Tổng quan luận án
Công trình nghiên cứu chuyên đề tiến sĩ thuộc chuyên ngành Kết cấu xây dựng (mã số chuyên ngành: .04) do nghiên cứu sinh Hoàng Quang Nhu thực hiện tại Khoa Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Xây dựng dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Phan Quang Minh và TS. Lý Trần Cường, hoàn thành năm 2005 tại Hà Nội. Văn bản nghiên cứu mang tiêu đề "Tính tổn hao ứng suất trước do từ biến và co ngót của bê tông theo một số tiêu chuẩn" (tên phụ bìa: "Một số phương pháp tính tổn hao ứng suất trước do từ biến và co ngót của bê tông"), có khối lượng học trình quy định là 3 đơn vị học trình.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, công nghiệp và công trình cầu, kết cấu bê tông và bê tông cốt thép ứng suất trước đóng vai trò quan trọng nhờ tính ưu việt về khả năng chịu lực và hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, tính toán chính xác tổn hao ứng suất trước trong cốt thép căng luôn là bài toán trọng tâm và phức tạp. Giá trị tổn hao ứng suất thực tế nếu sai lệch so với tính toán thiết kế sẽ tác động trực tiếp đến độ bền (đặc biệt đối với kết cấu sử dụng cốt thép căng không bám dính), đồng thời ảnh hưởng nghiêm trọng đến trạng thái giới hạn sử dụng như chuyển vị, độ vồng, sự hình thành và phát triển vết nứt, cũng như độ an toàn tại các khu vực liên kết cấu kiện.
Khoảng trống kỹ thuật lớn nhất được tác giả xác định là:
- Các tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép truyền thống tại Việt Nam (như TCVN 5574-1991) và tiêu chuẩn Liên Xô trước đây chủ yếu áp dụng các công thức thực nghiệm dựa trên độ từ biến giới hạn cuối cùng. Cách tiếp cận này mang tính chất tĩnh, không mô tả được quy luật biến thiên của từ biến và co ngót theo trục thời gian thực tế.
- Việc tính toán tổn hao ứng suất sử dụng các hàm đặc trưng từ biến phụ thuộc thời gian trước đây gặp nhiều trở ngại do độ phức tạp của phương trình tích phân - vi phân; tuy nhiên sự phát triển của công cụ tính toán số hiện đại cho phép giải quyết triệt để vấn đề này nhưng chưa được hệ thống hóa và áp dụng đồng bộ vào tiêu chuẩn trong nước.
Mục tiêu nghiên cứu
- Hệ thống hóa và phân tích cơ sở lý thuyết xác định trạng thái ứng suất trong cấu kiện bê tông ứng suất trước chịu tác động của lực nén trước và tải trọng sử dụng ở thời điểm bất kỳ, có xét đến từ biến và co ngót.
- Tổng hợp, so sánh và phân tích đối chiếu phương pháp tính toán tổn hao ứng suất trước do co ngót và từ biến theo các hệ thống tiêu chuẩn thiết kế quốc tế (Nga, Australia, Hoa Kỳ, Anh).
- Đề xuất định hướng soát xét, bổ sung và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của Việt Nam nhằm phản ánh chính xác sự phát triển của từ biến và co ngót theo thời gian.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Trạng thái ứng suất - biến dạng và các thành phần tổn hao ứng suất trước trong cốt thép căng do hiện tượng từ biến (nhanh ban đầu và lâu dài) cùng hiện tượng co ngót của bê tông.
- Phạm vi không gian và tài liệu: Phân tích lý thuyết kết cấu chịu uốn, nén lệch tâm có một trục đối xứng, cốt thép kép không đối xứng; khảo sát các quy phạm thiết kế quốc tế bao gồm SNiP 2.03.01-84, SNiP 2.03-84* (Nga), AS 3600 (Australia), ACI 209R-92, ACI 435R-95, AASHTO Standard, AASHTO LRFD, tài liệu PCI-BDM, khuyến nghị của Ủy ban Tổn hao Ứng suất PCI 1975 (Hoa Kỳ) và BS 8110 (Anh).
