là các cốt thép đai (cốt ngang) hoặc cốt thép xiên, chúng được đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ lực cắt V trong cấu kiện Đối với cấu kiện chịu uốn, ngoài cốt thép dọc chịu kéo, do ảnh hường của lực cắt mà các tiết diện nghiêng gần gối hoặc nơi có ứng suất tập trung sẽ xuất hiện ứng suất kéo chủ lớn  ta phải đặt cốt thép đai hoặc cốt thép xiên để chịu ứng suất kéo này

A

ACèt thÐp däc chÞu kÐo

Cèt thÐp däc chÞu nÐn

A'sAs

Hình 1.5 - Sơ đồ bố trí cốt thép trong dầm

 Cốt thép chịu ứng suất nén: Đó là các cốt dọc chịu nén trong dầm, cột Các cốt thép này cùng tham gia chịu nén với bê tông

 Cốt thép định vị các cốt thép khác trong thi công

 Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu ứng suất do co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần của cốt thép kiểm soát nứt bề mặt

Chú ý:

+ Trong cấu kiện chịu uốn khi chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện đặt cốt thép đơn, còn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi là tiết diện đặt cốt kép

+ Sơ đồ bố trí cốt thép trong cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịu kéo lệch tâm lớn gần giống như trong cấu kiện chịu uốn

- Trong cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục trên tiết diện các cốt thép dọc thường được bố trí đối xứng với trục dọc của cấu kiện

- Kích thước tiết diện do tính toán định ra nhưng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo, kiến trúc, khả năng bố trí cốt thép và kỹ thuật thi công Ngoài ra cần phải chú ý đến quy định về bề dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, khoảng cách trống giữa các cốt thép Các quy định này được quy định trong các tiêu chuẩn ngành

- Hình dạng tiết diện phụ thuộc vào TTUS của tiết diện khi chịu tải trọng:

+ Trong cấu kiện chịu kéo, nén đúng tâm tiết diện thường có dạng đối xứng như: Vuông, tròn, vành khăn, đa giác,

+ Trong cấu kiện chịu uốn, kéo nén lệch tâm tiết diện thường có dạng hình chữ nhật, chữ T, thang, hộp, (sao cho bê tông được mở rộng thêm ra ở vùng chịu nén để tận dụng tốt khả năng chịu nén tốt của nó hoặc đưa vật liệu ra xa trục trung hòa hơn)

b Kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

- Trong cấu kiện BTCTDƯL cốt thép gồm hai loại: Cốt thép thường (hay cốt thép không kéo căng) và cốt thép Dự ứng lực (cốt thép kéo căng) Cốt thép thường làm nhiệm vụ và được bố trí giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường Cốt thép DƯL có nhiệm vụ tạo ra ứng suất nén trước trong bê tông để làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo sinh ra do tải trọng Do đó, cốt thép DUL được bố trí theo nguyên tắc sau:

+ Trong cấu kiện chịu nén đúng tâm, cốt thép kéo căng sẽ là các cốt thép đai Trong một

số trường hợp người ta kéo căng cả cốt thép dọc để chịu tải trọng trong giai đoạn vận chuyển

và lắp ráp

+ Trong cấu kiện chịu kéo đúng tâm, cốt thép kéo căng sẽ là các cốt thép dọc

+ Trong cấu kiện chịu uốn, kéo nén lệch tâm thì cốt thép kép căng bao gồm cả cốt thép dọc và cốt thép đai

- Cốt thép dự ứng lực có thể đặt theo đường thẳng, cong, gãy khúc hoặc kết hợp Ví dụ:

d)c)

Hình 1.6 - Sơ đồ bố trí cốt thép DƯL

+ Cốt thép đặt theo đường cong phức tạp hơn, nhưng nó có ưu điểm là làm việc thay cho cốt thép xiên làm cho dầm chịu lực cắt tốt hơn Ngoài ra nó còn tạo ra khoảng cách trống giữa các đầu cốt thép lớn hơn tạo điều kiện thuận lợi cho việc bố trí các neo liên kết, và giảm

sự tập trung ứng suất tại đầu dầm

- Tại vị trí đầu neo có lực tập trung lớn hoặc cốt thép chỗ uốn cong thường có nội lực tiếp tuyến lớn nên ta cần đặt cốt thép gia cường cho bê tông tại đó hoặc đặt các bản đệm dưới neo

- Cốt thép kéo căng có thể đặt bên trong (DUL trong) hoặc đặt bên ngoài tiết diện (DUL ngoài)

I.3.2 Đặc điểm chế tạo

* Phân loại Kết cấu BTCT theo phương pháp thi công:

1 Kết cấu BTCT toàn khối: Là loại kết cấu BTCT được thi công tại hiện trường theo các

bước :

+ Lắp dựng ván khuôn và cốt thép tại hiện trường;

+ Đổ bê tông vào trong ván khuôn thành từng lớp và đầm lèn;

+ Bảo dưỡng bê tông, tháo dỡ ván khuôn và hoàn thiện

Ưu điểm: Kết cấu toàn khối, không có mối nối  các thành phần trong kết cấu cùng làm việc với nhau một cách chặt chẽ

Khuyết điểm: Tốn đà giáo ván khuôn, tốn thời gian chờ bảo dưỡng BT, khó kiểm soát chất lượng do điều kiện làm việc tại hiện trường

2 Kết cấu BTCT lắp ghép: Là kết cấu BTCT mà phần lớn các cấu kiện được chế tạo sẵn

trong nhà máy, sau đó trở ra hiện trường lắp ghép lại với nhau

Ưu điểm: Cơ giới hóa được quá trình sản suất, tận dụng ván khuôn được nhiều lần, thời gian thi công nhanh hơn, kiểm soát được chất lươngj cấu kiện tốt hơn

Khuyết điểm: Xuất hiện nhiều mối nối  kết cấu làm việc không gian hay tổng thể kém hơn

3.Kết cấu BTCT bán lắp ghép: Là loại kết cấu kết hợp giữa kết cấu đổ toàn khối và lắp ghép

Khi đó, trong nhiều trường hợp ta thường lấy luôn phần lắp ghép làm ván khuôn cho phần đổ tại chỗ

Ví dụ về các loại kết cấu BTCT theo phương pháp thi công:

a) Toµn khèi

b) L¾p ghÐp

c) B¸n l¾p ghÐp

Hình 1.8 - Các biện pháp thi công kết cấu BTCT điển hình

a Phân loại Kết cấu BTCT theo trạng thái ứng suất khi chế tạo: 2 loại

Bê tông cốt thép thường (kết cấu BTCT): Là loại kết cấu mà khi chế tạo, cốt thép ở trạng thái không có ứng suất Ngoài nội ứng suất do co ngót và giãn nở nhiệt, trong BT và CT chỉ xuất hiện ứng suất khi có tải trọng sử dụng tác dụng (kể cả trọng lượng bản thân)

Bê tông cốt thép dự ứng lực (bê tông cốt thép ứng suất trước): Là loại kết cấu mà khi chế tạo người ta căng trước cốt thép để tạo ứng suất nén trước cho những vùng của tiết diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ứng suất kéo Ứng suất nén trước này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng khi sử dụng sinh ra Nhờ vậy, ta có thể nâng cao khả năng chịu lực, khả năng chống nứt, của kết cấu

b Phân loại Kết cấu BTCT DƯL theo phương pháp tạo dự ứng lực: 2 loại

 Kết cấu BTCT DƯL thi công kéo trước (phương pháp căng cốt thép trên bệ) B1: Lắp đặt cốt thép CĐC vào ván khuôn và liên kết với bệ kéo đặt biệt;

