ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG NỨT CỦA CỌC RỖNG BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết

Hiện nay việc áp dụng cọc bê tông ly tâm ứng suất trước đang phổ biến trong các công trình xây dựng.

Cọc bê tông ly tâm có các ưu điểm:

- Bê tông được nén trước hạn chế việc xuất hiện ứng suất kéo. Do bê tông được ứng suất trước, kết hợp với quay ly tâm đã làm cho cọc đặc chắc chịu được tải trọng cao, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn cốt thép.
- Do sử dụng bê tông và thép cường độ cao nên tiết diện cốt thép giảm dẫn đến trọng lượng của cọc giảm. Thuận lợi cho việc vận chuyển, thi công
- Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước có độ cứng lớn hơn cọc bê tông cốt thép thường nên có thể đóng sâu vào nền đất hơn tận dụng khả năng chịu tải của đất nền dẫn đến sử dụng ít cọc trong một đài móng hơn. Chi phí xây dựng móng giảm dẫn đến có lợi về kinh tế.

Ngoài một số ưu điểm trên thì cọc bê tông ly tâm ứng lực trước có một số nhược điểm là khi thi công, vận chuyển, cẩu lắp cọc rỗng bê tông ly tâm ứng lực trước thường gây ứng suất kéo trong bê tông phát sinh các vết nứt làm giãm khả năng chống ăn mòn cọc, từ đó làm giãm tuổi thọ của cọc nhất là trong các môi trường ăn mòn mạnh.

Để có cơ sở đánh giá các chỉ tiêu chất lượng cọc, trong đó việc đánh giá khả năng kháng nứt cọc hiện rất cần thiết.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là trên cơ sở lý thuyết và khảo sát thực tế các công trình cọc bê tông ứng lực trước để đánh giá khả năng kháng nứt của cọc rỗng bê tông ly tâm ứng lực trước để có cơ sở kiểm soát khả năng kháng nứt của cọc và kiến nghị áp dụng trong thực tế thi công công trình.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu xác định mô men kháng nứt của cọc rỗng bê tông ly tâm ứng lực trước theo các tiêu chuẩn.

4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết.

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU NÉN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC VÀ CỌC BÊ TÔNG LY TÂM
ỨNG LỰC TRƯỚC
CẤU KIỆN CHỊU NÉN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC
Sự uốn dọc của cột dưới tác dụng của lực ứng suất trước:
Xem xét một cấu kiện cột bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng ngoài (Hình 1-1a). Khi cột bị biến dạng, sẽ xuất hiện mômen phụ thêm trong mặt A- A do tải trọng ngoài sẽ tác động lên mặt cắt với một độ lệch tâm được sinh ra do sự biến dạng của cột. Mômen phụ thêm sẽ gây ra sự uốn dọc trong cột. Mặt khác, khi xem xét một cấu kiện cột chịu lực nén ƯST nhưng không chịu lực tác dụng của ngoại lực (Hình 1-1b). Do bê tông và cốt thép ƯST biến dạng cùng nhau nên độ lệch tâm của lực nén trước tác dụng lên cột là không đổi, do đó sẽ không sinh ra mômen phụ thêm khi cột bị biến dạng và không xảy ra sự uốn dọc trong cột. Khi có tải trọng ngoài tác dụng vào cột bê tông ƯST, sự biến dạng của cột sẽ làm thay đổi mômen và hiện tượng uốn dọc sẽ xảy ra.

Hình 1-1 : Sự uốn dọc của cột dưới tác dụng của lực ứng suất trước

Với một cách khác, khi xem xét sự làm việc của thép và bê tông một cách riêng rẽ như 2 cấu kiện độc lập (Hình 1-2). Khi bê tông làm việc một mình dưới dạng cột chịu tác dụng của lực nén trực tiếp, với bất kỳ một lực uốn nhỏ tác dụng lên cột cũng sinh ra một độ lệch tâm tại mặt cắt A-A, và do đó cột sẽ có khuynh hướng bị uốn cong. Mặt khác khi xem xét thanh thép làm việc như một cấu kiện độc lập, sẽ tồn tại một độ lệch tâm cân bằng tạo ra một lực cân bằng nhưng ngược chiều, lực này sẽ có xu hướng kéo thẳng thanh thép, khuynh hướng kéo thẳng thanh thép cân bằng và ngược với khuynh hướng uốn cong bê tông và do đó sẽ không xảy ra biến dạng. Điều này là không đúng vì lúc này coi như cấu kiện đã được tác dụng lực ƯST ngoài và do đó quá trình cân bằng không xảy ra và kết quả là cột vẫn bị uốn dọc.