- Phạm vi thời gian: Nghiên cứu phân tích quá trình làm việc dài hạn của cấu kiện từ thời điểm truyền ứng suất ban đầu, qua các mốc thời gian 2 tuần, 2-3 tháng, 1 năm đến 20 năm sử dụng.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tác giả đã điểm luận và kế thừa các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong nước và quốc tế về hiện tượng từ biến, co ngót và tổn hao ứng suất:
- Các nghiên cứu kinh điển của Liên Xô: Khung lý thuyết biến dạng của M. Ynuukun (Ulitskii, 1967) về việc giải bài toán quan hệ ứng suất - biến dạng theo thời gian cho cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước có tiết diện đối xứng một trục với cốt thép kép không đối xứng; các nghiên cứu của I. I. Ulitskii, N. Kh. Arutyunyan, P. I. Vasiliev, A. A. Gvozdev, K. S. Zavriev về lý thuyết từ biến tuyến tính và độ cứng cấu kiện; công trình của P. Dulinskas về thiết lập mối quan hệ giữa độ từ biến với độ cứng cấu kiện chịu uốn và tổn hao ứng suất.
- Các nghiên cứu tại Hoa Kỳ và châu Âu: Mô hình dự báo co ngót và từ biến của Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI 209R-92, ACI 435R-95); mô hình giải tích số phần tử hữu hạn của M. H. Bangash (1989) kết hợp ảnh hưởng của từ biến và co ngót; các công trình nghiên cứu của Dan E. Branson (1977) về biến dạng kết cấu bê tông; nghiên cứu của M. K. Tadros, Amin Ghali, Walter H. Dilger (1975, 1985) về tổn hao ứng suất theo thời gian sử dụng khái niệm mô đun đàn hồi có hiệu chỉnh tuổi dựa trên nền tảng lý thuyết của Trost (1967) và Z. P. Bažant (1972); các khuyến nghị tính toán của Ủy ban Tổn hao PCI (1975), Edward G. Nawy (2003), R. I. Gilbert (2005) về mô hình AS 3600.
- Tình hình nghiên cứu trong nước: Các nhà khoa học tại Trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Bộ Xây dựng và Bộ Giao thông Vận tải (Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống, Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Hữu Thành, Phan Quang Minh, Hoàng Quang Nhu) đã bước đầu đưa các lý thuyết từ biến và co ngót vào giáo trình và tiêu chuẩn ngành, song nghiên cứu trong nước chủ yếu dừng lại ở phân tích lý thuyết dựa trên tài liệu nước ngoài, chưa có điều kiện đầu tư nghiên cứu thực nghiệm sâu rộng.
Vị trí của luận án: Chuyên đề đóng vai trò cầu nối tổng hợp các phương pháp giải tích chính xác (phương pháp phương trình vi phân/tích phân) và phương pháp đại số đơn giản hóa, đồng thời phân loại chi tiết các triết lý tính toán tổn hao ứng suất trong các tiêu chuẩn lớn trên thế giới nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho công tác tiêu chuẩn hóa tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và các khái niệm sử dụng
Nghiên cứu vận dụng lý thuyết đàn hồi, lý thuyết từ biến tuyến tính của vật liệu bê tông và nguyên lý tương tác biến dạng giữa bê tông và cốt thép:
- Nguyên lý phân chia giai đoạn làm việc: Phân biệt rõ hai trạng thái ứng suất: (1) Trạng thái ứng suất do tác động của lực nén trước ngay sau khi buông cốt thép trên bệ hoặc căng trên bê tông; (2) Trạng thái ứng suất dưới tác dụng của tải trọng sử dụng dài hạn.
- Đặc trưng biến dạng theo thời gian: Biến dạng toàn phần của bê tông tại thời điểm $t$ bao gồm biến dạng đàn hồi tức thời, biến dạng từ biến và biến dạng co ngót. Biến dạng từ biến được chia thành từ biến nhanh ban đầu và từ biến dài hạn. Văn bản cung cấp số liệu thực nghiệm: tổng biến dạng từ biến ở thời điểm 20 năm thay đổi từ 1 đến 5 lần biến dạng đàn hồi tức thời (trung bình khoảng 3 lần), trong đó 1/4 xảy ra trong 2 tuần đầu, 1/4 xảy ra trong 2-3 tháng tiếp theo, 1/4 xảy ra trong vòng 1 năm đầu và 1/4 còn lại kéo dài trong nhiều năm sau.
