Bài giảng học phần Bê tông cốt thép ứng lực trước

78 trang hapham 1760

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng học phần Bê tông cốt thép ứng lực trước", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_hoc_phan_be_tong_cot_thep_ung_luc_truoc.pdf

Nội dung text: Bài giảng học phần Bê tông cốt thép ứng lực trước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BÀI GIẢNG HỌC PHẦN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP SỐ TÍN CHỈ : 02 NGƯỜI BIÊN SOẠN: ThS. TĂNG VĂN LÂM BỘ MÔN : KỸ THUẬT XÂY DỰNG HÀ NỘI, THÁNG 05 NĂM 2012
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG MỤC LỤC Nội dung Trang Mục lục 1 Chương 1 Đại cương về bê tông cốt thép ứng lực trước 3 1.1. Khái niệm 3 1.2. Lịch sử ra đời của bê tông cốt thép ứng lực trước 4 1.2.1. Quá trình phát triển của vật liệu bê tông ứng lực trước 5 1.3. Nguyên lý làm việc 6 1.4. Phân loại kết cấu bê tông ứng lực trước 8 1.4.1. Theo thời điểm căng thép ứng lực trước 8 1.4.2. Theo vị trí đặt thép ứng lực trước: 12 1.4.3. Theo đặc điểm thép ứng lực trước: 13 1.4.4. Theo cách đặt thép ứng lực trước trong cấu kiện: 13 1.4.5. Theo hình dạng cấu kiện ứng lực trước: 13 1.4.6. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện: 13 1.5. Một số công nghệ khác tạo ứng lực trước 14 1.5.1. Sử dụng xi măng nở tạo ứng lực trước trong bê tông 14 1.5.2. Dùng kích ép ngoài để tạo ứng lực trước 14 1.6. Ưu – khuyết điểm của bê tông cốt thép ứng lực trước 14 1.6.1. Ưu điểm 14 1.6.2. Nhược điểm 16 1.6.3. Các giai đoạn chịu tải của bê tông cốt thép ứng lực trước 16 1.6.4. Phương pháp gây ứng lực trước trong kết cấu bê tông 16 1.6.5. Phạm vi ứng dụng 16 Chương 2 Vật liệu và cấu tạo 18 2.1. Vật liệu chết tạo 18 2.1.1. Bê tông cường độ cao 18 2.1.2. Vữa 20 2.1.3. Ống gen 21 2.1.4. Thép ứng lực trước 21 2.2. Hệ thống căng trước và thiết bị 24 2.2.1. Định nghĩa 24 2.2.2. Các giai đoạn căng trước 25 2.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp căng trước 26 2.2.4. Thiết bị căng trước 26 2.3. Phương pháp căng sau (căng trên bê tông) 28 2.3.1. Định nghĩa 28 2.3.2. Các giai đoạn căng sau 29 2.3.3. Ưu khuyết điểm của phương pháp căng sau 30 2.3.4. Thiết bị căng sau 30 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 1
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Chương 3 Các chỉ dẫn tính toán cơ bản 32 3.1. Mở đầu 32 3.2. Trị số ứng suất trong cốt thép và trong bê tông 33 3.3. Sự hao ứng suất trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước 34 3.3.1. Định nghĩa 34 3.3.2. Phân loại 35 3.4. Tính toán chịu kéo trung tâm 39 3.4.1. Các giai đoạn của trạng thái ứng suất 39 3.4.2. Tính toán cấu kiện chịu kéo trung tâm. 42 3.5. Cấu kiện chịu uốn 43 3.5.1. Các giai đoạn của trạng thái ứng suất 43 3.5.2. Tính toán cấu kiện chịu uốn 45 Chương 4 Các phương pháp tính toán sàn bê tông ứng lực trước 48 4.1. Các quan niệm phân tích kết cấu bê tông ứng lực trước 48 4.1.1. Quan niệm thứ nhất 48 4.1.2. Quan niệm thứ hai 48 4.1.3. Quan niệm thứ ba 48 4.2. Các phương pháp tính toán nội lực trong sàn phẳng 51 4.2.1. Phương pháp phân phối trực tiếp 51 4.2.2. Phương pháp khung tương đương 54 4.2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn 56 4.3. Thiết kế sàn bê tông ứng lực trước với lưới cột đều đặn 57 4.4. Mô hình cáp trong phương pháp cân bằng tải trọng 63 4.5. Thiết kế sàn bê tông ứng lực trước với lưới cột ngẫu nhiên 64 4.5.1. Quy trình thiết kế 66 Chương 5 Thí dụ tính toán 68 Thí dụ như sau: 68 5.1. Vật liệu 68 5.2. Tiết diện các cấu kiện 68 5.3. Tải trọng tác dụng lên sàn 69 5.4. Tính hao ứng suất 69 5.5. Hình dạng cáp 69 5.6. Kiểm tra ứng suất trong sàn 72 5.6.1. Lúc buông neo 72 5.6.2. Trong giai đoạn sử dụng 74 5.6.3. Đặt cốt thép thường 76 5.6.4. Kiểm tra khả năng chịu lực 76 5.6.5. Kiểm tra độ võng 77 Tài liệu tham khảo . . .77 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 2
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1. Khái niệm Trên dầm một nhịp, ta đặt vào một lực nén trước N (Hình 1.1.a) và tải trọng sử dụng P (Hình 1.1.b). Dưới tác dụng của tải trọng P, ở vùng dưới của dầm xuất hiện ứng suất kéo. Nhưng do ảnh hưởng của lực nén trước N, trong vùng dưới đó lại suất hiện ứng suất nén. Ứng suất nén trước này sẽ triệt tiêu hoặc làm giảm ứng xuất kéo do tải trọng sử dụng P gây ra. Để cho dầm không bị nứt, ứng xuất tổng cộng trong ượt quá cư vùng dưới không được v ờng độ bị kéo Rk của bê tông. a) Khi chịu lực nén N đặt ở đầu dầm; b) khi chịu tải trọng sử dụng P Hình 1.1. Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép Để tạo ra lực nén trước N đó, người ta căng cốt thép rồi gắn chặt nó vào bê tông thông qua lực dính hoặc neo. Nhờ tính chất đàn hồi, cốt thép có xu hư ớng co lại và sẽ tạo nên lực nén trước N. Như trước khi tải trọng sử dụng P, Cốt thép đã bị căng trước còn bê tông thì đã bị nén tr ước. 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 ứng lực căng rất cao của cốt thép ứng lực trước và sức chịu nén của bê tông để tạo nên trong kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải, ở ngay trước khi chịu tải. Nhờ đó những kết cấu bê tông này có khả năng chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông thông thường, hoặc vượt được những n hịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 3
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 1.2. Lịch sử ra đời của bê tông cốt thép ứng lực trước Các phương pháp truyền thống tạo ứng lực trước cho các kết cấu thông dụng: thùng lều gỗ, thùng rượu gỗ. Đai dây song giằng quanh thùng lều gỗ Đai thép giằng quanh thùng rượu gỗ Hình 1.2. Ứng lực trước của một số dụng cụ  Bê tông cốt thép ứng lực trước trong thời kỳ sơ khởi Hình 1.3. Bê tông ứng suất lực trước thế kỷ 19 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 ngót và 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 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 4
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 1.2.1. Quá trình phát triển của vật liệu bê tông cốt thép ứng lực trước Lịch sử phát triển về vật liêu bê tông và kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước được sơ lược qua các mốc thời gian tiêu biểu như sau: 1824: Aspdin (Anh) nhận bằng sáng chế xi măng Portland. 1857: Monier (Pháp) đã ứng dụng sợi thép trong kết cấu bê tông. 1926: Freyssinet (Pháp) ứng dụng sợi thép cường độ cao ứng lực trước trong kết cấu bê tông và phát triển công nghệ chế tạo bê tông cốt thép ứng lực trước, ông được xem là “Cha đẻ của bê tông cốt thép ứng lực trước”. 1938: Hoyer (Đức) phát triển phương pháp căng trước (pre-tensioning method). 1940: Magnel (Bỉ) phát triển phương pháp căng sau (post-tensioning method). 1952: Hiệp hội quốc tế Bê tông ứng lực trước (International Federation for Prestressing - FIP) được thành lập ở châu Âu. 1954: Viện bê tông đúc sắn ứng lực trước (Precast/Prestressed Concret e Institute - PCI) được thành lập ở Mỹ. Hình 1.4. Bức chân dung của Eugene Freyssinet VËt liÖu chÞu VËt liÖu chÞu VËt liÖu chÞu nÐn kÐo kÐo + nÐn §¸, g¹ch Tre, d©y thõng Gç Bª t«ng ThÐp thanh, ThÐp h×nh thêng (NSC) thÐp sîi Phèi hîp thô ®éng Bª t«ng cèt thÐp thêng Bª t«ng cêng ThÐp cêng ®é cao (HSC) ®é cao (HSS) Phèi hîp chñ ®éng Bª t«ng cèt thÐp øng lùc tríc Sơ đồ 1.1. Tiến trình phát triển của vật liệu bê tông cốt thép ứng lực trước Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 5
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG  Kết cấu Bê tông cốt thép có hai khuyết điểm cơ bản: - Không thể tránh được sự xuất hiện khe nứt khi tải trọng q tác dụng vào kết cấu lớn đáng kể. - Trọng lượng bản thân rất lớn (g >> p), kích thước của kết cấu lớn. Hình 1.5. Khuyết điểm của kết cấu bê tông cốt thép a- Khi chịu lực nén đặt ở đầu dầm. b- Khi chịu tải trọng sử dụng P Hình 1.6. Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép Để khắc phục khuyết điểm của kết cấu bê tông cốt thép: - Tạo ra lực nén N ở hai đầu dầm trong quá tránh chế tạo dầm. - Duy trì lực nén N trong quá trình sử dụng dầm để hạn chế nứt bê tông vùng kéo.Từ hướng suy nghĩ đó vật liệu bê tông cốt thép ứng lực trước đã được ra đời, để khác khắc phục các nhược điểm đó của kết cấu bê cốt thép. 1.3. Nguyên lý làm việc Bê tông thường có cường độ chịu kéo rất nhỏ so với cường độ chịu nén. Đó là nhân tố dẫn đến việc xuất hiện một loại vật liệu hỗn hợp là “bê tông cốt thép”. Việc xuất hiện sớm của các vết nứt trong bê tông cốt thép do biến dạng không tương thích giữa thép và bê tông là điểm khởi đầu cho việc xuất hiện một loại vật liệu mới là “bê tông ứng lực trước”. Việc tạo ra một ứng suất nén cố định cho một vật liệu 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. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 6
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 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 1.7. Bê tông cốt thép ứng lực trước 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. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 7
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 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.) Hình 1.8. Máy kéo ứng lực trước loại đơn cáp Ở 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 mác cao chỉ là điều kiện phụ trợ để tăng khả năng chịu tải của kết cấu bê tông ứng lực trước. 1.4. Phân loại kết cấu bê tông ứng lực trước 1.4.1. Theo thời điểm căng thép ứng lực trước Phương pháp căng trước Phương pháp căng sau. 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 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 8
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 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. Trước khi buông cốt thép ứng lực trước Sau khi buông cốt thép ứng lực trước 1- Cốt thép ứng lực trước; 2- Bệ căng; 3- Ván khuôn; 4- Thiết bị kéo thép; 5- Thiết bị cố định thép. 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 t hép 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 ch ia làm 2 loại: Trong quá trình căng Sau khi căng 1- Cốt thép ứng lực trước; 2 - Cấu kiện bê tông cốt thép; 3- ống rãnh; 4- Thiết bị kích; 5- Neo. Hình 1.10. Sơ đồ phương pháp căng sau Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 9
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG  Bê tông ứng lực trước căng sau dạng không liên kết đầu neo Hình 1.11. Cáp ứng lực trước không dính 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 3 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. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 10
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 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.  Bê tông ứng lực trước căng sau dạng liên kết Hình 1.12. Neo 3 lá để kẹp cáp ứng 1-ống gen; 2- bó cáp; 3- lỗ phụt vữa lực trước trong hốc neo Hình 1.13. Cấu tạo cáp dạng liên kết 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. Hình 1.14. Bơm vữa xi măng Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 11