Hình 1-2 : Quá trình cân bằng của bê tông và cốt thép

Nếu cốt thép và bê tông không được liên kết dọc theo suốt chiều dài cấu kiện, kết quả sẽ khác. (Hình 1-3). Bê tông dưới tác dụng của lực nén sẽ có xu hướng bị biến dạng. Biến dạng này đầu tiên sẽ không kéo thanh thép ƯST biến dạng cùng, và do đó độ lệch tâm của lực ƯST trong bê tông sẽ thay đổi, cột sẽ bị uốn dọc. Khi phần lớn sự biến dạng của bê tông đã xảy ra thanh thép sẽ được liên kết chặt vào bê tông và chúng biến dạng cùng nhau. Bởi vậy sự uốn dọc của cột sẽ xảy ra tới một giới hạn nhất định đến khi 2 loại vật liệu biến dạng cùng nhau. Nếu cốt thép được liên kết trực tiếp với bê tông tại một vài điểm ví dụ điểm E và điểm F, nhưng không suốt chiều dài cấu kiện (Hình 1-4) thì sự uốn dọc của cột sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điểm liên kết. Nếu các khoảng cách này là đủ ngắn thì sự uốn dọc này là không nguy hiểm.

Hình 1-3: Sự tiếp xúc của bê tông và cốt thép sau khi bị uốn cong.

Hình 1-4: Sự liên kết của bê tông và cốt thép tại một vài điểm.

Tiếp theo ta xem xét một cấu kiện được uốn cong tĩnh, xác định chịu lực nội ứng suất trước (Hình 1-5) nếu lực ƯST đúng tâm tại tất cả các mặt cắt (trọng tâm thép ứng suất trước trùng với trọng tâm mặt cắt bê tông) thì bê tông sẽ được đối xử giống như một cấu kiện vòm chịu tải trọng dọc trục với giả thiết các lực nén vào bê tông trên thanh thép sẽ di chuyển theo sự biến dạng của bê tông và vẫn luôn đồng tâm. Bởi vậy cấu kiện ứng suất trước này sẽ không có khuynh hướng bị bẻ cong giống như bê tông cốt thép chịu ngoại lực tác dụng, đường áp lực sẽ được quy định bởi tải trọng và có thể di chuyển cùng với sự biến dạng của vòm. Trong ví dụ trên, thậm chí tại những vị trí cấu kiện có thể đảo chiều cong (Hình 1-5) việc đưa vào các ƯST đúng tâm sẽ không gây ra xu hướng kéo thẳng cấu kiện mặc dù tại các vùng nhỏ địa phương luôn tồn tại các áp lực ngang tác dụng lên vòm. Nếu lực ƯST là lệch tâm như mặt cắt A-A và B – B (Hình 1-6), lực nén trong bê tông vẫn bằng và ngược chiều với lực kéo trong cốt thép. Bất kỳ sự biến dạng nào của cấu kiện cũng làm cho bê tông và cốt thép dịch chuyển cùng nhau và sẽ không có sự uốn dọc xảy ra dưới tác dụng của lực ƯST. Tuy nhiên, sự lệch tâm của lực ƯST trong bê tông vẫn làm cho cấu kiện bị biến dạng. Nếu biến dạng này đáng kể thì trục biến dạng của cấu kiện nên được sử dụng trong việc tính toán cấu kiện cột khi chịu tác dụng của ngoại lực

