Bài giảng Kết cấu bê tông cốt thép: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung về kết cấu bê tông cốt thép; vật liệu dùng trong bê tông cốt thép; nguyên lý thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017; cấu kiện chịu uốn; cấu kiện chịu cắt. Mời các bạn cùng tham khảo!
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
GIỚI THIỆU CHUNG
Bê tông, hay "concrete", có nguồn gốc từ từ Latin "concretus" nghĩa là nhỏ gọn hoặc cô đọng, xuất phát từ động từ "concrescere", kết hợp giữa "con" (cùng nhau) và "crescere" (để phát triển) Tên gọi này phản ánh quá trình hydrat hóa, biến đổi từ chất lỏng đàn hồi thành vật liệu cứng như đá Người La Mã đã phát minh ra bê tông gốc xi măng thủy lực và xây dựng nhiều công trình nổi bật, trong đó có mái vòm Pantheon ở Rome, có đường kính 43,3 m, đã tồn tại hơn 2000 năm và vẫn là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới.
Bê tông là vật liệu thiết yếu trong hầu hết các công trình xây dựng, bao gồm xi măng, nước và cốt liệu (cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn) Mặc dù cốt liệu chiếm phần lớn trong hỗn hợp, nhưng hồ xi măng là yếu tố quan trọng giúp kết dính các cốt liệu và tăng cường cường độ của bê tông Các cốt liệu không chỉ giúp giảm chi phí mà còn ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm cuối cùng.
Bê tông không phải là vật liệu đồng nhất, và cường độ và tính chất kết cấu của
LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
Hiện nay bê tông vẫn được sử dụng nhiều nhất trong các công trình xây dựng trong nước cũng như trên toàn thế giới
1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.2.1 Xi măng và Bê tông
Vôi vữa lần đầu tiên xuất hiện trong nền văn minh Minoan trên đảo Crete khoảng năm 2000 trước Công nguyên Mặc dù có nhiều ứng dụng, loại vữa này gặp bất lợi lớn do khả năng hòa tan khi tiếp xúc với nước, khiến nó không phù hợp cho các mối nối tiếp xúc với nước hoặc dưới nước Đến khoảng thế kỷ thứ ba trước Công nguyên, người ta đã tìm ra các giải pháp thay thế để khắc phục những hạn chế này.
La Mã đã phát hiện ra rằng tro núi lửa mịn như cát, khi được trộn với vữa vôi, tạo ra một loại vữa có cường độ cao hơn nhiều và có khả năng sử dụng dưới nước.
Mái vòm Pantheon ở Rome, hoàn thành vào năm 126 sau Công Nguyên, là một trong những kết cấu bê tông ấn tượng nhất của người La Mã với nhịp 144 ft (43.3m), một kỷ lục chưa bị vượt qua cho đến thế kỷ XIX Phần đáy của mái vòm được xây dựng bằng bê tông có cốt liệu gạch vỡ, trong khi ở phần trên cùng, các nhà xây dựng đã sử dụng cốt liệu nhẹ hơn như đá bọt để giảm mô men tĩnh tải Mặc dù mái vòm bên ngoài được trang trí công phu, nhưng dấu tích của cấu trúc vẫn có thể nhìn thấy ở bên trong.
Hình 1.1 Pantheon với mái vòm bê tông
Trước năm 1800, khi thiết kế ngọn hải đăng Eddystone ngoài khơi bờ biển phía nam nước Anh, kỹ sư John Smeaton phát hiện rằng hỗn hợp đá vôi và đất sét bị đốt cháy có thể tạo ra xi măng chống nước, thích hợp cho việc sử dụng dưới nước Do tính chất phơi nhiễm của ngọn hải đăng, Smeaton đã quyết định chuyển sang sử dụng xi măng La Mã.
Năm 1824, Joseph Aspdin phát minh ra xi măng Portland bằng cách trộn đá vôi và đất sét, nung nóng chúng trong lò Tên gọi xi măng Portland xuất phát từ sự tương đồng của bê tông làm từ nó với đá vôi ở Isle of Portland, Anh Xi măng này được sử dụng lần đầu bởi Brunel vào năm 1828 cho vữa lót của một đường hầm dưới sông Thames và vào năm 1835 cho các trụ bê tông của một cây cầu Trong quá trình sản xuất, clinker đôi khi bị nung quá nóng và bị coi là hư hỏng Tuy nhiên, vào năm 1845, I C Johnson phát hiện rằng clinker này lại là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất xi măng Portland Xi măng Portland lần đầu tiên được sản xuất tại Pennsylvania vào năm 1871 và Indiana vào cùng thời điểm, nhưng chỉ đến đầu thập niên 1880, sản xuất xi măng tại Hoa Kỳ mới bắt đầu phát triển mạnh mẽ.
Vào năm 1848, tại Pháp, Lambot đã xây dựng chiếc xuồng bê tông cốt thép đầu tiên và nhận bằng sáng chế vào năm 1855 Sáng chế của ông bao gồm các bản vẽ về dầm bê tông cốt thép cùng với một cột được gia cố bằng bốn thanh sắt tròn Đến năm 1861, một nhà sáng chế Pháp khác, Coignet, đã xuất bản một cuốn sách minh họa về ứng dụng của bê tông cốt thép.
Vào những năm 1850, luật sư kiêm kỹ sư Thaddeus Hyatt người Mỹ đã tiến hành thử nghiệm với dầm bê tông cốt thép, thiết kế các dầm với thanh dọc trong khu vực chịu kéo và các cốt đai thẳng đứng chịu cắt Tuy nhiên, công trình của Hyatt không được biết đến cho đến khi ông tự xuất bản cuốn sách mô tả các thí nghiệm và hệ thống xây dựng của mình vào năm 1877.
Sự phát triển của kiến thức về bê tông cốt thép được thúc đẩy mạnh mẽ bởi Joseph Monier, một chủ vườn ươm người Pháp, người đã bắt đầu thử nghiệm với bồn bê tông gia cố cốt thép vào khoảng năm 1850 và nhận bằng sáng chế cho ý tưởng này vào năm 1867 Ông tiếp tục phát triển nhiều sản phẩm khác như ống cốt thép, bồn chứa, tấm phẳng, cầu và cầu thang, với nhiều bằng sáng chế được cấp tại Đức vào năm 1880 và 1881 Công ty xây dựng Wayss và Freitag đã ủy thác cho giáo sư Mursch và Bach từ Đại học Stuttgart kiểm tra cường độ của bê tông cốt thép, trong khi ông Koenen, Chánh Thanh tra xây dựng của Phổ, phát triển phương pháp tính toán cường độ Cuốn sách của Koenen, xuất bản năm 1886, đã giới thiệu một phân tích dự đoán về trục trung hòa ở giữa chiều cao của các phần tử bê tông cốt thép.
Tòa nhà bê tông cốt thép đầu tiên tại Hoa Kỳ được xây dựng vào năm 1875 bởi kỹ sư Ward W E trên đảo Long E L Ransome ở California đã tiến hành thí nghiệm với bê tông cốt thép trong những năm 1870 và nhận bằng sáng chế về thép có gờ vào năm 1884, đồng thời phát triển quy trình thiết kế riêng Năm 1888, ông xây dựng một tòa nhà với cột gang và hệ thống sàn bê tông cốt thép, bao gồm dầm và bản từ mái vòm kim loại phẳng Năm 1890, Ransome xây dựng bảo tàng Leland Stanford ở San Francisco, sử dụng cáp bỏ đi để gia cố dầm Đến năm 1903, ông hoàn thành tòa nhà đầu tiên ở Pennsylvania với khung hoàn toàn bằng bê tông cốt thép.
Từ năm 1875 đến 1900, khoa học bê tông cốt thép đã có sự phát triển mạnh mẽ nhờ vào nhiều bằng sáng chế Một cuốn sách giáo trình xuất bản năm 1904 đã liệt kê 43 hệ thống sáng chế, trong đó có 15 ở Pháp, 14 ở Đức và Áo-Hungary, 8 ở Mỹ, 3 ở Vương quốc Anh và 3 ở các quốc gia khác Các hệ thống này chủ yếu khác nhau về hình dạng và cách uốn cong của các thanh thép.
Từ năm 1890 đến 1920, kiến thức về cơ học bê tông cốt thép dần được các kỹ sư tiếp thu qua sách vở và bài báo kỹ thuật Năm 1894, trong bài thuyết trình tại Hội Kỹ sư dân dụng Pháp, Coignet và Tedeskko đã mở rộng lý thuyết của Koenen để phát triển phương pháp thiết kế ứng suất làm việc cho uốn, được áp dụng rộng rãi từ năm 1900 đến 1950 Trong bảy thập kỷ qua, nghiên cứu sâu rộng về ứng xử bê tông cốt thép đã dẫn đến các quy trình thiết kế hiện hành.
