XEM XÉT BÊ TÔNG NỨT TRONG THIẾT KẾ LIÊN KẾT KHOAN CẤY

Agamoni Das

Thời lượng đọc: < 5 phút

Article

Bê tông nứt có ý nghĩa gì trong thiết kế liên kết khoan cấy?

Bề mặt bê tông màu xám nhạt với kết cấu tinh tế, xuất hiện các vết ố nhẹ và những vết nứt nhỏ, tạo nên phông nền công nghiệp trung tính.

Bê tông nứt có ý nghĩa gì trong thiết kế liên kết khoan cấy?

1. BÊ TÔNG NỨT LÀ GÌ?

Joseph Monier, một người làm vườn người Pháp vào thế kỷ 19, là người đầu tiên phát minh bê tông cốt thép. Sau đó, G. A. Wayss, một kỹ sư xây dựng người Đức, đã cải tiến và ứng dụng công nghệ này vào thực tế, góp phần hoàn thiện hệ thống cốt thép của Monier.

Sau đó, bê tông cốt thép được phát triển thành một công nghệ xây dựng hoàn chỉnh, trong đó thép có nhiệm vụ chịu lực kéo, còn bê tông chịu lực nén.

Bê tông có khả năng chịu lực nén rất tốt nhưng lại chịu lực kéo kém. Khi bị kéo, bê tông dễ xuất hiện các vết nứt (Hình 1.1). Bê tông nứt là loại bê tông đã xuất hiện các vết nứt do tác động của lực bên trong hoặc bên ngoài, với kích thước vết nứt thường từ 0,1 – 0,3 mm. Những vết nứt này có thể xuất hiện do tải trọng công trình, sự giãn nở do nhiệt độ, hiện tượng co ngót, từ biến hoặc các tác động từ môi trường xung quanh.

Bề mặt bê tông màu xám nhạt với kết cấu tinh tế, các vết ố mờ và những vết nứt nhỏ, tạo nên một phông nền công nghiệp trung tính.

Hình 1.1: Vết nứt trong công trình bê tông cũ

Do bê tông có khả năng chịu kéo kém, cốt thép được sử dụng để chịu lực kéo trong kết cấu bê tông khi có vết nứt. Khả năng chịu nén của bê tông không bị ảnh hưởng bởi các vết nứt, và ứng suất được phân bố tuyến tính (Hình 1.2). Khi xuất hiện vết nứt, ứng suất kéo tại đỉnh nứt tăng cao, trong khi vùng bị nứt giảm về 0. Tuy nhiên, giữa các vết nứt, bê tông vẫn chịu được một phần ứng suất kéo nhờ liên kết giữa bê tông và cốt thép, và ứng suất này sẽ giảm dần khi khoảng cách đến vết nứt xa hơn.

Theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện nay, cốt thép phải được bố trí sao cho bề rộng vết nứt do tải trọng thông thường (tức là tải trọng bản thân cộng với một phần tải hoạt tải) không vượt quá 0,3 mm – 0,4 mm. Trong trường hợp công trình chịu tải trọng đặc biệt như động đất, vết nứt có thể rộng hơn, lên đến 0,5 mm – 0,8 mm.

Sơ đồ minh họa hiện tượng uốn trong bê tông cốt thép, với vùng chịu nén ở phía trên và vết nứt xuất hiện ở vùng chịu kéo phía dưới, kèm theo biểu đồ ứng suất–biến dạng cho trạng thái chưa nứt và đã nứt.

Hình 1.2: Phân bố ứng suất kéo và nén trong bê tông cốt thép

2. TẠI SAO BÊ TÔNG NỨT LÀ YẾU TỐ QUAN TRỌNG TRONG THIẾT KẾ LIÊN KẾT BU-LÔNG NEO?

2.1. Ảnh hưởng của vết nứt đến hiệu suất của liên kết

Các điều kiện tải trọng khác nhau trên kết cấu bê tông tạo ra các vùng chịu kéo khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất của bu-lông tùy thuộc vào vị trí lắp đặt (Hình 2.1).

Sơ đồ so sánh vùng chịu kéo của dầm và vị trí đặt bu lông neo dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều và tải trọng tập trung, thể hiện dạng biến dạng uốn, vùng mô men và các vị trí lắp đặt bu lông neo được khuyến nghị.

Hình 2.1: Các vùng chịu kéo khác nhau và vị trí lắp đặt bu-lông

Khi bê tông bị nứt, các vết nứt thường cắt ngang hoặc đi sát vị trí bu-lông (Hình 2.2). Điều này làm ảnh hưởng đến sự phân bố lực bên trong bê tông, đặc biệt là ứng suất hướng tâm (Hình 2.4a).

Nguyên nhân của hiện tượng này là do lực kéo lớn tập trung xung quanh thân bu-lông, gây ra ứng suất tiếp khi chịu tác động của tải trọng. Bên cạnh đó, lỗ khoan cũng là một yếu tố làm tăng sự tập trung ứng suất, dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực cục bộ của bê tông (Hình 2.3a).

