Chương I KHÁI NIỆM CHUNG
1.1 KHAI NIEM VE BETONG COT THEP
Bêtông cốt thép (BTCT) là loại vật liệu hỗn hợp, trong đó bêtơng có khả năng
chịu kéo và tính đẻo thấp được phối hợp cùng với cốt thép có khả năng chịu kéo và
tính đẻo cao Thông thường, cốt thép được gia công đặt vào ván khuôn trước khi hỗn hợp bêtơng đóng rắn Cốt thép được bé tri tại những vùng bêtông xuất hiện ứng suất kéo có thể gây ra những vết nứt có bê rộng vượt quá giới hạn cho phép
Bêlơng có thể được đuy trì ứng suất nén trước nhằm nâng cao khả năng chịu
lực, hạn chế độ võng, vết nứt đối với kết cầu bêtơng cốt thép
Để tìm hiểu vai trò của cốt thép trong cấu kiện bêtông cốt thép, ta khảo sát sự
làm việc của một dầm được làm từ vật liệu bêtông và bêtông cốt thép chịu tác
dụng của cùng ngoại lực như được minh họa ở hình 1.1
% P P R << | | yo Lo | a | | Se oy = Ry _ () P P og ccR, | Lư TT [4 —L_—_——È„``—|
| Ada os=Rs — n/ — „3y
(b)
Hinh 1.1 Dam béténg: (a) Khơng cốt thép; (b) Có bêtông cốt thép
Trang 2
- Trường hợp dâm không đặt cốt thép (trwéng hop a): khi tăng lực tác dung P thì ứng suất trong bêtông tăng lên, khi ứng suất kéo Ø, trong bêtông vùng kéo vượt quá khả năng chịu kéo của bêtông R,,, thi vết nứt xuất hiện và phát triển,
sau đó dầm bị phá hoại ngay khi ứng suất nén Ø, trong bêtông vùng nén còn khá
bé so với khả năng chịu nén tối đa của bêtông #, Do đó, đầm chỉ chịu được tải
trọng ? khá nhỏ, trong khi chưa tận dụng hết khả năng chịu nén của bêtông - Trường hợp dam đặt cốt thép (trường hợp b): nêu đặt một lượng cốt thép
thích hợp vào vùng bêtơng chịu kéo thì ứng suất kéo Ø, sẽ được lượng cốt thép
nảy tiếp nhận Dâm có thể chịu được tải trọng lớn hơn P cho đến khi ung suất nén trong bêtông o, đạt đến khả năng chịu nén tối đa của bêtông #, và ứng suất kéo trong cốt thép ơ, đạt đến khả năng chịu kéo tối đa của cốt thép #®, Điều đó cho thấy: đầm bêtơng có cốt thép có thể chịu được tải trọng 'P lớn hơn nhiều lần so với dầm bêtông không cốt thép có cùng cấp độ bền và kích thước hình hợc
Mặt khác cốt thép cũng chịu nén tốt nên có thể đặt thép vào cả vùng chịu nén để tăng khả năng chịu lực của vùng bêtông chịu nén trong cấu kiệu chịu
uốn, chịu nén hoặc để chịu các lực kéo xuất hiện ngẫu nhiên Thực tẾ bêtông và cốt thép có thể cùng làm việc được với nhau là nhờ các nguyên nhân chính
như sau: :- - |
e Lực dính giữa bêtơng và cốt thép: Bêtông khi ninh kết thì dính chặt với cốt
thép nên ứng lực có thể truyền từ bê(ông sang cốt thép và ngược lại, giúp khai thác
hết khả năng chịu lực của cốt thép, hạn chế bề rộng khe nứt của cấu kiện bêtông
e Giữa bêtông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học Đồng thời, bêtơng
còn bao bọc cốt thép, bảo vệ cốt thép chống lại các tác dụng ăn mịn của mơi
trường (tạo nên các phản ứng kiềm, trung hịa q trình oxy hóa cốt thép) Tuy vậy, khi thi công kết cấu bêtông có dùng phụ gia (hóa dẻo, đông cứng nhanh )
- cần phải cần thận vì các phụ gia này có thể gây ra phản ứng hóa học bắt lợi
e Hệ số giãn nở vì nhiệt của bêtông và cốt thép là gần như nhau (bÊêtông a, =1x10° +1,5x10°va thép ø, =1,2x10”), do vậy khi nhiệt độ thay đổi
bêtông và cốt thép có cùng biến dạng, không xuất hiện các ứng suất làm phá hoại
lực dính giữa bêtông và cốt thép |
1.2 PHAN LOAI BETONG COT THÉP
1.2.1 Theo bién phap thi cong
_- Bêtông cốt thép toàn khối: Khi thi công người ta tiến hành lắp ghép các loại
Trang 3(hình 1.2) Ưu và khuyết điểm của loại câu kiện được thi công theo phương pháp
-_ như sâu: | ) |
e Ưu điểm: Các cấu kiện liên kết toàn khối nên hệ kết cầu có độ cứng lớn,
chịu tải trọng động tốt, ngoài ra có thể chế tạo cầu kiện theo hình dáng bắt kỳ
e Nhược điểm: Tốn vật liệu làm khuôn đúc bêtông, hệ chống đỡ chịu lực
(ông, giăng, chống, đà, giáo ), khi thi công bị ảnh hưởng thời tiết, Hiện có nhiều biện pháp khắc phục các nhược điểm này bằng cách: sử dụng loại ván
khuôn luân chuyển, di động, hay ván khuôn trượt; dùng phụ gia giúp bêtông ninh kết nhanh, dùng bêtông thương phẩm sản xuất theo cấp phối tại nhà máy
Hình 1.2 Bêtơng cốt thép tồn khối tịa tháp Burj Khalifa (UAE) [1]
Trang 4==
Hinh 1.3 Bétong cét thép lắp ghép kết cấu nhà nhiễu tằng dé xe 6t6 [2]
- Bêtông cốt thép lắp ghép: Từng câu kiện bêtông cốt thép riêng biệt được chế tạo sẵn ở nhà máy hay sân bãi, rồi sau đó được vận chuyển, lắp ghép tại công trường thành các kết cầu chịu lực tại vị trí thiết kế (hình 1.3) Ưu và khuyết điểm của loại cầu kiện này như sau:
e Ưu điểm: Dé dàng cơng nghiệp hóa trong sản xuất, thi công xây dựng, tiết kiệm vật liệu làm ván khuôn, rút ngắn thời gian thi công, đảm bảo chất lượng sản phẩm bêtông cốt thép,
e Nhược điểm: Cần sử dụng các phương tiện vận chuyền, câu lắp các loại cầu kiện được chế tạo trước đến công trường thi công, xử lý các mối nối giữa các cau
kiện phúc tạp, độ cứng của kết cầu được hình thành từ việc lắp phép các cấu kiện
không lớn |
- Bêtông cốt thép mửa lắp ghép: Các câu kiện bêtông cốt thép được chế tạo sẵn
nhưng chưa hoàn chỉnh, sau đó đặt thêm cốt thép, lắp dựng hệ chống đỡ, lắp ghép ván khuôn và đô bêtông tại chỗ để hoàn chỉnh kết cầu theo yêu cầu thiết kế
(hình 1.4) Ưu và khuyết điểm của loại cấu kiện này như sau:
e Ưu điểm: Độ cứng của kết cầu lớn, giảm khối lượng hệ chống đỡ, các loại vấn khuôn
Trang 5e Nhược điểm: Cần giải quyết tốt mối liên kết giữa bêtông cũ và mới, tổ chức thi công kết cầu bêtông cốt thép phức tạp
_ Hình 1.4 Bêtơng cốt thép nửa lắp ghép [3]
“1 2 2 Theo trang thai ứng suat
- Bêtông cốt thép thường: Khi chế tạo cấu kiện, cốt thép sử dụng trong bêtông ở trạng thái bình thường, khơng có ứng suất kéo Ngoài các ứng suất sinh ra đo
hiện tượng co ngót và sự thay đổi nhiệt độ, trong cấu kiện bêtông cốt thép chỉ
xuất hiện ứng suất khi có tải trọng tác dụng lên kết cấu
- Bêtông cốt thép ứng suất trước: Khi chế tạo câu kiện bêtông cốt thép, trong cốt thép xuất hiện ứng suất kéo do được kéo căng, ứng xử của cốt thép trong giai đoạn đàn hồi Nhờ sự liên kết giữa cốt thép với bêtông, nên sau khi bỏ đi lực kéo
buông ra cốt thép co lại gây nén trong bêtơng (hình 1.5) Nhờ có ứng suất nén trước trong bêtông, người ta có thể khống chế khơng cho xuất hiện vết nứt hoặc hạn chế bề rộng khe nứt
1.2.3 Theo trọng lượng riêng
- Bêtông nặng: Là loại bêtơng có trọng lượng thể tích 7„„ > 1800 KG/m°
- Bêtông nhẹ: Là loại bêtơng có trọng lượng thể tích y,, <1800 KG/m’
Trang 6i AAG orate “Ử laagli cự Li # 1 16 peng "hi ee reer ei oe Ate 2 Ath ii ®,
(b) Neo cáp ứng suất trước
Kình 1.5 Bêlông cối thép sành bêtông ứng suất trước,
Trang 71.2.4 Theo cường độ chịu nén của bêtông |
- Bêtông cường độ thường: Là loại bêtơng có cấp độ bền chịu nén đưới B45 - Bêtông cường độ cao: Là loại bêtơng có cấp độ bền chịu nén từ B45
1.3 ƯU NHƯỢC ĐIẾỄM CỦA BÊTÔNG CÓT THÉP
1.3.1 Ưu điểm
Tận dụng vật liệu tại chỗ như cát, sỏi, đá, tiết kiệm thép để sản xuất, bêtông cốt
thép sẽ rẻ hơn so với kết cầu thép đối với trường hợp kết cầu có nhịp vừa và nhỏ
Kết cấu bêtông cốt thép chịu lực tốt hơn kết cấu gỗ và gạch đá, làm việc tốt
trong điều kiện các loại tải trọng động, động đất tác dụng lên cơng trình
Bêtơng cốt thép chịu lửa tốt hơn gỗ và thép do: bêtông bảo vệ cho cốt thép không bị nung nóng sớm Theo khảo sát, chỉ với lớp bêtông dày 25zzzz sẽ giúp hạn chế nhiệt độ trong cốt thép chỉ là 55 ”C sau khi bị nung nóng th ở nhiệt
độ 1000C :
Tuổi thọ của cơng trình làm băng vật liệu bêtông cốt thép cao, chi phí bảo dưỡng ít do bêtơng ít chịu ảnh hưởng của môi trường và cốt thép được bêtông
