Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng lực trước

Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phương án kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước thường người thiết kế hay dùng một cấp bền chịu nén cho kết cấu cột và sàn

TỪ THỊ THÙY TRANG

LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN

BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Từ Thị Thùy Trang

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH xi

MỞ ĐẦU 15

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 15

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 15

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 15

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 15

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 16

CHƯƠNG 1 17

TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 17

1.1 GIỚI THIỆU KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 17

1.1.1 Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trước 17

1.1.2 Nguyên lý làm việc 17

1.1.3 Sự hình thành, phát triển của kết tông ứng lực trước 19

1.1.4 Tình hình sử dụng bê tông ứng lực ở Việt Nam 22

1.2 PHÂN LOẠI KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 24

1.2.1 Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trước 24

1.2.2 Theo vị trí bố trí cáp ứng lực trước 27

1.2.3 Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện ở giai đoạn sử dụng 27

1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 27

1.3.1 Ưu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thường 27

1.3.2 Nhược điểm 28

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 29

CHƯƠNG 2 30

CƠ SỞ LÝ THUYẾTVỀ TÍNH TOÁN SÀN BÊ TÔNG 30

ỨNG LỰC TRƯỚC 30

2.1 VẬT LIỆU TRONG BÊ TÔNG ỨNG LỰC 30

2.1.1 Bê tông cường độ cao 30

2.1.2 Thép ứng lực trước 32

2.2 CÁC QUAN NIỆM PHÂN TÍCH KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 37

2.2.1.Quan niệm thứ nhất 37

2.2.2 Quan niệm thứ hai 37

2.2.3 Quan niệm thứ ba 37

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG SÀN PHẲNG 40

2.3.1 Phương pháp phân phối trực tiếp 40

2.3.2 Phương pháp khung tương đương 43

2.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 45

2.4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 46

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 48

CHƯƠNG 3 50

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 50

3.1 SƠ ĐỒ - CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 50

3.1.1 Sơ đồ mặt bằng 50

3.1.2 Các thông số chính 50

3.2.CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG (KHUNG TRỤC B) 57

3.2.1.Xác định các cột tương đương 58

3.2.2.Xác định bản dầm tương đương 60

3.3 THIẾT KẾ CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC 61

3.3.1 Xác định hình dạng cáp ứng lực 61

3.3.2 Xác định lực ứng lực trước và tổn hao ứng suất 62

3.3.3 Xác định tải trọng cân bằng 65

3.4 KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU CẮT 66

3.4.1 Công thức tính toán 66

3.4.2.Tính toán kiểm tra tại sàn tầng 2 tương ứng với kích thước cột 1000x1000mm 67 3.4.3 Tính toán kiểm tra tại sàn tầng 10 tương ứng với kích thước cột 700x700mm 70

3.5 KIỂM TRA ĐỘ VÕNG CỦA SÀN 74

3.6 LẬP BẢNG SO SÁNH 77

3.6.1 So sánh kết quả tính toán 77

3.6.2 Nhận xét kết quả tính toán 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

1 KẾT LUẬN 79

2 KIẾN NGHỊ 79

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

TÓM TẮT LUẬN VĂN LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN

BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

Học viên: Từ Thị Thùy Trang; Chuyên ngành: Kỹ thuật XD CT DD & CN

Mã số: 60.58.02.08; Khóa: K32; Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Trong những năm gần đây, việc sử dụng sàn bê tông ứng lực trước trong

nhà nhiều tầng đem lại nhiều thuận lợi hơn so với sàn bê tông cốt thép thông thường

Hệ thống sàn bê tông ứng lực trước rất phù hợp cho sàn nhà nhiều tầng với tải trọng động và cần không gian lớn, cũng như các kết cấu cần vượt nhịp lớn Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phương án kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước thường người thiết kế hay dùng một cấp bền chịu nén cho kết cấu cột và sàn, điều này dẫn đến sự bất hợp lý trong việc tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu Luận văn nghiên cứu lựa chọn sử dụng cấp độ bền khác nhau giữa cột và sàn phẳng bê tông ứng lực trước đảm bảo điều kiện cường độ và khả năng biến dạng cần đảm bảo độ bền tối thiểu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 318 Từ đó đưa ra kiến nghị

sử dụng cấp độ bền chịu nén B hợp lý cho sàn khác cột trong thiết kế kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước cho nhà cao tầng trong một vài trường hợp cụ thể Toàn

bộ các kết quả nghiên cứu được và những kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo được trình bày chi tiết trong phần kết luận và kiến nghị

Từ khóa - sàn phẳng; bê tông ứng lực trước; bê tông cốt thép; cấp bền chịu nén bê

tông

-

THE SELECTION CONCRETE COMPRESSIVE STRENGTH LOGICALLY

OF PRESTRESSED SLAB Abstract -In recent years, pre-stressed concrete floors are used in a lot number of

high-rises and proved their advantages over reinforce concrete Pre-stressed concrete floor systems are ideally suited for high buildings where the live loads and great spaces are required and longer spans are desirable For civil and industrial construction For construction works of large size and number of floors, with pre-stressed concrete plan floor plan, it is usually designed or used for a durable construction of column and floor structure, which leads to unsuitable to make full use of the working ability of the material The dissertation study uses different durability levels between the prestressed concrete columns and slabs to ensure the strength and deformability of the concrete

It is necessary to ensure the minimum compressive strength required by ACI 318 It is therefore recommended to use a concrete compressive strength B for other floors in the design of pre-stressed concrete floor plan for high-rise buildings in a few specific cases The findings and recommendations for further studies are presented in the conclusions and recommendations section

Key words - flat slab; prestressed concrete; reinforced concrete ; concrete compressive strength

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

A diện tích tiết diện

I mô men quán tính

M mô men uốn

l,L chiều dài hoặc nhịp

Ac diện tích tiết diện ngang của bê tông

Aps diện tích tiết diện ngang của cốt thép ƯLT

As diện tích tiết diện ngang của cốt thép thường

Ec mô đun đàn hồi của bê tông

Eps mô đun đàn hồi của cốt thép ƯLT

Fbt khả năng chống chọc thủng của bản sàn phẳng

Fct tải trọng gây nên sự phá hoại theo kiểu chọc thủng

P0 lực căng ban đầu

Vp thành phần thẳng đứng của lực nén trước hiệu quả

Zb, Zt mô men quán tính tĩnh của tiết diện tại thớ trên và dưới

b0 chu vi của tiết diện tính toán quy ước

fc’ cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu trụ bê tông ở 28 ngày tuổi

fci’ cường độ chịu nén của bê tông tại thời điểm truyền lực

ft cường độ chịu kéo của bê tông

fpc ứng suất nén trung bình của bê tông do lực nén trước gây ra

fpe ứng suất hiệu quả của thép ƯLT

fpu giới hạn bền của thép ƯLT

fpy giới hạn chảy của thép ƯLT

fpi ứng suất căng ban đầu của thép ƯLT

fy cường độ của thép thường

hs chiều dày sàn

wb tải trọng cân bằng

Bảng 6 Tỷ lệ % mô men âm phân chia cho dải trên cột cho

Bảng 7 Độ dày tối thiểu của sàn bê tông ứng lực trước 46

Bảng 8 Bảng quy đổi cường độ nén của mẫu lăng trụ sang

Bảng 15 Bảng kích thước của cột dầm sàn của khung tương

đương sàn tầng 2 ứng với từng cấp bền nén 59

Bảng 16 Bảng kích thước của cột dầm sàn của khung tương

đương sàn tầng 10 ứng với từng cấp bền nén 60 Bảng 17 Xác định ứng suất trong cáp sau khi trừ đi tổn hao tức

