ÔN LẠI CƠ CÔNG TRÌNH

Bài giảng tóm tắt Kết cấu cơng trình TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG KẾT CẤU CƠNG TRÌNH Bài giảng tóm tắt dành cho sinh viên ngành: - Quy hoạch thị - Cấp nước - Mơi trường ( TÍN CHỈ ) Biên soạn: PGS.TS Nguyễn Hữu Lân - TÀI LIỆU SỬ DỤNG NỘI BỘ - KẾT CẤU CƠNG TRÌNH Chương TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CƠNG TRÌNH Tải trọng loại ngoại lực tác dụng lên cơng trình Đó trọng lượng thân phận cơng trình tác động lâu dài tạm thời khác thời gian sử dụng cơng trình Tải trọng ngun nhân chủ yếu gây nội lực, chuyển vị khe nứt kết cấu cơng trình Người thiết kế cần xác định đầy đủ loại tải trọng để sở xác định nội lực, kiểm tra độ bền, độ cứng độ ổn định, nhằm mục đích cuối đảm bảo tuổi thọ cơng trình, đồng thời đảm bảo tính kinh tế 1.1 Phân loại tải trọng Tải trọng phân loại theo tính chất tác dụng theo thời hạn tác dụng Theo tính chất tác dụng, tải trọng chia ba loại:  Tải trọng thường xuyên, gọi tĩnh tải, tải trọng có trị số, vị trí phương, chiều khơng thay đổi suốt q trình tác dụng lên cơng trình, trọng lượng thân cấu kiện trọng lượng thiết bị cố định  Tải trọng tạm thời, gọi hoạt tải, tải trọng thay đổi trị số, phương, chiều điểm đặt, tải trọng sàn nhà, tải trọng hoạt động cầu trục nhà công nghiệp, tải trọng ôtô chạy đường, tải trọng gió tác dụng bề mặt cơng trình  Tải trọng đặc biệt tải trọng xảy lực động đất, chấn động cháy, nổ v.v Theo thời hạn tác dụng, tải trọng chia hai loại:  Tải trọng tác dụng dài hạn, trọng lượng vách ngăn tạm, trọng lượng thiết bị cố định, áp lực chất khí, chất lỏng, vật liệu rời bể chứa đường ống, trọng lượng vật liệu chứa bệ thiết bị phòng, kho chứa …  Tải trọng tác dụng ngắn hạn, trọng lượng người, vật liệu, phụ kiện, dụng cụ sửa chữa, tải trọng sinh chế tạo, vận chuyển lắp ráp kết cấu xây dựng; tải trọng sinh thiết bị nâng chuyển di động(cầu trục, câu treo, máy bốc xếp), tải trọng gió … Tải trọng thường xuyên thuộc loại tải trọng tác dụng dài hạn Nhưng tải trọng tạm thời tác dụng dài hạn hay ngắn hạn Theo trị số, loại tải trọng có:  trị số tiêu chuẩn g n (còn gọi tải trọng tiêu chuẩn) trọng lượng kết cấu xác định theo số liệu tiêu chuẩn catalo theo kích thước thiết kế khối lượng thể tích vật liệu;  trị số tính tốn g (cịn gọi tải trọng tính tốn) xác định cách lấy trị số tiêu chuẩn nhân với hệ số tin cậy tải trọng hệ số xét đến khả thay đổi trị số tải trọng: g  ng n Hệ số tin cậy tải trọng trọng lượng kết cấu xây dựng, móng nhà cơng trình, lấy theo dẫn mục 2.2 [1] tham khảo bảng 2.4 [2] Theo cách thức tác dụng, tải trọng chia ra:  tải trọng tập trung tải trọng tác dụng vùng nhỏ, xem điểm  tải trọng phân bố tác dụng học miền: - miền tác dụng có dạng đường (đường thẳng đường cong), gọi tải trọng phân bố chiều dài; tải trọng có thứ nguyên [lực/chiều dài]; - miền tác dụng có dạng mặt (mặt phẳng mặt cong), gọi tải trọng phân bố diện tích; tải trọng có thứ ngun [lực/diện tích]; - miền tác dụng có dạng khối, gọi tải trọng phân bố thể tích; tải trọng có thứ ngun [lực/thể tích] 1.2 Tổ hợp tải trọng Các tải trọng không tác dụng đơn lẻ mà thường có nhiều tải trọng lúc tác dụng lên cơng trình Những tải trọng có khả tác dụng đồng thời tạo thành tổ hợp tải trọng Khi thiết kế cơng trình, địi hỏi phải xác định nội lực bất lợi kết cấu, nên cần phải tổ hợp tải trọng cách hợp lý Có nhiều tổ hợp tải trọng, tiết diện cấu kiện có tổ hợp gây nội lực bất lợi Mặt khác, tổ hợp bất lợi tiết diện lại bất lợi tiết diện khác Những vấn đề phức tạp, xét đến trường hợp tính tốn cụ thể Trị số tiêu chuẩn loại tải trọng (tải trọng tiêu chuẩn) loại tổ hợp tải trọng lấy theo tiêu chuẩn thiết kế Đối với công trình dân dụng cơng nghiệp, tiêu chuẩn tải trọng tác động dùng TCVN 2737-1995 [1] Đối với cơng trình chun ngành giao thơng, thủy lợi, cảng, dùng tiêu chuẩn ngành tương ứng Chẳng hạn tiêu chuẩn thiết kế cơng trình thủy lợi dùng TCVN 4116-85 TCVN 2737-1995 quy