bảo vệ khỏi bị gỉ sét Dễ dàng tạo hình dạng cho kết cấu theo yêu cầu, chỉ cAn tao
dáng ván khuôn
Dưới tác dụng của tải trọng, cấu kiện bêtông cốt thép dễ xuất hiện khe nứt ở vùng chịu kéo Tuy vậy, bề rộng khe nứt thường khơng lớn lắm và ít ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu Nhưng cần lưu ý vết nứt sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ cũng như chất lượng của kết câu về lâu dài Có thể khắc phục các nhược điểm bằng cách: tính toán hạn chế nhăm hạn chế chiều rộng khe nứt, sử dụng bÊtông, cốt thép ứng lực trước trong môi trường xâm thực hoặc đối với các đường ống, bể chứa chất lỏng :
Khả năng cách âm và cách nhiệt của bêtông cốt thép kém hơn: gỗ và à gạch đá
Khắc phục bằng cách sử dụng dạng cầu kiện bêtông cốt thép có lỗ rỗng
1.3.2 Nhược điểm
— Do bêtông cốt thép có trọng lượng ` bản thân lớn, sẽ gây khó khăn đối với kết câu có nhịp lớn Nhưng có thể khắc phục bằng cách sử dụng: vật liệu bêtông nhẹ, bêtông ứng lực trước, kết cầu tắm vỏ
Thi cong kết cấu bêtông cốt thép nhức tạp, nhiều công đoạn, khó kiểm tra chất
lượng, chịu ảnh hưởng c của thời tiết và trình độ thi công Khắc phục bằng cách sử
PHA N N HIỂU TẠI THÀNH PHO Hồ CHI MIN TAD GUEST A0 6 tQ4 MEN:
THƯVIỆN | ~ 1g
00( 17750 -
Trang 8
Sửa chữa và gia cố kết cầu bêtông cốt thép rất phức tạp Tuy vậy, có thể khắc
phục bằng cách thiết kế cần chú ý yêu cầu sử dụng hiện tại và dự kiến phát triển
Sau này
Hình 1.6 Câu Can Thơ — hoàn thành 2010 [5)
1.4 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHAT TRIEN
Bêtông đã được sử dụng phổ biến từ nhiều thế ký trước Trước lúc ra đời của
Chúa Giêsu, người La Mã đã sử dụng loại xi măng gọi là Pozzolana, có nguồn
gốc từ các mỏ cát tro núi lửa gần núi Mt Vesuvius thuộc nước Ý khi trộn
Pozzolana với vôi và nước hoặc với cát và sỏi, tạo nên hợp chất cứng giống như,
đá và được sử dụng như một vật liệu xây dựng
Bêtông được sản xuất từ loại vật liệu xây dựng trên có độ bên thấp, tuy vậy một số công trình kiến trúc xây dựng bởi kết cấu bêtông từ thời La Mã vẫn còn
tồn tại đến ngày nay; chang han dén Pantheon (một công trình kiến trúc dành để
thờ các vị thần), năm Ở 7 Rome (nước Y) va được, hoàn thành vào năm 1 126 sau
Công nguyên [6] mo
Trang 9
Hình 1.7 Tịa Tháp Keangnam Hanoi Landmark — hoàn thanh 2011 [7]
Tuy vậy, kỹ thuật làm bêtông từ xi măng Pozzolana đã bị thất lạc trong thời
Trung Cổ Đến thế kỷ XVIII và XIX, hợp chất đá xi măng tự nhiên được phát
mỉnh ở Anh vào năm 1796 và được xem là xi măng La Mã, ngoài ra nhiều hop
chất đá xi măng tự nhiên khác được phát minh ở châu Âu và Mỹ
Bước đột phá thực sự trong lĩnh vực sản xuất bêtông xảy ra vào năm 1824, khi Joseph Aspdin (thợ nề người Anh) sáng chế quy trình sản xuất xi măng Portland
(vì màu sắc rất giống màu của đá khai thác ở mỏ trên đảo Portland ngoài khơi bờ biển Anh) sau khi thực hiện nhiều thí nghiệm Ơng đã chế tạo hỗn hợp xỉ măng
bằng cách lấy số lượng nhất định đất sét và đá vôi, đem trộn lẫn và xay nhỏ, sau
đó đốt trong lò bếp và nghiền hỗn hợp sau khi nung thành một loại bột mịn
Trang 10Ban dau, xi mang Portland da được sử dụng chủ yếu trong trang trí tường, trần nhà Sản phẩm xi măng Portland đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp xây dựng rất muộn và thậm chí đến năm 1870 mới được giới thiệu tại nước Mỹ |
Việc ứng dụng vật liệu bêtông trong kết cầu cơng trình lần đầu tiên được thực
hiện bởi những người Pháp Francois, Le Brun, Joseph Lambot va Joseph Monier Năm 1832, Le Brun xây dựng một ngôi nhà và sau đó xây dựng trường học và nhà thờ với cùng một loại vật liệu bêtông |
Nam 1850, Lambot ché tao-mét chiéc thuyén str dung vật liệu bêtông lưới thép có mạng lưới dây thép căng song song với nhau Năm 1867, Monier sang chế việc sử dụng bêtông lưới sắt để xây dựng các bổn, ống chứa chất lỏng Mục đích
của việc sử dụng lưới sắt để cho kết cấu nhẹ hơn, nhưng không làm giảm đi khả năng chịu lực của kết cấu
Từ năm 1867 đến 1881, Monier đã sáng chế thanh bêtông tà vẹt đường ray xe lửa, tấm sàn, vòm mái, cầu đành cho người đi bộ, xây các tòa nhà và kết cầu khác
ở nước Pháp và Đức |
Năm 1861, Francois Coignet (Pháp) xuất bản cuốn sách trình bày vài ứng dụng tính tốn thiết kế Ông là người đầu tiên nhận ra răng sử dụng lượng nước quá nhiêu trong hỗn hợp bêtông sẽ giảm đáng kể cường độ của bêtông sau khi đã
đông kết
William Fairbairn (Anh) va William B Wilkinson (Dirc), GA Wayss (Pháp) là
những người đầu tiên đã thực hiện các thí nghiệm với các mẫu bêtông cốt thép
Năm 1875, William E Ward đã xây dựng tòa nhà bêtông cốt thép đầu tiên ở Port
Chester, New York, Hoa Kỳ |
Thaddeus Hyatt (Mỹ) là người đầu tiên phân tích chính xác ứng suất trong
dầm bêtông cốt thép Năm 1877, ông xuất bản một cuốn sách với 28 trang với tựa
đề: “Một số thí nghiệm với bêtơng xi măng Portland, kết hợp với sắt như một
vật liệu xây dựng” Trong cuốn sách này, ông cho rằng cốt thép cần phải được sử dụng để tăng độ tin cậy cho kết cầu và nhấn mạnh khả năng chống cháy cao
của bêtông | |
Nam 1884, EL Ransome (M¥) đề nghị các thanh thép xoắn khi đặt vào trong
bêtông tại các góc của tiết diện ngang của dầm nhằm tăng khả năng làm việc
chung giữa cốt thép và bêtông Năm 1890, Ransome đã xây dựng bảo tàng Leland Stanford Jr tai San Francisco Đây là một tịa nhà bêtơng cốt thép dài khoảng 95m, cao 2 tầng, tận dụng các dây cáp từ một.hệ thống cáp treo để làm
tăng độ bền kéo cho kết cấu bêtông của tòa nhà
Trang 11Kể từ năm 1900, lý thuyết tính tốn kết cấu bêtông cốt thép theo ứng suất cho phép đã được công bố Năm 1939, Giáo sư Loeit (Nga) đề xuất phương pháp tính kết cầu bêtơng theo trạng thái phá hoại Năm 1955, phương pháp tính tốn kết
cầu bêtơng theo trạng thái giới hạn được sử dụng tại Nga và các nước trên thế
giới [§] ‘ Sey X3 et Si aan Cay ey
Hinh 1.8 Thuy dién Son La — hoan thanh 2012 [9]
Ngày nay, kết cấu bêtông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng ở các nước trên thế giới Nhiều cơng trình đạt những kỷ lục thế giới được xây dựng từ kết cấu bêtông cốt thép chắng hạn như: tháp Burj Khalifa ở Dubai
(Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất) là cơng trình cao nhất thế giới hiện
nay, được khánh thành năm 2010 với chiều cao 828z, bao gồm 164 tâng Cau
trên vịnh Giao Châu (Trung Quéc) 6 téng chiéu dai 42,5km là cây cầu trên biển
dài nhất thế giới được đưa vào sử dụng năm 2011 Đập thủy điện Rogun có độ cao 335m cao nhất thế giới trên sông Vakhsh (Tajikistan) được khánh thành vào
năm 2013 |
Ở Việt Nam, bêtông cốt thép đã được sử dụng để làm kết cấu cầu, đập nước, nhà cửa vào đầu thế kỷ XX Một trong những cơng trình lớn sử dụng vật liệu
Trang 12bêtông cốt thép đầu tiên được xây dựng ở nước ta là khu liên hợp gang thép Thái Nguyên được khánh thành năm 1963 Hiện nay, có rất nhiều cơng trình xây
dựng dân dụng, hầm, cầu đường, thủy lợi đều được xây dựng băng vật liệu bêtông cốt thép Chang hạn, cầu Cần Thơ bắc qua sông Hậu nối liền hai tỉnh Cần Thơ và Vĩnh Long được khánh thành vào năm 2010 - cây cầu dây văng có
tổng chiêu đài 2,75/n với nhịp chính đài 550zn - được xem là dài nhất tại khu
vực Đông Nam Á tại thời điểm hồn thành (hình 1.6) Tịa tháp Keangnam có tổng dién tich 609,673m? va cao 350m— được xem là tòa nhà cao nhất Việt Nam lúc khánh thành vào năm 2011 (hình 1.7) Thủy điện Sơn La có chiều cao 138m, chiéu dai 1000m có cơng suất 2400A⁄4W Sau 7 năm xây dựng, thủy điện Sơn La được khánh thành vào năm 2012, sớm hơn kế hoạch 3 năm, trở thành nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và cả khu vực Đơng Nam Á
