Thép Dự ứng lực

1. GIỚI THIỆU VỀ THÉP DƯL

Yêu cầu cốt thép DƯL tuân thủ theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASTM) hoặc tiêu chuẩn của các quốc gia khác. Các bó cáp được tạo thành từ các tao cáp 0.5 inches (12.7mm) hoặc 0.6 inches (15.2mm), mỗi tao gồm có 7 sợi cáp thép (đã được khử ứng suất dư) được bện vào nhau. Số lượng các tao cáp, đường kính tao, lực căng mỗi bó được ghi cụ thể trong mỗi đồ án thiết kế. Ví dụ:

Kí hiệu: 5-12 : Bó cáp có 12 tao 0.5” (12 tao, đường kính mỗi tao12.7mm).

Các bó cáp DƯL ngang trong bản mặt cầu thường nhỏ, chỉ sử dụng 3 hoặc 4 tao 12.7mm, tương ứng lực căng khoảng 400-500kN mỗi bó. Được sử dụng khi nhịp bản lớn như cầu dầm hộp.

Tiêu chuẩn 22TCN272-05 quy định đặc tính của DƯL như sau: các loại cáp DƯL không sơn phủ được khử ứng suất hoặc cáp DƯL 7 sợi độ tự chùng thấp (Low) hoặc các thanh thép không sơn phủ cường độ cao, trơn hay có gờ phải phù hợp với Tiêu chuẩn vật liệu quy định trong Tiêu chuẩn cầu. Ví dụ:

- AASHTO M203M (ASTM A416M): Tao thép 7 sợi DƯL không sơn phủ cho bê tông DƯL

- AASHTO M275M (ASTM A722): Thanh thép DƯL không sơn phủ cho bê tông DƯL

Tính chất của tao cáp thép và thép thanh DƯL

Xem thêm Catalogue của 2 hãng lớn là FREYSSINET và VSL

Bảng tóm tắt thuộc tính của Tao cáp và Bó cáp trong của hai hãng lớn là 

 Hãng FREYSSINET :

Hãng VSL:

2. GIỚI HẠN ỨNG SUẤT BÓ CÁP DƯL

Ví dụ: Đối với thép CĐC có độ chùng thấp (tao 7 sợi, D = 12.7mm)

 fpu = 1860 MPa = giới hạn bền của thép DƯL (S5.4.4.1);

 fpy = 0.9 fpu = giới hạn chảy của thép DƯL;

 Atao = 98.7 mm2 = diện tích 1 tao thép CĐC (xem catalogue của nhà sản xuất);

 Ep = 197000 MPa = mô đun đàn hồi của cáp thép CĐC;

 fpj = 0.9 fpy = 0.81 fpu = ứng suất trong thép DƯL khi kích (trước khi đệm neo);

 fpt = 0.75 fpu = ứng suất trong thép DƯL ngay sau khi truyền lực (S5.9.3);

 fpe = 0.8 fpy = ứng suất hữu hiệu trong thép DƯL còn lại sau toàn bộ mất mát (ở TTGHSD).

3.  GIỚI HẠN ỨNG SUẤT CỦA BÊ TÔNG DẦM

 f’c = cường độ nén sau 28 ngày;

 f’ci (= 0.9 f’c) = cường độ lúc căng cáp;

- Ứng suất tạm thời trước khi xảy ra các mất mát

 fpe = 0.6 f’ci                : ứng suất nén

 fctbl = 0.58 (f’ci)0.5       : ứng suất kéo

- Ứng suất ở TTGHSD sau khi xảy ra các mất mát

 fc = 0.45 f’c : ứng suất nén

 fc = 0.40 f’c : ứng suất nén do hoạt tải+ ½ (DƯL + các tải trọng thường xuyên)

 ft = 0.5 (f’c)0.5 : ứng suất kéo

- Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông

 fr = 0.63 (f’c)0.5

4.  TÍNH TOÁN LỰC CĂNG LÊN MỖI BÓ CÁP DƯL

Sử dụng thép cáp nào thì xem Catalogue của nhà sản xuất: Ví dụ: Đối với thép CĐC có độ chùng thấp (tao 7 sợi, D = 12.7mm): T5

 fpu = 1860 MPa = giới hạn bền của thép DƯL (S5.4.4.1);

 fpy =0.9 fpu = giới hạn chảy của thép DƯL;

 N*Atao = N*98.7 mm2 = diện tích 1 bó có N tao thép CĐC;

 Ep = 197000 MPa = mô đun đàn hồi của cáp thép CĐC;

 fpj = 0.9 fpy = ứng suất trong thép DƯL khi kích (trước khi đệm neo);

 fpt = 0.75 fpu = ứng suất trong thép DƯL ngay sau khi truyền lực (S5.9.3);

 fpe = 0.8 fpy = ứng suất hữu hiệu trong thép DƯL còn lại sau toàn bộ mất mát (ở TTGHSD).