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Sau khi căng cáp ứng lực trước xong thì bắ t 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 l ỗ, bó cáp đã được bơm vữa xi măng. Hình 1.15. Khoan tạo lỗ khi ống bị tắc. 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 ha o ứng lực trước tại đầu neo. 1.4.2. Theo vị trí đặt thép ứng lực trước:  Bê tông cốt thép ứng lực trước một phương (dầm, sàn 1 phương, cọc ly tâm) Bê tông cốt thép ứng lực trước hai phương (sàn 2 phương). Hình 1.16. Cấu tạo cốt thép ứng lực trước trong bê tông Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 12
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 1.4.3. Theo đặc điểm thép ứng lực trước: Bê tông cốt thép ứng lực trước có cốt thép cường độ cao dạng thanh. Bê tông cốt thép ứng lực trước có cốt thép cường độ cao dạng sợi, cáp, Bê tông cốt thép ứng lực trước có cốt thép cường độ cao dạng bó cáp. Thanh (bar) Sợi (wire) Cáp (strand) Ống cáp (tendon) Bó cáp (cable) Lớp vữa mỏng (grout) Ống gen (Duct) Hình 1.17. Các loại thép cường độ cao 1.4.4. Theo cách đặt thép ứng lực trước trong cấu kiện: Bê tông cốt thép ứng lực trước có cốt thép cường độ cao căng trong Bê tông cốt thép ứng lực trước có cốt thép cường độ cao căng ngoài. Căng ngoài Căng trong Hình 1.18. Cách đặt cốt thép ứng lực trước trong kết cấu 1.4.5. Theo hình dạng cấu kiện ứng lực trước: Bê tông cốt thép ứng lực trước có cốt thép cường độ cao thẳng. Bê tông cốt thép ứng lực trước có cốt thép cường độ cao căng hình tròn. 1.4.6. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện: ACI 318-2008: loại U (không nứt); loại T (trung gian); loại C (cho phép nứt) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 13
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG BS 8110-1997: loại 1 (không ứng suất kéo); loại 2 (không nứt); loại 3 (cho phép nứt) 1.5. Một số công nghệ khác tạo ứng lực trước Ngoài 2 phương pháp căng trước và căng sau, trong bê tông cốt thép ứng lực trước còn sử dụng một số phương pháp sau: 1.5.1. Sử dụng xi măng nở tạo ứng lực trước trong bê tông Theo phương pháp này, trong quá trình ninh kết và phát triển cường độ, xi măng nở làm tăng thể tích, các cốt thép trong bê tông sẽ ngăn cản sự dãn nở của xi măng, kết quả là trong bê tông có một lực nén khoảng 600-700MPa. Người ta có thể sử dụng loại xi măng đặc biệt cho sự trương nở này. Song, thực tế cũng có thể biến xi măng Pooclang thông thường thành loại xi măng đặc biệt này bằng cách trộn thêm phụ gia aluminat và thạch cao. Loại xi măng trương nở tự tạo ứng lực trước này dùng để chế tạo các kết cấu như bể chứa, cầu tàu, cọc, dầm, panen mái che cho nhà công nghiệp. Phương pháp này còn gọi là phương pháp hoá học để tạo ứng lực trước. 1.5.2. Dùng kích ép ngoài để tạo ứng lực trước Khác với 2 phương pháp căng trước và căng sau, kích đặt ở 2 đầu kết cấu không dùng để kéo căng cốt thép ra mà dùng để ép chặt cấu kiện bê tông lại, cáp hoặc cốt thép được neo vào các gối tựa. Sau khi bỏ kích ra, tạo ra trường ứng lực trước luôn được duy trì trong kết cấu. 1- Cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước; 2 - Kích; 3- Bệ tỳ Hình 1.19. Sơ đồ tạo ứng lực trước bằng kích ép ngoài 1.6. Ưu – khuyết điểm của bê tông cốt thép ứng lực trước 1.6.1. Ưu điểm 1. Cần thiết và có thể dùng đư ợc 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 qúa 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. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 14
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 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 đ ược thép cường độ cao. Kết quả là dùng ít thép hơn vào khoảng 10 đến 80%. Hiệu quả tiết kiệm thép thể hiện rõ nhất trong các cấu kiện có nhịp lớn, phải dụng nhiều cốt chịu kéo như dầm, giàn, thanh kéo của vòm, c ột điện, tường bể chứa, Xilo (tiết kiệm 50 -80% thép). Trong các cấu kiện nhịp nhỏ, do cốt cấu tạo chiếm tỉ lệ khá lớn nên tổng số thép tiết kiệm sẽ ít hơn (khoảng 15%). Đồng thời cũng cần lưu ý rằng giá thành của thép tăng chậm hơn cường độ của nó. Do vậy dùng thép cường độ cao sẽ góp phần làm giảm giá thành công trình. Hình 1.20. Dầm cầu bằng bê tông cốt thép ứng lực trước 2. Có khả năng chống nứt cao hơn (do đó khả năng chống thấm tốt hơn) Dùng bê tông cốt thép ứng lực trước, người ta có thể tạo ra các cấu kiện không xuất hiện các khe nứt trong vùng bê tông chịu kéo, hoặc hạn chế sự phát triển bề rộng của khe nứt, khi chịu tải trọng sử dụng. Do đó bê tông cốt thép ứng lực trước tỏ ra có nhiềuưuthế trong các kết cấu đòi hỏi phải có khả năng chống thấm cao như ống dẫn có áp, bể chứa chất lỏng và chất khí 3. Có độ cứng lớn hơn (do đó có độ võng và biến dạng bé hơn) Nhờ có độ cứng lớn, nên cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước có kích thớc tiết diện ngang thanh mảnh hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép thường khi có cùng điều kiện chịu lực như nhau, vì vậy có thể dùng trong kết cấu nhịp lớn. Ngoài các ưu điểm cơ bản trên, kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước còn có một số ưu điểm khác như : -Nhờ có tính chống nứt và độ cứng tốt nên tính chống mỏi của kết cấu được nâng cao khi chịu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần. -Nhờ có ứng lực trước nên phạm vi sử dụng kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép và nửa lắp ghép được mở rộng ra rất nhiều. Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực trước để nối các mảnh rời của một kết cấu lại với nhau. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 15
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 1.6.2. 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. Việc chế tạo bê tông cốt thép ứng lực trước cần phải có thiết bị đặc biệt, có công nhân lành nghề và có sự kiểm soát chặt chẽ về kỹthuật, nếu không sẽ có thể làm mất ứng lực trước do tuột neo, do mất lực dính. Việc bảo đảm an toàn lao động cũng phải đặc biệt lưu ý. 1.6.3. Các giai đoạn chịu tải của bê tông cốt thép ứng lực trước 1. Giai đoạn ban đầu: được chia làm hai giai đoạn nhỏ: Giai đoạn căng thép ứng lực trước (tensioning) Giai đoạn truyền ứng lực trước vào bê tông (transfer) 2. Giai đoạn trung gian: bao gồm cả vận chuyển và lắp đặt cấu kiện ứng lực trước. 3. Giai đoạn làm việc: chia làm hai giai đoạn nhỏ: Giai đoạn vận hành (service load). Giai đoạn cực hạn (ultimate load). 1.6.4. Các phương pháp gây ứng lực trước trong kết cấu bê tông Phương pháp căng trước – căng trên bệ. Phương pháp căng sau – căng trên cấu kiện. Các phương pháp căng cốt thép. + Căng cơ học. + Căng nhiệt điện. + Căng cơ, nhiệt điện. 1.6.5. Phạm vi ứng dụng Bê tông cốt thép ứng lực trước được dùng phổ biến tại một số công trình xây dựng như sau: Xây dựng dân dụng, công nghiệp. Công trình cầu, hầm. Công trình biển. Công trình thủy lợi. Các công trình ngầm. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 16
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Hình 1.21. Ứng dụng của bê tông cốt thép ứng lực trước Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 17
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Chương 2 VẬT LIỆU VÀ CẤU TẠO 2.1. Vật liệu chết tạo 2.1.1. Bê tông cường độ cao Bê tông dùng trong cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước là bê tông nặng có mác lớn hơn hoặc bằng 20. Việc lựa chọn mác 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. Ví dụ: Nếu dùng sợi thép có đường kính không lớn hơn 5 thì Mác thiết kế của bê tông lấy không nhỏ hơn 25, còn nếu sợi thép có đường kính không nhỏ hơn F6 thì mác thiết kế của bê tông lấy không nhỏ hơn 40. Ngoài ra việc lựa chọn mác bê tông còn phụ thuộc vào cường độ mà nó cần phải có khi bắt đầu gây ứng lực trước, cũng như vào loại tải trọng tác dụng lên cấu kiện. Thông thường, với kết cấu nhịp lớn dầm, dàn nên dùng bê tông mác 40 hoặc 50, còn đối với kết cấu có nhịp thông thường như panen, xà gỗ nên dùng bê tông mác 30 hoặc 35. Theo tiêu chuẩn Ấn Độ IS:1343-1980, cường độ chịu nén của khối lập phương tại 28 ngày tuổi là 40MPa đối với cấu kiện căng trước và 30MPa đối với cấu kiện căng sau. Theo tiêu chuẩn ACI-318, bê tông đạt cường độ chịu nén tại 28 ngày tuổi từ 27.58 đến 68.95 MPa. Hình 2.1. Bê tông sỏi Hình 2.2. Bê tông đá dăm 2.1.1.1. Đặc tính yêu cầu của bê tông ứng lực trước Bê tông dùng trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước phải có chất lượng cao, với các đặc tính yêu cầu cơ bản như sau: 1. Cường độ cao với tỷ số X/N thấp. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 18
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 2. Bền vững môi trường sử dụng, độ thấm nước nhỏ, lượng xi măng tối thiểu và phương pháp chế tạo, dưỡng hộ tốt. 3. Co ngót và từ biến thấp nhất bằng cách giới hạn hàm lượng xi măng, sử dụng các loại phụ gia khoáng siêu mịn và phụ gia hóa học. 4. Tính công tác tốt, có thể thi công bằng nhiều phương pháp khác nhau. Nói chung: Bê tông căng sau có cường độ nén tối thiểu ở 28 ngày C28/C35: f’ c ≥28 MPa. Bê tông căng trước có cường độ nén tối thiểu 28 ngày C32/C40: f’ c ≥32MPa. Bê tông ở giai đoạn nén trước (transfer) có cường độ tối thiểu 25 MPa. 2.1.1.2. Ứng suất cho phép trong bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318-2002 Ứng suất cho phép trong bê tông được quy định và khống chế tuỳ theo từng tiêu chuẩn. Theo tiêu chuẩn ACI 318 -2002 được quy định như sau:  Ứng suất trong bê tông ngay sau khi truyền lực ứng lực trước (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 2 đầu mút của cấu kiện có gối tựa đơn giản: 0.5 + Ứng suất kéo tại các vị trí khác: 0.25 Nếu ứng suất kéo vượt quá các giá trị trên thì cần bố trí thêm thép chịu kéo (thép thường hoặc thép ứng lực trước) 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) + ài hạn: 0.45f Ứng suất nén lớn nhất do tải trọng d c’. + Ứng suất nén lớn nhất do tổng tải trọng: 0.60f c’. + Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện không cho phép nứt: 0.5 + Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện cho phép nứt: 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. 2.1.1.3. 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 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 19
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG đun đàn hồi, từ đó tính toán độ võng của cấu kiện ứng lực trước. 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 318-2002, mô đun đàn hồi của bê tông: E =4730 (MPa). c 2.1.2. Vữa Vữa dùng để lấp các khe thi công, các mối nối của cấu kiện ghép, để làm lớp bảo vệ cốt thép và bả o 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. Hình 2.3. Vữa cường độ cao, độ dẻo lớn Bảng 2.1. Độ bền tối thiểu của bê tông ứng lực trước (theo TCXDVN: 356-2005) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 20