B2: Kéo căng côt thép CĐC đến trị số thiết kế và đổ bê tông cấu kiện;

B3: Khi bê tông đã đông cứng đủ cường độ yêu cầu, ta buông cốt thép ra khỏi bệ kéo Cốt thép sẽ có xu hướng co lại chiều dài ban đầu và do có sự dính bám giữa BT

và Ct  tạo lực nén trước vào BT

Hình 1.9 - Sơ đồ phương pháp thi công kéo trước

Để tăng thêm dính bám giữa bê tông và cốt thép DƯL người ta thường dùng cốt thép DƯL là cốt thép có gờ, hoặc cốt thép DUL dưới dạng tao, hoặc tạo các mấu neo đặc biệt ở hai đầu

Phạm vi áp dụng: PP này thường dùng khi cốt thép kéo căng đặt theo đường thẳng hơặc gãy khúc và với những cấu kiện nhỏ và vừa Do đó PP này đặc biệt hiệu quả với các cấu kiện sản xuất hàng loạt trong nhà máy

 Kết cấu BTCT DƯL thi công kéo sau (phương pháp căng cốt thép trên bê tông) B1: Lắp đặt ván khuôn, cốt thép thường và các ống tạo lỗ (thường làm bằng tôn lượn sóng mạ kẽm) ống tạo lỗ có thể được đặt theo đường thẳng hoặc đường cong tùy thuộc vào mục đích chịu lực của cấu kiện

B2: Đổ BT cấu kiện và bảo dưỡng

B3: Khi bê tông đã đạt đến cường độ yêu cầu, ta luồn cốt thép CĐC vào các lỗ tạo trước, dùng kích kéo căng cốt thép CĐC trên bê tông đến trị số thiết kế

B4: Đóng neo và buông kích, bơm vữa xi măng lấp đầy khoảng tróng giữa cốt thép CĐC và ống tạo lỗ để tạo dính bám giữa BT và CT cũng như chống gỉ cho cốt thép CĐC Cũng có trường hợp cốt thép CĐC được bảo vệ trong ống tạo lỗ bằng mỡ chống gỉ, trường hợp này được gọi là cấu kiện DƯL không dính bám

Phương pháp này luôn phải có neo, khi kéo căng từ một đầu thì đầu kia gọi là neo chết (neo cố định trước trong bê tông)

Phạm vi áp dụng: PP này thường được áp dụng các kết cấu lớn như kết cấu cầu và thi công tại công trường Ưu điểm của PP là có thể kéo căng cốt thép CĐC theo đường cong của ống tạo lỗ đã đặt trước

èng t¹o lç B1)

B2)

Bª t«ng

Cèt thÐp C§C B3)

B4)

Cèt thÐp C§C

Hình 1.10 - Sơ đồ phương pháp thi công kéo sau

Một vài hình ảnh về kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

CHƯƠNG II : TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU

*****************************

II.1 BÊ TÔNG

II.1.1 Phân loại bê tông

II.1.1.1 Theo thành phần của bê tông tươi (hỗn hợp bê tông)

- Bê tông là một loại đá nhân tạo được tạo thành từ các vật liệu thành phần, bao gồm: đá dăm, sỏi (cốt liệu lớn); cát (cốt liệu nhỏ); xi măng (chất kết dính), nước và phụ gia (nếu có) Các vật liệu này sau khi nhào trộn đều với nhau sẽ đông cứng và có hình dạng theo khuôn đúc Tỷ lệ của các vật liệu thành phần trong hỗn hợp sẽ có ảnh hưởng đến thuộc tính của bê tông sau khi đông cứng (bê tông) Trong phần lớn các trường hợp, người kỹ sư cầu sẽ chọn cấp bê tông cụ thể từ một loạt hỗn hợp thiết kế thử, trên cơ sở cường độ chịu nén mong muốn ở tuổi 28 ngày, f  c Đặc trưng tiêu biểu đối với các cấp bê tông khác nhau được cho trong bảng 2.1 như sau:

Bảng 2.1 - Các đặc trưng trộn của bê tông theo cấp

Lượng xi

măng tối

thiểu

Tỉ lệ nước/xi măng lớn nhất

Độ chứa khí Kích thước cốt liệu

theo AASHTO M43

Cường độ chịu nén 28 ngày

- 6,0  1,5 5,0  1,5

- 7,0  1,5

- Quy định riêng Quy định riêng

25 đến 4,75

25 đến 4,75

50 đến 4,75

50 đến 4,75 12,5 đến 4,75 12,5 đến 4,75

25 đến 4,75 hoặc 19 đến 4,75

Tỉ trọng

 Cấp bê tông A nói chung được sử dụng đối với tất cả các cấu kiện của kết cấu và đặc biệt đối với bê tông làm việc trong môi trường nước mặn

 Cấp bê tông B được sử dụng trong móng, bệ móng, thân trụ và tường chịu lực

 Cấp bê tông C được sử dụng trong các chi tiết có bề dày dưới 100 mm như tay vịn cầu thang và các bản sàn đặt lưới thép

 Cấp bê tông P được sử dụng khi cường độ được yêu cầu lớn hơn 28 MPa Đối với bê tông

dự ứng lực, phải chú ý rằng, kích thước cốt liệu không được lớn hơn 20 mm

 Bê tông loại S được dùng cho bê tông đổ dưới nước bịt đáy chống thấm nước trong các khung vây

Tỉ lệ nước/xi măng (W/C) theo trọng lượng là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến cường độ bê tông Tỉ lệ W/C càng gần mức tối thiểu thì cường độ càng lớn Hiển nhiên là, đối với một lượng nước đã cho trong hỗn hợp, việc tăng hàm lượng xi măng sẽ làm tăng cường độ

bê tông Đối với mỗi cấp bê tông đều có quy định rõ lượng xi măng tối thiểu tính bằng kG/m3 Khi tăng lượng xi măng trên mức tối thiểu này, có thể tăng lượng nước và vẫn giữ nguyên tỉ

lệ W/C Sự tăng lượng nước có thể không tốt vì lượng nước thừa, không cần thiết cho phản ứng hoá học với xi măng và và làm ướt bề mặt cốt liệu, khi bốc hơi sẽ gây ra hiện tượng co ngót, làm bê tông kém đặc chắc Do vậy, Tiêu chuẩn quy định lượng xi măng tối đa là 475 kG/m3 để hạn chế lượng nước của hỗn hợp

Bê tông AE (bê tông bọt) phát huy được độ bền lâu dài khi làm việc trong các môi trường lạnh Bê tông bọt được chế tạo bằng cách thêm vào hỗn hợp một phụ gia dẻo để tạo ra sự phân

bố đều các lỗ rỗng rất nhỏ Sự phân bố đều các lỗ rông nhỏ này trong bê tông tránh hình thành các lỗ rỗng lớn và cắt đứt đường mao dẫn từ mặt ngoài vào cốt thép