(hình 1.8) Tịa nhà quốc hội Việt Nam gồm 2 tầng hầm và 5 tầng nổi kích thước
mặt băng 102x102, chiều cao cơng trình khoảng 39z, tổng diện tích sàn Khoảng 63240mˆ năm 2014 (hình 1.9) PO St vỆ HA uy aI i HHÌng Se ull aan | ÿ SSeS
Trang 13Ch wong 2
TINH CHAT CO LY CUA VAT LIEU
2.1 BETONG
2.1.1 Khai niém chung
2.1.1.1 Vật liệu chế tạo
Bêtông là một loại vật liệu đá nhân tạo mà thành phan nguyén vat liệu chế tạo
bao gồm: Cốt liệu, chất kết đính và nước Cốt liệu: gồm cốt liệu nhỏ là cát có
kích thước từ :0,14 + 5zwzn và cốt liệu lớn là đá dăm hoặc sỏi có kích thước từ
5+ 70mm hoặc lớn hơn Chất kết dính: thường dùng ximăng Nước để hóa hợp
với ximăng và nước để đảm bảo độ đẻo cần thiết cho hỗn hợp bêtông lúc trộn, đồ
khuôn và đầm chắc Sau khi bêtông khô cứng, lượng nước này sẽ trở thành nước thừa và bị bay hơi đi, để lại các lỗ rỗng trong bêtông, làm giảm độ đặc chắc và cường độ của bêtông
Ngoài các thành phần trên, cịn có thể sử dụng thêm phụ gia để cải thiện một số tính chất của hỗn hợp bêtông trong lúc thi công và của bêtông trong quá trình sử dụng, như: nâng cao độ dẻo, kéo dài hoặc rút ngăn thời gian đông kết của
ximăng, tăng cường độ, tăng khả năng chông thấm, Các thành phần trên được
lựa chọn dựa vào yêu cầu chất lượng của bêtông |
Nguyên lý tạo nên bêtông: dùng cốt liệu lớn làm bộ xương chịu lực, cốt liệu
nhỏ để lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn Hồ chất kết dính và nước
bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu, tạo độ dẻo cho hỗn hợp bêtông Khi hỗn hợp răn lại thành một khối đặc có khả năng chịu lực, chống lại các biễn dạng
2.1.1.2 Cấu trúc
Cấu trúc của betong khong déng nhat 1a do cốt liệu có hình dáng, kích thước khác nhau, sự phân bố cốt liệu và chất kết dính khơng đồng đều và còn tồn tại
một ít nước thừa và các lỗ rỗng nhỏ (do nước thừa bay hơi) Câu trúc của bêtơng
được hình thành là do quá trình thủy hóa của ximăng, đó là quá trình giảm chất
Trang 14
keo nhớt và tăng mạng tính thể của đá ximăng, làm cho bêtông trở thành vật liệu vừa có tính đàn hơi vừa có tính dẻo
2.1, 1 3 Phan loai
Bêtông được phân loại dựa trên cấu trúc, khối lượng thể tích, chất kết dính, đạng cốt liệu và phạm vi su dung
Theo cấu trúc gồm các loại bêtơng đặc chắc; bêtơng có lỗ rỗng: bêtông tô ong Theo khối lượng thể tích gồm có: bêtơng đặc biệt nặng: Yo > 2500KG/m’ ;
bêtông nang: y, =1800+2500KG/m’*; béténg nhe: y, =500+1800KG/m’ ;
bêtông đặc biệt nhẹ: z„ < 500 KG(mẺ |
Theo chat két dinh gém cé: béténg ximang; béténg silicat; bêtông thạch cao; bêtông polime
Theo dạng cốt liệu gồm bêtông cốt liệu đặc (sỏi, đá dăm); bêtông cốt liệu
rong (da bot, hat keramzit, peclit, .); béténg cét liệu đặc biệt (quặng kim loại, đá chứa quặng, .)
Theo phạm vi sử dụng: bêtông dân dụng; bêtông thủy công; bêtông mặt
đường, sân bay, bến bai, lát vỉa hè; bêtơng trang trí; bêtơng chịu nhiệt; chịu
axít; chơng xâm thực; chơng phóng xạ;
Giáo trình này chủ yếu trình bày về bêtơng nặng thông thường và dùng chất
kêt dính là ximăng
2.1.2 Cường độ của bêtông
Là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của bêtông Cường độ của
bêtông phụ thuộc vào thành phân và câu trúc của nó
2.1.2.1 Cường độ chịu nén a ZA œ A + NA I - “ở a 8A ì < a S— Ne
a Hình 2.1 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén a 4
Trang 15Mẫu bêtơng được đúc thành hình khối lập phuong canh a =100; 150; 200mm, hay khéi hình trụ đáy vng “hoặc trịn (hình 2.1) Mẫu
thử chuân là mẫu hình khối lập phương có
a =1l50mm, được bảo dưỡng 25 ngày đêm ở ~-
điều kiện tiêu chuẩn Hoặc dùng thiết bị <
chuyên dùng khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn, — + —
thường lấy mẫu trụ trịn có đ= 50+150mmn, P
h=(1+2)d Đối với thí nghiệm nén, mẫu
P Bàn nén
| | Hinh 2.2 Thi nghiém nén mau
bêtông được đặt vào máy nén, tăng lực nén từ
từ cho đến khi mẫu bị phá hoại
Khi đó, cường độ chịu nénR(MPa) | xác định theo phương pháp phá hoại
mẫu là:
R=— (2.1)
Trong đó: P là lực nén phá hoại mẫu, 4 là diện tích tiết diện ngang của mẫu
Thông thường: R = 10:40MPa, R >40MPa là loại bêtông cường độ cao Khi chịu nén, bêtông vừa bị biến dạng co ngăn theo phương tác dụng của lực, vừa bị nở ngang Bêtông bị nứt và bị phá vỡ chủ yếu là do sự nở ngang này
a) ` a b) Bôi trơn
! Biến dạng ngang Biến dạng
không đêu ngang đêu
Hình 2.3 Sự phá hoại của mẫu thử khối lập phương:
_ (g) Có ma sát trên mặt tiếp xúc; (b) Khơng có ma sát trên mặt tiếp xúc
1- ma sát; 2- phần bêtông bị ép vỡ; 3- hình tháp phá hoại; 4- vết nứt doc
Do đó, đê làm tăng khả năng chịu nén của bêtông thì cân hạn chê mức độ nở
ngang Nêu không bôi trơn mặt tiêp xúc giữa mẫu thử và bàn nén thì tại đó sẽ
Trang 16
theo hai hinh thap đối đỉnh như trên hình 2.34 Ngược lại, nếu bôi trơn mặt tiếp xúc thì bêtơng sẽ tự do nở ngang và sau đó sẽ xuất hiện các vết nứt dọc Mẫu sẽ
bị phá hoại như ở hình 2.3b |
Do ảnh hưởng của biến dạng ngang, cường độ của mẫu được bôi trơn thấp hơn mẫu có ma sát; cường độ của mẫu hình trụ thấp hơn mẫu khối lập phương nếu cùng diện tích mặt cắt ngang và mẫu khối lập phương khi tăng cạnh z thì cường độ giảm
2.1.2.2 Cường độ chịu kéo
Để có thể xác định cường độ chịu kéo của bêtơng, có thể thực hiện thí nghiệm
trên các mâu như ở hình 2:4 Cường độ chịu kéo của bêtơng ®# được xác định
như sau: | |
Với thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu bêtơng có tiết diện 4:
R, = (2.2) P2 P/2 - -† J3-‡- I/3-‡ 1/3¬† 7V” 2 ZA pte
Hình 2.4 Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo
Với thí nghiệm uốn mẫu dầm bétong, sử dụng mẫu thử chuẩn có kích thước 150x150x600mm Khi đó, cường độ chịu kéo của mẫu được xác định [12]
như sau:
¬ '0,58PI
Với thí nghiệm nén chẻ mẫu (phương pháp bwa), sử dụng mẫu thử hình trụ, cường độ chịu kéo (khi bửa) của bêtông là:
Trang 17_ 2P ' 1D
Trong dé: P la tai trong tac dung lam ché mau (luc bửa); / là chiều dài mẫu;
là đường kính mẫu (thường thí nghiệm voi mau c6 D=150mm ) Bêtơng có
(2.4)
I of cường độ chiu kéo R, kha bé, thường chi bang khoang | —+— |R
10 20
Ngồi ra, có thể xác định được Cường độ chịu kéo ®, dựa vào cường độ chịu nén # mà không cần làm thí nghiệm [8], bang cach str dung các công thức thực
nghiệm sau:
R,=0JR (Ø,=0,28+0,30 : với bêtông nặng thông thường) (2.5)
R, =0,6+0,06R hỐ | (2.6)
Sa R+150 |
R=CR voi; = C, =——-—_ 60R+1300— | lu
Trong các công thức trên, R dugc tinh theo don v1 MPa
2.1.2.3 Cúc nhân tỗ ảnh hưởng đễn cường độ bêtông - ˆ
Cường độ của đá ximăng: nhan tố này lại phụ thuộc vào mác ximăng, lượng xImăng và độ đặc của đá ximăng, tức là phụ thuộc vào tỉ lệ Nước/Ximăng
(N/X) 7
Su phan bé giữa các hạt cốt liệu, tính chất bề mặt cốt liệu, thành phan cỡ hạt, chất lượng cốt liệu, cường độ côt liệu, đều có ảnh hưởng đên cường độ của bêtông
Nếu sử dụng phụ gia tăng dẻo sẽ làm tăng tính đẻo cho hỗn hợp DbÊtông, nên có thể giảm bớt lượng nước nhào trộn và cường độ bêtông sẽ tăng Nếu sử dụng
phu gia rắn nhanh sé day nhanh quá trình thủy hóa của ximang nén lam tang
nhanh sự phát triển cường độ của bêtông
RẠ — — — —= — = — =~ ay 28
Hình 2.5 Đề thị tăng cường độ của bêtông theo thoi gian
Trang 18Cường độ của bêtông phụ thuộc vào độ đặc của bêtông, nghĩa là phụ thuộc vào
sự lựa chọn thành phần và phương pháp thi cơng thích hợp Cường độ chịu lực của bêtông tăng dân theo thời gian Từ 7+14 ngày sau khi đồ bêtông, cường độ phát triển nhanh, sau 28 ngày cường độ phát triển chậm dần và sau đó thì ngừng phát triển
Thực nghiệm cho thấy, sự phát triển cường độ của bêtông gân như tuân theo quy luật lôgarit nên theo [13], công thức thực nghiệm gần đúng xác định cường độ chịu nén của bêtông sau ø ngày tuổi, được áp dụng khi ø = 3+90 ngày là:
