Vấn đề nứt trong kết cấu bê tông cốt thép cao tầng
Hiện tượng nứt trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường và ứng suất trước (do tải trọng gây ra), các yếu tố ảnh hưởng đến bề rộng khe nứt, nguyên lý tính toán bề rộng khe nứt theo một số tiêu chuẩn thiết kế, ảnh hưởng của nó đến độ cứng kết cấu. Một số nhận xét và kiến nghị khi xét đến ảnh hưởng của nứt trong kết cấu BTCT cao tầng.
1. Nứt trong kết cấu BTCT
Hiện tượng nứt kết cấu BTCT đặc biệt đối với các kết cấu cao tầng thường gây lo ngại cho chủ đầu tư và người sử dụng công trình mặc dù khi tính toán khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn, các lý thuyết tính toán ở cả phương Đông và phương Tây thường bỏ qua sự làm việc của bê tông ở vùng chịu kéo, chỉ xét đến sự làm việc của cốt thép chịu lực. Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam và Tiêu chuẩn kết cấu bê tông TCVN 5574:1991 đều quy định giới hạn bề rộng khe nứt khi tính toán kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn 2. Song thực tế tính toán thiết kế hiện nay thường bỏ qua bước tính toán kiểm tra sự hình thành vế nứt và bề rộng khe nứt của kết cấu/cấu kiện. Khi các vết nứt ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu, hay làm giảm độ bền lâu của kết cấu, cần thiết phải xử lý hay gia cường để tránh xảy ra sự cố công trình.. Ngược lại, trong nhiều trường hợp hiện tượng nứt kết cấu có thể chấp nhận được mà không đòi hỏi xử lý hay gia cường bổ sung nào do kết quả tính toán kiểm tra khả năng chịu lực thực tế của kết cấu hoặc kết quả thí nghiệm thử tải kết cấu cho thấy kết cấu đảm bảo các yêu cầu chịu lực theo thiết kế. Vì vậy, việc xét đến ảnh hưởng của nứt trong tính toán thiết kế kết cấu là cần thiết nhằm tránh các sự cố nảy sinh do nứt kết cấu hoặc có thể tránh được việc xử lý kết cấu không cần thiết khi phát hiện thấy hiện tượng nứt nhưng nằm trong giới hạn cho phép của quy chuẩn, tiêu chuẩn.
Hai vấn đề nứt liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu BTCT cao tầng là: (1) Tính năng sử dụng (bao gồm bề rộng khe nứt lớn nhất, mật độ vết nứt và sự ăn mòn cốt thép, (2) ảnh hưởng của nứt đến sự suy giảm độ cứng kết cấu/cấu kiện.
Nứt trong các kết cấu/cấu kiện BTCT thường được xếp loại theo nguyên nhân gây nứt:
Có 5 loại nứt chính:
(1) Các vết nứt do uốn ở dầm/sàn BTCT thường hay BTCT ứng lực trước (ƯLT);
(2) Các vết nứt xiên do uốn – cắt;
(3) Các vết nứt tách dọc theo cốt thép chủ ở dầm hay tại các vùng neo ở kết cấu ƯLT;
(4) Các vết nứt do nhiệt độ co ngót và
(5) Các vết nứt do lún gây ra
Nhiều nghiên cứu đã thống nhất rằng, có thể có một số đặc điểm giống nhau trong cơ chế hình thành các vết nứt ở các kết cấu/cấu kiện, nhưng các nghiên cứu về sự bắt đầu và phát triển của các vết nứt chưa thực sự thoả mãn yêu cầu của tính toán thiết kế.
Ở đây chúng tôi chủ yếu tập trung đến các vấn đề nứt ở các dầm/sàn BTCT thường hay ƯLT do tải trọng và tác động gây ra. Có hai vấn đề nứt kết cấu, bao gồm tính năng sử dụng và sự suy giảm độ cứng kết cấu. Bề rộng khe nứt lớn nhất và mật độ vết nứt liên quan đến tính năng sử dụng (vì sự xuất hiện vết nứt gây cảm giác khó chịu và bất an đối với người sử dụng công trình và khả năng ăn mòn cốt thép chịu lực ảnh hưởng đến độ bền lâu của kết cấu/cấu kiện). Sự suy giảm độ cứng của kết cấu/cấu kiện do bị nứt ít khi được xét đến khi phân tích nội lực và biến dạng kết cấu.
Ngoài ra, các giới hạn về nứt trong kết cấu BTCT thường và ƯLT cũng là vấn đề được thảo luận, mặc dù trong TCVN 5574: 1991 đã quy định tương đối rõ về giới hạn bề rộng khe nứt lớn nhất (thường nhỏ hơn 0,30mm đối với kết cấu BTCT sử dụng thường (được che phủ), nhỏ hơn 0,15mm đối với kết cấu BTCT sử dụng thép cường độ cao (ƯLT).