- Khái niệm Mô đun đàn hồi có hiệu chỉnh tuổi: Áp dụng lý thuyết Trost - Bažant xác định mô đun biến dạng hiệu dụng $E_c''(t)$ có xét hệ số già hóa $\chi(t, t_i)$.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích giải tích (Phương pháp giải chính xác): Thiết lập hệ phương trình vi phân và tích phân cấp 1 từ các điều kiện cân bằng lực và điều kiện trùng biến dạng giữa bê tông và cốt thép ở các thớ mặt cắt. Nghiệm của hệ được giải dưới dạng tổng các hàm số mũ $C_1 e^{r_1 t} + C_2 e^{r_2 t} + C_3$.
- Phương pháp đại số hóa (Phương pháp đơn giản hóa): Chuyển đổi hệ phương trình tích phân chứa hàm biến dạng từ biến $\varepsilon_b(t) = \frac{\sigma_{b0}}{E_b}(1+\varphi_t) + \frac{\sigma_{bt}}{E_b}(1+\alpha \varphi_t)$ thành hệ phương trình đại số tuyến tính bậc nhất để xác định trực tiếp các số gia tổn hao ứng suất $\sigma_p, \sigma'_p$.
- Phương pháp so sánh, đối chiếu tiêu chuẩn: Khảo sát có hệ thống các công thức tính toán tổn hao tức thời và tổn hao dài hạn theo 4 trường phái tiêu chuẩn: Tiêu chuẩn Nga (SNiP), Tiêu chuẩn Úc (AS 3600), Tiêu chuẩn Mỹ (ACI, AASHTO, PCI) và Tiêu chuẩn Anh (BS 8110).
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Trạng thái ứng suất của cấu kiện ứng suất trước
Chương này trình bày chi tiết giải thuật xác định ứng suất trong bê tông và cốt thép của cấu kiện chịu nén lệch tâm phẳng có tiết diện đối xứng một trục, bố trí cốt thép kép không đối xứng gồm thép ứng suất trước ($A_{sp}, A'_{sp}$) và cốt thép thường ($A_s, A'_s$).
Mặt cắt tiết diện cấu kiện khảo sát:
- Trục đối xứng: 1 trục thẳng đứng
- Cốt thép căng trước: Asp (thớ dưới), A'sp (thớ trên)
- Cốt thép thường: As (thớ dưới), A's (thớ trên)
- Trọng tâm: O_b (bê tông thuần túy), O_s (tiết diện quy đổi với As, A's), O (toàn bộ tiết diện quy đổi)
1. Trạng thái ứng suất do lực nén trước (Giai đoạn 1)
- Khi căng trên bệ, hợp lực nén trước ban đầu:
$$N_{0sp} = N_{sp} + N'{sp} = \sigma{sp} A_{sp} + \sigma'{sp} A'{sp}$$
- Việc buông cốt thép dẫn đến nén đàn hồi tiết diện. Ứng suất ban đầu trong cốt thép căng có tính đến tổn hao do nén đàn hồi được tính bằng:
- Ở cốt thép phía dưới: $\sigma_{0sp} = \sigma_{sp} + n_1 \sigma_{bsp}$
- Ở cốt thép phía trên: $\sigma'{0sp} = \sigma'{sp} + n_1 \sigma'_{bsp}$
(Tác giả dẫn chứng tính toán chỉ ra sai lệch giữa phương pháp giải gần đúng và phương pháp giải đúng hệ phương trình trùng biến dạng không vượt quá 5%).
- Khi căng cốt thép trên bê tông, các biểu thức ứng suất nén trong bê tông ở các mức thớ $\sigma_{bsp}, \sigma'{bsp}, \sigma{bspm}, \sigma'_{bspm}$ được xác định qua các thông số hình học tiết diện quy đổi và đặc trưng độ lệch tâm.
2. Sự biến thiên ứng suất theo thời gian do từ biến
Tại thời điểm $t$, ứng suất trong cốt thép và bê tông biến thiên:
$$\sigma_{sp}(t) = \sigma_{0sp} + \sigma_p(t); \quad \sigma'{sp}(t) = \sigma'{0sp} + \sigma'p(t)$$
$$\sigma{bsp}(t) = \sigma_{bsp0} + \sigma_{bsp}(t); \quad \sigma'{bsp}(t) = \sigma'{bsp0} + \sigma'_{bsp}(t)$$
Tác giả đối chiếu hai phương pháp giải:
- Phương pháp 1 (Giải tích vi tích phân): Dưới giả thiết mô đun đàn hồi $E_b$ ổn định theo thời gian (dẫn liệu tác giả Nga [46] chứng minh sai số không đáng kể), thiết lập hệ hai phương trình vi phân:
$$\frac{d\sigma_p}{dt} + A_1 \sigma_p - B_1 \frac{d\sigma'p}{dt} = -A_1 \sigma{0sp}$$
$$\frac{d\sigma'_p}{dt} + A_2 \sigma'p - B_2 \frac{d\sigma_p}{dt} = -A_2 \sigma'{0sp}$$
Nghiệm tổng quát có dạng hàm mũ: $\sigma_p = C_1 e^{r_1 t} + C_2 e^{r_2 t} + C_3$.