Bê tông dự ứng lực được khởi xướng bởi E Freyssinet vào năm 1928, khi ông nhận ra rằng việc sử dụng cốt thép cường độ cao là cần thiết để duy trì ứng suất trước, do từ biến của bê tông có thể làm mất mát hầu hết các ứng suất này nếu sử dụng cốt thép thường Freyssinet đã phát triển neo cho các bó cáp và thiết kế, xây dựng nhiều cầu và kết cấu đầu tiên, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành xây dựng.
1.2.3 Lịch sử quy định chi tiết kỹ thuật thiết kế cho bê tông cốt thép (các tiêu chuẩn thiết kế)
Tập đầu tiên của quy định xây dựng cho bê tông cốt thép được soạn thảo dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Mửrsch tại Đại học Stuttgart và phát hành ở nước Phổ vào năm 1904 Các quy định thiết kế sau đó đã được ban hành tại Anh, Pháp, Áo và Thụy Sĩ trong khoảng thời gian từ năm 1907 đến 1909.
Hiệp hội Kỹ thuật đường sắt Mỹ chỉ định một ủy ban công trình nề vào năm
Vào năm 1903, Ủy ban đã trình bày chi tiết kỹ thuật cho bê tông xi măng Portland Từ năm 1908 đến 1910, một loạt báo cáo của Ủy ban đã dẫn đến việc thiết lập các quy định xây dựng tiêu chuẩn cho bê tông cốt thép, được Hiệp hội quốc gia của người sử dụng xi măng xuất bản vào năm 1910, sau này trở thành Viện bê tông Hoa Kỳ.
Một Ủy ban Hỗn hợp về bê tông bê tông và cốt thép được thành lập vào năm
Vào năm 1904, Hội Kỹ sư dân dụng Mỹ cùng với các hiệp hội khác như Hiệp hội Kiểm nghiệm và Vật liệu, Hiệp hội Kỹ thuật đường sắt Mỹ và Hiệp hội các nhà sản xuất xi măng Portland Mỹ đã thành lập một nhóm nghiên cứu, sau đó gia nhập Viện Bê tông Mỹ Từ năm 1904 đến 1910, Ủy ban hỗn hợp tiến hành nghiên cứu và vào năm 1913, họ đã công bố một báo cáo sơ bộ liệt kê các bài viết và sách quan trọng về bê tông cốt thép từ năm 1898 đến 1911 Báo cáo cuối cùng của ủy ban được phát hành vào năm 1916, đánh dấu một bước quan trọng trong lịch sử quy phạm xây dựng bê tông cốt thép tại Hoa Kỳ.
ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng kết hợp giữa bê tông và thép, tận dụng tính chất cơ học khác nhau của hai thành phần này để tạo ra khả năng chịu lực hiệu quả và kinh tế.
Bê tông là một loại đá nhân tạo được tạo thành từ cốt liệu như cát và đá, cùng với chất kết dính bao gồm xi măng và nước Với khả năng chịu nén tốt, bê tông là vật liệu xây dựng phổ biến, tuy nhiên, nó lại có khả năng chịu kéo rất kém.
Thép có khả năng chịu kéo và nén tốt, vì vậy thường được sử dụng kết hợp với bê tông để tạo ra bê tông cốt thép, nhằm tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Để hiểu rõ hơn về sự cộng tác chịu lực giữa bê tông và cốt thép, chúng ta có thể tham khảo các thử nghiệm sau đây.
Khi uốn một dầm bê tông, dầm sẽ chia thành hai vùng rõ rệt: vùng kéo và vùng nén Nếu ứng suất kéo trong bê tông vượt quá cường độ chịu kéo của nó, vết nứt sẽ xuất hiện và nhanh chóng phát triển lên phía trên, dẫn đến việc dầm bị gãy đột ngột Trong khi đó, ứng suất trong vùng nén vẫn còn thấp so với cường độ chịu nén của bê tông, cho thấy rằng dầm bê tông chưa khai thác hết khả năng chịu nén tốt của vật liệu Do đó, sức kháng uốn của dầm bê tông không cốt thép là khá thấp.
Khi một dầm được thiết kế với lượng cốt thép hợp lý trong vùng bê tông chịu kéo, vết nứt sẽ xuất hiện khi ứng suất kéo trong bê tông vượt quá cường độ chịu kéo của nó Tuy nhiên, dầm vẫn chưa bị phá hoại vì lực kéo chủ yếu do cốt thép chịu Do đó, có thể tăng tải trọng cho đến khi ứng suất trong cốt thép đạt giới hạn chảy hoặc bê tông trong vùng nén bị vỡ.
Hình 1.2 a)Dầm bê tông và b) dầm bê tông cốt thép
Dầm BTCT tối ưu hóa khả năng chịu nén của bê tông và khả năng chịu kéo của thép, mang lại sức kháng uốn vượt trội Nhờ vào sự kết hợp này, dầm BTCT có khả năng chịu mô men lớn hơn hàng chục lần so với dầm bê tông có kích thước tương đương.
Cốt thép có khả năng chịu kéo và nén tốt, vì vậy nó thường được sử dụng trong các cấu kiện chịu lực như chịu kéo, chịu nén và chịu uốn xoắn Việc sử dụng cốt thép giúp tăng cường khả năng chịu lực, đồng thời giảm kích thước tiết diện và khả năng chịu lực kéo do tác động ngẫu nhiên.
Bê tông và thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do các yếu tố sau đây:
Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép, lực dính bám mạnh mẽ cho phép lực được truyền từ bê tông sang thép và ngược lại Lực dính bám này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự liên kết và hiệu quả của cấu trúc.
Cường độ của cốt thép trong bê tông được khai thác nhờ vào lực dính bám, giúp hạn chế bề rộng vết nứt trong vùng kéo Do đó, việc tăng cường lực dính bám giữa bê tông và cốt thép là rất quan trọng.
Bê tông và cốt thép không phản ứng hóa học với nhau, trong khi bê tông đóng vai trò bảo vệ cốt thép khỏi tiếp xúc trực tiếp với môi trường có các tác nhân ăn mòn.
Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông và cốt thép gần như bằng nhau, với bê tông có hệ số giãn nở nhiệt 𝛼 𝑐 khoảng (10 ÷ 14) × 10 −6 (1/°C) và thép 𝛼 𝑠 là 12 × 10 −6 (1/°C) Nhờ vào sự tương đồng này, khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường, nội ứng suất sinh ra là không đáng kể, giúp duy trì sự liên kết giữa bê tông và cốt thép mà không bị phá hủy.
1.3.2 Ưu nhược điểm của bê tông cốt thép:
Có khả năng sử dụng các vật liệu địa phương
Bê tông cốt thép (BTCT) có khả năng chịu lực vượt trội hơn so với các kết cấu bằng gạch đá và gỗ Nó có khả năng chống lại các tải trọng động, bao gồm cả tải trọng do động đất, và đặc biệt chịu lửa rất tốt.
Giá thành hạ hơn, chi phí duy tu bảo dưỡng ít
Có thể đúc thành hình dạng kết cấu khác nhau để dáp ứng các yêu cầu cấu tạo, kiến trúc và yêu cầu sử dụng
Có trọng lượng bản thân lớn
Kiểm tra chất lượng khó khăn, tốn thời gian thi công Sửa chữa thay thế khó khăn
Thường hay xuất hiện khe nứt ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng và tuổi thọ của kết cấu
1.3.3 Bê tông cốt thép dự ứng lực (DƯL)
Khi sử dụng bê tông cốt thép người ta thấy xuất hiện các nhược điểm:
Nứt sớm giới hạn chống nứt thấp
Việc sử dụng cốt thép cường độ cao một cách không hợp lý có thể dẫn đến sự xuất hiện của các khe nứt trong bê tông khi ứng suất trong cốt thép chịu kéo đạt khoảng 30 MPa Khi ứng suất tăng lên từ 180 đến 250 MPa, bề rộng vết nứt sẽ đạt các trị số cho phép, tuy nhiên, nếu sử dụng thép có cường độ vượt quá 1000 MPa mà không kiểm soát, bề rộng vết nứt sẽ vượt quá giới hạn cho phép Để khắc phục nhược điểm này, kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTDƯL) đã được phát triển nhằm tạo ra trạng thái ứng suất ban đầu ngược lại với ứng suất do tải trọng, từ đó hạn chế sự hình thành vết nứt và cải thiện khả năng chịu lực của kết cấu Kết cấu dự ứng lực là loại kết cấu được thiết kế để giảm thiểu các yếu tố gây hại đến khả năng chịu lực do đặc tính chịu lực kém của vật liệu bê tông.
