Mỗi kỹ sư xây dựng phải biết câu trả lời cho câu hỏi này vì nó được coi là câu hỏi quan trọng nhất đối với Kỹ sư xây dựng.
Bê tông dự ứng lực là một trong những phần quan trọng nhất của công trình và bạn nên có kiến thức đúng đắn về nó. Hãy để chúng tôi hiểu nó một cách chi tiết.
Kết cấu bê tông dự ứng lực khác với kết cấu bê tông cốt thép thông thường do áp dụng tải trọng ban đầu lên kết cấu trước khi sử dụng. Tải trọng ban đầu hoặc ứng suất được áp dụng để cho phép cấu trúc chống lại các ứng suất phát sinh trong thời gian phục vụ của nó. Dự ứng lực của các cấu trúc đã được giới thiệu vào cuối thế kỷ XIX. Khái niệm ứng suất trước tồn tại trước các ứng dụng trong bê tông.
Hai ví dụ về ứng suất trước khi phát triển bê tông dự ứng lực được cung cấp
Buộc các dải kim loại trên thùng gỗ Các dải kim loại tạo ra trạng thái nén vòng ban đầu, để chống lại sức căng của vòng đai do đổ chất lỏng vào thùng
Căng thẳng trước nan hoa trong bánh xe đạp. Độ căng trước của bánh xe trong bánh xe đạp được áp dụng ở mức độ sẽ luôn có một lực căng còn lại trong bánh xe
Đối với bê tông, ứng suất bên trong được gây ra (thường là bằng thép cường lực) vì những lý do sau. Độ bền kéo của bê tông chỉ bằng khoảng 8% đến 14% cường độ nén của nó. Các vết nứt có xu hướng phát triển ở giai đoạn đầu của tải trong các thành viên uốn như dầm và tấm. Để ngăn chặn các vết nứt như vậy, lực nén có thể được áp dụng phù hợp theo hướng vuông góc. Ứng suất trước tăng cường khả năng uốn, cắt và xoắn của các thành viên uốn. Trong đường ống và bể chứa chất lỏng, ứng suất kéo của vòng có thể được chống lại một cách hiệu quả bằng ứng suất dự phòng tròn.
Bản phác thảo sau đây giải thích ứng dụng của ứng cử viên.
Đặt và kéo căng thanh thép nhẹ, trước khi bê tông hóa
Hình- Ứng suất trước của dầm bê tông bằng thanh thép nhẹ
Thanh thép nhẹ được kéo dài và bê tông được đổ xung quanh chúng. Sau khi làm cứng bê tông, lực căng trong các thanh được giải phóng. Các thanh sẽ cố gắng lấy lại chiều dài ban đầu của chúng, nhưng điều này được ngăn chặn bởi bê tông xung quanh mà thép được liên kết. Do đó, bê tông hiện có hiệu quả trong trạng thái nén trước. Nó có khả năng chống lại căng thẳng kéo căng, chẳng hạn như phát sinh từ tải trọng thể hiện trong bản phác thảo sau đây.
Nhưng, những nỗ lực đầu tiên của ứng suất trước không hoàn toàn thành công. Nó đã được quan sát thấy rằng hiệu quả của ứng suất trước giảm theo thời gian. Khả năng chịu tải của các thành viên bị hạn chế. Dưới tải trọng duy trì, các thành viên đã được tìm thấy để thất bại. Điều này là do lý do sau đây. Bê tông co lại theo thời gian. Hơn nữa, dưới tải trọng duy trì, biến dạng trong bê tông tăng theo thời gian. Điều này được gọi là chủng creep. Việc giảm chiều dài do leo và co ngót cũng được áp dụng cho thép nhúng, dẫn đến tổn thất đáng kể trong biến dạng kéo.
Các hình thức thép dự ứng lực
Dây điện- Dây dự ứng lực là một đơn vị được làm bằng thép.