ign Ig28 =0,7R„lgn „= (2.8)
là =fạ—=—
Nếu bêtông được bảo dưỡng trong môi trường nhiệt độ thích hợp, độ âm cao,
sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm, còn trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp, sự tăng cường độ về sau không đáng kể Nếu dùng phụ gia tăng cường độ hoặc dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng bêtơng thì sẽ làm tăng cường độ bêtông rất nhanh trong giai đoạn dau Nhưng so với bêtông được bảo dưỡng trong điều kiện tự nhiên và khơng dùng phụ gia thì bêtơng sẽ giịn hơn và có cường độ cuối cùng thấp hơn
Điều kiện thí nghiệm (Tốc độ gia tải, thời _gian tác dụng của tải trọng, tính chất mặt tiếp xúc, hình dáng, kích thước mâu ): Tốc độ gia tải quy định là 0,2 MPa/s Nếu tốc độ gia tải càng lớn thì cường độ thu được càng lớn do biến dạng dẻo không tăng kịp với sự tăng tải trọng và ngược lại Chang han, néu ép
mẫu đến giá trị (90+95) cường độ của nó và giữ nguyên lực ép Sau một thời
gian mẫu bị phá hoại, đó là hiện tượng bêtông bị giảm cường độ dưới tác dụng lâu đài của tải trọng
2.1.2.4 Các giá trị của cường độ
- Cường độ trung bình: thí nghiệm với m mẫu thử của cùng một loại
bêtông ta sẽ có các giá trị cường độ tương ứng của từng mẫu, và cường độ
trung bình là: :
đu — >», /m (2.9)
Trong đó: #,(¡= 1+ m) là giá trị cwdng 46 cha cdc mau thir, m là số mẫu thử
- Cưởng độ đặc trưng: Hay còn gọi là giá trị đặc trưng của cường độ, được xác
định theo xác suất bảo đảm 95% (Có thể hiểu như sau: Giả sử làm thí nghiệm
với 100 mâu, sẽ có 95 mâu có ®#, > „) Nhưng thực tê thường làm thí nghiệm với số mẫu ít hơn, nên cần dùng lý thuyết xác suất thống kê để tìm giá trị R,,
Trang 19R,, =R,, (1-Sv) (2.10)
Trong đó: Š là hệ số lấy phụ thuộc vào xác suất bảo đảm Thông thường lẫy xác suất bảo đảm 95%, thì § = 1,64; v là hệ số biến động, dùng để đánh giá mức
độ đồng chất của bêtơng, càng bé thì bêtơng có độ đồng chất càng cao
v=o/R, | — G1)
Trong đó: độ lệch quân phương ơ có thể lẫy giá trị sau:
„_ J2, a ma (2.12)
Dé tim duoc hé sé v dang tin cdy thi sé lvong n mau thử phải đủ lớn Nếu
thiếu số liệu, có thể lấy w theo các nghiên cứu thống kê có sẵn Chắng hạn, lấy giá tri = 0,135 đôi với công nghệ ôn định, có kiêm tra chặt chẽ vê thành phân của bêtông và chất lượng thi công Tuy vậy, giá trị v có thể giảm xuống 0,/2 hoặc 0,70 với công nghệ tôt hơn; Có thê lây giá trị y=0,15 với điêu kiện thì
cơng bình thường, cơng nghệ kém ổn định |
- Cường độ tiêu chuẩn: Được lẫy băng cường độ đặc trưng của mẫu thử nhân
với hệ số kết cầu Z⁄„¿ (Z„¿ =0,7z0,8) Hệ số này xét đến sự làm việc của bêtông
thực tế trong kết cầu có khác với sự làm việc của mẫu thử Cường độ chịu nén
tiêu chuẩn của bêtơng tính như sau: -
ly =7kcÌy - —— (13)
Giá trị của cường độ chịu nén tiêu chuẩn R,„ Và cường độ chịu kéo tiêu chuẩn
Ron duoc cho 6 phu luc 1 Cé thé lay R,, bằng cường độ chịu nén đặc trưng của
mẫu lăng trụ (" = 4a) và thường được gọi là cường độ lăng trụ |
2.1.3 Các chỉ tiêu chất lượng của bêtông -
2.1.3.1 Mác | SỐ
Mác bÊtơng có thê được phân loại dựa trên cường độ chịu nén, chịu kéo, theo
khả năng chồng thâm, theo khối lượng thể tích của mẫu bêtông a4) Theo cường độ chịu nén |
Mác bêtông (Ä⁄) được xác định bởi cường độ chịu nén trung bình của các mẫu
thử chuẩn hình khối lập phương cạnh 150, được bảo dưỡng 28 ngày đêm ở điều
kiện chuẩn và được tính theo đơn vị &G/cm? Vật liệu bêtông thường được phân
Trang 20
loại theo mác nhu sau: M50; M75; M100; M150; M200; M250; M300; M350; M400; M450; M500; M600 Chang han, Bét6éng M200 cd cudng dé
chịu nén trung bình của các mẫu thử chuẩn không nhỏ hơn 200 kG/cm”
b) 1 heo cường độ chịu kéo |
Khi khả năng chịu kéo của bêtông quyết định đến sự làm việc của kết cấu thì cần quy định thêm mác theo cường độ chịu kéo (K) Theo TCVN 5574-1991, có
các mác sau: K10; K15; K20; K25;.K530; K40 ,
e) Theo khả năng chống thấm, theo khối lượng thể tích
Mác theo khả năng chống thấm (W7), được xác định bằng áp suất lớn nhất
(atm) ma mau chịu được để nước không thấm qua [11] Béténg có các mác (cấp)
chồng thấm sau: W2; W4; W6; W8; W10; W12 Cần quy định về mác theo
khả năng chống thấm cho bêtơng có u cầu hạn chế độ thấm như cơng trình thủy lợi, thủy điện Mác theo khối lượng thể tích (Ð), được chỉ định với kết cấu
có yêu cầu về cách nhiệt
2.1.3.2 Cấp độ bên
a Cap dé bén chiu nén
Theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 [11], bêtông được phân loại dựa vào cấp độ
bên Khái niệm này, được xác định bằng cường độ đặc trưng của mẫu thử chuẩn, tinh theo don vi MPa Hon nita, tigu chuẩn TCVN 5574:2012 [11] quy định rõ
bêtơng có các câp độ bên chịu nén: B3,5; B5; B7,5; B10; B12,5; B15; 520; -
B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60
b) Cấp độ bên chịu kẻo
Được lấy bằng cường độ đặc trưng về kéo của béténg, tinh theo don vi MPa
Tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 quy định bêtơng có các cấp độ bền chịu kéo:
B.08; B.L2: B16; B20: B,24; B28; B,3,2 ©) Tương quan giữa mác và cấp độ bên
Tương quan giữa mác M và cấp độ bền B của cùng một loại bêtông:
B=apM | (2.14)
Trong d6: a 1a hé số chuyên đổi đơn vị từ KG/cm? sang MPa; cé thé lay
a=0,1 Con # 1a hé sé chuyén déi từ cường độ-trung bình sang cường độ đặc trung Chang hạn, lay v = 0,735; § = 1,64 thì B =1-Sv =0,779
Trang 21Khi thiết kế, trước tiên cần chỉ định cấp độ bên của bêtơng, sau đó theo (2.14) tính được cường độ trung bình và quy đối về mác bêtơng gần nhất Ví dụ, nếu chọn bêtơng có cấp độ bền 25 quy đổi tương ứng về mác M = 321,1kG/ cm”, do đó bêtông cấp độ bên B25 tương đương với bêtông mác ÄZ350 Trong thực tế, ngoài việc chỉ định cấp bơng, có thể ghi thêm mác bêtông để thuận tiện trong
việc sử dụng
2.1.4 Biến dạng của bêtông
2.1.4.1 Biến dạng do co ngói
Co ngót là hiện tượng bêtông bi giảm thể tích trong khơng khí do sự bốc hơi
lượng nước thừa khi bêtông khô cứng, hay do chất keo sinh ra trong q trình thủy hóa ximăng có thể tích nhỏ hơn thể tích chất sinh ra nó Co ngót xảy ra chủ yếu trong giai đoạn khô cứng đầu tiên Trong điều kiện bình thường sau vài năm, bêtông sẽ hết co Biến dạng tỷ đối do co ngót của béténg có thé dat đến
(3+5 ) x10"
Có hai dạng kết cấu cần quan tâm đến hiện tượng co ngót, đó là bêtông khối lớn như đài móng và bêtơng có mặt thống lớn như sàn bêtơng cốt thép toàn khối Các nhân tố ảnh hưởng đến biến dang do co ngót bao gồm: Số lượng và
loại ximăng, nếu dùng lượng ximăng nhiều, thì co ngót bêtơng tăng: nếu ximăng
có hoạt tính cao, thì co ngót bêtơng tăng Ngồi ra, nếu sử dụng tỷ lệ N /X cao,
thì sự co ngót sẽ tăng Hoặc dùng cát nhỏ hạt, cốt liệu rỗng thì co -ngót bêtơng sẽ
tăng: dùng chất phụ gia làm bêtông ninh kết nhanh, cũng dẫn đến việc tăng sự co
ngót bêtơng Tuy vậy, nếu bêtông chưng hấp ở nhiệt độ cao thì sự co ngót sẽ ít hơn Co ngói là một hiện tượng có hại vì làm thay đối hình dang và kích thước cầu kiện, gây ra khe nứt trên bề mặt bêtông, làm thay đổi cầu trúc của bêtông,
giảm độ chống thắm, giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của cơng trình
Các biện pháp khắc phục biến dạng do co ngót, có thể là chọn thành phan vat
liệu hợp lý, han chế lượng nước trộn, tỉ lệ N/X hop ly Dam chic béténg, bao
dưỡng bêtông thường xuyên âm trong giai đoạn đầu Có các biện pháp cau tao
như bố trí khe co dãn, đặt cốt thép cầu tạo ở những nơi cần thiết dé chiu ung suat đo co ngót gây ra, hoặc tao mạch ngừng khi thi cong
2.1.4.2 Bién dang do trong no ~