5. LỰA CHỌN ĐƯỜNG KÍNH ỐNG GEN CHO BÓ CÁP DƯL

Khi sử dụng loại cáp DƯL của hãng nào sản xuất thì cần tra theo catalogue của hãng đó, hiện nay có 2 hãng phổ biến trên thế giới là VSL và FREYSSINET

Ví dụ: Đường kính ống gen của cáp VSL (xem cột F, ứng với loại tao cáp và số tao), ví dụ 5-12 cho F=72mm , 6-12 cho F=87mm

6. VÍ DỤ KHAI BÁO THUỘC TÍNH CABLE TRONG MIDAS CIVIL

Khi sử dụng MIDAS CIVIL để khai báo thuộc tính của Cable đi theo đường dẫn: Load/Prestress Load/Tendon property/Add

Ví dụ: Khai báo cáp DƯL sử dụng là loại bó 12 tao 12.7mm (5-12) trên MIDAS CIVIL:

 Tendon Name: TP 5-12 (tên thuộc tính cáp)

 Tendon Type: Internal (Post-Tension) (kiểu DƯL)

 Material: Tendon

 Total area: Strain diameter: 12.7mm, Number of strain: 12, OK

 Duct diameter: 0.08 (ống gen của bó 12x12.7)

 Relaxation coefficient: Magura; 45 (hệ số liên quan tới độ chùng cốt thép)

 Curvature friction factor: 0.15 (ma sát chỗ uốn)

 Wobble friction factor: 0.0066 (hệ số ma sát lắc giữa cáp và thành ống  gen)

 Anchorage slip: Begin: 0.002; End: 0.002; (độ tụt neo)

  Bond Type: Unbonded (loại liên kết hoặc kết dính: Bonded - dính bám và Unbonded - không dính bám)

7. CƠ SỞ LỰA CHỌN DIỆN TÍCH DƯL CHO DẦM CHỦ

Bản chất của “Điều kiện về Cường độ”: Sức kháng uốn tính toán phải lớn hơn moment uốn tính toán theo TTGH CĐ1

Sơ bộ có thể lựa chọn diện tích DƯL theo điều kiện về cường độ như sau:

Sức kháng uốn tính toán (tính gần đúng ØMn với giả thuyết d-a/2=0.9h):

ØMn = Ø(Aps × 0.95fpu + Asfy)×0.9H ≥ Mu

Trong đó:

 Ø = hệ số sức kháng ( với tiết diện BTCT DƯL, Ø=1)

 H = chiều cao tiết diện liên hợp

 fpu = giới hạn bền của thép DƯL

  Mu = momen uốn tính toán lớn nhất theo TTGH CĐ1

  Aps = diện tích cốt thép DƯL

  As = diện tích cốt thép thường

  fy = cường độ chảy dẻo của cốt thép thường

  d = khoảng cách từ trọng tâm thép chịu kéo đến thớ nén xa nhất

Đối với dầm BTCT DƯL ở giai đoạn khai thác có tiết diện dạng chữ T (với chiều dày bản là hf) thì có thể tính sơ bộ diện tích thép dự ứng lực Aps tối thiểu theo điều kiện cường độ bằng công thức đơn giản hóa như sau:

min Aps = Mu / (ft*Z)

Trong đó:

  Mu = momen uốn tính toán lớn nhất theo TTGH CĐ1

  ft = 0.72fpu  giới hạn bền của cốt thép ở giai đoạn khai thác sử

  fpu = giới hạn bền của thép DƯL

  Z = 0.9Hdc – Hb/2

  Hdc = chiều cao dầm chủ

  Hb = chiều cao (bề dày) của bản mặt cầu        

Từ đây tính toán ra được diện tích tối thiểu của cốt thép DƯL theo điều kiện Cường độ,

Bước tiếp theo là tính toán số lượng tao cáp DƯL tối thiểu: Nếu chọn tao 12.7mm (0.5) thì diện tích một tao Atao = 98.7mm2, nếu chọn tao 15.2mm (0.6) thì diện tích một tao Atao = 138.5mm2. Số lượng tao cáp cáp tối thiểu sơ bộ:

min ntao = min Aps / Atao

Chọn số tao cáp thực tế theo điều kiện sau:

  ntao ≥ min ntao

  ntao là bội số của … 7, 12, 19 … (sử dụng tao cáp của nhà sản xuất nào thì xem theo catalogue của nhà sản xuất đó)

Để tính toán số bó cáp DƯL  cần căn cứ vào số tao cáp trong một bó dự kiến : … 7, 12, 19 …

Số bó cáp DƯL :