Bảng 19 Xác định lực căng hiệu quả trên từng dải 64 Bảng 20 Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 2 70

Bảng 21 Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 10 74

Bảng 22 Kết quả phân tích độ võng tương ứng với từng cấp độ

Bảng 23 Bảng so sánh khả năng chịu lực 77

Hình 1.9 Sơ đồ phương pháp căng trước 25

Hình 1.11 Dầm sàn bê tông cốt thép thông thường và sàn bê

Hình 2.1 Hình dạng cáp ứng lực trước 33 Hình 2.2 Cốt thép ứng lực trước (cáp 7 sợi) 34

Hình 2.7 Kích thủy lực kéo cáp cho đường cáp dẹp, khả năng

Hình 2.9 Phân tích theo phương pháp ứng suất cho phép 38 Hình 2.10 Sơ đồ dải trên cột và dải giữa nhịp 42

Hình 2.13 Sơ đồ cáp đối với sàn liên tục 47 Hình 2.14 Sơ đồ cáp đối với sàn dạng bản công xôn 47

Hình 3.3 Mặt bằng dải sàn 57 Hình 3.4 Sơ đồ khung tương đương trục B 58

Hình 3.18 Bảng chuyển vị của sàn tương ứng cấp bền nén B35 76

Hình 3.19

Biểu đồ quan hệ khả năng chống chọc thủng của sàn tương ứng với từng cấp bền ở vị trí cột giữa và cột biên

78

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, việc sử dụng sàn bê tông ứng lực trước trong nhà nhiều tầng đem lại nhiều thuận lợi hơn so với sàn bê tông cốt thép thông thường Hệ thống sàn bê tông ứng lực trước rất phù hợp cho sàn nhà nhiều tầng với tải trọng động

và cần không gian lớn, cũng như các kết cấu cần vượt nhịp lớn

Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phương án kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước thường người thiết kế hay dùng một cấp bền cho kết cấu cột và sàn, điều này dẫn đến sự bất hợp lý trong việc tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu Cần lựa chọn sử dụng cấp độ bền khác nhau giữa cột và sàn phẳng bê tông ứng lực trước đảm bảo điều kiện cường độ và khả năng biến dạng đảm bảo độ bền tối thiểu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 318

Trong kết cấu nhà nhiều tầng hiện nay sử dụng sàn phẳng ứng lực trước, thường cấp bền trong cột bê tông cốt thép lớn hơn cấp bền của sàn ứng lực trước, và

sự bất hợp lý trong liên kết cột với sàn như chọc thủng, tăng cáp, tăng thép thường,

…Vì vậy, cần chọn một cấp bền nén trong sàn hợp lý để thỏa mãn điều kiện liên kết

và kinh tế

Việc nghiên cứu đề tài “Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng

lực trước” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Tính toán, lựa chọn cấp bền nén hợp lý của bê tông sàn phẳng ứng lực trước trong nhà nhiều tầng và từ đó đưa ra nhận xét và kiến nghị

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu:

Thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trước trong nhà nhiều tầng

- Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu sử dụng cấp bền chịu nén hợp lý trong việc thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trước (xét tại vị trí liên kết với cột nhà nhiều tầng)

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán sàn phẳng bê tông ứng lực trước;

- Thí dụ bằng số để kiểm chứng kết quả

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Sàn phẳng bê tông ƯLT với nhiều ưu điểm nên đã được sử dụng nhiều trong công trình nhà cao tầng và công trình công cộng Dựa vào kết quả nghiên cứu sẽ giúp người thiết kế có cái nhìn tổng quan về cấp bền chịu nén của bê tông sàn phẳng bê tông ƯLT so với cấp bền chịu nén của bê tông cột trong kết cấu nhà nhiều tầng Từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị khi thiết kế kết cấu sàn phẳng bê tông ƯLT

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Toàn bộ Luận văn được trình bày trong 3 chương Ngoài phần “Mở đầu” trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu thì nội dung chính của Luận văn được trình bày từ Chương 1 đến Chương 3 và phần Kết luận, kiến nghị

Chương 1, Tổng quan về sàn bê tông ứng lực trước

Chương 2, Cơ sở lý thuyết về tính toán sàn bê tông ứng lực trước

Chương 3, Ví dụ tính toán

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

1.1 GIỚI THIỆU KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

1.1.1 Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trước [3]

Cấu kiện bê tông cốt thép là sự kết hợp khả năng chịu kéo của cốt thép và chịu nén của bê tông Tuy nhiên, BTCT là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng cùng làm việc một cách bị động.Việc xuất hiện sớm các vết nứt trong kết cấu BTCT do sự biến dạng không tương thích giữa thép và bê tông là một trong những lý

do ứng dụng loại vật liệu mới là bê tông ứng lực trước

Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước, còn gọi là kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước, hay bê tông tiền áp, hoặc bê tông dự ứng lực (tên gọi Hán Việt) là kết cấu

bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp tích cực, có chủ ý giữa bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ cao Trong cấu kiện bê tông ƯLT, người ta đặt vào một lực nén trước bằng việc kéo các sợi cáp bằng thép cường độ cao đặt trong lòng các cấu kiện bê tông một cách phù hợp Lực nén này gây ra ứng suất nén trước trong bê tông và sẽ làm triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng tác dụng lên

Do vậy, sử dụng bê tông ƯLT sẽ làm tăng khả năng làm việc của cấu kiện cũng như tăng độ ổn định Nhờ hạn chế được độ võng, giảm kích thước tiết diện nên các kết cấu vượt nhịp lớn hơn hay khẩu độ lớn hơn, làm tăng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật so với bê tông cốt thép thường

Hình 1 1 Cấu kiện bê tông ứng lực trước

chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém như bê tông sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo

vì ứng suất kéo xảy ra sau khi ứng suất nén đã bị vô hiệu

1 Kết cấu chịu lực phân bố đều ;

2 Biến dạng của kết cấu bê tông cốt thép thường ;

3 Kéo căng cốt thép cường độ cao;

4 Buông cốt thép ứng lực trước ;

5 Biến dạng của bê tông cốt thép ứng lực trước;

6 Tải trọng tác dụng vào bê tông cốt thép ứng lực trước

Hình 1.2 Bê tông cốt thép ứng lực trước

Hình 1.3 Sơ đồ gây ứng lực trước trong cấu kiện bê tông chịu nén bằng cốt

thép cường độ cao

Sự khác nhau cơ bản giữa bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước là ở chỗ:

- Trong khi bê tông cốt thép chỉ là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt

thép để chúng cùng làm việc một cách bị động thì bê tông ứng lực trước là sự kết hợp

một cách tích cực, có chủ ý giữa bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ cao

- Trong cấu kiện bê tông ứng lực trước, người ta đặt vào một lực nén trước tạo

bởi việc kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại và sẽ tạo nên lực

nén trước, lực nén trước này gây nên ứng suất nén trước trong bê tông và sẽ triệt tiêu

hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra, do vậy làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông và làm hạn chế sự phát triển của vết nứt

