TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA XÂY DỰNG
BỘ MƠN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH
TIỂU LUẬN KẾT THÚC HỌC
PHẦN
HỌC PHẦN:
CHUYÊN ĐỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT
THÉP LỚP HỌC PHẦN:
850002303
GVHD:
Th.S TRẦN QUỐC HÙNG
SVTH:
ĐẶNG TRẦN TRUNG NGUYÊN
MSSV:
17520800310
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2021
1
Chun đề bê tơng cốt thép – học kì I năm
2021
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 4
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC CƠNG TRÌNH.................................5
1.1. ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG....................................................................................... 5
1.2. GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC..................................................................................... 6
1.2.1. Mặt bằng và phân khu chức năng..................................................................... 6
1.2.2. Mặt đứng.......................................................................................................... 6
1.2.3. Hệ thống giao thông......................................................................................... 6
PHẦN 2: PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU CHIU LỰC CỦA CƠNG TRÌNH......10
PHẦN 3: GIỚI THIỆU VỀ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VỀ KẾT CẤU ỨNG
SUẤT TRƯỚC.......................................................................................................11
CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT
TRƯỚC...................................................................................................................11
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC.........15
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TỐN SÀN ỨNG LỰC
TRƯỚC CHO CƠNG TRÌNH REETOWER.....................................................44
3.1. TÍNH TỐN TẢI TRỌNG CHO CƠNG TRÌNH REETOWER.................44
3.1.1
Tải trọng thường xun do các lớp cấu tạo sàn......................................... 44
3.1.2.
Hoạt tải tác dụng lên sàn........................................................................... 46
3
Chun đề bê tơng cốt thép – học kì I năm
2021
3.1.3.
Tải trọng gió............................................................................................ 46
3.2. SỐ LIỆU TÍNH TỐN..................................................................................... 49
3.2.1. Tiêu chuẩn thiết kế.......................................................................................... 49
3.2.2. Lựa chọn vật liệu............................................................................................ 49
3.2.3. Kích thước sơ bộ............................................................................................. 51
3.3. LỰA CHỌN THÔNG SỐ CÁP........................................................................ 53
3.3.1. Lựa chọn tải trọng cân bằng của ứng lực trước trong sàn............................... 53
3.3.2. Xác định khoảng cách từ tâm cáp đến mép ngoài của sàn..............................53
3.3.3. Xác định cao độ cáp và hình dạng cáp trong sàn............................................ 55
3.4. TÍNH ỨNG SUẤT HỮU HIỆU TRONG CÁP............................................... 57
3.4.1. Chọn ứng suất trước ban đầu.......................................................................... 57
3.4.2. Tính tổn hao ứng suất..................................................................................... 57
3.4.3. Tính ứng suất hữu hiệu trong cáp................................................................... 60
3.5. XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG VÀ BỐ TRÍ CÁP ỨNG LỰC TRƯỚC TRONG
SÀN.................................................................................................................... 60
3.5.1 Tính số lượng cáp cần thiết trong dải sàn khung tương đương trục.................60
5.3.2. Các tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn ACI 318M-08....................................... 64
3.5.2. Kết quả nội lực............................................................................................... 65
3.6. KIỂM TRA ỨNG SUẤT CỦA BÊ TÔNG...................................................... 67
3.6.1. Tại giai đoạn truyền ứng lực trước (lúc buông neo)........................................ 67
4
Chun đề bê tơng cốt thép – học kì I năm
2021
3.6.2. Giai đoạn sử dụng........................................................................................... 68
3.7. TÍNH TỐN CỐT THÉP THƯỜNG GIA CƯỜNG........................................ 73
3.8. KIỂM TRA NỨT................................................................................................. 74
3.9. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỰC............................................................... 75
3.10. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN........................................... 78
3.11. KIỂM TRA ĐỘ VÕNG CHO SÀN.................................................................. 84
PHẦN 4: NHẬN XÉT VÀ CẢM NGHĨ VỀ MÔN HỌC CHUYÊN ĐỀ KẾT
CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP................................................................................90
5
LỜI MỞ ĐẦU
Với xu thế tồn cầu hóa đang phát triển mạnh mẽ cuốn theo các lĩnh vực kinh tế, xã hội, chính trị
diễn ra với tốc độ chóng mặt trong mơi trường cạnh tranh khốc liệt. Để thích ứng với xu hướng
này, mọi cá thể liên quan đến các lĩnh vực này đều phải tìm cách đổi mới, bắt kịp với các xu
hướng mới nhất, hiện đại hóa mọi mặt để tìm được chỗ đứng.
