Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương II: Vật liệu dùng trong cầu bê tông cốt thép

11/9/2012 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Website:  Bộmôn Cầu và Công trình ngầm Website:  THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG  CẦU 1 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: ‐GTVT.TK/ Hà Nội, 10‐2012 77 CHƯƠNG II Vật liệu dùng trong cầu BTCT 11/9/2012 2 78 2.1. Bê tông cốt thép – Bê tông là một loại đá nhân tạo hình thành từ hỗn hợp xi  măng, cát, đá và nước Vật liệu bê tông rẻ, sau khi đông cứng,  bê tông chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém. – Cốt thép là sản phẩm công nghiệp, chịu kéo và nén đều tốt nhưng là vật liệu quý, đắt tiền. Ngoài ra, thép còn bị ăn mòn trong môi trường không khí. → Kết hợp hai loại vật liệu trên để tạo thành vật liệu “bê tông cốt thép” có khả năng chịu lực tốt và tương đối rẻ tiền.  – Vật liệu bê tông cốt thép phát huy các ưu điểm đồng thời hạn chế các nhược điểm của bê tông và cốt thép: • Bê tông bao bọc cốt thép không cho tiếp xúc với môi trường tạo điều kiện chống gỉ cho cốt thép • Thép giúp hạn chế vết nứt trong bê tông 79 2.2. Bê tông • 2.2.1. Yêu cầu chung về bê tông • Người ta phân loại bê tông theo một số tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn cơ bản nhất là cường độ nén sau 28 ngày f’c • Ngoài ra còn phân loại bê tông như sau: – Bê tông loại A: dùng cho mọi loại kết cấu, đặc biệt thường dùng ở trong và trên nước mặn – Bê tông loại B: thường dùng cho móng, cọc lớn, tường trọng lực, mố trụ nặng – Bê tông loại C: thường dùng cho kết cấu có tiết diện mỏng (có chiều dày < 100mm) như lan can, sàn lưới thép – Bê tông loại P: dùng khi cường độ yêu cầu f’c ≥ 28 Mpa. Đối với bê tông dự ứng lực, cần phải hạn chế kích thước cốt liệu danh định dưới 20mm 11/9/2012 3 80 Yêu cầu chung về bê tông (t.theo) – Bê tông loại A(AE): là bê tông loại A có phụ gia tạo bọt trong bê tông, tăng độ bền vững khi chịu lạnh, giảm hiện tượng mao dẫn trong bê tông bảo vệ cốt thép • ASSHTO LRFD quy định: – Với bê tông cấp A, A(AE), và P dùng ở trong và trên nước mặn thì tỉ lệ N/X ≤ 0.45 – Lượng xi măng Pooc lăng không vượt quá 475kg/m3 (tương ứng với tỉ lệ N/X chuẩn để hạn chế lượng nước trong hỗn hợp) – Không dùng bê tông có f’c ≤ 16 MPa cho mọi loại kết cấu – Bê tông có cường độ nén > 70 MPa chỉ được dùng khi có các thí nghiệm vật lý xác lập được các quan hệ giữa cường độ chịu nén và các tính chất khác – Cường độ bê tông dầm ƯST và bản mặt cầu ≥ 28 MPa Air‐entrained = Bê tông bọt (Bê tông cuốn khí) 81 Yêu cầu chung về bê tông (t.theo) 11/9/2012 4 82 Yêu cầu chung về bê tông (t.theo) • Chất lượng bê tông phải đảm bảo các yêu cầu: – Dính kết tốt với cốt thép – Độ chặt – đặc sít – đồng đều bảo vệ được cốt thép không bị môi trường xâm thực, ăn mòn. – Đủ cường độ thiết kế và cường độ đồng đều 83 2.2.2. Bê tông chất lượng cao • Tại Pháp, phân loại về bê tông chất lượng cao như sau: – Bê tông chất lượng cao (HPC) có cường độ nén từ 60‐100MPa. – Bê tông chất lượng rất cao (VHPC) có cường độ nén từ 100‐ 150MPa. – Bê tông chất lượng cực cao (UHPC) có cường độ nén từ 150MPa trở lên. • Theo quan điểm của Đức: – Bê tông chất lượng cao (HPC) có cường độ nén từ 60‐140MPa. – Bê tông chất lượng rất cao (VHPC) có cường độ nén từ 140‐ 200MPa. – Bê tông chất lượng cực cao (UHPC) có cường độ nén từ 200  đến 250MPa. 11/9/2012 5 84 Bê tông chất lượng cao (t.theo) Thành phần cấu tạo của bê tông chất lượng cực cao. 85 Bê tông chất lượng cao (t.theo) • Một số tính chất của bê tông chất lượng cao – Cường độ chịu nén cao, cường độ chịu kéo tăng – Mô đun đàn hồi cao, cường độ ban đầu cao – Độ rỗng nhỏ, co ngót nhỏ hoặc không co ngót – Từ biến nhỏ, hệ số từ biến  = 0.8‐1.0 (trong khi đối với bê tông thường, hệ số từ biến  = 2.5‐3.0). Nhanh chóng đạt được mức độ từ biến cuối cùng. – Phá hoại do xung kích của bê tông chất lượng cao tốt hơn bê tông thường, do bê tông đặc sít nên ít bị phá hoại. – Sự dính kết của cốt liệu‐xi măng‐thép tốt hơn bê tông thường. – Dễ tạo hình, đầm chặt mà không bị phân tầng. – Độ ổn định thể tích cao. 11/9/2012 6 86 2.2.3. Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT • Cường độ chịu nén f’c : – Là cường độ nén không kiềm chế “mẫu thử tiêu chuẩn” • Mẫu tiêu chuẩn là mẫu trụ tròn D = 150mm; H = 300mm • Sau khi đúc mẫu được bảo dưỡng trong 28 ngày f c f c  1 87 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) • Hình a (trạng thái ưs 1 trục): nén không kiềm chế (dùng để xác định cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông). • Hình b (trạng thái ưs 2 trục): xuất hiện trong sườn dầm khi dầm chịu cắt, uốn và lực dọc trục. • Hình c (trạng thái ưs 3 trục): xuất hiện trong lõi cột có cốt đai xoắn ốc chịu lực dọc trục. a- mét trôc f c f c f c f c f r f 1 1 f 2 f f 2  1 1   2 b- hai trôc c- ba trôc Một số trạng thái ứng suất của bê tông khi chịu nén 11/9/2012 7 88 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) • Cường độ chịu kéo: – Khi không có số liệu thí nghiệm, cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông (fr , MPa) có thể được xác định như sau : • Bê tông tỷ trọng trung bình:  • Bê tông cát có tỷ trọng thấp: • Bê tông tỷ trọng thấp các loại: – Khi có điều kiện làm thí nghiệm, cường độ chịu kéo của bê tông có thể được đo trực tiếp (a => fcr) hoặc gián tiếp (b => fr và c => fsp) như sau: '0.63r cf f '0.52r cf f '0.45r cf f 89 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) Các thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của bê tông Kéo trực tiếp (Direct Tension) Kéo khi uốn (Modulus of Rupture) Kéo khi bị ép chẻ (Splitting Test) Ít dùng do cần phải có thiết bị chuyên dụng L= chiều dài hình trụ Pcr = giá trị P gây vỡ Mcr = giá trịM gây vỡ Pcr = giá trị P gây vỡ 11/9/2012 8 90 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) – Collin và Mitchell đề nghị cách xác định cường độ kéo trực tiếp của bê tông fcr đối với bê tông tỷ trọng trung bình như sau: • Hệ số giãn nở vì nhiệt: – Phụ thuộc vào bê tông có cấp phối khác nhau. Khi thiếu số liệu chính xác có thể lấy như 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 của bê tông:    – Khi thiếu số liệu thí nghiệm, hệ số Poisson có thể lấy bằng 0.2 '0.33cr cf f 91 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) • Mô đun đàn hồi của bê tông, Ec : – Khi không có các số liệu chính xác hơn, mô đun đàn hồi Ec cho các loại bê tông có tỷ trọng từ 1440 đến 2500 kg/m3 lấy bằng: trong đó:          = tỷ trọng của bê tông (kg/m3) – Ví dụ: 1.5 '0.043c c cE f c 3 ' 2300 28 c c kg m f MPa        1.50.043 2300 28 25cE GPa   11/9/2012 9 92 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) ' cf cf c '0.4 cf cE ' c 0 Biến dạng Ứn g su ất f c f c  1 Theo TCN272‐05, mô đun đàn hồi E là độ nghiêng của đường thẳng tính từ gốc tọa độ tới điểm trên đường cong ứng suất biến dạng tại 0.4 f’c. Quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén 1 trục không kiềm chế mẫu bê tông hình trụ tròn. 93 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) ' cf cf c '0.4 cf cE ' c0 Biến dạng Ứn g su ất Sau khi lật biểu đồ qua trục εc 11/9/2012 10 94 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) ' cf cf'0.4 cf0 Bi ến dạ ng Ứng suất c cE ' c cu Sau khi xoay quanh gốc 0  một góc 90o (ngược chiều kim đồng hồ) 95 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) cu 