Kết cấu bê tông dự ứng lực

Bê tông có cường độ cao và dẻo dai khi chịu nén nhưng lại có cường độ thấp và giòn khi chịu kéo nên, để cải thiện sự làm việc của nó. Thường sử dụng biện pháp nén trước những vùng bê tông sẽ chịu kéo dưới các tác động bên ngoài. Việc nén trước bê tông như vậy đã tạo ra một dạng kết cấu bê tông mới – kết cấu bê tông dự ứng lực. Như vậy, kết cấu bê tông dự ứng lực là một dạng kết cấu bê tông, trong đó, bê tông đã được nén trước để cải thiện khả năng chịu lực. Phương pháp dự ứng lực phổ biến nhất hiện nay là kéo trước cốt thép để tạo ra lực nén trước trong bê tông.

Nếu cấu kiện trên được tăng cường bằng các thanh cốt dọc thích hợp thì khả năng chịu kéo của nó sẽ được cải thiện.Ví dụ:

- Khi cốt thép dọc có cường độ 400 MPa và hàm lượng khoảng 1,5% (tương đương với 120 kg thép/m3 bê tông) thì ứng xử chịu lực của cấu kiện có thể đạt được như trên Hình 1.1b.

- Thay cho việc bị phá hoại khi các vết nứt hình thành, cấu kiện có thể tiếp tục chịu lực cho đến khi cốt thép đi qua mặt cắt ngang bị chảy. Do cần phải có một năng lượng lớn (năng lượng ở đây là công và bằng diện tích phần nằm dưới đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng) để phá hoại cấu kiện. Có thể nói rằng, cấu kiện là dai và dẻo.

- Tuy nhiên, độ cứng của cấu kiện sẽ bị giảm đáng kể sau khi nứt. Nếu cấu kiện có chứa cốt thép thường với hàm lượng khoảng 40 kg/m3 và cốt thép cường độ cao với hàm lượng khoảng 20 kg/m3 được kéo trước để tạo ra lực nén trước trong bê tông thì ứng xử chịu lực của cấu kiện này có thể đạt được như trên Hình 1.1c.

- Dự ứng lực nén làm tăng đáng kể khả năng chống nứt cho bê tông và, qua đó, tạo ra một cấu kiện dai và cứng hơn so với các cấu kiện không có dự ứng lực.

Hình 1.1 Sự làm việc của các cấu kiện bê tông không cốt thép, bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực chịu kéo đúng tâm

- Để giảm mất mát do từ biến và co ngót và để có thể tạo ra dự ứng lực nén ở mức cao, Freyssinet khuyên không chỉ nên dùng cốt thép cường độ cao mà cả bê tông cường độ cao.

- Sau công trình đầu tiên của Freyssinet, bê tông dự ứng lực được sử dụng ngày càng rộng rãi ở khắp nơi trên thế giới. Ở nước ta, hầu hết các công trình cầu lớn được xây dựng trong thời gian vừa qua đều sử dụng bê tông dự ứng lực. Hai phương pháp tạo dự ứng lực khác nhau đã được phát triển là phương pháp dự ứng lực kéo sau và phương pháp dự ứng lực kéo trước. Hình 1.2 minh hoạ phương pháp tạo dự ứng lực kéo sau, trong đó, cốt thép sẽ được kéo căng và neo vào bê tông sau khi bê tông đã được đúc và đạt đến một cường độ nhất định. Đây chính là phương pháp đã được Freyssinet sử dụng. 

Hình 1.2 Dự ứng lực kéo sau

- Hình 1.3 minh hoạ phương pháp dự ứng lực kéo trước, theo đó, cốt thép được căng trên bệ trước khi đổ bê tông. Sau khi bê tông đạt đến cường độ mong muốn, cốt thép sẽ được cắt khỏi bệ và, thông qua lực dính bám, tạo ra lực nén trong bê tông. Một kỹ sư người Đức là E. Hoyer đã phát triển phương pháp dự ứng lực kéo trước thành một kỹ thuật ứng dụng vào năm 1938.

Hình 1.3 Dự ứng lực kéo trước

Nguyên lý cơ bản của dự ứng lực

- Nguyên lý cơ bản của bê tông cốt thép, cho cả bê tông dự ứng lực và bê tông không dự ứng lực, là cốt thép được đặt vào những vị trí của kết cấu nơi ứng suất kéo sẽ phát sinh. Trong bê tông dự ứng lực, cốt thép cường độ cao sẽ được sử dụng và được kéo căng trước khi ngoại lực tác dụng. Lực kéo ban đầu trong cốt thép này sẽ gây ra lực nén trong bê tông xung quanh và tạo ra khả năng chống nứt lớn hơn cho bê tông.