Có ít nghiên cứu đưa ra ảnh hưởng của bề rộng khe nứt tới sự ăn mòn các thanh thép trong bê tông, hay khả năng chống cháy do sự tăng nhiệt độ. Các nghiên cứu về ăn mòn chỉ xem xét đến ảnh hưởng của các yếu tố như độ thấm của bê tông, môi trường khắc nghiệt, gần như bỏ qua ảnh hưởng của nứt.
Các vấn đề khác như mật độ và sự phân bố vết nứt chưa được đề cập trong tiêu chuẩn TCVN về BTCT hiện hành. Các quy định cụ thể như giới hạn bề rộng khe nứt do cắt, xoắn chưa được trình bày trong tiêu chuẩn này.
2. Các yếu tố ảnh hưởng tới bề rộng khe nứt
Bề rộng khe nứt do uốn phụ thuộc vào các yếu tố hình học/cấu tạo và tải trọng (bao gồm cả ảnh hưởng của môi trường), Bề rộng khe nứt bé đio tại vị trí gặp các thanh cốt thép (dọc) trong cấu kiện BTCT và mở rộng theo bề mặt của cấu kiện. Vì vậy chiều dày lớp bê tông bảo vệ và khoảng cách giữa các thanh cốt ảnh hưởng tới bề rộng khe nứt. Các thanh thép nên được bố trí đều và tương đối gần với hai mặt bên và mặt đáy của dầm.
Tải trọng và tác động ảnh hưởng lớn tới bề rộng khe nứt và sự phân bố vết nứt.Bề rộng khe nứt tỷ lệ thuận với ứng suất kéo (trung bình) trong cốt thép (fs). Sự phân bố và bề rộng của các khe nứt phụ thuộc vào sự thay đổi moment uốn dọc theo chiều dài cấu kiện.
Quan hệ tải trọng – thời gian cũng ảnh hưởng tới sự phát triển của các vết nứt, ví dụ: tải trọng lặp đi lặp lại hay tác dụng kéo dài làm tăng bề rộng khe nứt, mặc dù các ảnh hưởng này ít quan trọng hơn đối với các nhà cao tầng so với các loại kết cấu khác như cầu hay nhà công nghiệp.
Mục đích nghiên cứu về nứt là phải giải thích được ảnh hưởng của các yếu tố hình học/cấu tạo và tải trọng/tác động tới khoảng cách và bề rộng các khe nứt. Từ đó, có thể phát triển được các công thức đủ chính xác, đơn giản khi xét đến ảnh hưởng nứt kết cấu trong tính toán thiết kế.
Nghiên cứu về nứt do uốn có thể dựa trên các giả thuyết sau: (1) Bề rộng khe nứt có thể lấy bằng tích số của khoảng cách giữa các vết nứt và sự chênh lệch biến dạng giữa cốt thép và bê tông. (2) Khoảng cách giữa các vết nứt bằng tổng hai thành phần, trong đó một thành phần tỷ lệ với chiều dày lớp bê tông bảo vệ, thành phần kia tỷ lệ với tỷ số giữa diện tích bê tông vùng chịu kéo và chu vi các thanh cốt thép chịu kéo, (3) Biến dạng (strain) trung bình dọc teo thanh cốt thép tỷ lệ với ứng suất kéo của cốt thép tính tại tiết diện bị nứt.
3. Nứt trong dầm BTCT thường
Có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về nghiên cứu tính toán bề rộng khe nứt và khoảng cách giữa các vết nứt trong dầm BTCT. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khi tải trọng tác dụng lên dầm BTCT tăng, số lượng các vết nứt tăng, cùng với khoảng cách giữa các vết nút bé đi. Tuy nhiên, khi tải trọng lớn hơn một giá trị nhất định thì số lượng các vết nứt không tăng thêm, khoảng cáh giữa các vết nứt cũng hầu như không đổi, các vết nứt chỉ mở rộng hoặc kéo dài. Bề rộng khe nứt tại vị trí đặt cốt thép tăng khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ và biến dạng trung bình trong cốt thép tăng; bề rộng khe nứt cũng tăng lên khi chiều cao vùng chịu nén bi giảm đi (hay khi (h-x) tăng lên, h-chiều cao dầm, x – chiều cao vùng chịu nén).
Theo tiêu chuẩn Anh BS 8110, bề rộng khe nứt được xác định theo công thức sau:
(1)
Trong đó:
Wcr – bề rộng khe nứt tại bề mặt bê tông.
acr– khoảng cách từ vị trí khe nứt đến thanh cốt thép gần nhất;
εm – Biến dạng trung bình tại vị trí (cao trình) vết nứt xem xét.