Để đạt được chất lượng của bê tông là độ bền lâu dài và chịu lực tốt, cần phải hạn chế hàm lượng nước Nhưng nước làm tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông, đặc biệt làm cho bê tông

đẽ đức trong khuôn Để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không phải tăng lượng nước, người ta đưa vào các phụ gia hoá học Các phụ gia này được gọi là phụ gia giảm nước mạnh (phụ gia siêu dẻo), rất có hiệu quả trong việc cải thiện thuộc tính của cả bê tông ướt và

bê tông đã đông rắn Các phụ gia này phải được sử dụng rất thận trọng và nhất thiết phải có chỉ dẫn của nhà sản xuất vì chúng có thể có những ảnh hưởng không mong muốn như làm rút ngắn thời gian đông kết Vì vậy trước khi sử dụng cần làm các thí nghiệm để xác minh chất lượng của cả bê tông ướt lẫn bê tông cứng

Trong vài năm gần đây, người ta đã chế tạo được bê tông có cường độ rất cao, cường độ chịu nén có thể tới 200MPa Mấu chốt của việc đạt cường độ này cũng như độ chắc chắn là đảm bảo cấp phối tốt nhất, sao cho tất cả các lỗ rỗng đều được lấp đầy bằng các hạt mịn cho đến khi không còn lỗ rỗng nữa Trước đây người ta chỉ chú ý tới cấp phối tốt nhất của cốt liệu

lớn và cốt liệu nhỏ là đá và cát Việc lấp đầy các khe hở giữa các hạt nhỏ có thể là các hạt xi măng Poóc lăng, mà sau này phản ứng với nước sẽ tạo lực dính và gắn kết thành khối Trong

bê tông CĐC và rất cao, người ta còn tiến thêm một bước nữa là chèn thêm vào khe hở giữa các hạt xi măng Poóc lăng Các loại vật liệu mịn để chèn này có thể là đất Puzolan hạt nhỏ, tro bay, muội silíc, Chúng có thể thay thế một phần cho XM và vẫn giữ nguyên lượng XM tối thiểu và tỉ lệ W/C

II.1.1.2 Theo tỷ trọng của bê tông

Theo tỷ trọng, bê tông được phân thành

- Bê tông tỷ trọng thường: Là BT có tỷ trọng trong khoảng 2150  2500kG/m3

- Bê tông tỷ trọng thấp: Là BT có chứa cấp phối nhẹ và có tỷ trọng khi khô không vượt quá 1925kG/m3

II.1.2 Các tính chất tức thời (ngắn hạn) của bê tông cứng

Các tính chất của bê tông xác định từ thí nghiệm phản ánh sự làm việc ngắn hạn khi chịu tải vì các thí nghiệm này thường được thực hiện trong vòng vài phút, khác với tải trọng tác dụng lên công trình có thể kéo dài hàng tháng, thậm chí hàng năm Các thuộc tính ngắn hạn này rất hữu dụng trong đánh giá chất lượng của bê tông và sự làm việc chịu lực ngắn hạn như dưới hoạt tải xe cộ, gió, động đất, Tuy nhiên, những thuộc tính này phải được điều chỉnh khi chúng được sử dụng để đánh giá sự làm việc dưới tải trọng tác dụng kéo dài (thường xuyên) như trọng lượng bản thân của dầm, lớp phủ mặt cầu, lan can,

II.1.2.1 Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi

- Cường độ chịu nén của bê tông được xác định bằng thí nghiệm nén dọc trục phá hoại mẫu trụ tròn có kích thước (hxd) Ký hiệu cường độ chịu nén của bê tông là fc, ta có:

4/

2 max max

- Hình 2.1 biểu diễn đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của mẫu thử hình trụ khi chịu nén dọc trục không có kiềm chế (không có cản trở biến dạng ngang)

Hình 2.1 - Đường cong ứng suất-biến dạng parabol điển hình đối với bê tông chịu nén

không có kiềm chế

- Biến dạng tại đỉnh ứng suất nén f  là ' c c  0,002 và biến dạng có thể lớn nhất cu  0,003

Một quan hệ đơn giản đối với bê tông có cường độ nhỏ hơn 40 MPa được đưa ra dưới một

hàm bậc hai như sau:

f c = là cường độ chịu nén tương ứng với độ biến dạng c,

f  = là ứng suất lớn nhất từ thí nghiệm khối trụ c

c= là độ biến dạng ứng với ứng suất f  c

Quy ước dấu ở đây là ứng suất nén và biến dạng nén mang giá trị âm

- Mô đun đàn hồi của bê tông theo TC 05 độ nghiêng của đường thẳng đi từ gốc toạ độ qua

điểm của đường cong us-bd có ứng suất bằng 0,4 f  c Khi bê tông có tỷ trọng từ 1440 

2500kG/m3, thì Ec có thể được xác định theo công thức sau: 1,5

f  = Cường độ chịu nén quy định của bê tông (MPa)

- TC 05 quy định (A5.4.2.1), cường độ chịu nén quy định ở tuổi 28 ngày (f'c) tối thiểu là 16

MPa được khuyến cáo đối với tất cả các bộ phận của kết cấu và cường độ chịu nén tối đa

được quy định là 70 MPa, trừ khi có những thí nghiệm bổ sung Các bản mặt cầu và BTCT DUL thì f'c ít nhất là 28 MPa

II.1.2.2 Cường độ chịu kéo

Cường độ chịu kéo của bê tông có thể được đo trực tiếp hoặc gián tiếp Thí nghiệm kéo trực tiếp [hình 2.2(a)] được sử dụng để xác định cường độ nứt của bê tông, đòi hỏi phải có thiết

bị đặc biệt (chuyên dụng) Thông thường, người ta tiến hành các thí nghiệm gián tiếp như thí nghiệm uốn phá hoại dầm và thí nghiệm ép chẻ khối trụ Các thí nghiệm này được mô tả trên hình 2.2

Hình 2.2 - Thí nghiệm kéo bê tông trực tiếp và gián tiếp

a) Thí nghiệm kéo trực tiếp b) Thí nghiệm phá hoại dầm c) Thí nghiệm chẻ khối trụ

- Thí nghiệm uốn phá hoại dầm [hình 2.2(b)] đo cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông với một dầm bê tông giản đơn chịu lực như trên hình vẽ Ứng suất kéo lớn nhất ở đáy dầm khi

phá hoại gọi là ứng suất kéo uốn giới hạn, được ký hiệu là f r TC 05 đưa ra các công thức xác định fr như sau:

+ Đối với bê tông tỷ trọng thông thường f  r 0,63 f c, (2.3)

.52,

f 

+ Đối với bê tông tỷ trọng thấp các loại f  r 0,45 f c,

- Trong thí nghiệm ép chẻ khối trụ [hình 2.2(c)], khối trụ tiêu chuẩn được đặt nằm và chịu tải trọng đường phân bố đều Ứng suất kéo gần như phân bố đều xuất hiện vuông góc với ứng suất nén sinh ra do tải trọng thẳng đứng Khi các ứng suất kéo này đạt tới giới hạn cường độ, khối trụ bị chẻ làm đôi dọc theo mặt chịu tải Theo một lý thuyết về sự làm việc đàn hồi