Ngành xây dựng cũng khơng ngoại lệ. Nhu cầu về nhà ở, văn phòng, trung tâm thương mại,…
ngày càng gia tăng cũng như các yêu cầu về kiến trúc, thẩm mỹ ngày càng cao, yêu cầu về một
không gian rộng lớn của khách hàng khiến các thiết kế thông thường với các bước cột 4-5m trở
nên lạc hậu. Chính vì vậy, các cơng ty xây dựng, các chủ thầu không thể cứ mãi áp dụng những
công nghệ xây dựng truyền thống đã tồn tại hàng thập kỉ ở nước ta được nữa. Sự cạnh tranh về
phương án thiết kế, thời gian thi công, giá thành của cơng trình,… và với sự hình thành và phát
triển hàng loạt của các công ty thiết kế, thi công, học hỏi công nghệ mới, thay đổi và phát triển là
điều bắt buộc nếu muốn tồn tại trong cuộc chiến này.
Các công nghệ xây dựng mới thể hiện những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền
thống về mọi mặt. Kết cấu chịu lực tốt hơn với tiết diện kết cấu chịu lực nhỏ hơn khiến cho khối
lượng vật liệu phải dùng cho cơng trình giảm, trọng lượng cơng trình truyền xuống kết cấu móng
cũng từ đó được giảm bớt. Công nghệ xây dựng mới cũng cho phép con người xây dựng các công
trình trong thời gian ngắn hơn. Tất cả những ưu điểm này giúp giảm bớt chi phí xây dựng một
cách đáng kể.
Chính vì những lý do trên, em chọn tìm hiểu về các giải pháp kết cấu vượt nhịp lớn bằng kết cấu
BTCT với chút kiến thức ít ỏi mà em đã được học cũng như tự tìm hiểu. Cụ thể, em chọn và
nghiên cứu về giải pháp kết cấu bê tông dự ứng lực (ứng suất trước) với công trình em sưu tầm
được là cơng trình Ree Tower.
Hiện nay, bê tông cốt thép ứng suất trước đã được ứng dụng trong hầu hết các cơng trình cầu
đường và ngày càng phát huy ưu thế khi giải pháp này đang dần được sử dụng nhiều hơn trong
các cơng trình nhà dân dụng, đặc biệt đối với nhà cao tầng, Ưu điểm nổi bật của của bê tông cốt
thép ứng suất trước là khả năng vượt nhịp lớn, giảm chi phí xây dựng do giảm chiều cao kết cấu
cơng trình và tận dụng được khả năng chịu lực của thép cường độ cao, có khả năng chống nứt và
chống ăn mịn tốt,… Bài tiểu luận phần lý thuyết này sẽ bao gồm 2 phần chính: đại cương về bê
tơng cốt thép ứng suất trước và thiết kế kết cấu bê tông ứng suất trước, được viết dựa trên các giáo
trình và tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam cũng như các nước phát triển trên thế giới như tiêu
chuẩn Hoa Kỳ ACI 318, Eurocode.
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC CƠNG
TRÌNH
1.1. ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG
Nằm tại quận 4, cơng trình ở vị trí thống và đẹp sẽ tạo điểm nhấn đồng thời tạo nên sự hài hoà,
hợp lý và hiện đại cho tổng thể qui hoạch khu dân cư.
Cơng trình nằm trên trục đường giao thơng chính nên rất thuận lợi cho việc cung cấp vật tư và
giao thơng ngồi cơng trình. Đồng thời, hệ thống cấp điện, cấp nước trong khu vực đã hoàn thiện
đáp ứng tốt các yêu cầu cho cơng tác xây dựng.
Khu đất xây dựng cơng trình bằng phẳng, hiện trạng khơng có cơng trình cũ, khơng có cơng trình
ngầm bên dưới đất nên rất thuận lợi cho cơng việc thi cơng và bố trí tổng bình đồ.
1.2. GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC
1.2.1. Mặt bằng và phân khu chức năng
Mặt bằng cơng trình hình chữ nhật, chiều dài 60 m, chiều rộng 30 m chiếm diện tích đất xây dựng
1800 m2.
Cơng trình gồm 10 tầng và 1 tầng hầm. Cốt ±0,00 m được chọn đặt tại mặt sàn tầng trệt. Mặt đất
tự nhiên tại cốt -0,80 m, mặt sàn tầng hầm tại cốt -4,30 m. chiều cao công trình 34,50 m tính từ
cốt mặt đất tự nhiên.
Tầng hầm: Thang máy bố trí ở giữa, chỗ đậu xe ơtơ xung quanh. Các hệ thống kỹ thuật như bể
chứa nước sinh hoạt, trạm bơm, trạm xử lý nước thải được bố trí hợp lý giảm tối thiểu chiều dài
ống dẫn. Ngồi ra, tầng ngầm cịn có bố trí thêm các bộ phận kỹ thuật về điện như trạm cao thế,
hạ thế, phịng quạt gió.
Tầng trệt và lững: Gồm các sảnh đón, các văn phịng ban quản lý.
Tầng 1 – 8: Bố trí các khu vực văn phịng cho th.
1.2.2. Mặt đứng
Các cơng trình thương mại cao tầng là một trong những cơng trình ảnh hưởng lớn đến cảnh quan
của đơ thị. Do đó khi thiết kế cơng trình tính thẩm mỹ là một trong những yêu cầu đáng chú ý.