Các sợi - Hai, ba hoặc bảy dây được quấn để tạo thành một sợi dự ứng lực.
Gân- Một nhóm các sợi hoặc dây được quấn để tạo thành một gân dự ứng lực.
Cáp- Một nhóm các gân tạo thành một cáp dự ứng lực.
Thanh - Một gân có thể được tạo thành từ một thanh thép duy nhất. Đường kính của một thanh lớn hơn nhiều so với dây.
Bản chất của giao diện bê tông-thép
Gân liên kết - Khi có một liên kết thích hợp giữa gân dự ứng lực và bê tông, nó được gọi là gân ngoại quan. Gân dự ứng lực và vữa dự ứng lực là các gân ngoại quan.
Gân không có gân - Khi không có sự ràng buộc giữa gân dự ứng lực và bê tông, nó được gọi là gân không có gân. Khi vữa không được áp dụng sau khi căng sau, gân là một gân không bị bong ra. Các giai đoạn tải Việc phân tích các thành viên dự ứng lực có thể khác nhau cho các giai đoạn tải khác nhau.
Các giai đoạn tải như sau.
1) Ban đầu: Nó có thể được chia thành hai giai đoạn.
a) Trong quá trình căng thép
b) Khi chuyển ứng suất đến bê tông.
2) Trung gian: Điều này bao gồm tải trong quá trình vận chuyển của các thành viên dự ứng lực.
3) Cuối cùng: Nó có thể được chia thành hai giai đoạn.
a) Tại dịch vụ, trong quá trình hoạt động.
b) Cuối cùng, trong các sự kiện cực đoan
Ưu điểm của ứng suất trước
Việc ứng suất trước của bê tông có một số lợi thế so với bê tông cốt thép truyền thống (RC) mà không cần ứng suất trước. Một thành viên bê tông dự ứng lực hoàn toàn thường chịu nén trong suốt thời gian sử dụng. Điều này khắc phục một số thiếu sót của bê tông. Các văn bản sau đây đề cập rộng rãi những lợi thế của một thành viên bê tông dự ứng lực với một thành viên RC tương đương. Đối với mỗi hiệu ứng, các lợi ích được liệt kê.
Phần vẫn không bị theo dõi dưới tải dịch vụ.
Giảm ăn mòn thép Tăng độ bền.
Một phần đầy đủ được sử dụng
Mô men quán tính cao hơn (độ cứng cao hơn)
Biến dạng ít hơn (khả năng phục vụ được cải thiện).
Tăng công suất cắt.
Thích hợp để sử dụng trong bình chịu áp lực, cấu trúc giữ chất lỏng. Hiệu suất được cải thiện (khả năng phục hồi) dưới tải trọng động và mỏi.
Tỷ lệ nhịp cao đến độ sâu Có thể mở rộng lớn hơn với ứng suất trước (cầu, tòa nhà có không gian cột lớn) Các giá trị tiêu biểu của tỷ lệ nhịp độ sâu trong các tấm được đưa ra dưới đây.
Tấm không ứng suất 28: 1 Tấm dự ứng lực 45: 1 Với cùng nhịp, độ sâu ít hơn so với thành viên RC.
Giảm trọng lượng bản thân.
Hấp dẫn thẩm mỹ hơn do các phần thanh mảnh
Phần kinh tế hơn.
Thích hợp cho xây dựng bê tông đúc sẵn
Những lợi thế của xây dựng bê tông như sau.
Thi công nhanh
Kiểm soát chất lượng tốt hơn
Giảm bảo trì thích hợp cho việc xây dựng lặp đi lặp lại Sử dụng ván khuôn nhiều lần.
Giảm ván khuôn.
Có sẵn các hình dạng tiêu chuẩn.