- Sự kết hợp rất hiệu quả đó đã tận dụng được các tính chất đặc thù của hai loại vật liệu, đó là trong khi thép có tính đàn hồi và cường độ chịu kéo cao thì bê tông là vật liệu dòn và có cường độ chịu kéo rất nhỏ so với cường độ chịu nén của nó Như vậy ứng lực trước chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau

Chính vì vậy bê tông ứng lực trước đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cường độ cao

- Cốt thép trong bê tông, là cốt thép cường độ cao, được kéo căng ra bằng máy kéo ứng lực trước, đạt tới một giá trị ứng suất nhất định, được thiết kế trước, nằm trong giới hạn đàn hồi của nó, trước khi các kết cấu bê tông cốt thép này chịu tải

- Lực căng cốt thép này làm cho kết cấu bê tông biến dạng ngược với biến dạng

do tải trọng gây ra sau này khi kết cấu làm việc Nhờ đó, kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước có thể chịu tải trọng lớn gần gấp đôi so với kết cấu này, khi không căng cốt thép ứng lực trước (Khi chịu tải trọng bình thường, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ

đủ để triệt tiêu biến dạng do căng trước, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trước khi căng, giống như không hề chịu tải gì.)

Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, thì cốt thép cùng với vật liệu bê tông chỉ thực sự làm việc (có ứng suất) khi có sự tác dụng của tải trọng Còn ở kết cấu ứng lực trước, trước khi đưa vào chịu tải thì kết cấu đã có trong nó một phần ứng suất ngược rồi Cốt lõi của việc kết cấu bê tông ứng lực trước có khả năng chịu tải rất lớn

là nhờ việc tạo ra các biến dạng ngược với khi làm việc bình thường Việc sử dụng vật liệu cơ tính cao như: cốt thép cường độ cao, bê tông có cấp bền chịu nén cao chỉ là điều kiện phụ trợ để tăng khả năng chịu tải của kết cấu bê tông ứng lực trước

1.1.3 Sự hình thành, phát triển của kết tông ứng lực trước trên thế giới [3]

Nguyên lý tạo ƯLT đã được ứng dụng trong thực tế từ nhiều thế kỷ trước, khi con người chế tạo những thùng chứa chất lỏng như nước, rượu… hay khi làm trống, các thanh gỗ phẳng hoặc cong được ghép lại thật khít nhờ những đai bằng dây thừng hay bằng kim loại Khi xiết chặt các đai ở thành thùng, xuất hiện các ứng lực nén vòng ngược chiều tác dụng với các ứng suất kéo gây ra do áp lực thủy tĩnh hay áp lực hơi Nhờ vậy trong thành thùng còn lại những ứng suất nén hoặc kéo vòng với giá trị nhỏ so với khả năng chịu nén, kéo của vật liệu đồng thời tạo nên sự khít chặt giữa các mảnh ghép thành thùng Kết quả thùng có thể chịu được áp lực lớn của chất lỏng bên trong mà không bị thấm hay rò rỉ

Đai dây song giằng quanh thùng lều gỗ Đai thép giằng quanh thùng rượu gỗ

Hình 1.4 Ứng lực trước của một số dụng cụ

- Bê tông cốt thép ứng lực trước ở thời kỳ sơ khai đã được nghiên cứu từ thế kỷ

19, tuy nhiêu các kết quả thu được không hoàn toàn thành công Điều đó được thể hiện qua các hiện tượng:

+ Khả năng chịu lực của cấu kiện này giảm theo thời gian ;

+ Co ngótvà từ biến của bê tông làm giảm hiệu quả của ứng lực trước

- Giải pháp khắc phục các nhược điểm trên là:

+ Dùng thép cường độ cao để làm cốt thép ứng lực trước ;

+ Dùng bê tông cường độ cao

Hình 1.5 Bê tông ứng suất lực trước thế kỷ 19

Năm 1886, P.H Jackson, một kỹ sư người San Francisco, đã giành được bằng sáng chế nhờ việc buộc chặt các sợi dây thép vào bê tông khi thi công sàn nhà bằng phương pháp cuốn vòm Vào năm 1888, C.E.W Doehring, người Đức, cũng đã nhận được bằng sáng chế nhờ vào việc tạo nên lực kéo trước vào kim loại đặt trong bê tông trước khi chất tải lên sàn Tuy vậy phương pháp này không đem lại hiệu quả mong muốn vì chỉ một thời gian ngắn sau khi căng và bê tông đã đông cứng thì trong bê tông hầu như không còn ứng suất nén nữa Hiện tượng này được gọi là sự tổn hao ứng suất

do co ngót và từ biến của bê tông

Trong những năm 1928 - 1929, sự phát triển của bê tông ƯLT hiện đại thực sự được khởi đầu khi E Freyssinet, người Pháp sử dụng các sợi thép có cường độ cao để nâng cao lực gây ứng suất trước trong bê tông lên tới trên 400 kG/cm2 mới có thể triệt tiêu được toàn bộ các tổn hao ứng suất do các nguyên nhân xảy ra trong quá trình thi công và sử dụng kết cấu Tuy nhiên phương pháp thực hành đầu tiên được tìm ra bởi

E Hoyer, người Đức Với phương pháp này các sợi thép được căng giữa hai bệ neo đặt cách nhau vài chục mét trước khi đúc một vài cấu kiện trong các khuôn đặt giữa hai khối neo, khi bê tông đạt đủ cường độ, sợi thép được cắt khỏi neo và sẽ gây nên ƯLT trong các cấu kiện đó

Hình 1.6 Bức chân dung của Eugene Freyssinet

Thành công trong việc tạo ƯLT bằng việc sử dụng cốt thép cường độ cao đã nhanh chóng đưa kết cấu bê tông ƯLT vào các công trình xây dựng Đến năm 1939, E Freyssinet đã sáng chế ra công cụ căng thép bằng loại kích rỗng hai thì và bộ neo hình côn có độ tin cậy cao trong việc giữ hai hoặc một đầu cốt thép được căng không bị tuột đảm bảo cho sự truyền lực căng vào kết cấu trong quá trình thi công và sử dụng Từ năm 1945, trong bối cảnh sau chiến tranh thế giới lần thứ hai và sự khan hiếm của thép xây dựng ở Châu Âu, với đặc điểm sử dụng ít thép hơn, bê tông ƯLT đã trở thành một vật liệu xây dựng đóng vai trò quan trọng Trong gần 500 cầu được xây dựng ở Đức từ năm 1949 đến 1953 đã có 350 cầu dùng bê tông ƯLT Tại Mỹ chú trọng ứng dụng bê tông ƯLT vào xây dựng các bể chứa nhiên liệu có dung tích từ 10.000 m3 trở lên

Trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng, sử dụng bê tông ƯLT cho phép tăng kích thước lưới cột, giảm chiều cao tầng, giảm thời gian thi công, khối lượng thép cũng giảm đáng kể Các kết cấu bê tông ƯLT được ứng dụng phổ biến một phần nhờ

đã sản xuất được các loại thép cường độ cao, các loại cáp ƯLT, các loại neo và phụ kiện kèm theo phù hợp với các tiêu chuẩn tiên tiến, có giá thành hợp lý như Trung Quốc, Singapore, Thái Lan…