Hình 1-5: Cấu kiện bị uốn cong dưới tác dụng của lực

ứng suất trước đúng tâm

Hình 1-6: Sự lệch tâm của tải ứng lực trước và uốn dọc

của cấu kiện chịu nén

Cấu kiện chịu nén bê tông ứng lực trước
Một cấu kiện ƯST chịu nén được hiểu là cấu kiện ƯST chịu thêm tác dụng của tải trọng nén ngoài. Như giải thích ở phần trên, cấu kiện chỉ chịu lực ƯST không xảy ra hiện tượng uốn dọc dưới tác dụng của lực ƯST nhưng khi chịu tải trong nén ngoài hiện tượng uốn dọc trong cấu kiện vẫn xảy ra như bất kỳ một loại vật liệu nào. Rất ít khi cấu kiện bê tông ƯST được tận dụng để chịu lực nén và dùng lực ƯST cho mục đích chịu nén. Hiển nhiên, bê tông có thể chịu được tải trọng nén tốt hơn khi không có lực ƯST trong cốt thép vì khi đó lực căng ƯST sẽ phụ thêm phần lực nén tác dụng lên cấu kiện. Tuy nhiên phần lớn các cấu kiện chịu nén bên cạnh việc chịu các tải trong nén dọc trục còn chịu các tải trọng ngang và các ứng suất kéo do các tải trọng ngang này gây ra tại một số điểm có thể lớn hơn ứng suất nén do các tải trọng đứng gây ra và kết quả là tại một số điểm, vùng của cấu kiện bêtông có thể chịu kéo và như vậy việc đưa các lực nén trước vào các cấu kiện là cần thiết. Nói một cách khác, các cấu kiện chịu nén thường cũng luôn chịu uốn và các lợi ích của việc ƯST cho dầm cũng được áp dụng cho việc ƯST cho các cấu kiện chịu nén như cột, cọc…
Xem xét một nhà máy công nghiệp một tầng, có cột hoặc tường chịu lực, chỉ có khả năng chịu được các tải trọng ngang nhỏ. Nhưng chúng lại phải chịu lực uốn này trong suốt quá trình sử dụng, hoặc chịu các tải trọng khi vận chuyển, lắp đặt nếu chúng được chế tạo trước trong nhà máy; hoặc chúng phải chịu các tải trọng tác dụng như gió, động đất sau khi công trình được xây dựng xong. Trong trường hợp này, việc sử dụng phương án ƯST cho các cấu kiện nêu trên là hợp lý và mang lại hiệu quả cao. Một lợi ích của việc đưa lực ƯST vào cấu kiện chịu nén là có thể làm hạn chế biến dạng của cấu kiện dưới tác dụng của tải trọng ngang. Một chiếc tháp cao 30,5 được thiết kế chịu lực động đất 10900KN tác dụng ngang dọc theo thân tháp. Kết quả tính toán cho thấy, biến dạng tại mặt cắt có ƯST chỉ bằng 40% biến dạng tại mặt cắt khi không truyền lực ƯST. Nghĩa là khi tháp được ƯST, nó sẽ cứng hơn 2,5 lần so với tháp làm bằng vật liệu bê tông cốt thép thường. Rất nhiều các cấu kiện bê tông ƯSL có chiều dài lớn được sử dụng trong các nhà nhiều tầng. Lực ƯST trong các cột này cho phép chịu được trọng lượng bản thân của cột khi vận chuyển, cẩu lắp mà không gây ra vết nứt. Việc neo giữ tạm thời các cấu thanh mảnh trong giai đoạn trung gian khi xây dựng tới khi lắp các dầm sàn vào vị trí các tầng là rất quan trọng. An toàn trong quá trình xây dựng là yêu cầu hết sức cần thiết khi lắp đặt các cấu kiện cột có chiều dài lớn.
Trong phạm vi làm việc, ứng suất trong các cấu kiện ƯST chịu nén do tác dụng của lực ƯST và ngoại lực tác động gây ra, và có thể được phân tích theo phương pháp đàn hồi. Nhưng thiết kế cấu kiện lại là vấn đề khác. Do phương pháp thực nghiệm được áp dụng khi thiết kế cột bê tông cốt thép không thể áp dụng trực tiếp cho cấu kiện ƯST. ứng suất trong cấu kiện bê tông cốt thép không thể được áp dụng cho cấu kiện bê tông ƯST, một phần vì ứng suất do tải trọng ƯST gây ra khác với ứng suất do ngoại lực gây ra, ứng suất do ngoại lực gây ra uốn dọc còn ứng suất do lực ƯST gây ra thì không. Để có phương pháp thiết kế cho cấu kiện bê tông ƯST chịu nén, phải áp dụng chính xác các lý thuyết cơ bản về cấu kiện chịu nén và lực ƯST, chọn ra tiêu chuẩn chính xác, đảm bảo cho sự an toàn của kết cấu trong từng trường hợp riêng rẽ. Xét một cột chịu nén có diện tích mặt cắt ngang là AC, chịu lực ƯST F có độ lệch tâm e, chịu tải trọng đúng tâm P và mômen M. ứng suất tại mặt cắt này xác định theo công thức.