Sử dụng, khai thác triệt để nét hiện đại với cửa kính lớn, tường ngồi được hồn thiện bởi các lớp
đá Granit đen ở các mặt bên, mặt đứng hình thành với sự xen kẽ các lam và đá Granit đen tạo nên
sự chắc chắn, ấn tượng và hiện đại cho tịa nhà.
1.2.3. Hệ thống giao thơng
Giao thơng ngang trong mỗi đơn nguyên là hệ thống hành lang.
Hệ thống giao thông đứng là thang bộ và thang máy, bao gồm 2 thang bộ, 4 thang máy. Thang
máy tập trung ở giữa nhà, văn phịng bố trí xung quanh nên khoảng đi lại là ngắn nhất, rất tiện lợi,
hợp lý và đảm bảo thơng thống.
MẶT BẰNG TẦNG ĐIỂN HÌNH CỦA CƠNG TRÌNH REE TOWER
PHẦN 2: PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU CHIU LỰC
CỦA CƠNG TRÌNH
• Hệ kết cấu của cơng trình Ree Tower là hệ kết cấu cơ bản bao gồm: Kết cấu bên trên là
khung chịu lực bao gồm hệ cột dầm sàn và kết cấu móng.
1. Kết cấu bên trên:
-
Là hệ khung chịu lực chính của cơng trình, bao gồm hệ cột – dầm - sàn bê tông cốt thép đổ
tại chỗ, bước cột 10m, tiết diện cột lớn nhất là 80x80 (cm), đặc biệt kết cấu sàn được sử
dụng là sàn ứng lực trước căng sau với bề dày sàn h = 24 (cm)
2. Kết cấu bên dưới:
-
Chịu tải trọng do phần khung truyền xuống. Với địa chất của quận 4 chủ yếu là những lớp
đất yếu ở bên trên, cộng với tải trọng của cơng trình là lớn nên kết cấu móng của cơng
trình Ree Tower là hệ cọc khoan nhồi đường kính D = 80 (cm)
PHẦN 3: GIỚI THIỆU VỀ LÝ THUYẾT TÍNH
TỐN VỀ KẾT CẤU ỨNG SUẤT TRƯỚC
CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT
TRƯỚC
1. Khái niệm và lịch sử phát triển:
Bê tơng có cường độ cao và dẻo dai khi chịu nén nhưng lại có cường độ thấp và giịn khi chịu kéo
nên, để cải thiện sự làm việc của nó, người ta thường sử dụng biện pháp nén trước những vùng bê
tông sẽ chịu kéo dưới các tác động bên ngồi. Việc nén trước bê tơng như vậy đã tạo ra một dạng
kết cấu bê tông mới – kết cấu bê tông dự ứng lực. Như vậy, kết cấu bê tông dự ứng lực là một
dạng kết cấu bê tơng, trong đó, bê tơng đã được nén trước để cải thiện khả năng chịu lực. Cụ thể
hơn, trước khi chịu tải trọng, miền bê tông chịu kéo của kết cấu bê tông ứng suất trước đã được
tạo ứng suất nén trước nhằm cân bằng phần lớn hoặc thậm chí toàn bộ ứng suất kéo do tải trọng
gây ra.
Việc tạo ứng suất nén trước trong bê tông thường được thực hiện bằng cách kéo cốt thép cường độ
cao đặt tại vùng chịu kéo do tải trọng gây ra. Do tính chất đàn hồi, cốt thép bị co lại và gây ra lực
nén lên bê tơng thơng qua lực bám dính giữa bê tông và cốt thép hoặc thông qua các neo cốt thép
tại hai đầu cầu kiện. Như vậy, trước khi chịu tải trọng, cốt thép đã chịu ứng suất kéo và bê tông đã
chịu ứng suất nén. Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu phần lớn hoặc toàn bộ ứng suất
kéo do tải trọng gây ra, nhờ đó mà kết cấu có thể chịu được tải trọng hoặc vượt nhịp lớn hơn nhiều
so với kết cấu bê tơng cốt thép thường có cùng kích thước tiết diện.
Việc tạo ứng suất nén trước trong bê tông thường được thực hiện bằng cách kéo cốt thép cường độ
cao đặt tại vùng chịu kéo do tải trọng gây ra. Do tính chất đàn hồi, cốt thép bị co lại và gây ra lực
nén lên bê tông thông qua lực bám dính giữa bê tơng và cốt thép hoặc thơng qua các neo cốt thép
tại hai đầu cầu kiện. Như vậy, trước khi chịu tải trọng, cốt thép đã chịu ứng suất kéo và bê tông đã
chịu ứng suất nén. Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu phần lớn hoặc toàn bộ ứng suất
kéo do tải trọng gây ra, nhờ đó mà kết cấu có thể chịu được tải trọng hoặc vượt nhịp lớn hơn nhiều
so với kết cấu bê tông cốt thép thường có cùng kích thước tiết diện.
2. Phân loại bê tông cốt thép ứng suất trước:
Bê tông cốt thép ứng suất trước có thể được phân loại theo thời điểm kéo căng cốt thép ứng suất
trước thành hai loại: bê tông cốt thép ứng suất trước căng trước và bê tông cốt thép ứng suất trước
căng sau.