Trong quá trình rắn chắc trong nước, bêtông bị nở thể tích Biến dạng tỉ đối do
trương nở của bêtông khoảng (6+1 5 ) xi 0”, Ở một giới hạn nào đó, độ trương nở
có thể làm tốt hơn câu trúc của bêtông (xem thêm ở tài liệu tham khảo [13])
Trang 222.1.4.3 Biễn dạng do tải trọng a) Tải trọng tác dụng ngắn hạn
Xét mẫu lăng trụ có chiều dài 7, diện tích tiết diện 44, chịu nén bởi lực P
Theo phương tác dụng lực, mẫu bị biến dạng (co ngắn) một đoạn A (hình 2.6) Biên dạng tỷ đôi: ø, = A//, và ứng suất tương ứng: ơ, = P/4 Với mỗi giá trị
của ? ta có một cặp e,, øơ, và tương ứng một điểm Ö trên đồ thị Khi P tăng
dần, điểm B chuyên từ Ĩ sang vị trí C (ứng với vị trí mẫu bị phá hoại) Tại đó,
ứng suất đạt cường độ của mẫu lăng trụ (ơ, = #„) và biển dang đạt đến biến dạng
cực hạn 8, Với mẫu hình trụ chịu nén đúng tâm, Ey, đạt giá trị khoảng 2 x 107
LÊ Op +> - C i gS ý iA Ẫ oh ý } “ Ta dễ “ 4 sf Ỹ re an B os Õ zi i “ # 7⁄///////V////////7////
Hình 2.7 Thí nghiệm và đồ thị thể hiện biễn dạng đàn hồi - dẻo của bêtông
Khi dỡ bỏ tải trọng, mẫu sẽ khôi phục lại biến đạng nhưng khơng trở về kích -
thước như ban đâu (hình 2.7a) A, là phần biến dạng được hồi phục (biến dang
Trang 23dan hdi), A, là phần biến dạng không được hồi phục (biến dang déo).-Diéu này chứng tỏ bêtông là vật liệu đàn hôi - dẻo Hình 2.7b thể hiện quan hệ (ơ — £) khi
tăng và giảm tai trong Duong OB tng voi qua trinh tăng tải, đường BÙ ứng với quá trình giảm tải (đường cong giảm tải không trở vê @) Ta có: |
E, = Ey T Egy | - (2,15)
Trong đó: #„= Ai]; €,, = A, /1(là các biến dạng tỉ đối đàn hồi và dẻo) Goi:
v=e£„j/e, là hệ số đàn hồi Khi ứng suất còn bé, biến dạng chủ yếu là đàn hồi, hệ số v7, quan hệ (ơ— £) gần như là đường thắng Khi ứng suất lớn, biến dạng -
đẻo tăng lên, hệ số giảm dân: Ở giai đoạn phá hoại, biến dạng chủ yếu là biến
đạng dẻo Si
b) Tải trọng tác dụng dài hạn - Từ biến
OA” B C O, } - ` ( l I | 1 | I l J J | | I | l | I | h —> O Ey] ¬ | 6 4 4
Hinh 2.8 Dé thi biểu diễn từ biến của bêtơng
Thí nghiệm nén mẫu với lực P =(85+100)% cường độ của mẫu, lúc này mẫu
vẫn chưa bị phá hủy và có biến dạng là A Giữ nguyên lực tác dụng trong một thời gian đài, mẫu tiếp tục biễn dạng thêm một lượng A„ và bị phá hủy Hiện tượng này gọi là hiện tượng từ biến, tức là biễn đạng tăng theo thời gian mặc dù tải trọng (hay ứng suất) khơng thay đổi (hình 2.8) Biến dạng tỉ đối: 6, =A, / ¡, được gọi là biến
dang từ biến Khi ứng suất bé (ơ, <0,7) thì biến dạng từ biến có giới hạn Khi
ơ, > 0,85R, từ biến phát triển không ngừng và mẫu sẽ dẫn đến phá hoại Đó là sự giảm cường độ của bêtông khi tải trọng tác dụng lâu dài
Các nhân tố ảnh hưởng đến biến dạng do từ biến có thể là ứng suất trong
'bêtông, tỷ lệ N⁄X, độ cứng của côt liệu, tuôi bêtông, độ âm môi trường Chăng
hạn, khi ứng suất tăng thì biến dạng từ biến tăng; tý lệ N⁄X tăng thì biến dạng từ
Trang 24
biến tăng: độ cứng của cốt liệu bé thì biến dạng từ biến tăng Tuổi bêtông khi
chịu tải cao thì biến dạng từ biên giảm Độ âm môi trường cao thì biên dạng từ biên giảm :
c) Tai trong lặp
Nếu mẫu bêtông chịu tải trọng lặp (tải trọng được đặt vào rồi đỡ ra nhiều lần),
- thì biễn dạng dẻo sẽ được tích lũy và tăng dần Đến một lúc nào đó, mẫu sẽ bị
phá hoại khi ứng suất trong bêtông đạt đến cường độ mỏi
2.1.4.4 Biến dạng do nhiệt
Khi nhiệt độ thay đổi thì thể tích của bêtơng cũng thay đổi, thông qua hệ số giãn
no nhiét a, = (0,7+1,5) x1 0” Khi tính tốn ở khoảng nhiệt độ từ Ø+/00°C có thể lay a, =1 0” Để hạn chế biến dang do nhiét nên bố trí các khe nhiệt độ
2.1.5 Môđun đàn hồi - Môđun biến dạng - Môđun chống cắt
2.1.5.1 Médun dan hoi |
Khi tải trọng nhỏ, bêtông làm việc trong giới hạn đàn hồi Môđun đàn hồi ban
đầu của bêtông khi chịu nén: > |
E=-È=f eg EX | (2.16)
a): goc lập bởi tiếp tuyến tại gốc của biểu đồ (z—£) với trục ø (xem hình
2.7b) Giá trị J„ phụ thuộc vào cấp độ bên và loại bêtông, được cho ở phụ lục 3
Khi chịu kéo, giá trị môđun đàn hồi của bêtông giống như khi chịu nén
2.1.5.2 Médun bién dang (médun dan héi - déo)
Bêtông là vật liệu đàn hồi - dẻo, nên ngồi mơđun đàn hồi Z„ cịn có môđun
đàn hôi - dẻo, Z; được định nghĩa như sau:
1 On |
Ey = 5, =lgữ | (2.17)
a: g6c lap béi cat tuyén OB cia biéu dé (ơ — #) với trục £ (xem hình 2.7b) Tr v=e,,/é,, suy ra médun bién dang của bêtông khi chịu nén:
E,=vE, = (2.18)
Médun biến dạng của bêtông khi chịu kéo: Ey, =v,E,, trong do v, 1a hé sé
đàn hồi khi kéo, có giá trị trung bình: w, = 0,5
Trang 252.1.5.3 Médun chong cat
Lấy hệ số nở ngang (hệ số Pốtxơng) của bêtông: z„ = 0,2 Môđun chong cat của bêtông thường lấy giá trị như sau: Œ, =0, 4hy
2.1.6 Phạm vi sử dung
Theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574:2012 [11], tùy theo loại kết cầu sử + dụng, cấp độ bên chịu nén của bêtông được quy định theo bảng 2.1 ˆ
Bảng 2.1 Phạm vi sử dụng đối với bêtông
Cáp độ bên chịu nén của Loại kết cầu " bêtông không nhỏ hơn ALA ;
Kết câu bêtông cốt thép sử dụng bêtông nặng và bêtông B7.5
hạt nhỏ °
Cấu kiện bêtông cốt thép làm từ bêtông nặng và bêtơng B15
nhẹ khi tính tốn chịu tải trọng lặp
Cau kiện bêtông cốt thép chịu nén dạng thanh B]15
Cấu kiện bêtông cốt thép chịu nén dạng thanh chịu tải
trọng lớn (như: cột chịu tải trọng cầu trục, cột các tầng - 525 dưới của nhà nhiều tầng, .)
Để chèn các mối nối cấu kiện bêtông cốt thép lắp ghép:
+ Đối với mối nỗi khơng có cốt thép | B7,5
+ Đối với mối nối có cơt thép B15
Với kết cấu bêtông cốt thép ứng lực trước, khi sử dụng
bêtông hạt nhỏ để bơm vào ông B25
2.2 CÓT THÉP
2.2.1 Khái niệm chung
_2.2.1.1 Sản xuất
Sau khi khai thác tại mỏ, quặng được luyện thành phôi thép tại các lò luyện thép Dựa vào thành phần hóa học và phương pháp luyện để định ra mác thép Cốt thép cho bêtông thường dùng mác thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp: Thép cacbon thấp thường dùng là C73 và C75, có hàm lượng cacbon lần lượt là 3o và 5o Nêu tăng hàm lượng cacbon thì cường độ của thép tăng nhưng
Trang 26
thép sẽ giòn và khó hàn Thép hợp kim thấp được cho thêm một sé nguyên tố
kim loại khác với một lượng nhất định như mangan, crôm, niken, molipden, nhôm, đồng, silic, titan,', nhằm nâng cao cường độ và cải thiện một số tính chất khác của thép như chịu được nhiệt độ cao hơn, tính chống ăn mịn tốt hơn, Cốt
thép thường sản xuất ở nhà máy băng phương pháp cán nóng, phơi thép được nung nóng và cán ra thành các thanh Một số cốt thép cịn được gia cơng nguội (kéo nguội, dập nguội), gia công nhiệt (tôi) /
Thép kéo nguội được thực hiện bằng cách kéo tạm thời với Ứng suất vượt quá giới hạn chảy, làm nhữ thế sẽ tăng cường độ của thép nhưng độ dẻo lại giảm Dây thép kéo nguội còn được chuốt qua khn có đường kính nhỏ dan để nâng cường độ lên cao hơn Cốt thép được gia công nhiệt bằng cách nung nóng đến nhiét d6 950°C trong khoảng, 1 phút rồi tôi nhanh vảo nước hoặc: dau Sau đó đem nung đến 400 C rồi để nguội từ từ, điều này có thể nâng cao cường độ và giữ được độ dẻo cân thiết cho thép
2.2.1.2 Phân loại
a) Theo hinh dang
Thép cuộn là loại có đường kính ® <10mzz (như ĨGó, ®8) thường được sản xuất thành từng cuộn (trọng lượng không quá 500KG)
_ Thép thanh là loại có đường kính ® 210mm thường được sản xuất thành từng thanh, thường dài 11,77 Đường kính cơt thép gơm: ®10 + ®40
b) Theo cấu tạo bê mặt
uw aw rh ee
Tình 2.9 Thép cuộn và thép thanh có gờ (nguồn: Internet)
Trang 27Cét thép tròn trơn là loại có tiết diện: trịn, bề mặt trơn nhẫn, thường có œ <10mm