Bên cạnh đó, bê tông ở khu vực xung quanh thân bu-lông có nguy cơ bị nứt cao do quá trình lắp đặt bu-lông làm giảm độ bền của vật liệu tại khu vực này (Hình 2.3b).

Hình minh họa liên kết khoan cấy bằng keo trong bê tông nứt khi chịu tải, cho thấy sự xuất hiện của vết nứt trong bê tông, nguy cơ dịch chuyển (trượt) của thanh neo và các vùng tập trung ứng suất quanh lỗ khoan và neo cấy.

Hình 2.4 b) minh họa tính đặc trưng của quan hệ tải trọng – chuyển vị trong bê tông nứt và bê tông chưa nứt khi chịu tải kéo. Trong bê tông chưa nứt, chuyển vị nhỏ hơn nhiều so với bê tông nứt và khả năng chịu tải cũng cao hơn.

Một phân tích chi tiết về ứng xử của các liên kết trong bê tông nứt và bê tông chưa nứt đã được Eligehausen et.al. ghi nhận trong tài liệu [1].

Sơ đồ so sánh sự phân bố ứng suất và quan hệ tải trọng – chuyển vị của các liên kết neo trong bê tông nứt và bê tông không nứt, cho thấy khả năng chịu lực bị suy giảm khi bê tông xuất hiện vết nứt.

Hình 2.4: Ảnh hưởng của vết nứt xung quanh liên kết.

Tác động của vết nứt trong bê tông đến khả năng chịu lực kéo và chuyển vị của liên kết khoan cấy được trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1: Khả năng chịu kéo của liên kết trong bê tông nứt

Bảng so sánh hiệu suất của neo hóa chất và neo cơ khí trong bê tông nứt, minh họa sự giảm hiệu quả liên kết bám dính cũng như tác động của các vết nứt đến cơ chế giãn nở và khả năng chịu lực của neo.

2.2. Đánh giá khả năng làm việc của liên kết trong bê tông nứt

Các tiêu chuẩn của châu Âu và Hoa Kỳ đưa ra các bài kiểm tra để đánh giá khả năng chịu lực của liên kết khi bê tông có vết nứt với độ rộng nhất định. Chương trình thử nghiệm mẫu theo EAD 330232 [2] và AC 193 [3] đối với bu-lông nở khoan cấy được trình bày trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2: Đánh giá liên kết trong bê tông nứt theo EAD 330232 và AC 193

Bảng liệt kê các thử nghiệm đánh giá khả năng làm việc của neo trong bê tông nứt, bao gồm các thử nghiệm kéo cơ bản, kiểm tra độ bền vững (robustness checks) và thử nghiệm chu kỳ đóng/mở vết nứt, với các độ rộng vết nứt được quy định cụ thể.

Các độ rộng vết nứt trong thử nghiệm được xác định dựa trên nghiên cứu thực tế khi vết nứt xuất hiện trong các công trình xây dựng. Những nghiên cứu này xem xét vết nứt khi công trình ở trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) và trạng thái giới hạn cường độ (ULS), như minh họa trong Hình 2.5 và Hình 2.6.

Hai biểu đồ cột thể hiện phân bố độ rộng vết nứt đo được dưới tải trọng làm việc (SLS) và tải trọng tới hạn (ULS), so sánh các bộ dữ liệu và cho thấy độ rộng vết nứt lớn hơn khi chịu tải cao hơn.

Hoạt tải (live load) có thể ảnh hưởng lớn đến sự hình thành và phát triển vết nứt tại vị trí bu-lông. Khi công trình chịu các chu kỳ tải trọng chu kỳ, vết nứt có thể mở rộng và phát triển rộng hơn (Hình 2.7). Điều này làm giảm khả năng chịu lực của bu-lông, khiến bu-lông có thể bị lỏng hoặc biến dạng nhiều hơn, làm giảm độ an toàn của liên kết.

Mặc dù bu-lông có thể bị chuyển vị khi vết nứt đóng mở, nhưng theo thử nghiệm theo chu kỳ (Hình 2.8) vết nứt có chuyển vị tối đa không được vượt quá 3 mm sau 1000 chu kỳ, tương ứng với tuổi thọ thiết kế 50 năm. Nếu công trình được thiết kế để sử dụng 100 năm, số chu kỳ thử nghiệm sẽ cần tăng lên để đảm bảo độ bền.

Các hình minh họa quá trình vết nứt mở rộng và khép lại dưới tải trọng lặp, cùng với thiết lập thí nghiệm chu kỳ vết nứt, thể hiện cách lực kéo gây ra sự mở rộng của vết nứt trong khi các lực phục hồi giúp kéo các mép vết nứt khép lại.

3. QUY ĐỊNH TIÊU CHUẨN VỀ BÊ TÔNG NỨT TRONG THIẾT KẾ LIÊN KẾT

Tiêu chuẩn EN 1992-4 (Mục 4.5 và 4.7) và ACI 318 (Mục 17.10.5.4) khuyến nghị rằng khi thiết kế bu-lông khoan cấy, cần giả định bê tông sẽ bị nứt, trừ khi có bằng chứng rõ ràng cho thấy bê tông sẽ không bị nứt trong suốt vòng đời của công trình (ví dụ: kết cấu luôn chịu nén dưới tải trọng vĩnh viễn).