định hai loại tổ hợp tải trọng:  Tổ hợp gồm tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn tải trọng tạm thời ngắn hạn đồng thời tác dụng  Tổ hợp đặc biệt gồm tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn tải trọng tạm thời ngắn hạn số tải trọng đặc biệt đồng thời tác dụng Tổ hợp tải trọng đặc biệt tác động nổ va chạm phương tiện giao thơng với phận cơng trình cho phép khơng tính đến tải trọng tạm thời ngắn hạn nêu Tổ hợp tải trọng đặc biệt tác dụng động đất khơng tính đến tải trọng gió Tổ hợp tải trọng dùng để tính khả chống cháy kết cấu tổ hợp đặc biệt Hệ số tổ hợp (): Sự xuất lúc nhiều tải trọng mà tải trọng đạt trị số lớn có khả xảy so với có tải trọng Để xét đến thực tế đó, người ta dùng hệ số tổ hợp tải trọng công thức xác định nội lực tính tốn Tổ hợp tải trọng có tải trọng tạm thời giá trị tải trọng tạm thời lấy toàn ( = 1) Tổ hợp tải trọng có từ tải trọng tạm thời trở lên giá trị tải trọng tạm thời dài hạn tải trọng tạm thời ngắn hạn phải nhân với hệ số  = 0,9 Tổ hợp tải trọng đặc biệt có tải trọng tạm thời giá trị tải trọng tạm thời lấy toàn ( = 1) Tổ hợp tải trọng đặc biệt có tải trọng tạm thời trở lên, giá trị tải trọng đặc biệt lấy tồn bộ, cịn giá trị tải trọng tạm thời nhân với hệ số tổ hợp sau: - tải trọng tạm thời dài hạn nhân với hệ số  = 0,95; - tải trọng tạm thời ngắn hạn nhân với hệ số 2 = 0,8; trừ trường hợp riêng, ghi tiêu chuẩn thiết kế cơng trình vùng động đất tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mómg khác 1.2 Xác định tải trọng tính tốn Ví dụ 1.1 Tính trọng lượng thân dầm bêtơng cốt thép có tiết diện chữ nhật, kích thước b×h = 250×600 (tính mm) – h.1.1,a dầm bêtơng cốt thép khác có tiết diện chữ T, kích thước phần sườn b×h = 180×600 (mm), phần cánh b f×hf = 500×100 (mm) – h.1.1,b Tính giá trị tiêu chuẩn b) a) Giải: Kết cấu dạng nên trọng lượng thân tải trọng phân bố theo chiều dài, tính tích số trọng lượng đơn vị vật liệu diện tích tiết diện Đối với vật liệu bêtông cốt thép, trị số tiêu chuẩn trọng lượng đơn vị tra từ bảng 2-1 [2]: b = 2500 daN/m3 Dầm tiết diện chữ nhật, kích thước b×h = 250×600: H.1.1 gn = bA = bbh = 2500×0,25×0,6 = 375 daN/m Dầm tiết diện chữ T, b×h = 180×600 (mm), bf×hf = 500×100 (mm): - diện tích tiết diện: A = bh + (b f – b)hf = 0,18×0,6 + (0,5 – 0,18)×0,1 = 0,138 m2; - trọng lượng thân: gn = bA = 2500×0,138 = 345 daN/m Ví dụ 1.2 Tính trọng lượng thân (trị số tính tốn) sàn bêtơng cốt thép có lớp cấu tạo sau: Chiều dày, mm Trọng lượng đơn vị, daN/m3 Hệ số tin cậy n Lớp gạch lát 1 = 10 1= 1800 1,2 Lớp vữa lót 2 = 20 1= 1500 1,2 Tấm bêtông cốt thép 3 = 120 3= 2500 1,1 Vật liệu Lớp vữa tô 4 = 15 1,2 4= 1500 Giải: Trị số tính tốn tổng cộng trọng lượng thân sàn (lực phân bố diện tích):   n = 1800×0,01×1,2 + 1500×0,02×1,2 + 2500×0,12×1,1 + i i i + 1500×0,015×1,2 = 441,16 daN/m2 1.3 Xác định tải trọng theo tiêu chuẩn thiết kế Tải trọng thiết bị, người vật liệu, vật tư chất kho xác định theo mục [1] Tải trọng cầu trục cẩu treo xác định theo mục H.1.2 Gạch lát Vữa lót Bêtông cốt thép Vữa trát [1] Tải trọng gió xác định theo mục [1] Bảng 2-1 [2] cho trị số tiêu chuẩn trọng lượng đợn vị số loại vật liệu xây dựng thông dụng Chương NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU CƠNG TRÌNH Dưới tác dụng tải trọng tác động khác (như biến thiên nhiệt độ, chuyển vị gối tựa …), kết cấu phát sinh nội nội lực Xác định nội lực kết cấu nhiệm vụ môn Sức bền vật liệu môn Cơ học kết cấu Ở nêu phương pháp xác định nội lực số trường hợp đơn giản kết cấu dạng thanh, chủ yếu hệ phẳng, dạng bản, dùng để tính tốn kết cấu thường gặp 2.1 Các thành phần nội lực hệ phẳng 2.1.1 Hệ dầm khung Để biểu thị nội lực, cần chọn hệ trục đềcác vng góc Oxyz theo quy ước sau (h.2.1,a): - Gốc O trùng với trọng tâm mặt cắt K; - trục z chiều với pháp tuyến dương mặt cắt ngang xét thanh; - trục y có chiều từ xuống người quan sát; - truc x có chiều cho Oxyz hệ trục toạ độ thuận Trong hệ dầm khung phẳng, tiết diện K nói chung tồn thành phần nội lực sau (h.2.1,b): a) b) M O N z x M Q N Q y H.2.1 Các thành phần nội lực hệ phẳng - mômen uốn quanh trục x, ký hiệu Mx, hay đơn giản M, khơng có thành phần mơmen khác; - lực cắt theo chiều trục y, ký hiệu Qy, hay đơn giản Q, khơng có thành phần lực cắt khác; - lực dọc Nz hay đơn giản N Trong hệ dầm khung không gian, số thành phần nội lực đầy đủ (Mx, My, Mz, Qx, Qy Nz) 2.1.2 Hệ dàn Trong dàn, thường thẳng liên kết với khớp hai đầu Khi bỏ qua trọng lượng thân nội lực dàn cịn thành phần lực dọc (kéo nén) N 2.2 Xác định nội lực hệ phẳng tĩnh định 2.2.1 Xác định nội lực dầm khung Giả sử cần xác định nội lực mặt cắt K Khi thực mặt cắt ngang qua K, chia dầm khung làm phần Loại bỏ phần, xét phần lại Để đảm bảo điều kiện cân cho phần xét, phần bị loại bỏ phải thay thành phần nội lực MK, QK NK mặt cắt K xét Như phần xét chịu tác dụng ngoại lực Pi (nói chung gồm lực tập trung, lực phân bố, mômen tập trung mơmen phân bố) thành phần lực cần tìm MK, QK NK ; riêng phần xét lúc chúng đóng vai trị ngoại lực Theo định nghĩa, mômen ngoại lực Pi điểm K tích số độ lớn lực với cánh tay đòn lực điểm K (khoảng cách từ điểm K đến giá lực), mang dấu dương nêu lực làm căng thớ Mômen MK tổng mômen tất ngoại lực tác dụng lên phần xét trọng tâm mặt cắt K: M K   M K ( Pi ) Lực cắt ngoại lực Pi gây mặt cắt K đại lượng độ dài hình chiếu lực Pi trục y lấy dấu dương hình chiếu có xu hướng quay quanh trọng tâm mặt cắt K theo chiều kim đồng hồ Lực cắt QK tổng lực cắt K tất ngoại lực tác dụng lên phần xét Lực dọc ngoại lực Pi gây mặt cắt K đại lượng độ dài hình chiếu lực Pi trục z lấy dấu dương hình chiếu có chiều với trục z Lực dọc NK tổng lực dọc K tất ngoại lực tác dụng lên phần xét P3 P4 K P1 P2 P3 P1 M N Q P2 Xác định nội lực không xác định giá trị, mà cịn phải dấu chúng, dấu thể chiều tác dụng nội lực, yếu tố quan trọng để tính tốn kết cấu cơng trình sau H Nếu hệ tĩnh định nhiều trường hợp, cần phải xác V định phản lực liên kết trước xác định nội lực mặt cắt Chỉ riêng trường hợp dầm khung đơn giản liên kết với móng ngàm khơng thiết phải xác định phản lực liên kết H.2.2 Nếu hệ siêu tĩnh, việc xác định nội lực nói chung khơng dễ dàng phản lực nội lực dùng phương trình cân tĩnh học mà xác định Nếu hệ siêu tĩnh đơn giản, tra bảng [2] để xác định nội lực, cịn nói chung phải dùng phần mềm máy tính để tính tốn nội lực Ví dụ 2.1 Xác định thành phần nội lực mặt cắt K dầm khung đơn giản cho hình 2.3,a b Giải: dầm khung liên kết với móng ngàm nên khơng thiết phải tìm phản lực a) b) P K q Dầm h.2.3,a: P MK = –Pa; QK = +P; NK = K H.2.3 Khung h.2.3,b: MK = Pa – (q.2a).a = Pa - 2qa2 (quy ước mômen căng bên > 0); QK = –P; NK = –q.2a = –2qa Ví dụ 2.2 Xác định thành phần nội lực M K QK mặt cắt K nhịp dầm đơn giản có đầu thừa cho hình 2.4 q Xác định phản lực: M M A  H.2.4  M  0: VBl - ql.l/2 - M = VB = ql/2 + M /l B  0: VAl - ql.l/2 + M = VA = ql/2 – M /l Thử lại: Y  V A  VB  ql  ( ql ql  M / l ) (  M / l )  ql  (đúng) 2 Nếu xét đoạn AK: l l l l l ql M  ql M  l M K  VA  q      q   2 l 2 2 QK  V A  q l l M  ql M       q   2 l l   Nếu xét đoạn KB: l l l l l ql M  ql M  l M K  VB  q  M o      q  M   2 l  2 2 QK  VB  q l l M  ql M       q   l  l 2 Nhận xét: phản lực xác định xác, tính nội lực K cách xét hai phần kết cấu, xét phần cho kết 2.2.2 Xác định nội lực dàn Giới thiệu phương pháp mặt cắt hệ dàn 2.3 Xác định nội lực hệ phẳng siêu tĩnh Giới thiệu cách sử dụng bảng tra để xác định nội lực số hệ siêu tĩnh đơn giản Chương KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP 3.1 VẬT LIỆU BÊTÔNG CỐT THÉP 3.1.1 Bản chất bêtông cốt thép Bêtông cốt thép (BTCT) loại vật liệu hỗn hợp, bêtơng thép phối hợp làm việc với thể thống Bêtông vật liệu chịu nén tốt, chịu kéo Ngược lại thép chịu nén chịu kéo tốt Do người ta tìm cách dùng thép làm cốt cho bêtơng: đặt cốt thép vào nơi mà cấu kiện làm