- Bê tông cốt thép ứng suất trước căng trước được thi công theo trình tự căng cốt thép trước khi đổ
bê tơng. Sau khi bê tông đông cứng và đạt tới một cường độ nhất định, người ta buông cốt thép dã
căng. Do tính chất đàn hồi, cốt thép bị co lại và gây ra lực nén lên bê tông nhờ lực bám dính giữa
bê tơng và cốt thép
- Bê tơng ứng suất trước căng sau được thi cơng theo trình tự căng cốt thép sau khi đổ bê tông.
Khi bê tông đã đông cứng và đạt tới một cường độ nhất định, người ta tiến hành căng và neo chặt
cốt thép tại đầu cấu kiện. Cốt thép bị căng có xu hướng co lại và gây ra lực nén lên bê tông thông
qua các neo tại hai đầu cấu kiện và thông qua lực bám dính giữa bê tơng và cốt thép.
Bê tơng cốt thép ứng suất trước cũng có thể được phân loại theo vị trí của cốt thép ứng suất trước
thành hai loại: bê tông cốt thép ứng suất trước căng trong và bê tông cốt thép ứng suất trước căng
ngồi.
Bê tơng cốt thép ứng suất trước cũng có thể được phân loại theo vị trí của cốt thép ứng suất trước
thành hai loại: bê tông cốt thép ứng suất trước căng trong và bê tông cốt thép ứng suất trước căng
ngồi.
-Bê tơng cốt thép ứng suất trước căng ngồi là loại cấu kiện mà cốt thép ứng suất trước được đặt ở
ngoài cấu kiện, truyền lực nén lên cấu kiện chỉ nhờ các neo cốt thép tại hai đầu cấu kiện.
3. Ưu và nhược điểm của bê tông cốt thép ứng suất trước:
- Có hiệu quả kinh tế cao: việc sử dụng cốt thép cường độ cao đồng thời cho phép giảm chiều cao
kết cấu một cách có hiệu quả mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt đối với những kết cấu chịu tải
trọng và vượt nhịp lớn: + Sử dụng cốt thép cường độ cao một cách có hiệu quả: Nếu dùng cốt thép
thường, hàm lượng cốt thép lớn làm tăng chi phí vật liệu và chi phí thi cơng. Việc dùng cốt thép
cường độ cao cho phép giảm hàm lượng cốt thép, giảm chi phí vật liệu.
+ Giảm chiều cao kết cấu cơng trình: Do sử dụng bê tông và cốt thép cường độ cao, đồng thời do
bê tông đã được tạo ứng suất nén trước có thể cân bằng ứng suất kéo do tải trọng gây ra nên kích
thước tiết diện các cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước nhỏ hơn nhiều so với bê tơng cốt thép
thường có cùng điều kiện chịu lực, Việc giảm kích thước tiết diện cũng cho phép chiều cao kết
cấu cơng trình, giảm chi phí vật liệu và chi phí thi cơng cơng trình.
- Có khả năng chịu tải trọng và vượt nhịp lớn:
Như đã nói ở trên, việc sử dụng vật liệu cường độ cao và bê tông đã được tạo ứng suất nén trước
có thể cân bằng ứng suất do tải trọng gây ra nên kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có khả
năng chịu tải trọng và vượt được nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu bê tơng cốt thép thường có
cùng kích thước tiết diện, tăng khơng gian kiến trúc và mỹ quan cho cơng trình.
- Có khả năng chống nứt và chống ăn mịn cao:
Với việc bố trí cốt thép ứng suất trước một cách hợp lý, ta có thể tạo ra các cấu kiện bê tông cốt
thép ứng suất trước không xuất hiện hoặc chỉ xuất hiện ứng suất kéo rất nhỏ trong bê tông, đảm
bảo cho bê tông không bị nứt và nhờ đó đảm bảo khả năng chống thấm cũng như chống ăn mịn
cốt thép do tác động xâm thực của mơi trường. Chính nhờ ưu điểm này mà bê tơng cốt thép ứng
suất trước thường được sử dụng trong các công trình địi hỏi tính chống thấm cao như bể chứa
chất lỏng hoặc chất khí, ống dẫn có áp,…
4. Các kết cấu bê tơng ứng suất trước điển hình:
Do bê tơng ứng suất trước có thể được sử dụng để giảm thiểu hoặc triệt tiêu vết nứt do tải trọng
gây ra, nên nó có thể tạo ra các cấu kiện mảnh hơn. Ví dụ, các bản sàn một phương có thể có tỷ lệ
nhịp/chiều cao bằng 45/1, lớn hơn 60% so với tỷ lệ của bản sàn không dự ứng lực. Với một chiều
dài nhịp cho trước, lượng bê tông trong bản dự ứng lực sẽ bằng khoảng 2/3 lượng bê tông trong
bản không dự ứng lực. Sau đây là một số ví dụ về các kết cấu bê tơng dự ứng lực điển hình.
tỉ số nhịp/chiều cao của bản sàn 1 phương không ứng suất trước và ứng suất trước
Cũng ở các nước phát triển, hàng năm có đến hàng chục triệu m2 sàn được xây dựng bằng bê tông
dự ứng lực kéo sau. Dự ứng lực kéo sau cho phép sử dụng các bản mỏng hơn và do đó, làm giảm
chiều cao xây dựng, trọng lượng bản thân, chi phí che phủ, chi phí làm nóng cũng như điều hồ
nhiệt độ.