(Timoshenko và Goodier, 1951), công thức tính ứng suất kéo chẻ f sp được đưa ra như sau:

kính của khối trụ

- Cả hai giá trị ứng suất kéo uốn (f r ) và ứng suất kéo chẻ (f sp) đều được xác định lớn hơn so

với ứng suất kéo dọc trục (f cr) được xác định trong thí nghiệm kéo trực tiếp [hình 2.2(a)] Các tác giả Collins và Mitchell (1991) và Hsu (1993) đưa ra công thức xác định cường độ chịu

- Tuy nhiên, khả năng chịu kéo của bê tông thường được bỏ qua trong tính toán cường độ các cấu kiện BTCT vì cường độ chịu kéo của bê tông rất nhỏ

- Mô đun đàn hồi của bê tông khi chịu kéo có thể được lấy như khi chịu nén

II.1.3 Các tính chất dài hạn của bê tông cứng

II.1.3.1 Cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian

- Tính chất của BT được đặc trưng bởi cường độ chịu nén quy định ở tuổi 28 ngày (f'c) Tuy

nhiên trong một số trường hợp, như đối với BTCT DUL thì ta cần phải biết cường độ chịu nén

fci và Eci của BT ở thời điểm căng cốt thép DUL, cũng như ở các thời điểm khác trong lịch sử chịu tải của kết cấu

- Thông thường, cường độ chịu nén của BT có xu hướng tăng theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều tham số như loại XM, điều kiện bảo dưỡng, Có các phương pháp không phá huỷ để xác định cường độ chịu nén, thường bằng con đường gián tiếp thông qua việc xác định trước hết mô đun đàn hồi rồi tính ngược trở lại để tìm cường độ chịu nén Theo một phương pháp khác, người ta đo độ nảy lên của một viên bi bằng thép, viên bi này đã được định kích thước dựa vào độ nảy trên bê tông đã biết cường độ chịu nén Hiệp hội quốc tế BTCT DUL (FIP) kiến nghị xác định cường độ chịu nén của BT theo thời gian theo biểu đồ có dạng như sau:

0,0 0,5 1,0 1,5

3 7 14 28 56 90 180 360 t (n g ày )

c

f /f'cBTXM PL t h ư ờ n g BTXM PL đô n g c ứ n g n h a n h

+ Theo Branson (1977) thỡ biểu thức xỏc định cường độ chịu nộn của BT theo thời gian cú



 



Trong đú:

t = thời gian tớnh theo ngày;

,  = là hệ số phụ thuộc vào loại XM và điều kiện bảo dưỡng Đối với XM loại I, điều kiện

.85,00,

t

t f





- Tiờu chuẩn ASTM (C150) quy định cú 5 lọai XM cơ bản được sản xuất như sau:

+ XM loại I: Là loại chuẩn, được sử dụng trong cỏc cụng trỡnh bỡnh thường, nơi khụng cần phải cú cỏc thuộc tớnh đặc biệt

+ Loại II: Là loại đó được biến đổi, nhiệt thủy húa thấp hơn laọi I, loại này thường được sử dụng ở nơi chịu ảnh hưởng vừa phải của sự ăn mũn do sunfat hoặc ở nơi mong muốn cú nhiệt thủy húa vừa phải

+ Loại III: Là loại cú CĐC sớm, được sử dụng khi mong muốn BT đạt CĐC sớm, nhiệt thủy húa cao hơn nhiều so với laọi I

+ loại IV: Là loại tỏa nhiệt thấp, được sử dụng trong cỏc đập BT khối lớn và cỏc kết cấu khỏc

mà nhiệt thủy húa giảm chậm

+ Loại V: là loại chịu được sunfat, thường được sử dụng trong cỏc đế múng, tường hầm, cống rónh, , nơi tiếp xỳc với đất chứa sunfat

II.1.3.2 Co ngút của bờ tụng

- KN: Co ngút của bờ tụng là hiện tượng giảm thể tớch dưới nhiệt độ khụng đổi do hơi nước bốc hơi khi bờ tụng đó đụng cứng

- Co ngút thay đổi theo thời gian và nú phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hàm lượng nước của

bờ tụng tươi, vào loại xi măng và cốt liệu được sử dụng, vào điều kiện mụi trường (nhiệt độ,

độ ẩm và tốc độ giú) tại thời điểm đổ bờ tụng, vào quỏ trỡnh bảo dưỡng, vào lượng cốt thộp và vào tỉ số giữa thể tớch và diện tớch bề mặt cấu kiện

- Có hai loại co ngót cơ bản:

+ Co ngót dẻo: Là loạico ngót xuất hiện trong vòng ít giời đầu tiên sau khi đúc BT tươi trong ván khuôn ở giai đoạn này do phần bề mặt khối bê tông co ngót nhanh hơn và cường độ BT cờn nhỏ  thường gây ra các vết nứt bề mặt có dạng chân chim Do đó, để hạn chế các vết nứt bề mặt này người ta thường chú ý bảo dưỡng tốt hơn trong những ngày đầu bảo dưỡng bê tông

+ Co ngót khô: Là loại co ngót xuất hiện sau khi BT đã hoàn toàn ninh kết và các phản ứng thủy hóa đã hoàn thành

- Trường hợp BT nằm trong môi trường ẩm ướt và BT chưa bão hòa nước thì nước sẽ thấm vào BT làm tăng thể tích BT  gọi là hiện tượng nở ướt Khi BT đã hoàn toàn bão hòa nước thì sẽ không xảy ra hiện tượng nở ướt

- Co ngót là một quá trình rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố TC 05 đưa ra công thức kinh nghiệm để tính biến dạng do co ngót (Trường hợp bảo dưỡng ẩm và cốt liệu không co

t = là thời gian khô tính bằng ngày,

k s = là một hệ số kích thước được tra từ hình 2.3,

k h = là hệ số độ ẩm được lấy theo bảng 2.2

Hình 2.3 - Hệ số k s đối với tỉ số thể tích/diện tích bề mặt

Bảng 2.2 - Hệ số k h đối với độ ẩm tương đối H

Độ ẩm tương đối trung bình của môi

1.3.3 Từ biến của bê tông

- Từ biến của BT là hiện tượng tăng biến dạng theo thời gian khi tải trọng không đổi

- Tải trọng không đổi là tải trọng tác dụng lâu dài - dài hạn - thường xuyên lên kết cấu Ví dụ

độ võng của dầm, biến dạng dọc trục trong cột tăng theo thời gian khi chúng chịu tác dụng của tải trọng thường xuyên tác dụng lên như trọng lượng bản thân, trọng lượng kết cấu bên trên, Trong dầm BTCT DUL, dưới tác dụng dài lâu của UST làm cho BT bị co lại theo thời gian  làm mất mát ứng suất trong cốt thép DUL

- Sự thay đổi biến dạng theo thời gian cũng phụ thuộc vào các nhân tố có ảnh hưởng đối với biến dạng co ngót, ngoài ra còn phải kể đến độ lớn và khoảng thời gian tồn tại của ứng suất nén, cường độ chịu nén của bê tông và tuổi của bê tông khi bắt đầu chịu tải trọng dài hạn

- Từ biến của bê tông là một quá trình phức tạp, TC 05 đưa ra công thức kinh nghiệm xác định biến dạng do từ biến như sau:  CRt t, i t t, i. ci (2.7) Trong đó:

t = là tuổi của bê tông tính bằng ngày kể từ thời điểm đổ bê tông;

t i = là tuổi của bê tông tính bằng ngày kể từ khi tải trọng thường xuyên tác

t t

(2.8)