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 2.1.3. Ống gen Đối với bê tông ứng lực trước căng sau có dính kết thì cần đặt sẵn ống gen trong kết cấu bê tông. Có 2 loại ống gen thường dùng: - Loại bằng tôn mỏng 0,2 – 0,3mm có pha chì để làm giảm ma sát cuộn mép và cuốn theo kiểu xoắn ruột gà. - Ống gen bằng các loại ống kim loại, ống tròn trơn có bề dày 2 - 4mm. Yêu cầu ống gen là phải chống thấm tốt để giữ cho nước xi măng không thấm vào ống trong quá trình đổ bê tông và bảo vệ cá p, ống phải bền không bị hư hỏng biến dạng trong quá trình thi công. Tuy nhiên, ống lại phải mềm để đặt cong theo thiết kế và ma sát giữa ống gen với cáp không Được quá lớn. 1- Ống gen; 2- bó cáp; 3- lỗ phụt vữa Hình 2.4. Cấu tạo ống gen 2.1.4. Thép ứng lực trước Trong cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước 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. Nhưng vì đường kính sợi thép quá bé(3 ÷ 8 mm) nên số lợng thép trong cấu kiện khá nhiều, do đó gây khó khăn cho việc boó trí chúng. Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường dùng bó bện dây thừng hoặc các bó sợi không bện (Hình 7). Loại bó bện dây thừng, thường được chế tạo từ các sợi có đường kính từ 1,5 đến 5 mm. Loại các bó sợi thép không bện, thường gồm nhiều sợi thép đặt song song với nhau theo chu vi vòng tròn và tựa các đoạn lò so đặt cách nhau khoảng một mét. Số sợi trong một bó phụ thuộc vào số chêm trên kích (mỗi chêm giữ được hai sợi). Người ta thường dùng bó có 12, 18 và 24 sợi. Hình 2.5. Sợi cáp bện Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 21
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG a)Thép bện; b) Bó sợi không bện; c) Bó sợi gồm sáu dây thép bện, mỗi dây bảy sợi 1- Sợi thép 5; 2- sợi thép  1quấn ngoài bó sợi ; 3- Thành ống rãnh, 4 - cấu kiện. Hình 2.6. Các chế phẩm sợi thép  Đặc tính yêu cầu của cốt 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 tổn hao ứng suất trong thép. + Ứng suất ban đầu khi căng thép ứng lực trước: + Ứng suất ngay sau khi cắt thép ứng lực trước (transfer): + Ứng suất tại đầu neo sau khi cắt thép ứng lực trước: ACI 318 - 08 Hình 2.7. Ứng suất và biến dạng của cốt thép ứng lực trước Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 22
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Bảng 2.2. Độ bền tối thiểu của thép thanh ứng lực trước (theo TCXDV: 356-2005) Bảng 2.3. Độ bền tối thiểu của thép sợi ứng lực trước (theo TCXDVN: 356 - 2005) Bảng 2.4. Đặc tính của thép ứng lực trước trong kết cấu cầu (22TCN: 272 - 05) Chú ý: o Cáp ứng lực trước thông thường có giới hạn chảy: fpy = 85% fpu o Cáp ứng lực trước chùng ứng suất thấpcó giới hạn chảy: fpy = 90% fpu Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 23
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG  Cáp ứng lực trước không dính Hình 2.8. Cáp ứng lực trước không dính 2.2. Hệ thống căng trước và thiết bị 2.2.1. Định nghĩa Cốt thép ứng lực trước được neo một đầu cố định vào bệ còn đầu kia được kéo ra với lực kéo N (Hình 2.1.a). Dước tác dụng của lực kéo N, cốt thép được kéo trong giới hạn đàn hồi và sẽ giãn dài ra một đoạn D 1, tương ứng với các ứng suất xuất hiện trong cốt thép, điểm B của thanh được dịch chuyển sang điểm B1, khi đó, đầu còn lại của cốt thép được cố định nốt vào bệ. Tiếp đó, đặt các cốt thép thông thường khác rồi đổ bê tông. Đợi cho bê tông đông cứng và đạt được cần thiết R n thì thả các cốt thép ứng lực trước rời khỏi bệ (gọi là buông cốt thép). Như một lò so bị kéo căng, các cốt thép này có su hướng co ngắn lại à thông qua lực đính giữa nó với bê tông trên suốt chiều dài của cấu kiện, cấu kiện sẽ bị nén với giá trị bằng lực N đã dùng khi kéo cốt thép (Hình 2b). a- Trước khi buông cốt thép; b- Sau khi buông cốt thép ứng lực trước 1- Cốt thép ứng lực trước; 2-Bệ căng; 3- Ván khuôn; 4- Thiết bị kéo thép; 5- Thiết bị cố định cốt thép ứng lực trước; 6- Trục trung tâm. Hình 2.9. Sơ đồ phương pháp căng trước Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 24
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Để tăng thêm lực dính giữa bê tông và cốt thép, người ta thường dùng cốt thép ứng lực trước là cốt thép có có gờ hoặc là cốt thép trơn được xoắn lại, hoặc là ở hai đầu có cấu tạo những mấu neo đặc biệt a- Hàn đoạn thép ngắn hay vòng đệm; b- Ren các gờ xoắn ốc; c- Neo loại vòng; d- Neo loại ống. Hình 2.10. Neo cốt thép trong phương pháp căng trước 2.2.2. Các giai đoạn căng trước Gồm các giai đoạn chính như sau: 1. Đặt thép ứng lực trước và neo vào các bệ căng. 2. Gắn các thiết bị căng thép ứng lực trước 3. Căng thép ứng lực trước. 4. Đổ bê tông. 5. Cắt bỏ thép ứng lực trước ở hai đầu. Hình 2.11. Các giai đoạn căng trước Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 25
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 2.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp căng trước  Ưu điểm: Căng trước thuận lợi trong chế tạo cấu kiện bê tông ứng lực trước đúc sẵn kiện sản xuất hàng loạt, có khối lượng lớn ở trong nhà máy (Dầm, Panen, cột điện, cột bê tông). Thiết bị đầu neo nhỏ, không lớn.  Khuyết điểm: Cần có sàn căng (prestressing bed) trong quá trình căng thép. Bê tông cần có thời gian chờ ở trong ván khuôn trước khi đạt cường độ yêu cầu. Phải đảm bảo lực dính tốt giữa bê tông và thép ứng lực trước. 2.2.4. Thiết bị căng trước Thiết bị căng trước bao gồm: Sàn căng (prestressing bed). Bệ neo (end abutment). Ván khuôn (mould). Kích căng thép (jack). Đầu neo (anchorage device). Thiết bị “uốn cong” cáp (harping device) Hình 2.12. Thiết bị căng trước  Hệ thống căng trước Hoyer Hình 2.13. Hệ thống căng trước Hoyer Hệ thống căng trước Hoyer này có khả năng căng trước một số cấu kiện bê tông ứng lực trước cùng một lúc, rất ưu việt khi sản xuất kết cấu hàng loạt Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 26
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG  Kích thủy lực căng thép ứng lực trước Hình 2.14. Kích thủy lực căng thép ứng lực trước  Thiết bị đầu neo căng trước Hình 2.15. Thiết bị đầu neo căng trước  Sơ đồ “uốn cong” cáp (harping) Hình 2.16. Sơ đồ “uốn cong” cáp (harping) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 27
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 2.3. Phương pháp căng sau (căng trên bê tông) 2.3.1. Định nghĩa Trước hết đặt các cốt thép thông thường vào các ống rãnh bằng tôn, kẽm hoặc bằng vật liệu khác để tạo các rãnh dọc, rồi đổ bê tông. Khi bê tông đạt đến cường độ nhất định Rn thì tiến thành luồn và căng cốt thép ứng lực trước tới ứng suất qui định. Sau khi căng xong, cốt ứng lực trước được neo chặt vào đầu cấu kiện (Hình 4). Thông qua các neo đó cấu kiện sẽ bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép. Tiếp đó, người ta bơm vữa vào trong ống rãnh để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn và tạo ra lực dính giữa bê tông với cốt thép thành một khối chỉnh thể. Để bảo đảm tốt sự truyền lực nén lên cấu kiện, người ta chế tạo các loại neo đặc biệt như neo Freyssinet (Neo bó sợi thép khi dùng kích hai chiều - Hình 5). a-Trong quá trình căng ; b- Sau khi căng. 1- Cốt thép ứng lực trước; 2- Cấu kiện bê tông cốt thép; 3- Ống rãnh; 4-Thiết bị kích; 5-Neo; 6- Trục trung tâm. Hình 2.17. Sơ đồ phương pháp căng sau Các loại neo thép 1- Bó sợi thép, 2-Chêm hình côn, 3- Khối neo bằng thép 4- Bản thép truyền lực, 5- Đoạn ống neo, 6- ống tạo rãnh Hình 2.18. Neo bó sợi thép khi dùng kích hai chiều Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 28
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 1-Bê tông, 2-Cốc bằng thép, 3-Chốt thép, 4-Vòng đệm bằng thép 5- Vòng kẹp, 6-Bó sợi thép, 7- ống tạo rãnh, 8-Cấu kiện. Hình 2.19. Neo kiểu cốc. 2.3.2. Các giai đoạn căng sau Các giai đoạn căng sau bao gồm: 1. Đặt thép ứng lực trước . 2. Đổ bê tông. 3. Gắn thiết bị neo và kích căng thép ứng lực trước. 4. Căng thép ứng lực trước. 5. Gắn nêm giữ thép ứng lực trước. 6. Cắt bỏ thép ứng lực trước ở hai đầu. Hình 2.20. Các giai đoạn căng sau Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 29
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 2.3.3. Ưu khuyết điểm của phương pháp căng sau  Ưu điểm: Căng sau thuận lợi trong chế tạo kết cấu bê tông ứng lực trước đổ tại chổ có kích thước lớn. Bê tông có thời gian chờ trong bệ đúc trước khi đạt cường độ yêu cầu ít hơn so với căng trước.  Khuyết điểm: Yêu cầu thiết bị neo đặc biệt. Yêu cầu thiết bị bơm vữa chèn chuyên dụng. 2.3.4. Thiết bị căng sau Phương pháp căng sau bao gồm các thiết bị sau: Sàn đúc (casting bed). Ván khuôn (mould). Ống cáp (duct). Đầu neo (anchorage device). Kích căng (jack). Thiết bị nối cáp (coupler). Thiết bị bơm vữa chèn (grouting equipment). Hình 2.21. Sàn đúc, ván khuôn Hình 2.22. Thiết bị đầu neo căng sau Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 30
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Hình 2.23. Thiết bị đầu neo căng sau Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 31
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Chương 3 CÁC CHỈ DẪN TÍNH TOÁN CƠ BẢN 3.1. Mở đầu Giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường, cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước cần phải được tính toán theo hai nhóm trạng thái giới hạn. Khi tính cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước theo nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất ngoài việc tính theo cường độ, theo ổn định (nếu có khả năng mất ổn định), theo độ mỏi (nếu chịu tải trọng động), còn cần phải tính toán kiểm tra khi buông cốt thép trong giai đoạn chế tạo và cường độ chịu nén cục bộ của bê tông dưới các thiết bị neo. Tính toán theo nhóm trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm tính toán kiểm tra khả năng chống nứt và biến dạng của cấu kiện. Việc tính toán theo hai nhóm trạng thái giới hạn để có liên quan mật thiết đến trị số ứn g suất trong cốt thép và trong bê tông, cũng như các hao tổn ứng suất trong quá trình chế tạo và sử dụng cấu kiện.  Đường cong tải trong và biến dạng (P - ) của dầm bê tông cốt thép ứng lực trước Hình 3.1. Đường cong (P - ) của dầm bê tông cốt thép ứng lực trước Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 32
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG  Các nội dung tính toán cơ bản Theo tiêu chuẩn TCXDVN: 356 - 2005, cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước cần được tính toán theo 2 nhóm trạng thái giới hạn: Nhóm trạng thái giới hạn I: Khả năng chịu lực. Nhóm trạng thái giới hạn II: Điều kiện làm việc bình thường.  Theo tiêu chuẩn ACI 318 (Mỹ), cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước cần được tính toán theo 3 trạng thái: Giai đoạn nén trước (prestress transfer) tương ứng với giai đoạn vừa buông cáp. Giai đoạn làm việc bình thường (service load state - SLS), tương ứng với phạm vi thay đổi của tải trọng gây uốn: Po ≤ P ≤ Pser Trạng thái giới hạn về độ bền (ultimate load state - ULS), tương ứng với tải trọng gây uốn tới hạn (tải phá hoại): P = Pu 3.2. Trị số ứng suất trong cốt thép và trong bê tông Trị số ứng lực trước cơ bản của cốt thép ứng lực trước là trị số giới hạn o và ’o trong cốt thép căng trước FH và F’H (FH và F’H tương ứng được đặt trong miền kéo và nén của cấu kiện). Trị số này được chọn theo qui định của qui phạm. Khi căng cốt thép bằng phương pháp cơ học: Đối với thép thanh: (3.1) Đối với sợi thép cường độ cao: (3.2) Ngoài ra, để đo kiểm tra ứng suất trong cốt thép ứng lực trước thời điểm kết thúc việc căng trên bệ, hoặc tại vị trí đặt lực căng khi căng cốt thép trên bê tông, người ta đa vào khái niệm ứng suất khống chế. Khi căng cốt thép trên bệ: ã k Trị số ứng suất khống chế lấy bằng trị số o và ’o sau khi đ ể đến các hao tổn ứng suất do biến dạng của neo (neo) và của ma sát (ms). HK = o -neo -ms; ’o = ’o-’neo -’ms’ (3.3) Khi căng trên bê tông: (3.4) Trong đó: Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 33
