MỞ ĐẦU
Kết cấu bêtông dự ứng lực (DƯL) ngày càng trở nên phổ biến trong công tác thiết kế và thi công các công trình cầu và công trình dân dụng. Việc xác định mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL lại luôn là vấn đề quan tâm đối với các nhà nghiên cứu ở khắp mọi nơi trên thế giới. Bởi lẽ sự tổn hao ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu bêtông – cốt thép DƯL, điều kiện môi trường, quá trình dưỡng hộ, thời gian, phương pháp chế tạo thi công… Vì vậy, việc tìm ra giải pháp để hạn chế phần nào các mất mát ứng suất là vấn đề hết sức quan trọng đối với công tác thiết kế cũng như thi công. Để đạt được điều này thì cần phải có những có những nghiên cứu nhất định về mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL.
Việc thiết kế lực căng kéo lớn hay nhỏ có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của cốt thép DƯL. Lực căng kéo càng cao thì DƯL càng lớn và tính kháng nứt của cấu kiện càng lớn. Tuy nhiên, khi cốt thép DƯL ở trạng thái ứng lực quá cao thì cấu kiện cũng dễ tiếp bị nứt và phá hoại, và thường bị phá hoại trước khi xuất hiện các dấu hiệu cảnh báo rõ rệt. Như vậy, cốt thép DƯL trong trạng thái ứng lực quá lớn là một điều nguy hiểm.
Mặt khác lực căng cốt thép DƯL quá lớn sẽ tạo độ vồng ngược cho phía đối diện và rất dễ gây ra nứt cho vùng chịu nén. Ngược lại nếu DƯL trong giai đoạn kéo căng bị tổn thất quá lớn thì DƯL làm việc trong cấu kiện có giá trị càng thấp và do đó sẽ có nguy cơ không an toàn cao cho kết cấu.
Do vậy, khi thiết kế không chỉ đơn thuần xác định lực kéo căng lớn hay nhỏ mà cần phải xem xét đến giá trị tổn thất DƯL khi kéo để chọn một giá trị thích hợp.
Mặt khác lực căng cốt thép DƯL quá lớn sẽ tạo độ vồng ngược cho phía đối diện và rất dễ gây ra nứt cho vùng chịu nén. Ngược lại nếu DƯL trong giai đoạn kéo căng bị tổn thất quá lớn thì DƯL làm việc trong cấu kiện có giá trị càng thấp và do đó sẽ có nguy cơ không an toàn cao cho kết cấu.
Do vậy, khi thiết kế không chỉ đơn thuần xác định lực kéo căng lớn hay nhỏ mà cần phải xem xét đến giá trị tổn thất DƯL khi kéo để chọn một giá trị thích hợp.
I. CÁC MẤT MÁT ỨNG SUẤT TRONG KẾT CẤU BÊTÔNG DỰ ỨNG LỰC
Trong kết cấu bêtông DƯL, sau khi bêtông cốt thép được nén trước bằng các bó thép, có nhiều yếu tố phát sinh làm giảm hiệu quả của lực căng trước. Một vài mất mát xuất hiện hầu như tức thời trong khi nhiều loại khác phát triển theo thời gian và thậm chí phải mất nhiều năm mới kết thúc.
Các mất mát tức thời: xảy ra ngay sau khi kéo căng cáp và truyền DƯL vào bêtông.
Các mất mát tức thời: xảy ra ngay sau khi kéo căng cáp và truyền DƯL vào bêtông.
- Do trượt thép trong neo (DfpA);
- Do nén đàn hồi (hay co ngắn) của bêtông (DfpES);
- Ma sát giữa bó cáp và thành ống (DfpF);
Các mất mát ứng suất theo thời gian:
- Do co ngót của bêtông (DfpSH);
- Do từ biến của bêtông (DfpCR);
- Do chùng bó cốt thép (DfpR);
Tổng ứng suất mất mát (DfpT) là tích luỹ của các mất mát xuất hiện tại các giai đoạn tải trọng khác nhau suốt tuổi thọ của công trình. Tổng mất mát ứng suất phụ thuộc vào phương pháp căng cốt thép. Đó là phương pháp căng trước hoặc phương pháp căng sau.