Trong đó:

H = độ ẩm tương đối của môi trường (%),

k c = một hệ số điều chỉnh đối với ảnh hưởng của tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt và thời

gian chất tải, được lấy theo hình 2.5 

 ,

6242

f

c

k

Hình 2.5 - Hệ số k c đối với tỉ số thể tích/diện tích bề mặt

- Các biện pháp hạn chế từ biến: Cũng có thể làm giảm biến dạng từ biến bằng các biện pháp như làm giảm co ngót, tức là giảm thành phần nước trong hỗn hợp bê tông và giữ cho nhiệt độ tương đối thấp Biến dạng từ biến cũng có thể được giảm bớt nhờ việc bố trí cốt thép ở vùng chịu nén vì phần nội lực nén mà cốt thép chịu không liên quan đến từ biến Trường hợp tải trọng dài hạn tác dụng ở tuổi bê tông lớn, biến dạng từ biến sẽ giảm đi do bê tông trở nên khô

hơn và biến dạng ít hơn Điều này được phản ánh trong công thức 2.8, ở đây giá trị lớn hơn t i

đối với tuổi bê tông đã cho t làm giảm hệ số từ biến (t,t i )

- Ảnh hưởng của từ biến: Cuối cùng, không phải tất cả các ảnh hưởng của biến dạng từ biến đều là có hại Khi có sự lún khác nhau xảy ra trong một cầu BTCT, đặc tính từ biến của bê tông làm cho ứng suất trong các cấu kiện giảm rõ rệt so với giá trị dự đoán bằng phân tích đàn hồi

Mô đun đàn hồi đối với tải trọng dài hạn

Để tính toán đối với sự tăng biến dạng do từ biến dưới tải trọng dài hạn, một mô đun đàn hồi

dài hạn được chiết giảm E c,LT có thể được định nghĩa như sau:

mô đun đàn hồi E c từ công thức 2.2 thì ta có:

t t (2.11)

Khi tính đổi các đặc trưng mặt cắt của thép thành các đặc trưng tương đương của bê tông đối

với các TTGH sử dụng, người ta dùng tỉ số mô đun n, được định nghĩa như sau:  s

c

E n

E

(2.12)

Tỉ số mô đun dài hạn n LT đối với tải trọng thường xuyên có thể được định nghĩa tương tự, giả

thiết rằng cốt thép không có từ biến:      

II.1.4.2 Hệ số Poisson (hệ số nở ngang) (A5.4.2.5)

- Khi thiếu các số liệu chính xác, ta có thể lấy  = 0,2 Đối với các bộ phận cho phép nứt thì

có thể không xét đến hiệu ứng poisson (hiệu ứng nở ngang)

II 2 CỐT THÉP

- Cốt thép được đặt trong cấu kiện ở những nơi có thể phát huy tác dụng lớn nhất Cốt thép thường được tính đến để chịu lực kéo, tuy nhiên nó cũng được bố trí để chịu lực nén Ở TTGH về cắt trong dầm, phải bố trí cốt thép dọc và cốt thép ngang để chịu ứng suất kéo xiên

- Sự làm việc của cốt thép không dự ứng lực thường được đặc trưng bởi quan hệ ứng suất – biến dạng đối với các thanh cốt thép trần Sự làm việc của cốt thép dự ứng lực là khác nhau đối với bó cáp có dính bám và không có dính bám, điều này khiến chúng ta phải xem xét lại

sự làm việc của cốt thép không dự ứng lực được bao bọc bởi bê tông

II.2.1 Cốt thép không dự ứng lực (cốt thép thường)

II.2.1.1 Phân loại cốt thép thường theo AASHTO (ASTM)

- Cốt thép dùng cho kết cấu BTCT theo AASHTO bao gồm các loại: thép thanh tròn trơn hoặc

có gờ, thép sợi (cuộn) tròn trơn và lưới cốt thép hàn

- Để tăng sự dính bám giữa BT và CT, người ta thường tạo gờ quanh cốt thép khi chế tạo  gọi là cốt thép có gờ hay cốt thép tròn đốt Tiêu chuẩn quy định: Cốt thép sử dụng phải là loại

có gờ, trừ khi dùng làm cốt thép đai xoắn, móc treo và lưới thép thì có thể sử dụng loại tròn trơn

- Cốt thép được chia làm các cấp khác nhau Các tính chất quan trọng của cốt thép là: Mô đun đàn hồi Es, cường độ chảy fy, cường độ chịu kéo (cường độ phá hoại) fu và các kích thước cơ bản của thanh hoặc sợi thép Giới hạn chảy hay cấp của cốt thép phải được quy định rõ trong

hồ sơ của hợp đồng Chỉ được sử dụng thép thanh có giới hạn chảy nhỏ hơn 420MPa khi có

sự chấp thuận của chủ đầu tư

- Các kỹ sư có thể sử dụng các loại cốt thép có đường kính tùy theo các cơ sở sản xuất, miễn

là đảm bảo các chỉ tiêu cơ lý theo quy định

Theo tiêu chuẩn ASTM A615/A615M, ta có các loại cốt thép hay cấp thép như sau:

II.2.1.2 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép thường

- Các đường cong ứng suất – biến dạng điển hình đối với cốt thép trần được biểu diễn trên hình 2.7 đối với cấp cốt thép 300, 420 và 520 Sự làm việc của cốt thép trần có thể được chia thành ba giai đoạn, đàn hồi, dẻo và cứng hoá biến dạng (tái bền) Đoạn đàn hồi AB của biểu

đồ gần giống như một đoạn thẳng với mô đun đàn hồi không đổi E s = 200 000 MPa cho tới giới hạn biến dạng đàn hồi y = f y / E S Đoạn chảy BC được đặc trưng bởi thềm chảy tại ứng

suất không đổi f y cho tới lúc bắt đầu cứng hoá Độ dài của thềm chảy là thước đo tính dẻo và

được phân biệt với các cấp thép khác nhau Đoạn cứng hoá biến dạng CDE bắt đầu ở biến dạng h và đạt tới ứng suất lớn nhất f u tại biến dạng u trước khi giảm nhẹ ở biến dạng phá hoại b Ba đoạn của đường cong ứng suất - biến dạng đối với cốt thép trần có thể được mô tả đặc trưng bằng những quan hệ sau

Đoạn đàn hồi AB f s = s E s 0  s  y (2.14)

Đoạn chảy BC f s = f y y  s  h (2.15)

Hình 2.7 - Các đường cong ứng suất-biến dạng đối với cốt thép trần dạng thanh

- Như vậy, mô đun đàn hồi của cốt thép là một thông số không đổi Tiêu chuẩn (A5.4.3.2) quy định mô đun đàn hồi của cốt thép là một trị số không đổi Es = 2.105MPa

- Khi các thanh cốt thép được đặt trong bê tông, sự làm việc của chúng khác với các thanh cốt thép trần Sự khác biệt này là do bê tông có một cường độ chịu kéo nhất định dù khá nhỏ Điều này được thừa nhận sớm, ngay từ khi phát triển cơ học BTCT như trong ý kiến sau đây

của Morsch (1908): Do lực ma sát đối với cốt thép và do cường độ chịu kéo của bê tông tồn tại trong những đoạn cấu kiện nằm giữa các vết nứt, bê tông ngay cả khi đã nứt vẫn làm giảm một phần độ giãn của cốt thép  Phần bê tông dính bám với cốt thép và không bị nứt làm

giảm biến dạng kéo trong cốt thép

II.2.2 Cốt thép dự ứng lực (cốt thép CĐC)

