Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng lực trước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TỪ THỊ THÙY TRANG

LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN
BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TỪ THỊ THÙY TRANG

LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN
BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRƢƠNG HOÀI CHÍNH

Đà Nẵng - Năm 2018

i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố
trong bất kỳ công trình khoa học nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Từ Thị Thùy Trang


ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trƣơng Hoài Chính - Ngƣời đã
hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học và tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài “Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho
sàn bê tông ứng lực trước”.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến quý thầy, cô giáo, cùng tập thể cán bộ viên chức
trong Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học
Đà Nẵng đã giảng dạy, giúp đỡ cho tôi có những kiến thức, kỹ năng cần thiết để hoàn
thành luận văn này.
Và sau cùng, tôi cảm ơn gia đình, ngƣời thân đã động viên và tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Từ Thị Thùy Trang


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU .............................................. viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH ....................................................................... xi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 15
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................. 15
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 15
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................... 15
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................. 15
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ........................................ 15
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN ................................................................................ 16
CHƢƠNG 1 ................................................................................................................... 17
TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC ............................................ 17
1.1. GIỚI THIỆU KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC .................................... 17
1.1.1. Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trƣớc ........................................................ 17
1.1.2. Nguyên lý làm việc .............................................................................................. 17
1.1.3. Sự hình thành, phát triển của kết tông ứng lực trƣớc .......................................... 19
1.1.4. Tình hình sử dụng bê tông ứng lực ở Việt Nam .................................................. 22
1.2. PHÂN LOẠI KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC .................................... 24
1.2.1. Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trƣớc.................................................. 24
1.2.2. Theo vị trí bố trí cáp ứng lực trƣớc ..................................................................... 27
1.2.3. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện ở giai đoạn sử dụng ............ 27
1.3. ƢU, NHƢỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC .............. 27
1.3.1. Ƣu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thƣờng................................................. 27
1.3.2. Nhƣợc điểm ......................................................................................................... 28
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 29
CHƢƠNG 2 ................................................................................................................... 30

CƠ SỞ LÝ THUYẾTVỀ TÍNH TOÁN SÀN BÊ TÔNG ............................................. 30
ỨNG LỰC TRƢỚC ...................................................................................................... 30
2.1. VẬT LIỆU TRONG BÊ TÔNG ỨNG LỰC.......................................................... 30
2.1.1. Bê tông cƣờng độ cao .......................................................................................... 30


iv
2.1.2. Thép ứng lực trƣớc .............................................................................................. 32
2.2. CÁC QUAN NIỆM PHÂN TÍCH KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC ... 37
2.2.1.Quan niệm thứ nhất .............................................................................................. 37
2.2.2. Quan niệm thứ hai ............................................................................................... 37
2.2.3. Quan niệm thứ ba ................................................................................................ 37
2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG SÀN PHẲNG ............ 40
2.3.1. Phƣơng pháp phân phối trực tiếp ........................................................................ 40
2.3.2. Phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng ....................................................................... 43
2.3.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ............................................................... 45
2.4. QUY TRÌNH THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC ........... 46
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 48
CHƢƠNG 3 ................................................................................................................... 50
VÍ DỤ TÍNH TOÁN ..................................................................................................... 50
3.1. SƠ ĐỒ - CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN .................................................................. 50
3.1.1. Sơ đồ mặt bằng .................................................................................................... 50
3.1.2. Các thông số chính .............................................................................................. 50
3.2.CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA KHUNG TƢƠNG ĐƢƠNG (KHUNG TRỤC B) ....... 57
3.2.1.Xác định các cột tƣơng đƣơng .............................................................................. 58
3.2.2.Xác định bản dầm tƣơng đƣơng ........................................................................... 60
3.3. THIẾT KẾ CÁP ỨNG LỰC TRƢỚC.................................................................... 61
3.3.1. Xác định hình dạng cáp ứng lực .......................................................................... 61
3.3.2. Xác định lực ứng lực trƣớc và tổn hao ứng suất ................................................. 62
3.3.3. Xác định tải trọng cân bằng ................................................................................. 65

3.4. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU CẮT ................................................................... 66
3.4.1. Công thức tính toán ............................................................................................. 66
3.4.2.Tính toán kiểm tra tại sàn tầng 2 tƣơng ứng với kích thƣớc cột 1000x1000mm . 67
3.4.3. Tính toán kiểm tra tại sàn tầng 10 tƣơng ứng với kích thƣớc cột 700x700mm .. 70
3.5. KIỂM TRA ĐỘ VÕNG CỦA SÀN ....................................................................... 74
3.6. LẬP BẢNG SO SÁNH .......................................................................................... 77
3.6.1. So sánh kết quả tính toán ..................................................................................... 77
3.6.2. Nhận xét kết quả tính toán ................................................................................... 78