1.1.4 Tình hình sử dụng bê tông ứng lực ở Việt Nam [3]

Kết cấu bê tông ứng lực trước được nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 60 thế kỷ XX Cầu Phủ Lỗ và các kết cấu chịu lực nhà máy đóng tàu Bạch Đằng

là những công trình ứng dụng công nghệ bê tông ứng lực trước đầu tiên do các đơn vịthiết kế trong nước thực hiện

Từ những năm 80 thế kỷ trước đến nay, công nghệ bê tông ứng lực trước đã phát triển ở Việt Nam khá nhanh chóng với trình độ tiên tiến thế giới Trong xây dựng cầu, trước năm 1990 đã thực hiện việc chế tạo các dầm khẩu độ lớn phục vụ cho cáccông trình cầu lớn mà điển hình là cầu Thăng Long Trong giai đoạn gần đây (sau 1990) trong xây dựng cầu ngoài việc chế tạo các hệ dầm đúc sẵn nhịp lớn, công nghệ

bê tông ứng lực trước căng sau đang được áp dụng cho các kết cấu cầu nhịp lớn theo phương pháp đúc đẩy và đúc hẫng Hiện nay, phần lớn các cầu bê tông đang được xây dựng ở nước ta đều ứng dụng công nghệ ứng lực trước

Trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, hàng loạt các silô, tháp chứa trong các nhà máy xi măng Hoàng Thạch, Hà Tiên… đều có đường kính lớn từ

24 đến 30m và cao tới 63m, đều được thiết kế dùng bê tông ƯLT căng sau Nhờ vậy,chiều dày thành silô giảm đáng kể từ 30cm xuống 20-25cm so với các silô dùng bê tông thường (từ 40cm đến 50cm) Trước đây, công tác thiết kế và gây ứng lực trước đều do các công ty nước ngoài đảm nhận Nhưng từ khi, công trình Nhà Điều Hành Đại học Quốc Gia Hà Nội được các đơn vị thiết kế, thi công và giám sát trong nước thực hiện vào năm 1995 đã đánh dấu một bước phát triển mới trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam

Từ những năm 1990 trở lại đây, trước yêu cầu xây dựng nhà nhiều tầng, nhà nhịp lớn tăng mạnh và do công nghệ kỹ thuật nước ngoài ngày càng được phổ cập rộng rãi, công nghệ ứng lực trước đã bắt đầu được sử dụng nhiều trong kết cấu công trình ở Việt Nam, chủ yếu là trong kết cấu sàn, và có xu hướng trở nên phổ biến hơn

Tại Hà Nội, TP.HCM và các TP khác của nước ta trong những năm qua đã có những bước đột phá trong việc xây dựng các khu chung cư cao tầng, nhà làm việc, văn phòng cho thuê hay các khu tổ hợp đa chức năng ứng dụng công nghệ bê tông ƯLT cho phép tăng kích thước lưới cột, giảm chiều cao tầng, giảm thời gian thi công, khối lượng thép cũng giảm đáng kể

Có thể nói hệ sàn bê tông ƯLT đã và đang là một nhu cầu không thể thiếu trong xây dựng các nhà nhiều tầng tại các đô thị và thành phố trong cả nước

Hình 1.7.Tòa nhà Keangnam, Hà Nội

Hình 1.8 Tòa nhà F.HOME, Đà Nẵng

1.2 PHÂN LOẠI KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

Phân loại bê tông ƯLT tùy thuộc vào đặc điểm thiết kế và phương pháp thi công

1.2.1 Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trước

a Bê tông ứng lực trước căng trước

Cốt thép ứng lực trước được kéo căng ra trước trên bệ khuôn đúc bê tông trước khi chế tạo kết cấu bê tông (như căng dây đàn) Sau đó kết cấu bê tông được đúc bình thường với cốt thép ứng lực trước như kết cấu bê tông cốt thép thông thường Đến khi

bê tông đạt đến một giá trị cường độ nhất định để có thể giữ được ứng lực trước, thì tiến hành cắt cốt thép rời ra khỏi bệ căng Do tính đàn hồi cao của cốt thép, nó có xu hướng biến dạng co lại dọc theo trục của cốt thép Nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép ứng lực trước, biến dạng này được chuyển hóa thành biến dạng vồng ngược của kết cấu bê tông so với phương biến dạng khi kết cấu bê tông chịu tải trọng Phương pháp này tạo kết cấu ứng lực trước nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép,

và được gọi là phương pháp căng trước vì cốt thép được căng trước cả khi kết cấu bê tông được hình thành và đạt tới cường độ thiết kế Phương pháp này, cần có một bệ căng cố định nên thích hợp cho việc chế tạo các kết cấu bê tông ứng lực trước đúc sẵn trong các nhà máy bê tông đúc sẵn

Hình 1.9 Sơ đồ phương pháp căng trước

- Ưu điểm của phương pháp căng trước là có thể phân bố lực nén đều đặn trong cấu kiện dựa trên lực bán dính trên suốt chiều dài cốt thép nên ít có rủi ro do tổn hao ứng lực trước

- Nhược điểm của phương pháp này là phải lắp đặt bệ tỳ phức tạp

b Bê tông ứng lực trước căng sau

Phương pháp này thường sử dụng cho kết cấu bê tông đổ tại chỗ Trước hết đặt thép ứng lực trước và cốt thép thông thường rồi đổ bê tông Khi bê tông đạt đến cường

độ nhất định thì tiến hành căng cốt thép với ứng suất quy định Sau khi căng xong, cốt thép ứng lực trước được neo chặt vào đầu cấu kiện, thông qua các neo đó, cấu kiện sẽ

bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép Trong phương pháp căng sau, kết cấu

bê tông cốt thép ứng lực trước được chia làm 2 loại:

Đây là loại kết cấu ứng lực trước được thi công căng cốt thép sau khi hình thành kết cấu nhưng trước khi chịu tải và sử dụng phản lực đầu neo hình côn tại các đầu của cốt thép ứng lực trước để truyền áp lực ép mặt sang đầu kết cấu bê tông (gây ứng lực trước) Phương pháp này, không dùng lực bám dính giữa bê tông và cốt thép để tạo ứng lực trước, nên còn gọi là ứng lực trước căng sau không bám dính (kết cấu bê tông ứng lực trước dùng cáp không dính kết)

Cốt thép được lồng trong ống bao có chứa mỡ bảo quản chống gỉ, và được đặt bình thường vào trong khuôn đúc bê tông mà chưa được căng trước Sau đó, đổ bê tông vào khuôn bình thường như chế tạo kết cấu bê tông cốt thép thông thường Đến khi kết cấu bê tông cốt thép đạt cường độ nhất định đủ để chịu được ứng lực căng thì mới tiến hành căng cốt thép ứng lực trước Cốt thép được kéo căng cốt thép dần dần bằng máy kéo ứng lực trước đến giá trị ứng suất thiết kế, nhưng vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi của cốt thép ứng lực trước Sau mỗi hành trình kéo thép, cốt thép lại được buông ra khỏi máy kéo, lúc đó cốt thép có xu hướng co lại vì tính đàn hồi Nhưng do các đầu cốt thép (một trong hai hay cả hai đầu) được giữ lại bởi neo ba lá hình côn nằm trong hốc neo hình côn bằng thép bịt ở hai đầu kết cấu bê tông, mà biến dạng đàn hồi này của cốt thép được chuyển thành phản lực đầu neo dạng áp lực ép mặt của má côn thép truyền sang đầu kết cấu bê tông (tạo ra ứng lực trước) Nhờ đó kết cấu bê tông được uốn vồng ngược với khi làm việc Khi đạt đến ứng lực trước thiết kế thì mới cho kết cấu chịu tải trọng (cho làm việc) Cốt thép ứng lực trước có thể là dạng thanh, dạng sợi cáp hay bó cáp Mỗi sợi cốt thép ứng lực trước được tự do chuyển động trong lòng ống bao bằng nhựa có mỡ bôi trơn, mà không tiếp xúc với bê tông Giữa bê tông

và cốt thép không hề có lực bám dính

- Phương pháp này thuận lợi cho việc thi công tại hiện trường Ứng dụng cho các kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước đổ tại chỗ Tuy vậy, nhược điểm của phương pháp này là chỉ dựa vào các đầu neo để giữ ứng lực trước Nếu các đầu neo này bị hỏng thì ứng lực trước trong cốt thép sẽ mất, kết cấu trở thành kết cấu bê tông thông thường, không đảm bảo chịu lực nữa