II. CÁC GIAI ĐOẠN TÍNH TOÁN MẤT MÁT ỨNG SUẤT
Khi xác định các trị số các mất mát cần xét đến phương pháp chế tạo kết cấu bằng cách kéo căng cốt thép trước khi hay sau khi đổ bêtông. Cũng phải xét đến giai đoạn muốn kiểm toán ứng suất là giai đoạn chế tạo ở thời điểm truyền DƯL nén vào bêtông hay là giai đoạn sử dụng kết cấu.
Trong mỗi giai đoạn làm việc khác nhau của cấu kiện được DƯL, các mất mát dự ứng suất trong cốt thép phải được tính sao cho bất lợi nhất, phản ánh mọi tổ hợp các mất mát có thể xảy ra, có xét tới công nghệ chế tạo và lắp ráp kết cấu.
Nói chung, phân chia ra làm 2 nhóm:
Nói chung, phân chia ra làm 2 nhóm:
- Nhóm các mất mát tức thời: xảy ra ngay khi kéo căng cáp và truyền DƯL nén vào bêtông.
- Nhóm các mất mát xảy ra theo thời gian.
III. PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ MẤT MÁT ỨNG SUẤT
III.1. Sự cần thiết phải giảm các mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL
Trong các phần trình bày ở trên cho thấy nếu mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL quá lớn sẽ làm giảm tác dụng của thép DƯL hoặc phải bù vào bằng cách tăng lực căng đến mức đủ lớn sao cho cấu kiện có thể đảm bảo về mặt chịu lực. Điều này dễ dẫn đến việc chọn lựa thép DƯL có cường độ chảy cao hoặc bố trí nhiều bó cốt thép hơn. Đồng thời với việc này là phải thiết kế bêtông có cường độ cao hơn để kết cấu bê tông không bị nứt hoặc phá hoại trong quá trình căng kéo. Hơn nữa cả hai phương án này đều không hiệu quả về mặt kinh tế. Như vậy việc đề ra các biện pháp nhằm giảm mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL là giải pháp cần thiết đối với các nhà thiết kế.
Sau đây là các biện pháp hạn chế mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL.
III.2. Biện pháp làm giảm mất mát ứng suất do ma sát
III.2.1. Nguyên nhân gây ma sát
Trong các phần trình bày ở trên cho thấy nếu mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL quá lớn sẽ làm giảm tác dụng của thép DƯL hoặc phải bù vào bằng cách tăng lực căng đến mức đủ lớn sao cho cấu kiện có thể đảm bảo về mặt chịu lực. Điều này dễ dẫn đến việc chọn lựa thép DƯL có cường độ chảy cao hoặc bố trí nhiều bó cốt thép hơn. Đồng thời với việc này là phải thiết kế bêtông có cường độ cao hơn để kết cấu bê tông không bị nứt hoặc phá hoại trong quá trình căng kéo. Hơn nữa cả hai phương án này đều không hiệu quả về mặt kinh tế. Như vậy việc đề ra các biện pháp nhằm giảm mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL là giải pháp cần thiết đối với các nhà thiết kế.
Sau đây là các biện pháp hạn chế mất mát ứng suất trong kết cấu bêtông DƯL.
III.2. Biện pháp làm giảm mất mát ứng suất do ma sát
III.2.1. Nguyên nhân gây ma sát
- Do ma sát giữa bó cáp DƯL và thành ống gen (ống bọc cáp DƯL).
- Phương pháp luồn bó cáp DƯL: việc chọn thời điểm luồn bó cáp DƯL trước khi đổ bêtông hoặc sau khi độ bêtông cũng ảnh hưởng rất lớn đến sự ma sát giữa bó cáp DƯL với thành ống gen. Công tác luồng cáp DƯL trước khi đổ bêtông sẽ đơn giản hơn sau khi đổ bêtông nhưng nếu luồn cáp DƯL trước lúc đổ bêtông sẽ làm cho trọng lượng của cáp DƯL đè lên ống gen dẫn đến làm dịch chuyển ống gen và kết quả sẽ làm tăng ma sát cho bó cáp…
III.2.2. Biện pháp hạn chế các mất mát
Đối với các kết cấu BTCT DƯL quan trọng, người ta thường thực hiện các thí nghiệm tại hiện trường để kiểm tra sự mất mát do ma sát. Đó là hai phương pháp: phương pháp đồng hồ áp lực chính xác và phương pháp dụng cụ đo cảm ứng.
Để giảm mất mát do ma sát gây ra cần có các biện pháp sau:
Đối với các kết cấu BTCT DƯL quan trọng, người ta thường thực hiện các thí nghiệm tại hiện trường để kiểm tra sự mất mát do ma sát. Đó là hai phương pháp: phương pháp đồng hồ áp lực chính xác và phương pháp dụng cụ đo cảm ứng.
Để giảm mất mát do ma sát gây ra cần có các biện pháp sau:
- Chọn phương pháp luồng cáp DƯL hợp lý: phương pháp luồng cáp sau khi đổ bêtông. Thực tế hiện nay người ta dùng phương pháp luồng các bó cáp DƯL sau khi đổ bêtông (Nếu luồng trước cáp trước khi đổ bêtông sẽ phát sinh thêm một công đoạn thi công luồng các bó cáp và điều này sẽ ảnh hưởng đến tiến độ thi công. Hơn nữa việc luồng cáp sau khi đổ bêtông sẽ diễn ra lúc chờ bêtông đạt đến cường độ căng kéo cáp – thời gian chờ thường ít nhất là 4 ngày).
- Hoàn thiện và làm tốt lỗ chừa sẵn.
- Chọn loại thép và cải thiện mặt ngoài của cốt thép bằng cách dùng dầu mỡ bôi trơn.
- Căng với lực căng vượt so với yêu cầu thiết kế, căng đến 1,05fpi.
III.3. Biện pháp làm giảm mất mát ứng suất do biến dạng neo
Đối với trường hợp mất mát này tuỳ thuộc vào thiết bị neo mà có các giá trị mất mất mát ứng suất khác nhau. Tuy nhiên độ lớn của mất mát do thiết bị neo phải là trị số lớn hơn số yêu cầu để khống chế các ứng suất trong thép DƯL khi truyền hoặc số kiến nghị bởi nhà sản xuất neo.
Độ lớn của mất mát do thiết bị neo giả thiết để thiết kế và dùng để tính toán mất mát của thiết bị phải được chỉ ra trong hồ sơ hợp đồng và kiểm chứng trong khi thi công.
Trong quá trình căng kéo cáp và đo độ giãn dài của cáp DƯL cần chú ý kiểm tra trị số co trong của cáp DƯL tại đầu kéo để tránh trường hợp mất mát ứng suất do các thiết bị neo gây ra có thể vượt quá trị số cho phép của thiết kế. Nếu trị số co trong của cốt thép DƯL đo được lớn hơn trị số quy định của thiết kế thì cần phải thay đổi và cải thiện công nghệ thao tác như: thay đổi bản chặn giới hạn vị trí hoặc chọn cách kéo vượt lực.
III.4. Biện pháp làm giảm mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi
Đối với kết cấu có nhiều bó thép DƯL, tiến hành kéo nhiều đợt nhưng do tính co ngắn của bêtông mà khi căng kéo bó thép của đợt sau sẽ làm mất mát DƯL của bó thép đợt trước cho nên khi kéo bó cốt thép đợt đầu (đợt trước) cần gia tăng thêm một lực bằng giá trị tổn thất co nén đàn hồi đã tính toán.
Áp dụng phương thức căng kéo bó thép kéo dài, nghĩa là sau khi kết thúc tổn thất DƯL ban đầu, tiến hành căng kéo tạo DƯL lại… phương thức này còn gọi là “phương thức kéo bù. Việc áp dụng phương thức này sẽ khắc phục được tổn thất do co nén đàn hồi của bêtông và nhằm đảm bảo kết quả DƯL cho giai đoạn về sau.
III.5. Biện pháp làm giảm mất mát ứng suất do chùng cốt thép
III.5.1. Nguyên nhân gây chùng cốt thép
Đối với trường hợp mất mát này tuỳ thuộc vào thiết bị neo mà có các giá trị mất mất mát ứng suất khác nhau. Tuy nhiên độ lớn của mất mát do thiết bị neo phải là trị số lớn hơn số yêu cầu để khống chế các ứng suất trong thép DƯL khi truyền hoặc số kiến nghị bởi nhà sản xuất neo.
Độ lớn của mất mát do thiết bị neo giả thiết để thiết kế và dùng để tính toán mất mát của thiết bị phải được chỉ ra trong hồ sơ hợp đồng và kiểm chứng trong khi thi công.