Hình 1.3 Ứng suất trong cấu kiện BTCT dự ứng lực
Bê tông cốt thép được thiết kế với ứng suất nén trước nhằm giảm thiểu hoặc triệt tiêu ứng suất kéo phát sinh khi cấu kiện chịu tải trọng trong quá trình sử dụng Ứng suất nén trước này giúp hạn chế sự hình thành nứt, đảm bảo cho cấu kiện có thể duy trì độ bền và ổn định Nhờ vào cơ chế này, cấu kiện bê tông cốt thép có thể hoạt động hiệu quả mà không bị nứt hoặc chỉ xuất hiện nứt nhỏ.
Chúng ta có thể tạo ra các trạng thái ứng suất ban đầu khác nhau thông qua việc thay đổi vị trí và trị số của lực nén Điều này cho phép thiết kế các kết cấu tối ưu về khả năng chịu lực và chi phí Kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTDƯL) mang lại nhiều ưu điểm so với bê tông cốt thép thông thường, đặc biệt là trong việc cải thiện hiệu suất chịu lực.
Nâng cao giới hạn chống nứt do đó có tính chống thấm cao
Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bê tông cường độ cao
Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm, vượt được nhịp lớn hơn so với BTCT thường
Chịu tải đổi dấu tốt hơn nên sức kháng mỏi tốt
ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
Trong bê tông cốt thép, việc tối ưu hóa cấu tạo là rất quan trọng, bao gồm lựa chọn vật liệu phù hợp như cấp bê tông, nhóm thép và loại thép Ngoài ra, cần chú trọng đến hình dạng và kích thước tiết diện, cũng như cách bố trí cốt thép hợp lý Thiết kế cũng phải xem xét liên kết giữa các bộ phận, giải pháp bảo vệ kết cấu chống xâm thực, độ bền và tính khả thi trong thi công.
Hình dạng tiết diện và sơ đồ bố trí cốt thép được xác định dựa trên trạng thái ứng suất trên tiết diện Đối với cấu kiện chịu uốn, tiết diện thường mở rộng ở vùng nén, tạo hình dạng giống chữ T, trong khi cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục có ứng suất phân bố đều, thường được thiết kế với tiết diện đối xứng như vuông, tròn hoặc chữ nhật.
1.4.1.1 Bê tông cốt thép thường
Cốt thép được sử dụng trong cấu kiện bê tông cốt thép nhằm chịu ứng suất kéo, ứng suất nén và định vị các cốt thép khác Số lượng cốt thép cần thiết được xác định qua tính toán, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu cấu tạo.
Cốt thép chịu ứng suất kéo do nhiều nguyên nhân gây ra như: Mô men uốn, lực cắt, lực dọc trục, mô men xoắn, tải cục bộ
Cốt thép chịu kéo trong cấu kiện do mômen uốn gây ra được đặt ở vùng chịu kéo, theo biểu đồ mô men như Hình 1.4 Các cốt thép dọc chủ nên được bố trí càng xa trục trung hòa càng tốt, nhưng vẫn phải đảm bảo tuân thủ chiều dày lớp bê tông bảo vệ.
Cốt thép chịu kéo do lực cắt được hình thành bởi các cốt thép đai (cốt ngang), được bố trí dựa trên biểu đồ lực cắt như thể hiện trong Hình 1.5 Ngoài ra, cốt thép còn chịu ứng suất nén, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc.
Cốt thép chịu ứng suất nén là các cốt dọc trong dầm và cột, đóng vai trò quan trọng trong việc chịu nén cùng với bê tông Ngoài ra, cốt thép còn có nhiệm vụ định vị, đảm bảo cấu trúc vững chắc và ổn định.
Cốt thép dọc xác định vị trí của các cốt thép đai theo chiều dài của cấu kiện, trong khi các cốt thép đai định hình vị trí của cốt thép dọc trên tiết diện Ngoài ra, cốt thép còn có nhiệm vụ kiểm soát nứt bề mặt, đảm bảo độ bền và ổn định cho công trình.
Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt được phân bố gần bề mặt cấu kiện nhằm chịu ứng suất do co ngót và thay đổi nhiệt độ Các cốt dọc và cốt thép ngang đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nứt bề mặt.
Hình 1.4 Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép dọc
Hình 1.5 Biểu đồ lực cắt và bố trí cốt đai
Trong cấu kiện chịu uốn, tiết diện đặt cốt thép đơn chỉ có cốt dọc chịu kéo, trong khi tiết diện đặt cốt thép kép bao gồm cả cốt dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén.
Sơ đồ bố trí cốt thép trong cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịu kéo lệch tâm lớn gần giống như trong cấu kiện chịu uốn
Trong cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục trên tiết diện các cốt thép dọc thường được bốt trí đối xứng
Kích thước tiết diện được xác định thông qua tính toán, nhưng cần phải đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về cấu tạo, kiến trúc, khả năng bố trí cốt thép và kỹ thuật thi công.
Cần lưu ý đến quy định về độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép và khoảng cách giữa các cốt thép, các quy định này được nêu rõ trong các tiêu chuẩn xây dựng.
1.4.1.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực
Trong cấu kiện bê tông cốt thép dự lực (BTCTDƯL), có hai loại cốt thép chính: cốt thép thường (còn gọi là cốt thép không kéo căng) và cốt thép dự ứng lực (cốt thép kéo căng) Các tài liệu khác nhau có thể đề cập đến những loại cốt thép này với các thuật ngữ và định nghĩa khác nhau.
A-A thép thường còn gọi là cốt thép bị động và cốt thép kéo căng là cốt thép chủ động Cốt thép thường làm nhiệm vụ và được bố trí giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường
Cốt thép DƯL đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra ứng suất nén trước cho bê tông, giúp nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của công trình Cốt thép dự ứng lực có thể được bố trí theo nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm đường thẳng, đường cong hoặc kết hợp cả hai.
Hình 1.6 Sơ đồ bố trí cốt thép DƯL
Tại chỗ uốn cong thường có nội lực tiếp tuyến lớn nên cần gia cường cho bê tông tại đó bằng các lưới cốt thép gia cường
Tại đầu neo liên kết, lực tập trung lớn xuất hiện, do đó cần gia cường bê tông tại các vị trí này bằng cốt thép gia cường hoặc bản phân bố.
1.4.2.1 Phân loại theo phương pháp thi công
Theo phương pháp thi công kết cấu bê tông cốt thép được chia thành ba loại:
VẬT LIỆU DÙNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP
BÊ TÔNG
2.1.1.1 Theo thành phần của bê tông tươi (hỗn hợp bê tông)
Bê tông là một loại đá nhân tạo được hình thành từ các thành phần như đá dăm, sỏi, cát, xi măng, nước và phụ gia Sau khi trộn đều, hỗn hợp này sẽ đông cứng và tạo hình theo khuôn đúc Tỷ lệ các vật liệu trong hỗn hợp ảnh hưởng đến thuộc tính của bê tông sau khi đông cứng Kỹ sư cầu thường lựa chọn cấp bê tông dựa trên cường độ chịu nén mong muốn ở tuổi 28 ngày, với các cấp bê tông khác nhau được thể hiện trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 - Các đặc trưng trộn của bê tông theo cấp
Lượng xi măng tối thiểu kg/m3
Tỉ lệ nước/xi măng lớn nhất kg/kg Độ chứa khí
Kích thước cốt liệu theo AASHTO M43 Kích thước lỗ vuông sàng (mm)
Cường độ chịu nén 28 ngày MPa
P 334 0.49 Như quy định ở chỗ khác
Như quy định ở chỗ khác
Tỉ trọng thấp 334 Như quy định trong hồ sơ hợp đồng
Cấp bê tông A thường được áp dụng cho tất cả các cấu kiện của kết cấu, đặc biệt là trong các trường hợp bê tông phải chịu tác động của môi trường nước mặn.
Cấp bê tông B được sử dụng trong móng, bệ móng, thân trụ và tường chịu lực
Cấp bê tông C được sử dụng trong các chi tiết có bề dày dưới 100 mm như tay vịn cầu thang và các bản sàn đặt lưới thép
Bê tông P được áp dụng khi cường độ yêu cầu vượt quá 28 MPa Đối với bê tông dự ứng lực, cần lưu ý rằng kích thước cốt liệu không được lớn hơn 20 mm.