Đây là dạng kết cấu ứng lực trước căng sau, sử dụng cả lực bám dính giữa cốt thép ứng lực trước với kết cấu bê tông, lẫn phản lực ép mặt đầu neo để giữ ứng lực trước Loại này còn gọi là kết cấu bê tông ứng lực trước căng sau có bám dính Cốt thép được đặt trong ống bao Ống bao bằng nhựa, nhôm hay thép được đặt trong kết cấu bê tông

Tiến hành tạo kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau như dạng không liên kết Nhưng sau khi căng cốt thép đến ứng suất thiết kế, thì tiến hành bơm (hồ) vữa

xi măng với áp lực cao vào trong lòng các ống bao để vừa tạo lớp vữa bảo vệ cốt thép vừa tạo môi trường truyền ứng lực bằng lực bám dính giữa cốt thép với vữa xi măng đông kết, ống bao và kết cấu bê tông bên ngoài

Việc kiểm tra độ đầy chặt vữa xi măng trong ống bao được tiến hành nhờ có các đầu ống kiểm tra cắm vào trong ống bao Bơm vữa áp lực cao tới khi phun đầy vữa ra các đầu thăm này có thể biết vữa đã chứa đầy trong ống cáp đến đoạn nào của kết cấu

Sau khi căng cáp ứng lực trước xong thì bắt đầu bơm vưa, vữa được bơm vào gồm xi măng với một số phụ gia hóa học, trong đó chủ yếu là phụ gia hóa dẻo và phụ gia trương nở Vữa được bơm từ đầu này và tràn lên đầu bên kia Sau khi thấy vữa tràn lên đầu bên kia thì dùng túi nilông đóng chèn vào bịt lỗ, bó cáp đã được bơm vữa xi măng

Trong trường hợp, quá trình bơm vữa gặp sự cố tắc ống gel Khi đó, vữa xi măng sẽ không bơm qua tới đầu bên kia được Cách xử lý trong trường hợp này là phải khoan ở giữa đường bơm ống để tạo lỗ và vữa sẽ tràn lên theo lỗ này, có nghĩa là ống này phải bơm thành 2 lần ở 2 phía

Đây là dạng kết cấu bê tông ứng lực trước căng sau cải tiến, có nhiều ưu điểm

Áp dụng cho kết cấu đúc tại chỗ tại hiện trường, mà ít gặp rủi ro do tổn hao ứng lực trước tại đầu neo

1.2.2 Theo vị trí bố trí cáp ứng lực trước

Người ta phân thành phương pháp căng trong và căng ngoài Phương pháp căng trong là cách căng trước thép ƯLT nằm trong bê tông như đã đề cập tới ở trên Khi thép ƯLT nằm bên ngoài cấu kiện, ta có phương pháp căng ngoài Ngoài ra, có thể tạo lực ƯLT bởi các tác nhân khác bên ngoài cấu kiện, ví dụ như đối với các kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục, khung, vòm…, bằng cách chuyển vị cưỡng bức gối tựa có thể tạo nên ứng suất trước nhằm điều chỉnh hợp lý sự phân bố nội lực trong kết cấu

1.2.3 Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện ở giai đoạn sử dụng

Người ta phân thành ứng lực toàn phần và ứng lực một phần Ứng lực toàn phần nghĩa là cấu kiện được thiết kế sao cho không xuất hiện ứng suất kéo khi chịu tải trọng

sử dụng Nếu dưới tác dụng của tải trọng sử dụng, sau khi ƯLT vẫn có ứng suất kéo được khống chế trong cấu kiện, người ta gọi đó là ứng lực một phần

1.2.4 Theo việc đặt cáp ứng lực trước trong cấu kiện

Người ta phân thành ứng lực thẳng và ứng lực vòng Đối với các cấu kiện có dạng thẳng như dầm, sàn… tuy rằng bản thân các sợi cáp được đặt theo hình parabol nhưng chúng không bị uốn cong trên mặt bằng, vì vậy được gọi là ứng lực thẳng Đối với các kết cấu có tiết diện dạng tròn như silô, bể chứa…, các cáp ƯLT được đặt theo chu vi của cấu kiện, do vậy được gọi là ứng lực vòng

1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

1.3.1 Ưu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thường

So với kết cấu bê tông cốt thép thường ưu điểm nổi bật của kết cấu bê tông ứng lực trước là :

- Kết cấu có khả năng vượt nhịp lớn, tăng tương đối chiều cao thông thủy, tạo

độ phẳng trần đáp ứng yêu cầu kiến trúc, sử dụng không gian linh hoạt;

- Làm giảm ứng suất kéo, hạn chế độ võng và vết nứt trong cấu kiện bê-tông ;

- Trọng lượng bản thân sàn được giảm nhẹ Bề dày sàn ứng lực giảm xuống còn khoảng 50 – 80% bề dày của sàn bê tông cốt thép thông thường với cùng kích thước nhịp và điều kiện tải trọng Việc giảm trọng lượng bản thân sàn sẽ kéo theo khối lượng tổng thể giảm, giảm tải tọng tác dụng lên móng;

- Cần thiết và có thể dùng được thép cường độ cao

Trong bê tông cốt thép thường, không dùng được thép cường độ cao, vì những khe nứt đầu tiên ở bê tông sẽ xuất hiện khi ứng xuất trong cốt thép chịu kéo quá mới chỉ đạt giá trị từ 200 đến 300 kG/cm2 Khi dùng thép cường độ cao ứng xuất trong cốt thép chịu kéo có thể đạt tới trị số 10000 đến 12000 kG/cm2 hoặc lớn hơn Điều đó làm xuất hiện các khe nứt rất lớn, vượt quá giá trị giới hạn cho phép

Trong bê tông cốt thép ứng lực trước, do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước của cốt thép nên cần thiết và có thể dùng được thép cường độ cao Kết quả là dùng ít thép hơn vào khoảng 10 đến 80%

- Giảm khối lượng thép gia cường trong mặt cắt bê tông ;

- Tiến độ thi công sàn nhanh, do sử dụng bê tông mác cao kết hợp phụ gia Một

số công trình đã được xây dựng cho thấy tiến độ thi công trung bình 7-10 ngày/ tầng cho diện tích xây dựng 400-500 m2/sàn Tiết kiệm thời gian lắp dựng ván khuôn