Hậu áp lực
Các hệ thống ứng suất đã phát triển qua nhiều năm và các công ty khác nhau đã cấp bằng sáng chế cho sản phẩm của họ. Thông tin chi tiết của các hệ thống được đưa ra trong danh mục sản phẩm và tài liệu quảng cáo được xuất bản bởi các công ty. Có những hướng dẫn chung về ứng suất trước trong Phần 12 của IS 1343: 1980. Thông tin được đưa ra trong phần này mang tính chất giới thiệu, nhấn mạnh vào các khái niệm cơ bản của hệ thống. Các hệ thống và thiết bị dự ứng lực được mô tả cho hai loại ứng suất dự ứng lực, dự ứng lực trước và dự ứng lực, riêng biệt. Phần này bao gồm dự ứng lực. Hệ thống và thiết bị dự ứng lực trước, bao gồm dự ứng lực trước. Trong dự ứng lực, lực căng được áp dụng cho các gân sau khi làm cứng bê tông. Các giai đoạn của dự ứng lực được mô tả tiếp theo.
Các giai đoạn dự ứng lực
Trong các hệ thống dự ứng lực, các ống dẫn cho gân (hoặc sợi) được đặt cùng với cốt thép trước khi đúc bê tông. Các gân được đặt trong ống dẫn sau khi đúc bê tông. Các ống dẫn ngăn tiếp xúc giữa bê tông và gân trong hoạt động căng. Không giống như dự ứng lực trước, các gân được kéo với phản ứng tác dụng lên bê tông cứng. Nếu các ống dẫn được lấp đầy bằng vữa, thì nó được gọi là dự ứng lực ngoại quan. Vữa là một hỗn hợp xi măng gọn gàng hoặc vữa xi măng cát có chứa phụ gia phù hợp.
Trong ứng suất sau không căng, như tên cho thấy, các ống dẫn không bao giờ được vữa và gân được giữ trong căng thẳng chỉ bởi các neo cuối. Bản phác thảo sau đây cho thấy một đại diện sơ đồ của một thành viên dự ứng lực đã phun vữa. Hồ sơ của ống dẫn phụ thuộc vào các điều kiện hỗ trợ. Đối với một thành viên được hỗ trợ đơn giản, ống dẫn có một hồ sơ chảy xệ giữa các đầu. Đối với một thành viên liên tục, ống dẫn bị chậm lại trong nhịp và vượt qua sự hỗ trợ.
Các giai đoạn khác nhau của hoạt động dự ứng lực được tóm tắt như sau.
Đúc bê tông.
Vị trí của gân.
Vị trí của khối neo và kích. Áp lực căng cho gân.
Chỗ ngồi của nêm.
Cắt gân
Bê tông cốt thép (RC) là vật liệu tổng hợp trong đó cường độ kéo và độ dẻo tương đối thấp của bê tông được chống lại bằng cách bao gồm cốt thép có cường độ kéo hoặc độ dẻo cao hơn. Các cốt thép thường, mặc dù không nhất thiết là các thanh cốt thép (cốt thép) và thường được nhúng thụ động trong bê tông trước các bộ bê tông. Đề án gia cố thường được thiết kế để chống lại ứng suất kéo trong các khu vực cụ thể của bê tông có thể gây ra nứt vỡ không thể chấp nhận và / hoặc hỏng cấu trúc. Bê tông cốt thép hiện đại có thể chứa các vật liệu gia cường khác nhau làm bằng thép, polyme hoặc vật liệu composite thay thế kết hợp với thép cây hoặc không. Bê tông cốt thép cũng có thể được ứng suất vĩnh viễn (trong căng thẳng), để cải thiện hành vi của kết cấu cuối cùng dưới tải trọng làm việc. Ở Hoa Kỳ, các phương pháp phổ biến nhất để làm điều này được gọi là dự ứng lực trước và dự ứng lực.
Để thi công chắc chắn, dễ uốn và bền, cốt thép cần phải có ít nhất các tính chất sau:
Sức mạnh tương đối cao.
Độ chịu đựng cao của căng thẳng.