Cốt thép có gờ (thép văn, thép gân) là loại có các gờ trên bề mặt cốt thép dé làm tăng khả năng dính bám của nó với bêtơng, thường có ®>10øm
(hình 2.9) _ :
Cũng có thé dùng các thanh thép hình L, U, J dé lam cét thép trong
bêtơng Đó được gọi là cốt cứng, dùng khi cần chịu tải trọng lớn hay cần chịu
tải khi thi công
c) Cac chỉ tiêu kỹ thuật
Theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 [11]; khi sử dụng cốt thép cần chú ý các
chỉ tiêu kỹ thuật sau: Thành phần hóa học và phương pháp chế tạo đáp ứng yêu
cầu của thép dùng trong xây dựng; Các chỉ tiêu về cường độ: giới hạn chảy, giới
hạn bên và hệ số biến động của các giới hạn đó; Mơđun đàn hồi, độ giãn dài Cực hạn, độ dẻo, khá năng hàn được; Với kết cấu chịu nhiệt độ Cao hoặc thấp cân biết
sự thay đổi tính chất cơ học khi tang giảm nhiệt độ; Với kết cấu chịu tải trọng lặp
cần biết giới hạn mỏi
2.2.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng
Cơ tính của cốt thép phụ thuộc vào thành phần hóa học và cơng nghệ chế tạo Khi thí nghiệm kéo mẫu thép, ta thiết lập được biểu đỗ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng (ơ —e) Đây là biểu đồ thể hiện cơ tính của cốt thép Dựa vào biểu đồ này có thể phân cốt thép làm 2 loại: thép dẻo và thép ran
2.2.2.1 Thép déo a) b) 4 5à Op DĐ _ C A 1 C OnL - ! Oy| A B ' | Cel | Po : Le
O Eo ek oo, E O Eg ° &
Hình 2.10 Biểu đồ ứng suất - biến dạng của thép dẻo và thép ran
Trang 28
Có biểu đồ (z—£) như hình 2.10a, gồm đoạn thẳng O⁄4 ứng với giai đoạn
làm việc đàn hồi (miền đàn hồi) Đoạn nằm ngang 4Ö ứng với giai đoạn cốt thép bị chảy dẻo (thêm chảy), giai đoạn này biên dạng tăng nhưng ứng suât không tăng Đoạn cong BC: ứng với giai đoạn củng cô sau khi bị chảy dẻo, ứng suât và
biến dạng tiếp tục tăng lên cho đến khi thép bị kéo đứt (tại điểm C)
- Biến dạng cực hạn của thép dẻo vào khoảng: Es = 0,15+0,25 V6i thép dẻo, biểu đồ (ơ - £) có thềm chảy rõ ràng Các loại thép cacbon thấp và hợp kim thấp
cán nóng thuộc loại thép dẻo |
2.2.2.2 Thép ran |
Có biểu đồ (z—s)như hình 2.10b, gồm đoạn thắng OA va doan cong AC
ứng với g1a1 đoạn làm việc đàn hồi và glai đoạn chảy dẻo Tại thời điểm mẫu bị đứt (điêm CC), ta xác định được giới hạn bên ø; và biên dạng cực hạn của côt
thép khá bé: #s = 0,05 +0,1
Với thép rắn, biểu đồ (ơ—£) khơng có thêm chảy rõ ràng Cốt thép qua gia công nguội và gla công nhiệt thuộc loại thép ran
2.2.3 Biến dạng của cốt thép |
Khi kéo thép trong giới hạn đàn hôi, đồ thị (z—£) di tt O tién din dén A
(nhưng chưa tới điểm 44), nếu giảm lực kéo thì đồ thị đi ngược lại và trùng lên đường O4 Khi lực tác dụng triệt tiêu thì biến dạng cũng triệt tiêu Biến dạng
trong giai đoạn này được gọi là biên dạng đàn hồi Ø„ (hình 2.11)
a) Oy b) Ơa
s| A B- _ØS|A DL
O L L E O_ 10! L ' L : E
Cẹ| fp] Eel
Hình 2.11 Biến dạng của cối thép
Nếu kéo thép tới điểm Ð (vượt qua điểm 4) thì khi giảm tải, biến dạng
Trang 29Khi lực triệt tiêu thì biến dạng khơng triệt tiêu mà cịn dư một lượng Ey
gọi là biến dang déo (hay bién dạng dư) Khi diém D cang xa diém A thi £„
càng lớn
2.2.4 Cường độ của cốt thép
2.2.4.1 Các cường độ giới hạn a4) Giới hạn đàn hồi
Đối với thép dẻo, gid tri gidi han dan héi o,, xác định từ đồ thị, lấy bằng
ứng suất ở cuối giai doan dan hồi (hình 2.10a) Đối với thép rắn, giá trị Ø„, được xác định theo quy ước, là giá trị ứng suất ứng với biến dạng dẻo tỉ đối
£„ = 0,025 (hình 2.100) b) Giới hạn chảy
Đối với thép dẻo, do có thềm chảy rõ ràng nên giá trị giới hạn chảy ơ, được xác định là ứng suất ở đầu giai đoạn chảy, thông thường vào khoảng: ơy, =200+500MPa Đôi với thép răn, do khơng có thêm chảy rõ ràng nên ơ, được
xác định theo quy ước (hình 2.12) Đó là giá trị ứng suất tại thời điểm £,„ = 0,2%
oy
Hình 2.12 Giới hạn chảy của thép rắn
é) Giới hạn bên |
Giéi han bén o,,, 1a gid tri ing suất lớn nhất mà thép chịu được trước khi bị
đứt trong thí nghiệm kéo Thông thường, giới hạn bền o, = U,2+1,4)0, đối với
thép dẻo, còn thép rắn giới hạn bền ơ; = 500+2000 MPa
Trang 30
d) Cuong dé tiéu chudn
Thí nghiệm kéo mẫu cơt thép, mau thir i có giới hạn chảy là ø, Giới han
chảy trung bình của các mâu thử:
o” = a, | | (2.19)
Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép được lấy bằng giới hạn chảy trung bình với
xác suất bảo đảm 95%: | | |
R,, =o, (1-Sv) —“.(2/20)
Trong đó: v là hệ số biến động Với thép sản xuất đạt tiêu chuẩn trong các nhà máy có cơng nghệ hiện đại, độ đồng nhất của thép khá cao nên lay =0,05+0,08
và Š =1,64 ứng với xác suất bảo đảm 95% Giá trị R,„ của loại thép khác cho ở
phu luc 5
2.2.5 Médun dan hồi của cốt thép
Được lây bằng độ đốc của đoạn O4 trên biểu đồ (ơ — £) Môđun đàn hồi E, cua
cốt thép phụ thuộc vào loại thép và có giá trị vào khoảng (180+210)x10°M4Pa Giá
trị của È_ được cho ở phụ lục 8
2.2.6 Các tính chất khác
2.2.6.1 Sw citng nguội
Lấy cốt thép đẻo đem kéo nguội cho quá giới hạn chảy (tới điểm D) rồi giảm
lực, biến đạng theo đường DỚ”, thềm chảy chỉ còn là đoạn DB Tiếp tục kéo
nguội, thềm chảy của thép giảm dần cho tới khi mắt hẳn
Khi đó, thép dẻo trở thành thép răn, cường độ được nâng lên và biễn đạng cực
hạn giảm Hiện tượng tăng Ø„ khi gia công nguội côt thép được gọi là hiện tượng
cứng nguội
2.2.6.2 Tính dẻo
Được đánh giá băng biến dạng dẻo toàn phần của mẫu thép thí nghiệm hoặc
n cơt thép quanh trục có đường kính bằng (3+5 ) lần đường kính thanh thép Đối với thép dây thì được đánh giá băng cách bẻ gập nhiều lần Độ đẻo của cốt
thép có ảnh hưởng đến việc gia cơng (uốn móc, uốn sập, .) Cốt thép có độ dẻo
thấp có thể bị đứt hoặc gãy một cách đột ngột :
Trang 312.2.6.3 Tinh han dugc
Được biểu thị bằng khả năng liên kết chắc chắn của mối nối hàn, không có vết nút hoặc khuyết tật tại mối hàn và xung quanh mối hàn Tính hàn được phụ thuộc vào thành phân của thép và cách chế tạo Thép cán nóng, thép ít cacbon và thép hợp kim thấp có tính hàn được tốt (dễ hàn) Các thép đã qua gia công nguội hoặc gia công nhiệt khơng được phép hàn vì: nhiệt độ hàn sẽ làm giảm cường độ của cốt thép
2.2.6.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi bị nung ở nhiệt độ cao cốt thép bị thay đối về mặt cấu trúc kim loại làm cho cường độ và môđun đàn hồi giảm Khi nhiệt độ giảm xuống, cường độ được
phục hồi nhưng khơng hồn tồn Khi nhiệt độ thấp (dưới -30°C) một số thép
cán nóng trở nên giịn, đó là hiện tượng giòn nguội Hệ số giãn nở nhiệt của thép
khoảng œ = ¡x10” :
2.2.7 Phân nhóm cốt thép
Trước đây, cốt thép được phân thành nhóm dựa vào tính chất cơ học,: chẳng
hạn nhóm: C—7, C—ll, C-— H!, C—TV Ngồi ra, nhóm C—7 là thép tròn trơn; C— lƒ có gờ xoăn theo 1 chiều; C— !Jƒvà C—JW có ĐỜ xoăn theo 2 chiêu
Nhóm C~7, C—J/ là thép dé han; C—J/ 1a thép khoé han; C-JV là thép
khong hàn được băng hàn hồ quang Cách phân nhóm này tương tự như tiêu
chuẩn GOST 5781-82* của Nea, phan cốt thép thành các nhóm: 4—ïÏ; 4-11;
A-Ill; A-IV Lo
Hién nay, tiéu chuẩn TCVN 1651 :2008 [14], cốt thép được phân thành 5 loại:
CB240-T, CB300-T, CB300-V, CB400-V, CB500-V Chữ “CB” đầu tiên là viết tắt của từ cốt bêtông, chữ ““T” của thép thanh thăng, chữ “V” của thép thanh vằn Các
con số chỉ giá trị đặc trưng được qui định của giới hạrni chảy tính theo don vi MPa
2.3 BETONG COT THEP
2.3.1 Lực dính.giữa bêtơng và cốt thép
Lực dính là yếu tố cơ bản để hai vật liệu này cùng làm việc chưng với nhau,
đảm bảo cho chúng có cùng biến dạng và có sự truyền lực qua lại
2.3.I.I Thí nghiệm xúc định lực dính
Mẫu được chế tạo bằng cách đổ bêtông cùng đoạn cốt thép (hình 2.13) Kéo (nén) cho cốt thép tụt khỏi betong Cường độ trung bình lực dính được xác định
như sau:
Trang 32
—P aD!