v
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 79
1. KẾT LUẬN ............................................................................................................... 79
2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................................... 79
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 80
PHỤ LỤC ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)


vi
TÓM TẮT LUẬN VĂN
LỰA CHỌN CẤP BỀN NÉN HỢP LÝ CHO SÀN
BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC
Học viên: Từ Thị Thùy Trang; Chuyên ngành: Kỹ thuật XD CT DD & CN
Mã số: 60.58.02.08; Khóa: K32; Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Trong những năm gần đây, việc sử dụng sàn bê tông ứng lực trƣớc trong
nhà nhiều tầng đem lại nhiều thuận lợi hơn so với sàn bê tông cốt thép thông thƣờng.
Hệ thống sàn bê tông ứng lực trƣớc rất phù hợp cho sàn nhà nhiều tầng với tải trọng
động và cần không gian lớn, cũng nhƣ các kết cấu cần vƣợt nhịp lớn. Đối với các công
trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phƣơng án kết cấu sàn phẳng bê tông

ứng lực trƣớc thƣờng ngƣời thiết kế hay dùng một cấp bền chịu nén cho kết cấu cột và
sàn, điều này dẫn đến sự bất hợp lý trong việc tận dụng hết khả năng làm việc của vật
liệu. Luận văn nghiên cứu lựa chọn sử dụng cấp độ bền khác nhau giữa cột và sàn
phẳng bê tông ứng lực trƣớc đảm bảo điều kiện cƣờng độ và khả năng biến dạng cần
đảm bảo độ bền tối thiểu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 318. Từ đó đƣa ra kiến nghị
sử dụng cấp độ bền chịu nén B hợp lý cho sàn khác cột trong thiết kế kết cấu sàn
phẳng bê tông ứng lực trƣớc cho nhà cao tầng trong một vài trƣờng hợp cụ thể. Toàn
bộ các kết quả nghiên cứu đƣợc và những kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo đƣợc
trình bày chi tiết trong phần kết luận và kiến nghị.
Từ khóa - sàn phẳng; bê tông ứng lực trƣớc; bê tông cốt thép; cấp bền chịu nén bê
tông.
--------------------------------------------------------------------THE SELECTION CONCRETE COMPRESSIVE STRENGTH LOGICALLY
OF PRESTRESSED SLAB
Abstract -In recent years, pre-stressed concrete floors are used in a lot number of
high-rises and proved their advantages over reinforce concrete. Pre-stressed concrete
floor systems are ideally suited for high buildings where the live loads and great
spaces are required and longer spans are desirable. For civil and industrial construction
For construction works of large size and number of floors, with pre-stressed concrete
plan floor plan, it is usually designed or used for a durable construction of column and
floor structure, which leads to unsuitable to make full use of the working ability of the
material. The dissertation study uses different durability levels between the prestressed
concrete columns and slabs to ensure the strength and deformability of the concrete.
It is necessary to ensure the minimum compressive strength required by ACI 318. It is
therefore recommended to use a concrete compressive strength B for other floors in
the design of pre-stressed concrete floor plan for high-rise buildings in a few specific
cases. The findings and recommendations for further studies are presented in the
conclusions and recommendations section.


vii

Key words - flat slab; prestressed concrete; reinforced concrete ; concrete
compressive strength.


viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
BTCT
bê tông cốt thép
PTHH
phần tử hữu hạn
ƢLT
ứng lực trƣớc
CÁC KÝ HIỆU:
A
diện tích tiết diện
I
mô men quán tính
M
mô men uốn
N
lực dọc trục
P
lực căng trƣớc hiệu quả
V
lực cắt
b
chiều rộng của tiết diện ngang
e
độ lệch tâm của cáp ƢLT

f, δ ứng suất
l,L
chiều dài hoặc nhịp
Ac
diện tích tiết diện ngang của bê tông
Aps diện tích tiết diện ngang của cốt thép ƢLT
As
diện tích tiết diện ngang của cốt thép thƣờng
Ec
mô đun đàn hồi của bê tông
Eps
mô đun đàn hồi của cốt thép ƢLT
Fbt
khả năng chống chọc thủng của bản sàn phẳng
Fct
tải trọng gây nên sự phá hoại theo kiểu chọc thủng
P0
lực căng ban đầu
Vp
thành phần thẳng đứng của lực nén trƣớc hiệu quả
Zb, Zt mô men quán tính tĩnh của tiết diện tại thớ trên và dƣới
b0
chu vi của tiết diện tính toán quy ƣớc
’
fc
cƣờng độ chịu nén đặc trƣng của mẫu trụ bê tông ở 28 ngày tuổi
’
fci
cƣờng độ chịu nén của bê tông tại thời điểm truyền lực
ft

cƣờng độ chịu kéo của bê tông
fpc
ứng suất nén trung bình của bê tông do lực nén trƣớc gây ra
fpe
ứng suất hiệu quả của thép ƢLT
fpu
giới hạn bền của thép ƢLT
fpy
giới hạn chảy của thép ƢLT
fpi
ứng suất căng ban đầu của thép ƢLT
fy
cƣờng độ của thép thƣờng
hs
chiều dày sàn
wb
tải trọng cân bằng


ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1

Quy định cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng
lực trƣớc

31

Bảng 2

Độ bền tối thiểu của thép thanh ứng lực trƣớc

33

Bảng 3

Độ bền tối thiểu của thép sợi ứng lực trƣớc

33

Bảng 4

Phân tích theo phƣơng pháp cân bằng tải trọng

38

Bảng 5

Hệ số phân phối mô men âm và mô men dƣơng

41

Bảng 6

Tỷ lệ % mô men âm phân chia cho dải trên cột cho
các ô bản ở giữa

42

Bảng 7

Độ dày tối thiểu của sàn bê tông ứng lực trƣớc

46

Bảng 9
Bảng 10
Bảng 11
Bảng 12
Bảng 13

Bảng quy đổi cƣờng độ nén của mẫu lăng trụ sang
mẫu lập phƣơng
Bảng cƣờng độ trung bình của mẫu lập phƣơng
Bảng các thông số tính toán của bê tông
Bảng sơ bộ tiết diện cột
Bảng tải trọng tác dụng lên sàn
Bảng tải trọng gió tác dụng lên sàn

Bảng 14

Bảng tải trọng gió tác dụng vào khung ngang

56

Bảng 15

Bảng kích thƣớc của cột dầm sàn của khung tƣơng
đƣơng sàn tầng 2 ứng với từng cấp bền nén

59

Bảng 8

51
51
52
53
54
55

Bảng 18

Bảng kích thƣớc của cột dầm sàn của khung tƣơng
đƣơng sàn tầng 10 ứng với từng cấp bền nén
Xác định ứng suất trong cáp sau khi trừ đi tổn hao tức
thời
Tỷ lệ hao ứng suất

Bảng 19

Xác định lực căng hiệu quả trên từng dải

64

Bảng 20

Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 2

70

Bảng 16
Bảng 17

60
64
64


x
Bảng 21
Bảng 22
Bảng 23

Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 10
Kết quả phân tích độ võng tƣơng ứng với từng cấp độ
bền chịu nén của bê tông
Bảng so sánh khả năng chịu lực

74
77
77

xi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH
Số hiệu
hình và đồ
thị
Hình 1.1
Hình 1.2

Tên hình và đồ thị

Trang
17
18

Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9

Cấu kiện bê tông ứng lực trƣớc
Bê tông cốt thép ứng lực trƣớc
Sơ đồ gây ứng lực trƣớc trong cấu kiện bê tông chịu
nén bằng cốt thép cƣờng độ cao
Ứng lực trƣớc của một số dụng cụ
Bê tông ứng suất lực trƣớc thế kỷ 19
Bức chân dung của Eugene Freyssinet
Tòa nhà Keangnam Hà Nội

Tòa nhà F.HOME Đà Nẵng
Sơ đồ phƣơng pháp căng trƣớc

Hình 1.10

Sơ đồ phƣơng pháp căng sau

25

Hình 1.3

18
20
21
22
23
24
25

Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5

Dầm sàn bê tông cốt thép thông thƣờng và sàn bê
tông ứng lực trƣớc
Hình dạng cáp ứng lực trƣớc
Cốt thép ứng lực trƣớc (cáp 7 sợi)
Ống gen

Hệ đầu neo
Van bơm vữa bằng nhựa

Hình 2.6

Bố trí con kê

36

Hình 2.7

Kích thủy lực kéo cáp cho đƣờng cáp dẹp, khả năng
tạo lực tối đa 256kN

36

Hình 2.8

Máy bơm thủy lực

37

Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12

Phân tích theo phƣơng pháp ứng suất cho phép
Sơ đồ dải trên cột và dải giữa nhịp
Sơ đồ khung tƣơng đƣơng

Sơ đồ cột tƣơng đƣơng

38
42
43
44

Hình 2.13

Sơ đồ cáp đối với sàn liên tục

47

Hình 2.14
Hình 3.1
Hình 3.2

Sơ đồ cáp đối với sàn dạng bản công xôn
Mặt bằng sàn
Sơ đồ khung không gian 3D

47
50
54

Hình 1.11

28
33
34

34
35
35


xii
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6

Mặt bằng dải sàn
Sơ đồ khung tƣơng đƣơng trục B
Cột tƣơng đƣơng
Bản dầm tƣơng đƣơng

57
58
59
61

Hình 3.7

Hình dạng cáp theo dải

61

Hình 3.8
Hình 3.9

Biểu đồ mô men của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng
2
Biểu độ lực cắt của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng
2