- Phương pháp 2 (Đại số hóa): Biến đổi hệ phương trình tích phân thành phương trình đại số dựa trên quan hệ biến dạng từ biến đại diện. Nghiệm thu được:
$$\sigma_{bsp} = \frac{\sigma_{bsp0} A_1 B_2 + \sigma'_{bsp0} B_1}{1 - A_1 A_2}$$
Cách tiếp cận này đơn giản hóa đáng kể khối lượng tính toán nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy.
3. Trạng thái ứng suất do tải trọng sử dụng (Giai đoạn 2)
Dưới tác dụng của mô men uốn dài hạn $M$, vùng bê tông chịu nén và chịu kéo phát triển biến dạng từ biến, gây ra sự phân phối lại ứng suất tựa như một ngoại lực biến thiên theo thời gian. Lực nén tăng thêm ở vùng kéo và lực kéo tăng thêm ở vùng nén được xác định tương ứng:
$$N_p = \sigma_p A_{sp} + \sigma_s A_s; \quad N'_p = \sigma'p A'{sp} + \sigma'_s A'_s$$
Thiết lập hệ phương trình vi phân và đại số tương tự giai đoạn 1 để xác định các ứng suất bổ sung $\sigma_p, \sigma'p, \sigma_s, \sigma's, \sigma{bsdm}, \sigma'{bsdm}$.
Chương II: Tính toán tổn hao ứng suất trước do co ngót và từ biến của bê tông theo một số tiêu chuẩn nước ngoài
Chương II tổng hợp toàn diện các quy định và mô hình tính toán tổn hao ứng suất trước trong các hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế:
1. Tiêu chuẩn Nga (SNiP 2.03.01-84 và SNiP 2.03-84* - Cầu và cống)
Tính toán phân biệt rành mạch hai phương pháp căng và hai nhóm tổn hao (tổng tổn hao toàn bộ không được lấy nhỏ hơn 100 MPa):
- Căng cốt thép trên bệ:
- Tổn hao thứ nhất: do biến dạng neo, ma sát thiết bị uốn, chùng ứng suất cốt thép, chênh lệch nhiệt độ ($\Delta t$), biến dạng khuôn, từ biến nhanh ban đầu của bê tông.
- Tổn hao thứ hai: do co ngót và từ biến lâu dài của bê tông.
- Căng cốt thép trên bê tông:
- Tổn hao thứ nhất: do biến dạng neo, ma sát với thành ống hoặc bề mặt bê tông.
- Tổn hao thứ hai: do chùng ứng suất, co ngót và từ biến lâu dài, ép lõm bề mặt đai xoắn, biến dạng mối nối khối lắp ghép.
