Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: Prof. Robert J. Frosch
Môn học: Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép Nâng Cao Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Chương 12: KIỂM SOÁT NỨT TRONG BTCT CHỊU UỐN
Chương 12: KIỂM SOÁT NỨT TRONG BTCT CHỊU UỐN
12.1 KHÁI QUÁT:
Kiểm soát nứt là một vấn ñề quan trọng bởi hai lý do chính, thẩm mỹ và ñộ bền.
Thứ nhất, các vết nứt rộng làm giảm giá trị diện mạo kết cấu và cũng có thể gây
cảnh báo với công luận rằng kết cấu hình như có vấn ñề. Thứ hai, các vết nứt rộng
có thể gây cho ñộ bền công trình các vấn ñề không tốt. Vết nứt cung cấp một con
ñường ñể không khí, nước, và clo tiếp xúc nhanh với cốt thép, mà có thể dẫn ñến sự
ăn mòn và làm hư hỏng kết cấu. ðể chống ăn mòn, nhiều kỹ sư ñã qui ñịnh rõ lớp bê
tông bảo vệ dày hơn mà cả kết quả nghiên cứu và thực tế ñã kiểm chứng ñúng. Tuy
nhiên ñã phát hiện rằng phương pháp thiết kế chống nứt thông thường, thường ñược
xem như là phương pháp
z-factor (Mỹ), không thể thực hiện ñược thiết kế với lớp
bảo vệ dày hơn.
Các nghiên cứu ñã ñược thực hiện ñể khảo sát vai trò chống nứt của lớp bê tông bảo
vệ và ñể cung cấp các công cụ kiểm soát nứt trong các kết cấu có lớp bảo vệ dày
hơn. Frosch ñã phát triển một phương pháp tính toán chiều rộng nứt dựa trên hiện
tượng vật lý. Ngoài ra, một phuơng pháp thiết kế ñề nghị mới ñược trình bày mà rốt
cuộc dẫn những thay ñổi trong tiêu chuẩn xây dựng mới
ACI 318-99.
ðể áp dụng ñúng phương pháp thiết kế mới này, quan trọng là biết rõ cơ sở lý luận
phát triển phương pháp ñó cũng như các giới hạn áp ñặt trên nó. Ví dụ như trong
ACI 318-99 các ñiều khoản này không dành cho thiết kế kết cấu ở các môi trường
khắc nghiệt
hay thiết kế chống thấm. Ở ñây trình bày các giới hạn và cung cấp các
công cụ áp dụng
phương pháp thiết kế mới cho các kết cấu chuyên dụng. Ngoài ra,
việc kiểm soát nứt
kết cấu dùng vật liệu gia cường mới cũng ñược khảo sát chi tiết.

= khoảng cách khe nứt f
s
= ứng suất thép
E
s
= mô ñun ñàn hồi thép
12.2.1 Biểu ñồ biến dạng: (ε)
ðể xác ñịnh
chiều rộng khe nứt (w
c
) trên bề mặt dầm, cần loại bỏ gradian biến dạng.
Trong
hình 2, gradian biến dạng ñược trình bày với giả thiết rằng các mặt phẳng vẫn
phẳng sau khi biến dạng.
Chiều rộng khe nứt tính theo công thức (12-1) có thể ñược
nhân với
hệ số khuyếch ñại (β) tính ñến gradian biến dạng. Hệ số β ñược tính bằng:
cd
ch
1
2
−
−
=
ε
ε
=β
(12-2)

Hình 2: Biểu ñồ biến dạng (ε).

= hệ số khoảng cách nứt = 1,0 cho khoảng cách nứt nhỏ nhất = 1,5 cho khoảng cách nứt trung bình = 2,0 cho khoảng cách nứt lớn nhất
12.2.3 Kiểm soát khe nứt:
Dựa trên mô hình vật lý, phương trình tính
chiều rộng khe nứt max là :
4
s
d
E
f
2w
2
2
c
s
s
c
+β=
(12-4)
Phương trình này có thể xắp xếp lại ñể tìm khoảng cách cốt thép cho phép max (s):
2
c

s
= ứng suất của thép d
c
= lớp bêtông bảo vệ ñáy ño từ tâm thép thấp nhất
Với bề rộng nứt tới hạn và ứng suất thép cho trước,
khoảng cách thép có thể ñược vẽ
như
hàm số của lớp bê tông bảo vệ. Ứng suất thép dùng trong phương trình (12-5)
tương ứng với ứng suất thực của thép mà ñiển hình là ứng suất do tải sử dụng gây
ra. Một cách khác, ứng suất bằng
60 % giới hạn chảy thép (f
y
) xem như tương ứng
với tải trọng sử dụng.
Hệ số
β thay ñổi khi lớp bảo vệ tăng. Dựa trên quan sát ñánh giá các tiết diện thay
ñổi lớp bảo vệ, giá trị hệ số
β ≈ 1,0 + 0,08d
c
ñược xem như là tiên ñoán hợp lý.
Cao học: Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Bài giảng: Prof. Robert J. Frosch
Môn học: Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép Nâng Cao Biên dịch: PhD Hồ Hữu Chỉnh
Chương 12: KIỂM SOÁT NỨT TRONG BTCT CHỊU UỐN

Hình 4: Kết quả thiết kế nứt (thép có f
y
= 60 ksi).
Hình 4 ở trên ñược vẽ cho thép có giới hạn chảy f
y
=

12.3 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỦA FROSCH
:
Dựa trên việc xem xét từ mô hình vật lý, Frosch ñã ñề nghị một ñường cong thiết kế
ñơn giản
ñược vẽ trong hình 4 ñể tính khoảng cách thép max theo công thức (12-6)
dưới ñây:
s
s
c
s
12
3
d
212s α≤






α
−α=
(12-6)
với:
c
s
s
f
36
γ=α

ñầu và tạo ra phương trình thiết kế trong tiêu chuẩn
ACI 318-99 như sau (xem phần
10.6.4):








≤−=
s
c
s
f
36
12c5,2
f
540
s
(12-7)
với:
s = khoảng cách tâm-ñến-tâm cốt thép chịu kéo khi uốn gần thớ chịu kéo ngoài cùng
nhất (
inch
),
khi chỉ có một thanh thép gần thớ chịu kéo ngoài cùng nhất,
s là chiều rộng của
mặt chịu kéo ngoài cùng.


d
b
=

1”)

ñể so sánh. Có thể thấy rằng phương trình thiết kế này mô tả hợp lý
khoảng cách thép cho một loạt chiều dày bê tông bảo vệ trong lúc vẫn
giữ bề rộng
khe nứt trong miền giá trị cho phép
ñã bàn luận ở trên ([w
c
]

=

0,4-0,5 mm).
Hai giả thuyết chính ñược dùng cho phương pháp của Frosch và phương pháp ACI.
Những giả thiết này có thể xác nhận giới hạn của hai phương pháp trong một số ứng
dụng thiết kế. ðầu tiên,
kiểm soát nứt ñược dựa trên bề rộng khe nứt xấp xĩ 0,016”

(0,4mm) tại mặt ñáy dầm
. Xét ñộ phân tán hiện hữu trong nứt (chú ý rằng phạm vi
phân tán của bề rộng khe nứt ñến 50%,
w
c,thực
= (0,5-1,5)w
c,tính