67
67

Hình 3.10

Tiết diện chịu cắt của cột biên 1000x1000mm

67

Hình 3.11

Tiết diện chịu cắt của cột giữa 1000x1000mm

69

Hình 3.12
Hình 3.13

Biểu đồ mô men của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng
10
Biểu độ lực cắt của khung tƣơng đƣơng tại sàn tầng
10

71
71

Hình 3.14

Tiết diện chịu cắt của cột biên 700x700mm

71

Hình 3.15

Tiết diện chịu cắt của cột giữa 700x700mm

73

Hình 3.16

Tổ hợp tải trọng tính độ võng sàn

75

Hình 3.17

Độ võng của sàn tƣơng ứng cấp bền nén B35

76

Hình 3.18

Bảng chuyển vị của sàn tƣơng ứng cấp bền nén B35

76

Hình 3.19

Biểu đồ quan hệ khả năng chống chọc thủng của sàn
tƣơng ứng với từng cấp bền ở vị trí cột giữa và cột
biên

78


15

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, việc sử dụng sàn bê tông ứng lực trƣớc trong nhà
nhiều tầng đem lại nhiều thuận lợi hơn so với sàn bê tông cốt thép thông thƣờng. Hệ
thống sàn bê tông ứng lực trƣớc rất phù hợp cho sàn nhà nhiều tầng với tải trọng động
và cần không gian lớn, cũng nhƣ các kết cấu cần vƣợt nhịp lớn.
Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phƣơng án kết
cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc thƣờng ngƣời thiết kế hay dùng một cấp bền cho
kết cấu cột và sàn, điều này dẫn đến sự bất hợp lý trong việc tận dụng hết khả năng
làm việc của vật liệu. Cần lựa chọn sử dụng cấp độ bền khác nhau giữa cột và sàn
phẳng bê tông ứng lực trƣớc đảm bảo điều kiện cƣờng độ và khả năng biến dạng đảm
bảo độ bền tối thiểu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 318.
Trong kết cấu nhà nhiều tầng hiện nay sử dụng sàn phẳng ứng lực trƣớc,
thƣờng cấp bền trong cột bê tông cốt thép lớn hơn cấp bền của sàn ứng lực trƣớc, và
sự bất hợp lý trong liên kết cột với sàn nhƣ chọc thủng, tăng cáp, tăng thép thƣờng,
…Vì vậy, cần chọn một cấp bền nén trong sàn hợp lý để thỏa mãn điều kiện liên kết
và kinh tế.
Việc nghiên cứu đề tài “Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng

lực trước” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tính toán, lựa chọn cấp bền nén hợp lý của bê tông sàn phẳng ứng lực trƣớc
trong nhà nhiều tầng và từ đó đƣa ra nhận xét và kiến nghị.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu:
Thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc trong nhà nhiều tầng.
- Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu sử dụng cấp bền chịu nén hợp lý trong việc thiết kế sàn phẳng bê
tông ứng lực trƣớc (xét tại vị trí liên kết với cột nhà nhiều tầng).
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc;
- Thí dụ bằng số để kiểm chứng kết quả
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Sàn phẳng bê tông ƢLT với nhiều ƣu điểm nên đã đƣợc sử dụng nhiều trong
công trình nhà cao tầng và công trình công cộng. Dựa vào kết quả nghiên cứu sẽ giúp
ngƣời thiết kế có cái nhìn tổng quan về cấp bền chịu nén của bê tông sàn phẳng bê
tông ƢLT so với cấp bền chịu nén của bê tông cột trong kết cấu nhà nhiều tầng. Từ đó
rút ra các kết luận và kiến nghị khi thiết kế kết cấu sàn phẳng bê tông ƢLT.


16
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Toàn bộ Luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng. Ngoài phần “Mở đầu” trình
bày tổng quan về đề tài nghiên cứu thì nội dung chính của Luận văn đƣợc trình bày từ
Chƣơng 1 đến Chƣơng 3 và phần Kết luận, kiến nghị.
Chƣơng 1, Tổng quan về sàn bê tông ứng lực trƣớc.
Chƣơng 2, Cơ sở lý thuyết về tính toán sàn bê tông ứng lực trƣớc.
Chƣơng 3, Ví dụ tính toán.