Trong đó: P là lực làm cho thanh thép tụt khỏi bêtông: Ø, 7 lần lượt là đường kính và chiều dài đoạn cốt thép chôn trong bêtông
-_ Nếu đoạn / quá lớn thì thanh thép có thể bị kéo (hoặc nén) vượt quá giới hạn chảy (hay có thể bị kéo đứt) mà không bị tụt Vì vậy, để cốt thép có thể tụt khỏi
bêtơng thì đoạn / phải hạn chế trong một giới hạn nào đó Sự phân bố của lực
dính khơng đều, băng không ở 2 đầu mút và đạt giá trị lớn nhất ở cách đầu mút
1 1
(phia chiu.luc) mét doan la c= (2 ay
(2.21)
P
T=OT max Tmax a = | (2.22a, b)
mond]
Trong đó: ø là hệ số hoàn chỉnh biểu đồ lực dính (ø < 1)
Ộ ++ | p _,_,_,] ee eee ee an “4 „1 ` —> —> ——> + Pp _ Hình 2.13 Thí nghiệm xác định lực dính
2.3.1.2 Các nhân tơ tạo nên lực dính
Hai nhân tố tạo nên lực dính đó là lực ma sát và sự bám dính giữa bêtông và côt thép Khi khô cứng, bêtơng bị co ngót ôm chặt lầy côt thép và tạo nên lực ma
sát giữa chúng Do việc bám dính, bêtơng và cơt thép bám chặt với nhau do phân bêtông năm giữa các gờ của cốt thép cản trở sự trượt của cốt thép
2.3.1.3 Lực dán
Cốt thép được dán vào bêtông nhờ keo ximăng có tác dụng như một thứ hồ _ đán Với cơt thép trịn trơn thì lực dính chủ yêu là do lực ma sát Với cốt thép có
ØỜ, lực bám là quan trọng nhất Lực dán có giá trị không đáng kẻ
Trang 332.3.1.4 Cac nhan té anh hưởng đến lực dính
Thong thuong, cốt thép chịu kéo có lực dính nhỏ hơn cốt thép chịu nén Khi
chiều dài đoạn cốt thép chôn trong bêtông 7: thay đổi thì Tq Khong thay đổi nhưng z có thay đổi chút ít (vì khi tăng /, hệ số œ giảm) Khi bêtơng có cường độ chịu lực càng cao thì lực dính càng lớn Với cùng đường kính, cốt thép trịn
trơn có lực dính nhỏ hơn so với cốt thép có gờ Ngoài ra, dùng các biện pháp _ cản trở biến dạng ngang của bêtông (lưới thép hản, ) có thể làm tăng lực dính
bám
2.3.1.3 Giá trị lực dính
Giá trị lực dính có thể xác định từ công thức thực nghiệm [8] Có thể xác định
theo các tiêu chuân Nga, Pháp như sau: Theo tiêu chuẩn Nga:
ak,,
Ty S _ (2.23)
tt `
Trong đó: œ là hệ số phụ thuộc trạng thái chịu lực, lẫy giá trị œ=7 khi cốt
thép chịu kéo và œ = 7,5 khi cốt thép chịu nén; là hệ số phụ thuộc bể mặt cốt
thép, đối với thép trịn trơn thì m= 5+6, và thép có gờ m= 3+3,5; ®,„ là cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bétong
Theo tiêu chuẩn Pháp:
= BYR yp : (2.24)
Trong đó: lấy Ø=0,6 khi cốt ốt thép chịu kéo va B=1 khi cốt thép chiu nén; lấy y =1+1,2 véi thép tron tron; lấy y = 1,8+2 v6i thép co gd; R,, : cuong dd bin * chịu kéo tiêu chuẩn của bêtông
2.3.2 Sự làm việc chung giữa bêtông và cốt thép 2.3.2.1 Ung suất ban đầu do bêtơng co ngói:
Khảo sát thanh bêtơng có đặt cốt thép dọc theo trục (hình 2.14) Khi bêtông
_ khô cứng, nó sẽ bị co ngót Nếu khơng có cốt thép, nó sẽ bị eo ngót một lượng
là #¿ Nêu có côt thép, côt thép sẽ cản trở biên dạng này (chông lại sự co), nên
bêtơng chỉ bị co ngót một lượng nhỏ hơn là e, Như vậy, cốt thép bị nén lại
một lượng là #;, cịn bêtơng bị kéo ra một lượng là e; (#; = #; —#\) Ứng suất
nén sinh ra trong cốt thép: ơ,=ø,;; $2 ứng suât kéo sinh ra trong bêtông: Ơ, =V,&,b,
Trang 34Hình 2.14 Bién dang do co ngót
Sự co ngót xảy ra chủ yếu trong giai đoạn khô cứng đầu tiên của bêtông nên _Ø, Và ơ, thay đôi theo thời gian Hợp lực của chúng là những lực nội tại và chúng tự cân bằng Nếu ơ, vượt quá giới hạn chịu kéo, bêtông sẽ nứt do co ngót
bị cản trở
2.3.2.2 Ứng suất do ngoại lực
Xét thanh bêtông cốt thép chịu nén (hoặc kéo) mà bêtông chưa bị nứt, bêtông và cốt thép làm việc chung và có cùng biến dạng £ Ứng suất trong bêtông là:
o, =veE, dan dén ¢=0,/vE, Ứng suất trong cot thép: ø, =£E, = E, ơ,ÍvE,
Dat: n, = E,/vE,, va goi la hệ số tương đương Ta có:
O, =N,0, , | | | (2.25)
- Thông thường: ø, =8+20 Giả sử N laluc doc, A, va A,1a diện tích tiết diện
của bêtông và cốt thép Từ điều kiện cân bằng lực ta có:
N = 0,A, + 0A, — O; (4, +n,A, ) l (2.26)
_ Đặt 4 4= 4†n,A 4, và gọi là diện tích tiết diện tương đương:
Trong cấu kiện BTCT, nếu phần bêtông chịu kéo bỊ nứt thì cốt thép sẽ chịu toàn bộ nội lực kéo thay cho bêtông
2.3.2.3 Sự phân bỗ lại ứng suất do từ biễn
Khi chịu tải trong thời gian dài bêtông bị từ biến, biến dạng tăng nhưng ứng suất không tăng Cịn cốt thép khơng từ biến nên nó cản trở biến dạng từ biến này Như
vậy, côt thép bị kéo ra, cịn bêtơng bị nén lại, nên ứng suât trong côt thép ơ, tăng lên và ứng suất trong bêtông Ø, giảm xuống Đây là sự phân phối lại ứng suất do từ biến Hiện tượng này có lợi.cho sự làm việc chung giữa bêtông và cốt thép
Trang 352.3.3 Nguyên nhân gây phá hoại và hư hỏng bêtông cốt thép -
2.3.3.1 Do chiu luc
Trong kết câu BTCT, bêtông va cốt thép cùng làm việc cho đến khi bị phá
hoại Khi chịu kéo, bêtông thường bị nứt trước, lúc đó cốt thép chịu toàn bộ nội
lực Khi ứng suất trong cốt thép đạt đến giới hạn chảy thì cốt thép bị phá hoại và
xem như cấu kiện bị phá hỏng Khi chịu nén, sự phá hoại bắt đầu khi bêtông đạt
đến cường độ chịu nén giới hạn Lúc này, bêtông bị nén vỡ Khi chịu uốn, nếu cầu kiện bị phá hoại từ vùng chịu kéo đến vùng chịu nén thì gọi là phá hoại dẻo
Nếu ngược lại, bêtông vùng nén bị phá hoại trước thì gọi là phá hoại giòn, xảy ra khi đặt cốt thép trong vùng kéo quá nhiều Đây là sự phá hoại cần phải tránh
2.3.3.2 Do biến dạng cưỡng bức
Chuyển vị của các liên kết (gối tựa), sự thay đổi nhiệt độ, sự co ngót của
bêtông, sẽ gây ra biến dạng cưỡng bức cho kết cầu Khi đó, ở kết cấu tĩnh định
không sinh ra nội lực, nhưng ở kết cầu siêu tĩnh, do biến dạng cưỡng bức bị ngăn
cản nên phát sinh nội lực và có thể làm cho kết cầu bị hư hỏng hay bị phá hoại Sự phá hoại này giống như khi phá hoại do chịu lực
2.3.3.3 Do tac dung cua moi trường
Kết cầu BTCT có thể bị hư hỏng do tác dụng cơ, lý, hóa và sinh vật của môi
trường Tác dụng cơ và lý học do bị bào mòn do mưa, dịng chảy, bị hun nóng do
nhiệt, Ngoài ra, sự đóng băng và tan băng cũng gây nứt cho bêtông và làm hư
hỏng công trình
Tác dụng hóa học là do khi bị xâm thực bởi chất hóa học, bêtơng sẽ bị mủn, mật khả năng chịu lực Nguyên nhân do các chất này phản ứng hóa học với các thành phần của đá ximăng tạo ra các chất hòa tan, làm kết câu bị ăn mòn Cốt thép cũng bị xâm thực do tác dụng hóa học của mơi trường Khi bị gỉ, thể tích
cốt thép tăng lên làm bêtông bị chèn ép và nứt ra Vết nứt làm thép dễ bị gi hơn, tác động ngược lại làm bêtông nứt lớn hơn Cốt thép dễ bị gỉ khi cơng
trình ở mơi trường có hơi nước mặn, nhiệt độ và độ ầm cao Sự øia công nguội cốt thép cũng như ứng suất trong cốt thép cảng cao sẽ làm cho thép dễ bị gỉ
hơn Cần bảo vệ chống gỉ cho cốt thép bang cách làm sạch bê mặt, dùng cốt
Trang 3640MPa và chiều dày lớp bêtông bảo vệ cốt thép tương tng 1a 70mm Bé mat kết cầu phải phẳng, không gây đọng nước, khơng gây tích tụ âm và bụi Có thể bao vệ thêm mặt ngoài kết cấu bằng một lớp bêtông phun khô, lớp vữa trát chống thắm hoặc sơn chống thấm Bảo vệ thêm cốt thép bằng lớp sơn phủ chống ăn mòn, sử dụng chất ức chế ăn mòn và khuyến khích dùng cốt thép hợp
kim có khả năng chống ăn mòn [15] :
Tác dụng của sinh vật do các loại rong rêu, hà, vi khuẩn ở sông, biển bám vào bề mặt bêtông và tiết ra các chất hóa học có thể làm hư hỏng bề mặt
bêtông Tác dụng của thời gian: Nếu trong môi trường thuận lợi, bêtơng có thể tăng cường độ trong vài năm đầu, nhưng sẽ bị lão hóa dần và giảm cường độ
sau vài chục năm |
Trang 37Chương 3 NGUYEN LY TINH TOAN VA CAU TAO
3.1 NOI DUNG VA TRINH TU THIET KE KET CAU
3.1.1 Nội dung
Nhăm đưa ra giải pháp kết cấu phù hợp cho cơng trình, cơng tác thiết kế cần
đưa ra phương án kết cấu chịu lực hợp lý và tiến hành các bước phân tích, tính
tốn thiết kế cầu kiện