(1-1)
Nếu cấu kiện cột là thanh mảnh, sự biến dạng của cấu kiện do cả lực ƯST đặt lệch tâm và tải trọng ngoài gây ra có thể ảnh hưởng đến mô men ngoại lực M và phải được kể đến trong tính toán. Điều này sẽ được làm rõ ở phần sau. Nghiên cứu gần đúng tác dụng của lực nén trước trong phạm vi ứng suất cho phép của cột, dưới tác tác dụng lực nén ngoài, cấu kiện cột bị co ngắn lại và lực nén trước trong cốt thép bị giảm bớt. Nếu tại giá trị tải trọng giới hạn, chiều dài của cấu kiện bê tông giảm đi một lượng 0,3% thì chiều dài của cốt thép cũng bị giảm đi một lượng tương ứng và như vậy giá trị lực kéo còn lại trong cốt thép ƯST sẽ nhỏ hơn giá trị ban đầu. Các tính toán cho thấy phần lớn giá trị ST sẽ bị mất tại giá trị ứng suất tới hạn trong bê tông. Điều đó nghĩa là giá trị tải trọng tới hạn tác dụng lên cột sẽ không được giảm nhiều bởi lực ƯST. Mặt khác, nếu cột không chống được gãy, kéo ở một mặt nào đó do tác dụng của lực uốn thì thanh thép ở mặt đó có thể bị kéo tới gần giá trị ứng suất giới hạn của nó. ứng suất tới hạn trong một cấu kiện cột mảnh lực ƯST đúng tâm chịu lực nén vẫn đang được nghiên cứu dựa theo cả lý thuyết và thực nghiệm tại các trường đại học khác nhau. Một kết luận chung được đưa ra là tải trọng ƯST sẽ không gây ra tác dụng phụ thêm cùng tải trọng ngoài trong tác dụng uốn cong cột. Sử dụng vật liệu cường độ cao trong bê tông ƯST sẽ cần tiết diện có mặt cắt nhỏ hơn khi sử dụng BTCT thường. Sự giảm ứng suất trong cột mảnh phải được nghiên cứu dựa trên lý thuyết đàn hồi, áp dụng tính toán cho cột mảnh.
Cột chịu nén lệch tâm
Tường và cột bê tông chế tạo sẵn được ƯST nhằm mục đích tăng khả năng làm việc đàn hồi và điều chỉnh các thuộc tính của chúng, nhằm tăng khả năng chịu tải ngang trong giới hạn đàn hồi và phạm vi tới hạn. Chúng không thể được thiết kế tính toán hoàn toàn theo các nguyên tắc áp dụng cho cột và tường bê tông cốt thép thường. Chúng chỉ được thiết kế một cách chính xác dựa trên các nguyên lý cơ bản về cơ họcvà thuộc tính của vật liệu. Phản ứng và sức chịu tải của cột bê tông ƯST dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm như Hình 1-7 được dự đoán với một kết quả khá chính xác, mặc dù các phép kiểm tra còn khá hạn chế. Mức độ chính xác phụ thuộc vào việc lựa chọn giá trị Modul đàn hồi, cường độ chịu uốn và cường độ chịu nén của bê tông. Trước khi bê tông bị nứt, ứng suất và biến dạng của cột có thể được tính toán theo trạng thái đàn hồi. ứng suất tại bất kỳ mặt cắt nào cũng bằng tổng ứng suất do lực nén trước, lực dọc trực tiếp, mômen do lệch tâm và mômen do biến dạng.
(1-2)
Trong đó:
F: Tổng lực ƯST hiệu quả, đã trừ đi tổn hao ứng suất do biến dạng đàn
hồi của bê tông dưới tác dụng của các tải trọng đặt lên P.
P: Các tải trọng nén đặt lên cấu kiện.
e: Độ lệch tâm của tải trọng P tính đến trọng tâm của mặt cắt.
c: Khoảng cách tới điểm xa nhất của tiết diện tới trục trung hoà của cấu kiện.
A_t: Diện tích quy đổi của tiết diện.
I_t : Mômen quán tính của mặt cắt quy đổi.
 : Biến dạng của mặt cắt cột.

