ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU MÔ MEN UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC SIÊU TĨNH THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU MÔ MEN UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC SIÊU TĨNHTHEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay, với sự phát triển rất nhanh về công nghệ kỹ thuật xây dựng, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội. Ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng… các công trình cao tầng, có nhịp lớn được thiết kế xây dựng ngày càng nhiều.

Để đáp ứng được yêu cầu cho các công trình kiến trúc có chức năng sử dụng linh hoạt, phương án kết cấu bê tông ứng lực trước (BT ƯLT) là một trong các phương án hay được lựa chọn sử dụng. Cấu kiện xây dựng sử dụng bê tông ƯLT có nhiều ưu điểm như có khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) có cùng tiết diện, hạn chế được biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng được vật liệu có cường độ cao nên giảm được kích thước tiết diện, tiết kiệm được khối lượng vật liệu, làm giảm trọng lượng bản thân, giảm chi phí cho nền móng,…

Bê tông ƯLT đã trở thành một vật liệu đem lại các giải pháp kết cấu hợp lý, hiệu quả, kinh tế, đáp ứng được các yêu cầu về kiến trúc và được sử dụng ngày càng rộng rãi. Dầm liên tục bê tông ƯLT được sử dụng phổ biến trong các công trình ứng dụng công nghệ BT ƯLT.

Dầm BT ƯLT chịu uốn được tính toán theo 2 phương pháp:

• Phương pháp tính theo ứng suất cho phép: Mô men tính toán là mô men gây ra do trọng lượng bản thân dầm và tải trọng sử dụng (tĩnh tải và hoạt tải)
• Phương pháp cân bằng tải trọng (T.Y.Lin – 1963): với quan niệm coi ƯLT là một thành phần để cân bằng với một phần (hoặc toàn bộ) tải trọng tiêu chuẩn tác dụng lên cấu kiện. Thông thường, ƯLT được sử dụng để cần bằng với tải trọng do trọng lượng bản thân của cấu kiện, do vậy trong cấu kiện chịu uốn sẽ không xuất hiện mô men uốn do tải trọng bản thân gây ra

Căn cứ các Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành (TCVN 5574-2012 và ACI 318-11), quy định tính toán thiết kế dầm liên tục BT ƯLT có sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn về khả năng chịu mô men uốn, đặc biệt là mô men sinh ra do ƯLT tại các gối trung gian (Mô men thứ cấp).

Ngoài việc sử dụng hiệu quả, kinh tế kết cấu chịu lực trong công trình, vấn đề tính toán khả năng chịu lực hiệu quả của dầm liên tục (siêu tĩnh) bê tông ứng lực trước rất cần được xem xét nghiên cứu kỹ.

Từ thực tế đó, trong khuôn khổ luận văn với tên đề tài “Đánh giá khả năng chịu mô men uốn của dầm bê tông ứng lực trước (BTƯLT) siêu tĩnh theo các tiêu chuẩn thiết kế” tác giả muốn nghiên cứu các phương pháp tính toán, từ đó rút ra nhận xét, kết luận và kiến nghị áp dụng tính toán thiết kế dầm BT ƯLT cho các công trình.

Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu khả năng chịu uốn hiệu quả của dầm siêu tĩnh BT ƯLT, trong đó có xét đến ảnh hưởng của mô men thứ cấp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Dầm bê tông ứng lực trước siêu tĩnh
• Mô men thứ cấp trong dầm.
• Quy định về tính toán dầm BT ƯLT siêu tĩnh theo các Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2012 và ACI 318-11

Phương pháp nghiên cứu:

• Nghiên cứu lý thuyết tính toán
• Kết hợp ví dụ tính toán bằng số để kết luận

Bố cục đề tài:

Mở đầu

1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về kết cấu BTƯLT

Chương 2: Các phương pháp tính toán thiết kế

Chương 3: Ví dụ tính toán

Kết luận và kiến nghị

Tổng quan tài liệu nghiên cứu:

• Tài liệu tiếng Việt: Tiêu chuẩn Việt Nam, Bài báo và sách của một vài tác giả
• Tài liệu tiếng Anh: Tiêu chuẩn ACI 318-11, Bài báo của một vài tác giả.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