- Thi công lắp đặt đường ống kỹ thuật hoàn thiện thuận tiện dễ dàng hơn do sàn phẳng, không vướng dầm;

- Đặc biệt, trong thiết kế chịu động đất, hệ sàn đóng vai trò rất quan trọng trong

sự làm việc tổng thể của kết cấu chịu động đất Chúng làm việc như những tấm cứng ngang, tiếp nhận các lực quán tính sang hệ kết cấu thẳng đứng và đàm bảo cho các hệ kết cấu này cùng nhau làm việc

Hình 1.11 Dầm sàn bê tông cốt thép thông thường và sàn bê tông ứng lực trước

1.3.2 Nhược điểm

Ứng suất 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

Quy trình tính toán cũng như thi công kết cấu bê tông ứng lực khá phức tạp so với bê tông cốt thép thông thường, nên đòi hỏi các nhà tư vấn thiết kế, tư vấn giám sát, thi công cần có những kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm nhất định

Cần đảm bảo yêu cầu an toàn lao động do chế tạo bê tông ƯLT cần phải có thiết

bị đặc biệt, có công nhân lành nghề và có sự kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật, nếu không

có thể làm mất ƯLT do tuột neo, do mất lực dính

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua nội dung Chương 1, cùng với ưu điểm nổi trội của bê tông ƯLT so với BTCT thường mà các kết cấu công trình ở Việt Nam ngày càng sử dụng rộng rãi sàn phẳng ứng lực trước, đáp ứng được các yêu cầu kiến trúc và công năng sử dụng

Chương 2 sẽ tiếp tục nghiên cứu về cơ sở lý thuyết tính toán sàn phẳng bê tông ƯLT

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾTVỀ TÍNH TOÁN SÀN BÊ TÔNG

ỨNG LỰC TRƯỚC

2.1 VẬT LIỆU TRONG BÊ TÔNG ỨNG LỰC

2.1.1 Bê tông cường độ cao

Bê tông dùng trong cấu kiện bê tông ƯLT là bê tông nặng Việc lựa chọn cấp

độ bền bê tông phụ thuộc vào dạng, loại và đường kính của cốt thép căng, cũng như phụ thuộc vào việc có dùng neo hay không dùng neo

Ngoài ra việc lựa chọn cấp độ bền bê tông còn phụ thuộc vào cường độ mà nó cần phải có khi bắt đầu gây ƯLT, cũng như vào loại tải trọng tác dụng lên cấu kiện Thông thường, với kết cấu nhịp lớn dầm, dàn nên dùng bê tông có cấp độ bền B40 hoặc B45, còn đối với kết cấu có nhịp thông thường như panen, xà gỗ nên dùng bê tông B30 hoặc B35 Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08, bê tông đạt cường độ chịu nén tại

28 ngày tuổi từ 27,58 đến 68,95 MPa

a Đặc tính yêu cầu của bê tông ứng lực trước

Bê tông dùng trong kết cấu bê tông ƯLT phải có chất lượng cao, với các đặc tính yêu cầu cơ bản như sau:

- Bê tông căng sau có cường độ nén tối thiểu ở 28 ngày: fc 28 MPa

- Bê tông căng trước có cường độ nén tối thiểu 28 ngày: fc 32MPa

- Bê tông ở giai đoạn nén trước (transfer) có cường độ tối thiểu 25 MPa

b Ứng suất cho phép trong bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318M - 08

Ứng suất cho phép trong bê tông được quy định và khống chế tùy theo từng tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08 được quy định như sau:

- Ứng suất trong bê tông ngay sau khi truyền lực ƯLT (trước khi xảy ra tổn hao ứng suất) không được vượt quá các giá trị sau:

+ Ứng suất nén lớn nhất: 0,60fci’

+ Ứng suất kéo tại hai đầu mút của cấu kiện có gối tựa đơn giản: 0,5√fci

+ Ứng suất kéo tại các vị trí khác: 0,25 √fci

Nếu ứng suất kéo vượt quá các giá trị trên thì cần bố trí thêm thép chịu kéo (thép thường hoặc thép ƯLT) vào vùng chịu kéo để chịu tổng lực kéo trong bê tông được tính toán với giả thiết tiết diện không bị nứt

- Ứng suất ứng với tải trọng làm việc (sau khi đã xảy ra tổn hao ứng suất)

+ Ứng suất nén lớn nhất do tải trọng dài hạn: 0,45fc’

+ Ứng suất nén lớn nhất do tổng tải trọng: 0,60fc’

+ Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện không cho phép nứt: 0,5√fc

+ Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện cho phép nứt: √fc

Ứng suất có thể vượt quá ứng suất cho phép nếu phân tích và kiểm tra chứng tỏ được kết cấu không bị hư hỏng

c Mô đun đàn hồi của bê tông

Đặc trưng ứng suất - biến dạng của bê tông khi chịu nén không phải là tuyến tính nhưng với tải trọng không vượt quá 30% cường độ phá hoại thì có thể giả thiết biến dạng là tuyến tính Cần xác định đặc tính biến dạng của bê tông dưới tác dụng của tải trọng ngắn hạn và tải trọng dài hạn để xác định cường độ chịu uốn và mô đun đàn hồi, từ đó tính toán độ võng của cấu kiện ƯLT Mô đun đàn hồi của bê tông tăng lên cùng với cường độ chịu nén trung bình của bê tông nhưng với tốc độ chậm hơn Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08, mô đun đàn hồi của bê tông: Ec 4.730√fc (MPa)

Bảng 1 Quy định cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước [1]

Loại và nhóm cốt thép căng Cấp độ bền của bê tông

A-VI và AT-VII B30

Theo tiêu chuẩn ACI 318M-08, bê tông ƯLT có cường độ nén mẫu lăng trụ ở

28 ngày tuổi 28 - 55MPa; Với cường độ như vậy, bê tông sẽ có sự co ngót nhỏ, đặc tính từ biến nhỏ và có mô đun đàn hồi cao, giảm lượng hao tổn ứng suất trong thép ƯLT

2.1.2 Thép ứng lực trước

Trong cấu kiện bê tông ƯLT cần dùng thép cường độ cao, bởi vì trong quá trình chế tạo và sử dụng một phần ứng suất căng ban đầu bị mất đi Tốt nhất là dùng sợi thép cường độ cao

a Phân loại thép ứng lực trước

Theo TCVN 5574:2012, các loại thép sợi tròn, thép thanh dùng làm cốt thép bê tông ƯLT bao gồm:

- Thép thanh nhóm A-V (A-V, Aт-V, Aт-VK, Aт-VCK), A-VI (A-VI, Aт-VI, Aт-VIK) và Aт-VII;

- Thép sợi kéo nguội: Tròn trơn B-II, có gờ nhóm Bp-II;

- Thép cáp: Loại 7 sợi K-7, loại 19 sợi K-19;

- Cho phép sử dụng thép thanh nhóm CIV, A-IV (A-IV, IV, IVC, IVK) và A-IIIB làm cốt thép căng

AT Trong các kết cấu có chiều dài không lớn hơn 12m nên ưu tiên sử dụng cốt thép thanh nhóm AT-VII, AT-VI và AT-V Để làm cốt thép căng cho kết cấu bê tông ƯLT làm từ bê tông nhẹ có cấp B7,5 đến B12,5, nên sử dụng các loại thép thanh sau đây: CIV, A-IV (A-IV, AT-IV, AT-IVC, AT-IVK) và A-IIIB