17

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC
1.1. GIỚI THIỆU KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC
1.1.1. Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trƣớc [3]
Cấu kiện bê tông cốt thép là sự kết hợp khả năng chịu kéo của cốt thép và chịu
nén của bê tông. Tuy nhiên, BTCT là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để
chúng cùng làm việc một cách bị động.Việc xuất hiện sớm các vết nứt trong kết cấu
BTCT do sự biến dạng không tƣơng thích giữa thép và bê tông là một trong những lý
do ứng dụng loại vật liệu mới là bê tông ứng lực trƣớc.
Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trƣớc, còn gọi là kết cấu bê tông cốt thép ứng
lực trƣớc, hay bê tông tiền áp, hoặc bê tông dự ứng lực (tên gọi Hán Việt) là kết cấu
bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp tích cực, có chủ ý giữa bê tông cƣờng độ cao và
cốt thép cƣờng độ cao. Trong cấu kiện bê tông ƢLT, ngƣời ta đặt vào một lực nén
trƣớc bằng việc kéo các sợi cáp bằng thép cƣờng độ cao đặt trong lòng các cấu kiện bê
tông một cách phù hợp. Lực nén này gây ra ứng suất nén trƣớc trong bê tông và sẽ
làm triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng tác dụng lên.
Do vậy, sử dụng bê tông ƢLT sẽ làm tăng khả năng làm việc của cấu kiện cũng
nhƣ tăng độ ổn định. Nhờ hạn chế đƣợc độ võng, giảm kích thƣớc tiết diện nên các kết
cấu vƣợt nhịp lớn hơn hay khẩu độ lớn hơn, làm tăng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật so
với bê tông cốt thép thƣờng.

Hình 1. 1. Cấu kiện bê tông ứng lực trước
1.1.2. Nguyên lý làm việc
Bê tông thƣờng có cƣờng độ chịu kéo rất nhỏ so với cƣờng độ chịu nén. Đó là
nhân tố dẫn đến việc xuất hiện một loại vật liệu hỗn hợp là “bê tông cốt thép”.
Việc xuất hiện sớm của các vết nứt trong bê tông cốt thép do biến dạng không

tƣơng thích giữa thép và bê tông là điểm khởi đầu cho việc xuất hiện một loại vật liệu
mới là “bê tông ứng lực trƣớc”. Việc tạo ra một ứng suất nén cố định cho một vật liệu


18
chịu nén tốt nhƣng chịu kéo kém nhƣ bê tông sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo
vì ứng suất kéo xảy ra sau khi ứng suất nén đã bị vô hiệu.

1. Kết cấu chịu lực phân bố đều ;
2. Biến dạng của kết cấu bê tông cốt thép thƣờng ;
3. Kéo căng cốt thép cƣờng độ cao;
4. Buông cốt thép ứng lực trƣớc ;
5. Biến dạng của bê tông cốt thép ứng lực trƣớc;
6. Tải trọng tác dụng vào bê tông cốt thép ứng lực trƣớc.
Hình 1.2. Bê tông cốt thép ứng lực trước

Hình 1.3. Sơ đồ gây ứng lực trước trong cấu kiện bê tông chịu nén bằng cốt
thép cường độ cao
Sự khác nhau cơ bản giữa bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trƣớc là ở chỗ:
- Trong khi bê tông cốt thép chỉ là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt
thép để chúng cùng làm việc một cách bị động thì bê tông ứng lực trƣớc là sự kết hợp
một cách tích cực, có chủ ý giữa bê tông cƣờng độ cao và cốt thép cƣờng độ cao.
- Trong cấu kiện bê tông ứng lực trƣớc, ngƣời ta đặt vào một lực nén trƣớc tạo
bởi việc kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hƣớng co lại và sẽ tạo nên lực
nén trƣớc, lực nén trƣớc này gây nên ứng suất nén trƣớc trong bê tông và sẽ triệt tiêu


19
hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra, do vậy làm tăng khả năng chịu
kéo của bê tông và làm hạn chế sự phát triển của vết nứt.