| Thành phần tổn hao |
Điều kiện áp dụng |
Giá trị tính toán quy định (MPa) |
| Chùng ứng suất (cơ học) |
Thép sợi
Thép thanh |
$0{,}22\sigma_{sp} - 40$
$0{,}1\sigma_{sp} - 20$ |
| Chùng ứng suất (nhiệt điện) |
Thép sợi
Thép thanh |
$0{,}05\sigma_{sp}$
$0{,}03\sigma_{sp}$ |
| Chênh lệch nhiệt độ ($\Delta t$) |
B15 - B40
$\ge$ B45 |
$1{,}25\Delta t$ (khi thiếu số liệu lấy $\Delta t = 65^\circ\text{C}$)
$1{,}0\Delta t$ |
| Biến dạng neo |
Căng trên bệ / Căng trên bê tông |
$\frac{\Delta l}{l}E_{sp}$ (tùy thuộc loại neo và số lượng đệm) |
| Từ biến nhanh ban đầu |
Bê tông khô cứng tự nhiên |
$\sigma_{bp} \cdot \alpha \cdot \beta$ với $\alpha = 0{,}25 + 0{,}025R_{bp} \le 0{,}8$; $\beta = 5{,}25 - 0{,}185R_{bp} \in [1{,}1; 2{,}5]$ |
| Co ngót của bê tông |
Bê tông nặng B15 - B40
Bê tông nặng $\ge$ B45
Bê tông nhẹ xốp |
Khô tự nhiên: 40 MPa; Dưỡng hộ nhiệt: 30 MPa
Khô tự nhiên: 60 MPa; Dưỡng hộ nhiệt: 50 MPa
Khô tự nhiên: 70 MPa; Dưỡng hộ nhiệt: 60 MPa |
| Từ biến lâu dài |
Bê tông nặng và nhẹ đặc |
$a \cdot \frac{\sigma_{bp}}{R_{bp}} \cdot \dots$ ($a=1{,}0$ khi khô tự nhiên; $a=0{,}85$ khi dưỡng hộ nhiệt) |
| Ép cục bộ đai xoắn ($d \le 3\text{m}$) |
Bề mặt ống/trụ |
$70 - 0{,}22d_{\text{ng}}$ ($d_{\text{ng}}$ tính bằng cm) |
| Nén khe nối bloc |
Khe nhồi bê tông
Ghép trực tiếp |
$\Delta l_i = 0{,}3\text{ mm}$
$\Delta l_i = 0{,}5\text{ mm}$ |
Các hệ số điều chỉnh theo SNiP: Khi biết trước thời gian chất tải, tổn hao nhân với hệ số $\varphi_t = \frac{t}{t + \dots}$; môi trường có độ ẩm không khí $< 40%$ thì tổn hao do co ngót và từ biến tăng thêm 25%.
2. Tiêu chuẩn Australia (AS 3600)
- Tổn hao tức thời: Bao gồm nén đàn hồi bê tông, trượt neo, ma sát dọc chiều dài cáp:
$$\sigma_{px} = \sigma_{p0} e^{-(\mu \theta + \beta L_x)}$$
- Tổn hao theo thời gian:
- Tổn hao do co ngót: $\Delta \sigma_{cs} = \varepsilon_{cs} E_s$, khi có cốt thép dọc kiềm chế: $\Delta \sigma_{cs} = \frac{\varepsilon_{cs} E_s}{1 + n\rho}$.
- Tổn hao do từ biến: Tính theo $\varepsilon_{cc} E_s = \varphi_{cc} \frac{E_s}{E_c} \sigma_{cp}$ (áp dụng khi ứng suất bê tông tại trọng tâm thép $\sigma_{cp} \le 0{,}5 f'_c$).
3. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ACI, AASHTO, PCI)
a) Mô hình ACI 209R-92
Dự tính biến dạng co ngót và hệ số từ biến tại thời điểm $t$:
$$\varepsilon_{sh}(t, t_0) = \frac{(t - t_0)}{f + (t - t_0)} \varepsilon_{shu}; \quad C_c(t, \tau) = \frac{(t - \tau)^{0{,}60}}{10 + (t - \tau)^{0{,}60}} C_u$$
Khi thiếu số liệu thực nghiệm địa phương, giá trị trung bình khuyến nghị: $C_u = 2{,}35 \gamma_c$ và $\varepsilon_{shu} = 780 \times 10^{-6} \gamma_{sh}$.
- Tiêu chuẩn thiết lập phương trình tổng quát xác định tổn hao theo phần trăm đối với dầm đơn (4 thành phần: đàn hồi, từ biến, co ngót, chùng thép) và dầm liên hợp (8 thành phần, xét chi tiết giai đoạn trước và sau khi đổ bê tông bản mặt cầu).
b) Tiêu chuẩn AASHTO Standard và AASHTO LRFD
- AASHTO Standard (1996): Đưa ra phương pháp tính chi tiết $\Delta f_s = SH + ES + CR_c + CR_s$ và phương pháp tính gộp cho dầm dùng bê tông 5000 psi là 45.000 psi (310 MPa).
- AASHTO LRFD: Đưa ra 3 phương pháp:
- Phương pháp tính gộp xấp xỉ: Áp dụng cho dầm chữ I căng trước thông qua hệ số tỷ lệ ứng suất trước $PPR = \frac{A_{ps} f_{py}}{A_{ps} f_{py} + A_s f_y}$.