I.2.2.1 Các loại cốt thép DUL theo AASHTO (ASTM)

- Thép DUL có thể dưới dạng dây đơn, tao (gồm một số sợi bện xoắn lại với nhau), cáp (bao gồm nhiều sợi hoặc nhiều tao gộp lại với nhau) và thép thanh CĐC Tiêu chuẩn AASHTO thường dùng 3 loại cốt thép CĐC sau:

+ Thép sợi không bọc khử ứng suất dư hoặc độ tự chùng thấp;

+ Tao cáp không bọc khử ứng suất dư hoặc độ tự chùng thấp;

và để chúng nguội dần Biện pháp cải thiện hơn nữa đối với sự chùng của thép được thực hiện bằng cách kéo các tao thép trong chu trình nóng, lạnh Quá trình này được gọi là sự tôi thép

và đưa ra sản phẩm là các tao thép có độ chùng thấp

- Theo ASTM A416M và A722, ta có các loai tao cáp và thép thanh DUL như sau:

Vật liệu Loại hoặc cấp thép Đường kính (mm)

Cường độ chịu kéo min, fpu (MPa)

Cường độ chảy min, fpy (MPa)

Tao cáp

85%fpu, ngoại trừ 90%fpu đối với tao tự chùng thấp

Thép

thanh Loại 2, có gờ (tròn

II.2.2.2 Đường cong quan hệ us-bd của cốt thép DUL

Hình 2.8 - Quan hệ ứng suất-biến dạng của tao thép 7 sợi được sản xuất theo các quá trình

975,0025

,0

- Trong trường hợp cốt thép không dính bám, sự trượt xảy ra giữa cốt thép và bê tông xung quanh và biến dạng trong cốt thép trở nên đều đặn trong đoạn nằm giữa các điểm neo Biến dạng dài tổng cộng của cốt thép lúc này phải bằng biến dạng dài tổng cộng của bê tông trong đoạn nói trên, tức là:  ps  cp  pe (2.18)

ở đây,  cp là biến dạng trung bình của bê tông tại vị trí cốt thép dự ứng lực, được tính trung bình trong khoảng cách giữa các neo của cốt thép không có dính bám

- Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép dự ứng lực được cho trên hình 2.9 Các đường cong này có thể được tính gần đúng bằng các công thức sau:

Hình 2.9 - Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép dự ứng lực

- Mô đun đàn hồi của cốt thép DUL: Tiêu chuẩn (A5.4.4.2) quy định: Nếu không có các số liệu chính xác hơn, mô đun đàn hồi của cốt thép DUL có thể lấy như sau:

+ Đối với tao thép Ep = 1,97.105MPa + Đối với thép thanh Ep = 2,07.105MPa

CHƯƠNG III: NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN 22 TCN 272-05

***********************************

III.1 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 – 05

III.1.1 Vài nét về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18 – 1979

Tiêu chuẩn hiện hành để thiết kế cầu ở Việt nam là tiêu chuẩn ngành mang ký hiệu 22 TCN 18–1979 với tên gọi “Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn” (thường được gọi tắt là Quy trình 79) Tiêu chuẩn này đã được sử dụng trong khoảng một phần tư thế kỷ mà chưa có dịp cập nhật, sửa đổi Nội dung Quy trình này dựa trên Quy trình của Liên xô (cũ) ban hành từ năm 1962 và năm 1967 và có tham khảo Quy trình của Trung quốc năm 1959 Hiện nay, Quy trình nói trên vẫn đang được sử dụng để thiết kế nhiều cầu nhỏ và cầu trung cũng như một vài cầu lớn Nhưng nói chung khi thiết kế các cầu lớn, các nhà thiết kế Việt nam và nước ngoài đã tham khảo và sử dụng một số tiêu chuẩn thiết kế hiện đại hơn, đã được quốc tế công nhận Đặc biệt, trong những trường hợp có tư vấn nước ngoài tham gia dự

án thì Tiêu chuẩn Nhật bản (JIS) và Tiêu chuẩn Hoa kỳ (AASHTO) thường sử dụng nhất

III.1.2 Cơ sở của nội dung Tiêu chuẩn mới 22 TCN 272-05

Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu mang ký hiệu 22 TCN 272-01 (áp dụng từ năm 2001) đã được biên soạn như một phần công việc của dự án của Bộ giao thông vận tải mang tên “Dự án phát triển các Tiêu chuẩn cầu và đường bộ ”

Kết quả của việc nghiên cứu tham khảo đã đưa đến kết luận rằng, hệ thống Tiêu chuẩn

AASHTO (Hiệp hội cầu đường Mỹ) của Hoa kỳ là thích hợp nhất để được chấp thuận áp dụng

ở Việt nam Đó là một hệ thống Tiêu chuẩn hoàn thiện và thống nhất, có thể được cải biên để phù hợp với các điều kiện thực tế ở nước ta Ngôn ngữ của tài liệu này cũng như các tài liệu tham chiếu của nó đều là tiếng Anh, là ngôn ngữ kỹ thuật thông dụng nhất trên thế giới và cũng là ngôn ngữ thứ hai phổ biến nhất ở Việt nam Hơn nữa, hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO

có ảnh hưởng rất lớn trong các nước thuộc khối ASEAN mà Việt nam là một thành viên Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới được dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất bản thứ hai (1998), theo hệ đơn vị đo quốc tế SI Tiêu chuẩn LRFD (Load and Resistance

Factor Design: Thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng) ra đời năm 1994, được sửa

đổi và xuất bản lần thứ hai năm 1998 Tiêu chuẩn này đã được soạn thảo dựa trên những kiến thức phong phú tích lũy từ nhiều nguồn khác nhau trên khắp thế giới nên có thể được coi là đại diện cho trình độ hiện đại trong hầu hết các lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm hiện nay

Các tài liệu Việt nam được liệt kê dưới đây đã được tham khảo hoặc là nguồn gốc của các

dữ liệu thể hiện các điều kiện thực tế ở Việt nam:

Tiêu chuẩn về tải trọng do nhiệt TCVN 4088 – 1985

Tiêu chuẩn về thiết kế chống động đất 22 TCN 221 – 1995

Tiêu chuẩn về giao thông đường thủy TCVN 5664 – 1992

Các quy định của bộ Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới này nhằm sử dụng cho các công tác thiết kế, đánh giá và khôi phục các cầu cố định và cầu di động trên tuyến đường bộ Các điều khoản sẽ không liên quan đến cầu đường sắt, xe điện hoặc các phương tiện công cộng khác Các yêu cầu thiết kế đối với cầu đường sắt dự kiến sẽ được ban hành như một phụ bản trong tương lai

Sau 5 năm (2001 – 2005) áp dụng thử nghiệm, được sửa chữa, bổ sung, Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới đã được chính thức hiện hành với ký hiệu 22 TCN 272 – 05

III.2 Quan điểm chung về thiết kế

Trong thiết kế các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án khả thi

đã được chọn Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người

có trách nhiệm thấy rằng mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thoả mãn Điều kiện