- Sự kết hợp rất hiệu quả đó đã tận dụng đƣợc các tính chất đặc thù của hai loại
vật liệu, đó là trong khi thép có tính đàn hồi và cƣờng độ chịu kéo cao thì bê tông là
vật liệu dòn và có cƣờng độ chịu kéo rất nhỏ so với cƣờng độ chịu nén của nó. Nhƣ
vậy ứng lực trƣớc chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm
thời nhằm tăng cƣờng sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau.
Chính vì vậy bê tông ứng lực trƣớc đã trở thành một sự kết hợp lý tƣởng giữa
hai loại vật liệu hiện đại có cƣờng độ cao.
- Cốt thép trong bê tông, là cốt thép cƣờng độ cao, đƣợc kéo căng ra bằng máy
kéo ứng lực trƣớc, đạt tới một giá trị ứng suất nhất định, đƣợc thiết kế trƣớc, nằm
trong giới hạn đàn hồi của nó, trƣớc khi các kết cấu bê tông cốt thép này chịu tải.
- Lực căng cốt thép này làm cho kết cấu bê tông biến dạng ngƣợc với biến dạng
do tải trọng gây ra sau này khi kết cấu làm việc. Nhờ đó, kết cấu bê tông cốt thép ứng
lực trƣớc có thể chịu tải trọng lớn gần gấp đôi so với kết cấu này, khi không căng cốt
thép ứng lực trƣớc. (Khi chịu tải trọng bình thƣờng, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ
đủ để triệt tiêu biến dạng do căng trƣớc, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trƣớc khi
căng, giống nhƣ không hề chịu tải gì.).
Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thƣờng, thì cốt thép cùng với vật liệu bê
tông chỉ thực sự làm việc (có ứng suất) khi có sự tác dụng của tải trọng. Còn ở kết cấu
ứng lực trƣớc, trƣớc khi đƣa vào chịu tải thì kết cấu đã có trong nó một phần ứng suất
ngƣợc rồi. Cốt lõi của việc kết cấu bê tông ứng lực trƣớc có khả năng chịu tải rất lớn
là nhờ việc tạo ra các biến dạng ngƣợc với khi làm việc bình thƣờng. Việc sử dụng vật
liệu cơ tính cao nhƣ: cốt thép cƣờng độ cao, bê tông có cấp bền chịu nén cao... chỉ là
điều kiện phụ trợ để tăng khả năng chịu tải của kết cấu bê tông ứng lực trƣớc.
1.1.3. Sự hình thành, phát triển của kết tông ứng lực trƣớc trên thế giới [3]
Nguyên lý tạo ƢLT đã đƣợc ứng dụng trong thực tế từ nhiều thế kỷ trƣớc, khi
con ngƣời chế tạo những thùng chứa chất lỏng nhƣ nƣớc, rƣợu…. hay khi làm trống,
các thanh gỗ phẳng hoặc cong đƣợc ghép lại thật khít nhờ những đai bằng dây thừng
hay bằng kim loại. Khi xiết chặt các đai ở thành thùng, xuất hiện các ứng lực nén
vòng ngƣợc chiều tác dụng với các ứng suất kéo gây ra do áp lực thủy tĩnh hay áp lực
hơi. Nhờ vậy trong thành thùng còn lại những ứng suất nén hoặc kéo vòng với giá trị

nhỏ so với khả năng chịu nén, kéo của vật liệu đồng thời tạo nên sự khít chặt giữa các
mảnh ghép thành thùng. Kết quả thùng có thể chịu đƣợc áp lực lớn của chất lỏng bên
trong mà không bị thấm hay rò rỉ.


20

Đai dây song giằng quanh thùng lều gỗ
Đai thép giằng quanh thùng rượu gỗ
Hình 1.4. Ứng lực trước của một số dụng cụ
- Bê tông cốt thép ứng lực trƣớc ở thời kỳ sơ khai đã đƣợc nghiên cứu từ thế kỷ
19, tuy nhiêu các kết quả thu đƣợc không hoàn toàn thành công. Điều đó đƣợc thể
hiện qua các hiện tƣợng:
+ Khả năng chịu lực của cấu kiện này giảm theo thời gian ;
+ Co ngótvà từ biến của bê tông làm giảm hiệu quả của ứng lực trƣớc.
- Giải pháp khắc phục các nhƣợc điểm trên là:
+ Dùng thép cƣờng độ cao để làm cốt thép ứng lực trƣớc ;
+ Dùng bê tông cƣờng độ cao.


21

Hình 1.5. Bê tông ứng suất lực trước thế kỷ 19
Năm 1886, P.H. Jackson, một kỹ sƣ ngƣời San Francisco, đã giành đƣợc bằng
sáng chế nhờ việc buộc chặt các sợi dây thép vào bê tông khi thi công sàn nhà bằng
phƣơng pháp cuốn vòm. Vào năm 1888, C.E.W. Doehring, ngƣời Đức, cũng đã nhận
đƣợc bằng sáng chế nhờ vào việc tạo nên lực kéo trƣớc vào kim loại đặt trong bê tông
trƣớc khi chất tải lên sàn. Tuy vậy phƣơng pháp này không đem lại hiệu quả mong
muốn vì chỉ một thời gian ngắn sau khi căng và bê tông đã đông cứng thì trong bê tông
hầu nhƣ không còn ứng suất nén nữa. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là sự tổn hao ứng suất

do co ngót và từ biến của bê tông.
Trong những năm 1928 - 1929, sự phát triển của bê tông ƢLT hiện đại thực sự
đƣợc khởi đầu khi E. Freyssinet, ngƣời Pháp sử dụng các sợi thép có cƣờng độ cao để
nâng cao lực gây ứng suất trƣớc trong bê tông lên tới trên 400 kG/cm2 mới có thể triệt
tiêu đƣợc toàn bộ các tổn hao ứng suất do các nguyên nhân xảy ra trong quá trình thi
công và sử dụng kết cấu. Tuy nhiên phƣơng pháp thực hành đầu tiên đƣợc tìm ra bởi
E. Hoyer, ngƣời Đức. Với phƣơng pháp này các sợi thép đƣợc căng giữa hai bệ neo đặt
cách nhau vài chục mét trƣớc khi đúc một vài cấu kiện trong các khuôn đặt giữa hai
khối neo, khi bê tông đạt đủ cƣờng độ, sợi thép đƣợc cắt khỏi neo và sẽ gây nên ƢLT
trong các cấu kiện đó.