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG + bH và ’bH - Ứng suất trước trong bê tông ở ngang mức trọng tâm cốt thép FH và F’H (có kể đến các hao tổn ứng lực trước khi ép bê tông); + nH -Tỉ số giữa môđun đàn hồi của cốt thép căng EH và môđun đàn hồi của bê tông Eb. nH = EH/EB. Trong thực tế, do sai số của các dụng cụ đo, do nhiều nguyên nhân cha được xét đến một cách chính xác trong lúc tính toán Để xét đến điều đó, người ta đa vào hệ số độ chính xác khi căng cốt thép mt. Lấy mt bằng 0,9hoặc bằng 1,1 nếu việc giảm hoặc tăng ứng suất trong cốt thép là bất lợi đối với kết cấu. Lấy mt bằng 1 khi tính toán các hao tổn ứng lực trước trong cốt thép và khi tính toán theo sự mở rộng khe nứt, cũng như khi tính theo biến dạng. Đối với bê tông để biến dạng từ biến và hao tổn ứng suất trong cốt thép không quá lớn, qui phạm qui định tỉ số giữa ứng suất nén trước sbH trong bê tông và cường độ khối vuông Ro của bê tông lúc buông cốt thép không được lớn hơn trị số giới hạn cho trong bảng 3.1. ên l Cường độ khối vuông Ro của bê tông lúc buông cốt thép n ấy không nh ỏ hơn 2 0,8 lần cường độ khối vuông thiết kế, và không nhỏ hơn 140 kG/cm , còn khi dùng 2 cốt thép thanh loại AT -VI và dây cáp thì không được lấy nhỏ hơn 200 kG/cm . Bảng 3.1. Trị số giới hạn của tỉ số bH/Ro Trạng thái ứng suất của Tỉ số bH/Ro khi nén Phương pháp căng tiết diện Đúng tâm Lệch tâm Ứng suất nén tăng khi Căng trước 0,50 0,55 ngoại lực tác dụng Căng sau 0,45 0,50 Ứng suất nén giảm khi Căng trước 0,65 0,75 ngoại lực tác dụng Căng sau 0,55 0,65 3.3. Sự hao ứng suất trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước 3.3.1. Định nghĩa Sau một thời gian, do rất nhiều nguyên nhân khác nhau, ứng lực trước trong cốt thép bị giảm đi (thậm chí bị triệt tiêu và hiệu quả của ứng lực trước hoàn toàn biến mất). Hiện tượng này được gọi là “tổn hao ứng suất ”. Do đó việc đánh giá đầy đủ chính xác các nguyên nhân gây hao tổn ứng suất trong cốt thép ứng lực trước là vấn đề hết sức quan trọng đối với việc thiết kế kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 34
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Hình 3.2. Tổn hao ứng suất trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước 3.3.2. Phân loại Căn cứ vào nguyên nhân gây hao tổn ứng suất, người ta chia ứng suất hao trong cốt thép ứng lực trước ra thành các loại cơ bản dước đây. Bảng 3.2. Phân loại các tổn hao ứng suất Stt Phương pháp căng trước Phương pháp căng sau Nếu các sợi cáp được căng của bê tông đồng thời thì không xảy ra hao ứng suất do biến dạng đàn hồi. Nếu 1 Do biến dạng đàn hồi của bê tông các sợi cáp được căng lần lượt thì sẽ xảy ra hao ứng suất do biến dạng đàn hồi của bê tông 2 Do chùng ứng suất trong thép Do chùng ứng suất trong thép 3 Do co ngót của bê tông Do co ngót của bê tông 4 Do từ biến nhanh ban đầu của bê tông Do từ biến nhanh ban đầu của bê tông 5 Không tồn tại Do ma sát của cốt thép với thành ống Do biến dạng của neo và sự ép sát các 6 Không tồn tại tấm đệm Do chênh lệch nhiệt độ giữa cốt thép Do chênh lệch nhiệt độ giữa cốt thép 7 và thiết bị căng và thiết bị căng Bê tông bị cốt thép vòng, hoặc cốt Bê tông bị cốt thép vòng, hoặc cốt 8 thép xoắn ốc ép lõm xuống thép xoắn ốc ép lõm xuống Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 35
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 1) Do tính chùng ứng suất của cốt thép Hiện tượng chùng ứng suất là hiện tợng ứng suất ban đầu trong cốt thép ứng lực trước giảm bớt theo thời gian trong khi chiều dài của cốt thép vẫn giữ nguyên không đổi. 2 Khi căng bằng phương pháp cơ học, ứng suất hao (kG/cm ) được tính theo công thức sau: Đối với sợi thép cường độ cao: (3.5) Đối với cốt thép thanh: (3.6) 2 Tr  tính b và không k  ị số o ằng kG/cm ể đến các hao tổn ứng suất. Khi tính ch’ ì xem nếu ra kết quả âm, th như ch = 0. ênh l à thi 2) Do sự ch ệch nhiệt độ giữa cốt thép v ết bị căng ( nh) Ứng suất hao nh xảy ra khi bê tông đông cứng trong điều kiện được dưỡng hộ nhiệt và được tính theo (3.7): nh = 12,5 t (3.7) Trong đó t - sự chênh lệch nhiệt độ giữa cốt thép và bệ căng tính bằng độ bách o phân. Khi không đủ số liệu chính xác có thể lấy t bằng 65 C. 3) Do sự biến dạng của neo và sự ép sát các tấm đệm (neo) (3.8) Trong đó: + L - chiều dài của cốt thép căng, tính bằng mm (trong phương pháp căng trước là khoảng cách giữa hai bệ căng, trong phương pháp căng sau là chiều dài của cốt thép nằm trong cấu kiện); + - tổng số biến dạng của bản thân neo, của khe hở tại neo, của sự ép sát các tấm đệm lấy  theo số liệu thực nghiệm. Khi không có số liệu thực nghiệm có thể lấy  = 2mm cho mỗi đầu neo. 4) Do sự ma sát của cốt thép với thành ống ( ms) Trong phương pháp căng sau, ms được tính theo công thức (3.9) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 36
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Trong đó: e là cơ số lôgarit tự nhiên; k -hệ số xét đến sự chênh lệch vị trí đặt ống so với vị trí thiết kế (bảng 3.3); x -chiều dài đoạn ống (tính bằng m) kể từ thiết bị căng đầy gần nhất tới tiết diện tính toán;  -hệ số ma sát giữa cốt thép và thành ống (bảng 3.3);  -tổng góc quay của trục cốt thép, tính bằng radian. Trong phương pháp căng trước, nếu có thiết bị gá lắp đặc biệt để tạo độ cong, thì ms tính theo công thức trên với x =0 và  = 0,25. Bảng 3.3. Hệ số k và  để xác định sự hao ứng suất ma sát Trị số  khi cốt thép là Loại ống rãnh Trị số k Bó sợi thép Thanh có gờ Ống có bề mặt kim loại 0,003 0,35 0,40 Ống với bề mặt bê tông -Tạo nên bằng lõi cứng 0 0,55 0,65 -Tạo nên bằng lõi mềm 0,0015 0,55 0,65 5) Do từ biến nhanh ban đầu của bê tông (tbn) Trong phương pháp căng trước, ứng suất hao này xảy ra ngay sau khi buông cốt thép để ép bê tông. Đối với bê tông khô cứng tự nhiên: (3.10) (3.11) Với a và b là hệ số phụ thuộc vào mác bê tông, với bê tông mác không nhỏ hơn 30 thì a =0,6 và b =1,5;  có k  ;  và  . bH ể đến các ứng suất hao: ch’ neo ms 6) Do co ngót của bê tông (co) ên, tr Đối với bê tông nặng, đông cứng tự nhi ị số co lấy theo bảng 3.4. 2 Bảng 3.4. Sự hao ứng suất co trong cốt thép do co ngót của bê tông, kG/cm Phương pháp căng Mác bê tông Căng trước Căng sau ≥M40 400 300 M50 500 350 ≥ M60 600 500 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 37
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Trong phương pháp căng sau, co có trị số bé hơn là vì trước khi buông cốt thép, bê tông đã co ngót được một phần. Biến dạng co ngót này không ảnh hưởng đến sự hao ứng suất trong cốt thép. 7) Do từ biến của bê tông (bt) Hao tổn do từ biến của bê tông xảy ra sau một qúa trình chịu nén lâu dài. Đối với bê tông nặng (3.12) (3.13) Trong đó k =1 đối với bê tông đông cứng tự nhiên, k =0,85 đối với bê tông dưỡng hộ nhiệt; trị số bH được lấy bằng bH khi tính ứng suất hao do từ biến nhanh. 8) Bê tông bị cốt thép vòng, hoặc cốt thép xoắn ốc ép lõm xuống ( el) Các cốt thép ứng lực trước ép lõm mặt bê tông xuống, do đó đường kính vòng thép giảm đi, gây ra sự hao ứng suất. 2 N  = 300 kG/cm . ếu đường kính của cấu kiện 3m, ứng suất này không đáng kể, có thể bỏ qua. Ngoài các ứng suất hao cơ bản trên đây, trong một số trường hợp còn cần phải kể đến các ứng suất hao do biến dạng của khuôn thép. Do độ ép sát các khối lắp ghép, do kết cấu chịu tải trọng rung động Các ứng suất hao được chia thành hai nhóm: Ứng suất hao xảy ra trong quá trình chế tạo cấu kiện cũng như khi ép bê tông h1 và ứng suất hao xảy ra sau khi kết thúc ép bê tông h2. Trong phương pháp căng trước: h1 =ch + nh + neo + ms+ tbn; (3.14) h2 = co + tb Trong phương pháp căng sau: ; h1 neo ms (3.15) h2 ch co tb el Trong khi tính toán, tổng các ứng suất hao tổn: h= h1 + h2 phải lấy ít nhất 2 bằng 1000 kG/cm . Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 38
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Khi thiết kế các cấu kiện bê tông ứng lực trước, người ta t hường giả thiết tổng tổn hao ứng suất bằng một tỷ lệ phần trăm của ứng suất ban đầu. Vì hao ứng suất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất của bê tông và thép, phương pháp bảo dưỡng, độ lớn của ứng lực trước và phương pháp ứng lực trước nên rất khó xác định chính xác tổng tổn hao ứng suất. Có thể đưa ra một tỷ lệ điển hình của tổng tổn hao ứng suất trong điều kiện làm việc bình thường như sau: Bảng 3.5. Tỷ lệ hao ứng suất Tỷ lệ hao ứng suất Loại hao ứng suất Phương pháp căng Phương pháp trước căng sau Do co ngót đàn hồi và uốn của bê tông 4 1 Do từ biến của bê tông 6 5 Do co ngót của bê tông 7 6 Do chùng ứng suất trong thép 8 8 Tổng cộng 25 20 3.4. Tính toán chịu kéo trung tâm 3.4.1. Các giai đoạn của trạng thái ứng suất a. Cấu kiện căng trước Đặc điểm cần chú ýcủa trạng thái ứng suất-biến dạng trong cấu kiện ứng lực trước chịu kéo trung tâm là giai đoạn I. Giai đoạn II và III như cấu kiện chịu kéo trung tâm thông thường (Hình 3.3.a). - Giai đoạn I1: Cốt thép đặt vào khuôn nhưng chưa căng, ứng suất trong cốt thép bằng không. - Giai đoạn I2: Cốt thép được căng tới ứng suất khống chế rồi cố định vào bệ, đổ bê tông. HK = 0 -neo -ms - Giai đoạn I3: Trước khi bê tông đạt tới cường độ R o, do hiện tượng chùng ứng suất trong cốt thép, do chênh lệch nhiệt độ giữa cốt thép và thiết bị căng, sẽ xảy ra các ứng suất hao làm giảm ứng suất khống chế HK trong cốt thép ứng lực trước. H = HK -ch -nh - Giai đoạn I4: Khi bê tông đạt cường độ RO thì buông cốt thép để ép bê tông. Lúc này phát sinh biến dạng từ biến nhanh ban đầu và xảy ra ứng xuất hao tbn. Do đó ứng suất hao h1 đạt giá trị lớn nhất: h1 = neo + ms + ch + nh + tbn. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 39
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Ở giai đoạn này, ứng suất trong cốt thép ứng lực trước bằng: H = o - h1 - nHb a) Cấu kiện căng trước, b) Cấu kiện căng sau. Hình 3.3. Các trạng thái ứng suất của cấu kiện ứng lực trước chịu kéo trung tâm Ứng suất nén trước trong bê tông được tính theo c ông thức: (13) Trong đó: N01-lực nén khi bắt đầu buông cốt thép. Fqd -diện tích bê tông quy đổi. Với: N01= (0-h1) FH - tbn Fa Fqd =Fb + naFa + nHFH và na =Ea/Eb; nH =EH/Eb - Giai đoạn I5: Theo thời gian, do sự co ngót và từ biến của bê tông xảy ra thêm ứng suất hao h2 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 40