để đảm bảo độ an toàn của một công trình là : Sức kháng của vật liệu  Hiệu ứng của tải trọng Điều kiện trên phải được xét trên tất cả các bộ phận của kết cấu Khi nói về sức kháng

của vật liệu ta xét khả năng làm việc tối đa của vật liệu mà ta gọi là trạng thái giới hạn(TTGH) Một trạng thái giới hạn là một trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay một bộ phận nào đó không hoàn thành mục tiêu thiết kế đề ra

Mục tiêu là không vượt quá TTGH, tuy nhiên đó không phải là mục tiêu duy nhất , mà cần xét đến các mục đích quan trọng khác , như chức năng , mỹ quan , tác động đến môi trường và yếu tố kinh tế Sẽ là không kinh tế nếu thiết kế một cầu mà chẳng có bộ phận nào , chẳng bao giờ bị hư hỏng Do đó càn phải xác định đâu là giới hạn chấp nhận được trong rủi

ro của xác suất phá huỷ Việc xác định một miền an toàn chấp nhận được (cường độ lớn hơn bao nhiêu so với hiệu ứng của tải trọng) không dựa trên ý kiến chủ quan của một cá nhân nào

mà dựa trên kinh nghiệm của một tập thể Tiêu chuẩn 22TCN272-05 có thể đáp ứng được

III.3 Sự phát triển của quá trình thiết kế

III.3.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép - ASD (Allowable Stress Design)

Độ an toàn được xác định bằng cách cho rằng hiệu ứng của tải trọng sẽ gây ra ứng suất chỉ bằng một phần của giới hạn chảy fy , Hệ số an toàn F = Cường độ của vật liệu R / hiệu

R F

Phương pháp này có nhiều nhược điểm như :

- Quan điểm về độ bền dựa trên sự làm việc đàn hồi của vật liệu đẳng hướng, đồng nhất, trong khi đó sự làm việc của vật liệu còn có cả gian đoạn phi đàn hồi và vật liệu, cụ thể là không đẳng hướng và đồng nhất

- Không biểu hiện được một cách hợp lý về cường độ giới hạn là chỉ tiêu cơ bản về khả năng chịu lực hơn là ứng suất cho phép

- Hệ số an toàn chỉ áp dụng riêng cho cường độ, chưa xét đến sự biến đổi của tải trọng

- Việc chọn hệ số an toàn dựa trên ý kiến chủ quan và không có cơ sở tin cậy về xác suất hư hỏng

Để khắc phục thiếu sót này cần một phương pháp thiết kế có thể :

- Dựa trên cơ sở cường độ giới hạn của vật liệu

- Xét đến sự thay đổi tính chất cơ học của vật liệu và sự biến đổi của tải trọng

- Đánh giá độ an toàn liên quan đến xác suất phá hoại

Phương pháp khắc phục các thiếu sót trên đó là AASHTO-LRFD 1998 và nó được chọn làm

cơ sở biên soạn tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05

III.3.2.Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD (Load and Resistance Factors Design)

Để xét đến sự thay đổi ở cả hai phía của bất đẳng thức trong phương trình 1.1 Phía sức kháng được nhân với một hệ số sức kháng  dựa trên cơ sở thống kê (<=1) Phía tải trọng được nhân lên với hệ số tải trọng  dựa trên cơ sở thống kê tải trọng,  thường lớn hơn

1 Vì hiệu ứng tải trong trạng thái giới hạn bao gồm một tổ hợp của nhiều loại tải trọng (Qi) ở nhiều mức độ khác nhau của sự dự tính nên phía tải trọng được biểu hiện là tổng của các giá trị i.Qi Nếu sức kháng danh định là Rn , tiêu chuẩn an toàn sẽ là:

.Rn ≥ Hiệu ứng của i.Qi (3.2)

Vì phương trình 3.2 chứa cả hệ số tải trọng và hệ số sức kháng nên phương pháp thiết kế được gọi là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng ( LRFD)

Hệ số sức kháng  cho trạng thái giới hạn cần xét tới tính phân tán của :

- Tính chất vật liệu

- Phương trình dự tính cường độ

- Tay nghề công nhân

- Kiểm soát chất lượng

Ưu điểm của LRFD:

- Có xét đến sư biến đổi cả về sức kháng và tải trọng

- Đạt được mức độ an toàn đồng đều cho các TTGH khác nhau và các loại cầu mà không cần phân tích xác suất và thống kê phức tạp

- Phương pháp thiết kế thích hợp

Nhược điểm của LRFD:

- Yêu cầu thay đổi tư duy thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ)

- Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê

- Yêu cầu có các số liệu đầy đủ về thống kê và thuật toán tính xác suất để chỉnh lý

hệ số sức kháng trong trường hợp đặc biệt

III.4 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05

III.4.1 Tổng quát

Cầu phải được thiết kế để đạt được các mục tiêu: thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục tiêu này, cần phải thỏa mãn các trạng thái giới hạn Kết cấu thiết kế phải

có đủ độ dẻo, phải có nhiều đường truyền lực (có tính dư) và tầm quan trọng của nó trong khai thác phải được xét đến

Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn TK cầu 22 TCN 272-05 là: Mỗi cấu kiện và liên kết phải thỏa mãn tất cả các TTGH cả tổng thể và cục bộ, được biểu diễn dưới dạng biểu thức sau: i.i.Qi ≤ Rn (3.3) Trong đó:

Qi Hiệu ứng tải trọng theo quy định (nội lực do tải hoặc các tác động bên ngoài sinh ra)

I Hệ số tải trọng theo thống kê

Rn Sức kháng danh định của vật liệu

 Hệ số sức kháng theo thống kê của sức kháng danh định

Đối với mọi trạng thái giới hạn (trừ TTGHCĐ), hệ số sức kháng  = 1,0

 Hệ số điều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác của cầu, có dạng tổng quát sau:  i  D. R. I 0,95

+ D = hệ số dẻo + R = hệ số dư thừa

+ I = hệ số tầm quan trọng Hai hệ số đầu có liên quan đến cường độ của cầu, hệ số thứ ba xét đến sự làm việc của cầu ở trạng thái sử dụng Trừ trạng thái giới hạn cường độ, đối với tất cả các TTGH khác ,

D = R = 1,0

1 Tính dẻo

Tính dẻo là một yếu tố quan trọng đối với sự an toàn của cầu Nhờ tính dẻo, khi một bộ phận chịu lực quá tải nó sẽ phân bố nội lực sang các bộ phận khác, do đó kết cấu có dự trữ độ bền Nếu vật liệu không dẻo thì kết cấu sẽ bị phá hoại đột ngột khi bị quá tải  phá hoại giòn

Có thể biến kết cấu BTCT thành dẻo nếu ta bố trí cốt thép một cách hợp lý Nếu ta tuân thủ đầy đủ các quy định của tiêu chuẩn thì các phần tử sẽ có tính dẻo

Các trị số đối với trạng thái giới hạn cường độ:

D ≥ 1,05 cho cấu kiện và liên kết không dẻo

= 1,00 cho các thiết kế thông thường và các chi tiết theo đúng Tiêu chuẩn này ≥ 0,95 cho các cấu kiện và liên kết có tính dẻo, hoặc dùng các biện pháp tăng thêm tính dẻo

