Giáo trình Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương 2: Vật liệu dùng trong cầu BTCT - Nguyễn Ngọc Tuyển

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương 2: Vật liệu dùng trong cầu BTCT - Nguyễn Ngọc Tuyển

1. 11/9/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ môn Cầu và Công trình ngầm Website: Website: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU 1 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: ‐GTVT.TK/ Hà Nội, 10‐2012 CHƯƠNG II Vậtliệu dùng trong cầuBTCT 77 1
2. 11/9/2012 2.1. Bê tông cốtthép – Bê tông là mộtloại đá nhân tạo hình thành từ hỗnhợpxi măng, cát, đávànước Vậtliệubêtôngrẻ, sau khi đông cứng, bê tông chịunéntốtnhưng chịukéokém. – Cốtthéplàsảnphẩmcôngnghiệp, chịukéovànénđềutốt nhưng là vậtliệu quý, đắttiền. Ngoài ra, thép còn bịănmòn trong môi trường không khí. → Kếthợphailoạivậtliệutrênđể tạo thành vậtliệu “bê tông cốt thép” có khả năng chịulựctốtvàtương đốirẻ tiền. – Vậtliệubêtôngcốt thép phát huy các ưu điểm đồng thờihạn chế các nhược điểmcủabêtôngvàcốt thép: • Bê tông bao bọccốt thép không cho tiếpxúcvớimôitrường tạo điều kiệnchống gỉ cho cốtthép • Thép giúp hạnchế vếtnứt trong bê tông 78 2.2. Bê tông • 2.2.1. Yêu cầu chung về bê tông • Ngườita phân loạibêtôngtheomộtsố tiêu chuẩn. Tiêu chuẩncơ bảnnhấtlàcường độ nén sau 28 ngày f’c • Ngoài ra còn phân loạibêtôngnhư sau: – Bê tông loạiA: dùng cho mọiloạikếtcấu, đặcbiệtthường dùng ở trong và trên nướcmặn – Bê tông loạiB: thường dùng cho móng, cọclớn, tường trọng lực, mố trụ nặng – Bê tông loạiC: thường dùng cho kếtcấucótiếtdiệnmỏng (có chiềudày< 100mm) như lan can, sàn lưới thép – Bê tông loạiP: dùng khi cường độ yêu cầuf’c ≥ 28 Mpa. Đốivới bê tông dựứng lực, cầnphảihạnchế kích thướccốtliệudanh định dưới 20mm 79 2
3. 11/9/2012 Yêu cầu chung về bê tông (t.theo) Air‐entrained = Bê tông bọt(Bêtôngcuốnkhí) – Bê tông loạiA(AE): là bê tông loạiA có phụ gia tạobọttrongbê tông, tăng độ bềnvững khi chịulạnh, giảmhiệntượng mao dẫn trong bê tông bảovệ cốtthép • ASSHTO LRFD quy định: – VớibêtôngcấpA, A(AE), và P dùng ở trong và trên nướcmặnthì tỉ lệ N/X ≤ 0.45 – Lượng xi măng Pooc lăng không vượt quá 475kg/m3 (tương ứng vớitỉ lệ N/X chuẩn để hạnchế lượng nướctronghỗnhợp) – Không dùng bê tông có f’c ≤ 16 MPa cho mọiloạikếtcấu – Bê tông có cường độ nén > 70 MPa chỉđược dùng khi có các thí nghiệmvậtlýxáclập được các quan hệ giữacường độ chịunén và các tính chấtkhác – Cường độ bê tông dầm ƯST và bảnmặtcầu ≥ 28 MPa 80 Yêu cầu chung về bê tông (t.theo) 81 3
