Bê tông dự ứng lực

Bê tông dự ứng lực là gì? Bê tông dự ứng lực có tác dụng và ưu điểm vượt trội so với bê tông truyền thống như thế nào? Chúng ta cùng đi tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

Tổng quan về bê tông dự ứng lực

Khái niệm về bê tông dự ứng lực

Tính chất vật lý của bê tông là có cường độ cao và dẻo dai khi chịu nén. Tuy nhiêu lại có cường độ thấp và giòn khi chịu kéo. Do đó, để cải thiện nhược điểm này, thường sử dụng biện pháp nén trước những khu vực 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.

Xem thêm>>> 21 loại bê tông khác nhau

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. Tài liệu này cũng sẽ chỉ tập trung cho kết cấu bê tông được dự ứng lực bằng cách kéo căng cốt thép.

Tăng cường sức chịu kéo cho bê tông

Nếu một cấu kiện chịu kéo được làm chỉ từ bê tông có cường độ chịu nén bằng 35 MPa. Thì bê tông sẽ bị nứt và phá hoại khi ứng suất kéo đạt đến giá trị của cường độ chịu kéo, khoảng 2 MPa. Cường độ chịu kéo của bê tông có giá trị thấp và thường không ổn định. Ngoài ra, biến dạng ứng với khi bê tông nứt cũng rất nhỏ. Do đó, sự phá hoại thường là rất đột ngột – phá hoại giòn.

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

Xem thêm >>>Sàn bê tông ứng lực trước 

Người sáng tạo ra bê tông dự ứng lực

Người sáng tạo ra bê tông dự ứng lực ứng dụng là Eugene Freyssinet, một kỹ sư người Pháp. Ông là người năm 1928 đã bắt đầu sử dụng các sợi thép cường độ cao để nén bê tông. Các thử nghiệm trước đó về việc chế tạo bê tông dự ứng lực bằng cốt thép cường độ thường đã không thành công.

Nguyên nhân là, sau khi được nén trước, bê tông tiếp tục co ngắn lại theo thời gian do từ biến và co ngót. Tổng hợp từ biến và co ngót có thể phát sinh một biến dạng co khoảng 1‰. Cốt thép thường, do có cường độ thấp nên, không thể được kéo để tạo dự ứng lực với biến dạng giãn lớn hơn 1,5‰.

Như vậy, trong các lần thử ban đầu để tạo dự ứng lực trong bê tông. 2/3 dự ứng lực trong cốt thép đã bị mất do từ biến và co ngót. Ngược lại, các sợi thép cường độ cao có thể được kéo đến biến dạng bằng khoảng 7‰ khi tạo dự ứng lực và, ngay cả khi bị mất đi 1‰ , vẫn còn lại 6/7 dự ứng lực.

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.

Eugene Freyssinet, người phát minh ra bê tông dự ứng lực ứng dụng

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

Dự ứng lực kéo sau

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 1.3 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.

Ống gen

Bước 1: Đúc cấu kiện bê tông

Sự co ngắn

Kích

Bước 2: Căng kéo cốt dự ứng lực bằng kích tỳ lên bê tông

Neo

Bước 3: Neo cốt dự ứng lực

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.

Dự ứng lực kéo căng trước

Cốt dự ứng lực đã được căng trước.
Bệ
Bước 1: Kéo căng cốt dự ứng lực trên bệ.

Bước 2: Đổ bê tông xung quanh cốt dự ứng lực đã được kéo căng.

Cắt cốt dự ứng lực Cấu kiện co ngắn

Bước 3: Buông dự ứng lực và cắt cốt tạo ra sự co ngắn của cấu kiện bê tông.

Từ những nghiên cứu đầu tiên này, bê tông dự ứng lực đã phát triển thành một ngành công nghiệp có doanh thu rất lớn. Hiện nay, hàng năm có hơn 600.000 tấn bê tông dự ứng lực được sử dụng trên toàn thế giới.

Theo thống kê, trung bình trên toàn thế giới có khoảng 66% thép dự ứng lực được dùng trong xây dựng cầu và số còn lại được sử dụng cho công trình xây dựng dân dụng và các mục đích khác. Tuy nhiên, ở các nước phát triển như Bắc Mỹ, châu Âu, quan hệ này lại ngược lại, khoảng 59% thép dự ứng lực kéo sau được dùng trong xây dựng dân dụng và khoảng 26% được dùng trong xây dựng cầu.

CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA DỰ ỨNG LỰC

Nguyên lý cơ bản

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.

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.

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.

Ứng suất tự cân bằng trong kết cấu bê tông

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.

Bê tông cường độ cao được chế tạo ở nhiều nơi

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. 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. Nguyên do bê tông sẽ bị nứt rất nhiều trước khi cốt thép có thể được khai thác hết khả năng chịu lực.

Các kết cấu bê tông ứng lực điển hình

Do dự ứng lực có thể được sử dụng để giảm thiểu hoặc triệt tiêu nứt do tải trọng khai thác. Nên nó có thể tạo ra các cấu kiện mảnh hơn. Ví dụ, các bản sàn một chiều có thể có tỷ lệ nhịp/chiều cao bằng 45/1 lớn hơn 60% so với tỷ lệ của bản sàn không dự ứng lực.

Với một chiều dài nhịp cho trước, lượng bê tông trong bản dự ứng lực sẽ bằng khoảng 2/3 lượng bê tông trong bản không dự ứng lực. Sau đây là một số ví dụ về các kết cấu bê tông dự ứng lực điển hình.

Dạng điển hình của cầu bê tông trên đường ô tô

Hơn 50% cầu được xây dựng hiện nay là bằng bê tông dự ứng lực. Cầu bê tông dự ứng lực có thể là từ dạng cầu đơn giản được xây dựng từ các dầm I đúc sẵn dự ứng lực kéo trước. Đến các cầu dầm hộp dự ứng lực kéo sau đổ tại chỗ với nhịp đến 150 m. Hay các cầu dây văng có nhịp đến hơn 500 m.

Các nhà đỗ xe có môi trường ăn mòn cao. Do đó, nên sử dụng bê tông chất lượng cao cùng dự ứng lực để khống chế nứt cho các công trình đó. Hơn 35% các nhà đỗ xe hiện nay ở các nước phát triển được xây dựng bằng bê tông dự ứng lực đúc sẵn. Có khoảng 40% được xây dựng từ bê tông dự ứng lực kéo sau, đổ tại chỗ.

Dầm bê tông dự ứng lực trước

Cũng ở các nước phát triển, hàng năm có đến hàng chục triệu m2 sàn được xây dựng bằng bê tông dự ứng lực kéo sau. Dự ứng lực kéo sau cho phép sử dụng các bản mỏng hơn. Do đó, làm giảm chiều cao xây dựng, trọng lượng bản thân. Cũng như chi phí che phủ, chi phí làm nóng cũng như điều hoà nhiệt độ.

Trong khi kết cấu không dự ứng lực bị biến dạng rất nhiều trước khi chúng đạt đến giới hạn chịu lực. Thì kết cấu dự ứng lực có khả năng chịu lực tác dụng một cách chủ động mà không có biến dạng lớn.

Dự ứng lực cho phép các kỹ sư có thể điều chỉnh một cách chủ động sự phân bố tải trọng và biến dạng. Nên nó được sử dụng rất rộng rãi để giải quyết các vấn đề cơ bản phức tạp.

Cầu bãi cháy – cầu dây văng có dầm bê tông dự ứng lực

Kết cấu dạng ống trụ bê tông dự ứng lực

Năm 1936, Freyssinet đã cho thấy rằng, các kết cấu dạng ống trụ bê tông dự ứng lực có thể chịu được các áp lực đáng kể bên trong mà không bị rò rỉ. Hiện nay, đã có rất nhiều bể chứa đã được xây dựng trên toàn thế giới. Khả năng của bê tông dự ứng lực trong việc chịu các áp lực cao đã cho phép nó được sử dụng trong các kết cấu chứa của các nhà máy điện hạt nhân.

Các tháp cao và mảnh cho truyền hình, vi ba hay truyền thanh là các dạng kết cấu thường được xây dựng bằng bê tông dự ứng lực. Tháp CN ở Toronto, được làm bằng bê tông dự ứng lực với các cáp có chiều dài đến 450 m. Kết cấu này cần 1000 tấn thép dự ứng lực.