việc phát sinh ứng suất kéo (h.3.1) Đó nguyên lý để tạo nên vật liệu BTCT Ngồi ra, nhiều trường hợp, cốt thép bố trí vùng chịu nén cấu kiện để trợ lực cho bêtông để bảo đảm yêu cầu cấu tạo H.3.1 Miền chịu kéo với khe nứt cốt thép dầm BTCT Sở dĩ bêtông thép phối hợp làm việc với chủ yếu nhờ bêtơng khơ cứng bám chặt vào bề mặt cốt thép, tạo khả truyền lực hai loại vật liệu, cấu kiện có khả chịu tải trọng Bêtơng cịn có tác dụng bảo vệ cho cốt thép khỏi bị ăn mòn tác dụng mơi trường Kết cấu BTCT có loại: - theo phương pháp thi cơng, có BTCT tồn khối (bêtơng đổ chỗ), BTCT lắp ghép nửa lắp ghép; - theo phương pháp chế tạo, có BTCT thường BTCT ứng lực trước Kết cấu BTCT có khả chịu lực tốt khả chống nứt Khi chịu tải trọng, cấu kiện BTCT thường ln có khe nứt miền chịu kéo Khe nứt làm cho tiết diện cấu kiện bị thu hẹp, độ cứng giảm Khe nứt lớn làm cho cốt thép tiếp xúc với khơng khí nước, làm ăn mòn cốt thép, gây hư hỏng kết cấu Để hạn chế khe nứt, cách tốt dùng BTCT ứng lực trước Đó cấu kiện mà chế tạo, người ta dùng cốt thép cường độ cao, kéo căng cốt thép để tạo lực ép trước tác dụng lên bêtông nơi phát sinh ứng suất kéo sử dụng sau Lực ép trước hạn chế triệt tiêu hoàn toàn khe nứt, đồng thời làm cho độ cứng tăng lên nhiều so với cấu kiện BTCT thường có kích thước tiết diện hàm lượng cốt thép cách bố trí cốt thép 3.1.2 Ưu nhược điểm kết cấu BTCT BTCT loại vật liệu chủ yếu xây dựng cơng trình dân dụng-công nghiệp, giao thông thuỷ lợi Với ưu điểm bật khả chịu lực lớn, dễ tạo dáng theo yêu cầu kiến trúc, chịu lửa tốt thép gỗ, dễ sử dụng vật liệu địa phương sẵn có (cát, đá, ximăng) nên phạm vi ứng dụng BTCT ngày rộng rãi Những công trình nghiên cứu tính chất học lý học vật liệu, lý thuyết tính tốn cơng nghệ chế tạo BTCT thu tiến lớn 10 Nhược điểm trọng lượng thân lớn dễ bị nứt nêu Do trọng lượng thân lớn nên khó tạo kết cấu nhịp lớn; dùng BTCT ứng lực trước điều kiện cho phép, dùng kết cấu vỏ mỏng có khả chế tạo kết cấu mảnh, nhịp lớn Ngồi bêtơng cịn vật liệu có khả cách nhiệt cách âm kém; cần phải trọng biện pháp cấu tạo hợp lý áp dụng tiến kỹ thuật công nghệ chế tạo để khắc phục bớt nhược điểm nói Bằng BTCT, người ta xây dựng kết cấu cầu vịm có nhịp 260 m (Thuỵ Điển), mái nhà có nhịp 200m (Pháp), tháp truyền hình cao 500 m (Nga) Ở Việt Nam, nhiều cơng trình lớn BTCT xây dựng nhà máy thuỷ điện Thác Bà, cầu Thăng Long, cầu Mỹ Thuận v.v… Bằng ximăng lưới thép, kết cấu vỏ mỏng mái nhà, vỏ tàu thuỷ, bể chứa xây dựng nhiều nước giới Việt Nam 3.2.CÁC TÍNH CHẤT CƠ – LÝ CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU 3.2.1 Bêtông Các loại cường độ tiêu chuẩn bêtông bao gồm cường độ chịu nén dọc trục mẫu lăng trụ (cường độ lăng trụ) Rbn cường độ chịu kéo dọc trục Rbtn Các loại cường độ tính tốn bêtơng tính tốn theo trạng thái giới hạn thứ Rb, Rbt theo trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser, Rbt,ser xác định cách lấy cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số tin cậy bêtông tương ứng nén bc kéo bt tiêu chuẩn thiết kế quy định Cường độ R Các loại cường độ bêtông R28 Rt Thời gian t (ngày) t 28 H.3.2 Sự tăng cường độ bêtông theo thời gian Tiêu chuẩn trước quy định thiết kế phải xác định mác bêtông theo cường độ chịu nén (ký hiệu M), số biểu thị giá trị cường độ khối lập phương cường độ tính theo đơn vị kG/cm2 Trong xây dựng thường dùng bêtông nặng với mác M150, M200, M250, M300, M400, M500 M600 Ngồi cịn dùng mác bêtơng theo cường độ chịu kéo (ký hiệu K) K10, K15, K20, K25, K30, K40; mác bêtông theo khả chống thấm (là trị số áp suất lớn tính atm mà mẫu thử không để nước thấm qua, ký hiệu T) T2, T4, T8, T10, T12 TCXDVN 356:2005 quy định thiết kế kết cấu bêtông bêtông cốt thép cần định tiêu chất lượng bêtông theo cấp độ bền chịu nén B cấp độ bền chịu kéo dọc trục Bt Đối với kết cấu bêtông cốt thép dùng bêtông nặng, không cho phép sử dụng cấp độ bền chịu nén nhỏ B7,5; nên sử dụng bêtơng có