Tại châu Âu kết cấu bê tơng ứng lực phát triển nhanh chóng ở Pháp, Bỉ rồi đến Anh, Đức, Thụy
Sỹ. Trong gần 500 cầu được xây dựng ở Đức từ năm 1949 đến 1954, có 350 cây cầu bê tông ứng
suất trước. Ở Liên Xô trước đây và Cộng hịa Liên bang Nga hiện nay có các cấu kiện bê tông đúc
sẵn như tấm sàn từ 6m, dầm, dàn khẩu độ lớn từ 18m trở lên đều quy định chung dùng bê tông
ứng suất trước.
Ở Châu Á, nhất là các nước phát triển, các kết cấu bê tông ứng suất trước được ứng dụng phổ biến
một phần nhờ sản xuất được loại thép cường độ cao, các loại cáp ứng lực trước, các loại neo và
phụ kiện kèm theo phù hợp với tiêu chuẩn tiên tiến có giá thành hợp lý như Trung Quốc,
Singapore, Thái Lan…. Chẳng hạn như ở Indonesia có tới 80% khối lượng kết cấu nhà cao tầng
được sử dụng bê tơng ứng suất trước. Nhiều cơng trình 30-40 tầng xây dựng ở Thái Lan sử dụng
bê tông ứng suất trước.
Kết cấu bê tông ứng suất trước được nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam khá sớm, từ những năm 60
thể kỷ XX. Cầu Phủ Lỗ và các cấu kiện chịu lực nhà máy đóng tàu Bạch Đằng là những cơng
trình ứng dụng cơng nghệ bê tơng ứng suất trước đầu tiên do các nhà thiết kế và xây dựng Việt
Nam thực hiện từ những năm đó. Tuy nhiên do hồn cảnh chiến tranh nên khơng có điều kiện tiếp
tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Từ những năm 80 thế kỷ trước đến nay, công nghệ bê
tông ứng suất trước đã lại du nhập vào Việt Nam và phát triển nhanh chóng với trình độ tiên tiến
thế giới. Một số cơng trình có sử dụng hệ kết cấu bê tông ứng lực trước như: Trung tâm thương
mại chợ Mơ, trụ sở Vinaconex 9, các cầu bắc qua sông lớn như cầu Cổ Chiên ở Trà Vinh, cầu Bãi
Cháy, Sông Hậu, Sông Gianh, Sông Tiền. Trừ nhịp giữa dùng kết cấu giây văng, các nhịp còn lại
đều dùng bê tông ứng lực trước căng sau. Chung cư cao tầng cũng như nhiều tòa nhà cao ốc được
xây dựng tại thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Vinh, Vũng Tàu,...
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC
1. Trình tự thiết kế kết cấu bê tơng ứng suất trước:
Việc thiết kế kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước về mặt tổng quan cũng tương tự như đối
với kết cấu bê tông cốt thép thường và có thể xắp sếp theo trình tự sau:
- Lựa chọn phương án kết cấu, vật liệu và thiết bị sử dụng.
- Lực chọn sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện.
- Xác định các tải trọng tác dụng lên kết cấu và tổ hợp tải trọng.
- Xác định các thành phần nội lực phát sinh trong kết cấu gây ra bởi các tổ hợp tải trọng.
- Tính tốn và bố trí cốt thép ứng suất trước trong cấu kiện (theo phương pháp cân bằng ứng
suất thoặc phương pháp cân bằng tải trọng).
- Xác định tải trọng tương đương và nội lực phát sinh trong kết cấu do cốt thép ứng suất
trước gây ra.
- Kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn sử dụng dưới tác dụng của các nội lực danh định
do các tổ hợp tải trọng gây ra (không xét tới hệ số tải trọng) trong giai đoạn truyền lực và
giai đoạn khai thác:
• Kiểm tra ứng suất trong bê tông và cốt thép sung suất trước, đảm bảo các giá trị
ứng suất nằm trong giới hạn cho phép.
• Kiểm tra bề rộng khe nứt của các cấu kiện, đảm bảo cấu kiên không bị nứt hoặc bị
nứt với bề rộng không vượt quá giá trị tối đa cho phép.
• Kiểm tra biến dạng của kết cấu không được vượt quá giá trị tối đa cho phép.
-
Kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn cường độ nhằm đảm bảo cho kết cấu không bị
phá hoại dưới tác dụng của các nội lực tính tốn do các tổ hợp tải trọng gây ra (có xét đến
hệ số tải trọng).
Tính tốn và kiểm tra khả năng chống uốn của cấu kiện.