Kết quả của công tác thiết kế kết cầu phải được thể hiện bằng các thuyết minh tính tốn và bản vẽ Nhìn chung cơng tác thiết kế kết cầu BTCT bao gồm hai nội
dung chính đó là tính tốn và cấu tạo |
Nội dung tinh toán: thê hién bang thuyét minh trinh bay co sé thiét ké, các lập
luận và tính tốn kết cấu cụ thể, các kết quả tính tốn cấu kiện
Nội dung cấu tạo: thê hiện băng bản vẽ thể hiện hình dáng, kích thước, cấu tạo
của kết cầu cùng với các yêu cầu kỹ thuật, chỉ dẫn về vật liệu sử dụng
Thiết kế kết cấu BTCT cần đáp ứng các tiêu chí cơ bản đó là: độ bền vững,
phù hợp điều kiện sử dụng, có tính khả thi và kinh tế của phương án ở giai đoạn thi công và sử dụng cơng trình
3.1.2 Trình tự thiết kế |
Trình tự thiết kế kết cấu bêtông cốt thép thông thường tuân theo trình tự các bước sau: lựa chọn và giới thiệu phương án kết câu, chọn vật liệu và sơ bộ kích thước các cấu kiện, lập sơ đồ tính tốn và xác định tải trọng, tính tốn nội lực và tô hợp nội lực, tính tốn tiết điện bétong cốt thép, thiết kế chỉ tiết và thể hiện
_ tựa chọn và giới thiệu phương án kết cấu: Căn cứ vào quy mô, vị trí và cơng
năng của cơng trình, cần đánh giá đặc điểm của kết cấu, sau đó đưa ra và lựa chọn phương án thiết kế kết cầu hợp lý
Trang 38
bêtơng, nhóm cơt thép .) Với phương án kêt câu đã hình thành, cân sơ bộ chọn
các kích thước của các câu kiện như: sàn, dâm, cột, vách cứng,
Lập sơ đồ tính toán: Tù phương án kết cầu đã lựa chọn, kết câu thực được mơ
hình thành sơ đồ tính để xác định nội lực Các liên kết thực tế liên kết các cấu kiện được chuyển đổi và mơ hình, thành các liên kết lý thuyết tương ứng Cần chú ý các liên kết lý thuyết cần phải lựa chón hợp lý trên cơ sở phân tích điều _kiện làm việc, khả năng ngăn cán chuyền vị của nó
Xác định tai trong: Tung loại tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải, đặc biệt, ) và tính
chât tác dụng lên kêt câu được xác định cụ thê Với mỗi loại tải trọng cân xác
định điêm đặt, phương, chiêu, độ lớn, các trường hợp bat loi cua tải trọng
Tính toán nội lực, tổ hợp nội lực: Xác định biểu đồ nội lực chơ từng trường
hợp tải trọng, sau đó tô hợp các giá trị nội lực ở các biêu đô nội lực do các trường
hợp tải trọng gây ra đê tìm ra các giá trị nguy hiêm nhất
Tính tốn tiết điện bêtơng cối thép: Nội lực nguy hiểm nhất tại từng tiết điện
nguy hiểm được dùng để tính tốn cấu kiện BTCT nhằm đảm bảo cho kết.cấu chịu lực an toàn Đây là nội dung chính trong giáo trình này
Thiết kế chị tiết và thể hiện: Chọn và bỗ trí cỗt thép thỏa mãn các yêu cầu chịu
lực, cấu tạo, thi công thuận lợi Toản bộ kết quả thiết kế kết cấu BTCT được thể
hiện trên bản vẽ
3.2 TAI TRONG
Các tác động vào kết cầu BTCT chính là tải trọng Tải trọng có thể là trọng
lượng bản thân kết câu, hoặc do tải trọng gây ra khi đưa cơng trình vào sử dụng,
do tác dụng của gió, các loại tải trọng đặc biệt (động đất, cháy nổ, bom đạn)
Giá trị tải trọng được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 [16] - 3.2.1 Phân loại tải trọng
Theo tính chất tác dụng, tải trọng được chia làm các loại: tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời, tải trọng đặc biệt - :
Tai trong thuong xuyén (tinh tai) la loai tải trọng khơng đổi về vị trí, độ lớn, phương chiều tác dụng trong suốt quá trình sử dụng của cơng trình Chang hạn như tải trọng do trọng lượng bản thân của kết cấu, áp lực đất lên tường
tâng hầm,
Tải trọng ‘tam thoi (hoạt tải): là loại tải trọng có thể thay đổi phương, chiều độ lớn và điểm đặt Đó là trọng lượng do người, đồ vật, do gió có thể tác dụng dài hạn hoặc ngắn hạn
Trang 39Tải trọng đặc biệt: là loại tài trọng xây ra do hiện tượng: cháy, nd, động đất
Ngoài ra, theo thời gian tác dụng tải trọng duoc phan chia thanh: tdi dai han:
(tải trọng thường xuyén, tải trọng tạm thoi), tdi ngắn hạn (một phần tải trọng tạm
thời), và /ái rừng lặp theo chu kỳ (rung động)
3.2.2 Giá trị tiêu chuẩn và tính tốn của tải trọng
Tải trọng tiêu chuẩn (4): là giá trị thường gặp trong quá trình sử dụng, được xác định theo thực tế hoặc thống kê, được quy định trong tiêu chuẩn
TCVN 2737:1995
Tải trọng tính tốn (4) : là giá trị tải trọng xét đến khả năng vượt tải trong
thực tế, tức tải trọng tác dụng có thê lớn hon giá trị tải trọng tiêu chuẩn và gay bất lợi cho kết cầu được xác định theo cơng thức:
q=ng® _ | (3.1)
Trong đó: ø là hệ số độ tin cậy hay hệ số vượt tải Theo tiêu chuẩn TCVN
2737:1995, n =(0,9+1, 4) Trong trường hợp nếu giảm tải trọng lại gây bất lợi
cho kết cấu (ví dụ tường chắn đất, tính tốn ổn định) thì phải lay n <1
3.3 NỘI LỰC
3.3.1 Xác định nội lực
_— Khi có tai trọng tác dụng, kết cấu sẽ xuất hiện nội lực, để xác định nội lực có
thê dùng hai loại sơ đồ tính là sơ đồ đàn hồi và sơ đồ dẻo Việc lựa chọn sơ đồ tính nào sẽ phụ thuộc vào việc người thiết kế cho phép vật liệu làm việc trong miền đàn hồi hay miễn dẻo |
Tuy nhiên, với kết cầu tĩnh định, chỉ dùng sơ đồ đàn hồi để tìm nội lực Với
kết cấu siêu tĩnh, có thể tính theo sơ đồ đàn hồi hoặc sơ đồ đẻo Nếu dùng sơ
đồ đàn hồi, xem BTCT là vật liệu đàn hồi, để xác định nội lực có thể dùng các
phương pháp sau: phương pháp lực, phương pháp chuyển vị Hiện nay, để tính
tốn kết cấu với cấu trúc lớn, người thiết kế có thể sử dụng các phần mềm tính
toán kết câu dựa trên phương pháp số khác như: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, Nếu dùng sơ đồ đẻo, kết cấu thiết kế sẽ làm việc trong miền dẻo nhưng vẫn không bị phá hủy, cho phép cốt thép chảy dẻo, bêtông xuất hiện vết nứt, có sự phân phối lại nội lực Để tìm nội lực khi dùng sơ đồ deo có thể sử dụng phương pháp trạng thái tới hạn hoặc các phương pháp số khác nêu trên - :
Trang 40
Việc tính toán theo sơ đồ đàn hồi, kết cấu sẽ an tồn hơn nhưng khơng kinh tế |
bang khi tinh so dé déo, khi cho két cau lam viéc miền dẻo, ta đã tận dụng sự làm việc của vật liệu nhiều hơn Thực chất BTCT là vật liệu đàn hồi- dẻo và không đồng nhất, do đó các tính tốn của cả hai so đồ đều chỉ mang tính gần đúng Đối với sơ đồ dẻo, rất khó đánh giá chính xác mức độ dẻo của kết câu Do vậy hiện
nay tính theo sơ đồ dẻo chỉ áp dụng đối với một số cấu kiện dầm, bản thông thường (liên tục, siêu tĩnh)
3.3.2 Tổ hợp nội lực
Đối với tĩnh tải, đây là loại tải trọng luôn xuất hiện trong kết cấu Đối với hoạt
tải, có thể xuất hiện hoặc không và thậm chí có thể đổi chiều tác dụng Do đó khi thiết kế cần tổ hợp nội lực do việc phối hợp các trường hợp tải trọng bao gom tĩnh tải và hoạt tải có thể xảy ra, nhằm tìm ra giá trị bất lợi về nội lực cho kết cấu Về tổng quát có thể biểu diễn việc tổ hợp nội lực $ như sau:
¬ 62
Trong đó: s, là nội lực do tĩnh tải gây ra (luôn không đổi); s, là nội lực do
trường hợp thứ ¡ của hoạt tải thứ 7 gây ra (Sự thay đôi cả về trị sô và dâu), do đó cần phải lựa chọn Si để nội lực tổng hợp gây bất lợi nhất; z là hệ số tổ hợp, theo
tiêu chuân TCVN 2737:1995 thì: z =1 khi lấy một hoạt tải và z=0.9 khi lấy
hai hoạt tải trở lên |
Xét một đầm chịu uốn, tại mỗi tiết điện tìm được hai giá trị mômen dương lớn nhất ứng với giá trị lớn nhất của 3M, Và giá trị mômen âm lớn nhất ứng VỚI giá trị nhỏ nhất của UM; - Tap hop cac gia tri nay theo cac tiét dién doc theo truc thanh tạo thành hai nhánh, gọi là hình bao mơmen Các giá trị A⁄„ Max va M min,
định công thức: |
My =M,+maxy) M, Wax | (3.3a)
Min = M, +miny> min M, | (3.3b)
Trong do: M, la momen do tinh tai gay ra, M, la mômen do trường hợp thứ 7 của hoạt tải thứ 7 gây Ta
Một cách khác để tìm nội lực nguy hiểm trong các cấu kiện là tổ hợp tải trọng: tiến hành tổ hợp trước các loại tải trọng, sau đó tính nội lực với tải trọng tổ hợp này Cách tô hợp nội lực hay tổ hợp tải trọng sẽ được trình bày khi tính tốn các loại câu kêt câu cụ thê sẽ được trình bày ở học phần sau