- Phương pháp phân tích từng thành phần: Xác định riêng rẽ $\Delta f_{pES}, \Delta f_{pSR}, \Delta f_{pCR}, \Delta f_{pR2}$.
- Phương pháp sử dụng trực tiếp mô hình hàm từ biến: Tính toán theo từng bước thời gian.
c) Tài liệu thiết kế cầu của PCI (PCI-BDM)
Sử dụng mô đun đàn hồi có hiệu chỉnh tuổi theo Trost - Bažant:
$$E''c(t) = \frac{E_c(t_i)}{1 + \chi(t, t_i) C(t, t_i)}$$
Trong đó hệ số tuổi $\chi(t, t_i) = 0{,}7$ đối với bê tông chất tải sớm và bằng $0{,}8$ cho các trường hợp còn lại. Hệ số phục hồi tương tác cốt thép - bê tông $K{cr}$ được đưa vào để hiệu chỉnh độ chùng và tổn hao từ biến:
$$K_{cr} = \frac{1}{1 + \frac{E_s A_{ps}}{E''c A_c} \left(1 + \frac{A_c e^2{pt}}{I_c}\right)}$$
d) Khuyến nghị của Ban Tổn hao Ứng suất PCI (1975)
Quy trình chia thời gian tính toán tối thiểu thành 4 bước:
- Lúc truyền ứng suất trước.
- Từ khi truyền ứng suất đến lúc đặt tĩnh tải.
- Từ lúc đặt tĩnh tải đến thời điểm 1 năm.
- Từ 1 năm đến hết niên hạn công trình.
Tổn hao do từ biến $CR$ và co ngót $SH$ được hiệu chỉnh theo tỷ số thể tích trên diện tích bề mặt ($V/S$) qua các hệ số $SCF, SSF$ và tỷ lệ phát triển theo thời gian $PCR, PSH$:
| Thời gian sau khi truyền ứng suất (ngày) |
Tỉ lệ từ biến $AUC$ |
Tỉ lệ co ngót $AUS$ |
| 1 |
0,08 |
0,08 |
| 2 |
0,15 |
0,15 |
| 5 |
0,18 |
0,20 |
| 7 |
0,23 |
0,22 |
| 10 |
0,24 |
0,27 |
| 20 |
0,30 |
0,36 |
| 30 |
0,35 |
0,42 |
| 60 |
0,45 |
0,55 |
| 90 |
0,51 |
0,62 |
| 180 |
0,61 |
0,68 |
| 365 |
0,74 |
0,86 |
| Giới hạn cuối cùng |
1,00 |
1,00 |
Phương pháp đơn giản hóa của PCI: Cho phép tính gộp tổn hao tổng cộng $TL$ (ksi) đối với cấu kiện căng trước:
- Bê tông nhẹ: $TL = 17{,}5 + 20{,}4 f_{cs} - 4{,}8 f_{csd}$
- Bê tông thường: $TL = 19{,}8 + 16{,}3 f_{cs} - 5{,}4 f_{csd}$
(Áp dụng cho $V/S = 2{,}0\text{ in}$, cường độ lúc truyền lực $3500\text{ psi}$, cường độ 28 ngày $5000\text{ psi}$; hiệu chỉnh theo bảng khi tỷ số $V/S$ thay đổi từ $1{,}0$ đến $4{,}0\text{ in}$).
4. Tiêu chuẩn Anh (BS 8110)
Tiêu chuẩn BS 8110 hướng dẫn phương pháp xác định các đặc trưng từ biến và co ngót cơ bản của bê tông, tuy nhiên đối với việc tính toán tổn hao ứng suất cụ thể, tiêu chuẩn khuyến nghị kỹ sư tham khảo các tài liệu chuyên đề chuyên sâu hoặc dựa trực tiếp trên số liệu thí nghiệm chuyên biệt.
Chương III: Kết luận
Chương kết luận của chuyên đề tổng kết 4 nội dung nhận định chính:
- Công thức tính toán tổn hao do từ biến và co ngót theo tiêu chuẩn Nga (SNiP 2.03.01-84) là các công thức thực nghiệm không chứa biến số là hàm độ từ biến theo thời gian.