Tháp CN thành phố Toronto ở Canada cao 553m

Việc khai thác dầu và khí ở dưới sâu dưới đáy biển đòi hỏi phải có các giàn đỡ lớn. Hiện nay có rất nhiều kết cấu giàn khoan có chiều cao hơn 100 m, trong số đó có khoảng hàng chục kết cấu làm bằng bê tông dự ứng lực. Các kết cấu này đã được thiết kế cho chiều cao mực nước đến 330 m.

Do các các bộ phận của các kết cấu này phải được chở nổi đến địa điểm lắp đặt. Nên trọng lượng là một vấn đề quan trọng. Do đó, người ta đã sử dụng các cấu kiện bê tông cường độ cao có mặt cắt nhỏ.

SO SÁNH BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC VỚI BÊ TÔNG CỐT THÉP

Sự khác biệt quan trọng nhất giữa hai loại kết cấu này chính là việc sử dụng vật liệu cường độ cao cho bê tông dự ứng lực. Để khai thác được thép cường độ cao thì buộc phải sử dụng dự ứng lực. Việc kéo căng cốt thép và neo chúng vào bê tông sẽ tạo ra các trạng thái ứng suất và biến dạng mong muốn để qua đó, giảm thiểu hoặc triệt tiêu vết nứt trong bê tông.

Nhờ đó, toàn bộ mặt cắt của kết cấu bê tông dự ứng lực trở thành mặt cắt có hiệu. Trong khi đó, ở kết cấu bê tông cốt thép thường chỉ một phần mặt cắt là có hiệu.

Việc sử dụng các cốt dự ứng lực có quỹ đạo cong sẽ giúp chịu thêm lực cắt. Ngoài ra, dự ứng lực trong bê tông có xu hướng làm giảm ứng suất kéo chính và qua đó, làm tăng sức kháng cắt trong các cấu kiện.

Do đó, để chịu cùng một lực cắt, mặt cắt bằng bê tông dự ứng lực có thể nhỏ hơn mặt cắt bằng bê tông cốt thép thường. Vì lý do này, các mặt dạng chữ I có thành bụng mảnh hay được sử dụng trong các kết cấu bê tông dự ứng lực.

Bê tông cường độ cao vốn được coi là không kinh tế khi sử dụng trong các kết cấu bê tông cốt thép thường lại được mong muốn. Thậm chí, bắt buộc trong kết cấu bê tông dự ứng lực. Các cấu kiện có mặt cắt mảnh bằng bê tông cường độ cao không dự ứng lực đòi hỏi nhiều cốt thép thường dù vẫn không tránh được nứt và có độ cứng nhỏ.

Trong khi đó, việc sử dụng bê tông cường độ cao trong các kết cấu dự ứng lực cho phép tạo lực dự ứng lực lớn. Qua đó, làm tăng khả năng chống nứt cũng như độ cứng và từ đó, làm giảm kích thước mặt cắt.

Tuy nhiên, mỗi dạng kết cấu đều có điểm mạnh và điểm yếu khác nhau. Phần sau đây sẽ so sánh bê tông dự ứng lực và bê tông cốt thép thường ở các phương diện tính khai thác, độ an toàn và tính kinh tế.

Tính khai thác.

Kết cấu bê tông dự ứng lực thích hợp với kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng lớn. Kết cấu bê tông dự ứng lực mảnh nên dễ phù hợp với các yêu cầu mỹ quan. Cho phép tạo ra các khoảng tịnh không lớn. Bê tông dự ứng lực ít bị nứt và có khả năng phục hồi đóng vết nứt khi tải trọng đi qua.

Độ võng do tĩnh tải nhỏ nhờ độ vồng được tạo ra bởi dự ứng lực. Độ võng do hoạt tải cũng nhỏ do mặt cắt có hiệu không nứt có độ cứng lớn hơn hai đến ba lần mặt cắt đã nứt. Kết cấu bê tông dự ứng lực thích hợp hơn với kết cấu lắp ghép do có trọng lượng nhỏ hơn.

Trong một số trường hợp, kết cấu có yêu cầu trọng lượng và khối lượng lớn. Và khi này bê tông dự ứng lực không có lợi thế. Kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép sẽ thích hợp hơn.

Độ an toàn.