4. 11/9/2012 Yêu cầu chung về bê tông (t.theo) • Chấtlượng bê tông phải đảmbảocácyêucầu: – Dính kếttốtvớicốtthép – Độ chặt–đặcsít–đồng đềubảovệđượccốt thép không bị môi trường xâm thực, ănmòn. – Đủ cường độ thiếtkế và cường độ đồng đều 82 2.2.2. Bê tông chấtlượng cao • Tại Pháp, phân loạivề bê tông chấtlượng cao như sau: – Bê tông chấtlượng cao (HPC) có cường độ nén từ 60‐100MPa. – Bê tông chấtlượng rất cao (VHPC) có cường độ nén từ 100‐ 150MPa. – Bê tông chấtlượng cực cao (UHPC) có cường độ nén từ 150MPa trở lên. • Theo quan điểmcủa Đức: – Bê tông chấtlượng cao (HPC) có cường độ nén từ 60‐140MPa. – Bê tông chấtlượng rất cao (VHPC) có cường độ nén từ 140‐ 200MPa. – Bê tông chấtlượng cực cao (UHPC) có cường độ nén từ 200 đến 250MPa. 83 4
5. 11/9/2012 Bê tông chấtlượng cao (t.theo) Thành phầncấutạocủabêtôngchấtlượng cựccao. 84 Bê tông chấtlượng cao (t.theo) • Mộtsố tính chấtcủabêtôngchấtlượng cao – Cường độ chịunéncao, cường độ chịukéotăng – Mô đun đàn hồicao, cường độ ban đầucao – Độ rỗng nhỏ, co ngót nhỏ hoặc không co ngót – Từ biếnnhỏ, hệ số từ biến = 0.8‐1.0 (trong khi đốivớibê tông thường, hệ số từ biến = 2.5‐3.0). Nhanh chóng đạt đượcmức độ từ biếncuối cùng. – Phá hoạido xung kích củabêtôngchấtlượng cao tốthơnbê tông thường, do bê tông đặcsítnênítbị phá hoại. – Sự dính kếtcủacốtliệu‐xi măng‐thép tốthơnbêtôngthường. – Dễ tạo hình, đầmchặt mà không bị phân tầng. – Độ ổn định thể tích cao. 85 5
6. 11/9/2012 2.2.3. Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT • Cường độ chịunénf’c : – Là cường độ nén không kiềmchế “mẫuthử tiêu chuẩn” • Mẫutiêuchuẩnlàmẫutrụ tròn D = 150mm; H = 300mm • Sau khi đúc mẫu đượcbảodưỡng trong 28 ngày f c 1 f c 86 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) • Hình a (trạng thái ưs1 trục): nén không kiềmchế (dùng để xác định cường độ chịunén28 ngày củabêtông). • Hình b (trạng thái ưs2 trục): xuấthiệntrongsườndầmkhidầmchịu cắt, uốnvàlựcdọctrục. • Hình c (trạng thái ưs3 trục): xuấthiệntronglõicộtcócốt đai xoắn ốc chịulựcdọctrục. f f c c f 2 f 1   2 1 1 f r f 2 f 1 Mộtsố trạng thái f f ứng suấtcủabê c c tông khi chịunén a- mét trôc b- hai trôc c- ba trôc 87 6
7. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) • Cường độ chịukéo: – Khi không có số liệu thí nghiệm, cường độ chịukéokhiuốncủa bê tông (fr , MPa) có thểđượcxácđịnh như sau : ' • Bê tông tỷ trọng trung bình: frc 0.63 f ' • Bê tông cát có tỷ trọng thấp: frc 0.52 f • ' Bê tông tỷ trọng thấpcácloại: frc 0.45 f – Khi có điềukiện làm thí nghiệm, cường độ chịukéocủabê tông có thểđược đotrựctiếp(a => fcr) hoặcgiántiếp(b => fr và c => fsp) như sau: 88 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) Kéo trựctiếp (Direct Tension) Ít dùng do cầnphảicó thiếtbị chuyên dụng Kéo khi uốn (Modulus of Rupture) Mcr = giá trị M gây vỡ Pcr = giá trị P gây vỡ Kéo khi bị ép chẻ (Splitting Test) L= chiều dài hình trụ Pcr = giá trị P gây vỡ Các thí nghiệmxácđịnh cường độ chịukéocủabêtông 89 7
8. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) – Collin và Mitchell đề nghị cách xác định cường độ kéo trựctiếp củabêtôngfcr đốivớibêtôngtỷ trọng trung bình như sau: ' fcr 0.33 f c • Hệ số giãn nở vì nhiệt: – Phụ thuộc vào bê tông có cấpphối khác nhau. Khi thiếusố liệu chính xác có thể lấynhư sau • Bê tông tỷ trọng thường: 10.8 ×10‐6 / 1˚C • Bê tông tỷ trọng thấp: 9 ×10‐6 / 1˚C • Hệ số Poisson củabêtông: – Khi thiếusố liệu thí nghiệm, hệ số Poisson có thể lấybằng 0.2 90 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) • Mô đun đàn hồicủabêtông, Ec : – Khi không có các số liệu chính xác hơn, mô đun đàn hồiEc cho các loạibêtôngcótỷ trọng từ 1440 đến 2500 kg/m3 lấybằng: 1.5 ' Eccc 0.043 f trong đó: = tỷ trọng củabêtông(kg/m3)  c kg – Ví dụ:   c 2300 m3 ' fc 28MPa 1.5 Ec 0.043 2300 28 25GPa 91 8
9. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) fc Theo TCN272‐05, mô đun đàn hồiE là độ nghiêng của đường thẳng tính từ gốctọa độ tới điểmtrên t E đường cong ứng suấtbiếndạng tại0.4 f’c. ấ c ' fc ng su Ứ f c Quan hệứng  ' suất–biếndạng 1 0.4 fc khi nén 1 trục không kiềmchế mẫubêtông hình trụ tròn. f c '  c 0  c Biếndạng 92 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) '  c 0  c Biếndạng ' 0.4 fc ' fc t ấ Ec Sau khi lậtbiểu ng su Ứ đồ qua trục εc f c 93 9
10. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) ng  c ạ nd  cu ế Bi '  c Sau khi xoay quanh gốc0 Ec mộtgóc90o (ngượcchiều Ứng suất kim đồng hồ) f 0 0.4 f ' ' c c fc 94 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo)  cu 95 10
11. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) – Đốivớibêtôngcường độ cao: ' (khifc 42 84 MPa ) Trong trường hợp không có điềukiện làm thí nghiệm, môđun đàn hồicủabêtôngcóthểđượctínhnhư sau: 1.5 '  c Ecc 3.32 fMPa 2320 96 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) • Tính co ngót củabêtôngɛSH – Co ngót là hiệntượng giảmthể tích của bê tông khi không chịu ảnh hưởng củatácđộng bên ngoài như tảitrọng, môi trường – Co ngót phụ thuộcvàotỷ lệ N/X, loạixi măng, bảodưỡng – Co ngót có thể gây nứtbề mặtkếtcấu, gây mấtmátứng suất trong cốtthépDƯL, và gây nộilựcphụ trong kếtcấusiêutĩnh. – Biện pháp giảmco ngót và nứtdo co ngót: • Giảmtỷ lệ N/X • Bảodưỡng bê tông: giữẩm, làm mát, giữ kín gió • Bố trí cốtthépchống co ngót – Khi không có các số liệu chính xác hơn, hệ số co ngót có thể giả thiết là 0.0002 sau 28 ngày và 0.0005 sau mộtnămkhô 97 11
12. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) – AASHTO 5.4.2.3.3 kiếnnghị mộtphương trình kinh nghiệm để tính biếndạng do co ngót củabêtôngεSH dựavàothờigian khô, độ ẩmtương đốivàtỉ lệ “thể tích”/ ”diệntíchbề mặt”. • Vớibêtôngđượcbảodưỡng ẩm, cốtliệu không co ngót: t 3  SH kk s h 0.51 10 35 t Nếubêtôngbị phơi khô 5 ngày trướckhi Trong đó: bảodưỡng thì εSH phảităng lên 20% • t = thời gian khô tính theo ngày; • ks = hệ số kích thước • kh = hệ sốđộẩmthường lấybằng 1 (nếu độ ẩm> 80% lấykh = 0.86) • Vớibêtôngbảodưỡng bằng hơinước, cốtliệu không co ngót t 3  SH kk s h 0.56 10 55 t 98 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) Xác định ks 99 12
13. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) • Tính từ biếncủabêtôngɛCR – Từ biếnlàhiệntượng phát triểnbiếndạng theo thờigiankhi chịutácdụng củatảitrọng không đổi. – Từ biếnphụ thuộc vào nhiềuyếutố như: • độ ẩmcủabêtông, thành phầncủabêtông, • tỷ lệ thể tích/diệntíchbề mặt, • cường độ củabêtông, • trị sốứng suất lâu dài trong bê tông và • tuổicủabêtôngtạithời điểmbắt đầuchịu ứng suất lâu dài – Từ biếngâymấtmátứng suấttrongcốtthépDƯL , nộilựcphụ trong kếtcấusiêutĩnh, và làm tăng độ võng, chuyểnvị – Biện pháp giảm ảnh hưởng củatừ biến: • Giảm hàm lượng N/XM • Bảodưỡng bê tông: giữẩm, làm mát, giữ kín gió • Bố trí thép 100 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) – Từ biếncóquanhệ chặtchẽ vớico ngót (bê tông chịuco ngót tốtthìchịutừ biếncũng tốt). – Biếndạng do từ biến εCR xác định bằng cách nhân biếndạng nén đàn hồitứcthờido tảitrọng lâu dài εci vớihệ số từ biến: tt, i CR  tt, i Ci trong đó: • t = tuổicủabêtông(ngày) tính từ lúc đúc thành khuôn; • ti = tuổicủabêtông(ngày) tính từ khi tác dụng tảitrọng thường xuyên; • εci = biếndạng nén đàn hồitứcthờido tảitrọng thường xuyên; và •  tt, i = hệ số từ biến. 101 13
14. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) – Theo AASHTO (5.4.2.3.2): 0.6 H 0.118 tt i  tt,icfi 3.5 kk 1.58 t 0.6 120 10 tti 62 với k f ' 42 fc trong đó: • H = độ ẩmtương đối(%); • kc = hệ số xét đến ảnh hưởng củatỷ lệ thể tích / diệntíchbề mặt; • kf = hệ số xét đến ảnh hưởng củacường độ bê tông; • t = tuổicủabêtông(ngày); • ti = tuổicủabêtôngkhibắt đầuchịulực(ngày) 102 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) Xác định kc 103 14
15. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) • Mô đun đàn hồicủabêtôngchotảitrọng thường xuyên (có xét tớitừ biến) Ec,LT fEci Ci EcLT, 1,  ttiCi1,  tti VớiECi = mô đun đàn hồitạithời điểmti – Để đơngiảncóthể dùng: E E c cLT, 3 104 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) • Cường độ chịunéncủabêtôngtăng theo thờigian – Cường độ chịunéncủabêtôngtăng dầntheothờigianvàphụ thuộcvào: loạixi măng, điềukiệnbảodưỡng . – Theo Branson (1977), cường độ củabêtôngtínhbằng: t f '' f ci  t c Trong đó: • f’c = cường độ nén 28 ngày; • t = số ngày; • α = hệ số phụ thuộcvàoxi măng và phương pháp bảodưỡng; • β = hệ số phụ thuộcvàotrị sốα(tham khảoSGK trang 34). 105 15
16. 11/9/2012 Cường độ và đặctrưng cơ lý củaBT (t.theo) Cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian 1.40 1.20 1.00 0.80 u nén,fc'(t)/fc'(28) ị 0.60 ch α =a=4; 4; βb=0.85= 0.85 độ 0.40 ng ườ C 0.20 0.00 0 100 200 300 400 Thời gian, ngày 106 2.2.4. Cường độ chịunéncủamẫubêtông • TCVN 6025:1995 Bê tông – Phân mác bê tông theo cường độ chịu nén trung bình các mẫu thử chuẩndạng hình khốilậpphương 15cm x 15cm x 15cm (28 ngày tuổi) – đơnvịđolàkG/cm2 , xác suấtP = 0.5 – Ví dụ: Bê tông đạt mác M200 là bê tông có cường độ nén trung bình các mẫuthử≥ 200 kG/cm2. • Tiêu chuẩnt.kế cầu 22TCN272‐05 (theo AASHTO LRFD) – Phân cấpbêtôngtheocường độ chịunénf’c là cường độ nén phá hoạicácmẫuthử trụ tròn 15cm x 30cm (28 ngày tuổi) – đơnvịđolàMpa, xác suấtP = 0.95 – Ví dụ: Bê tông cấp30 là loạibêtôngcócường độ chịunén f’c = 30MPa 107 16