Trong quá trình căng kéo cáp và đo độ giãn dài của cáp DƯL cần chú ý kiểm tra trị số co trong của cáp DƯL tại đầu kéo để tránh trường hợp mất mát ứng suất do các thiết bị neo gây ra có thể vượt quá trị số cho phép của thiết kế. Nếu trị số co trong của cốt thép DƯL đo được lớn hơn trị số quy định của thiết kế thì cần phải thay đổi và cải thiện công nghệ thao tác như: thay đổi bản chặn giới hạn vị trí hoặc chọn cách kéo vượt lực.
III.4. Biện pháp làm giảm mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi
Đối với kết cấu có nhiều bó thép DƯL, tiến hành kéo nhiều đợt nhưng do tính co ngắn của bêtông mà khi căng kéo bó thép của đợt sau sẽ làm mất mát DƯL của bó thép đợt trước cho nên khi kéo bó cốt thép đợt đầu (đợt trước) cần gia tăng thêm một lực bằng giá trị tổn thất co nén đàn hồi đã tính toán.
Áp dụng phương thức căng kéo bó thép kéo dài, nghĩa là sau khi kết thúc tổn thất DƯL ban đầu, tiến hành căng kéo tạo DƯL lại… phương thức này còn gọi là “phương thức kéo bù. Việc áp dụng phương thức này sẽ khắc phục được tổn thất do co nén đàn hồi của bêtông và nhằm đảm bảo kết quả DƯL cho giai đoạn về sau.
III.5. Biện pháp làm giảm mất mát ứng suất do chùng cốt thép
III.5.1. Nguyên nhân gây chùng cốt thép
- Thời gian áp dụng tải trọng: Theo kết quả thực nghiệm cho thấy, trong thời gian đầu sự chùng phát triển rất nhanh. Giờ thứ nhất, độ chùng chiếm tỷ lệ 15% đến 35% độ chùng của cả 1000 giờ. Về sau hiện tượng chùng diễn ra chậm lại. Mất mát do chùng sau một năm bằng 1,25 lần mất mát do chùng của 1000 giờ và mất mát chùng sau 50 năm bằng 1,725 lần mất mát chùng của 1000 giờ.
- Chủng loại cốt thép: tỷ suất chùng của thép sợi và cáp thép lớn hơn tỷ suất chùng của các thanh thép đã xử lý nhiệt và các thanh thép tinh chế có ren.
- Lực căng ban đầu: lực căng ban đầu càng lớn thì mất mát do chùng cũng lớn.
+ Khi fpi < 0,55fpy: mất mát do chùng không đáng kể và có thể bỏ qua;
+ Khi fpi ≥ 0,55fpy: xét đến sự chùng cốt thép;
+ Khi fpi > 0,7fpy: mất mát do chùng tăng rõ rệt và sự biến dạng trở nên phi tuyến.
+ Khi fpi ≥ 0,55fpy: xét đến sự chùng cốt thép;
+ Khi fpi > 0,7fpy: mất mát do chùng tăng rõ rệt và sự biến dạng trở nên phi tuyến.
- Nhiệt độ: nhiệt độ tăng cao sẽ gây mất mát chùng cao. Theo các thí nghiệm trong 1000 giờ đã tiến hành thì mất mát do chùng ở 40°C lớn gấp 1,5 lần mất mát ở 20°C.
III.5.2. Các biện pháp khắc phục
Phân tích các nguyên nhân trên cho thấy, đối với các yếu tố nhiệt độ môi trường và thời gian áp dụng tải trọng thì không thể nào tránh khỏi. Như vậy, các biện pháp đề xuất để giảm thiểu mất mát như sau:
Phân tích các nguyên nhân trên cho thấy, đối với các yếu tố nhiệt độ môi trường và thời gian áp dụng tải trọng thì không thể nào tránh khỏi. Như vậy, các biện pháp đề xuất để giảm thiểu mất mát như sau:
- Căng kéo cốt thép DƯL đến 1,05fpi (kéo vượt fpi) và giữ yên trong 2 phút lực căng sẽ dần dần giảm xuống đến fpi. So với kéo từ 0 đến fpi thì tổn thất chùng giảm thiểu 10%.
- Sử dụng loại cáp thép hoặc thép sợi có độ chùng thấp (ít chùng) thì mất mát do chùng nhão có thể giảm từ 70% đến 80%.
- Áp dụng phương thức kéo bù ở mục III.4 cũng khắc phục được mất mát do chùng cốt thép DƯL.