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Do đó ứng suất hao tổng cộng h = h1 + h2 và ứng suất trong cốt thép ứng lực trước bằng: H = o -h - nHb1 - Giai đoạn I6: Tải trọng tác dụng gây thêm ứng suất kéo trong cốt thép ứng lực trước. Khi ứng suất nén trước trong bê tông bị triệt tiêu thì ứng suất trong cốt thép bằng: H = 0 - h - Giai đoạn Ia: Tải trọng tăng lên cho đến khi ứng suất kéo trong bê tông đạt trị số RK’, khi cấu kiện sắp sửa bị nứt ứng suất trong cốt thép ứng lực trước sẽ là: H = o - h + 2nHRK’ - Giai đoạn II: Giai đoạn xuất hiện khe nứt. Lúc này toàn bộ lực kéo do cốt thép chịu. ứng suất kéo trong cốt thép ứng lực trước tăng lên hoàn toàn giống như sự tăng ứng suất trong cấu kiện thông thường không có ứng lực trước. - Giai đoạn III: Giai đoạn phá hoại. Khe nứt mở rộng. Ứng suất trong cốt thép đạt tới cường độ giới hạn và xảy ra sự phá hoại. Qua phân tích các giai đoạn nói trên của trạng thái ứng suất, có thể thấy việc gây ứng lực trước chỉ nâng cao khả năng chống nứt của cấu kiện, mà không nâng cao khả năng chịu lực của cấu kiện. Vì sau khi khe nứt xuất hiện, cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước làm việc hoàn toàn giống như cấu kiện bê tông cốt thép thông thường. b. Cấu kiện căng sau Trong phương pháp căng sau, các giai đoạn của trạng thái ứng suất cũng tương tự như trường hợp căng trước. Chỉ khác trạng thái ứng suất từ giai đoạn I 1 chuyển ngay sang giai đoạn I4 mà không qua các giai đoạn I2 và I3 (Hình 11b). - Giai đoạn I1: Luồn cốt thép vào trong cấu kiện, nhưng chưa căng. - Giai đoạn I4: Căng cốt thép đạt tới ứng suất khống chế: HK = 0 - nH b Sau đó cốt thép được neo lại. Lúc này, do biến dạng của neo và sự ép sát các tấm đệm, do ma sát giữa cốt thép và thành ống nên xảy ra ứng suất hao có giá trị là: h1 = neo+ ms’ Ứng suất này làm giảm ứng suất trong cốt thép ứng lực trước. H = o -h1 -nhb. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 41
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Từ giai đoạn I5 đến lúc phá hoại, trạng thái ứng suất trong bê tông và cốt thép giống như đối với cấu kiện căng trước. 3.4.2. Tính toán cấu kiện chịu kéo trung tâm. a. Tính theo cường độ (giai đoạn sử dụng) Cơ sở dùng để tính toán theo cường độ là giai đoạn III. ở giai đoạn này, xem toàn bộ tải trọng đều do cốt thép chịu, nên điều kiện bền sẽ là: N RaFa + mHRHFH' (14) Trong đó mH là hệ số kể đến điều kiện làm việc của cốt thép cường độ cao khi ứng suất của nó cao hơn giới hạn chảy qui ước và được lấy theo bảng 3.6 Bảng 3.6. Hệ số điều kiện làm việc của cốt thép cường độ cao m H Loại thép mH A-IV và AT -IV 1,20 1,15 A-V, AT –V và sợi thép cường độ cao 1,10 AT -VI b. Tính không cho phép nứt Cơ sở dùng để tính toán cấu kiện không cho phép nứt là giai đoạn Ia của trạng thái ứng suất. Điều kiện để đảm bảo cho cấu kiện không hình thành khe nứt là: N RK(Fb + 2nHFH + 2naFa) + N02 (15) Trong đó: N - lực kéo dọc trục. No2 - lực kéo khi ứng suất kéo trong bê tông bị triệt tiêu. No2 = (0 - h) FH - a Fa (16) Với a = tbn + co + tb và Fb - diện tích tiết diện bê tông. Đối với cấu kiện đòi hỏi có tính chống nứt cấp I và cấp II thì N lấy là tải trọng tính toán. Đối với cấu kiện có tính chất chống nứt cấp III thì tính toán để kiểm tra xem có cần thiết phải tính toán theo sự mở rộng khe nứt hay không và N lấy là tải trọng tiêu chuẩn. c. Tính theo sự mở rộng khe nứt (17) Trong đó a là độ tăng ứng suất trong cốt thép, kể từ lúc ứng suất nén trước trong bê tông triệt tiêu, cho đến lúc kết cấu chịu tải trọng tiêu chuẩn N c. d. Tính theo sự khép kín khe nứt Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 42
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Việc tính toán kiểm tra sự khép kín nứt được xuất phát từ điều kiện nhằm đảm bảo sao cho sau khi bị nứt và tải trọng tạm thời ngắn hạn đã qua đi thì dước tác dụng của ứng lực trước trong cốt thép, khe nứt phải được khép kín lại. + Điều kiện: Tại thớ ngoài cùng ở miền chịu kéo của cấu kiện cần phải tồn tại ứng suất nén trước b không nhỏ hơn 10 kG/cm2 khi cấu kiện chỉ có tải trọng tĩnh và tải trọng dài hạn tác dụng. o2 + a < kRHC (18) Với: o2- ứng suất trong cốt thép ứng lực trước sau khi đã kể đến tất cả ứng suất hao. a - độ tăng ứng suất trong cốt thép, tính theo công thức (17). k - hệ số lấy bằng 0,65 đối với sợi thép và bằng 0,8 đối với thép thanh. e. Kiểm tra cường độ cấu kiện ở giai đoạn chế tạo Khi buông cốt thép ứng lực trước, cấu kiện có thể bị ép hỏng, cho nên cần phải kiểm tra cường độ của cấu kiện ở giai đoạn này (giai đoạn I 4) theo công thức: NH < RnF+ R'aF'a (19) Với: NH là lực nén bê tông khi buông cốt thép. Rnt là cường độ chịu nén của bê tông ở ngày thứ t ( lúc buông cốt thép) nhân với hệ số điều kiện làm việc của bê tông m b. - Đối với cấu kiện căng trước. N H =(1,10 -3000)FH (20) - Đối với cấu kiện căng sau: NH =1,1 (0 - nH b)FH' (21) - Lấy mb =1,1 đối với sợi thép. - Lấy mb = 1,2 đối với thép thanh. 3.5. Cấu kiện chịu uốn 3.5.1. Các giai đoạn của trạng thái ứng suất a. Cấu kiện căng trước Cũng giống như cấu kiện chịu kéo trung tâm, giai đoạn Iđược chia làm sáu giai đoạn trung gian, còn các giai đoạn khác tương tự như trong cấu kiện chịu uốn thông thường (Hình 3.4) - Giai đoạn I1: Đặt cốt thép FH và F’H vào khuôn. - Giai đoạn I2: Căng cốt thép bên dước F H và cốt thép bên F’H tới ứng suất khống chế HK và ’HK (thông thường HK = ’HK) rồi cố định cốt thép vào bệ, tiến hành đổ bê tông. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 43
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG - Giai đoạn I3: Trước khi bê tông đạt đến cường độ R 0, lúc này phát sinh các ứng suát hao ch và nh (nếu bê tông được đông cứng trong điều kiện dưỡng hộ nhiệt). H = HK -ch -snh và 'H = ' HK -'ch -'nh Hình 3.4. Sự thay đổi ứng suất của kết cấu bê tông ứng lực trước chịu uốn a) Trước khi đặt tải trọng sử dụng, b) Sau khi đặt tải trọng sử dụng. - Giai đoạn I4: Khi bê tông đạt cường độ R o, bắt đầu buông cốt thép. Do cốt thép FH và F’H không bằng nhau (FH > F’H) nên cấu kiện bị ép lệch tâm và vồng lên phía trên. Trong giai đoạn này phát sinh thêm ứng suất hao s tbn. Do đó ứng suất hao đạt giá trị hl. - Giai đoạn I5: Theo thời gian xảy ra các ứng suất hao do co ngót (co) và từ biến (tb) của bê tông. - Giai đoạn I6: Tải trọng tác dụng, làm tăng ứng suất k éo trong cốt thép FH và làm giảm ứng suất kéo trong cốt thép F’H. Khi ứng suất nén trước của thớ bê tông ở ngang vị trí trọng tâm cốt thép FH bị triệt tiêu thì ứng suất trong cốt thép F H được tính toán là o - h. - Giai đoạn Ia: ứng suất trong miền bê tông chịu kéo đạt cường độ giới hạn R K, bê tông sắp sửa nứt, ứng suất trong cốt thép FH là o- h + 2nHRK. Giai đoạn này là cơ sở dùng để tính toán cấu kiện không cho phép hình thành khe nứt. - Giai đoạn II: Khe nứt xuất hiện ở miền bê tông chịu kéo. Tất cả nội lực kéo đều do cốt thép chịu, nhưng ứng suất của cốt thép chịu kéo cũng như của bê tông chịu nén đều chưa đạt tới trị số giới hạn. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 44
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG - Giai đoạn III: Khe nứt mở rộng, ứng suất trong cốt thép chịu kéo và của bê tông chịu nén đều đạt tới trị số giới hạn, cấu kiện bị phá hoại. Trong giai đoạn này, khi ứng suất nén của bê tông đạt tới trị số giới hạn thì ứng suất trong cốt thép F’H là: 'H = R'H - m1 ('0-'h) (22) Trị số 'H có thể dương (ứng suất nén) hoặc âm (ứng suất kéo). Nên thiết kế sao cho ’H mang dấu dương vì trong trường hợp ’H mang dấu âm thì sự có mặt của F’H làm giảm khả năng chịu lực của cấu kiện ứng lực trước. b. Cấu kiện căng sau Ở cấu kiện căng sau, trạng thái ứng suất từ giai đoạn I 1 chuyển ngay sang giai đoạn I4. Sau đó các giai đoạn của trạng thái ứng suất kế tiếp nhau xảy ra như trong cấu kiện căng trước. 3.5.2. Tính toán cấu kiện chịu uốn a. Tính theo cường độ trên tiết diện thẳng góc Cách tính toán tương tự như cấu kiện bê tông cốt thép thường, chỉ khác là ở các công thức cơ bản có t hêm thành phần cốt thép ứng lực trước. Đối với tiết diện chữ T trục trung hoà đi qua sườn (Hình 3.5), điều kiện cường độ là: M < Rnbx(h0 - 0,5x) + Rn(b'c -b)h'c(h0 -0,5h' c) + R'aF'a (h0 - a') +HF'H(h0 - a' H) (23) Chiều cao vùng chịu nén x được xác đị nh từ công thức: Rn[bx +(b'c -b)h' c]= mHRHFH + RaFa -'HFH = R'aF'a (24) Trong đó: ’H - ứng suất trong cốt thép F’H được xác định théo (22). mH - hệ số kể đến điều kiện làm việc của cốt thép cường độ cao khi ứng suất cao hơn giới hạn chảy qui ước; mH- được xác định theo tiêu chuẩn thiết kế. Hình 3.5. Sơ đồ tính tiết diện chữ T, cánh nằm trong vùng nén, trục trung hòa qua sườn Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 45
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG b. Tính theo cường độ trên tiết diện nghiêng Để chịu lực trên tiết diện nghiêng trong cấu kiện ứng lực trước chịu uốn ngoài cốt dọc, cốt xiên và cốt đai thường còn có cốt dọc và cốt ngang ứng lực trước (Hình 3.6). Việc tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng chịu cắt được tiến hành tương tự như cấu kiện chịu uốn thông thường. (25) Trong đó: Qb - khả năng chịu cắt bê tông. Rađ, RHđ- cường độ tính toán về cắt của cốt thép thường và cốt thép ứng lực trước Hình 3.6. Sơ đồ tính toán nội lực trên tiết diện nghiêng c. Tính cường độ cấu kiện ở giai đoạn chế tạo Tính toán cấu kiện ở giai đoạn chế tạo bao gồm: - Kiểm tra theo điều kiện về ứng suất nén giới hạn của bê tông (bảng 3.1) lúc bắt đầu buông cốt thép. - Kiểm tra sự làm việc tổng thể của cấu kiện ở ngoài giai đoạn chế tạo. Việc kiểm tra được tiến hành như cấu kiện chịu nén lệch tâm thường mà ngoại lực là lực nén do cốt thép ứng lực trước gây ra. - Kiểm tra về việc chịu lực cục bộ của bê tông ở khu vực neo. Nếu khả năng chịu lực của miền bê tông neo không đủ thì phải gia cường bằng các l ưới cốt thép hoặc đệm thép. d. Tính toán không cho phép nứt Để đảm bảo cho cấu kiện không hình thành khe nứt trên tiết diện thẳng góc thì phải thoả mãn điều kiện M Mn (26) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 46
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Với M là mômen uốn do ngoại lực gây ra. Đối với cấu kiện có tính chất chống nứt cấp I và II thì M là mômen tính toán; đối với cấu kiện có tính chất chống nứt cấp III thì M là mômen tiêu chuẩn. Mn - mômen mà cấu kiện chịu được ngay trước khi hình thanh khe nứt. Cơ sở dùng để tính Mn là giai đoạn Ia của trạng thái ứng suất biến dạng. Mn =RkWn + ML (27) Trong đó: RkWn là mômen chống nứt của cấu kiện bê tông cốt thép thường. Mômen chống nứt của cấu kiện ứng lực trước được tăng lên nhờ M L, do đó có thể điều chỉnh lực căng để cấu kiện không bị nứt. e. Tính toán theo sự mở rộng và khép kín khe nứt Việc tính toán theo sự mở rộng và khép kín khe nứt được tiến hành tương tự như cấu kiện chịu uốn thông thường và cấu kiện ứng lực trước chịu kéo trung tâm. Chỉ khác độ tăng ứng suất trong cốt thép sa được tính theo công thức: (28) Trong đó: Z1 - khoảng cách giữa hợp lực vùng chịu nén và hợp lực vùng chịu kéo; No2 -lực nén trước bê tông ở giai đoạn sử dụng; eH - khoảng cách từ điểm đặt của lực N o2 đến trục đi qua trọng tâm diện tích cốt thép chịu kéo. Hình 3.7. Sơ đồ lực để xác định Mn f. Tính toán kiểm tra độ võng Việc tính toán kiểm tra độ võng được tiến hành phụ thuộc vào tính chất chống nứt của cấu kiện. Đối với cấu kiện không cho phép nứt, khi tính độ võng người ta xem cấu kiện như vật thể đàn hồi và dùng các công thức đã nêu trong môn cơ học kết cấu để tính toán. Đối với cấu kiện có khe nứt ở vùng kéo, cách tính độ võng tương tự như cách tính đối với cấu kiện chịu uốn thông thường, chỉ khác là trong các công thức có thêm một vài số hạng để kể đến tác dụng của cốt thép ứng lực trước. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 47