cấp độ bền chịu nén không nhỏ B15 cấu kiện chịu nén dạng thanh, không nhỏ B25 cấu kiện chịu tải trọng lớn cột chịu tải trọng cầu trục, cột tầng nhà nhiều tầng Cường độ tiêu chuẩn cường độ tính tốn bêtơng Làm thí nghiệm mẫu thử loại bêtông thu trị số cường độ khác Trung bình cộng trị số cường độ ký hiệu R : 11 R n  Ri n i1 n số lượng mẫu thử Với mẫu thử, hiệu số Di = Ri - R độ sai lệch Với n mẫu thử, đại lượng d tính theo cơng thức sau gọi độ lệch quân phương: d i D n 1 Cường độ bêtông, theo xác suất bảo đảm quy định, đại lượng: R = R - Sd = R (1 - S )  - hệ số biến động:   d ; R S - số lượng chuẩn phụ thuộc vào xác suất bảo đảm quy luật đường cong phân phối xác suất Cường độ tiêu chuẩn bêtông xác định với xác suất bảo đảm 95% Ứng với xác suất với dạng phân phối chuẩn có S = 1,64 Hệ số biến động  bêtơng phản ánh mức độ khơng đồng nó, phụ thuộc vào chất lượng chế tạo bêtông Nếu lấy hệ số biến động  = 0,135 cường độ tiêu chuẩn bêtông là: Rn = R (1 – 1,640,135) = 0,78 R Cường độ tiêu chuẩn bêtông nén dọc trục Rbn cường độ tiêu chuẩn bêtông kéo dọc trục Rbtn phụ thuộc vào cấp độ bền bêtông, ghi cột cột 3, bảng 1, phụ lục A [3] Khi tính cấu kiện khả chịu lực (tính toán cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ nhất), cần dùng trị số tính tốn cường độ bêtơng (cường độ tính tốn - ký hiệu chung R) Cường độ tính tốn bêtơng nén dọc trục Rb cường độ tính tốn bêtơng kéo dọc trục Rbt phụ thuộc vào cấp độ bền bêtông, ghi cột cột 5, bảng 1, phụ lục A [3] Cường độ tính tốn bêtơng tính cấu kiện biến dạng nứt (tính tốn cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai) Rb,ser Rbt,ser lấy tương ứng cường độ tiêu chuẩn Rbn Rbtn Các cường độ tính tốn Rb Rbt bêtơng tính tốn cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ tra bảng phụ lục A [3] cần phải nhân với hệ số điều kiện làm việc bêtông bi theo bảng 2, phụ lục Các hệ số xét đến tính chất đặc thù bêtơng, tính dài hạn tác động, tính lặp tải trọng, điều kiện giai đoạn làm việc kết cấu, phương pháp sản xuất, kích thước tiết diện v.v… Các cường độ tính tốn Rb,ser Rbt,ser tính tốn cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai đưa vào tính tốn cần phải nhân với hệ số điều kiện làm việc bêtông bi =1, ngoại trừ tính tốn hình thành vết nứt tải trọng lặp hình thành vết nứt xiên cần theo dẫn nêu điều 7.1.2.9, 7.1.3.1 7.1.3.2 TCXDVN 356:2005 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bêtông 12 Sau yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bêtơng: Thành phần cách chế tạo ảnh hưởng định đến cường độ bêtông: cấp phối bêtông, chất lượng ximăng cốt liệu, tỉ lệ nước – ximăng, độ chặt bêtông, điều kiện bảo dưỡng Tuổi bêtông: cường độ bêtơng phát triển liên tục q trình bêtơng cứng hoá Trong vài tuần đầu cường độ tăng nhanh, sau khoảng 28 ngày tăng chậm dần sau số tháng tăng trở nên khơng đáng kể (h.3.2) a) b)   b el pl b O B b A  O b A D C  pl el H.3.3 Quan hệ ứng suất biến dạng bêtông tải trọng tác dụng ngắn hạn b Biến dạng bêtông a) Biến dạng tác dụng ngắn hạn tải trọng Môđun đàn hồi Dưới tác dụng tải trọng, bêtông bị biến dạng Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng b - b gia tải (nét liền h.3.3, a b) vẽ qua thí nghiệm nén mẫu bêtơng chịu tải trọng ngắn hạn cho thấy biến dạng tăng nhanh ứng suất Khi dỡ hết tải (đường AD h.3.3,b), đường cong b - b không trùng với gia tải biến dạng khơng hồi phục hồn toàn Phần biến dạng hồi phục el biến dạng đàn hồi, phần lại pl biến dạng dẻo Như bêtơng vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo Biến dạng tổng cộng b = el + pl Tỉ số    pl  el gọi hệ số đàn hồi; tỉ số   - hệ số dẻo bêtông ( +  = 1) b b Khi ứng suất b nhỏ, biến dạng chủ yếu đàn hồi nên hệ số đàn hồi  lớn gần Khi ứng suất b tăng hệ số đàn hồi giảm, cịn hệ số dẻo tăng Mơđun đàn hồi nén bêtông tỉ số: Eb  b  el Eb đo gia tải cực nhanh Khi đường cong b - b gần thẳng, biến dạng chủ yếu thành phần đàn hồi (đường OB h 