Thạc Sĩ Ảnh hưởng của tổn hao ứng suất đến độ tin cậy của sàn bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau có bám

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN . 4
I.1. MỘT SỐNGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘTIN CẬY
CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC . 4
I.1.1. Nghiên cứu ngoài nước . 4
I.1.2. Nghiên cứu trong nước . 8
I.2. CÔNG NGHỆTHIẾT KẾ, THI CÔNG KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC
TRƯỚC VÀ TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 11
I.2.1. Phân loại kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước, tình hình ứng dụng tại Việt Nam 11
I.2.2. Ưu, nhược điểm của kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước 13
I.2.3. So sánh kết cấu sàn bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau có bám dính và căng sau
không bám dính 14
I.2.4. Qui trình thiết kế, thi công kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước 14
I.2.5. Một sốhình ảnh mô tảgiai đoạn chính thi công sàn bê tông cốt thép ứng lực trước . 16
I.3. MỘT SỐVẤN ĐỀCÒN TỒN TẠI TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ KHAI THÁC SỬ
DỤNG SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC TẠI VIỆT NAM 17
I.3.1. Vềthiết kế . 17
I.3.2. Vềthi công và khai thác sửdụng 18
I.4. NHIỆM VỤ ĐẶT RA CHO LUẬN ÁN 19
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TIÊU CHUẨN TÍNH TOÁN VÀ TÍNH ỨNG SUẤT
TRONG BÊ TÔNG CHO TRƯỜNG HỢP THIẾT KẾTỔNG QUÁT 21
II.1. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TỔN HAO ỨNG SUẤT THEO MỘT SỐTIÊU CHUẨN ĐANG
ĐƯỢC ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM . 21
II.1.1. Theo tiêu chuẩn AS 3600-2009 [46], [45], [44], [43] . 22
II.1.2. Theo tiêu chuẩn BS EN 1992-1-1:2004 [49], [65] 25
II.1.3. Theo tiêu chuẩn ACI 318-08 [42], [71], [75], [84] . 27
II.1.4. Theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 [2], [4] 29
II.1.5. Nhận xét 31
II.2. VÍ DỤTÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH TỔN HAO ỨNG SUẤT THEO CÁC TIÊU CHUẨN 31
II.2.1. Lựa chọn sốli ệu đầu vào 31
II.2.2. Kết quảtính toán tổn hao ứng suất theo các tiêu chuẩn 32
II.2.3. So sánh kết quảtính toán tổn hao ứng suất theo các tiêu chuẩn 32
II.2.4. Kiến nghịlựa chọn tiêu chuẩn tính toán 35
II.3. TRÌNH TỰTHIẾT KẾ, KIỂM TRA KẾT CẤU SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC
TRƯỚC THEO AS 3600-2009 . 35
II.3.1. Lựa chọn cường độbê tông cf và chiều dày sàn Ds . 35
II.3.2. Phân tích nội lực trong sàn 36
II.3.3. Lớp bê tông bảo vệvà độvõng của cáp 38
II.3.4. Chọn dạng quỹ đạo cáp ởcác nhịp . 38
II.3.5. Lựa chọn cáp và ứng suất ban đầu . 38
II.3.6. Tính toán tổn hao ứng suất . 38
II.3.7. Lựa chọn sơbộsốlượng cáp trong từng dải cột và giữa nhịp 38
II.3.8. Các bước thiết kế, kiểm tra . 40
II.3.9. Nhận xét 41
II.4. VÍ DỤTÍNH TOÁN THIẾT KẾSÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG
SAU CÓ BÁM DÍNH VÀ KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN KIỂM SOÁT VẾT NỨT SÀN THEO TIÊU
CHUẨN AS 3600-2009 . 41
II.4.1. Nhiệm vụvà điều kiện giới hạn của bài toán thiết kế . 41
II.4.2. Chọn sốliệu đầu vào . 42
II.4.3. Tính toán nội lực trong sàn và tính toán tổn hao ứng suất . 42
II.4.4. Tính toán sốlượng cáp . 42
II.4.5. Kiểm tra điều kiện kiểm soát vết nứt sàn theo ứng suất cho phép . 42
II.4.6. Các thông số ảnh hưởng đến ứng suất trong bê tông . 44