• 1. KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA BT ƯLT

1.1.1. Khái niệm

1.1.2. Lịch sử ra đời của BT ƯLT

• 1. PHÂN LOẠI KẾT CẤU BT ƯLT:

1.2.1. Theo thời điểm căng thép: phương pháp căng trước và căng sau

1.2.2. Theo vị trí đặt thép ƯLT

1.2.3. Theo đặc điểm thép ƯLT

1.2.4. Theo cách đặt thép ƯLT trong cấu kiện

1.2.5. Theo hình dạng cấu kiện ƯLT

1.2.6. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện

• 1. ƯU VÀ KHUYẾT ĐIỂM CỦA BT ƯLT

1.3.1. Ưu điểm

1.3.2. Nhược điểm

• 1. VẬT LIỆU CHẾ TẠO

1.4.1. Khái quát chung về sử dụng vật liệu

1.4.2. Bê tông cường độ cao

1.4.3. Cốt thép

1.4.4. Vữa

1.4.5. Ống gen

• 1. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Thông qua các nội dung nghiên cứu ở Chương 1, có thể thấy rằng bản chất của BT ƯLT là sự kết hợp triệt để khả năng của các vật liệu có cường độ cao và tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất trước nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Do đó, BT ƯLT được ứng dụng một cách hiệu quả trong các công trình nhịp lớn, chịu tải trọng nặng, các cấu kiện có độ thanh mảnh cao và các công trình yêu cầu độ võng, nứt bé.

Chương 2 sẽ đánh giá khả năng chịu mô men uốn của dầm bê tông ứng lực trước siêu tĩnh theo các tiêu chuẩn thiết kế ACI 318-2011 và TCVN 5574-2012.

CHƯƠNG 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

2.1. MỞ ĐẦU

2.2. TRỊ SỐ ỨNG SUẤT TRONG CỐT THÉP VÀ TRONG BÊ TÔNG

2.3. SỰ TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

2.3.1. 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.

Hình 2.3. Tổn hao ứng suất trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

2.3.2. 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 dưới đây.

Bảng 2.2.Phân loại các tổn hao ứng suất.

2.4. CÁC GIAI ĐOẠN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA CẤU KIỆN CHỊU UỐN

2.4.1. Cấu kiện căng trước

• Giai đoạn I được chia làm sáu giai đoạn trung gian, còn các giai đoạn khác tượng tự như trong cấu kiện chịu uốn thông thường (Hình 2.4)
• Giai đoạn I₁: Đặt cốt thép F_H và F’_H vào khuôn.
• Giai đoạn I₂: Căng cốt thép bên dưới FH và cốt thép bên F’H tới ứng suất khống chế và (thông thường =) rồi cố định cốt thép vào bệ, tiến hành đổ bê tông.
• Giai đoạn I₃: Trước khi bê tông đạt đến cường độ R0, lúc này phát sinh các ứng suất hao và (nếu bê tông được đông cứng trong điều kiện dưỡng hộ nhiệt)

Hình 2.4. Sự thay đổi ứng suất của kết cấu bê tông ứng lực trước chịu uốn

• Giai đoạn I₄: Khi bê tông đạt cường độ R0, 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 stbn. Do đó ứng suất hao đạt giá trị
• Giai đoạn I₅: Theo thời gian xảy ra các ứng suất hao do co ngót () và từ biến () của bê tông.
• Giai đoạn I₆: Tải trọng tác dụng, làm tăng ứng suất kéo 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 FH được tính toán là ().
• Giai đoạn I_a: Ứng suất trong miền bê tông chịu kéo đạt cường độ giới hạn RK, bê tông sắp sửa nứt, ứng suất trong cốt thép FH là (). 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 trong 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 bê tông chịu nén đều chưa đạt tới trị số giới hạn.
• Giai đoạn III: Khe nứt mở rộng, ứng suất trong cốt thép chịu kéo và của bê tông chịu nén đạt tới trị số giới hạn, cầu kiện bị phá hoại.
• Trong giai đoạn này, khi ứng suất nén của bê tông đạt tới trị số giới hạn thì ứng suất cốt thép F’_H là:

σ’_H = R’_H – m₁(σ’₀ – σ’_h) (2.16)

Trị số có thể dương (ứng suất nén) hoặc âm (ứng suất kéo). Nên thiết kế sao cho mang dấu dương, vì trong trường hợp mang dấu âm, thì sự có mặt của F’_H làm giảm khả năng chịu lực của cấu kiện ứng lực trước.