3.3,a) Nếu gia tải nhanh theo cấp, đường cong b - b có dạng bậc thang 13 Mơđun biến dạng nén Eb’ = b / b = b / el = Eb (chỉ có giá trị ứng với điểm định đường cong b - b ) Môđun biến dạng kéo xác định tương tự nén biểu thị dạng: Ebt   t Eb t hệ số đàn hồi kéo a) Biến dạng  Ứng suất  b) Biến dạng tác dụng dài hạn tải trọng Hiện tượng từ biến b b) b Biến dạng  Thời gian t (năm) b H.3.4 Từ biến bêtông a) Biến dạng tăng ứng suất không tăng; b) Từ biến tăng theo thời gian Thí nghiệm nén mẫu đến ứng suất giữ nguyên giá trị tải trọng (tức giữ nguyên ứng suất) thời gian dài, biến dạng tăng lên nhiều (h.3.4,a) Đó tượng từ biến bêtơng Từ biến xảy tải trọng thay đổi Hình 3.4b biểu thị biến dạng từ biến tăng theo thời gian: với ứng suất bêtông không lớn, biến dạng từ biến tăng nhanh thời gian đầu, sau tăng chậm dần sau khoảng – năm ngừng lại giá trị Nhưng ứng suất bêtông xấp xỉ cường độ giới hạn biến dạng từ biến tăng khơng ngừng gây phá hoại kết cấu Các nhân tố ảnh hưởng đến từ biến: - biến dạng ban đầu lớn biến dạng từ biến lớn; - tỉ lệ nước – ximăng cao, lượng ximăng nhiều, độ cứng cốt liệu nhỏ, độ chặt bêtông biến dạng từ biến lớn; - tuổi bêtơng cao biến dạng từ biến giảm; - độ ẩm mơi trường cao biến dạng từ biến nhỏ Mức độ từ biến biểu thị qua hai tiêu: - đặc trưng từ biến, tỉ số biến dạng từ biến biến dạng đàn hồi:   - suất từ biến, tỉ số biến dạng từ biến ứng suất tương ứng: C   crp ;  el  crp b , thường tính đơn vị cm2/daN Nếu ứng suất bêtông không vượt khoảng 70% cường độ giới hạn C  tăng theo thời gian; C đạt đến trị số giới hạn Co đặc trưng từ biến đạt đến trị số giới hạn o Chẳng hạn với tuổi bêtơng chịu tải 90 ngày Co  cm2/daN o = 1,82,5 14 c) Biến dạng co ngót Bêtơng khơ cứng khơng khí bị giảm thể tích, cịn nước tăng thể tích Hai tượng gọi chung co ngót Biến dạng co ngót có trị số khoảng (2÷4)10-4 Hiện tượng co ngót gây khe nứt cấu kiện không cấu tạo hợp lý Để giảm ảnh hưởng co ngót, cần trọng biện pháp công nghệ (cấp phối bêtông, tỉ lệ nước – ximăng, đầm chặt) biện pháp cấu tạo (bố trí khe co giãn, đặt cốt thép cấu tạo) d) Biến dạng thay đổi nhiệt độ Bêtơng cịn bị biến dạng thay đổi nhiệt độ; co ngót, loại biến dạng thể tích Nếu kết cấu có chênh lệch nhiệt độ, biến dạng thay đổi nhiệt độ bị cản trở, nội lực xuất gây khe nứt kết cấu e) Biến dạng cực hạn bêtông Khi chịu nén tâm, bêtơng có biến dạng cực hạn khoảng (1÷3)10 -3 Trong vùng nén cấu kiện chịu uốn, biến dạng cực hạn đạt giá trị lớn thay đổi khoảng (2÷4)10-3 Biến dạng kéo cực hạn bêtơng khoảng (1/20 ÷ 1/10) so với biến dạng nén cực hạn Vì bêtơng chịu kéo nhanh chóng bị nứt 3.2.2 Thép cốt thép Các tính chất học thép (cường độ, môđun đàn hồi) nghiên cứu kỹ môn Sức bền vật liệu Ở đề cập vài vấn đề liên quan đến cốt thép Tính chất học thép Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng vẽ qua thí nghiệm kéo mẫu thép h.3.5 Loại thép có thềm chảy rõ ràng gọi thép dẻo, thường thép cán nóng (h.3.5,a) Loại thép khơng có thềm chảy rõ ràng gọi thép giòn (h.3.5,b), thường thép kéo nguội, sợi thép cường độ cao Các tiêu học thép gồm có: - giới hạn bền o – ứng suất gây kéo đứt mẫu thép; - giới hạn chảy p– thép dẻo ứng suất thềm chảy (đoạn nằm ngang BC hình 3.5,a); thép giịn, khơng tồn thềm chảy nên dùng giới hạn chảy quy ước, lấy ứng suất tương ứng với biến dạng dư 0,2% (điểm B hình 3.5,b) - giới hạn đàn hồi el – thép dẻo ứng suất cuối giai đoạn đàn hồi (điểm A hình 3.5,a); thép giòn, quy ước giới hạn đàn hồi lấy ứng suất tương ứng với biến dạng dư 0,02% (điểm A hình 3.5,b) o a)  o D p B C el A p el b)  B A   O pl 0,02% 0,2% H.3.5 Biểu đồ ứng suất - biến dạng a) Thép dẻo; b) Thép giòn 15 Cường độ tiêu chuẩn cường độ tính tốn thép Khi sản xuất cốt thép, phải làm thí nghiệm để kiểm tra cường độ Những sản phẩm không đạt tiêu chuẩn phải loại thành phế phẩm Đối với thép dẻo kiểm tra theo giới hạn chảy; với thép giòn - theo giới hạn bền Cường độ tiêu chuẩn thép