Bê tông loại S được dùng cho bê tông đổ dưới nước bịt đáy chống thấm nước trong các khung vây
Tỉ lệ nước/xi măng (W/C) theo trọng lượng là yếu tố quyết định cường độ bê tông, với tỉ lệ W/C càng gần mức tối thiểu thì cường độ càng cao Việc tăng hàm lượng xi măng trong hỗn hợp sẽ nâng cao cường độ bê tông, và mỗi cấp bê tông đều có quy định cụ thể về lượng xi măng tối thiểu tính bằng kG/m3 Khi lượng xi măng vượt quá mức tối thiểu, có thể gia tăng lượng nước mà không làm thay đổi tỉ lệ W/C Tuy nhiên, việc tăng nước có thể gây hại do nước thừa không tham gia vào phản ứng hóa học với xi măng, dẫn đến hiện tượng co ngót khi nước bốc hơi, làm bê tông kém đặc chắc Do đó, tiêu chuẩn quy định lượng xi măng tối đa là 475 kG/m3 để kiểm soát lượng nước trong hỗn hợp.
Bê tông AE (bê tông bọt) có độ bền lâu dài trong môi trường băng giá nhờ vào việc thêm phụ gia dẻo, tạo ra sự phân bố đồng đều các lỗ rỗng nhỏ, giúp ngăn chặn hình thành lỗ rỗng lớn và cắt đứt đường mao dẫn đến cốt thép Tuy nhiên, việc này có thể làm giảm cường độ cơ học Để đảm bảo bê tông có độ bền và chịu lực tốt, cần hạn chế hàm lượng nước, mặc dù nước lại tăng độ lưu động của hỗn hợp, đặc biệt trong quá trình đổ khuôn Để cải thiện tính công tác mà không cần tăng nước, các phụ gia hóa học, gọi là phụ gia giảm nước mạnh (phụ gia siêu dẻo), được sử dụng để nâng cao thuộc tính của bê tông ướt và bê tông đã đông rắn Việc sử dụng các phụ gia này cần thận trọng và tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất để tránh ảnh hưởng tiêu cực như rút ngắn thời gian đông kết.
Vì vậy trước khi sử dụng cần làm các thí nghiệm để xác minh chất lượng của cả bê tông ướt lẫn bê tông cứng
Trong những năm gần đây, bê tông có cường độ rất cao đã được phát triển với khả năng chịu nén lên tới 200MPa Để đạt được cường độ và độ chắc chắn này, việc đảm bảo cấp phối tối ưu là rất quan trọng, nhằm lấp đầy tất cả các lỗ rỗng bằng các hạt mịn Trước đây, sự chú ý chủ yếu tập trung vào cấp phối của cốt liệu lớn và nhỏ như đá và cát Để lấp đầy các khe hở giữa các hạt nhỏ, xi măng Poóc lăng được sử dụng, phản ứng với nước để tạo ra lực dính Trong bê tông CĐC và rất cao, việc chèn thêm các vật liệu mịn như đất Puzolan, tro bay và muội silíc vào khe hở giữa các hạt xi măng Poóc lăng không chỉ thay thế một phần xi măng mà còn giữ nguyên lượng xi măng tối thiểu và tỷ lệ W/C.
2.1.1.2 Theo cường độ của bê tông
Bê tông được phân loại theo cường độ nén thành ba loại chính: bê tông thường, bê tông cường độ cao và bê tông cường độ siêu cao Theo tiêu chuẩn ACI 363R-10, các loại bê tông này được định nghĩa rõ ràng nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu suất trong xây dựng.
Bê tông cường độ cao có cường độ nén quy định cho thiết kế 8000 psi (55 MPa) trở lên
2.1.1.3 Theo tính năng của bê tông
Theo tính năng của bê tông có: Bê tông thường (OPC) và bê tông tính năng cao (HPC), bê tông tính năng siêu cao (UHPC);
2.1.1.4 Theo tỷ trọng của bê tông:
Theo tỷ trọng, bê tông được phân thành:
Bê tông tỷ trọng thường: Là BT có tỷ trọng trong khoảng 2150 2500kG/m3
Bê tông tỷ trọng thấp: Là BT có chứa cấp phối nhẹ và có tỷ trọng khi khô không vượt quá 1925kG/m3
2.1.2 Các thuộc tính ngắn hạn của bê tông cứng
Các thuộc tính của bê tông thường được xác định thông qua các thí nghiệm ngắn hạn, phản ánh khả năng chịu lực trong thời gian ngắn, thường chỉ vài phút Mặc dù những thí nghiệm này hữu ích trong việc đánh giá chất lượng bê tông và khả năng chịu tải ngắn hạn, như dưới tác động của xe cộ, nhưng cần lưu ý rằng các thuộc tính này cần được điều chỉnh khi áp dụng cho tải trọng lâu dài, chẳng hạn như trọng lượng của dầm, bản và lan can.
Cường độ chịu nén của bê tông (f'c) sau 28 ngày được xác định thông qua thí nghiệm phá hoại mẫu thử hình trụ có đường kính 150 mm và chiều cao 300 mm, dưới tác dụng của lực dọc trục.
Hình 2.1 thể hiện đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của mẫu thử hình trụ chịu nén dọc trục không có kiềm chế Biến dạng tại đỉnh ứng suất nén (f c ') xấp xỉ 0,002, trong khi biến dạng lớn nhất có thể đạt khoảng 0,003 Đối với bê tông có cường độ nhỏ hơn 40 MPa, một mối quan hệ đơn giản được mô tả bằng hàm bậc hai.
Cường độ chịu nén tương ứng với độ biến dạng được ký hiệu là \( f_c' \) và \( \varepsilon_c' \), trong đó \( f_c' \) đại diện cho đỉnh ứng suất từ thí nghiệm khối trụ, còn \( \varepsilon_c' \) là độ biến dạng tương ứng với ứng suất \( f_c' \) Quy ước dấu cho thấy rằng cả ứng suất nén và biến dạng nén đều mang giá trị âm.
Hình 2.1 Đường cong ứng suất-biến dạng parabol điển hình đối với bê tông chịu nén không có kiềm chế
Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ quy định:
Bê tông có cường độ chịu nén lớn hơn 70 MPa chỉ được sử dụng khi được phép theo quy định và có thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa cường độ chịu nén với các tính chất khác Các loại bê tông có cường độ dưới 16 MPa không được phép dùng cho bất kỳ kết cấu nào.
Cường độ chịu nén quy định của bê tông dự ứng lực và bản mặt cầu không được thấp hơn 28 MPa
Mô đun đàn hồi của bê tông theo tiêu chuẩn AASHTO được xác định thông qua độ dốc của đường thẳng nối gốc tọa độ với điểm trên đường cong ứng suất tại 0,4𝑓 𝑐 ′ Mô đun cát tuyến 𝐸 𝑐 (đơn vị tính bằng MPa) được minh họa trong hình 2.1 Tiêu chuẩn A quy định rõ về phương pháp đánh giá này.
Khi thiếu số liệu đo mô đun đàn hồi (Ec) cho các loại bê tông có tỷ trọng từ 1440 đến 2500 kg/m3 và cường độ nén lên đến 105 MPa, có thể áp dụng các giá trị ước lượng sau đây.
Hệ số điều chỉnh nguồn cốt liệu K1 được xác định là 1,0, trừ khi có kết quả từ thí nghiệm cơ lý và được phê duyệt bởi cơ quan có thẩm quyền.
𝑊 𝑐 là tỷ trong của bê tông (𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 )
𝑓 𝑐 ′ là cường độ chịu nén quy định của bê tông (𝑀𝑃𝑎)
Tính mô đun đàn hồi của bê tông có 𝑊 𝑐 = 2400 𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 và 𝑓 𝑐 ′ = 28 𝑀𝑃𝑎
2.1.2.3 Giá trị trung bình và giá trị đặc trưng của cường độ chịu nén
CỐT THÉP
Cốt thép được lắp đặt trong cấu kiện tại những vị trí tối ưu để phát huy hiệu quả chịu lực Mặc dù cốt thép chủ yếu được thiết kế để chịu lực kéo, nhưng nó cũng có thể được bố trí để chịu lực nén Trong trường hợp chịu ứng suất cắt trong dầm, cần bố trí cả cốt thép dọc và cốt thép ngang để đảm bảo khả năng chịu lực tốt nhất.