- Các tiêu chuẩn của Úc (AS 3600), Hoa Kỳ (ACI, AASHTO, PCI) và Châu Âu (EC-2) đã lượng hóa chi tiết các đặc trưng từ biến, co ngót thông qua các hàm số phụ thuộc thời gian và điều kiện biên thực tế.
- Độ tin cậy của việc dự tính tổn hao ứng suất trước phụ thuộc quyết định vào tính chuẩn xác của các số liệu thực nghiệm địa phương về vật liệu và môi trường khí hậu.
- Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-1991 biên soạn trên nền tảng tiêu chuẩn Liên Xô cũ cần thiết phải được soát xét, bổ sung và cập nhật các mô hình hàm thời gian hiện đại.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về mặt lý luận và học thuật
- Thiết lập hoàn chỉnh khung giải thuật kép: Làm rõ mối quan hệ giữa phương pháp giải chính xác (hệ phương trình tích - vi phân) và phương pháp giải tích đại số hóa trong việc xác định trạng thái ứng suất theo thời gian của cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước có tiết diện bất đối xứng chịu nén lệch tâm và chịu uốn.
- Hệ thống hóa bức tranh tiêu chuẩn quốc tế: Phân tích, so sánh có hệ thống sự khác biệt về mặt bản chất giữa hai trường phái tính toán tổn hao ứng suất: trường phái giải tích thực nghiệm tĩnh (SNiP của Nga, TCVN cũ) và trường phái hàm số động phụ thuộc thời gian (ACI, AASHTO, PCI, AS 3600).
Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng
- Cung cấp bộ công cụ biểu thức và bảng tra thực hành từ các tiêu chuẩn tiên tiến (đặc biệt là quy trình 4 bước và các bảng hệ số tích lũy theo thời gian $AUC, AUS$ của PCI 1975, phương pháp mô đun hiệu chỉnh tuổi của PCI-BDM) giúp kỹ sư trong nước có cơ sở tính toán chi tiết độ vồng, chuyển vị và tổn thất ứng suất ở các giai đoạn thi công khác nhau.
- Đưa ra cơ sở lý luận trực tiếp phục vụ công tác biên soạn, soát xét và hiệu chỉnh Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Việt Nam (thay thế hoặc bổ sung cho TCVN 5574-1991), khuyến nghị tiếp thu các thành tựu về mô hình hóa từ biến theo thời gian thực.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các nội dung văn bản được tác giả trình bày:
- Hạn chế về dữ liệu thực nghiệm: Chuyên đề chủ yếu tiến hành tổng quan và phân tích lý thuyết giải tích dựa trên các nguồn số liệu, công thức và kết quả thí nghiệm của nước ngoài; chưa tiến hành được các thí nghiệm đo đạc thực tế dài hạn về biến dạng từ biến và co ngót trên các cấp phối bê tông và cốt liệu nội địa tại Việt Nam do hạn chế về nguồn lực đầu tư thực nghiệm thời điểm năm 2005.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Cần triển khai các chương trình nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống tại các viện chuyên ngành và trường đại học để xác định các thông số từ biến giới hạn ($C_u$), co ngót giới hạn ($\varepsilon_{shu}$) và hệ số môi trường đặc thù của vật liệu cát, đá, xi măng tại các vùng khí hậu Việt Nam.
- Ứng dụng các thuật toán số và mô hình phần tử hữu hạn để lập trình tự động hóa bài toán phân tích phi tuyến dài hạn cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước theo thời gian.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là tài liệu chuyên khảo có giá trị kỹ thuật cao đối với:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kết cấu công trình, Xây dựng dân dụng và Cầu hầm tại các trường đại học khối kỹ thuật (Đại học Xây dựng, Đại học Giao thông Vận tải, Đại học Kiến trúc); cung cấp nền tảng toán học giải tích từ biến và cơ sở so sánh tiêu chuẩn quốc tế.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu: Làm tài liệu tham khảo chuyên sâu để tính toán chính xác tổn hao ứng suất, kiểm soát độ võng và vết nứt trong các dự án cầu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước khẩu độ lớn hoặc kết cấu nhà cao tầng sử dụng sàn dự ứng lực căng sau.
- Các cơ quan quản lý và ban biên soạn tiêu chuẩn: Bộ Xây dựng, Bộ Giao thông Vận tải trong việc định hướng soát xét, cập nhật hệ thống tiêu chuẩn quốc gia theo hướng hội nhập với các quy chuẩn thiết kế tiên tiến trên thế giới.