Cmin – Chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu.
BS 8110 quy định bề rộng khe nứt lớn nhất của kết cấu/cấu kiện được che phủ là 0,40mm.
Tiêu chuẩn ACI 318 cuảt Mỹ quy định bề rộng khe nứt được tính theo công thức sau, dựa trên các kết quả nghiên cứu của Gergely và Lutz, ở Đại học Cornell, Hoa Kỳ:
Wcr = 0.091 * z (2)
(3)
Trong đó:
dc – chiều dày lớp bê tông bảo vệ đo từ bề mặt bê tông đến trọng tâm của thanh cốt téhp gần nhất (in)
A- diện tích phần bê tông xung quanh thanh cốt thép (in2)
Wcr – bề rộng khe nứt (in), fs (ksi)
ACI 318 quy định bề rộng khe nứt lớn nhất của kết cấu/ cấu kiện được che phủ là 0,40mm.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574: 1991 kiến nghị bề rộng khe nứt thẳng góc với trục dọc của cấu kiện là an được xác định theo công thức (4):
an = KCη (70-20* P) (4)
Trong đó:
k=1.0,
C=1.0 (đối với tải trọng tác dụng ngắn hạn),
C= 1.5 (đối với tải trọng tác dụng dài hạn hay lặp đi lặp lại),
P= tỷ số phần trăm của cốt thép dọc chịu kéo đối với diện tích làm việc của tiết diện bê tông.
d- đường kính cột thép dọc chịu kéo.
Ea và σa – module đàn hồi và ứng dụng suất trong cốt thép chịu kéo.
TCVN 5574: 1991 quy định bề rộng khe nứt lớn nhất của kết cấu/cấu kiện được che phủ là 0.35mm.
TCVN 5574: 2018 quy định bề rộng khe nứt lớn nhất của kết cấu/cấu kiện được che phủ là 0.3mm.
Khác với tiêu chuẩn Anh và tiêu chuẩn Mỹ, bề rộng khe nứt xác định theo tiêu chuẩn là không phụ thuộc vào yếu tố bề dày lớp bê tông bảo vệ.
4. Trong dầm bê tông ƯLT
Dầm BTCT ƯLT ở trạng thái giới hạn sử dụng bình thường về cơ bản không cho phép xuất hiện vết nứt. Tuy nhiên, có thể cho phép nứt trong dầm bê tông ƯLT bán phần (partially prestressed), dầm bê tông ƯLT không bám dính căng sau, hoặc trong một số trường hợp đặc biệt vượt tải.
Tiêu chuẩn Anh BS 8110 quy định 3 cấp đối với cấu kiện BTCT ƯLT, trong đó với cấp 3 (class 3- thường áp dụng kết cấu ƯLT căng bán phần) cho phép có vết nứt có bề rộng nhỏ hơn 0.10mm khi môi trường xung quanh rất khắc nghiệt và nhỏ hơn 0.20mm đối với môi trường bình thường.
Giáo sư Leonhardt kiến nghị giới thiệu giới hạn bề rộng khe nứt lớn nhất đối với kết cấu/cấu kiện BTCT ƯLT là 0.10mm.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574: 1991 quy định đối với kết cấu/cấu kiện bình thường sử dụng thép cường độ cao, đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 3mm, làm việc ở nơi che phủ, bề rộng khe nứt lớn nhất nhỏ hơn 0.15mm.
5. Ảnh hưởng của nứt đến độ suy giảm độ cứng kết cấu
Do ảnh hưởng của nứt, độ cứng của kết cấu/cấu kiện BTCT bị suy giảm so với khi không bị nứt. Sự suy giảm về độ cứng so với khi không bị nứt rất lớn khi kết cấu bắt đầu bị nứt. Sự suy giảm này (so với độ cứng của kết cấu (bị nứt trước đó) ít đi nhiều khi cácvết nứt phát triển. Một điều cần chú ý là, khi các vết nứt phát triển dọc theo chiều dài dầm, giả thiết tiết diện không bị nứt và giả thiết bị nứt đều không thoả mãn khi tính toán dầm (một số tiêu chuẩn kiến nghị giả thiết tiết diện bị nứt bán phần (partially cracked section), ví dụ BS 8110: 1997).
Các nghiên cứu của Mỹ cho thấy, đối với các dầm có hàm lượng cốt thép bình thường, khi phân tích dưới tác dụng của tải trọng tính toán (factored loads), độ cứn 0.5*Eluc (Eluc– độ cứng của dầm không bị nứt), độ cứng của cột lấy bằng 0.8*ELuc. Ngoài ra, độ cứng kết cấu cũng bị ảnh hưởng bởi hiện tượng vi nứt (micro – cracking). Một số nghiên cứu cho thấy nếu có hiện tượng vi nứt (vết nứt không nhìn thấy được bằng mắt thường), độ cứng kết cấu có thể giảm đến 2 lần.