- Hình 1.4 so sánh ứng xử của dầm một bê tông cốt thép thường (không dự ứng lực) với một dầm bê tông dự ứng lực. Ở dầm bê tông cốt thép thường, trong cả bê tông và cốt thép không có biến dạng và ứng suất trước khi ngoại lực tác dụng.

- Do bê tông có cường độ chịu kéo nhỏ nên, trước bê tông khi nứt, mô men uốn và, do đó, ứng suất kéo trong cốt thép cũng như ứng suất nén trong bê tông là rất nhỏ. Sau khi vết nứt hình thành, ứng suất kéo trong cốt thép sẽ tăng lên đáng kể và sẽ tiếp tục tăng khi tải trọng tăng.

- Tại thời điểm phá hoại, mô men uốn sẽ được chịu bởi ứng suất kéo lớn trong cốt thép và ứng suất nén lớn trong bê tông.

Hình 1.4 Ứng xử của dầm bê tông dự ứng lực và không dự ứng lực

- Trong khi đó, dự ứng lực sẽ tạo ra một hệ thống ứng suất tự cân bằng trong kết cấu bê tông. Các ứng suất tự cân bằng này bao gồm ứng suất kéo trong cốt dự ứng lực, sinh ra lực kéo P, và ứng suất nén cân bằng với nó ở trong bê tông, sinh ra lực nén cũng có độ lớn bằng P.

- Có thể thấy rằng, do hai lực này triệt tiêu nhau nên, đối với các kết cấu tĩnh định, dự ứng lực không gây ra lực dọc hay mômen uốn. Mặc dù không có lực dọc và mô men uốn nhưng cấu kiện vẫn bị co ngắn và uốn cong do dự ứng lực. Do bê tông đã có ứng suất nén trước khi chịu lực nên cấu kiện có thể chịu được các tải trọng lớn trước khi ứng suất ở thớ dưới của bê tông đạt đến cường độ chịu kéo, nghĩa là khả năng chống nứt của cấu kiện được tăng lên.

- Cũng như ở các kết cấu bê tông khác, tại thời điểm phá hoại, mô men sẽ được chịu bởi ứng suất kéo lớn trong cốt thép và ứng suất nén lớn trong bê tông. Cốt thép không dự ứng lực sẽ biến dạng chỉ khi bê tông xung quanh biến dạng nên cốt thép này chỉ có thể có biến dạng lớn khi bê tông xung quanh đã bị nứt. Cốt thép không dự ứng lực được coi như chịu biến dạng một cách thụ động.

- Ngược lại, biến dạng trong cốt thép dự ứng lực lớn hơn nhiều so với biến dạng của bê tông xung quanh, do đó, cốt thép dự ứng lực có thể có ứng suất kéo lớn trước khi bê tông bị nứt. Bằng việc tạo dự ứng lực trong cốt thép, người thiết kế có thể điều chỉnh một cách chủ động ứng suất trong cốt thép và biến dạng của kết cấu.

Hiện nay, bê tông cường độ cao đã được nghiên cứu chế tạo thành công ở nhiều nơi trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Cũng như bê tông thường, bê tông cường độ cao cũng có cường độ chịu kéo nhỏ hơn rất nhiều so với cường độ chịu nén. Việc sử dụng bê tông cường độ cao trong các kết cấu bê tông cốt thép thường không mang lại các lợi thế đặc biệt nào. Ngược lại, thép cường độ cao cũng không thể được sử dụng hợp lý trong các kết cấu bê tông cốt thép thường do bê tông sẽ bị nứt rất nhiều trước khi cốt thép có thể được khai thác hết khả năng chịu lực. Dự ứng lực, do đó, là một trong những giải pháp có hiệu quả nhất để khai thác các lợi thế của bê tông cường độ cao và thép cường độ cao.

Tham khảo thêm một số tài liệu 

https://icci.vn/vi/tai-lieu/pci-design-handbook-precast-and-prestressed-concrete.html

https://icci.vn/vi/tai-lieu/design-of-prestressed-concrete-to-eurocode-2.html

Theo tác giả Ngô Đăng Quang

Bài giảng kết cấu bê tông dự ứng lực