II.4.7. Sựthay đổi ứng suất trong bê tông dưới ảnh hưởng của các thông sốbiến động 45
II.4.8. Nhận xét 45
II.5. TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TRONG BÊ TÔNG CHO BÀI TOÁN TỔNG QUÁT THIẾT KẾ
SÀN ỨNG LỰC TRƯỚC n NHỊP THEO TIÊU CHUẨN AS 3600-2009 46
II.5.1. Nhiệm vụvà điều kiện giới hạn của bài toán thiết kế . 46
II.5.2. Tính toán nội lực trong sàn 46
II.5.3. Tính toán mô men treo ởcác nhịp do tải trọng eqw w = gây ra . 47
II.5.4. Tính lực kéo còn lại của cáp sau khi trừ đi các tổn hao ứng suất tức thời . 47
II.5.5. Tính lực kéo còn lại của cáp sau khi trừ đi toàn bộtổn hao ứng suất 48
II.5.6. Chọn sơbộsốlượng cáp i 1iNưcho từng nhịp 49
II.5.7. Ứng suất trong bê tông ngay sau khi kéo căng . 50
II.5.8. Ứng suất trong bê tông ởgiai đoạn sửdụng dài lâu 51
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA CHƯƠNG 2 51
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HÀM CÔNG NĂNG THEO TIÊU CHÍ KIỂM SOÁT VẾT NỨT SÀN
BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC VÀ NHẬN DẠNG CÁC BIẾN NGẪU NHIÊN QUA
CÁC SỐLIỆU THỰC NGHIỆM 53
III.1. XÂY DỰNG HÀM CÔNG NĂNG THEO TIÊU CHÍ KIỂM SOÁT VẾT NỨT SÀN TRONG
THIẾT KẾSÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 3 NHỊP SỬDỤNG AS 3600-2009 53
III.1.1. Hàm công năng theo tiêu chí kiểm soát vết nứt sàn 53
III.1.2. Nhiệm vụvà điều kiện giới hạn của bài toán thiết kế . 54
III.1.3. Tính toán nội lực trong sàn 54

III.1.4. Tính toán mô men treo ởcác nhịp do tải trọng eqw w = gây ra . 55
III.1.5. Tính lực kéo còn lại của cáp sau khi trừ đi các tổn hao ứng suất tức thời . 55
III.1.6. Tính lực kéo còn lại của cáp sau khi trừtoàn bộtổn hao ứng suất 56
III.1.7. Chọn sơbộsốlượng cáp cho từng nhị p . 56
III.1.8. Ứng suất trong bê tông ngay sau khi kéo căng . 56
III.1.9. Ứng suất trong bê tông ởgiai đoạn sửdụng dài lâu 57
III.1.10. Thu thập sốliệu thống kê từthực tếvà thiết lập thông số đặc trưng cho thi công . 57
III.1.11. Nhận xét 59
III.2. MỘT SỐBIẾN NGẪU NHIÊN THƯỜNG GẶP VÀ GIEO BIẾN GIẢNGẪU NHIÊN . 59
III.2.1. Một sốbiến ngẫu nhiên liên tục thường gặp 59
III.2.2. Gieo biến giảngẫu nhiên . 60
III.3. NHẬN DẠNG BIẾN NGẪU NHIÊN 61
III.3.1. Phương pháp tổchức đồtần suất . 61
III.3.2. Phương pháp kernel ước lượng hàm mật độ 62
III.3.3. Xấp xỉhàm mật độxác suất thực nghiệm 65
III.3.4. Ví dụtính toán số 65
III.3.5. Nhận xét 67
III.4. ĐỘTIN CẬY VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘTIN CẬY . 67
III.4.1. Một sốkhái niệm cơbản . 67
III.4.2. Mô hình ngẫu nhiên . 68
III.4.3. Phương pháp chỉ số độtin cậy β 69
III.4.4. Phương pháp Hasofer-Lind . 70
III.4.5. Phương pháp Monte Carlo 72
III.4.6. Ví dụtính toán sốkiểm tra độtin cậy của phần mềm tính toán theo Monte Carlo 73
III.4.7. Nhận xét 75
III.5. NHẬN DẠNG CÁC BIẾN NGẪU NHIÊN QUA SỐLIỆU THỰC NGHIỆM THU THẬP TẠI
VIỆT NAM 75
III.5.1. Nguồn sốliệu thu thập cho mô phỏng các biến ngẫu nhiên . 75
III.5.2. Nhận dạng biến ngẫu nhiên tiết diện ngang của cáp pA . 78
III.5.3. Nhận dạng biến ngẫu nhiên mô đun đàn hồi của cáp pE 79
III.5.4. Nhận dạng biến ngẫu nhiên độtụt neo Lδ 80
III.5.5. Nhận dạng biến ngẫu nhiên đặc trưng thi công Lε 81
III.5.6. Nhận xét 83
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA CHƯƠNG 3 84
CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH ĐỘTIN CẬY VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG
CỦA TỔN HAO ỨNG SUẤT ĐẾN ĐỘTIN CẬY SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC
CĂNG SAU CÓ BÁM DÍNH 85
IV.1. SƠ ĐỒKHỐI TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TRONG SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC
TRƯỚC VÀ ỨNG DỤNG MONTE CARLO ĐỂXÁC ĐỊNH ĐỘTIN CẬY 85
IV.1.1. Sơ đồkhối tính ứng suất , hàm công năng 85
IV.1.2. Sơ đồkhối tính toán độtin cậy của sàn bê tông cốt thép ứng lực trước 87
IV.2. XÁC ĐỊNH ĐỘTIN CẬY CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC CĂNG
SAU CÓ BÁM DÍNH . 89
IV.2.1. Bài toán thiết kếvới các thông sốtiền định . 89
IV.2.2. Xác định xác suất an toàn của thiết kếtheo tiêu chí kiểm soát vết nứt sàn . 95
IV.2.3. Ảnh hưởng của việc thay đổi ứng suất thiết kế đến độtin cậy kết cấu sàn bê tông cốt
thép ứng lực trước căng sau có bám dính 99
IV.2.4. Ảnh hưởng của lực kéo cáp pjP đến độtin cậy kết cấu sàn bê tông cốt thép ứng lực
trước căng sau có bám dính . 104
IV.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độmôi trường đến độtin cậy kết cấu sàn bê tông cốt thép ứng
lực trước căng sau có bám dính . 109
IV.2.6. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường đến độtin cậy kết cấu sàn bê tông cốt thép ứng lực
trước căng sau có bám dính . 110
IV.2.7. Ảnh hưởng của chùng ứng suất cơbản đến độtin cậy kết cấu sàn bê tông cốt thép
ứng lực trước căng sau có bám dính . 111
IV.2.8. Ảnh hưởng của sai số độvõng cáp trong thi công đến độtin cậy sàn bê tông cốt thép
ứng lực trước căng sau có bám dính . 112
IV.2.9. Đánh giá về độtin cậy của kết quảtheo chương trình đã lập 113
IV.3. PHÂN TÍCH KINH TẾ- KỸTHUẬT . 113
IV.3.1. Độtin cậy và giá thành phụthuộc vào sựlựa chọn N và sD khác nhau 114
IV.3.2. Bảng tra độtin cậy và giá thành phụthuộc vào sựlựa chọn N và sD khác nhau 114
IV.3.3. Nhận xét 117
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA CHƯƠNG 4 117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 119
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 120
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO . 121


MỞ ĐẦU
Bê tông là một loại vật liệu phổbiến cho các kết cấu xây dựng hiện nay. Bê tông có khả
năng chịu nén tốt, nhưng khảnăng chịu kéo thì khá thấp.
Với kết cấu cấu bê tông cốt thép thường (BTCT) thì khảnăng chị u kéo của bê tông
không cho phép thiết kếcác kết cấu (dầm, sàn) vượt nhịp quá lớn hoặc các kết cấu chị u áp lực
ngang lớn như các silô, bể chứa. Vì với các kết cấu này, ứng suất chị u kéo trong bê tông
thường sẽlớn hơn giới hạn cho phép và kết cấu sẽxuất hiện các vết nứt.
Ứng lực trước (ƯLT) cho bê tông tại các khu vực chịu kéo là cách tạo ra một áp lực
nén trước thông qua các sợi cáp cường độcao bốtrí trong bê tông được kéo căng, do đó lực
kéo nguy hiểm trong bê tông do tải trọng gây ra sẽchỉtạo ra một sựgiảm lực nén trong bê tông
đã được ƯLT. Nhưvậy, không còn nguy cơnứt với điều kiện ứng suất nén do ƯLT tạo ra
không thấp hơn ứng suất kéo trong bê tông.
Lý thuyết thiết kếkết cấu BTCT ƯLT ra đời và được ứng dụng trong thực tếlà sản
phẩm kết hợp giữa việc ứng dụng vật liệu cường độ cao (cốt thép cường độ cao, bê tông
cường độcao) với lý thuyết thiết kếhiện đại và công nghệthi công tiên tiến đểtạo ra một kết
cấu có khảnăng vượt nhịp và chịu lực lớn hơn so với kết cấu BTCT thông thường. Mục đích
của việc ƯLT là tạo ra một ứng suất bên trong phù hợp nhằm cân bằng với một giá trị ứng suất
dựkiến do tải trọng ngoài gây ra.