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Chương 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 4.1. Các quan niệm phân tích kết cấu bê tông ứng lực trước Hiện nay, việc phân tích cấu kiện bê tông ứng lực trước dựa trên ba quan niệm cơ bản như sau: 4.1.1. Quan niệm thứ nhất Quan niệm này coi bê tông ứng lực trước như vật l iệu đàn hồi, tính toán theo ứng suất cho phép. Bê tông là vật liệu chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém. Nếu không phải chịu ứng suất kéo do đã được nén trước thông qua việc kéo trước cốt thép thì trong bê tông sẽ không bị xuất hiện vết nứt, như vậy có thể xem như bê tông ứng lực trước 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 xuấ t hiện thì có thể sử dụng các phương pháp của lý thuyết đàn hồi để tính toán. 4.1.2. Quan niệm thứ hai Quan niệm này coi bê tông ứng lực trước làm việc như bê tông cốt thép thường với sự kết hợp giữa bê tông và thép cường độ cao. Bê tông chịu nén và thép chịu k éo 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. 4.1.3. Quan niệm thứ ba Quan niệm này coi ứng lực trước như 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 ứng lực trước. Cáp ứng lực trước được thay thế bằng các lực tương đương tác dụng vào bê tông. Cáp tạo ra một tải trọng ngược lên, nếu chọn hình dạng cáp và lực ứng lực trước phù hợp sẽ cân bằng được các tải trọng tác dụng lên sàn, do đó độ võng của sàn tại mọi điểm đều bằng 0. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 48
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 4.1.3.1. Phân tích theo phương pháp ứng suất cho phép Hình 4.1. Phân tích theo phương pháp ứng suất cho phép Chú ý: Ứng suất cho phép thường dùng trong giai đoạn nén trước (transfer) và giai đoạn làm việc bình thường (service load state - SLS). Với e là độ lệch tâm của cáp ứng lực trước tính từ trọng tâm bản sàn (CGC) đến trọng tâm cáp ứng lực trước (CGS). 4.1.3.2.Phân tích theo phương pháp cân bằng tải trọng Bảng 4.1. Phân tích theo phương pháp cân bằng tải trọng Tải trọng Hình dạng cáp Sơ đồ tải cân bằng Độ võng cân bằng M=Pe Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 49
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 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). 4.1.3.3. 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 kể đến các hao ứng suất). 5- Tính toán ứng suất, kiểm tra các giai đoạn làm việc của sàn, kiểm tra độ võng và khả năng chịu lực. 6- Tuỳ thuộc vào kết quả của bước 5, có thể điều chỉnh chiều dày sàn và lực ứng lực trước. Có thể bổ sung cốt thép thường để hạn chế vết nứt và tăng khả năng chịu cắt, lượng thép này thường bố trí qua đầu cột hoặc nhịp biên. 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. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 50
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 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. 4.2. Các phương pháp tính toán nội lực trong sàn phẳng 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. 4.2.1. Phương pháp phân phối trực tiếp Trong tính toán bản sàn theo phương pháp phân phối trực ti ếp, mômen uốn M0 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. Phương pháp phân phối trực tiếp mang tính ứng dụng cao, dễ sử dụng và đơn giản. Tuy nhiên phạm vi sử dụng hơi 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 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. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 51
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG - 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. - Cột không được lệch vị trí quá 10% khoảng cách giữa các đường tim cột của các cột kế tiếp nhau theo mỗi phương.  Quy trình tính toán theo phương pháp phân phối trực tiếp: 4.2.1.1 Xác định mô men tổng cộng Mô men tổng cộng do tải trọng tính toán M : 0 (4.1) Trong đó: w - t . u ải trọng phân bố l - bề rộng dầm - bản. 2 l - chi ài thông thu à kho n ều d ỷ của nhịp, được tính l ảng cách giữa 2 mặt trong của gối tựa (cột, mũ cột, hoặc vách) nhưng không được nhỏ hơn 0,65l 1 (l là khoảng cách tâm 2 gối tựa). 1 4.2.1.2 Phân phối mô men cho các ô bản ối với các nhịp trong, mô men M ợc phân phối 65% cho mô men âm và Đ 0 đư 35% cho mô men dương. Giá trị này xấp xỉ như dầm ngàm 2 đầu chịu tải trọng phân bố dựa trên giả thiết góc xoay của các điểm liên kết phía trong là không đáng kể. Tiết diện tới hạn đối với mô men âm là tiết diện tại vị trí mặt gối tựa (cột, tường, mũ cột) của bản sàn. Với cột tròn, tiết diện tới hạn đối với mô men âm nằm tại vị trí cạnh hình vuông tương đương. Đối với các cột biên, lực chỉ tác dụng lên cột ở một phía nên sẽ gây ra mô men không cân bằng. Góc xoay sẽ làm giảm mô men âm và tăng mô men dương ở giữa nhịp và ở gối trong đầu tiên. Độ lớn góc xoay của cột biên phụ thuộc vào độ cứng của cột tương đương. Nếu độ cứng của cột lớn so với độ cứng của dầm - bản, cột sẽ ngăn cản góc xoay của biên ngoài của sàn và đóng vai trò như một li ên kết ngàm, tỷ lệ phân phối mô men M sẽ tương tự như các nhịp trong (65% tại gối và 35% tại 0 nhịp). Ngược lại, nếu độ cứng của cột không đủ lớn, cột đóng vai trò như một gối cố định. Lúc này, mô men tại gối ngoài sẽ bằng 0, mô men giữa nhịp là 0.63M , mô 0 men tại gối trong đầu tiên bằng 0.75M . Nếu sàn không có dầm biên, tỷ lệ phân 0 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 52
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG phối lần lượt cho các tiết diện trên sẽ là 0.26M ; 0.50M ; 0.70M . Nếu sàn có dầm 0 0 0 biên: 0.30M ; 0.50M ; 0.70M . 0 0 0 4.2.1.3 Phân phối mô men cho các dải nhịp và dải cột Sau khi phân phối mô men cho các ô bản, cần phân phối mô men cho các dải nhịp và dải cột của ô bản. Hình 4.2. Sơ đồ dải cột và dải nhịp Sự phân phối mô men âm và mô men dương cho các dải cột phụ thuộc vào tỷ s /l và /l , v àn không d = 0. Sau khi phân ph ố l2 1 αl2 1 ới s ầm α ối mô men cho dải cột, lượng mô men còn lại sẽ phân phối cho dải nhịp. - Đối với mô men dương, 60% sẽ phân phối cho dải cột. - Đối với mô men âm: + Đối với nhịp giữa, 75% mô men âm phân phối cho dải cột. + ối với nhịp biên, sự phân phối mô men phụ thuộc l /l /l ộ cứng Đ 2 1, αl2 1, đ chống xoắn của dầm biên . (4.2) và E ồi của bê tông dầm và bê tông sàn Trong đó: Ecb cs: mô đun đàn h I : mô men quán tính của dầm bản s C: hằng số liên quan đến độ cứng chống xoắn của dầm biên (4.3) Với x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện chữ nhật thành phần trong tiết diện ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 53
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Nếu rất nhỏ, gần bằng 0, 100% mô men âm sẽ phân phối cho dải cột. Nếu 2.5 thì 75% mô men âm sẽ phân bố cho dải cột. 4.2.2. Phương pháp khung tương đương Vì lực cắt và mô men uốn trong sàn là do tải trọng thẳng đứng tác dụng lên từng sàn nên có thể phân tích độc lập từng sàn. Phương pháp khung tương đương được dùng để xác định nội lực cho sàn, số nhịp bất kỳ, nhịp có thể là đều hoặc không đều nhau. Theo phương pháp này, tưởng tượ ng cắt toàn bộ sàn dọc theo đường tim của sàn, tạo thành khung theo cả 2 phương, gọi là khung tương đương. Hình 4.3. Sơ đồ khung tương đương Khung tương đương có phần tử cột bao gồm 2 cột ở tầng trên và tầng dưới kế tiếp nhau của sàn và phần tử dầm có chiều rộng tính từ tâm 2 nhịp kế tiếp nhau, chiều cao bằng chiều dày sàn. Cột được giả thiết là ngàm 2 đầu. 4.2.2.1 Mô men quán tính của dầm - bản Mô men quán tính của dầm - bản thay đổi dọc theo trục dầm - bản do ảnh hưởng của kích thước các bộ phận kết cấu cột, mũ cột và bản mũ cột (nếu có). Độ cứng của bản sàn tại vị trí cột hoặc trong phạm vi mũ cột có thể xem như cứng tuyệt đối, tại gần vị trí với mũ cột hoặc cột, độ cứng của dầm - bản nhỏ hơn. Từ tim cột đến mặt cột hoặc mép mũ cột, mô men quán tính của dầm - bản lấy bằng 2 mô men quán tính t - c /l ) là ại mặt cột hoặc tại mặt mũ cột chia cho (1 2 2 , trong đó c2 ớc của cột hoặc mũ cột, l ớc nhịp theo phương đang xét. kích thư 2 là kích thư Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 54
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 4.2.2.2 Cột tương đương Trong khung tương đương, đối với sàn không dầm, toàn bộ phần mô men trong sàn giữa các cạnh cột và dầm - bản sẽ truyền thông qua lực xoắn. Để mô tả phản ứng của kết cấu đối với sự truyền mô men giữa sàn và cột do uốn và xoắn, giả thiết rằng cột có cánh tay đòn về 2 phía của cột. Cánh tay đòn này sẽ truyền mô men từ sàn vào cột thông qua xoắn. Cột phía trên và cột phía dưới sàn cùng với cánh tay đòn này được coi như một cấu kiện, được gọi là cột tương đương. Hình 4.4. Cột tương đương Độ cứng của cột tương đương được tính như sau: (4.4) Trong đó: K - ộ cứng của cột tương đương ec đ ∑Kc - tổng độ cứng của cột phía trên và phía dưới sàn ộ cứng của cột: K =k EI/l Đ c c c V =4 ới cột có tiết diện không đổi: kc l - chiều dài của cột được tính từ tâm sàn tầng dư àn tầng trên c ới đến tâm s K òn t: độ cứng chống xoắn của cánh tay đ (4 5) E ồi của bê tông sàn cs: mô đun đàn h c : b 2 ề rộng cột l : bề rộng của dầm - bản 2 C: mô men chống xoắn của cánh tay đòn. Với tiết diện hình chữ nhật: (4.6) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 55
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Với x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện chữ nhật thành phần trong tiết diện ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột. Nếu có dầm theo phư ới phương tính toán chạy qua cột thì K ơng vuông góc v t /I với I là mô men quán tính của bản không kể đến thân dầm, I là nên tăng lên Isb s s sb mô men quán tính đồng thời của bản và dầm. Lúc đó, công thức (4.4) trở thành: (4.7) 4.2.2.3 Tính toán mô men trong khung tương đương Có thể sử dụng máy tính với các chương trình tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn để xác định mô men trong khung tương đương. 4.2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin và các phần mềm tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn, việc tính toán ngày càng trở nên thuận tiện và chính xác. Phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ có hiệu lực để giải các bài toán từ đơn giản đến phức tạp trong nhiều lĩnh vực. T hực chất của phương pháp này là chia vật thể biến dạng thành nhiều phần tử có kích thước hữu hạn gọi là phần tử hữu hạn. Các phần tử này được liên kết với nhau bằng các điểm gọi là nút. Các phần tử này vẫn là các phần tử liên tục trong phạm vi của nó, nhưn g do có hình dạng đơn giản nên cho phép nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở của một số quy luật về sự phân bố chuyển vị và nội lực. Kết cấu liên tục được chia thành một số hữu hạn các miền hoặc các kết cấu con có kích thước càng nhỏ càng tốt nhưng phải h ữu hạn. Các miền hoặc các kết cấu con được gọi là các phần tử hữu hạn, chúng có thể có dạng hình học và kích thước khác nhau, tính chất vật liệu được giả thiết không thay đổi trong mỗi phần tử nhưng có thể thay đổi từ phần tử này sang phần tử khác. Kích thước hình học và số lượng các phần tử không những phụ thuộc vào hình dáng hình học và tính chất chịu lực của kết cấu (bài toán phẳng hay bài toán không gian, hệ thanh hay hệ tấm vỏ ) mà còn phụ thuộc vào yêu cầu về mức độ chính xác của bài toán đặt ra. Lưới phần tử hữu hạn càng mau, nghĩa là số lượng phần tử càng nhiều hay kích thước của phần tử càng nhỏ thì mức độ chính xác của kết quả tính toán càng tăng, tỷ lệ thuận với số phương trình phải giải. Các đặc trưng của các phần tử hữu hạn được phối hợp với nhau để đưa đến một lời giải tổng thể cho toàn hệ. Phương trình cân bằng của toàn hệ kết cấu đư ợc suy ra bằng cách phối hợp các phương trình cân bằng của các phần tử hữu hạn riêng rẽ sao cho vẫn đảm bảo được tính liên tục của toàn bộ kết cấu. Cuối cùng, căn cứ Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 56