Hình 1-7: Cột dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm

Biến dạng lớn nhất tại vị trí giữa cột lớn nhất đ-ợc tính toán theo công thức:
(1-3)
Theo lý thuyết đàn hồi hiện tượng nứt xảy ra khi ứng suất đạt tới giới hạn bền uốn. Khi bê tông bị nứt, lý thuyết đàn hồi không còn chính xác nữa. Việc dự đoán tải trọng tới hạn có thể dựa trên lý thuyết đàn hồi cho rằng đó là tải trọng để ứng suất nén trong bê tông đạt đến khả năng chịu nén của bê tông. Khi ứng suất xấp xỉ giá trị này (khoảng 90%), nên áp dụng phân tích dẻo, dựa trên bề rộng vết nứt của bê tông dưới ứng suất kéo, tính dẻo của bê tông dưới tác dụng của lực nén và tính dẻo của cốt thép. Nói một cách khác khi phân tích đàn hồi không còn chính xác ở một khía cạnh nào đó , ta chỉ thu được các kết luận thất thường, trừ khi ta áp dụng các phân tích dẻo. ứng suất tới hạn của mặt cắt dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng đứng và mômen có thể được dự đoán theo quan hệ sau. Theo như trên hình 1-8, sự cân bằng lực của mặt cắt yêu cầu ΣP=0
P_n = C-T₁-T₂(1-4)
Cho ΣM=0
(1-5)
Bằng cách giả thiết vị trí trục trung hoà của tiết diện, biến dạng tương đối ε_c và cường độ tới hạn f_c’của bê tông tại thời điểmbê tông đạt ứng suất tới hạn, ta có thể vẽ được biểu đồ ứng suất tới hạn của bê tông và từ đó tính được tải trọng tới hạn P_nvà M_n.