11/9/2012 11 96 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) – Đối với bê tông cường độ cao: (khi )  Trong trường hợp không có điều kiện làm thí nghiệm, môđun đàn hồi của bê tông có thể được tính như sau:   1.5'3.32 2320 c c cE f MPa         ' 42 84cf MPa  97 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) • Tính co ngót của bê tông ɛSH – Co ngót là hiện tượng giảm thể tích của bê tông khi không chịu ảnh hưởng của tác động bên ngoài như tải trọng, môi trường – Co ngót phụ thuộc vào tỷ lệ N/X, loại xi măng, bảo dưỡng – Co ngót có thể gây nứt bềmặt kết cấu, gây mất mát ứng suất trong cốt thép DƯL, và gây nội lực phụ trong kết cấu siêu tĩnh. – Biện pháp giảm co ngót và nứt do co ngót: • Giảm tỷ lệ N/X • Bảo dưỡng bê tông: giữ ẩm, làm mát, giữ kín gió • Bố trí cốt thép chống 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 một năm khô 11/9/2012 12 98 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) – AASHTO 5.4.2.3.3 kiến nghịmột phương trình kinh nghiệm để tính biến dạng do co ngót của bê tông εSH dựa vào thời gian khô, độ ẩm tương đối và tỉ lệ “thể tích”/ ”diện tích bềmặt”. • Với bê tông được bảo dưỡng ẩm, cốt liệu không co ngót: Trong đó: • t = thời gian khô tính theo ngày; • ks = hệ số kích thước • kh = hệ số độ ẩm thường lấy bằng 1 (nếu độ ẩm > 80% lấy kh = 0.86) • Với bê tông bảo dưỡng bằng hơi nước, cốt liệu không co ngót 30.51 10 35SH s h tk k t        30.56 10 55SH s h tk k t        Nếu bê tông bị phơi khô 5 ngày trước khi bảo dưỡng thì εSH phải tăng lên 20% 99 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) Xác định ks 11/9/2012 13 100 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) • Tính từ biến của bê tông ɛCR – Từ biến là hiện tượng phát triển biến dạng theo thời gian khi chịu tác dụng của tải trọng không đổi. – Từ biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:  • độ ẩm của bê tông, thành phần của bê tông, • tỷ lệ thể tích/diện tích bềmặt,  • cường độ của bê tông,  • trị số ứng suất lâu dài trong bê tông và • tuổi của bê tông tại thời điểm bắt đầu chịu ứng suất lâu dài – Từ biến gây mất mát ứng suất trong cốt thép DƯL , nội lực phụ trong kết cấu siêu tĩnh, và làm tăng độ võng, chuyển vị – Biện pháp giảm ảnh hưởng của từ biến: • Giảm hàm lượng N/XM • Bảo dưỡng bê tông: giữ ẩm, làm mát, giữ kín gió • Bố trí thép 101 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) – Từ biến có quan hệ chặt chẽ với co ngót (bê tông chịu co ngót tốt thì chịu từ biến cũng tốt).  – Biến dạng do từ biến εCR xác định bằng cách nhân biến dạng nén đàn hồi tức thời do tải trọng lâu dài εci với hệ số từ biến: trong đó:  • t = tuổi của bê tông (ngày) tính từ lúc đúc thành khuôn;  • ti = tuổi của bê tông (ngày) tính từ khi tác dụng tải trọng thường xuyên;        • εci = biến dạng nén đàn hồi tức thời do tải trọng thường xuyên; và • =  hệ số từ biến.    , ,it tCR i Cit t     , it t 11/9/2012 14 102 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) – Theo AASHTO (5.4.2.3.2): với trong đó: • H = độ ẩm tương đối (%);  • kc = hệ số xét đến ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích / diện tích bềmặt;  • kf = hệ số xét đến ảnh hưởng của cường độ bê tông;  • t = tuổi của bê tông (ngày);  • ti = tuổi của bê tông khi bắt đầu chịu lực (ngày)      0.6 0.118 0.6, 3.5 1.58 120 10 i i c f i i t tHt t k k t t t          ' 62 42f c k f   103 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) Xác định kc 11/9/2012 15 104 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) • Mô đun đàn hồi của bê tông cho tải trọng thường xuyên (có xét tới từ biến) Ec,LT Với ECi = mô đun đàn hồi tại thời điểm ti – Để đơn giản