22

Hình 1.6. Bức chân dung của Eugene Freyssinet
Thành công trong việc tạo ƢLT bằng việc sử dụng cốt thép cƣờng độ cao đã
nhanh chóng đƣa kết cấu bê tông ƢLT vào các công trình xây dựng. Đến năm 1939, E.
Freyssinet đã sáng chế ra công cụ căng thép bằng loại kích rỗng hai thì và bộ neo hình
côn có độ tin cậy cao trong việc giữ hai hoặc một đầu cốt thép đƣợc căng không bị tuột
đảm bảo cho sự truyền lực căng vào kết cấu trong quá trình thi công và sử dụng. Từ
năm 1945, trong bối cảnh sau chiến tranh thế giới lần thứ hai và sự khan hiếm của thép
xây dựng ở Châu Âu, với đặc điểm sử dụng ít thép hơn, bê tông ƢLT đã trở thành một
vật liệu xây dựng đóng vai trò quan trọng. Trong gần 500 cầu đƣợc xây dựng ở Đức từ
năm 1949 đến 1953 đã có 350 cầu dùng bê tông ƢLT. Tại Mỹ chú trọng ứng dụng bê
tông ƢLT vào xây dựng các bể chứa nhiên liệu có dung tích từ 10.000 m3 trở lên.
Trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng, sử dụng bê tông ƢLT cho phép tăng
kích thƣớc lƣới cột, giảm chiều cao tầng, giảm thời gian thi công, khối lƣợng thép
cũng giảm đáng kể. Các kết cấu bê tông ƢLT đƣợc ứng dụng phổ biến một phần nhờ
đã sản xuất đƣợc các loại thép cƣờng độ cao, các loại cáp ƢLT, các loại neo và phụ
kiện kèm theo phù hợp với các tiêu chuẩn tiên tiến, có giá thành hợp lý nhƣ Trung

Quốc, Singapore, Thái Lan….
1.1.4. Tình hình sử dụng bê tông ứng lực ở Việt Nam [3]
Kết cấu bê tông ứng lực trƣớc đƣợc nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam từ những
năm 60 thế kỷ XX. Cầu Phủ Lỗ và các kết cấu chịu lực nhà máy đóng tàu Bạch Đằng
là những công trình ứng dụng công nghệ bê tông ứng lực trƣớc đầu tiên do các đơn
vịthiết kế trong nƣớc thực hiện.
Từ những năm 80 thế kỷ trƣớc đến nay, công nghệ bê tông ứng lực trƣớc đã
phát triển ở Việt Nam khá nhanh chóng với trình độ tiên tiến thế giới. Trong xây dựng
cầu, trƣớc năm 1990 đã thực hiện việc chế tạo các dầm khẩu độ lớn phục vụ cho
cáccông trình cầu lớn mà điển hình là cầu Thăng Long. Trong giai đoạn gần đây (sau
1990) trong xây dựng cầu ngoài việc chế tạo các hệ dầm đúc sẵn nhịp lớn, công nghệ
bê tông ứng lực trƣớc căng sau đang đƣợc áp dụng cho các kết cấu cầu nhịp lớn theo
phƣơng pháp đúc đẩy và đúc hẫng. Hiện nay, phần lớn các cầu bê tông đang đƣợc xây
dựng ở nƣớc ta đều ứng dụng công nghệ ứng lực trƣớc.


23
Trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, hàng loạt các silô, tháp
chứa trong các nhà máy xi măng Hoàng Thạch, Hà Tiên… đều có đƣờng kính lớn từ
24 đến 30m và cao tới 63m, đều đƣợc thiết kế dùng bê tông ƢLT căng sau. Nhờ
vậy,chiều dày thành silô giảm đáng kể từ 30cm xuống 20-25cm so với các silô dùng bê
tông thƣờng (từ 40cm đến 50cm). Trƣớc đây, công tác thiết kế và gây ứng lực trƣớc
đều do các công ty nƣớc ngoài đảm nhận. Nhƣng từ khi, công trình Nhà Điều Hành
Đại học Quốc Gia Hà Nội đƣợc các đơn vị thiết kế, thi công và giám sát trong nƣớc
thực hiện vào năm 1995 đã đánh dấu một bƣớc phát triển mới trong lĩnh vực xây dựng
nhà cao tầng ở Việt Nam.
Từ những năm 1990 trở lại đây, trƣớc yêu cầu xây dựng nhà nhiều tầng, nhà
nhịp lớn tăng mạnh và do công nghệ kỹ thuật nƣớc ngoài ngày càng đƣợc phổ cập rộng
rãi, công nghệ ứng lực trƣớc đã bắt đầu đƣợc sử dụng nhiều trong kết cấu công trình ở
Việt Nam, chủ yếu là trong kết cấu sàn, và có xu hƣớng trở nên phổ biến hơn.