Ngày nay, trên thếgiới, việc ứng dụng công nghệ ƯLT cho thiết kế, thi công các công
trình đã trởlên phổbiến và có phạm vi rộng trong cảngành xây dựng dân dụng cũng nhưxây
dựng công nghiệp hay cầu đường, như: nhà cao tầng, cầu, silô, bểchứa, v.v . Trong lĩnh vực
nhà cao tầng, ƯLT được áp dụng rộng rãi cho các kết cấu dầm sàn BTCT vượt khẩu độlớn,
với dầm có nhị p từ10m đến 30m và sàn nhị p từ7m đến 15m. Các ứng dụng vềcông nghệ
ƯLT cho nhà cao tầng thường đem lại hiệu quảkinh tế, mỹthuật cao cho dựán như: giảm thời
gian thi công công trình, giảm chiều cao tầng, vượt khẩu độlớn tạo không gian thông thoáng,
tiết kiệm chi phí đầu tư, v.v .
Tại Vi ệt Nam, trong những năm gần đây, nhà cao tầng đã trởnên phổbiến ởhầu khắp
các thành phốlớn. Rất nhiều nhà cao tầng được sửdụng làm văn phòng, chung cưhoặc không
gian đa chức năng đã được ứng dụng công nghệ ƯLT cho kết cấu sàn hoặc dầm.
Hiện tại dự thảo tiêu chuẩn "Kết cấu BTCT ƯLT trong xây dựng dân dụng và công
nghiệp. Tiêu chuẩn thiết kế" (mã số đềtài TC 04), dựthảo tiêu chuẩn "Kết cấu BTCT ƯLT trong
xây dựng dân dụng và công nghiệp. Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu" (mã số đềtài TC 03),
dựthảo Chỉdẫn kỹthuật "Kết cấu bê tông ƯLT. Chỉdẫn thiết kế" (mã hiệu đềtài TC 51-05) đã
được nghiệm thu hội đồng cấp BộXây dựng nhưng chưa được ban hành. Tiêu chuẩn "TCVN
5574:2012. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế" có đềcập đến thiết kếkết
Luận án Tiến sĩkỹthuật cấu ƯLT và đã ban hành kèm theo tài liệu hướng dẫn thiết kếkết cấu BTCT ƯLT, tuy nhiên
việc áp dụng chưa được phổbiến. Các kỹsưkhi thiết kếkết cấu BTCT ƯLT cho các công trình
xây dựng dân dụng tại Vi ệt Nam, ngoài việc sửdụng TCVN 5574:2012, vẫn thường tham khảo
và áp dụng các tiêu chuẩn của nước ngoài nhưACI 318 của Mỹ, BS EN 1992 của Anh hay AS
3600 của Úc.
Các tiêu chuẩn thiết kế đều chỉra trình tựthiết kếvà kiểm tra một cách rõ ràng đối với
kết cấu sàn BTCT ƯLT. Kỹsưam hiểu tiêu chuẩn sẽlàm chủviệc thiết kế. Tuy nhiên, am hiểu
tiêu chuẩn và áp dụng phù hợp với thực tếlà vấn đềkhông dễdàng.
Ởnước ta, nhiều công trình cao tầng được xây dựng có áp dụng công nghệ ƯLT. Có
một sốcông trình, sau một thời gian đưa vào sửdụng (5-6 năm) đã xuất hiện những vết nứt.
Vết nứt xuất hiện ởcác công trình này có thểdo nhiều nguyên nhân, trong đó có những nguyên
nhân không phải do ƯLT gây ra. Tuy nhiên việc hiểu tiêu chuẩn thiết kế ƯLT và áp dụng không
phù hợp với điều kiện thực tếcó thểlàm cho công trình xuất hiện hưhỏng trong quá trình khai
thác và sửdụng. Thực tếcho thấy một sốcông trình trong quá trình thi công, đã xuất hiện vết
nứt ngay sau khi tạo ƯLT. Nguyên nhân có thểdo hiện tượng co ngót bê tông xảy ra tại các
vùng bốtrí quá ít hoặc không bốtrí cốt thép cấu tạo. Tuy nhiên, việc không kiểm soát được ứng
suất thực tếtrong bê tông do ƯLT tác động có thểlàm ứng suất trong bê tông vượt quá ứng
suất cho phép cũng sẽgây ra vết nứt.