Liên kết tốt với bê tông, không phân biệt độ pH, độ ẩm và các yếu tố tương tự.
Khả năng tương thích nhiệt, không gây ra căng thẳng không thể chấp nhận để đáp ứng với thay đổi nhiệt độ.
Độ bền trong môi trường bê tông, không phân biệt ăn mòn hoặc căng thẳng kéo dài.
Sử dụng trong xây dựng
Mái nhà của cốt thép Sagrada Família trong xây dựng (2009)
· Nhiều loại cấu trúc và thành phần khác nhau của các cấu trúc có thể được xây dựng bằng cách sử dụng bê tông cốt thép bao gồm tấm, tường, dầm, cột, móng, khung và nhiều hơn nữa.
Bê tông cốt thép có thể được phân loại là bê tông đúc sẵn hoặc đúc tại chỗ.
Thiết kế và thực hiện hệ thống sàn hiệu quả nhất là chìa khóa để tạo ra các cấu trúc tòa nhà tối ưu. Những thay đổi nhỏ trong thiết kế hệ thống sàn có thể có tác động đáng kể đến chi phí vật liệu, tiến độ xây dựng, sức mạnh cuối cùng, chi phí vận hành, mức độ chiếm dụng và sử dụng cuối của một tòa nhà.
Không có cốt thép, việc xây dựng các cấu trúc hiện đại bằng vật liệu bê tông sẽ không thể thực hiện được.
Đặc điểm chính
Ba đặc tính vật lý cho bê tông cốt thép tính chất đặc biệt của nó:
Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông tương tự như thép, loại bỏ các ứng suất bên trong lớn do sự khác biệt trong giãn nở nhiệt hoặc co lại.
Khi xi măng dán trong bê tông cứng lại, điều này phù hợp với các chi tiết bề mặt của thép, cho phép bất kỳ ứng suất nào được truyền hiệu quả giữa các vật liệu khác nhau. Thông thường các thanh thép được gia công thô hoặc tôn để cải thiện hơn nữa liên kết hoặc sự gắn kết giữa bê tông và thép.
Môi trường hóa học kiềm được cung cấp bởi dự trữ kiềm (KOH, NaOH) và portlandite (canxi hydroxit) có trong bột xi măng cứng làm cho một lớp màng thụ động hình thành trên bề mặt thép, làm cho nó có khả năng chống ăn mòn cao hơn nhiều so với trong điều kiện trung tính hoặc axit. Khi bột xi măng tiếp xúc với không khí và nước thiên thạch phản ứng với CO2 trong khí quyển, portlandite và canxi silicat hydrat (CSH) của bột xi măng cứng sẽ dần dần bị cacbon hóa và độ pH cao giảm dần từ 13,5 - 12,5 đến 8,5, độ pH nước ở trạng thái cân bằng với canxit (canxi cacbonat) và thép không còn bị động.
Theo nguyên tắc thông thường, chỉ đưa ra ý tưởng về độ lớn, thép được bảo vệ ở pH trên ~ 11 nhưng bắt đầu ăn mòn dưới ~ 10 tùy thuộc vào đặc tính thép và điều kiện hóa lý địa phương khi bê tông bị cacbon hóa. cacbonat hóa bê tông cùng với xâm nhập clorua là một trong những lý do chính cho sự thất bại của thanh cốt thép trong bê tông.
Diện tích mặt cắt tương đối của thép cần thiết cho bê tông cốt thép điển hình thường khá nhỏ và thay đổi từ 1% đối với hầu hết các dầm và tấm đến 6% đối với một số cột. Thanh cốt thép thường tròn trong mặt cắt ngang và đường kính khác nhau. Kết cấu bê tông cốt thép đôi khi có các điều khoản như lõi rỗng thông gió để kiểm soát độ ẩm và độ ẩm của chúng.