Tại Hà Nội, TP.HCM và các TP khác của nƣớc ta trong những năm qua đã có
những bƣớc đột phá trong việc xây dựng các khu chung cƣ cao tầng, nhà làm việc, văn
phòng cho thuê hay các khu tổ hợp đa chức năng ứng dụng công nghệ bê tông ƢLT
cho phép tăng kích thƣớc lƣới cột, giảm chiều cao tầng, giảm thời gian thi công, khối
lƣợng thép cũng giảm đáng kể.
Có thể nói hệ sàn bê tông ƢLT đã và đang là một nhu cầu không thể thiếu trong
xây dựng các nhà nhiều tầng tại các đô thị và thành phố trong cả nƣớc.

Hình 1.7.Tòa nhà Keangnam, Hà Nội


24

Hình 1.8. Tòa nhà F.HOME, Đà Nẵng
1.2. PHÂN LOẠI KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC
Phân loại bê tông ƢLT tùy thuộc vào đặc điểm thiết kế và phƣơng pháp thi
công.
1.2.1. Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trƣớc
a. Bê tông ứng lực trước căng trước
Cốt thép ứng lực trƣớc đƣợc kéo căng ra trƣớc trên bệ khuôn đúc bê tông trƣớc
khi chế tạo kết cấu bê tông (nhƣ căng dây đàn). Sau đó kết cấu bê tông đƣợc đúc bình
thƣờng với cốt thép ứng lực trƣớc nhƣ kết cấu bê tông cốt thép thông thƣờng. Đến khi
bê tông đạt đến một giá trị cƣờng độ nhất định để có thể giữ đƣợc ứng lực trƣớc, thì
tiến hành cắt cốt thép rời ra khỏi bệ căng. Do tính đàn hồi cao của cốt thép, nó có xu
hƣớng biến dạng co lại dọc theo trục của cốt thép. Nhờ lực bám dính giữa bê tông và
cốt thép ứng lực trƣớc, biến dạng này đƣợc chuyển hóa thành biến dạng vồng ngƣợc
của kết cấu bê tông so với phƣơng biến dạng khi kết cấu bê tông chịu tải trọng.
Phƣơng pháp này tạo kết cấu ứng lực trƣớc nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép,
và đƣợc gọi là phƣơng pháp căng trƣớc vì cốt thép đƣợc căng trƣớc cả khi kết cấu bê
tông đƣợc hình thành và đạt tới cƣờng độ thiết kế. Phƣơng pháp này, cần có một bệ

căng cố định nên thích hợp cho việc chế tạo các kết cấu bê tông ứng lực trƣớc đúc sẵn
trong các nhà máy bê tông đúc sẵn.


25
- Trƣớc khi buông cốt thép ứng lực trƣớc

- Sau khi buông cốt thép ứng lực trƣớc

1. Cốt thép ứng lực trƣớc;
2. Bệ căng;
3. Ván khuôn;
4. Thiết bị kéo thép;
5. Thiết bị cố định thép.
Hình 1.9. Sơ đồ phương pháp căng trước
- Ƣu điểm của phƣơng pháp căng trƣớc là có thể phân bố lực nén đều đặn trong
cấu kiện dựa trên lực bán dính trên suốt chiều dài cốt thép nên ít có rủi ro do tổn hao
ứng lực trƣớc.
- Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là phải lắp đặt bệ tỳ phức tạp.
b. Bê tông ứng lực trước căng sau
Phƣơng pháp này thƣờng sử dụng cho kết cấu bê tông đổ tại chỗ. Trƣớc hết đặt
thép ứng lực trƣớc và cốt thép thông thƣờng rồi đổ bê tông. Khi bê tông đạt đến cƣờng
độ nhất định thì tiến hành căng cốt thép với ứng suất quy định. Sau khi căng xong, cốt
thép ứng lực trƣớc đƣợc neo chặt vào đầu cấu kiện, thông qua các neo đó, cấu kiện sẽ
bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép. Trong phƣơng pháp căng sau, kết cấu
bê tông cốt thép ứng lực trƣớc đƣợc chia làm 2 loại:

Trong quá trình căng
Sau khi căng
1. Cốt thép ứng lực trƣớc;

2. Cấu kiện bê tông cốt thép;
3.Ống rãnh;
4. Thiết bị kích;
5. Neo.
Hình 1.10. Sơ đồ phương pháp căng sau