Câu hỏi thường gặp
1. Phân bố biến dạng từ biến của bê tông theo thời gian diễn ra như thế nào theo dữ liệu trong nghiên cứu?
Theo số liệu thực nghiệm được tác giả dẫn giải trong phần mở đầu, tổng biến dạng từ biến ở mốc thời gian 20 năm dao động từ 1 đến 5 lần biến dạng đàn hồi tức thời (trung bình khoảng 3 lần). Quy luật phân bố được chia thành 4 giai đoạn bằng nhau:
- 1/4 tổng biến dạng từ biến: Xảy ra trong 2 tuần đầu tiên ngay sau khi truyền ứng suất trước.
- 1/4 tiếp theo: Phát triển trong khoảng thời gian từ 2 đến 3 tháng sau đó.
- 1/4 tiếp theo: Xảy ra trong vòng 1 năm đầu.
- 1/4 còn lại: Diễn ra chậm rãi và tích lũy trong nhiều năm tiếp theo của niên hạn công trình.
2. Sự khác biệt cốt lõi giữa tiêu chuẩn Nga (SNiP) và tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ACI/AASHTO/PCI) trong tính toán tổn hao ứng suất là gì?
- Tiêu chuẩn Nga (SNiP 2.03.01-84): Áp dụng các biểu thức thực nghiệm giải tích tĩnh, các đại lượng tổn hao không chứa tham số trực tiếp là hàm độ từ biến phụ thuộc thời gian $C(t)$, do đó không cho phép xác định chính xác tổn hao tức thời tại một ngày $t$ bất kỳ trong quá trình sử dụng nếu không có thêm giả định phụ.
- Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ACI 209R-92, AASHTO LRFD, PCI): Đưa hàm biến dạng co ngót $\varepsilon_{sh}(t)$ và hàm hệ số từ biến $C(t)$ phụ thuộc tường minh vào trục thời gian vào phương trình tính toán tổn hao, cho phép phân tích tích lũy tổn hao theo từng bước thời gian thi công và khai thác.
3. Mô đun đàn hồi có hiệu chỉnh tuổi trong phương pháp của PCI-BDM được xác định như thế nào?
Theo tài liệu thiết kế cầu của PCI (dựa trên nghiên cứu của Tadros, Trost và Bažant), mô đun đàn hồi có hiệu chỉnh tuổi $E''_c(t)$ được tính theo công thức:
$$E''_c(t) = \frac{E_c(t_i)}{1 + \chi(t, t_i) C(t, t_i)}$$
Trong đó $E_c(t_i)$ là mô đun đàn hồi của bê tông tại thời điểm truyền ứng suất $t_i$; $C(t, t_i)$ là hệ số từ biến tại thời điểm xác định; hệ số tuổi $\chi(t, t_i)$ được khuyến nghị lấy bằng $0{,}7$ khi chất tải sớm và bằng $0{,}8$ cho các trường hợp còn lại.
4. Quy trình tính toán tổn hao theo Ban Tổn hao Ứng suất PCI (1975) chia làm mấy bước?
Quy trình khuyến nghị tối thiểu gồm 4 bước thời gian:
- Xác định tổn hao tại thời điểm truyền lực ứng suất trước ban đầu.
- Xác định tổn hao trong khoảng thời gian từ lúc truyền ứng suất đến khi đặt tĩnh tải.
- Xác định tổn hao từ thời điểm đặt tĩnh tải đến mốc thời gian 1 năm.
- Xác định tổn hao từ thời điểm 1 năm đến hết thời hạn sử dụng thiết kế của kết cấu.
Kết luận
Chuyên đề tiến sĩ của NCS. Hoàng Quang Nhu là công trình nghiên cứu lý thuyết chuyên sâu và hệ thống hóa toàn diện bài toán tính toán tổn hao ứng suất trước do co ngót và từ biến của bê tông. Tác giả đã làm rõ giải thuật toán học từ hệ phương trình vi tích phân đến phương pháp đại số hóa đơn giản, đồng thời phân tích chi tiết các quy phạm tính toán của Nga, Australia, Hoa Kỳ và Anh. Kết quả nghiên cứu đã chỉ rõ tính tất yếu của việc ứng dụng các mô hình từ biến phụ thuộc thời gian, đóng góp cơ sở lý luận quan trọng cho việc biên soạn và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước tại Việt Nam.