Xác định được nguyên nhân gây nứt trong sàn BTCT ƯLT sẽgóp phần hạn chếhư
hỏng ngay từkhâu thiết kế, trong quá trình thi công hay giúp đềra các nguyên tắc khai thác sử
dụng, bảo trì công trình đúng thiết kếban đầu. Đểthực hiện điều này, cần rà soát các khâu
trong quy trình thiết kếvà thi công sàn BTCT ƯLT, từ đó giúp đánh giá khâu nào có tác động
chủyếu đến nguyên nhân gây nứt sàn BTCT ƯLT. Quy trình thiết kếsàn BTCT ƯLT ởcác tiêu
chuẩn thiết kế đều bắt buộc phải tính tổn hao ứng suất của các tao cáp sau khi được kéo căng.
Trên cơsở ứng suất còn lại trong tao cáp sau khi đã trừ đi các tổn hao ứng suất (ứng suất hữu
hiệu), kết cấu sẽ được thiết kếvà kiểm tra theo quy trình.
Tính toán sai tổn hao ứng suất trong các tao cáp từkhâu thiết kếcũng nhưcác sai số
trong thi công lắp đặt quỹ đạo cáp, sai sốtrong việc tạo lực kéo cáp hay sửdụng vật liệu có
tính chất cơlý khác với sốliệu thiết kếtiền định, có tác động trực tiếp đến nguyên nhân gây ra
vết nứt sàn. Nghĩa là, các sai sót này thường do những sốli ệu được lấy tiền định trong thiết kế
có những sai khác với sốliệu thực tếtrong thi công, bao gồm: hệsốma sát giữa cáp và ống
lồng; hệsốbiến đổi đường cong của cáp; độtụt neo; cường độ, mô đun đàn hồi thực tếcủa vật
liệu; thông sốvề điều kiện khí hậu; nhiệt độmôi trường; chùng ứng suất cơbản của cáp; lực
kéo cáp, v.v . Hệquảcủa các sai sót này là đánh giá sai ứng suất còn lại trong các tao cáp.
Khi đó lượng cáp được thiết kếlựa chọn cho kết cấu sẽkhông phù hợp (thừa hoặc thiếu) dẫn
đến ứng suất nén và kéo trong bê tông do căng các tao cáp tạo ra không được nhưdựkiến để
cân bằng với tải trọng bên ngoài, kết cấu sẽxuất hiện vết nứt.
Đề tài luận án đạt được một số kết quả nghiên cứu chính như sau:
1. Xây dựng được hàm công năng theo tiêu chí kiểm soát vết nứt sàn cho thiết kế sàn bê
tông cốt thép ứng lực trước sử dụng tiêu chuẩn AS 3600-2009 với các thông số: tiết diện
ngang của cáp; mô đun đàn hồi của cáp; độ tụt neo của cáp trong quá trình kéo căng; thông số đặc trưng cho thi công (tỷ số giữa độ dãn dài thực tế và tính toán).
2. Thiết lập được thông số đặc trưng cho công tác thi công trên cơ sở độ dãn dài thiết kế và độ dãn dài thực tế.
3. Xây dựng được chương trình tính tổn hao ứng suất, chương trình tính ứng suất trong kết cấu sàn bê tông cốt thép ứng lực trước và chương trình tính độ tin cậy của kết cấu sàn bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau có bám dính (RPS) trên ngôn ngữ lập trình Python.
4. Khảo sát bằng số ảnh hưởng của các yếu tố tiết diện ngang của cáp; mô đun đàn hồi của cáp; độ tụt neo của cáp trong quá trình kéo căng; thông số đặc trưng cho thi công trên cơ sở các số liệu thu thập từ các phòng thí nghiệm và công trình thi công ở Việt Nam. Đồng thời cũng khảo sát sự ảnh hưởng các thông số khác đến tổn hao ứng suất của cáp như: nhiệt độ, độ ẩm môi trường; chùng ứng suất cơ bản của cáp; độ võng của cáp để đưa ra những đánh giá định lượng.
5. Sử dụng các chương trình đã lập đánh giá quan hệ giữa giá thành và độ tin cậy của công trình làm cơ sở để lựa chọn thiết kế hợp lý.
6. Từ kết quả tính toán độ tin cậy và đánh giá ảnh hưởng của các tổn hao ứng suất đã đưa ra được các kiến nghị và khuyến cáo về việc lựa chọn ứng suất trong thiết kế, lực kéo cáp và xét đến các ảnh hưởng của điều kiện môi trường phục vụ cho bài toán thiết kế, thi công và khai thác sử dụng công trình.