Tính tốn và kiểm tra khả năng chống cắt (cắt theo một phương) và khả năng chống chọc
thủng (cắt theo hai phương) của cấu kiện.
Kiểm tra khả năng chịu nén cục bộ của bê tông ngay trước đế neo tại thời điểm truyền lực.
Thể hiện chi tiết bản vẽ việc bố trí cốt thép ứng suất trước và cốt thép thường trong cấu
kiện.
2. Các yêu cầu khi thiết kế kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước:
2.1. Các yêu cầu về mặt cấu tạo:
2.1.1. Lớp bê tông bảo vệ:
Trong tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 có các quy định về lớp bê tông bảo vệ của kết cấu bê tông cốt
thép ứng suất trước như sau:
- Chiều dày lớp bê tông bảo vệ ở phần đầu các cấu kiện ứng suất trước trên khoảng chiều
dài vùng truyền ứng suất cần lấy không nhỏ hơn 3d và không nhỏ hơn 40 mm đối với cốt
thép thanh và không nhỏ hơn 20 mm đối với cáp.
-
-
Cho phép lấy chiều dày lớp bê tông bảo vệ của tiết diện ở gối tựa đối với cốt thép ứng suất
trước có hoặc khơng có neo tương tự như của tiết diện trong nhịp đối với các cấu kiện ứng
suất trước với nội lực gối tựa truyền tập trung khi có chi tiết thép ở gối tựa và cốt thép hạn
chế biến dạng ngang (lưới thép hàn nằm ngang hoặc cốt thép đai ôm cốt thép dọc)
Trong các cấu kiện có cốt thép dọc ứng suất trước căng trên bê tơng và nằm trong các ống
lồng thì khoảng cách từ bề mặt cấu kiện đến bề mặt ống lồng cần lấy không nhỏ hơn 40
mm và không nhỏ hơn chiều rộng (đường kính) ống lồng, cịn đến mặt bên – khơng nhỏ
hơn một nửa chiều cao (đường kính) ống lồng. Khi cốt thép ứng suất trước nằm trong các
rãnh hoặc nằm ngồi tiết diện cấu kiện thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ được tạo bởi
phương pháp phun sau đó hoặc phương pháp khác được lấy khơng nhỏ hơn 20 mm
2.1.2. Cốt thép:
Ngoài các yêu cầu về khoảng cách cốt dọc, cốt ngang của cốt thép thường (cốt thép khơng ứng
suất trước) thì TCVN 5574-2018 cịn có những quy định cho cốt thép ứng suất trước:
- Ở các phần đầu của các cấu kiện ứng suất trước cần phải bố trí bổ sung cốt thép ngang
hoặc cốt thép hạn chế biến dạng ngang (lưới thép hàn ôm tất cả các thành cốt thép dọc, cốt
thép đai và tương tự với bước 50 mm đến 100 mm) trên một đoạn dài không nhỏ hơn 0,6
lần chiều dài vùng truyền ứng suất trước p L , còn trong các cấu kiện làm từ bê tông nhẹ
cấp độ bền chịu nén B7,5 đến B12,5 – với bước 50 mm trên một đoạn dài không nhỏ hơn p
L và không nhỏ hơn 200 mm đối với các cấu kiện với cốt thép khơng có neo, cịn khi có
các chi tiết neo – trên một đoạn bằng hai lần chiều dài các chi tiết neo này. Việc bố trí neo
ở các đầu của cốt thép là bắt buộc đối với cốt thép ứng suất trước căng trên bê tông, cũng
như đối với cốt thép ứng suất trước căng trên bệ khi không đủ bám dính với bê tơng (dây
thép trơn, cáp nhiều sợi), khi đó, các chi tiết neo cần phải đảm bảo ngàm được chắc chắn
cốt thép trong bê tông trong tất cả giai đoạn làm việc của nó. Khi sử dụng dây thép cường
độ cao có gân, cáp xoắn một lớp, cốt thép thanh cán nóng có gân và cốt thép thanh gia
cơng nhiệt có gân, được căng trên bệ để làm cốt thép ứng suất trước chịu lực thì thơng
thường không cần phải đặt neo ở các đầu các thanh ứng suất trước.
3. Những tổn hao ứng suất trong cốt thép ứng suất trước:
Sau một thời gian, do nhiều nguyên nhân mà ứng suất kéo trong cốt thép ứng suất trước bị
giảm đi, làm giảm hiệu quả hoặc thậm chí làm mất tác dụng của việc tạo ứng suất nén trước
lên bê tông. Độ giảm của ứng suất kéo trong cốt thép ứng suất trước so với ứng suất căng thiết
kế tại vị trí kích được gọi là tổn hao ứng suất và cần phải được tính đến trong quá trình thiết kế
nhằm đảm bảo rằng ứng suất kéo cịn lại trong cốt thép ứng suất trước sau khi đã trừ đi các tổn
hao ứng suất vẫn có thể tạo được lực nén trước đủ lớn lên bê tông và đảm bảo khả năng chịu
lực cho cấu kiện.