III.6. Biện pháp làm giảm mất mát do co ngót, từ biến
Các mất mát do co ngót và từ biến phát triển theo thời gian. Cả hai đều bị chi phối bởi vữa xi măng, tuỳ thuộc vào loại xi măng và tỷ lệ xi măng/ nước (X/N).
Việc khống chế tỷ lệ X/N có thể làm giảm được co ngót từ biến của bêtông, thông thường theo một số quy định thì tỷ lệ X/N <0,45.
Trong một số trường hợp nếu không yêu cầu gấp về tiến độ căng kéo cáp DƯL (yêu cầu cho bêtông đạt cường độ để căng kéo cáp) thì có thể sử dụng các loại xi măng đông cứng chậm và các phụ gia kéo dài thời gian ninh kết.
Cũng có thể áp dụng phương thức kéo bù ở mục III.4 để khắc phục được mất mát ứng suất do từ biến của bêtông.
Các mất mát do co ngót và từ biến phát triển theo thời gian. Cả hai đều bị chi phối bởi vữa xi măng, tuỳ thuộc vào loại xi măng và tỷ lệ xi măng/ nước (X/N).
Việc khống chế tỷ lệ X/N có thể làm giảm được co ngót từ biến của bêtông, thông thường theo một số quy định thì tỷ lệ X/N <0,45.
Trong một số trường hợp nếu không yêu cầu gấp về tiến độ căng kéo cáp DƯL (yêu cầu cho bêtông đạt cường độ để căng kéo cáp) thì có thể sử dụng các loại xi măng đông cứng chậm và các phụ gia kéo dài thời gian ninh kết.
Cũng có thể áp dụng phương thức kéo bù ở mục III.4 để khắc phục được mất mát ứng suất do từ biến của bêtông.
III.7. Các biện pháp chung nhằm hạn chế mất mát ứng suất
- Khi căng kéo đến giá trị cuối cùng và đóng neo thì không nên trả về giá trị 0 ngay mà phải trả về dần dần để tránh gây mất mát ứng suất.
- Cần bảo quản cáp DƯL trước khi thi công ở những nơi khô ráo, thoáng mát, không để hiện tượng rò rỉ ăn mòn gây hư hỏng cáp…
- Nên bơm vữa lấp lòng ống gen và bịt đầu dầm ngay nhằm bảo quản tốt cáp DƯL sau khi kéo căng và thiết bị neo cáp DƯL (đối với kết cấu căng sau).
IV. KẾT LUẬN
Việc tính toán mất mát ứng suất để xác định chính xác giá trị lực căng kéo thiết kế phù hợp với vật liệu bêtông và đảm bảo đủ khả năng chịu lực cho kết cấu.
Tính mất mát quá thấp hoặc quá cao cũng có hại vì có thể tạo độ vồng và chuyển vị dọc quá mức.
Việc tính toán và kiểm soát các mất mát ứng suất xảy ra trong kết cấu bêtông DƯL là vấn đề rất phức tạp. Tuy nhiên đối với mỗi đồ án thiết kế cũng nên đưa ra những nguyên tắc và hướng dẫn kỹ càng để các Đơn vị thi công và các Đơn vị tư vấn giám sát nắm rõ, có ý thức và tuân thủ thực hiện.
Trước khi thi công các cấu kiện bêtông DƯL cần đào tạo cho các cán bộ kỹ thuật và các công nhân để họ được trang bị những kiến thức cơ bản về kết cấu bêtông DƯL nhằm tránh được các sự cố không đáng xảy ra.
Tính mất mát quá thấp hoặc quá cao cũng có hại vì có thể tạo độ vồng và chuyển vị dọc quá mức.
Việc tính toán và kiểm soát các mất mát ứng suất xảy ra trong kết cấu bêtông DƯL là vấn đề rất phức tạp. Tuy nhiên đối với mỗi đồ án thiết kế cũng nên đưa ra những nguyên tắc và hướng dẫn kỹ càng để các Đơn vị thi công và các Đơn vị tư vấn giám sát nắm rõ, có ý thức và tuân thủ thực hiện.
Trước khi thi công các cấu kiện bêtông DƯL cần đào tạo cho các cán bộ kỹ thuật và các công nhân để họ được trang bị những kiến thức cơ bản về kết cấu bêtông DƯL nhằm tránh được các sự cố không đáng xảy ra.