Ngoài ra, EN 1992-4 cũng đưa ra phương pháp xác định bê tông không nứt trong thiết kế bu-lông khoan cấy, được thể hiện trong phương trình (4.4).

Phương trình quy định rằng tổng ứng suất trong bê tông không được vượt quá ứng suất kéo cho phép, kèm theo các định nghĩa về ứng suất do tải trọng, ứng suất do biến dạng bị kìm hãm và ứng suất cho phép.

Theo EN 1992-4 mục 9.2.2 và ACI 318 mục R17.10.5.4, khi thiết kế liên kết chịu động đất, cần giả định rằng bê tông sẽ bị nứt. Ngoài ra, theo EN 1992-4 mục D.1, các liên kết chịu tác động của hỏa hoạn cũng phải có chứng nhận ETA (European Technical Assessment) để đảm bảo khả năng sử dụng trong bê tông nứt.

Trong thực tế, rất khó để đảm bảo rằng bê tông nền sẽ luôn không bị nứt trong mọi trường hợp. Vì vậy, khuyến nghị thiết kế tất cả các liên kết khoan cấy (post-installed anchors) dựa trên điều kiện bê tông nứt nhằm đảm bảo an toàn và độ bền lâu dài.

Các phương trình trong EN 1992-4 được sử dụng để tính toán khả năng chịu lực của liên kết khi chịu lực kéo, đồng thời cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa bê tông nứt và bê tông không nứt (Bảng 3.1).

So sánh tỷ lệ suy giảm sức kháng của neo trong bê tông nứt và không nứt theo từng cơ chế phá hoại.

4. CÁCH THIẾT KẾ LIÊN KẾT CHO BÊ TÔNG NỨT?

Phần mềm thiết kế kết cấu PROFIS Engineering của Hilti là một nền tảng trực tuyến dễ sử dụng, giúp thiết kế liên kết khoan cấy cho cả bê tông nứt và bê tông không nứt.

Khi nhập thông tin thiết kế, tại mục "Base Material" (Vật liệu nền), người dùng cần chọn bê tông nứt. Dựa trên các yêu cầu về tải trọng, điều kiện bê tông nứt và các yếu tố kỹ thuật liên quan, phần mềm sẽ đề xuất các phương án thiết kế liên kết bu-lông khoan cấy (post-installed anchors) sao cho phù hợp.

Người dùng có thể chọn phương án tối ưu, thực hiện thiết kế và chạy phân tích để kiểm tra kết quả (Hình 4.1).

Chi tiết về phương pháp thiết kế từng bước trong PROFIS Engineering được trình bày đầy đủ trong Hilti Steel-to-Concrete Handbook [9].

Ảnh chụp màn hình phần mềm thiết kế neo (anchor) hiển thị tùy chọn lựa chọn bê tông nứt hoặc không nứt, mô hình neo 3D kèm kích thước chi tiết và danh sách các giải pháp neo Hilti được khuyến nghị.

Hình 4.1: Lựa chọn bê tông nứt và các liên kết khuyến nghị cho thiết kế.

5. KẾT LUẬN

Trong thực tế, bê tông thường bị nứt, và các vết nứt thường xuất hiện ở khu vực lắp đặt liên kết. Điều này có thể làm giảm khả năng chịu tải hoặc gây ra chuyển vị đáng kể.

Chúng tôi khuyến nghị luôn thiết kế liên kết với giả định rằng bê tông sẽ bị nứt, trừ khi có bằng chứng chắc chắn rằng bê tông không chịu lực kéo, chẳng hạn như các liên kết nhẹ trên cấu kiện bê tông dự ứng lực.

Để đảm bảo an toàn và độ bền lâu dài, nên sử dụng các liên kết đã được kiểm định cho bê tông có vết nứt. Các sản phẩm không được chứng nhận cho điều kiện này có thể không đảm bảo độ tin cậy cần thiết.

Để bắt đầu thiết kế, truy cập: https://profisengineering.hilti.com/

Tài LIỆU THAM KHẢO

[1]	R. Eligehausen, R. Mallee and J. Silva, Anchorage in Concrete Construction, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 2006.
[2]	EOTA EAD 330232-01-0601: Mechanical fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2021.
[3]	AC 193: ACCEPTANCE CRITERIA FOR MECHANCIAL ANCHORS IN CONCRETE ELEMENTS, ICC Evaluation Service, 2009.
[4]	K. Bergmeister, Stochastic in fixing technology based on realistic influenced parameters, PhD Thesis, Germany: University of Innsbruck, 1988.
[5]	P. Schiessl, Crack influence of the durability of reinforced and prestressed concrete components. Schriftenreihe des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 1986.
[6]	R. Eligehausen and A. Bozenhardt, Crack widths as measured in actual structures and conclusions for the testing of fastening elements., Germany: Univeristy of Stuttgart, Institute of Construction Materials, 1989.
[7]	EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.
[8]	ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete, Farmington Hills: American Concrete Institute, 2019.
[9]	S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.