Tuy nhiên, tất cả các điều nêu trên đều chưa được quan tâm đúng mức khi phân tích nội lực và chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng tiêu chuẩn (trạng thái giới hạn sử dụng bình thường/trạng thái giới hạn thứ 2) và tải trọng tính toán(trạng thái giới hạn cưc hạn/trạng thái giới hạn thứ nhất) trong thực tế thiết kế ở nước ta hiện nay mặc dù các phần mềm tính toán kết cấu thông dụng như SAP 2000 đều có cửa sổ để thực hiện điều
này thông qua hệ số thay đổi độ cứng. Như vậy, khi phân tích kết cấu, ảnh hưởng nứt đến đô cứng cấu kiện sẽ làm thay đổi lại nội lực trong kết cấu.
Kết quả phân tích một khung BTCT cao tầng của một công trình cụ thể cho thấy, moment của dầm trên mái khi xét đến suy giảm độ cứng kết cấu do nứt (độ cứng của dầm lấy bằng 0.5 độ cứng dầm khi không bị nứt) là M = 759tm nhỏ hơn moment của dầm này M = 867tm khi không xét đến ảnh hưởng nứt là 12%. Sự giảm độ cứng của dầm tăng khả năng ngàm của dầm ngang với cột so với dầm không bị nứt, dẫn đến moment tại giữa nhịp dầm trong trường hợp có xét đến sự suy giảm độ cứng do nứt nhỏ hơn so với trường hợp không bị nút.
6. Một số nhận xét và kiến nghị
Nứt trong các dầm BTCT là hiện tượng bình thường. Các dầm BTCT có thể bị nứt ở cấp tải trọng nhỏ hơn tải trọng tiêu chuẩn, trong một số trường hợp có thể bị nứt do co ngót ngay trước khi chịu tải.Hiện tượng nứt do uốn thường khó tránh được, song lại tạo điều kiện cho cốt thép chịu kéo làm việc hiệu quả. Điều quan trọng là bề rộng khe nứt phải nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn hay quy phạm thiết kế áp dụng.
Giới hạn về bề rộng khe nứt của tiêu chuẩn TCVN 5574: 1991 chủ yếu tập trung vào vấn đề ăn mòn kết cấu, trong khi đó quan điểm về chống ăn mòn kết cấu lại gắn với chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Công thức tính bề rộng khe nứt của tiêu chuẩn Việt Nam chưa đề cập đến ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ như trong các tiêu chuẩn của Anh và Mỹ. Ngoài ra, cũng cần có quy định về sự cho phép có vết nứt và giới hạn bề rộng khe nứt đối với kết cấu bê tông ƯLT (căng bán phần, bám dính hay không bám dính) để dễ áp dụng khi thiết kế các loại kết cấu này. Mật độ các vết nứt, các giới hạn riêng về nứt do cắt, xoắn, vết nứt tại các con-son hầu như chưa được đề cập trong các tiêu chuẩn BTCT. Những vấn đề này cần có các nghiên cứu và khảo sát để có các quy định cụ thể, có thể áp dụng trong thiết kế kết cấu cao tầng.
Sự suy giảm độ cứng kết cấu do nứt cần được nghiên cứu thêm sao cho viêc phân tích nội lực hay chuyển vị trong kết cấu đảm bảo an toàn và đúng với sự làm việc thực của kết cấu. Đối với kết cấu thấp tầng hay nhịp bé, có thể vấn đề này không quan trọng, nhưng sẽ có những ảnh hưởng đáng kể đối với kết cấu cao tầng, siêu cao tầng hay kết cấu nhịp lớn.
(Nguồn tin: T/C Sài Gòn đầu tư & Xây dựng, số 11/2006)
Lời kết
Vừa rồi là những thông tin quan trọng về nứt bê tông nhà cao tầng. Nếu công trình của quý khách đang cần kiểm định nứt bê tông hoặc gặp sự cố thi công ngoài ý muốn thì hãy liên hệ với Kiểm Định & Giám Định Xây Dựng Miền Nam ngay. Với đội ngũ kỹ sư dày dặn kinh nghiệm, công ty cam kết đem lại chất lượng và giá trị kinh tế cao nhất cho quý khách hàng!
Thông tin liên hệ
CTY TNHH KIỂM ĐỊNH & GIÁM ĐỊNH XÂY DỰNG MIỀN NAM
Địa chỉ: 240 đường 14, phường Phước Bình, TP Thủ Đức, TPHCM
Email: info.kiemdinhmiennam@gmail.com
Điện thoại: 0868393098