Cốt thép không dự ứng lực hoạt động dựa trên mối quan hệ ứng suất – biến dạng của các thanh cốt thép trần Trong khi đó, cốt thép dự ứng lực có sự khác biệt rõ rệt giữa bó cáp có dính bám và không dính bám Điều này đặt ra yêu cầu xem xét lại cách thức hoạt động của cốt thép không dự ứng lực khi được bao bọc bởi bê tông.
Theo ASTM A615 và A706 Cốt thép thường phân thành 3 loại chính: Grade 40 (cấp 40); Grade 60 (cấp 60); Grade 75 (cấp 75);
ASTM A615 là loại thép thanh có gờ, được đánh dấu bằng chữ S để nhận diện Đây là loại thép cốt được sử dụng phổ biến nhất tại Hoa Kỳ Thép ASTM A615 có bốn mức cường độ chảy tối thiểu: 40.000 psi (280 MPa), 60.000 psi (420 MPa), 75.000 psi (520 MPa) và 80.000 psi (550 MPa).
ASTM A706 là tiêu chuẩn cho các thanh thép hợp kim thấp có gờ, được đánh dấu bằng chữ W để chỉ loại thép Những thanh thép này được sử dụng khi cần kiểm soát đặc tính kéo và thành phần hóa học cho mục đích hàn Chúng có hai loại chính: cấp 60 (420 MPa) với khả năng chịu kéo 60.000 psi và cấp 80 (550 MPa) với khả năng chịu kéo 80.000 psi.
Đường cong ứng suất – biến dạng của cốt thép trần được phân tích cho các cấp cốt thép 280, 420 và 520, thể hiện ba giai đoạn làm việc: đàn hồi, dẻo và cứng hoá biến dạng Giai đoạn đàn hồi AB có mô đun đàn hồi không đổi Es 200 000 MPa cho đến giới hạn biến dạng đàn hồi 𝜀 𝑦 = 𝑓 𝑦 ⁄𝐸 𝑠 Giai đoạn chảy BC đặc trưng bởi thềm chảy tại ứng suất không đổi 𝑓 𝑦 cho đến khi bắt đầu cứng hoá Độ dài thềm chảy là chỉ số đo tính dẻo và khác nhau giữa các cấp thép Giai đoạn cứng hoá biến dạng CDE bắt đầu từ biến dạng h, đạt ứng suất lớn nhất 𝑓 𝑢 tại biến dạng u và giảm nhẹ ở biến dạng phá hoại b Ba đoạn của đường cong ứng suất – biến dạng được mô tả bằng các quan hệ f s = s E s cho đoạn đàn hồi AB, f s = f y cho đoạn chảy BC.
Bảng 2.5 Các giá trị giới hạn danh định đối với các đường cong ứng suất-biến dạng của cốt thép thanh
Hình 2.8- Các đường cong ứng suất-biến dạng của cốt thép trần dạng thanh
Hình 2.8 Các dấu hiệu thép cấp 40 và cấp 60
Hình 2.9 Các dấu hiệu thép cấp 75 và cấp 520 Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-5:2017 quy định như sau [11]:
Cốt thép bao gồm các loại như thanh thép, thép tròn, thép có gờ, thép sợi kéo nguội, lưới sợi thép tròn hàn và lưới sợi thép có gờ hàn phải tuân thủ theo TCVN 1651: 2008 Đối với những chỉ tiêu không được quy định trong TCVN 1651: 2008, cần tuân theo tiêu chuẩn vật liệu được nêu trong Điều 9.2 của Tiêu chuẩn Kỹ thuật Thi công cầu AASHTO LRFD.
Cốt thép phải là loại có gờ, trừ khi dùng các thanh thép trơn, sợi thép tròn trơn làm thép đaixoắn, làm móc treo, và làm lưới thép
Giới hạn chảy danh định của cốt thép phải tuân thủ theo quy định của cấp thép đã chọn, không vượt quá 520 MPa, trừ trường hợp đặc biệt cho phép sử dụng thép có giới hạn chảy lên tới 690 MPa theo Điều 4.3.3 Hồ sơ thiết kế cần quy định rõ giới hạn chảy hoặc cấp của thép sợi Cốt thép thanh chỉ được sử dụng khi giới hạn chảy nhỏ hơn 420 MPa trong các trường hợp đặc biệt và có cơ sở pháp lý.
Khi thiết kế kết cấu dẻo hoặc cốt thép nối hàn, cần tuân thủ các đặc tính của cốt thép theo tiêu chuẩn ASTM A706M, quy định về "thanh thép có gờ bằng thép hợp kim thấp dùng cho kết cấu bê tông cốt thép".
Móc tiêu chuẩn của thanh chịu kéo
Hình 2.10 Các móc ở đầu cốt thép chịu kéo
Khi cốt thép được đặt trong bê tông, cách thức hoạt động của chúng khác biệt so với cốt thép trần, do bê tông có cường độ chịu kéo nhất định, mặc dù khá nhỏ Sự khác biệt này đã được công nhận từ sớm, ngay từ giai đoạn phát triển cơ học của bê tông cốt thép, như được nêu trong ý kiến của Morsch (1908).
Lực ma sát giữa cốt thép và bê tông, cùng với cường độ chịu kéo của bê tông, ảnh hưởng đến các đoạn cấu kiện nằm giữa các vết nứt Ngay cả khi bê tông đã nứt, nó vẫn có khả năng giảm bớt độ giãn của cốt thép.
Phần bê tông dính bám với cốt thép và không bị nứt làm giảm biến dạng kéo trong cốt thép.Hiện tượng này gọi l à “tăng cứng kéo “
Hiệu ứng tăng cứng kéo xảy ra khi ứng suất trung bình của thép ở mức thấp Khi biến dạng tăng lên, khả năng chịu kéo của bê tông giảm, dẫn đến việc cốt thép trong bê tông hoạt động theo đặc tính đoạn hoá cứng của đường cong US-BD của thép trần.
2.2.2 Cốt thép dự ứng lực
Thép dự ứng lực có nhiều dạng, bao gồm sợi, tao và thanh Trong đó, tao được hình thành từ nhiều sợi xoắn lại với nhau, được gọi là tao cáp Theo tiêu chuẩn AASHTO, thường sử dụng ba loại thép cường độ cao cho các ứng dụng khác nhau.
Thép sợi không bọc khử ứng suất dư hoặc tự chùng thấp;
Tao cáp không bọc khử ứng suất dư hoặc chùng thấp;
Thép thanh cường độ cao không bọc;
Thép dự ứng lực phổ biến nhất là loại tao thép bảy sợi, được khử ứng suất và có độ chùng thấp Quá trình chế tạo bắt đầu bằng việc kéo liên tục thanh thép các-bon cao qua các khuôn kéo sợi nhỏ, giúp sắp xếp phân tử thép và tăng cường độ lên trên 1700 MPa Sáu sợi thép được quấn xoắn quanh một sợi ở giữa, tạo ra ứng suất dư trong tao thép, làm cho biểu đồ ứng suất – biến dạng trở nên tròn hơn và giảm giới hạn chảy Giới hạn chảy có thể được nâng cao bằng cách nung nóng các tao thép tới 350 °C và để chúng nguội dần Để cải thiện độ chùng, các tao thép được kéo trong chu trình nóng, lạnh, quy trình này được gọi là tôi thép, tạo ra sản phẩm có độ chùng thấp Hình 2.10 minh họa mối quan hệ ứng suất – biến dạng của tao thép 7 sợi sản xuất qua các quy trình khác nhau.
Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-5:2017 quy định:
Các loại tao cáp dự ứng lực bao gồm 7 sợi không sơn phủ với độ tự chùng thấp, cùng với các thanh thép không sơn phủ có cường độ cao, có thể là trơn hoặc có gờ Tất cả các sản phẩm này phải tuân thủ các tiêu chuẩn vật liệu được quy định trong Tiêu chuẩn Kỹ thuật Thi công cầu AASHTO LRFD.
Giới hạn kéo và giới hạn chảy của các loại thép này có thể lấy trong Bảng 2.6 dưới đây
Bảng 2.6 Các thuộc tính của tao thép và thanh thép dự ứng lực
Vật liệu Cấp hoặc kiểu Đường kính
Cường độ chịu kéo fpu
Giới hạn chảy fpy (MPa)
Kiểu 1, trơn Kiểu 2, có gờ
Mô đun đàn hồi của thép dự ứng lực có thể được xác định dựa trên diện tích mặt cắt ngang danh định Cụ thể, đối với tao cáp, giá trị là Ep = 197.000 MPa, trong khi đối với thanh, giá trị là Ep = 207.000 MPa.