Nbo = ntao / [số tao trong một bó]

8. BỐ TRÍ THÉP DỰ ỨNG LỰC TRONG DẦM

Khi bố trí cốt thép DƯL trên mặt cắt ngang dầm chủ nên theo một số nguyên tắc sau là các bó cáp không ảnh hưởng đến nhau và có một vùng diện tích bê tông chịu lực nén do các bó cáp DƯL truyền vào từ đó tránh các vết nứt dọc và phá hoại bê tông, do đó:

-  Nếu sử dụng các tao cáp 7 sơi xoắn và bố trí đơn từng tao thì khoảng cách giữa các tao cáp tối thiểu là 4.5 (cm) và tim tao cáp ngoài cùng cách mép bê tông tối thiểu là 4.5(cm)

-  Nếu sử dụng các tao cáp 7 sợi xoắn và bố trí thành từng bó gồm 3 tao, 7 tao, 12 tao hoặc 19 tao, 22 tao thì khoảng cách giữa các bó cáp tối thiểu là 10(cm) và tim bó cáp ngoài cùng cách mép bê tông tối thiểu là 8 (cm).

-  Tại đầu dầm đầu neo đầu tiên nên bố trí cách mép trên của dầm và neo dưới cùng cách mép dưới của dầm tối thiểu là 20(cm), các đầu neo tiếp theo bố trí cách nhau tối thiểu là 15(cm) và phải lớn hơn 1/2 bề rộng của cạnh bát neo theo chiều thẳng đứng.

Theo 22TCN272-05 điều 5.10.3.3.2 :

-  Khoảng trống giữa các ống bọc thép kéo sau không được nhỏ hơn 38 (mm) hoặc 1.33 lần kích thước lớn nhất của cấp phối thô.

-  Với các nhóm bó ống bọc thi công không phải là phân đoạn, khoảng trống ngang giữa các bó liền kề không được nhỏ hơn 100(mm).

9. NHẬP GIÁ TRỊ LỰC HOẶC ỨNG SUẤT CHO DƯL TRONG MIDAS

Trong MIDAS Civil có thể nhập dữ liệu ứng suất trước cho DƯL theo hai cách: Nhập bằng ứng suất hoặc Nhập bằng lực căng kéo.

Dù nhập bằng lực hay bằng ứng suất thì phải đảm bảo ứng suất trước nhập vào cho bó cáp không vượt quá giới hạn ứng suất kéo của thép DƯL.

Giới hạn ứng suất của thép DƯL khi căng kéo: fpe = 0.8 fpy = 0.72fpu  ; giả sử như thép DƯL có fpu = 1860MPa thì khi căng kéo không nên căng quá ứng suất fpe = 0.72fpu = 1339.2MPa. Khi đó lực căng tối đa có thể tính bằng: maxF = fpe * Abo

Ví dụ: Nhập dữ liệu cho cáp DƯL được kéo 2 đầu với lực kéo F=1658kN.

10. KIỂM TRA SỨC KHÁNG CỦA BÊ TÔNG DẦM

Đối với cấu kiện BTCT DƯL khi thiết kế cần phải đảm bảo bê tông không bị nứt và bị ép vỡ trong suốt cả quá trình thi công và khai thác sử dụng.

Các giới hạn về ứng suất của bê tông dầm (sức kháng của bê tông dầm) được tính như sau:

 f’c = cường độ nén sau 28 ngày;

-  Cường độ chịu nén:

 fc = 0.45 f’c : cường độ giới hạn chịu nén kiểm tra

-  Cường độ chịu kéo:

 fr = 0.63 (f’c)0.5 : cường độ giới hạn chịu kéo khi uốn

 ft = 0.5 (f’c)0.5 : cường độ giới hạn chịu kéo khi kéo thuần túy

Cách kiểm tra sức kháng của bê tông dầm trong MIDAS Civil: Các ứng suất được tổ hợp tại vị trí trên, dưới, trái và phải của mặt cắt dầm có thể được kiểm tra qua các giai đoạn thi công riêng rẽ. Người dùng kiểm tra các giá trị ứng suất MAX, MIN ở dạng biểu đồ bao theo từng giai đoạn với giá trị ứng suất cho phép.

Trình tự:

B1: Result/ Bridge Girder Diagrams/

B2: Chọn giai đoạn thi công muốn kiểm tra, Load/Construction Stage Analysis Data/ Select Construction Stage for Display

B3: Chọn các bước nhỏ trong giai đoạn thi công và trường hợp hoặc tổ hợp tải.

B4: Chọn một thành phần lực hoặc thành phần ứng suất sẽ được tổ hợp.

B5: Chọn nhóm kết cấu kiểm tra,

B6: Nhập giá trị ứng suất trong phép,