2.4.2. Cấu kiện căng sau

Ở cấu kiện căng sau, trạng thái ứng suất từ giai đoạn I₁ 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.

2.5. TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

2.5.1. Quy định chung

Kết cấu bê tông ứng suất trước phải được tính toán kiểm tra theo các trạng thái giới hạn thứ nhất. Tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ nhất nhằm đảm bảo cho kết cấu:

• Không bị phá hoại giòn, dẻo, hoặc theo dạng phá hoại khác (trong trường hợp cần thiết, tính toán theo độ bền có kể đến độ võng của kết cấu tại thời điểm trước khi bị phá hoại);
• Không bị mất ổn định về hình dạng (tính toán ổn định các kết cấu thành mỏng) hoặc về vị trí (tính toán chống lật và trượt cho tường chắn đất, tính toán chống đấy nổi cho các bể chứa chìm hoặc ngầm dưới đất, trạm bơm,…);
• Không bị phá hoại vì mỏi (tính toán chịu mỏi đối với các cấu kiện hoặc kết cấu chịu tác dụng của tải trọng lặp thuộc loại di động hoặc xung: ví dụ như dầm cầu trục, móng khung, sàn có đặt một số máy móc không cân bằng);
• Không bị phá hoại do tác dụng đồng thời của các yếu tố về lực và những ảnh hưởng bất lợi của môi trường (tác động định kỳ hoặc thường xuyên của môi trường xâm thực hoặc hỏa hoạn).

Theo quy định của tiêu chuẩn TCVN 5574-2012, kết cấu bê tông ứng suất trước, căn cứ vào điều kiện làm việc và loại cốt thép sử dụng, được phân thành ba cấp chống nứt:

• Cấp 1: Không cho phép xuất hiện vết nứt;
• Cấp 2: Cho phép có sự mở rộng ngắn hạn của vết nứt với bề rộng hạn chế nhưng bảo đảm sau đó chắc chắn sẽ khép kín lại;
• Cấp 3: Cho phép có sự mở rộng ngắn hạn của vết nứt với bề rộng hạn chế và có sự mở rộng dài hạn vết nứt với bề rộng hạn chế .

Đối với cấu kiện được tính toán chịu tác dụng của tải trọng lặp, không cho phép xuất hiện vết nứt.

2.5.2. Tính theo cường độ trên tiết diện thẳng góc

2.5.3. Tính theo cường độ trên tiết diện nghiêng

2.5.4. Tính cường độ cấu tạo ở giai đoạn chế tạo

2.5.5. Tính toán cấu kiện chịu uốn theo sự hình thành vết nứt

2.6. TÍNH TOÁN CÓ XÉT ĐẾN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ MEN THỨ CẤP

Trong tiêu chuẩn ACI318-2011, mục 18.12, vấn đề này được giải thích: “ Mô men uốn thứ cấp phụ thuộc vào liên kết dẻo, được hình thành bởi lực nén trước trong hệ thống cáp chưa thích hợp không xuất hiện trong nội lực, kết cấu trở thành tĩnh định. Vì vậy, mô men tính toán tại các mặt cắt quan trọng của dầm liên tục chỉ phụ thuộc vào tĩnh tải và hoạt tải”.

Với những tuyên bố trên về sự biến mất của mô men thứ cấp, trong khi thực tế nó phải có, đã làm cho khá nhiều kỹ sư hiểu lầm, đặc biệt là khi dùng chung với mô men phân phối chuẩn.