Tính tốn mất mát dự ứng lực là một quá trình rất phức tạp, có liên quan đến rất nhiều yếu tố
như thành phần và cường độ của bê tông, sự rão, chùng của thép dự ứng lực, các thông số môi
trường như nhiệt độ, độ ẩm và điều kiện sử dụng kết cấu, v.v. Mặc dù là một công việc khó
khăn nhưng việc xác định một cách tương đối chính xác các mất mát dự ứng lực là rất quan
trọng. Nếu mất mát dự ứng lực được xác định nhỏ hơn thực tế, độ lớn của dự ứng lực còn lại
có thể khơng đủ để đảm bảo cho kết cấu có những tính năng mong muốn. Ngược lại, nếu mất
mát dự ứng lực được xác định quá lớn so với thực tế, người ta phải tìm cách tăng độ lớn của
dự ứng lực ban đầu đến mức không cần thiết.
Theo TCVN 5574-2018 mục 9.1 quy định khi tính tốn kết cấu ứng suất trước, phải kể đến sự
suy giảm ứng suất trong cốt thép do hao tổn ứng suất trước trước khi truyền lực căng cho bê
tông (các tổn hao thứ nhất) và sau khi truyền lực căng cho bê tông (các tổn hao thứ hai):
-
Các tổn hao thứ nhất bao gồm: do sự chùng ứng suất trước trong cốt thép, do chênh lệch
nhiệt độ khi gia công kết cấu bằng nhiệt, do biến dạng neo và biến dạng khuôn (hoặc bệ
căng)
Các tổn hao thứ hai bao gồm: do co ngót và từ biến của bê tơng. Các tổn hao được xác
định cụ thể với các cơng thức sau: (trích từ TCVN 5574-2018)
Sau đây là một số hình ảnh trích dẫn về kết cấu ứng suất trước được quy định trong TCVN 55742018:
Theo tiêu chuẩn ACI 318-14 của Hoa Kỳ, tổn hao ứng suất trong cốt thép ứng suất trước có
thể được phân theo giai đoạn thành hai loại, tổn hao ứng suất trước tức thời và tổn hao ứng
suất theo thời gian.
-
-
Tổn hao ứng suất tức thời là những tổn hao xảy ra ngay lập tức kể từ khi căng cốt thép ứng
suất trước cho tới thời điểm ngay sau khi truyền lực, bao gồm các loại tổn hao do tự chùng
của cốt thép ứng suất trước, tổn hao do ma sát giữa cốt thép ứng suất trước và thành ống
gen hoặc vỏ bọc, tổn hao do tụt nêm neo và tổn hao do co ngắn đàn hồi của bê tông.
Tổn hao ứng suất theo thời gian là những tổn hao xảy ra kể từ thời điểm ngay sau khi
truyền lực cho tới khi dừng hẳn, bao gồm các loại tổn hao do co ngót của bê tơng, tổn hao
do từ biến của bê tông và tổn hao do tự chùng của cốt thép ứng suất trước kể từ thời điểm
ngay sau khi truyền lực.
Nhìn chung, sự khác biệt về các tổn hao ứng suất của hai tiêu chuẩn Việt Nam và Hoa Kỳ là
tương đối ít. Sự khác biệt rõ rệt nhất là về các công thức xác định các tổn hao, khi các công
thức xác định tổn hao theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ có xét đến nhiều yếu tố như độ ẩm môi trường,
các hệ số chuyển đối, tỉ số,… làm cho các công thức trở nên phức tạp hơn.
3.1. Biện pháp giảm thiểu tổn hao ứng suất:
Tổn hao ứng suất quá lớn dẫn đến việc phải sử dụng nhiều cốt thép ứng suất trước hơn để có
thể tạo ứng suất nén trước lên bê tông cân bằng với ứng suất kéo do tải trọng gây ra. Để giảm
thiểu tổn hao ứng suất, có thể áp dụng và kết hợp các biện pháp sau đây:
-
-
-
Bố trí cốt thép ứng suất trước theo quỹ đạo có độ cong nhỏ nhất có thể. Biện pháp này tuy
cho phép giảm tổn hao ứng suất do ma sát giữa cốt thép ứng suất trước và ống gen (hoặc
vỏ bọc) nhưng do độ lệch tâm và độ chùng của cốt thép ứng suất trước nhỏ nên thường
làm tăng số lượng cốt thép ứng suất trước.
Kéo cốt thép ứng suất trước vượt quá ứng suất căng thiết kế tới giá trị lớn nhất có thể và
sau đó giảm ứng suất về giá trị thiết kế trước khi neo cốt thép. Biện pháp này cho phép
giảm tổn hao ứng suất do ma sát giữa cốt thép ứng suất trước và ống gen (hoặc vỏ bọc) so
với ứng suất căng thiết kế, tuy nhiên chỉ có thể áp dụng trong trường hợp ứng suất căng
thiết kế tại kích nhỏ hơn giá trị giới hạn
Giảm chiều dài cốt thép ứng suất trước. Biện pháp này cho phép giảm tổn hao ứng suất do
ma sát giữa cốt thép ứng suất trước và ống gen (hoặc vỏ bọc), tuy nhiên đòi hỏi phải sử
dụng thêm thiết bị neo.
