Như bạn có thể đã biết, kiểm tra Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS) cho biết kết cấu có thể chịu được bao nhiêu tải trọng trước khi bị phá hoại. Điều này có nghĩa là các hiệu ứng tải trọng được cân bằng bởi một cặp nội lực trên cánh tay đòn.
Không quan trọng đó là bê tông ứng suất trước hay bê tông cốt thép thường. Với cùng lượng thép có cùng giới hạn chảy, kết cấu ứng suất trước và kết cấu bê tông cốt thép thường chịu được cùng một tải trọng trước khi đạt đến khả năng chịu lực. Ứng suất nén bổ sung trong bê tông ứng suất trước không giúp kết cấu chịu lực lâu hơn. Vậy thì điều gì khiến nó được đánh giá cao đến vậy?
Hãy xem xét kỹ hơn
Bằng cách tạo ứng suất trước, chúng ta thêm ứng suất nén vào bê tông, làm thay đổi đáng kể ứng xử của vật liệu. Sự hình thành vết nứt bị trì hoãn vì dự trữ ứng suất chống lại tải trọng ban đầu. Với các gia tải tiếp theo, bê tông đạt đến trạng thái giải nén. Sau đó, bê tông chịu kéo cho đến khi vượt quá cường độ chịu kéo.
Do đó, sự hình thành vết nứt xảy ra muộn hơn nhiều so với bê tông cốt thép thường. Ngoài ra, sự phát triển vết nứt cũng chậm hơn với cùng tải trọng và chiều rộng vết nứt nhỏ hơn trong bê tông ứng suất trước. Điều này quan trọng vì liên quan đến sự ăn mòn của cốt thép. Nhưng nó cũng liên quan đến độ cứng của kết cấu. Độ cứng cao hơn của kết cấu ứng suất trước dẫn đến biến dạng nhỏ hơn.
Trong hình dưới đây, bạn có thể thấy so sánh lý thuyết giữa các cấu kiện ứng suất trước và cốt thép thường chịu lực kéo dọc trục bên ngoài. Giả sử các tao cáp và cốt thép được làm từ cùng loại thép với cùng giới hạn chảy. Lượng thép cũng tương đương nhau. Sự khác biệt duy nhất là các tao cáp được căng trước.
- Trạng thái 1 - Gia tải đầu tiên được áp dụng. Bê tông ứng suất trước sử dụng dự trữ ứng suất. Bê tông cốt thép thường cũng chịu lực cho đến khi vượt quá cường độ chịu kéo.
- Trạng thái 2 - Khi cường độ chịu kéo trong bê tông cốt thép thường bị vượt quá, vết nứt xuất hiện. Lúc đó, hệ số sử dụng của cốt thép tăng lên, cùng với biến dạng. Trong khi đó, trong bê tông ứng suất trước, dự trữ ứng suất vẫn còn chống lại các tác động.
- Trạng thái 3 - Khi cường độ chịu kéo trong bê tông ứng suất trước bị vượt quá, vết nứt xuất hiện. Lúc đó, hệ số sử dụng của cốt thép tăng lên, cùng với biến dạng, tương tự như bê tông cốt thép thường.
- Trạng thái 4 - Giới hạn chảy của thép bị vượt quá.
Điều này ngụ ý rằng về mặt lý thuyết, sự sụp đổ sẽ xảy ra đồng thời đối với cả hai kết cấu. Nói cách khác, ứng suất nén bổ sung không ảnh hưởng đến các kiểm tra ULS.
Ngược lại, các vết nứt đáng kể và biến dạng sẽ xảy ra sớm hơn nhiều với cùng tải trọng trong kết cấu bê tông cốt thép thường so với kết cấu ứng suất trước. Và do đó, thiết kế sẽ không thỏa mãn các kiểm tra Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS).
Cũng cần đề cập rằng ngoài các ưu điểm trên của bê tông ứng suất trước, chúng ta có thể ảnh hưởng đến sự phân bố nội lực thông qua vị trí của các cấu kiện ứng suất trước. Điều này được sử dụng rộng rãi trong trường hợp kết cấu căng sau.
Lý thuyết trong thực tiễn
Hãy kiểm tra xem logic này tương ứng như thế nào với kết quả trong ứng dụng IDEA StatiCa. Chúng ta sẽ quan sát hai ví dụ trong IDEA StatiCa Detail. Ví dụ đầu tiên là dầm căng trước, và ví dụ thứ hai giống hệt ngoại trừ không có ứng suất trước.
Trái với trường hợp lý thuyết, cấu kiện hiện cũng chịu mô men uốn. Chúng ta sẽ thấy biến dạng lớn hơn nhiều ngay trước khi sụp đổ. Ngoài ra, nguyên tắc vẫn giữ nguyên.
IDEA StatiCa Detail
Hình dưới đây cho thấy hệ số sử dụng của bê tông, cốt thép và tao cáp. Cả hai kết cấu đều có thể truyền tải trọng được áp dụng. Như chúng ta đã dự đoán, các kiểm tra ULS, ngay cả đối với dầm bê tông cốt thép thường, đều đạt với hệ số sử dụng tương tự.
Sự khác biệt đáng kể xảy ra với các kiểm tra SLS.
Vết nứt phát triển nhiều hơn trong bê tông cốt thép thường, và như đã đề cập trước đó, điều này ảnh hưởng đến độ cứng của kết cấu và do đó ảnh hưởng đến biến dạng.
Tại sao tôi cần biết điều này?
Cần nhấn mạnh rằng đây là một ví dụ lý thuyết. Trong thực tế, chúng ta không thể gia cường cấu kiện bằng cốt thép có cùng đặc tính. Ngoài ra, nó cũng sẽ không hoạt động do các tiêu chí về Trạng thái giới hạn sử dụng. Vậy tại sao điều này lại quan trọng?
Hiểu đúng về ứng xử của bê tông ứng suất trước giúp đơn giản hóa việc sử dụng nó. Điều quan trọng là có thể quyết định xem nên tăng lực ứng suất trước hay thêm tao cáp căng trước/cáp DƯL căng sau. Hoặc điều chỉnh thiết kế.
Với kiến thức đúng đắn, ứng suất trước giúp chúng ta vượt qua những khoảng cách lớn hơn với ít vật liệu hơn và với các hình dạng thanh thoát hơn. Dù trong kỹ thuật dân dụng, trong trường hợp cầu (chủ yếu là thiết kế bê tông căng sau), hay trong kỹ thuật kết cấu, trong trường hợp dầm ứng suất trước và sàn căng sau.
Ứng dụng nào phù hợp để thiết kế ứng suất trước?
Để thiết kế các cấu kiện ứng suất trước tổng quát (căng trước hoặc căng sau), bạn có thể sử dụng IDEA StatiCa Beam application. Ứng dụng này cung cấp giải pháp bao gồm các giai đoạn thi công và tính toán tổn thất ứng suất trước.
Chúng tôi khuyến nghị sử dụng IDEA StatiCa Detail application và không chỉ cho các vùng gián đoạn.