Phân bố bê tông (mặc dù cốt thép) đặc tính cường độ dọc theo mặt cắt ngang của các yếu tố bê tông cốt thép dọc là không đồng nhất
Gia cố và thuật ngữ của dầm
Hai dầm giao nhau không thể thiếu với tấm gara đỗ xe sẽ chứa cả cốt thép và hệ thống dây điện, hộp nối và các bộ phận điện khác cần thiết để lắp đặt hệ thống chiếu sáng trên cao cho tầng gara bên dưới nó.
Một chùm uốn cong dưới thời điểm uốn, dẫn đến độ cong nhỏ. Ở mặt ngoài (mặt căng) của độ cong, bê tông chịu ứng suất kéo, trong khi ở mặt trong (mặt nén) nó chịu ứng suất nén.
Một chùm cốt thép đơn là một trong đó phần tử bê tông chỉ được gia cố gần mặt căng và cốt thép, được gọi là thép căng, được thiết kế để chống lại sức căng.
Một dầm gia cường gấp đôi là một trong đó ngoài cốt thép chịu kéo, phần tử bê tông cũng được gia cố gần mặt nén để giúp bê tông chống nén. Cốt thép sau được gọi là thép nén. Khi vùng nén của bê tông không đủ để chống lại mô men nén (mô men dương), phải cung cấp thêm cốt thép nếu kiến trúc sư giới hạn kích thước của mặt cắt.
Một dầm dưới được gia cố là một trong đó công suất căng của cốt thép chịu kéo nhỏ hơn khả năng nén kết hợp của bê tông và thép nén (được gia cố dưới mặt kéo). Khi phần tử bê tông cốt thép chịu lực uốn tăng, thép căng sẽ sinh ra trong khi bê tông không đạt đến điều kiện hỏng hóc cuối cùng. Khi thép căng tạo ra và kéo dài, một loại bê tông "dưới cốt thép" cũng tạo ra một cách dễ uốn, thể hiện một biến dạng lớn và cảnh báo trước sự thất bại cuối cùng của nó. Trong trường hợp này ứng suất sản xuất của thép chi phối thiết kế.
Một dầm được gia cố quá mức là một trong đó công suất căng của thép căng lớn hơn khả năng nén kết hợp của bê tông và thép nén (được gia cố quá mức ở mặt kéo). Vì vậy, dầm "bê tông cốt thép quá mức" đã thất bại bằng cách nghiền nát bê tông vùng nén và trước năng suất thép vùng căng, không đưa ra bất kỳ cảnh báo nào trước khi thất bại vì sự cố là tức thời.
Một dầm được gia cố cân bằng là một trong đó cả hai vùng chịu nén và chịu kéo đều đạt năng suất tại cùng một tải trọng đặt trên dầm, và bê tông sẽ nghiền nát và thép cường độ sẽ sinh ra cùng một lúc. Tuy nhiên, tiêu chí thiết kế này cũng rủi ro như bê tông cốt thép quá mức, bởi vì sự cố xảy ra đột ngột khi bê tông bị nghiền nát cùng lúc với năng suất thép kéo, điều này đưa ra một cảnh báo rất nhỏ về sự cố trong sự cố căng thẳng.
Các phần tử mang bê tông cốt thép thường được thiết kế để được gia cố dưới mức để người sử dụng kết cấu sẽ nhận được cảnh báo về sự sụp đổ sắp xảy ra.
Độ bền đặc trưng là độ bền của vật liệu trong đó ít hơn 5% mẫu thử cho thấy độ bền thấp hơn.
Sức mạnh thiết kế hoặc sức mạnh danh nghĩa là sức mạnh của vật liệu, bao gồm cả yếu tố an toàn vật liệu. Giá trị của hệ số an toàn thường dao động từ 0,75 đến 0,85 trong thiết kế ứng suất cho phép.
Trạng thái giới hạn cuối cùng là điểm thất bại lý thuyết với một xác suất nhất định. Nó được nêu dưới tải trọng và các điện trở bao thanh toán.