Hình 2.11 Quan hệ ứng suất-biến dạng của tao thép 7 sợi được sản xuất theo các quá trình khác nhau
BÊ TÔNG CỐT THÉP
2.3.1 Khái niệm về dính bám giữa bê tông và cốt thép
Lực dính bám giữa bê tông và cốt thép là yếu tố thiết yếu đảm bảo sự hợp tác hiệu quả giữa hai vật liệu này Yếu tố này giúp bê tông và cốt thép có khả năng biến dạng đồng thời, đồng thời tạo điều kiện cho việc truyền lực qua lại giữa chúng.
2.3.1.2 Thí nghiệm xác định lực dính bám
Chế tạo mẫu bằng cách đổ bê tông bao quanh đoạn cốt thép và tiến hành thí nghiệm kéo cốt thép ra khỏi bê tông (Hình 2.12) Lực kéo P được gia tải theo tiêu chuẩn EN 10080.
2005 là 𝑉 𝑝 = 0,56𝑑 2 (𝑁 𝑠⁄ ) (𝑑 là đường kính thanh thép tính bằng 𝑚𝑚) Lực kéo P trong thí nghiệm được đo theo chuyển vị của thanh thép, nhờ đồng hồ đo chuyển vị
Hình 2.12 Thí nghiệm xác định dính bám giữa bê tông và cốt thép theo RELEM
Kết quả đo được vẽ thành đồ thị trên hình 2.13 sau:
Hình 2.13 Quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị
Cường độ trung bình của lực dính được xác định theo công thức:
Trong đó: P – Lực kéo (hoặc nén) làm cốt thép tụt khỏi bê tông
𝑙 – Chiều dài đoạn cốt thép chôn trong bê tông
Cường độ dính bám yêu cầu theo điều 11.2.1.1 của TCVN 11823-5:2017 là: 0,275√𝑓𝑐 ′
2.3.1.3 Các yếu tố tạo nên lực dính bám
Lực dính bám được tạo ra nhờ các yếu tố chính sau:
- Sự dính bám hoá học,
Sự tương tác cơ học giữa cốt thép và bê tông là yếu tố quan trọng trong xây dựng Đối với các thanh cốt thép tròn trơn, lực dính bám chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố đầu tiên Trong khi đó, với cốt thép có gờ, sự tương tác cài khoá giữa bê tông và các gờ cốt thép trở thành yếu tố quyết định Do đó, các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự dính bám giữa cốt thép và bê tông cần được xem xét kỹ lưỡng.
- Diện tích gờ tính đổi của cốt thép,
- Cường độ và thành phần của bê tông,
- Bề dày lớp bê tông bảo vệ,
- Vị trí cốt thép khi đổ bê tông
2.3.2 Chiều dài phát triển lực
Lực kéo cần thiết để rút thanh cốt thép ra khỏi bê tông tăng lên khi chiều dài chôn của thanh tăng (Hình 2.14) Khi chiều dài chôn đủ lớn, thanh thép sẽ chảy dẻo trước khi bị kéo ra Chiều dài chôn tối thiểu cần thiết để phát triển lực chảy dẻo của thanh cốt thép được gọi là chiều dài phát triển lực Chiều dài phát triển lực (l_d) là giá trị chỉ thị cho đặc trưng dính bám của các thanh cốt thép.
Tiêu chuẩn ACI quy định rằng chiều dài phát triển lực cơ sở để ngăn ngừa sự vỡ chẻ (split) db sp phụ thuộc vào diện tích thanh cốt thép, trong khi chiều dài cần thiết để ngăn ngừa sự kéo tuột (pull out) db po lại phụ thuộc vào đường kính thanh thép Công thức tính chiều dài phát triển lực cơ sở này áp dụng cho thanh số hiệu 35 và các thanh có kích thước nhỏ hơn.
Các công thức (2.29) và (2.30) cho thấy rằng khi cường độ bê tông tăng, chiều dài phát triển lực sẽ giảm Tuy nhiên, chiều dài phát triển lực không được phép giảm xuống dưới mức nhất định khi cường độ bê tông vượt quá 70 MPa, do đó, giá trị f c không được lớn hơn 8,3 MPa.
Hình 2.14 Khái niệm về chiều dài phát triển lực
Hình 2.15 Vòng ứng suất kéo trong bê tông cân bằng với thành phần ly tâm của lực nén nghiêng
2.3.3 Các dạng phá hoại và hư hỏng của bê tông cốt thép
2.3.3.1 Phá hoại do chịu lực
Bê tông và cốt thép tương tác chặt chẽ cho đến khi xảy ra sự phá hoại Đối với các thanh chịu kéo, khi bê tông nứt, cốt thép sẽ chịu toàn bộ lực kéo và sự phá hoại bắt đầu khi ứng suất trong cốt thép đạt đến giới hạn chảy Đối với cột chịu nén, sự phá hoại xảy ra khi ứng suất nén trong bê tông đạt đến giới hạn cường độ chịu nén, dẫn đến hiện tượng bê tông bị nén vỡ Đối với cấu kiện chịu uốn, sự phá hoại có thể bắt đầu từ vùng chịu kéo hoặc chịu nén Khi cốt thép chịu kéo vừa phải, sự phá hoại bắt đầu từ vùng chịu kéo với cốt thép đạt đến giới hạn chảy, gây ra biến dạng lớn và vết nứt mở rộng Ngược lại, khi cốt thép nhiều, sự phá hoại bắt đầu từ vùng nén khi ứng suất trong bê tông đạt đến giới hạn cường độ, dẫn đến vùng nén bị nén vỡ.
2.3.3.2 Phá hoại do biến dạng cưỡng bức
Biến dạng cưỡng bức xảy ra do chuyển vị của các liên kết, thay đổi nhiệt độ, hoặc co ngót của bê tông Trong kết cấu tĩnh định, biến dạng cưỡng bức không tạo ra nội lực Tuy nhiên, trong kết cấu siêu tĩnh, biến dạng cưỡng bức thường bị ngăn cản, dẫn đến sự phát sinh nội lực và có khả năng gây hư hỏng hoặc phá hoại kết cấu Hư hỏng thường biểu hiện qua hiện tượng nứt, vỡ bê tông, trong khi phá hoại xảy ra tương tự như khi chịu lực.
2.3.3.3 Hư hỏng do tác dụng của môi trường
Dưới tác động của môi trường bê tông cốt thép có thể bị hư hỏng do tác dụng cơ, lý, hóa, sinh vật
Bê tông có thể bị bào mòn do tác động của mưa và dòng chảy, cũng như bị hun nóng bởi ánh nắng mặt trời hoặc các nguồn nhiệt khác Đối với các công trình chịu lạnh, hiện tượng đóng và tan băng có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho cấu trúc bê tông.
Bê tông có thể bị xâm thực do sự tác động của các chất hóa học như axit, bazơ và muối có trong môi trường Những chất này phản ứng với các thành phần của đá xi măng, dẫn đến việc hình thành các chất hòa tan hoặc làm giảm cường độ, gây ra hiện tượng bê tông bị mủn và phá hỏng sự liên kết.
Cốt thép có nguy cơ bị xâm thực do tác động của hóa học và điện phân từ môi trường Khi cốt thép gỉ, thể tích lớp gỉ tăng lên đáng kể, gây áp lực lên bê tông và dẫn đến nứt vỡ lớp bảo vệ Sự mở rộng của các vết nứt trong bê tông làm tăng khả năng gỉ của cốt thép Trong môi trường có hơi nước mặn và điều kiện nhiệt độ, độ ẩm cao, cốt thép càng dễ bị gỉ Ngoài ra, ứng suất cao trong cốt thép và quá trình gia công nguội cũng làm tăng nguy cơ gỉ sét.
Các loại rong rêu, hà và vi khuẩn sống trong sông biển có thể gây hư hỏng bề mặt bê tông do các chất hóa học mà chúng tiết ra.
Bê tông có khả năng tăng cường độ trong những năm đầu khi được bảo quản trong môi trường thuận lợi Tuy nhiên, sau vài chục năm, bê tông sẽ trải qua quá trình lão hóa, dẫn đến việc cường độ có thể giảm dần theo thời gian.
Chương 3 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO TIÊU
QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KÊ
Trong quá trình thiết kế, các kỹ sư cần kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án khả thi đã chọn Công tác thiết kế bao gồm tính toán để chứng minh rằng tất cả các tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được đáp ứng Để đảm bảo độ an toàn cho công trình, cần tuân thủ các điều kiện cụ thể.
Sức kháng của vật liệu Hiệu ứng của tải trọng
Phương trình cần được đáp ứng cho toàn bộ kết cấu với mọi tổ hợp tải trọng đã đặt ra Ngoài ra, phương trình cũng phải được duy trì trong suốt thời gian thiết kế của kết cấu.