Hình 1-8: Khả năng chịu tải của cột dưới tác dụng của THTT

đứng và mômen

Mặc dù có thể bắt đầu từ một nhóm phương trình để tính độ bền các cột chịu tải trọng dọc trục kết hợp với mômen uốn, nhưng không nên sử dụng các phương trình này. Thông thường các biểu đồ tương tác cho các cột sẽ được tính toán bằng cách giả định một loạt các phân bố biến dạng, mỗi sự phân bố tương ứng với một điểm cụ thể trên biểu đồ tương tác, và bằng cách tính toán các giá trị tương ứng P và M. Một khi các điểm đã được tính toán đầy đủ, thì các kết quả sẽ được tổng hợp lại trong biểu đồ tương tác. Hình 1-9 minh họa một loạt các phân bố biến dạng và các điểm thu được trên biểu đồ tương tác. Sự phân bố biến dạng A thể hiện lực nén dọc trục thuần thúy. Điểm B tương ứng với sự nén ở tại một mặt và lực kéo bằng không tại ở điểm khác. Nếu độ bền chịu kéo của bê tông không được xét đến trong các tính toán, thì điểm này thể hiện sự bắt đầu hình thành vết nứt ở mặt đáy của mặt cắt. Tất cả những điểm ở thấp hơn so với điểm này trong biểu đồ tương tác sẽ đại diện cho các trường hợp mà trong đó mặt cắt bị nứt một phần. Điểm C tương ứng với sự phân bố biến dạng có thể biến dạng tối đa 0,003 trên một mặt của mặt cắt và sự biến dạng ε_y, biến dạng tại giới hạn chảy của cốt thép ở thớ đặt cốt thép chịu kéo. Điều này cho thấy sự phá hỏng cân bằng trong đó sự nén vỡ của bê tông và sự biến dạng dẻo của cốt thép chịu kéo xảy ra đồng thời. Điểm C, điểm bên phải xa nhất trên biểu đồ tương tác, thể hiện sự biến đổi do các phá hỏng do nén đối với tải trọng cao hơn và sự phá hỏng do kéo đối với các tải trọng thấp hơn. Điểm D trong hình 1-9 tương ứng với sự phân bố biến dạng đã trình bày. ở đây cốt thép đã biến dạng đến mức gấp vài lần biến dạng tại giới hạn chảy trước khi bê tông đạt được mức biến dạng tới hạn nén vỡ của nó. Điều này dẫn tới hiện tượng phá hoại dẻo. Ngược lại, đối với sự phân bổ biến dạng B, cột sẽ bị hỏng ngay khi độ biến dạng nén của bê tông tối đa đạt tới trị số 0,003. Do cốt thép chịu kéo không bị chảy dẻo, nên không có các biến dạng trước khi hỏng và cột này sẽ hỏng theo kiểu phá hoại dòn.

Hình 1-9: Các phân bố biến dạng tương ứng với các điểm trên biểu đồ

XÁC ĐỊNH TÁC ĐỘNG CỦA DAO ĐỘNG XOẮN LÊN NHÀ CAO TẦNG TRONG PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG KHI TÍNH TẢI ĐỘNG ĐẤT

tương tác

Đối với cột mảnh, giá trị của mômen M khi tính toán phải được kể đến tác dụng của biến dạng, biến dạng này có thể được tính toán cụ thể thông qua biểu đồ quan hệ tải trọng – mômen uốn. Trong hình 1-9, nếu cột có đầu khớp hai đầu. Mômen ở các đầu cột là:
M_e = P_e