2 Tính dư

Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt đối với khoảng an toàn của kết cấu cầu Một kết cấu siêu tĩnh được xem là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh học Các kết cấu có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được sử dụng trừ khi có những lý do bắt buộc khác Khái niệm nhiều đường truyền lực là tương đương với tính dư thừa Các đường truyền lực đơn hay các kết cấu cầu không dư được khuyến cáo không nên sử

dụng

Các bộ phận hoặc cấu kiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan không có tính dư, các bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoại giòn

Các bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây nên sập đổ cầu được coi là không có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan là dư

Đối với trạng thái giới hạn cường độ :

R  1,05 cho các bộ phận không dư = 1,00 cho các mức dư thông thường  0,95 cho các mức dư đặc biệt

3 Tầm quan trọng trong khai thác

Điều quy định này chỉ dùng cho trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt Các cầu có thể được xem là có tầm quan trọng trong khai thác nếu chúng nằm trên con đường nối giữa các khu dân cư và bệnh viện hoặc trường học, hay là con đường dành cho lực lượng công an, cứu hỏa và các phương tiện giải cứu đối với nhà ở, cơ quan và các khu công nghiệp Cầu cũng có thể được coi là quan trọng nếu chúng giúp giải quyết tình trạng đi vòng do tắc đường, giúp tiết kiệm thời gian và xăng dầu cho người lao động khi đi làm và trở

về nhà Nói tóm lại, khó có thể tìm thấy tình huống mà cầu không được coi là quan trọng trong khai thác Một ví dụ về cầu không quan trọng là cầu trên đường phụ dẫn tới một vùng hẻo lánh được sử dụng không phải quanh năm Chủ đầu tư có thể công bố một cầu hoặc bất

kỳ cấu kiện hoặc liên kết nào của nó là loại cầu quan trọng trong khai thác

Đối với trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt

I  1,05 cho các cầu quan trọng = 1,00 cho các cầu điển hình  0,95 cho các cầu tương đối ít quan trọng

III.4.2 Các trạng thái giới hạn theo 22 TCN 272-05

TTGH là trạng thái mà vượt qua nó kết cấu hay một bộ phận nào đó không hoàn thành được nhiệm vụ mà thiết kế đề ra Tiêu chuẩn 05 đề cập tới 4 TTGH sau:

1 TTGH sử dụng

- TTGHSD phải xét đến như một biện pháp nhằm hạn chế đối với ứng suất, biến dạng và bề rộng vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường

2 Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại giòn

Trạng thái giới hạn mỏi phải được xét đến trong tính toán như một biện pháp nhằm hạn chế về biên độ ứng suất do một xe tải thiết kế gây ra với số chu kỳ biên độ ứng suất dự kiến Trạng thái giới hạn phá hoại giòn phải được xét đến như một số yêu cầu về tính bền của vật liệu theo Tiêu chuẩn vật liệu

3 Trạng thái giới hạn cường độ

Trạng thái giới hạn cường độ phải được xét đến để đảm bảo cường độ và sự ổn định cục bộ và ổn định tổng thể được dự phòng để chịu được các tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống kê được định ra để cầu chịu được trong phạm vi tuổi thọ thiết kế của nó

Trạng thái giới hạn cường độ I: Tổ hợp tải trọng cơ bản liên quan đến việc sử dụng cho xe tiêu chuẩn của cầu không xét đến gió

Trạng thái giới hạn cường độ II: Tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu chịu gió với vận tốc vượt quá 25m/s

Trạng thái giới hạn cường độ III: Tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng xe tiêu chuẩn của cầu với gió có vận tốc 25m/s

TTGH cường độ là một TTGH được quyết định bởi cường độ tĩnh của vật liệu tại một mặt cắt

có vết nứt đã cho Có 3 tổ hợp tải trọng cường độ khác nhau được quy định trong bảng 1.1 Đối với một bộ phận riêng biệt của kết cấu cầu, chỉ một hoặc có thể hai trong số các tổ hợp tải trọng này cần được xét đến Sự khác biệt trong các tổ hợp tải trọng cường độ chủ yếu liên quan đến các hệ số tải trọng được quy định đối với hoạt tải Tổ hợp tải trọng sinh ra hiệu ứng lực lớn nhất được so sánh với cường độ hoặc sức kháng của mặt cắt ngang của cấu kiện

Trong tính toán sức kháng đối với hiệu ứng tải trọng đã nhân hệ số như lực dọc trục, lực uốn, lực cắt hoặc xoắn, sự không chắc chắn được biểu thị qua hệ số giảm cường độ hay hệ số sức kháng  Hệ số  là hệ số nhân của sức kháng danh định R n và điều kiện an toàn là thoả mãn phương trình tổng quát 3.3

Trong các cấu kiện BTCT, có những yếu tố không đảm bảo được chính xác như chất lượng vật liệu, kích thước mặt cắt ngang, việc đặt cốt thép và những công thức được dùng để tính sức kháng

Một số mô hình phá hoại có thể được đưa ra với độ chính xác cao hơn các mô hình khác

và hậu quả do sự cố của chúng là ít nguy hiểm Chẳng hạn, dầm chịu uốn thường được thiết

kế tương đối ít cốt thép, do đó phá hoại xảy ra do sự chảy từ từ của cốt thép chịu kéo, trong khi các cột chịu nén thường bị phá hoại đột ngột không có báo trước Mô hình phá hoại do cắt thường ít được hiểu biết và nó là sự kết hợp của mô hình phá hoại do kéo và do nén Do vậy,

hệ số  trong trường hợp này phải nằm trong khoảng giữa hệ số  của dầm chịu uốn và của cột chịu nén Hậu quả sự phá hoại của cột là nghiêm trọng hơn của dầm vì một cột bị phá hoại

sẽ kéo theo sự sụp đổ của một số dầm, do đó, dự trữ trong thiết kế cột cần phải lớn hơn Tất cả các lý do trên cũng như các nguyên nhân khác được phản ánh trong hệ số sức kháng, được quy định bởi AASHTO và được giới thiệu trong bảng sau

Bảng 3.1 Hệ số sức kháng đối với các kết cấu thông thường

Đối với uốn và kéo

Bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép dự ứng lực

0,90 1,00 Đối với cắt và xoắn

Bê tông có trọng lượng trung bình

Bê tông nhẹ

0,90 0,70 Đối với nén dọc trục có cốt thép xoắn, trừ trường hợp động đất

vùng 3 và 4

0,75

Đối với nén tại vùng neo

Bê tông có trọng lượng trung bình

Bê tông nhẹ

0,80 0,65

Đối với trường hợp uốn và nén kết hợp, hệ số  trong trường hợp nén có thể được lấy tăng lên tuyến tính từ giá trị 0,75 ở lực dọc trục nhỏ cho tới hệ số  đối với uốn thuần tuý ở lực dọc

bằng không Một lực dọc nhỏ được định nghĩa là 0,10.f’ c A g với f’ c là cường độ chịu nén 28

ngày của bê tông và A g là diện tích mặt cắt ngang nguyên của cấu kiện chịu nén

Đối với các dầm chịu kéo hoặc không chịu kéo được đặt cốt thép thường và cốt thép dự

ứng lực hỗn hợp, hệ số  phụ thuộc vào tỉ lệ dự ứng lực bộ phận (PPR) và được tính bằng