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG vào điều kiện biên, giải hệ phương trình cân bằng tổng thể để xác định giá trị của các thành phần chuyển vị. Thành phần này được dùng để tính ứng suất và biến d ạng 4.3. Thiết kế sàn bê tông ứng lực trước với lưới cột đều đặn Các phương pháp thiết kế như: Phân phối trực tiếp, khung tương đương và phần tử hữu hạn đều có thể sử dụng trong thiết kế sàn bê tông ứng lực trước và đều dựa trên quan niệm bê tông ứng lực trước là vật liệu đàn hồi. Phương pháp phân phối trực tiếp có phạm vi áp dụng hẹp hơn 2 phương pháp còn lại và khó khăn trong việc tính toán bản sàn theo trạng thái giới hạn thứ 2 (kiểm tra võng và nứt). Phương pháp khung tương đương có phạm vi áp dụng rộng rãi hơn, có thể xác định được tải trọng ở các giai đoạn làm việc và cho phép người thiết kế đánh giá được độ võng của sàn một cách trực quan thông qua việc áp dụng các chương trình máy tính. Hiện nay, phương pháp phổ biến và hiệu quả để thiết kế sàn bê tông ứng lực trước là phương pháp cân bằng tải trọng, sử dụng khung tương đương để phân phối mô men do ứng lực trước và do các tải trọng tác dụng lên sàn.  Quy trình thiết kế như sau: 1- Sơ bộ chọn chiều dày sàn. Bảng 4.2. Độ dày tối thiểu của sàn bê tông ứng lực trước Tải trọng Tỷ lệ nhịp/chiều dày sàn Nhẹ 40 ÷ 48 Trung bình 34 ÷ 42 Nặng 28 ÷ 36 Trong tỷ lệ nhịp/chiều dày sàn thì nhịp là nhịp dài của ô sàn. 2- Xác định tải trọng cân bằng w 3- Chọn hình dạng cáp và tính toán lực ứng lực trước yêu cầu. Hình dạng cáp càng gần với biểu đồ mô men do tải trọng ngoài gây ra càng tốt. - Đối với sàn liên tục chịu tải phân bố đều, cáp có thể bố trí như sau: Hình 4.5. Sơ đồ cáp đối với sàn liên tục Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 57
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Lực ứng lực trước yêu cầu: (4.8) õng s trong công th ên có th à s ho . Độ v ức tr ể l 1 ặc s2 - Đối với bản công xôn: Hình 4.6. Sơ đồ cáp đối với bản công xôn Lực ứng lực trước yêu cầu: (4.9) 4- Tính toán các hao ứng lực trước. Chọn ứng suất căng ban đầu: (4.10) Tính các hao ứng lực trước: + Hao do ma sát. + Hao do biến dạng neo. + Hao do các nguyên nhân khác: do co ngót của bê tông, do từ biến của bê tông, do sự chùng ứng suất trong thép Sau khi tính toán các hao ứng lực trước  f , tính được ứng lực trước hiệu quả: (4.11) 5- Tính số lượng cáp và bố trí cáp. Lực ứng lực trước của một cáp: (4.12) Lực căng yêu cầu cho dầm - bản rộng l: (4.13) Số lượng cáp cần thiết: (4.14) Cáp ứng lực trước qua cột hoặc xung quanh mép cột góp phần lớn hơn vào khả năng chịu tải so với thép ứng lực trước ở xa cột. Vì vậy nên bố trí khoảng 65 ÷ 75% cáp cho dải cột, còn lại bố trí cho dải giữa. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 58
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 6- Kiểm tra các giai đoạn làm việc của sà n,khả năng chịu lực, võng, nứt. Sử dụng khung tương đương để tính toán, kiểm tra sàn.  Kiểm tra các giai đoạn làm việc của sàn: Sàn được kiểm tra lúc buông neo và trong giai đoạn sử dụng. Trong các giai đoạn làm việc của sàn, ứng suất trong bê tông không được vượt quá giá trị cho phép trong phần 2.1.1.2. Ứng suất trong bê tông: (4.15) Trong đó: M- mô men do các trường hợp tải ứng với từng giai đoạn làm việc của sàn gây ra. W- mô men kháng uốn của dầm - bản. Lực ứng lực trước P sẽ gây ra tải trọng cân bằng: (4.16) Hình 4.7. Tải trọng cân bằng  Kiểm tra khả năng chịu lực của sàn: a). Khả năng chịu uốn: Coi vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, mô men do tải trọng tính toán gây ra không được vượt quá mô men giới hạn. (4.17) Hình 4.8. Khả năng chịu uốn của tiết diện chữ nhật Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 59
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG : hệ số phụ thuộc vào loại cáp ứng lực trước, có các giá trị  =0.55 nếu (f /f ) 0.80 P py pu ≥  =0.40 n /f ) 0.85 P ếu (fpy pu ≥  =0.28 n /f ) 0.90 P ếu (fpy pu ≥ 1 : hệ số phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông: ; ; ; ;  Đối với cáp dính kết: (4.18) Nếu kể đến thép chịu nén (’ >0) thì Hàm lượng thép phải thoả mãn các điều kiện sau: và Nếu tiết diện thoả mãn điều kiện trên thì cường độ chịu uốn giới hạn được xác định như sau: + Tiết diện chỉ có thép chịu kéo (cáp dính kết): (4.19) + Tiết diện hình chữ nhật có thép chịu nén: - Nếu thì (4.20) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 60
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG - Nếu thì ơn f , có thể bỏ qua hiệu quả của thép chịu nén ứng suất trong thép chịu nén nhỏ h y và có thể xác định mô men nứt theo (4.19).  Đối với cáp không dính kết: Nếu tỷ lệ (nhịp/chiều cao tiết diện) ≤ 35, ứng suất phá hoại trong cáp: (4.21) ợc lớn hơn f và (f + 400) nhưng không đư py se Nếu tỷ lệ (nhịp/chiều cao tiết diện) > 35, ứng suất phá hoại trong cáp: (4.22) ợc lớn hơn f và (f +200) nhưng không đư py se Nếu hàm lượng thép vượt quá 0.36 1 , mô men giới hạn: (4.23) b). Khả năng chịu cắt: + Điều kiện chịu cắt: (4.24) Trong đó: V- lực cắt A - di nh c c ện tích tiết diện giới hạn bao qua ột. J - mô men quán tính của tiết diện giới hạn bao quanh cột c M- tổng mô men truyền vào cột α- hệ số truyền mô men do ứng suất cắt (4.25) c- khoảng cách từ trục trung hoà tiết diện giới hạn đến điểm tính ứng suất =0.75 là hệ số an toàn. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 61
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG - ứng suất cắt tới hạn. (4.26) = 40 đối với cột giữa = 30 đối với cột biên = 20 đối với cột góc b - chu vi c 0 ủa tiết diện giới hạn f - ước hiệu quả gây ra ở tâm tiết diện pc ứng suất nén do lực ứng lực tr V - thành ph p ần thẳng đứng của ứng lực trước hiệu quả. + Đặc trưng của tiết diện chịu cắt: Tiết diện chịu cắt được tính là phần tiết diện mở rộng ra một khoảng d/2 tính từ mép cột. Hình 4.9. Sơ đồ xác định tiết diện giới hạn Xét cột tiết diện hình chữ nhật: Cột giữa: (4.27) (4.28) Cột biên: (4.29) (4.30) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 62
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG (4.31) Cột góc: (4.32) (4.33) (4.34) c). Kiểm tra độ võng: Độ võng được xác định từ khung tương đương và bỏ qua ảnh hưởng của góc xoay vì khá nhỏ. Đối với sàn làm việc theo 2 phương, độ võng tại giữa ô sàn sẽ là tổng độ võng theo từng phương. - là ộ võng do tổng tải trọng theo phương l . Δe1 đ 1 - là õng do t . Δ e 2 độ v ổng tải trọng theo phương l 2 - là tổng độ võng do tổng tải trọng. Δe=Δ e 1+Δ e 2 - õng do ph Δdh1 độ v ần tĩnh tải không được cân bằng bởi lực ứng lực trước theo . phương l1 - õng do phần tĩnh tải không được cân bằng bởi lực ứng lực trước hoạt Δ dh 2 độ v t . ải theo phương l2 + - tổng độ võng do phần tĩnh tải không đư Δ dh =Δ dh1 Δ dh2 ợc cân bằng bởi lực ứng lực trước. Độ võng tổng cộng: + (4.35) Δ=Δe FΔdh Với F là hệ số độ võng dài hạn 4.4. Mô hình cáp trong phương pháp cân bằng tải trọng Như đã trình bày ở 4.1.3.2, tải trọng cân bằng thụ thuộc vào quỹ đạo bố trí cáp. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 63
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Với trường hợp cân bằng tải trọng cho dầm liên tục, tải trọng cân bằng được trình bày ở hình 4.10. Hình 4.10. Mô hình cáp và tải trọng cân bằng trong tính toán Tuy nhiên, trong thực tế, cáp không thể bố trí tại gối B như mô hình tính toán trên hình 4.10. mà phải như hình 4.11. Do đó, tải trọng cân bằng có sự sai số giữa mô hình tính toán và mô hình thực tế. Hình 4.11. Mô hình cáp trong thực tế Phương pháp phần tử hữu hạn có thể dễ dàng mô hình được tải trọng cân bằng tương ứng theo quỹ đạo cáp. 4.5. Thiết kế sàn bê tông ứng lực trước với lưới cột ngẫu nhiên Đối với mặt bằng sàn có lưới cột ngẫu nhiên thì không thể áp dụng phương pháp phân phối trực tiếp và phương pháp khung tương đương. Trong trường hợp này, cần xét đến sự làm việc tổng thể của toàn bộ sàn và áp dụng phương pháp pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của các phần mềm thiết kế để tính toán. Do việc mô hình hoá cáp trong phương pháp pháp phần tử hữu hạn là rất khó khăn, nhất là việc tính toán, phân tích phải trải qua các giai đoạn làm việc khác nhau của kết cấu nên luận văn sử dụng phương pháp cân bằng tải trọng như đã trình bày trong phần 4.4. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 64
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 2 Các tải trọng cân bằng được quy về tải phân bố trên 1m của sàn. Sàn được chia thành các dải có bề rộng tuỳ thuộc vào quy định của người thiết kế. Tuỳ thuộc vào hình dạng cáp, lực ứng lực trước sẽ gây ra tải trọng cân bằng tác dụng lên sàn hướng xuống hoặc hướng lên, tải cân bằng có giá trị: Tại nhịp, lực hướng lên: (4.36) Tại đầu cột, lực hướng xuống: (4.37) Trong đó: P- lực ứng lực trước s- độ lệch tâm của cáp ở nhịp e - 2 độ vồng của cáp tại đầu cột b - bề rộng dải d l- khoảng cách giữa 2 điểm uốn của cáp. Hình 4.12. Tải trọng cân bằng Hình 4.13. Tải trọng cân bằng trong sàn do lực ứng lực trước gây ra Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 65
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 4.5.1. Quy trình thiết kế Quy trình thiết kế về cơ bản vẫn theo các bước của phương pháp cân bằng tải trọng và được bổ sung thêm một số bước để phù hợp với việc tính toán theo phương pháp pháp phần tử hữu hạn. Bước 1- Tính toán sơ bộ chiều dày sàn, loại vật liệu sử dụng, có thể tham khảo theo bảng 4.2 Bước 2- Xác định tải trọng cân bằng. Tải trọng cân bằng thường chọn vào khoảng 0,8 ÷ 1 lần trọng lượng bản thân sàn. Bước 3- Tính toán các hao ứng suất. Bước 4- Xác định hình dạng cáp, tính toán lực ứng lực trước yêu cầu, tính số lượng cáp cần thiết. 2 Coi tải trọng cân bằng là tải trọng hướng lên, phân bố trên 1m của sàn. Tải trọng này sẽ gây ra mô men M trong các dải sàn. Việc xác định các mô men này được thực hiện bằng cách sử dụng các phần mềm tính toán sàn. Căn cứ vào biểu đồ mô men để bố trí cáp. Với lưới cột ngẫu nhiên, việc bố trí cáp có thể phải tiến hành nhiều lần để tìm ra cách bố trí thích hợp. Lực ứng lực trước yêu cầu cho dả i: (4.38) Khi có trốn cột trong lưới cột khá đều đặn, vẫn tồn tại các dải trên cột và dải giữa nhịp. M là mô men do tải cân bằng gây ra trên các dải sàn. Số lượng cáp cần thiết: (4.39) Bước 5 - Vào sơ đồ tính toán với các tải trọng: hoạt tải, tĩnh tải, tải ứng lực trước (sau khi đã kể đến các hao ứng suất). Các tải trọng được quy về tải phân bố 2 trên m .Tải trọng cân bằng do lực ứng lực trước gây ra được tính theo công thức (4.36) và (4.37) Bước 6- Phân tích sàn với các tải trọng (sử dụng phần mềm tính toán sàn). Bước 7- Kiểm tra sàn ứng với các giai đoạn làm việc, kiểm tra khả năng chịu lực và độ võng. Sử dụng các công thức tính toán từ ( 4.15) đến (4.35) - Tại các giai đoạn làm việc của sàn: Ứng suất trong bê tông: Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 66