lấy giá trị ứng suất kiểm tra để loại phế phẩm; phụ thuộc vào nhóm cốt thép, cho cột 2, bảng 4, phụ lục A Cường độ tính tốn thép lấy cường độ tiêu chuẩn tương ứng chia cho hệ số tin cậy i 1, trị số ghi cột 3, bảng 4, phụ lục A Cường độ tính tốn thép tính cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ phải lấy trị số nêu nhân với hệ số điều kiện làm việc cốt thép si cho bảng từ 23 đến 26 TCXDVN 356:2005 Khi tính cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai, hệ sốsi Các loại cốt thép Theo hình dạng bề mặt, thép để làm cốt cấu kiện BTCT gồm có cốt thép trịn trơn cốt thép có gờ (h.3.6) Theo cơng nghệ chế tạo, có thép cán nóng thép kéo nguội: thép thuộc nhóm A-I (trịn trơn), A-II, A-III A-IV (có gờ), tương đương với nhóm CI, CII, CIII CIV, thép cán nóng dùng cho cấu kiện BTCT thường; nhóm AT-IV, AT-V AT-VI – thép gia cơng nhiệt; nhóm A-IIB A-IIIB - thép kéo nguội; nhóm B-I Bp-II - sợi thép cường độ cao Thép sợi, bó sợi thép cường độ cao chế phẩm chúng loại thép dùng cho cấu kiện BTCT ứng lực trước Trong cấu kiện, cốt thép trơn phải uốn móc hai đầu để khơng bị tuột khỏi bêtơng, cịn cốt thép gờ khơng cần uốn móc Cốt thép ứng lực trước phải neo chắn vào hai đầu cấu kiện nhằm trì lực ép trước tạo bêtơng 3.2.3 Một vài đặc điểm phối hợp làm việc bêtơng cốt thép Lực dính bêtơng cốt thép 16 H.3.6 Một vài loại thép có gờ a) Nhóm A-II; b) Nhóm A-III A-IV Lực dính yếu tố chủ yếu bảo đảm cho làm việc đồng thời cốt thép bêtông Nhờ có lực dính, ứng suất truyền từ bêtơng sang cốt thép ngược lại Nếu lý mà lực dính khơng tồn kết cấu BTCT bị phá hoại Lực dính xác định thí nghiệm kéo thép khỏi khối bêtơng Vì khơng biết quy luật biến thiên lực dính dọc theo chiều dài đoạn thép ngập bêtông nên người ta thường dùng trị số trung bình  lực dính (h.3.7) với N N  S dl l    l chiều dài đoạn cốt thép nằm bêtông, max d d - đường kính cốt thép, N lực kéo cốt thép tuột khỏi bêtông Trị số trung bình lực dính  khoảng từ đến MPa N H.3.7 Thí nghiệm xác định lực dính Lực dính phụ thuộc vào cấp độ bền bêtơng tính chất bề mặt cốt thép Độ chặt bêtông lớn, tuổi bêtông cao tỉ lệ nước – ximăng nhỏ lực dính lớn Cốt thép có gờ lực dính với bêtơng lớn so với cốt thép trơn Để trì lực dính, chiều dài đoạn cốt thép bêtơng phải đủ lớn để không tuột khỏi bêtông Chiều dài tối thiểu đoạn cốt thép bêtông - gọi đoạn neo cốt thép, xác định sau: lực cần thiết để kéo cốt thép tuột khỏi bêtông dl ( - lực dính, xác định thực nghiệm; d - đường kính cốt thép; l - đoạn neo cốt thép) không nhỏ lực kéo làm cho cốt thép bị chảy pd2/4 (p – giới hạn chảy thép):  pd  dl  l  pd 4 Ví dụ: cốt thép nhóm A-II, p = 300 MPa, lấy  = MPa chiều dài đoạn neo phải là: l 300d = 25d 4 Ứng suất nội bêtơng cốt thép 17 Như biết, bêtơng có tượng co ngót từ biến Khi bêtơng khơng có cốt thép, biến dạng co ngót từ biến biến dạng tự Nhưng có cốt thép, có lực dính nên biến dạng bêtơng bị cốt thép cản trở Khi bêtơng co ngót giảm thể tích, có mặt cốt thép làm cho bêtơng chịu ứng suất kéo, cịn cốt thép chịu ứng suất nén Nếu ứng suất kéo bêtông vượt cường độ chịu nén, bêtông bị nứt Khi bêtơng từ biến, cấu kiện chịu nén, cản trở biến dạng từ biến làm cho ứng suất nén bêtơng giảm đi, cịn ứng suất nén cốt thép tăng lên Ta nói bêtơng cốt thép có phân phối lại ứng suất từ biến Ngồi co ngót từ biến, thay đổi độ ẩm, nhiệt độ, hình thành khe nứt, biến dạng dẻo bêtông thép gây phân phối lại ứng suất bêtông cốt thép 3.3 VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CẤU KIỆN BÊTƠNG CỐT THÉP 3.3.1 Phương pháp tính theo ứng suất cho phép Cho đến có ba phương pháp tính tốn cấu kiện BTCT Phương pháp tính theo ứng suất cho phép dựa quan niệm cho BTCT làm việc vật liệu đàn hồi, áp dụng cơng thức tính tốn thiết lập mơn Sức bền vật liệu, có xét đến đặc điểm vật liệu bêtông thép Vận dụng giai đoạn II trạng thái ứng suất - biến dạng, với giả thiết sau: - xem biểu đồ ứng suất vùng nén bêtơng có dạng