Khi hiệu ứng của tải trọng bằng với sức kháng của vật liệu (phương trình 3.1 tương ứng với dấu bằng) thì kết cấu ở vào trạng thái giới hạn
Trạng thái giới hạn (TTGH) được định nghĩa như sau:
Trạng thái giới hạn là ngưỡng mà khi vượt qua, kết cấu cầu hoặc các bộ phận của nó sẽ không đáp ứng được các yêu cầu thiết kế.
Một trong những mục tiêu quan trọng của thiết kế là ngăn ngừa việc đạt tới tình trạng thiếu hiệu quả (TTGH) Tuy nhiên, thiết kế không chỉ dừng lại ở mục tiêu này; cần phải cân nhắc và cân đối các yếu tố khác như chức năng, thẩm mỹ, tính kinh tế và độ bền trong tổng thể thiết kế.
Việc thiết kế một cầu mà không có bộ phận nào có thể bị phá hoại là không kinh tế, do đó cần xác định mức độ rủi ro và xác suất phá hoại chấp nhận được Để xác định miền an toàn, sức kháng cần phải lớn hơn tác động của tải trọng, và điều này không chỉ dựa vào ý kiến cá nhân mà cần dựa trên kinh nghiệm của tập thể kỹ sư và cơ quan nghiên cứu Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017, dựa trên tiêu chuẩn AASHTO LRFD của Hiệp hội cầu đường Mỹ, đáp ứng các yêu cầu này.
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ
3.2.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD)-Allowable Stress Design Độ an toàn được xác định bằng cách cho rằng hiệu ứng của tải trọng sẽ gây ra ứng suất chỉ bằng một phần của ứng suất gây phá hoại (Ứng suất phá hoại là cường độ giới hạn của bê tông hoặc giới hạn chảy của thép) ,
Hệ số an toàn (F)= Cường độ của vật liệu(R) / hiệu ứng tải trọng(Q) sức kháng, hiệu ứng tải trọng, 0, 5 2 y y
Phương pháp thiết kế này, được gọi là thiết kế theo ứng suất cho phép (Allowable Stress Design - ASD), đặt ra giới hạn về ứng suất để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thiết kế.
Phương pháp này có nhiều nhược điểm như:
- Quan điểm về độ bền dựa trên sự làm việc đàn hồi của vật liệu đẳng hướng, đồng nhất
-Không biểu hiện được một cách hợp lý về cường độ giới hạn là chỉ tiêu cơ bản về khả năng chịu lực hơn là ứng suất cho phép
- Hệ số an toàn chỉ áp dụng riêng cho cường độ , chưa xét đến sự biến đổi của tải trọng
Việc lựa chọn hệ số an toàn thường dựa trên ý kiến chủ quan và thiếu cơ sở tin cậy về xác suất hư hỏng Để khắc phục vấn đề này, cần áp dụng một phương pháp thiết kế đáng tin cậy hơn.
- Dựa trên cơ sở cường độ giới hạn của vật liệu
- Xét đến sự thay đổi tính chất cơ học của vật liệu và sự biến đổi của tải trọng
- Đánh giá độ an toàn liên quan đến xác suất phá hoại
Phương pháp khắc phục các thiếu sót trên đó là AASHTO-LRFD 1998 và nó được chọn làm cơ sở biên soạn tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017
3.2.2 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD-Load and Resistance Factor Design) Để xét đến sự thay đổi ở cả hai phía của bất đẳng thức trong phương trình 3.1
Sức kháng được điều chỉnh bằng hệ số sức kháng dựa trên cơ sở thống kê, trong khi tải trọng được nhân với hệ số tải trọng , thường lớn hơn 1 Hiệu ứng tải trong trạng thái giới hạn bao gồm tổ hợp nhiều loại tải trọng (Qi) ở các mức độ khác nhau, do đó, phía tải trọng được biểu diễn là tổng các giá trị i Qi Nếu sức kháng danh định là Rn, tiêu chuẩn an toàn sẽ được thiết lập dựa trên các yếu tố này.
Rn ≥ Hiệu ứng của i Qi (3.2)
Phương trình 3.2 bao gồm cả hệ số tải trọng và hệ số sức kháng, do đó, phương pháp thiết kế này được gọi là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (RFD).
Hệ số sức kháng cho trạng thái giới hạn cần xét tới tính phân tán của :
- Phương trình dự tính cường độ
Hệ số tải trọng i dùng cho các tải trọng cần xét tới độ phân tán của :
-Độ lớn của tải trọng
- Sự sắp xếp của tải trọng
- Tổ hợp tải trọng có thể xảy ra Ưu điểm của LRFD:
- Có xét đến sư biến đổi cả về sức kháng và tải trọng
- Đạt được mức độ an toàn đồng đều cho các TTGH khác nhau và các loại cầu mà không cần phân tích xác suất và thống kê phức tạp
- Phương pháp thiết kế thích hợp
- Yêu cầu thay đổi tư duy thiết kế ( so với tiêu chuẩn cũ )
-Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê
- Yêu cầu có các số liệu đầy đủ về thống kê và thuật toán tính xác suất để chỉnh lý hệ số sức kháng trong trường hợp đặc biệt
3.2.3 Sơ lược về tiêu chuẩn AASHTO LRFD và ACI 318
Tiêu chuẩn ACI quy định các yêu cầu về kết cấu bê tông, bao gồm vật liệu, thiết kế và quy trình xây dựng trong lĩnh vực xây dựng nhà Tiêu chuẩn này bao gồm 27 chương cùng với 2 phụ lục, cung cấp hướng dẫn chi tiết cho các kỹ sư và nhà thầu.
Chương 1: Các yêu cầu chung
Chương 2: Các kí hiệu và định nghĩa
Chương 3: Tiêu chuẩn tham khảo
Chương 4: Các yêu cầu về hệ thống kết cấu
Chương 6: Phân tích kết cấu
Chương 7: Các bản một phương
Chương 8: Các bản hai phương
Chương 12: Các dầm ngang (Diaphragms)
Chương 14: Bê tông không cốt thép
Chương 15: Các mối nối dầm-cột và bản sàn-cột
Chương 16: Mối nối các cấu kiện
Chương 17: Neo vào bê tông
Chương 18: Các kết cấu kháng động đất
Chương 19: Bê tông : các yêu cầu thiết kế và độ bền
Chương 20: Các tính chất của thép, độ bền và ống bọc
Chương 21: Hệ số giảm cường độ
Chương 22: Cường độ của mặt cắt
Chương 23: Mô hình chống và giằng
Chương 24: Các yêu cầu sử dụng
Chương 25: Chi tiết cốt thép
Chương 26: Các tài liệu xây dựng và kiểm tra
Chương 27: Đánh giá các kết cấu cũ
The American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) is a key organization that establishes various standards in the field of bridge design.
“AASHTO LRFD Bridge Design Specifications” Tiêu chuẩn thiết kế Cầu thường được cập nhật theo các năm, tiêu chuẩn này gồm gồm 14 phần, như sau:
Phần 2 Thiết kế tổng thể và đặc điểm vị trí cầu
Phần 3 Tải trọng và hệ sô tải trọng
Phần 4 Phân tích và đánh giá kết cấu
Phần 5 Kết cấu bê tông
Phần 9 Mặt cầu và hệ mặt cầu
Phần 11 Mố, trụ và tường chắn
Phần 12 Kết cấu vùi và áo hầm
Phần 14 Khe co giãn và gối cầu
Trong phần 5 “Kết cấu bê tông” tiêu chuẩn AASHTO tham khảo nhiều nội dung của ACI.
NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA TIÊU CHUẨN TCVN 11823-2017 52 1 Cơ sở xuất bản của tiêu chuẩn TCVN 11823-2017
Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, được phát hành vào năm 2001 với ký hiệu 22TCN 272-01, được xây dựng trong khuôn khổ dự án của Bộ Giao thông vận tải mang tên “Dự án phát triển các Tiêu chuẩn cầu và đường bộ”.
Nghiên cứu cho thấy hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO của Hiệp hội cầu đường Mỹ là lựa chọn tối ưu cho Việt Nam, nhờ vào tính hoàn thiện và khả năng điều chỉnh để phù hợp với điều kiện thực tế Tài liệu này, cùng với các tài liệu tham khảo, sử dụng tiếng Anh - ngôn ngữ kỹ thuật phổ biến toàn cầu và cũng là ngôn ngữ thứ hai thông dụng ở Việt Nam Hệ thống AASHTO còn có ảnh hưởng lớn trong các nước ASEAN, nơi Việt Nam là một thành viên.
Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 được xây dựng dựa trên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD, lần xuất bản thứ hai năm 1998, và áp dụng hệ đơn vị đo quốc tế SI Tiêu chuẩn LRFD, ra đời năm 1994 và được sửa đổi vào năm 1998, tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn khác nhau trên toàn cầu, phản ánh trình độ hiện đại trong thiết kế cầu hiện nay.
Ngày 29 tháng 12 năm 2017 bộ khoa học công nghệ đã ra quyết định số 3859/QĐ-BKHVN công bố bộ tiêu chuẩn Quốc gia: TCVN 11823:2017 Thiết kế cầu đường bộ Đây là bộ tiêu chuẩn do Bộ Giao thông vận tải tổ chức biên soạn, Bộ Giao thông vận tải đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố
Các tài liệu dưới đây là rất cần thiết đối với việc áp dụng tiêu chuẩn này
Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737:1995 Đường ô tô- Yêu cầu thiết kế TCVN 4954:05
Lớp phủ kẽm nhúng nóng trên bề mặt sản phẩm gang và thép- Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử
Thép cốt bê tông và lưới thép hàn TCVN 1651: 2008
Lớp phủ kẽm nhúng nóng trên bề mặt sản phẩm gang và thép- Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử
Tiêu chuẩn quốc gia, Phân cấp kỹ thuật đường thủy nội địa
Thiết kế công trình chịu động đất TCVN 9386:2012
Thép cốt bê tông- Hàn hồ quang TCVN 9392:2012
Cọc- Phương pháp thử nghiệm hiện trường bằng tải trọng tĩnh ép
Kết cấu cầu thép – Yêu cầu kỹ thuật chung về chế tạo, lắp ráp và nghiệm thu
Hàn cầu thép - Quy định kỹ thuật TCVN 10309:2014
AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications
(Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công cầu AASHTO)
Bộ Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ quy định các hướng dẫn cho thiết kế, đánh giá và khôi phục cầu cố định và cầu di động trên tuyến đường bộ Tuy nhiên, các điều khoản này không áp dụng cho cầu đường sắt, xe điện hoặc các phương tiện công cộng khác Các yêu cầu thiết kế riêng cho cầu đường sắt sẽ được phát hành trong một phụ bản trong tương lai.
3.3.2 Phương trình tổng quát của TCVN 11823:2017
Cầu cần được thiết kế nhằm đạt các mục tiêu thi công, an toàn và sử dụng hiệu quả, đồng thời xem xét các yếu tố như khả năng kiểm tra, tính kinh tế và mỹ quan Để đạt được những mục tiêu này, thiết kế cầu phải thỏa mãn các trạng thái giới hạn, đảm bảo kết cấu có độ dẻo đủ, nhiều đường truyền lực và tính quan trọng trong khai thác cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.
Mỗi cấu kiện và liên kết phải thỏa mãn công thức 3.3 đối với tất cả các trạng thái giới hạn
Q i - hiệu ứng của tác động (ví dụ, nội lực do tải trọng ngoài sinh ra)
i - hệ số tải trọng: hệ số nhân dựa trên thống kê dùng cho hiệu ứng của tác động
- hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa trên thống kê dùng cho sức kháng danh định
R r - sức kháng tính toán (hay sức kháng có hệ số), R r = .R n
- hệ số điều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác:
D R I 0,95 đối với tải trọng dùng giá trị max
đối với tải trọng dùng giá trị min
D hệ số xét đến tính dẻo;
R hệ số xét đến tính dư;
I hệ số xét đến tầm quan trọng trong khai thác
Hệ số đầu tiên liên quan đến cường độ của cầu, trong khi hệ số thứ ba xem xét hoạt động của cầu trong trạng thái sử dụng Đối với tất cả các trạng thái giới hạn không phải cường độ, giá trị của D và R đều bằng 1,0.
3.3.3 Khái niệm về tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác
3.3.3.1 Hệ số xét đến tính dẻo D
Tính dẻo là yếu tố quan trọng đảm bảo an toàn cho cầu, cho phép các bộ phận chịu lực lớn phân phối lại tải trọng sang những bộ phận khác có khả năng chịu đựng cao hơn Quá trình phân phối lại này phụ thuộc vào khả năng biến dạng của các bộ phận chịu lực và liên quan đến sự phát triển biến dạng dẻo mà không gây ra hư hỏng Đối với trạng thái giới hạn cường độ, hệ số liên quan đến tính dẻo được quy định rõ ràng.
D 1,05 đối với các cấu kiện và liên kết không dẻo;
D = 1,0 đối với các thiết kế thông thường và các chi tiết theo đúng Tiêu chuẩn này;
Đối với các cấu kiện và liên kết được áp dụng biện pháp tăng cường tính dẻo vượt quá yêu cầu của Tiêu chuẩn, hệ số an toàn D được quy định là 0,95 Trong trường hợp các trạng thái giới hạn khác, hệ số D sẽ là 1,00.
3.3.3.2 Hệ số xét đến tính dư R
Tính dư đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho kết cấu cầu, với các cấu trúc siêu tĩnh có nhiều liên kết hơn số cần thiết để duy trì hình dạng Chẳng hạn, một dầm cầu liên tục ba nhịp thuộc loại siêu tĩnh bậc hai, cho phép mất một số liên kết mà không gây ra biến dạng ngay lập tức nhờ vào khả năng truyền tải lực qua nhiều con đường khác nhau Khái niệm này cho thấy tính dư là yếu tố thiết yếu, trong khi các kết cấu cầu không có tính dư hoặc chỉ có một đường truyền lực nên được tránh sử dụng để đảm bảo tính an toàn và ổn định.
Tính dư trong kết cấu cầu góp phần nâng cao khoảng an toàn, điều này được thể hiện qua trạng thái giới hạn cường độ thông qua hệ số tính toán tính dư R, theo quy định trong Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017.
R 1,05 đối với các cấu kiện không dư;
R = 1,0 đối với các cấu kiện có mức dư thông thường;
R 0,95 đối với các cấu kiện có mức dư đặc biệt Đối với các trạng thái giới hạn khác: R =1,00
3.3.3.3 Hệ số xét đến tầm quan trọng trong khai thác I
Cầu đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các khu dân cư với bệnh viện, trường học và hỗ trợ lực lượng công an, cứu hỏa trong các tình huống khẩn cấp Chúng giúp giảm thiểu tình trạng tắc đường, tiết kiệm thời gian và nhiên liệu cho người lao động Hầu như không có tình huống nào mà cầu không được coi là quan trọng trong khai thác Tuy nhiên, cầu trên đường phụ dẫn tới vùng hẻo lánh, không được sử dụng quanh năm, có thể xem là ít quan trọng hơn.
Trong trường hợp xảy ra động đất, việc duy trì sự thông suốt của các con đường huyết mạch, bao gồm cả các công trình cầu, là vô cùng quan trọng Do đó, cần thiết phải đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về trạng thái giới hạn cường độ để đảm bảo an toàn và khả năng sử dụng của các công trình này.
I 1,05 đối với các cầu quan trọng;
I = 1,0 đối với các cầu điển hình;
I 0,95 đối với các cầu ít quan trọng; Đối với các trạng thái giới hạn khác: I = 1,0
3.3.4 Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017
Kết cấu cầu thép cần được thiết kế để đảm bảo không rơi vào bất kỳ trạng thái giới hạn nào theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017 dưới tác dụng của tải trọng Các trạng thái giới hạn này phải được duy trì trong suốt tuổi thọ thiết kế của cầu Điều kiện yêu cầu cho tất cả các trạng thái giới hạn là sức kháng phải có hệ số không nhỏ hơn hiệu ứng của tổ hợp tải trọng có hệ số.
Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-5:2017, đối với kết cấu bê tông cốt thép, có bốn trạng thái giới hạn được đề cập:
3.3.4.1 Trạng thái giới hạn sử dụng
Trạng thái giới hạn sử dụng: được xét đến nhằm hạn chế biến dạng của cấu kiện và hạn chế ứng suất đối với thép
3.3.4.2 Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy
Trạng thái giới hạn mỏi được xác định để kiểm soát chênh lệch ứng suất (giá trị 𝑆) do xe tải thiết kế gây ra trong số chu kỳ ứng suất dự kiến Thiết kế cho trạng thái giới hạn mỏi đứt gãy bao gồm việc lựa chọn thép có độ dẻo dai phù hợp với một phạm vi nhiệt độ nhất định.
3.3.4.3 Trạng thái giới hạn cường độ