- Để làm cốt thép căng cho kết cấu chịu áp lực hơi, chất lỏng và vật liệu rời nên dùng các loại thép sau đây:

+ Thép sợi nhóm B-II, Bp-I và thép cáp K-7 và K-19;

+ Thép thanh nhóm A-V, A-VI và AT-VII;

+ Thép thanh nhóm CIV, A-IV (A-IV, Aт-IV, Aт-IVK, Aт-IVC)

Trong các kết cấu trên cũng cho phép sử dụng thép nhóm A-IIIв

Để làm cốt thép căng trong các kết cấu làm việc trong môi trường xâm thực mạnh nên ưu tiên dùng thép nhóm CIV, A-IV, cũng như các loại thép nhóm Aт-VIK, Aт-VK, Aт-VCK và Aт-IVK

b Đặc tính yêu cầu của thép ứng lực trước

1 Cường độ kéo cao

2 Độ dẻo lớn, ít bị ăn mòn

3 Dễ uốn, tại các điểm uốn (harping point) và gần vùng neo

4 Lực dính bám với bê tông cao, đặc biệt cho kết cấu căng trước

5 Sự chùng ứng suất thấp, để giảm hao tổn ứng suất trong thép

c Ứng suất cho phép trong thép ƯLT theo ACI 318M-08

- Ứng suất ban đầu khi căng thép ƯLT:

fp0 min(0,80fpu; 0,94fpy)

- Ứng suất ngay sau khi cắt thép ƯLT (transfer)

fpt min(0,74fpu; 0,82fpy)

- Ứng suất tại đầu neo sau khi cắt thép ƯLT:

fp2 0,70fpu

Bảng 2 Độ bền tối thiểu của thép thanh ứng lực trước [1]

Nhóm thép thanh Giới hạn chảy, MPa Giới hạn bền, MPa

Bảng 3 Độ bền tối thiểu của thép sợi ứng lực trước [1]

Nhóm thép sợi Giới hạn chảy, MPa Giới hạn bền, MPa

+ Sợi thép có cường độ cao (wires): Có đường kính từ 2,5 - 8mm, bề mặt có thể

có gờ hoặc không;

+ Sợi cáp (Strands): Gồm nhiều sợi thép bện xoắn lại với nhau Thường có loại

2 sợi, 3 sợi và 7 sợi Cáp 7 sợi (đường kính sợi 3mm - 5mm) sử dụng phổ biến nhất, được chế tạo từ 6 sợi thép xoắn quanh một sợi thẳng ở giữa;

Hình 2.1 Hình dạng cáp ứng lực trước

- Ống nối ống gen với đầu neo sống (ống nối đầu sống): Ống nối ống gen với neo sống được làm bằng nhựa hoặc được nối trực tiếp bằng ống gen và được quấn băng keo rất kỹ nhằm không cho vữa chui vào ống gen trong quá trình đổ bê tông;

- Ống nối ống gen với đầu neo chết (ống nối đầu chết): Ống nối ống gen với đầu neo chết được làm bằng nhựa hoặc bằng ống gen có đường kính lớn hơn;

- Hệ đầu neo kéo và hệ đầu neo chết:

+Hệ đầu neo kéo gồm có đế neo, khóa neo và nêm

+ Tại đầu neo kéo, thân neo và khuôn hộc đầu neo bằng nhựa sẽ được cố định vào ván khuôn thành trước khi đổ bê tông, khuôn hộc đầu neo phải được bôi dầu trước khi đổ bê tông

+ Tại đầu neo chết, mũ bịt đầu neo chết cùng với ống bơm vữa được lắp

và bịt kín để nước xi măng không rò rỉ vào trong quá trình đổ bê tông

Hình 2.5 Van bơm vữa bằng nhựa

- Vòi bơm vữa: Vòi bơm vữa bằng nhựa có đường kính trong 12mm Chiều dài vòi bơm vữa dài từ 300mm đến 400mm;

- Con kê: Các ống cáp được đỡ bằng các con kê đặt cách nhau từ 1200mm phía dưới của ống trừ khi có quy định khác Các thanh đỡ với chiều cao khác

800mm-nhau phải được làm bằng tao cáp hoặc thép Chân của thanh đỡ được phủ sơn chống

gỉ Tại các điểm cao nhất và thấp nhất, đường cáp có thể cố định vào lớp thép trên cùng và dưới cùng để đạt được biến dạng mong muốn mà không cần đến con kê;

Hình 2.6 Bố trí con kê

- Băng keo: Băng keo PVC có độ bám dính tốt dưới ánh nắng;

- Vữa: Vữa dùng để lấp các khe thi công, các mối nối của cấu kiện ghép, để làm lớp bảo vệ cốt thép và bảo vệ các neo, phải có mác từ 15 trở lên Vữa dùng để bơm vào các ống rãnh phải có mác không nhỏ hơn 30 và phải dễ chảy, ít co ngót Hỗn hợp vữa bao gồm:

+ Ximăng Portland PC40 hoặc PCB40 trong bao 50 kg + Nước sạch

+ Phụ gia Sika Intraplast Z-HV cho vữa (tác dụng trương nở cho vữa) + Phụ gia Sikament NN cho vữa (tác dụng: tăng độ nhớt cho vữa) Yêu cầu kỹ thuật:

+ Độ chảy : 12-25 giây + Độ rỉ nước : tối đa 2% sau 3 giờ, nước sẽ được hấp thụ lại sau 24h + Cường độ nén : tối thiểu 27N/mm2 sau 7 ngày va 30N/mm2 sau 28 ngày

+ Thời gian trộn : tối thiểu 4 phút

- Kích thủy lực: Kích thủy lực có tác dụng kéo các sợi cáp trong đường cáp Các kích thủy lực đưa vào sử dụng phải có chứng chỉ kiểm định để đảm bảo độ chính xác lực khi kéo căng;

Hình 2.7 Kích thủy lực kéo cáp cho đường cáp dẹp, khả năng tạo lực tối đa 256kN

- Máy bơm thủy lực: Máy bơm thủy lực có tác dụng truyền áp lực cho kích thủy lực theo đúng thiết kế, áp lực này được đo bằng đồng hồ đo áp Đồng hồ đo áp phải có chứng chỉ kiểm định để đảm bảo độ chính xác khi đo áp lực

Hình 2.8 Máy bơm thủy lực

2.2 CÁC QUAN NIỆM PHÂN TÍCH KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC [3]

Hiện nay, cấu kiện bê tông ƯLT được phân tích dựa trên ba quan niệm cơ bản sau đây:

2.2.1 Quan niệm thứ nhất

Quan niệm này coi bê tông ƯLT như vật liệu đàn hồi, tính toán theo ứng suất cho phép Bê tông là vật liệu chịu nén tốt, chịu kéo kém Nếu không phải chịu ứng suất kéo do đã được nén trước thông qua việc kéo trước cốt thép, trong bê tông sẽ không bị xuất hiện vết nứt, như vậy có thể xem như bê tông ƯLT là vật liệu đàn hồi

Với quan niệm này, khi bê tông đặt vào trạng thái chịu lực thì ứng suất kéo gây

ra do tải trọng ngoài sẽ bị triệt tiêu bởi ứng suất nén trước, nhờ vậy sẽ hạn chế được bề rộng vết nứt và khi vết nứt chưa xuất hiện thì có thể sử dụng các phương pháp của lý thuyết đàn hồi để tính toán