Hình 1-10: Biểu đồ tương tác lực dọc và mô men trong cột

Khi những tải trọng P được đặt vào thì cột bị nén biến dạng hướng sang phía bên trị số  như đã trình bày. Để cân bằng, nội mômen bên trong ở giữa chiều cao cột phải là:
M_c = P(e+ 
Độ uốn cong của cột làm tăng thêm trị số mômen mà cột phải chịu. Trong cột đối xứng đưa ra đây, mômen cực đại xuất hiện ở giữa độ cao nơi mà độ biến dạng uốn tối đa xảy ra. Hình 1-10 trình bày một biểu đồ tương tác đối với một cột bê tông cốt thép. Biểu đồ này đưa ra sự kết hợp của tải dọc trục và mômen mà sẽ gây ra sự phá hủy mặt cắt ngang của cột hoặc một đoạn rất ngắn của cột. Đường hướng tâm đứt quãng O- A là đường biểu thị mômen đầu cột dựa trên cột trong Hình 1-7. Vì tải trọng này được đặt tại một độ lệch tâm không đổi e nên mômen đầu mút M_elà hàm số tuyến tính của P. Đường liền nét cong, O-B là mômen của Mc tại điểm giữa chiều cao của cột. Với bất kì tải trọng cho trước P nào, mômen tại điểm giữa chiều cao là tổng của mômen đầu mút P_e và mômen do độ uốn P. Đường O-B là đường cong mômen – tải trọng đối với mômen cột cực đại. Hiện tượng phá hủy xuất hiện khi đường cong mômen – tải trọng O-B đối với điểm có mômen cực đại cắt ngang biểu đồ tương tác đối với mặt cắt ngang. Do đó tải trọng và mômen tại chỗ hư hỏng được biểu thị bằng điểm B trong hình 1-10. Bởi vì có sự tăng mômen tối đa do độ biến dạng cong, nên khả năng chịu tải hướng trục sẽ bị giảm từ A đến B. Sự giảm khả năng chịu tải hướng trục này do hiệu quả của độ mảnh. Cột mảnh được định nghĩa là một cột có sự giảm đáng kể khả năng chịu tải hướng dọc trục do các mômen uốn ngang cột. Trong tiêu chuẩn ACI “sự giảm đáng kể” được tùy ý lấy bằng một giá trị nào đó lớn hơn khoảng 5%. Như vậy, khả năng chịu tải của mặt cắt đã cho được tính toán lực Pn và Mn thông qua việc giả thiết vị trí trục trung hoà của mặt cắt. Phương pháp này có thể được ở rộng áp dụng cho cốt thép không ƯST trong cột bê tông ƯST. Ứng suất tới hạn trong cột bê tông ƯST có thể được điều chỉnh bằng ứng suất của cốt thép và cường độ chịu nén của bê tông, phụ thuộc số lượng cốt thép, độ lệch tâm của tải trọng. Đối với cột mảnh biến dạng có ảnh hưởng đáng kể tới tải trọng tới hạn. Khi độ lệch tâm là nhỏ, biến dạng của cột có thể được dự đoán theo phương pháp đàn hồi với giả thiết mặt cắt không bị nứt. Khi mômen lớn hơn cần dự đoán biến dạng của cột dựa trên các lý thuyết về mặt cắt có vết nứt. Khi tải trọng trong cột là tải trọng được duy trì liên tục, từ biến hay co ngót thì vấn đềsẽ phức tạp hơn, cần phải xem xét cẩn thận. Các tiêu chuẩn thiết kế của các nước đã đưa ra qui phạm tính toán cho cấu kiện chịu nén ƯST. Ta có thể tham khảo qui trình tính toán cấu kiện chịu nén ƯST theo tiêu chuẩn ACI.
1.2. CỌC BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC
Tổng quan về cọc bê tông ứng lực trước
Cấu kiện cọc có thể chịu đựng các ứng suất kéo trong suốt quá trình chuyên chở và dưới các điều kiện làm việc bình thường, do đó yêu cầu ƯST là rất cần thiết. Loại cọc này đã được sản xuất từ năm 1949 và phát triển mạnh từ năm 1953. Hiện nay cọc bê tông ƯST đã được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều dự án khác nhau tại nhiều nước, thậm chí trên khắp thế giới. Cọc bê tông ƯST có tính ưu việt ở khả năng chịu cắt và chịu uốn cao, độ bền lớn và có tính kinh tế hợp lý so với các loại cọc khác. Với sự phát triển của rất nhiều loại vật liệu và công nghệ xây dựng, cọc
bê tông ƯST đã được phát triển mạnh mẽ như một ngành công nghiệp. Quá trình thử nghiệm áp dụng trong suốt quá trình phát triển của loại cọc này. Hiện nay các kinh nghiệm thu được đã đủ để thiết kế và ứng dụng loại cọc này một cách an toàn và kinh tế.
Nghiên cứu và áp dụng cọc bê tông ứng lực trước:
Tính ưu việt của cọc bê tông ứng lực trước
Cọc bê tông ƯST có tính ưu việt ở khả năng chịu cắt và chịu uốn cao, độ bền lớn và có tính kinh tế hợp lý so với các loại cọc khác. Đặc biệt loại cọc này có khả năng chịu được ứng suất kéo, tránh gây nứt cọc. Các nguyên nhân chính gây ra ứng suất kéo trong cọc là:
Do vận chuyển cẩu lắp cọc: Khi vận chuyển, cẩu lắp, đặc biệt khi các cọc có chiều dài lớn có thể gây ra các ứng suất kéo khá lớn trong cọc.
Do các vùng xoay cục bộ trong cọc: Các vùng xoay cục bộ này có thể xẩy ra khi các đoạn cọc được nối nhau hoặc tại bề mặt của các lớp đất có độ ứng rất khác nhau. Tại vị trí các vùng xoay cục bộ sẽ xuất hiện các momen gây ứng suất kéo trong cọc.
Do đóng cọc: Khi đóng cọc sẽ sinh ra tải trọng kéo trong cọc do tác động của sóng đóng cọc. Khi cọc bị tác động bởi búa đóng, sóng đóng cọc được truyền xuống dưới sinh ra lực nén. Khi sóng này chuyển động xuống phía dưới của cọc, nó bị phản hồi trở lại và sinh ra lực kéo. Với các loại cọc có kích thước khác nhau, lực kéo do sóng đóng cọc là khác nhau. Độ lớn của sóng đóng cọc được xác định chủ yếu qua thực nghiệm và áp dụng trong thiết kế cọc và thiết kế mối nối.
Do tác dụng của lực dọc trục và mô men : Khi chịu tác dụng của tải trọng dọc trục, trong cọc sẽ sinh ra một biến dạng Δ, biến dạng này sẽ sinh ra một momen phụ thêm ( đặc biệt khi chiều dài cọc lớn ). Momen phụ thêm này sẽ kết hợp cùng momen tác dụng trong cọc và gây ra một ứng suất kéo đáng kể.
Do áp lực đẩy ngang của đất và nước ngầm : Hiện tượng này xảy ra khi gặp các khu vực địa chất có lớp đất yếu với chiều sâu lớn, mực nước ngầm mạnh hoặc do thi công đào hố móng sinh ra sự chênh áp lực đất.
Do lực ma sát âm tác dụng lên cọc : Cọc thường được đặt xuyên sâu qua các địa tầng, đến một tầng đất phù hợp để chịu lực cho công trình. Dưới tác dụng của lực nén, cọc sẽ chuyển động xuống phía dưới làm sinh ra một lực cản ma sát tại bề mặt tiếp xúc cọc – đất. Nếu lực cản đó ngược chiều với lực tác dụng bên ngoài thì lực cản đó gọi là lực ma sát dương. Nếu cùng chiều với lực tác dụng gọi là lực ma sát âm. Như vậy hiện tượng ma sát âm thực chất là hiện tượng cọc bị kéo xuống khi các lớp đất xung quanh cọc lún nhiều hơn bản thân cọc, có thể biểu diễn qua phương trình:
t : thời gian; S_d: Độ lún của đất ; S_c : Độ lún của cọc
Hiện tượng ma sát âm xảy ra trong nhiều điều kiện địa chất và chịu lực khác nhau. Có 3 nguyên nhân chính gây ra lực ma sát âm:
+ Thứ nhất: Đất xung quanh cọc lún cố kết dưới tác dụng của trọng lượng bản thân hoặc nước ngầm dẫn đến cố kết vì cường độ giảm thấp (lún ướt)
+ Thứ hai: Đất xung quanh cọc lún cố kết dưới tác động của tải trọng bên ngoài (Đất đắp hoặc công trình bên cạnh).
+ Thứ ba: Do hạ mực nước ngầm dẫn đến đất xung quanh cọc cố kết do tăng ứng suất hữu hiệu. Hạ mực nước ngầm có thể do sự thoát nước tự nhiên hoặc nhân tạo. Khi mực nước ngầm bị hạ thấp thì áp lực nước lỗ rỗng giảm và ứng suất hữu hiệu tăng dẫn đến nền bị lún, do đó sẽ xuất hiện lực ma sát âm trên thân cọc, gây ra lực kéo trong cọc.

Hình 1-11: Một số mặt cắt điển hình của cọc bê tông ƯST (Theo ACI)

Ứng dụng cọc bê tông ứng lực trước
Cọc bê tông ly tâm được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng, sử dụng làm móng công trình.

Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước sử dụng bê tông mác cao 600-800 cùng với quá trình quay ly tâm, và tác động của ứng suất trước làm cải thiện được kết cấu chịu lực của cọc và các tính năng ưu việt khác của cọc:

– Sức chịu tải dọc trục cao.

– Khả năng chịu kéo cao.

– Khả năng chịu momen uốn lớn

– Chống nứt cọc.

– Chống ăn mòn sun phát và chống ăn mòn cốt thép.

– Không xuất hiện ứng suất gây xoắn nứt trong quá trình đóng.

– Cho phép đóng xuyên qua các lớp địa tầng cứng.

– Cọc bê tông ly tâm ứng suất trước có thể sản xuất dài hơn 36m cho một đoạn, mối ghép lắp nhanh và kinh tế, trọng lượng trên một đơn vị chiều dài thấp dẫn đến giá thành hạ.

Một số ứng dụng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước:

Cọc ép, cọc đóng bê tông ly tâm ứng lực trước

Hình 1-12: Móng cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

Cọc bê tông ly tâm ứng lực trước kết hợp với cọc xi măng đất:

Hình 1-13: Cọc xi măng đất kết hợp với cọc bê tông ly tâm ứng lực trước

(Chung cư Fhome – Đà Nẵng)

Cấu kiện tiết diện hình vành khuyên:
Cấu kiện tiết diện vành khuyên trong thực tế thường gặp là cọc bê tông ly tâm ứng suất trước và cột điện bê tông ly tâm ứng suất trước. Các cấu kiện này thường có chiều dày tương đối bé so với bán kính tiết diện. Ở đây chỉ giới hạn xem xét trường hợp cấu kiện có tỉ số bán kính ngoài và trong không bé hơn 0,5 (r₁/r₂ ≥ 0,5) và có cốt thép đặt đều theo chu vi với số lượng thanh thép dọc không nhỏ hơn sáu.
Tính toán cấu kiện tiết diện hình vành khuyên (hình 1) khi tỉ số của bán kính ngoài và trong r₁/r₂ ≥ 0,5 có cốt thép đặt đều theo chu vi và số lượng cốt dọc không nhỏ hơn sáu cần được thực hiện theo điều kiện:

Hình 1-14: Sơ đồ tính toán tiết diện vành khuyên

(1-7)
Trong đó:
e_o độ lệch tâm của lực N đối với trọng tâm tiết diện được xác định có xét đến ảnh hưởng của uốn dọc;
r_m =0,5(r₁+r₂);
A_sp,tot – diện tích toàn bộ thanh cốt thép dọc căng;
A_s,tot – diện tích toàn bộ thanh cốt dọc không căng;

r_sp, r_s lần lượt là bán kính đường tròn đi qua trọng tâm các thanh có diện tích A_sp,tot và A_s,tot;

ξ_cir– diện tích tương đối của vùng nén bê tông được xác định theo công thức:

(1-8)

(1-9)

(1-10)

– đối với thép có giới hạn chảy quy ước;

– đối với thép có giới hạn chảy thực;

(1.12)

– ứng suất trước có xét đến hệ số γ_sp lớn hơn đơn vị;

z_sp, z_s lần lượt là khoảng cách từ hợp lực của cốt thép căng và cốt thép không căng trong vùng kéo đến trọng tâm tiết diện được xác định theo công thức:

z_sp(s) = (0,2+1,3ξ_cir)r_sp(s)(1-11)

nhưng không lớn hơn z_sp(s);

ϕ_sp, ϕ_s – hệ số được lấy bằng

ϕ_sp(s)= ω_p(s)(1-δ_sp(s)ξ_cir) (1-12)

Nếu ϕ_sp ≤ 0 (hoặc ϕ_s≤ 0), giá trị ξ_cirmột lần nữa được tính lại theo công thức (1-7). Trong đó lấy A_sp = 0 (hoặc A_s = 0)

Nếu ξ_cir<0,15, trong điều kiện (1-7) thay nó bằng giá trị ξ_cirxác định theo công thức:

(1-15)

Trong đó: giá trị ϕ_sp, ϕ_s,z_sp và z_s được xác định theo công thức (1-11) và (1-12) với ξ_cir = 0,15

Kết luận chương 1
Giới thiệu sơ bộ về cấu kiện chịu nén bê tông ứng lực trước về sự uốn dọc của cột dưới tác dụng của lực ứng suất trước, cấu kiện chịu nén lệch tâm.
Tổng quan cọc bê tông ứng lực trước, nghiên cứu áp dụng cọc bê tông ứng lực trước, tính toán cấu kiện hình vành khyên.
Làm cơ sở cho việc tính toán khả năng chịu nứt của cấu kiện cọc bê tông ứng lực trước.

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\NGUYEN QUANG PHUONG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG NỨT CỦA CỌC RỖNG BÊ TÔNG LY TÂM ỨNG LỰC TRƯỚC

About admin

Trả lời Hủy

Related Posts

About admin

Trả lời Hủy