có thể dùng:     , 1 ,1 ,ci Cic LT ii Ci f EE t tt t     , 3 c c LT EE  105 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) • Cường độ chịu nén của bê tông tăng theo thời gian – Cường độ chịu nén của bê tông tăng dần theo thời gian và phụ thuộc vào: loại xi măng, điều kiện bảo dưỡng . – Theo Branson (1977), cường độ của bê tông tính bằng: Trong đó: • f’c = cường độ nén 28 ngày;  • t = số ngày;  • α = hệ số phụ thuộc vào xi măng và phương pháp bảo dưỡng;  • β = hệ số phụ thuộc vào trị số α (tham khảo SGK trang 34). ' ' ci c tf f t   11/9/2012 16 106 Cường độ và đặc trưng cơ lý của BT (t.theo) Cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 0 100 200 300 400 Thời gian, ngày C ườ ng độ c hịu n én , f c' (t) /fc '(2 8) a=4; b=0.85α = 4; β 0.85 107 2.2.4. Cường độ chịu nén của mẫu bê tông • TCVN 6025:1995 Bê tông – Phân mác bê tông theo cường độ chịu nén trung bình các mẫu thử chuẩn dạng hình khối lập phương 15cm x 15cm x 15cm  (28 ngày tuổi) – đơn vị đo là kG/cm2 , xác suất P = 0.5 – Ví dụ: Bê tông đạt mác M200 là bê tông có cường độ nén trung bình các mẫu thử ≥ 200 kG/cm2. • Tiêu chuẩn t.kế cầu 22TCN272‐05 (theo AASHTO LRFD) – Phân cấp bê tông theo cường độ chịu nén f’c là cường độ nén phá hoại các mẫu thử trụ tròn 15cm x 30cm (28 ngày tuổi) – đơn vị đo là Mpa, xác suất P = 0.95 – Ví dụ: Bê tông cấp 30 là loại bê tông có cường độ chịu nén f’c = 30MPa 11/9/2012 17 108 Cường độ chịu nén của mẫu bê tông (t.theo) STT Kích thước mẫu (mm) Hệ số tính đổi M ẫu lập ph ươ ng 1 100 x 100 x 100 0.91 2 150 x 150 x 150 1.00 3 200 x 200 x 200 1.05 4 300 x 300 x 300 1.10 M ẫu tr ụ 1 D x H = 71.4 x 143 1.16 2 D x H = 100 x 200 1.16 3 D x H = 150 x 300 1.20 4 D x H = 200 x 400 1.24 Bảng quy đổi cường độ giữa các mẫu nén bê tông 109 Cường độ chịu nén của mẫu bê tông (t.theo) • Ví dụ chuyển đổi mác bê tông và cấp bê tông – Bê tông mác M450 (mẫu lập phương 15cm x 15cm x 15cm) có cường độ chịu nén là 450 kG/cm2 – Nhân với 0.0981 để chuyển sang đơn vịMPa (1MPa=1N/mm2)  => cường độ chịu nén là 450*0.0981 = 44.1 MPa – Chuyển từmẫu lập phương sang mẫu hình trụ (15cm x 30cm)  bằng cách chia cho hệ số 1.2 => cường độ chịu nén (mẫu hình trụ) là 44.1/1.2  = 36.7 Mpa – Bê tông mác M450 tương đương với cấp bê tông 37 MPa 11/9/2012 18 110 2.3. Cốt thép 2.3.1. Cốt thép thường • Được sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM • Các thông số của thép – Mô đun đàn hồi Es = 200000 MPa – Cường độ chảy dẻo fy – Cường độ phá hoại fu – Cấp thép • “Cốt thép thường” được phân cấp dựa vào cường độ chảy dẻo • Ví dụ: thép cấp 75, 60 và 40 tương ứng với loại thép có cường độ chảy dẻo lần lượt là 520, 420 và 280 Mpa. – Các kích thước cơ bản (xem bảng số hiệu thép) 111 Cốt thép thường (t.theo) Quan hệ “Ứng suất” – “Biến dạng” của thép thanh Es = 200,000 MPa 11/9/2012 19 112 Cốt thép thường (t.theo) Số hiệu Đường kính danhđịnh (mm) Diện tích danh định (mm2) Khối lượng danh 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 Bảng số hiệu thép dùng trong cầu BTCT 113 2.3.2. Cốt thép dự ứng lực (DƯL) • Tiêu chuẩn AASHTO thường dùng 3 loại thép DƯL – 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 khử ứng suất dư) vì mất mát do chùng cốt thép lớn [A.5.4.4.2] • Thép DƯL được phân cấp theo cường độ cực hạn (còn gọi là cường độ phá hoại) fpu – Hai cấp thép DƯL phổ biến là: cấp 270 và cấp 250 tương ứng với thép có cường độ phá hoại là 1860 MPa và 1725 MPa • Cường độ chảy fy lấy bằng 80‐90% fpu tùy vào loại thép. 11/9/2012 20 114 Cốt thép dự ứng lực (t.theo) 115 Cốt thép dự ứng lực (t.theo) Hệ thống neo cáp của hãng Freyssinet 11/9/2012 21 116 Cốt thép dự ứng lực (t.theo) Hệ thống neo cáp OVM-China