2.2.2 Quan niệm thứ hai

Quan niệm này coi bê tông ƯLT làm việc như BTCT thường với sự kết hợp giữa bê tông và thép cường độ cao, bê tông chịu nén và thép chịu kéo và gây ra một cặp ngẫu lực kháng lại mô men do tải trọng ngoài gây ra

+ Nếu sử dụng thép cường độ cao đơn thuần như thép thường thì khi bê tông xuất hiện vết nứt, thép vẫn chưa đạt đến cường độ

+ Nếu thép được kéo trước và neo vào bê tông thì sẽ có được sự biến dạng và ứng suất phù hợp với cả hai loại vật liệu

2.2.3 Quan niệm thứ ba

Quan niệm này coi ƯLT như là một thành phần cân bằng với một phần tải trọng tác dụng lên cấu kiện trong quá trình sử dụng, tính toán theo phương pháp cân bằng tải trọng

Đây là phương pháp khá đơn giản và dễ sử dụng để tính toán, phân tích cấu kiện bê tông ƯLT Cáp ƯLT được thay thế bằng các lực tương đương tác dụng vào bê

tông Cáp tạo ra một tải trọng ngƣợc lên, nếu chọn hình dạng cáp và lực ƢLT phù hợp

sẽ cân bằng đƣợc các tải trọng tác dụng lên sàn, do đó độ võng của sàn tại mọi điểm đều bằng 0

a Phân tích theo phương pháp ứng suất cho phép

Hình 2.9 Phân tích theo phương pháp ứng suất cho phép

b Phân tích theo phương pháp cân bằng tải trọng

Bảng 4 Phân tích theo phương pháp cân bằng tải trọng

Hình dạngcáp Tảitrọng

Cânbằng Sơđồtảicânbằng Độvõng M=Pe

Cáp ứng lực trước được thay bằng các lực tương đương tác dụng vào bê tông Trong sàn hay dầm bê tông ứng lực trước, cáp tạo ra một tải trọng ngược lên, nếu chọn hình dạng cáp và lực ứng lực trước phù hợp sẽ cân bằng với các lực tác dụng lên sàn,

do đó độ võng sàn tại mọi điểm bằng 0, thường dùng trong giai đoạn làm việc bình thường (service load state-SLS)

c Quy trình tính toán theo phương pháp cân bằng tải trọng

1-Tính toán sơ bộ tiết diện cột và chiều dày sàn, loại vật liệu sử dụng Kiểm tra chọc thủng sàn do lực cắt

2-Xác định tải trọng cân bằng (chủ yếu phụ thuộc điều kiện kinh tế) Thông thường, tải trọng cân bằng thường lấy vào khoảng 0 ,8÷1 lần trọng lượng bản thân sàn

3-Xác định hình dạng cáp, tính toán lực ứng lực trước yêu cầu

4-Phân tích sàn với các tải trọng: hoạt tải, tĩnh tải, tải ứng lực trước (sau khi đã

Nhận xét:

Việc thiết kế sàn bê tông ứng lực trước đều có thể sử dụng các quan niệm phân tích ở trên Mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm riêng Vì vậy, vấn đề đặt ra đối với người thiết kế là lựa chọn quan niệm nào để đơn giản hoá việc phân tích và tính toán, phù hợp với công cụ thiết kế hiện có

Kết cấu bê tông cốt thép nói chung và kết cấu bê tông ứng lực trước nói riêng được tính toán theo hai trạng thái giới hạn:

- Trạng thái giới hạn thứ nhất: về khả năng chịu lực

- Trạng thái giới hạn thứ hai: về điều kiện sử dụng bình thường (điều kiện về biến dạng võng và nứt)

Khi tính toán kết cấu bê tông ứng lực trước, tuỳ theo từng quan niệm tính toán

có thể xuất phát từ trạng thái giới hạn thứ nhất hoặc thứ hai rồi kiểm tra kết cấu với trạng thái còn lại

Quan niệm thứ nhất và thứ ba dễ dàng đánh giá sự là việc của cấu kiện trong giai đoạn sử dụng nhưng không tính toán được trực tiếp khả năng chịu lực Với quan niệm thứ hai thì việc kiểm tra trạng thái giới hạn thứ 2 phức tạp hơn

Phương pháp cân bằng tải trọng cho phép người thiết kế dự đoán được dễ dàng

độ võng của cấu kiện ngay từ khi chọn tải trọng cân bằng, nhất là đối với hệ kết cấu siêu tĩnh

Ứng với các giai đoạn làm việc của sàn có các trường hợp kiểm tra như sau:

- Kiểm tra lúc buông neo:

Lúc buông neo, sàn chịu tác dụng của các lực: lực ứng lực trước, trọng lượng bản thân sàn hoặc dầm bê tông

- Kiểm tra trong giai đoạn sử dụng:

Với các tải trọng: lực ứng lực trước, tĩnh tải tiêu chuẩn và hoạt tải tiêu chuẩn

- Kiểm tra khả năng chịu lực của sàn:

Khả năng chịu tải của sàn bao gồm khả năng chịu cắt và chịu uốn Lúc này, cấu kiện làm việc cấu kiện chịu uốn bê tông cốt thép thường Tải trọng tính toán bao gồm tĩnh tải tính toán và hoạt tải tính toán

- Kiểm tra độ võng, nứt:

Độ võng của sàn bao gồm độ võng tức thời do hoạt tải và độ võng tổng cộng do tải trọng thường xuyên Do lực ứng lực trước sẽ gây ra độ vồng trong cấu kiện nên một phần độ võng do tải trọng bản thân của sàn được kháng lại bởi độ võng do lực ứng lực trước Độ võng từ biến do tải trọng dài hạn được tính gần đúng bằng cách lấy độ võng

do tải trọng dài hạn nhân với hệ số từ biến

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG SÀN PHẲNG [3]

Để phân tích sàn, tính toán nội lực, ứng suất trong sàn có thể sử dụng nhiều cách khác nhau Dưới đây, giới thiệu 3 phương pháp thông dụng hiện nay

2.3.1 Phương pháp phân phối trực tiếp

Theo phương pháp này, mômen uốn M của từng ô bản được phân phối cho các miền mômen âm và mômen dương dựa trên bảng tra các hệ số được lập sẵn Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tuy nhiên do đặc tính tra bảng nên phạm vi sử dụng

bị hạn chế

Phương pháp phân phối trực tiếp theo tiêu chuẩn ACI:

Để đảm bảo khả năng chịu uốn của sàn ở trạng thái giới hạn đủ để chịu được

mô men âm và mô men dương do tải trọng bất lợi nhất gây ra, tiêu chuẩn ACI đưa ra các điều kiện sau:

- Phải có ít nhất 3 nhịp liên tục theo mỗi phương

- Các nhịp phải đều nhau Theo từng phương, các nhịp kề nhau không được chênh nhau quá 1/3 chiều dài nhịp lớn hơn

- Tất cả các tải trọng đều là tải trọng đứng, hoạt tải phải là tải trọng phân bố đều

và nhỏ hơn 2 lần tĩnh tải

- Các ô sàn phải là hình chữ nhật, tỷ lệ nhịp dài và nhịp ngắn không được vượt quá 2