Kéo cốt thép ứng suất trước ở cả hai đầu. Biện pháp này cho phép giảm tổn hao ứng suất
do ma sát giữa cốt thép ứng suất trước và ống gen (hoặc vỏ bọc), thường được áp dụng đối
-
-
với cốt thép ứng suất trước có chiều dài lớn, tuy nhiên đòi hỏi phải sử dụng thiết bị neo
chủ động ở cả hai đầu cốt thép ứng suất trước.
Kéo cốt thép ứng suất trước ở cả hai đầu. Biện pháp này cho phép giảm tổn hao ứng suất
do ma sát giữa cốt thép ứng suất trước và ống gen (hoặc vỏ bọc), thường được áp dụng đối
với cốt thép ứng suất trước có chiều dài lớn, tuy nhiên địi hỏi phải sử dụng thiết bị neo
chủ động ở cả hai đầu cốt thép ứng suất trước.
Kéo cốt thép ứng suất trước ở cả hai đầu. Biện pháp này cho phép giảm tổn hao ứng suất
do ma sát giữa cốt thép ứng suất trước và ống gen (hoặc vỏ bọc), thường được áp dụng đối
với cốt thép ứng suất trước có chiều dài lớn, tuy nhiên địi hỏi phải sử dụng thiết bị neo
chủ động ở cả hai đầu cốt thép ứng suất trước.
4. Ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước:
4.1. Ứng xử chịu uốn:
Ứng xử chịu uốn của các cấu kiện bê tông ứng suất trước kéo trước (có dính bám tức thời) rất
gần với ứng xử của các cấu kiện bê tông cốt thép thường. Ở các cấu kiện này, lực dính bám đủ
lớn để đảm bảo cho sự thay đổi biến dạng của bê tông và cốt thép là như nhau trong q trình
chịu lực. Việc tính tốn các cấu kiện này, do đó, vẫn được thực hiện dựa trên giả thiết mặt cắt
phẳng. Ở các cấu kiện dự ứng lực kéo sau, lực dính bám giữa bê tơng và cốt dự ứng lực được
thực hiện thông qua vữa được bơm vào các ống gen sau khi đã căng kéo xong. Cường độ của
vữa này, nói chung, là khơng cao như cường độ của bê tơng. Bên cạnh đó, với việc sử dụng
vật liệu cường độ cao, ứng suất trong bê tông và trong cốt dự ứng lực ở trạng thái giới hạn
cường độ thường là rất cao nên cường độ của vữa có thể là khơng đủ để đảm bảo cho sự dính
bám tuyệt đối giữa thép dự ứng lực và bê tông xung quanh.
Một xu hướng đang được phát triển mạnh hiện nay là sử dụng dự ứng lực ngoài cũng như dự
ứng lực khơng dính bám. Ở các cấu kiện dạng này, việc truyền lực giữa cốt dự ứng lực và bê
tông chỉ được thực hiện ở các neo.
Lực dính bám đóng vai trị rất quan trọng đến độ mở rộng và khoảng cách giữa các vết nứt
trong suốt quá trình chịu lực cũng như ở trạng thái giới hạn về cường độ của kết cấu bê tông
cốt thép. Để đánh giá ảnh hưởng của lực dính bám đến sự phát triển vết nứt trong kết cấu bê
tông dự ứng lực, rất nhiều thí nghiệm đã được thực hiện trên các cấu kiện bê tơng dự ứng lực
có và khơng có dính bám. Hình 4.1 minh hoạ cấu tạo của hai dầm bê tơng dự ứng lực, một
dầm có dính bám và một dầm khơng có dính bám, được sử dụng trong một thí nghiệm. Như có
thể thấy ở trên Hình 4.2, ở trạng thái giới hạn về cường độ, cấu kiện dự ứng lực có dính bám
có cấu trúc vết nứt với khoảng cách gần nhau và, do đó, có bề rộng vết nứt nhỏ hơn. Ngược
lại, ở cấu kiện dự ứng lực khơng có dính bám, các vết nứt mở rộng ngay sau khi hình thành
nếu cốt thép thường có dính bám khơng được bố trí với hàm lượng đầy đủ để chúng không bị
chảy ngay sau khi xuất hiện vết nứt. Vì lý do này, các cấu kiện dự ứng lực khơng có dính bám
cũng như các cấu kiện dự ứng lực ngồi địi hỏi nhiều cốt thép thường hơn để hạn chế độ mở
rộng vết nứt
Hình 4.1: Cấu tạo dầm được sử dụng trong phịng thí nghiệm
Hình 4.2: Cấu trúc vết nứt ở trạng thái phá hoại
4.2. Ứng xử chịu cắt:
Dự ứng lực theo phương dọc của dầm có tác dụng làm giảm ứng suất kéo chủ tác dụng theo
phương nghiêng thông qua việc giảm thành phần ứng suất dọc trục và làm tăng độ dốc của