Nó được hiểu rằng, mô men thứ cấp được hình thành trong dầm liên tục ƯLT có đường c.g.s chưa thích hợp. Nó cũng được hiểu rằng, khi có liên kết dẻo trong dầm liên tục, nó được chuyển đổi thành kết cấu tĩnh định, mô men trong dầm có thể được tính toán chỉ dựa vào tĩnh tải, hoạt tải và khả năng chịu mô men tại các tiết diện quan trọng. Với những mô men này, mô men thứ cấp do ứng lực trước không cần kể đến. Thực tế, việc có hoặc không có mô men thứ cấp thì khả năng chịu tải của dầm cũng giống nhau, nếu mô men phân phối chuẩn xảy ra.

Nó đã được tuyên bố: “ Sự chuyển đổi tuyến tính của đường c.g.s không làm thay đổi khả năng chịu tải của dầm liên tục”. Điều này có nghĩa là đường c.g.s không chỉnh hợp có thể thay đổi tuyến tính thành đường c.g.s chỉnh hợp mà không làm thay đổi khả năng chịu tải của dầm. Khi dầm có đường c.g.s chỉnh hợp, nó sẽ không có mô men thứ cấp. Hiện tượng này được ACI Building Code Commentary cho phép tính mô men thiết kế chỉ dựa vào tĩnh tải và hoạt tải.

Xét dầm đơn giản bê tông ƯLT (Hình 2.11). Các phản lực do tải trọng ngoài được xác định bởi các phép cân bằng tĩnh định, chỉ phụ thuộc vào tải trọng bản thân dầm, tĩnh tải và hoạt tải mà không phụ thuộc vào ƯLT. Nếu trên dầm không có tải trọng ngoài tác dụng, với bất kỳ giá trị ƯLT nào thì các phản lực gối tựa đều bằng không và các mô men ngoại lực bằng 0, do vậy M kháng ngoại lực cũng bằng 0, đường hợp lực C-line trùng khớp với quỹ đạo cáp ƯLT.

Mô men trong dầm ƯLT gây ra tại một vị trí bất kỳ là:

M = T.e = P.e = C.e

Hình 2.11. Dầm đơn giản BT ƯLT

Như vậy ta thấy sự khác biệt cơ bản khi chịu ƯLT (không kể đến trọng lượng bản thân và tải trọng ngoài) giữa dầm đơn giản và dầm liên tục là ở vị trí của đường hợp lực C-line. Nguyên nhân trực tiếp gây ra sự khác biệt là mô men M₂ do phản lực gối tựa trong dầm liên tục gây ra, được gọi là mô men thứ cấp M₂ (Secondary moment)

Mô men tổng cộng trên dầm M_t do ƯLT tác dụng lên dầm gồm: mô men sơ cấp M₁ (Primary moment) do độ lệch tâm cáp gây ra và mô men thứ cấp M₂:

M_t = M₁ + M₂.

Xét dầm liên tục bê tông ƯLT (Hình 2.12a). Do tác dụng của ƯLT, dầm bị uốn cong và có chuyển vị. Giả sử không có các gối đỡ trung gian, dầm bị vồng lên (Hình 2.12b). Để đảm bảo điều kiện làm việc thực tế của dầm là chuyển vị tại các gối tựa bằng 0, tại các vị trí này phải xuất hiện phản lực và tương ứng gây thêm mô men M₂(Hình 2.12c,d). Để kháng lại M này, đường hợp lực C-line bị dịch chuyển cách trọng tâm thép ƯLT một khoảng a = M₂/T (Hình 2.12e).

Hình 2.12: Mô men do ƯLT trong dầm liên tục

2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong thực tế tính toán, kết cấu dầm được coi là hoàn toàn đàn hồi, thì việc tính toán mô men thứ cấp là phải được xét đến, không bỏ qua. Tuy vậy, trong Tiêu chuẩn đề cập khi tính toán mô men, thì mô men phân phối chuẩn và mô men thứ cấp lại được bỏ qua. Vấn đề này sẽ dẫn đến kết quả tính toán khả năng chịu uốn của dầm sai lệch so với thực tế làm việc của kết cấu.

Khi vấn đề khó khăn này được đề cập đến thì việc tính toán trở nên khá dài và phức tạp. Ở chương 3, ta sẽ xét đến 1 ví dụ với một giải pháp đơn giản và cục bộ được đề nghị, nhưng không có phương pháp chính xác được đề xuất.