Khó có thể nói rằng, dạng kết cấu này là an toàn hơn dạng kết cấu khác. Độ an toàn của một kết cấu phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế và xây dựng hơn là dạng của nó. Tuy nhiên, đặc tính an toàn có tính kế thừa của bê tông dự ứng lực cũng cần được nêu lên ở đây.

Trong quá trình tạo dự ứng lực, cả bê tông và cốt dự ứng lực đã được thử nghiệm. Ở nhiều kết cấu, trong quá trình tạo dự ứng lực, cả bê tông và cốt dự ứng lực đã phải chịu các ứng suất lớn nhất trong cả cuộc đời của chúng. Do đó, nếu vật liệu đã vượt qua được quá trình tạo dự ứng lực. Chúng có đủ khả năng để chịu các tác động trong quá trình khai thác.

Nếu được thiết kế phù hợp bởi các phương pháp thiết kế hiện nay. Kết cấu dự ứng lực có khả năng chịu các vượt tải bằng hoặc hơi cao hơn kết cấu bê tông cốt thép thường. Với các thiết kế thông thường, chúng có độ võng lớn trước khi bị phá hoại. Kết cấu bê tông dự ứng lực cũng có khả năng chịu các tác động va chạm.

Tác động lặp tương tự như kết cấu bê tông cốt thép thường. Khả năng chống rỉ của bê tông dự ứng lực cao hơn của bê tông cốt thép thường do chúng ít bị nứt và chất lượng của bê tông được dùng trong kết cấu dự ứng lực cao hơn.

Tuy nhiên, nếu xuất hiện vết nứt, tác động của rỉ lên kết cấu bê tông dự ứng lực nghiêm trọng hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thường. Thép chịu ứng suất cao trong các kết cấu bê tông dự ứng lực nhạy với các tác động hoả hoạn hơn cốt thép thường.

So với kết cấu bê tông cốt thép thường, kết cấu bê tông dự ứng lực đòi hỏi phải cẩn thận hơn trong thiết kế và xây dựng. Do vật liệu có cường độ cao hơn, mặt cắt nhỏ hơn, kết cấu mảnh hơn, v.v.

Tính kinh tế.

Dễ thấy rằng, kết cấu bê tông dự ứng lực sử dụng ít vật liệu hơn nhờ vật liệu có cường độ cao hơn. Cốt thép đai trong kết cấu bê tông dự ứng lực cũng được sử dụng ít hơn. Do sức kháng cắt của bê tông cao hơn và cốt dự ứng lực xiên góp phần chịu lực cắt.

Việc làm giảm kích thước mặt cắt dẫn đến làm giảm tĩnh tải và chiều cao kiến trúc. Dẫn đến việc tiết kiệm vật liệu ở các bộ phận khác của kết cấu. Ở các kết cấu lắp ghép, dự ứng lực làm giảm khối lượng vận chuyển.

Mặc dù có các lợi thế kinh tế trên, kết cấu bê tông dự ứng lực cũng không phải là có thể được sử dụng hợp lý cho mọi trường hợp. Trước hết, vật liệu cường độ cao có đơn giá cao hơn. Kết cấu dự ứng lực đòi hỏi nhiều thiết bị và vật liệu phụ trợ hơn như neo, ống gen, vữa bơm, v.v.

Hệ thống ván khuôn cũng tốn kém hơn do mặt cắt của các cấu kiện dự ứng lực thường phức tạp hơn. Trong thiết kế cũng như thi công kết cấu bê tông dự ứng lực, trình độ nhân công đòi hỏi cao hơn.

Công tác giám sát trong thi công dự ứng lực cũng cần được thực hiện chu đáo, tỉ mỉ hơn. Các chi phí bổ sung còn có thể phát sinh phụ thuộc vào kinh nghiệm của kỹ sư và công nhân.

Từ những vấn đề nêu trên có thể rút ra kết luận là kết cấu bê tông dự ứng lực sẽ là kinh tế. Đặc biệt khi áp dụng cho các kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng lớn. Và khi công tác thiết kế và thi công được thực hiện bởi các kỹ sư và công nhân có kinh nghiệm. Kết cấu này cũng được coi là kinh tế khi được chế tạo ở dạng lắp ghép hay bán lắp ghép.