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Trong đó: M- mô men do các trường hợp tải ứng với từng giai đoạn làm việc của sàn gây ra. Mô men này được tính tại vị trí mép cột. ứng với giai đoạn buông neo thì M là mô men do lực ứng lực trước sau khi hao ma sát và buông neo và trọng lư ợng bản thân sàn gây ra. ứng với giai đoạn sử dụng thì M là mô men do lực ứng lực trước hiệu quả sau khi hao ứng suất và các tải trọng tĩnh tải, hoạt tải gây ra. P: lực ứng lực trước ứng với từng giai đoạn làm việc của sàn. - Kiểm tra khả năng chịu lực: + Khả năng chịu uốn: M - mô men t f ại mép cột hoặc mô men tại giữa nhịp. M - mô men giới hạn được tính theo các công thức từ (4 ến (4.23) u .18) đ + Khả năng chịu cắt: - ứng suất cắt tại mép cột - ứng suất cắt tới hạn và được tính toán theo các công thức từ (4.24) đến (4.34) - Kiểm tra độ võng: = + Δ Δe FΔdh Trong đó: - ộ võng tức thời do tổng tải trọng gây ra. Δe đ - õng t ài h õng do ph Δdh độ v ức thời do tải trọng d ạn gây ra là độ v ần tĩnh tải không được cân bằng bởi lực ứng lực trước gây ra. F- hệ số độ võng dài hạn Với kết cấu bê tông ứng lực trước, lực nén trước ảnh hưởng đến cả nội lực tính toán, do vậy quy trình thiết kế thường phải thực hiện theo một quy trình lặp. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 67
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Chương 5 THÍ DỤ TÍNH TOÁN Thí dụ như sau: Sàn phẳng bê tông ứng lực trước căng sau với mặt bằng như trên hình 5.1 được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI 318 -2002. Tính theo phương pháp pháp phần tử hữu hạn. Hình 5.1. Mặt bằng sàn. 5.1. Vật liệu - Bê tông M350 =22.75MPa. f’c - Cáp ứng lực trước không kết dính loại T15, đường kính d=15.24mm, đặt trong ống nhựa φ20. 2 5 f =1860MPa A =140mm E =2.10 MPa. pu p ps - ờng AIII: f =400MPa Thép thư y 5.2. Tiết diện các cấu kiện Chiều dày sàn . Kích thước cột 1,2x1,2 (m) Kích thước mũ cột 1,4x1,4x0,15 (m) Kích thước dầm biên 30x70 (cm) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 68
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 5.3. Tải trọng tác dụng lên sàn Bảng 5.1. Các tải trọng tác dụng lên sàn Chiều dày g Trạng thái tiêu Các lớp sàn 3 2 (mm) (kG/m ) chuẩn (kG/m ) Gạch Ceramic 300x300 loại 1 10 1800 18 Lớp vữa lót XM 50# 40 1800 72 Sàn bê tông cốt thép 330 2500 825 Lớp vữa trát trần XM 50# 15 1800 27 Tổng tĩnh tải 942 Hoạt tải 200 2 Tải ứng lực trước cân bằng: w = 0.9×TLBT = 0.9 825=743kG/m . 5.4. Tính hao ứng suất Chọn ứng suất căng ban đầu: Ta lấy - Hao ứng suất do ma sát: Ứng suất trung bình sau khi hao ma sát: - Hao ứng suất do biến dạng neo: + Sau khi thả neo, cho phép neo biến dạng 6mm: + Ứng suất trung bình sau khi hao ma sát và biến dạng neo: - Hao ứng suất do các nguyên nhân khác lấy bằng :18%f =18%ì1299.62=234(MPa) 2 - ng su =f -18%f =1299.62-234=1065.62(MPa) Ứ ất hiệu quả: fse 2 2 5.5. Hình dạng cáp Căn cứ vào biểu đồ mô men do tải trọng cân bằng gây ra để bố trí cáp. Việc xác định mô men này được thực hiện bằng chương trình SAFE 8.08 Hình 5.2. Hình dạng cáp dải CSX1, CSX5 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 69
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Hình 5.3. Hình dạng cáp dải CSX2, CSX4, MSX1, MSX4, MSX2, MSX3 Hình 5.4. Hình dạng cáp dải CSX3 Hình 5.5. Hình dạng cáp dải CSY1, CSY5 Hình 5.6. Hình dạng cáp dải CSY2, CSY4, MSY1, MSY4, MSY2, MSY3 Hình 5.7. Hình dạng cáp dải CSY3 - Lớp bảo vệ: 30mm. - Cáp uốn cách tâm cột 0.1L + Đối với nhịp 9m: 0.1ì9=0.9 (m) + Đối với nhịp 8.5m: 0.1ì8.5=0.85 (m) Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 70
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG + Đối với nhịp 17.5m: 0.1ì17.5=1.75 (m) + Đối với nhịp 17m: 0.1ì17=1.7 (m) - Cáp lệch tâm lớn nhất tại giữa nhịp. Theo phương X: -Độ lệch tâm của cáp tại nhịp: -Độ lệch tâm của cáp ở đầu cột: -Độ lệch tâm tương đương của cáp: Theo phương Y: - Độ lệch tâm của cáp tại nhịp: - Độ lệch tâm của cáp ở đầu cột: - Độ lệch tâm tương đương của cáp: - Lực ứng lực trước yêu cầu cho dải: M: Mô men do tải cân bằng gây ra - Lực ứng lực trước của 1 cáp: - Số lượng cáp cần thiết: Kết quả lập thành bảng. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 71
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Bảng 5.2. Tính toán số lượng cáp cần thiết Độ lệch tâm M do tải Bề rộng P P1cáp Tên dải của cáp cân bằng dải yc Số cáp (kN) (kN) (mm) (kGm) (m) CSX2 và CSX4 167.5 64956.25 4.375 3877.99 149.2 38 CSX3 167.5 55218.15 4.5 3296.61 149.2 42 CSX1 và CSX5 230 16207 2.125 704.65 149.2 5 MSX2 và MSX3 167.5 5636 4.5 336.48 149.2 3 MSX1 và MSX4 167.5 20505 4.25 1224.18 149.2 8 CSY1 và CSY5 177.5 13741 2.25 774.14 149.2 5 MSY1 và MSY4 177.5 23066 4.5 1299.49 149.2 8 CSY2 và CSY4 177.5 68688.5 4.375 3869.77 149.2 38 CSY3 177.5 33795.5 4.25 1903.97 149.2 42 MSY2 và MSY3 177.5 5325 4.25 300.00 149.2 3 5.6. Kiểm tra ứng suất trong sàn 5.6.1. Lúc buông neo Lúc buông neo, sàn chịu tác dụng của các lực gồm: + Lực ứng lực trước, + Trọng lượng bản thân sàn. -Lực ứng lực trước: P = n×Acap×f2 Trong đó: n - Số cáp 2 A- Di 1 cáp; A =140mm ện tích cap f - ng suất sau khi hao ma sát và buông neo; f =1299.62MPa 2 Ứ 2 Tuỳ thuộc vào hình dạng cáp, lực ứng lực trước sẽ gây ra tải trọng cân bằng tác dụng lên sàn hướng xuống hoặc hướng lên, tải cân bằng có giá trị: + Tại nhịp, lực hướng lên: + Tại đầu cột, lực hướng xuống: Trong đó: b - bề rộng dải. d l - khoảng cách giữa 2 điểm uốn của cáp. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 72
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Giá trị của tải cân bằng được lập thành bảng. Bảng 5.3. Tải trọng cân bằng do lực ứng lực trước sau khi buông neo gây ra b w F d l Tên dải Số cáp Vị trí 2 (kN) (m) (m) (kG/m ) nhịp AC, CE 17.5 691.48 CSX2 và CSX4 38 6913.98 4.375 trục C 3.5 12209.24 nhịp AB, DE 9 2809.32 CSX3 42 7641.77 4.5 nhịp BD 17 1081.19 trục B, D 2.6 24039.67 nhịp AB, DE 9 708.23 nhịp BC, CD 8.5 1090.27 CSX1 và CSX5 5 909.73 2.125 trục B, D 1.75 13270.87 trục C 1.7 13723.23 nhịp AC,CE 17.5 53.07 MSX2 và MSX3 3 545.84 4.5 trục C 3.5 937.11 nhịp AC, CE 17.5 149.86 MSX1 và MSX4 8 1455.57 4.25 trục C 3.5 2645.97 nhịp 12, 45 8.5 794.66 nhịp 23, 34 9 918.47 CSY1 và CSY5 5 909.73 2.25 trục 2, 4 1.75 10295.43 trục 3 1.8 9564.06 nhịp 13, 35 17.5 149.98 MSY1 và MSY4 8 1455.57 4.5 trục 3 3.5 2068.04 nhịp 13, 35 17.5 949.49 CSY2 và CSY4 38 6913.98 4.375 trục 3 3.5 9887.11 nhịp 12, 45 8.5 3533.91 CSY3 42 7641.77 4.25 nhịp 24 18 1021.12 trục 2, 4 2.65 20486.50 nhịp 13,35 17.5 59.55 MSY2 và MSY3 3 545.84 4.25 trục 3 3.5 821.13 Ứng suất cho phép: + ng su Ứ ất nén: 0.6f’ci L ờng độ bê =0.8ì22.75=18.2(MPa) úc buông neo, cư tông: f’ci=0.8f’c =0.6ì18.2=10.92 (MPa) →0.6f’ci Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 73
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG + Ứng suất kéo: Tại đầu cột: Tại nhịp: Ứng suất trong bê tông: 5.6.2. Trong giai đoạn sử dụng Trong giai đoạn sử dụng, sàn chịu tác dụng của các lực: lực ứng lực trước, tĩnh tải, hoạt tải. -Lực ớc: P = n×A ×f ứng lực trư cap se Trong đó: n - Số cáp 2 A - Di ; A =140mm cap ện tích 1 cáp cap f - ng suất hiệu quả sau khi hao ứng suất; f =1065.62 MPa se Ứ se Tuỳ thuộc vào hình dạng cáp, lực ứng lực trước sẽ gây ra tải trọng cân bằng tác dụng lên sàn hướng xuống hoặc hướng lên, tải cân bằng có giá trị: + Tại nhịp, lực hướng lên: + Tại đầu cột, lực hướng xuống: Trong đó: b - bề rộng dải. d l - khoảng cách giữa 2 điểm uốn của cáp. Giá trị của tải cân bằng được lập thành bảng (bảng 5.1). Ứng suất cho phép: + ng suất nén lớn nhất: 0.6f ì22.75=13.65 (MPa) Ứ c’=0.6 + Ứng suất kéo: Tại đầu cột: Tại nhịp: Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 74
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Bảng 5.4. Tải trọng cân bằng do lực ứng lực trước gây ra b l w F d Tên dải Số cáp Vị trí 2 (kN) (m) (m) (kG/m ) nhịp AC, CE 17.5 566.98 CSX2 và CSX4 38 5669.10 4.375 trục C 3.5 10010.93 nhịp AB, DE 9 2303.49 CSX3 42 6265.85 4.5 nhịp BD 17 886.52 trục B, D 2.6 19711.27 nhịp AB, DE 9 580.71 nhịp BC, CD 8.5 893.97 CSX1 và CSX5 5 745.93 2.125 trục B, D 1.75 10881.42 trục C 1.7 11252.32 nhịp AC,CE 17.5 43.52 MSX2 và MSX3 3 447.56 4.5 trục C 3.5 768.38 nhịp AC, CE 17.5 122.87 MSX1 và MSX4 8 1193.49 4.25 trục C 3.5 2169.55 nhịp 12, 45 8.5 651.58 nhịp 23, 34 9 753.10 CSY1 và CSY5 5 745.93 2.25 trục 2, 4 1.75 8441.71 trục 3 1.8 7842.03 nhịp 13, 35 17.5 122.98 MSY1 và MSY4 8 1193.49 4.5 trục 3 3.5 1695.68 nhịp 13, 35 17.5 778.53 CSY2 và CSY4 38 5669.10 4.375 trục 3 3.5 8106.91 nhịp 12, 45 8.5 2897.62 CSY3 42 6265.85 4.25 nhịp 24 18 837.27 trục 2, 4 2.65 16797.85 nhịp 13,35 17.5 48.83 MSY2 và MSY3 3 447.56 4.25 trục 3 3.5 673.29 Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 75
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG 5.6.3. Đặt cốt thép thường Với những vị trí có ứng suất vượt quá ứng suất cho phép cần đặt thêm thép thường: f : ứng suất nén c f : t ứng suất kéo : đối với tiết diện giữa nhịp. : đối với tiết diện trên cột. : chiều dày mũ cột. + Lực kéo: + Diện tích thép yêu cầu: 5.6.4. Kiểm tra khả năng chịu lực Tải trọng tác dụng: tĩnh tải và hoạt tải tính toán. Theo ACI 318 - 2002, hệ số vượt tải của tĩnh tải là 1.2, của hoạt tải là 1.6. - Kiểm tra khả năng chịu uốn: Đối với nhịp có tỷ lệ (nhịp/chiều cao tiết diện)≤35, ứng suất phá hoại trong cáp: N =1670MPa và (f +400)=1065,62+400=1465,62 hưng không được lớn hơn fpy se (MPa) Đối với nhịp có tỷ lệ (nhịp/chiều cao tiết diện) >35, ứng suất phá hoại trong cáp: N ợc lớn hơn f = 1670 MPa và (f + 200) =1065,62+200 = hưng không đư py se 1265,62 (MPa) + Điều kiện chịu uốn: M : mô men t f ại mép cột hoặc mô men tại giữa nhịp. + Mô men giới hạn: Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 76
ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA XÂY DỰNG Với - Kiểm tra khả năng chịu cắt: + Điều kiện chịu cắt: Các đặc trưng của tiết diện chịu cắt của kết cấu được tính theo công thức từ (4.29) đến (4.36) 2 4 + Cột góc: c =0.4467m; A = 0.7896 m ; J = 0.1522 m c c 2 4 + C ên: c = 0.4316m; A =1.1648 m ; J = 0.2262 m ột bi c c 2 4 + Cột giữa: c = 0.74 m; A =1.6576 m ; J = 0.6105 m c c 2 4 + Cột giữa biên: c = 0.74 m; A =1.1648 m ; J = 0.4915 m c c Kết quả được lập thành bảng (xem phụ lục). 5.6.5. Kiểm tra độ võng Độ võng dài hạn: + với F = 2 Δ=Δe FΔdh Thoả mãn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS. Phan Quang Minh, [2007], Thiết kế sàn Bê tông ứng lực trước. Đại học Xây dựng Hà Nội. [2]. PGS. TS. Hồ Hữu Chỉnh, [2009], Bê tông cốt thép ứng lực trước, Đại học Bách khoa Hồ Chí Minh. [3]. Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam [2005], TCXDVN 356:2005, Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, Tiêu chuẩn thiết kế. Bộ môn kỹ thuật xây dựng Trang 77