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN

3.1. TÍNH TOÁN MÔ MEN THỨ CẤP THEO ACI 318-2011

3.1.1. Các dữ liệu và thông số tính toán

Tính toán dầm liên tục 3 nhịp có chiều dài mỗi nhịp là 9m; có tiết diện hình chữ nhật 400x600mm.Ngoài tải trọng bản thân, còn chịu tải trọng tường xây tính trung bình g₁ = 1100 kG/m và hoạt tải phân bố đều từ sàn truyền vào p = 650 kG/m.

Chọn thép cường độ cao B-II 1400 được bện thành bó, mỗi bó có 7 sợi, đường kính mỗi sợi thép là . Cường độ tiêu chuẩn R_sn = 1400 MPa, cường độ chịu kéo tính toán R_sp = 1680 MPa, mô đun đàn hồi E­_sp = 2×10⁵ MPa. Cấu tạo 1 lớp thép ứng lực trước căng sau không bám dính, với quỹ đạo thép uốn theo biểu đồ mô men của các dải.

Hàm lượng cốt thép thường trong kết cấu ứng lực trước được bố trí nhằm đảm bảo khả năng chống nứt và tăng khả năng chịu lực của kết cấu. Do thép ứng lực căng sau và căng trong ống gen với công nghệ không bám dính, nên cốt thép thường trong dầm chọn với hàm lượng không ít hơn 0.15%A_b. Mặc khác, cốt thép thường cấu tạo cho dầm ứng lực trước phải có đường kính ≥ 12mm.

Với dầm đang tính ta có: A_b = bxh = 0.4×0.6 = 0.24m².

A_s^ct = 0.15% x 0.24 x 10⁴ = 3.6cm².

Trong dầm có cấu tạo 2 lớp thép thường, chọn thép AII có R_s = R_s’ = 280 Mpa, E_s = 21×10⁴ Mpa, với thông số bố trí 2Ф16 mỗi lớp, bước đai Ф10a150/200 .

Bê tông sử dụng loại cấp độ bền B25 có: R_b = 14,5 Mpa với ; R_b,ser= 18.5 MPa; R_bt= 1.05 Mpa; R_bt,ser= 1.6 Mpa; E_b= 30×10³ MPa.

3.1.2. Tải trọng và nội lực

Mômen uốn tính toán tại tiết diện giữa nhịp và gối (bên trong) xác định theo công thức:

3.1.3. Xác định sơ bộ số lượng cốt thép căng và cốt thép thường

• Trước hết xác định trọng tâm hình học tiết diện bê tông:

A_b = 40×60 = 2400 cm²

S = 2400×60/2 = 72000cm³.

• Khoảng cách từ mép dưới tiết diện đến trọng tâm:

y₀ = 60/2 = 30 (cm)

• Xác định khoảng cách từ trọng tâm đến đỉnh lõi nén tiết diện theo công thức:

• Giả thiết tạm thời hao tổn 20%, ta có cường độ tính toán của cáp:

R_aH = 0.8 x R_sp = 0.8 x 1400 = 1120 Mpa

• Lực căng tính toán ( ổn định) cho mỗi bện cáp là:

P_n = 11200 x 1.4 = 15650 kG = 15.68 T

• Số cáp cần thiết tính theo khả năng không gây nứt của tiết diện là:

Trong đó:

là cánh tay đòn từ trọng tâm cốt căng đến đĩnh lõi:

Z₀ = 40 – 5 = 35 cm

• Chọn số cáp là 02 sợi, ta có:

A_sp = 2 x 1.4 = 2.8 cm²

Hình 3.1.Bố trí cáp và cốt thép thường trong dầm

3.1.4. Tính toán các mô men cho dầm:

M_tổng = M₁ + M₂.

M_tổng: Mô men tổng.

M₁: Mô men sơ cấp (primary moment) do độ lệch tâm cáp gây ra

M₂ : Mô men thứ cấp (secondary moment) – do phản lực gối tựa trung gian trong dầm liên tục gây ra

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU MÔ MEN UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC SIÊU TĨNH THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU MÔ MEN UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC SIÊU TĨNH THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\TRAN QUOC HUY\TRAN QUOC HUY\TQHuy – LVCH – File danh dia