17. 11/9/2012 Cường độ chịunéncủamẫu bê tông (t.theo) Bảng quy đổicường độ giữacácmẫu nén bê tông STT Kích thướcmẫu (mm) Hệ số tính đổi 1 100 x 100 x 100 0.91 ng ươ 2 150 x 150 x 150 1.00 pph ậ 3 200 x 200 x 200 1.05 ul ẫ M 4 300 x 300 x 300 1.10 1D x H = 71.4 x 143 1.16 ụ 2D x H = 100 x 200 1.16 utr ẫ M 3D x H = 150 x 300 1.20 4D x H = 200 x 400 1.24 108 Cường độ chịunéncủamẫu bê tông (t.theo) • Ví dụ chuyển đổi mác bê tông và cấpbêtông – Bê tông mác M450 (mẫulậpphương 15cm x 15cm x 15cm) có cường độ chịu nén là 450 kG/cm2 – Nhân với 0.0981 để chuyểnsang đơnvị MPa (1MPa=1N/mm2) => cường độ chịu nén là 450*0.0981 = 44.1 MPa – Chuyểntừ mẫulậpphương sang mẫuhìnhtrụ (15cm x 30cm) bằng cách chia cho hệ số 1.2 => cường độ chịunén(mẫuhìnhtrụ) là 44.1/1.2 = 36.7 Mpa – Bê tông mác M450 tương đương vớicấpbêtông37 MPa 109 17
18. 11/9/2012 2.3. Cốtthép 2.3.1. Cốtthépthường • Đượcsảnxuất theo tiêu chuẩnASTM • Các thông số củathép – Mô đun đàn hồiEs = 200000 MPa – Cường độ chảydẻofy – Cường độ phá hoạifu – Cấpthép • “Cốtthépthường” được phân cấpdựa vào cường độ chảydẻo • Ví dụ: thép cấp 75, 60 và 40 tương ứng vớiloạithépcócường độ chảy dẻolầnlượt là 520, 420 và 280 Mpa. – Các kích thướccơ bản(xembảng số hiệu thép) 110 Cốtthépthường (t.theo) Quan hệ “Ứng suất” –“Biếndạng” của thép thanh Es = 200,000 MPa 111 18
19. 11/9/2012 Cốtthépthường (t.theo) Bảng số hiệu thép dùng trong cầuBTCT Đường kính danh Diệntíchdanh Khốilượng danh Số hiệu định (mm) định (mm2) định (kg/m) N10 11.3 100 0.785 N15 16.0 200 1.870 N20 19.5 300 2.356 N25 25.2 500 3.925 N30 29.9 700 5.495 N35 35.7 1000 7.850 N45 43.7 1500 11.775 N55 56.4 2500 19.625 112 2.3.2. Cốtthépdựứng lực(DƯL) • Tiêu chuẩn AASHTO thường dùng 3 loạithépDƯL – Thép sợi không bọc độ chùng thấp(Ep = 197000 Mpa) – Tao cáp không bọc độ chùng thấp(Ep = 197000 Mpa) – Thép thanh cường độ cao không bọc(Ep = 207000 Mpa) Trong xây dựng cầu không sử dụng thép sợi và tao cáp độ chùng cao (thép không khửứng suấtdư) vì mấtmátdo chùng cốtthéplớn [A.5.4.4.2] • Thép DƯL được phân cấptheocường độ cựchạn(còngọilà cường độ phá hoại) fpu – Hai cấpthépDƯL phổ biếnlà: cấp 270 và cấp 250 tương ứng vớithépcó cường độ phá hoại là 1860 MPa và 1725 MPa • Cường độ chảyfy lấybằng 80‐90% fpu tùy vào loại thép. 113 19
20. 11/9/2012 Cốtthépdựứng lực (t.theo) 114 Cốtthépdựứng lực (t.theo) Hệ thống neo cáp của hãng Freyssinet 115 20
21. 11/9/2012 Cốtthépdựứng lực (t.theo) Hệ thống neo cáp OVM-China 116 21