tam giác; - bêtơng vùng kéo khơng làm việc, tồn lực kéo cốt thép chịu; - tiết diện phẳng trước sau biến dạng; - cốt thép bêtông vùng nén biến dạng tuyến tính, tức tuân theo định luật Hooke; - quy đổi cốt thép thành bêtông theo tỉ lệ mơđun đàn hồi để tính toán BTCT vật liệu đồng Cho biến dạng bêtông ngang mức cốt thép biến dạng cốt thép làm việc đồng thời, theo định luật Hooke viết: s  s   b  b Es Eb Suy s    Es  b   b Eb Es có giá trị khoảng từ đến 10, nghĩa ứng suất cốt thép lớn gấp  lần Eb ứng suất bêtông ngang mức cốt thép Vì tiết diện quy đổi, diện tích cốt thép As thay diện tích bêtơng tương đương As Ứng suất cốt thép chịu kéo ứng suất bêtông chịu nén, đại lượng không vượt ứng suất cho phép tương ứng, xác định theo công thức Sức bền vật liệu tiết diện quy đổi 18 Kết tính tốn theo ứng suất cho phép thường sai khác đáng kể so với kết nghiên cứu thực nghiệm Sở dĩ bêtơng khơng phải vật liệu hồn tồn đàn hồi giả thiết mà vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo Ở vùng nén, biểu đồ ứng suất bêtơng có dạng đường cong Tỉ số môđun đàn hồi cốt thép bêtông () đại lượng thay đổi, với phát triển biến dạng dẻo mơđun đàn hồi bêtơng giảm đi, điều chưa kể đến tính tốn Kết ứng suất cốt thép tính theo phương pháp ứng suất cho phép lớn giá trị thực tế Ngoài ra, bị nứt, bêtơng vùng kéo khơng cịn làm việc đồng thời với cốt thép; coi biến dạng bêtông biến dạng cốt thép không hợp lý Trong phương pháp ứng suất cho phép, hệ số an toàn chung cho toàn kết cấu sử dụng mà giá trị khơng có cách xác định với sở đầy đủ 3.3.2 Phương pháp tính theo nội lực phá hoại Phương pháp tính theo nội lực phá hoại không chấp nhận giả thiết vật liệu đàn hồi mà có xét đến tính dẻo bêtơng, làm việc vật liệu kết cấu phản ánh đắn hơn; nhiên phương pháp dùng hệ số an toàn chung phương pháp tính theo ứng suất cho phép Phương pháp tính theo nội lực phá hoại dựa giả thiết sau: - khả chịu lực cấu kiện tính tốn theo sơ đồ phá hoại, trường hợp phá hoại dẻo, bêtông cốt thép đồng thời đạt đến ứng suất giới hạn; - biểu đồ ứng suất bêtơng vùng nén có dạng cong, tính tốn thay hình chữ nhật; - hệ số an toàn độ bền k lấy tỉ số nội lực phá hoại nội lực giai đoạn sử dụng; Không sử dụng giả thiết tiết diện phẳng, định luật Hooke tỉ số   Es tính tốn nội Eb lực phá hoại Khả chịu lực cấu kiện tiết diện xác định từ điều kiện cân tác dụng ngoại lực nội lực, chẳng hạn cấu kiện chịu uốn cốt thép đơn: M u  kM  As  y z  Abc Ru z z  ho  x / Hế số an toàn độ bền k xác định tuỳ thuộc loại kết cấu, đặc trưng phá hoại loại tổ hợp tải trọng, có giá trị khoảng 1,52,5 Nhược điểm phương pháp tính theo nội lực phá hoại sử dụng hệ số an toàn chung, kết cấu chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố tác động như: khác đặc tính vật liệu bêtơng thép, sai khác trị số tải trọng thực tế so với trị số tải trọng đưa vào phép tính tốn, điều kiện làm việc bêtơng cốt thép v.v… Tuy so với phương pháp tính theo ứng suất cho phép phương pháp tính theo nội lực phá hoại có tiến hơn, nhờ dựa vào số giả thiết phản ánh đầy đủ làm việc hai loại vật liệu, tính dẻo cốt thép 3.3.3 Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn (TTGH) ngồi việc xét đến tính dẻo bêtơng, cịn xét khả thay đổi tải trọng cường độ vật liệu Mỗi yếu tố tham gia vào 19 ... TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CƠNG TRÌNH Tải trọng loại ngoại lực tác dụng lên cơng trình Đó trọng lượng thân phận cơng trình tác động lâu dài tạm thời khác thời gian sử dụng cơng trình Tải trọng ngun... theo tiêu chuẩn thiết kế Đối với cơng trình dân dụng cơng nghiệp, tiêu chuẩn tải trọng tác động dùng TCVN 2737-1995 [1] Đối với cơng trình chun ngành giao thông, thủy lợi, cảng, dùng tiêu chuẩn... Bêtông cốt thép Vữa trát [1] Tải trọng gió xác định theo mục [1] Bảng 2-1 [2] cho trị số tiêu chuẩn trọng lượng đợn vị số loại vật liệu xây dựng thông dụng Chương NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH