Bài giảng Bê tông cốt thép 1 (Thầy Long Khoa Xây dựng - đại học Bách Khoa TPHCM)

Các tính năng cơ lý của vật liệu bêtông, thép, bêtông cốt thépBTCT.. Phân tích, tính toán hàm lượng cốt thép và kiểm tra khả năng chịu lực cho các cấu kiện cơ bản theo các Trạng thái giớ

Trang 1

KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1

(CẤU KIỆN CƠ BẢN)

[1] TCXDVN356-2005, Tiêu chuẩn thiết kế bê tông và bêtông cốt thép, Nhà

[5] Nilson, A H., Darwin, D and Dolan, C W : Design of Concrete

Structures, Thirteen Edition, McGraw-Hill, Boston, Massachusetts, 2004 [6] Martin, L H and Purkiss, J A : Concrete Design to EC2, Second Edition,

Butterworth-Heinemann, Elsevier, London, 2006

Tài liệu tham khảo

Trang 2

1 Các tính năng cơ lý của vật liệu bêtông, thép, bêtông cốt thép

(BTCT).

2 Tìm hiểu sự làm việc của các cấu kiện BTCT căn bản: cấu

kiện chịu uốn, cắt, xoắn, nén và chịu kéo.

3 Phân tích, tính toán hàm lượng cốt thép và kiểm tra khả năng

chịu lực cho các cấu kiện cơ bản theo các Trạng thái giới hạn bền và sử dụng (TTGH 1 và 2).

 Các nguyên lí cơ bản

 Qui trình cụ thể

3 Các nguyên tắc cấu tạo và bố trí cốt thép cho các cấu kiện cơ

bản.

Tóm tắt nội dung môn học

Chương trình học và cấu trúc môn học

Trang 3

CHƯƠNG 1 - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BTCT

Trang 4

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BT VÀ BTCT

BT (concrete) là vật liệu phức hợp, được tạo thành từ sự kết hợp các

thành phần vật liệu khác nhau như: xi-măng (cement), đá sỏi (gravel), cát (sand), nước (water) và một số chất phụ gia (plasticizer, … ) tùy vào mục đích và yêu cầu sử dụng của từng công trình.

BT = xi-măng + đá, sỏi + cát + nước + chất phụ gia

BTCT (steel reinforced concrete) là vật liệu phức hợp, được tạo thành từ

sự kết hợp của vật liêu BT và cốt thép (steel reinforcing bar).

Chịu nén tốt,

Cải thiện khả năng chịu kéo của BT

BT + Cốt thép = BTCT

Trang 5

chịu kéo của bêtông ?

• Lực kết dính giữa BT và cốt thép (Bond strength)

• BT bảo vệ cốt thép khỏi sự ăn mòn

• BT và cốt thép có hệ số giản nở nhiệt gần bằng nhau

Trang 6

1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BT VÀ BTCT

Bêtông là vật liệu xây dựng có tuổi đời tương đối trẻ so với đá, gỗ và kể cả

thép

Thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên (CN): Puzzolan xi-măng, người La Mã

H 1 – Đấu trường Colosseum, Roma, Ý

Trang 7

Năm 1824: Portland xi-măng, Joseph Aspdin

H 3 – Cảng West India Docks, England

Trang 8

Năm 1895: BTCT toàn khối, Francois Hennebique

Năm 1928: BTCT ứng lực trước, E Freyssinet

H 4 – Cách bố trí thép trong dầm theo

Hennebique

H 5 – Cách bố trí thép trong cột theo

Hennebique

Trang 9

1.3.1 Ưu điểm

Chịu lực tốt hơn so với gạch, đá và gỗ, đặc biệt là khả năng chịu nén

• 1920s : ~15 MPa

• 1950s : ~50 MPa

• 1992 : ~135 MPa (Petronas Tower, Kuala-Lumpur, Malaysia)

• Hiện tại: ~800 MPa (Phòng Thí nghiệm, Pháp)

Các thành phần vật liệu tạo nên bê tông rất phổ biến trong tự nhiên

Chịu được mọi loại tải trọng, kể cả động đất, cháy, nổ…

Dễ dàng sản xuất, bất ký lúc nào và bất kỳ đâu.

Bền vững theo thời gian, chi phí bảo trì thấp

Có khả năng chịu nhiệt tốt

Có khả năng tái sử dụng cao

Trang 10

1.3.2 Khuyết điểm

Trọng lượng bản thân tương đối lớn (1800-2500 kG/m 3 ), nên khó làm các

kết cấu chịu lực có nhịp lớn Biện pháp khắc phục:

1.3 ƯU, KHUYẾT ĐIỂM CỦA BTCT VÀ PHẠM VI ỨNG

DỤNG

• Sử dụng bêtông cường độ cao

• Bê tông thép liên hợp

• Bê tông ứng lực trước

Thời gian thi công kéo dài Biện pháp khắc phục: Sử dụng BTCT đúc sẵn

Có khả năng cách âm kém Biện pháp khắc phục: Sử dụng BTCT có cấu

trúc rỗng.

Thể tích thay đổi theo thời gian do đặc tính từ biến và co ngót của bêtông

Trang 11

1.3.3 Phạm vi ứng dụng

DỤNG

• 1902 – Ingalls Building, Tòa nhà cao tầng BTCT đầu tiên

H 8 – Cao ốc Ingalls Building, Ohio, USA

Trang 12

• 1963-1967 Nhà thi đấu thể thao

Assembly Hall, ĐH Illinois, USA

H 8 - Assembly Hall, ĐH Illinois, USA

Trang 13

Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp

• 1975– Cao ốc Water Tower Place,

Trang 14

• 1998– Tháp Jin Mao, Thượng Hải,

Trang 15

• 2004-2009 Tháp Dubai, Các tiểu

Vương quốc Ả rập Thống nhất (UAE)

H 13 – Dubai Tower, UAE

(www.wikipedia.org)

818 m – height

164 – floors

Trang 16

• 1931-1936 Đập Hoover, Nevada-Arizona, USA

H 14 – Hoover Dam, USA

379 m – long

221 m – height 183-14 m – thick 2.5 triệu m 3 -BT

Trang 17

• 1994-2011 Đập Tam Hiệp, Trung Quốc

H 15 – Three Gorges Dam, China

2309 m – long

101 m – height 115-40 m – thick

27 triệu m 3 -BT

Trang 18

Xây dựng đặc biệt : các công trình quốc phòng, các nhà máy điện

nguyên tử…

Trang 19

Xây dựng Giao thông-Thủy lợi

H 17 – Wanxian Bridge, Chongqing, China

425 m – span

• ?-1997 Cầu vòm Wanxian, Trùng Khánh, Trung Quốc

Trang 20

H 18 – Sutong Bridge, Jiangsu, China (www.wikipedia.org)

425 m – span

nguyên tử…

• 2003-2008 Cầu dây văng Sutong, Giang Tô, Trung Quốc

1088 m – span

8206 m - long

Trang 21

• 1997-2000 Cầu dây văng Mỹ Thuận, Vĩnh Long, Việtnam

H 19 – My Thuan Bridge, Vinh Long, Vietnam

350 m – span

1535 m - long

Trang 22

• 1971-1988 Hầm đường sắt Seikan, Japan

H 20 – Seikan Tunnel, Japan (www.wikipedia.org)

53.85 km - long

Trang 23

nguyên tử…

• 1988-1994 Hầm qua eo biển Manche

H 21 – Channel Tunnel, England-France

50.45 km - long

Trang 24

1.4 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Nghiên cứu, tạo ra các loại vật liệu bêtông có các tính năng ưu việt

hơn

• Cường độ - Bê tông siêu cường độ (UHSC)

• Ứng xử - Bê tông có tính dẽo, khả năng ứng xử tốt hơn (HPFRCC)

Phát triển các thiết bị, phương pháp thí nghiệm hiện đại nhằm phục

vụ cho các thí nghiệm về mặt vật liệu, kết cấu và chăm sóc sức khỏe cho công trình

Phát triển các phương pháp lý thuyết mới về phân tích, tính toán nội

lực và thiết kế kết cấu BTCT.

• Lý thuyết Ứng suất cho phép

• Lý thuyết Trạng thái giới hạn

Trang 25

Phân loại theo kết cấu

• Bêtông thường (plain concrete)

• Bêtông gia cố thép yếu (slightly steel reinforced concrete)

• BTCT (steel reinforced concrete)

• BT Ứng lực trước (presstresed)

• BT-Thép liên hợp

Phân loại theo khối lượng thể tích

• Bêtông nặng có khối lượng riêng 2200-2500 kg/m 3 (normal weight

concrete)

• Bêtông nhẹ (light weight concrete)

• Bêtông siêu nặng > 2600 kg/m 3 (heavy weight concrete)

• Bêtông đặc

• Bêtông tổ ong

• Bêtông hạt nhỏ

Trang 26

1.5 PHÂN LOẠI BÊTÔNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH BÊTÔNG

• BT sợi (fiber reinforced concrete)

• BT gia cố bằng cốt phi kim (concrete reinforced with FRP re-bars)

• BT siêu cường độ (ultra-high strength concrete)

• ……

Phân loại công trình BTCT theo phương pháp thi công

• Công trình BTCT toàn khối (cast in place structures)

• Công trình BTCT lắp ghép (precast structures)

• Công trình BTCT bán lắp ghép

• Ưu điểm: độ cứng tốt, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu về mặt kiến trúc,

mỹ thuật, do toàn khối nên diện tích tiếp xúc với môi trường ngoài được hạn chế, vì thế ít chịu ảnh hưởng của các tác động xấu.

• Thi công chậm

Trang 27

Ưu, khuyết điểm của công trình BTCT lắp ghép

• Ưu điểm: thi công nhanh, chất lượng cấu kiện được kiểm soát tốt.

• Khuyết điểm: độ cứng toàn công trình bị hạn chế, thi công phức tạp.

Giới thiệu một số hình ảnh về công trình sử dụng BTCT tòan khối

và lắp ghép

Trang 28

Giới thiệu một số hình ảnh về công trình sử dụng BT toàn khối

H 22 – Nhà nhiều tầng

Trang 29

Giới thiệu một số hình ảnh về công trình sử dụng BTCT lắp ghép

Trang 30

Trang 31

H 25 – Siêu thị

Trang 32

H 26 – Nhà xưởng

Trang 33

H 27 – Chung cư

Trang 34

2 CÁC TÍNH NĂNG CƠ LÝ CỦA BTCT

2.1 Các tính năng cơ lý của bêtông

2.2 Các tính năng cơ lý của thép

2.3 BTCT – Sự làm việc chung giữa BT và thép

Trang 36

2.1.1 CƯỜNG ĐỘ VÀ BIẾN DẠNG BT

A1 Cường độ chịu nén fc (compressive strength)

• TCVN 3118-1993: Cường độ chịu nén của BT được xác định qua mẫu thử

lập phương (a) có kích thước chuẩn: 150 × 150 × 150 mm

• TCXDVN 356-2005: Cường độ chịu nén của BT trong tiêu chuẩn này được

qui đổi từ mẫu lập phương thành mẫu lăng trụ (?).

• Tiêu chuẩn nước ngoài (ACI-318, EC2): Cường độ chịu nén của BT được

xác định qua mẫu thử lăng trụ tròn (b) có đường kính D = 150 mm.

H 1-Hình dạng mẫu thử trong thí nghiệm chịu nén

A Cường độ BT và phương thức xác định cường độ BT

Trang 37

F f

dh

π

Trang 38

A3 Cường độ chịu kéo uốn ft,fl (flexural strength)

, 2

6

t fl

F a f

t fl

F s f

Trang 39

Là chỉ tiêu cơ bản của bêtông ( Phụ lục A, TCXDVN 356-2005 )

T B

R R

Cường độ chịu nén danh định

Cường độ chịu nén danh nghĩa

Trang 40

Kiểm chứng băng cách tra bảng 12, 13 TCXDVN 356-2005

Cường độ nén tiêu chuẩn dọc trục dùng cho tính kết cấu BTCT ở TTGH2 !!!

b n b

b c

R R

Trang 43

• Biến dạng do tải trọng

• Biến dạng do co ngót, từ biến và do nhiệt

F

H D

F

ΔH ΔD

Bê tông là vật liệu đàn-dẽo

Quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông

chịu nén

Bàn nén

Trang 44

G Mô-đun đàn hồi Eb và hệ số Poisson ν (Young’s modulus and

Poisson’s ratio)

F

H D

F

ΔH ΔD

Bê tông là vật liệu đàn-dẽo

Quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông chịu nén dọ trục

Eb = tgα = σc,cr/εcr

Mô-đun đàn hồi:

Hệ số Poisson: ν = εp/ε ≈ 0.2

Trang 46

2.1.2 TÍNH NĂNG VẬT LÝ

• Là hiện tượng cấu trúc của vữa xi măng trong BT bị thay đổi (do bị

mất nước) dưới tác động của tải trọng dài hạn.

• Hiện tượng từ biến gây nên tác động xấu, đó là làm tăng giá trị biến

dạng của BT.

• Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng từ biến của BT:

- Các thành phần trong BT (hàm lượng xi-măng, tỉ lệ N/X, kích thước cốt liệu) và khâu đầm, nén trong quá trình đổ BT.

- Độ ẩm môi trường và kích thước cấu kiện

- Thời gian chịu tải

Trang 47

Co ngót (shrinkage)

• Là hiện tượng BT bị giảm thể tích khi BT khô cứng trong không

khí

• Hiện tượng co ngót gây nên tác động xấu đến BT (các vết nứt

chân chim, …).

• Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng co ngót của BT:

- Diện tích của bề mặt cấu kiện (càng rộng, co ngót càng nhiều)

- Độ ẩm môi trường (càng nhỏ, co ngót càng nhiều)

- Các thành phần trong BT (hoạt tính xi-măng, tỉ lệ N/X) và khâu đầm, nén trong quá trình đổ BT.

• Là hiện tượng BT bị giản nở dưới tác động của nhiệt

Hệ số nở nhiệt: α = 10×10-6 K-1

Trang 48

2.2 CÁC TÍNH NĂNG CƠ LÝ CỦA THÉP

Trang 49

Giới thiệu một số loại cốt thép thanh

• TCVN 1651-1985 : Cốt thép tròn trơn CI, cốt thép có gân CII, CIII và CIV

• Thép nhập tử Nga : Cốt thép tròn trơn AI, cốt thép có gân AII, AIII, AIV và AV

• Thép nhập từ Nhật, Châu Âu, Úc, Ấn Độ,… (được ký hiệu theo cấp độ bền)

Quan hệ ứng suất-biến dạng của thép trong kéo dọc trục:

a) Thép cán nóng; b) Thép cán lạnh

Trang 50

2.2.3 Cường độ tiêu chuẩn của của cốt thép

• Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép R sn là giá trị nhỏ nhất được kiểm soát (p =

95%) của giới hạn chảy thực tế hoặc qui ước.

Bảng 18 – Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn R sn

Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn R sn dùng để tính toán theo Trang thái Giới hạn 2 !!!

Trang 51

• Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép R s được tính như sau:

Cường độ chịu kéo tính toán R s dùng để tính toán theo Trang thái Giới hạn 1 !!!

Trang 54

2.3 Sự làm việc chung giữa BT và thép

τ

⎛ ⎞

≥⎜ ⎟ ⎝ ⎠

Lực dính giữa BT và cốt thép được hình thành và được đảm bảo là do sự bám dính

của vữa xi măng trong BT vào cốt thép và lực ma sát giữa bề mặt của 2 loại vật liệu

này.

Trang 55

2.3.2 Sự làm việc chung giữa BT và thép

Trang 56

3 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN & CẤU TẠO BTCT

Trang 58

3.2 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ

1 Giai đoạn thiết kế sơ bộ

• Kiểu, dáng của kết cấu

• Xác định nội lực và chuyển vị của kết cấu (giá trị lớn nhất)

3 Giai đoạn tính toán cụ thể

• Tính toán thép cho kết cấu: theo TTGH1 và TTGH2

• Kiểm tra kết cấu: theo TTGH1 và TTGH2

4 Giai đoạn tối ưu hóa việc tính toán

5 Thể hiện bản vẽ

Trang 59

3.3.1 Phân loại tải trọng

Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) (dead load):

• Khối lượng bản thân của các kết cấu (dầm, cột, sàn, vách, ban-công…)

cố định không thay đổi

• Khối lượng bản thân của các lớp cấu tạo (vữa xi-măng, gạch lót nền,

lớp cách nhiệt, cách âm, mái tôn…)

Tải trọng tạm thời (hoạt tải) (live load):

• Dài hạn (long time): khối lượng của trang thiết bị, máy móc cố định;

khối lượng của chất lỏng trong các bể chứa, vật liệu trong các kho; do tác động của các hiện tượng từ biến, co ngót…

• Ngắn hạn (short time): khối lượng người; khối lượng các thiết bị, máy

móc di động (xe nâng, ); gió

• Tải do ứng suất trước

Tải trọng đặc biệt: động đất, cháy, nổ

Trang 60

3.3 TẢI TRỌNG

3.3.2 Tải trọng tiêu chuẩn - qn

Tính toán trực tiếp từ công trình hoặc tra bảng trong tiêu chuẩn

Trang 61

Gạch lát nền Vữa lót xi-măng BTCT

Trang 63

3.4.1 Phương pháp ứng suất cho phép (Allowable Stress Design - ASD)

3.4.2 Phương pháp các TTGH (Limit States Design - LSD)

• Không sử dụng hệ số vượt tải (tính toán theo tải tiêu chuẩn q n )

• Trong quá trình tính toán xem BTCT là vật liệu đàn hồi và không sử dụng

hệ số tin cậy cho vật liệu

• Sử dụng một hệ số an toàn cho toàn bộ kết cấu

• Ưu điểm: Tính toán đơn giản, kết quả thu được có độ an toàn quá cao so

với thực tế

• Nhược diểm: tốn kém vật liệu, không kinh tế

• Sử dụng hệ số vượt tải (tính toán theo tải tính toán q) – theo TCXDVN 356-05

• Trong quá trình tính toán xem BTCT là vật liệu đàn hồi dẽo

• Sử dụng các hệ số tin cậy cho vật liệu

• Ưu điểm: Thiết kế kinh tế, tiết kiệm vật liệu

• Nhược diểm: sử dụng nhiều hệ số

(M Ö rsch -1920)

(? -1950)

Trang 65

3.4.3 Các TTGH (Limit States - LS)

• Kết cấu không bị phá hoại dưới tác dụng của các tải trọng bên ngoài

• Kết cấu không bị mất ổn định về hình dạng (KC thành mỏng) và không bị

mất ổn định về vị trí (trượt, lật, đẩy nổi…)

Trạng thái giới hạn độ bền – TTGH 1 (Ultimate Limit State)

hợp tải trọng nguy hiểm nhất

Trang 66

3.4.3 Các TTGH (Limit States - LS)

• Kết cấu không bị biến dạng quá mức (độ võng, dao động, góc xoay, góc

trượt…)

• Kết cấu không được xuất hiện vết nứt (đối với kết cấu không cho phép nứt)

hoặc cho phép xuất hiện vết nứt nhưng bề rộng khe nứt được giới hạn (đối với kết cấu cho phép nứt)

Trạng thái giới hạn sử dụng – TTGH 2 (Serviceability Limit State)

,

Giá trị biến dạng hoặc khe nứt

do tổ hợp tải trọng nguy hiểm

Trang 67

Chọn kích thước tiết diện

Trang 68

i 0i

Trang 69

3.6.1 Chọn kích thước tiết diện

• Yếu tố kinh tế

• Yếu tố kích thước ván khuôn

• Yếu tố công nghệ sản xuất cấu kiện

• Yếu tố độ bền

Dầm: 100, 150, 200, 250, 300, … (mm) Sàn: 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120… (mm)

Chiều dày tối thiểu lớp BT bảo vệ

10 ~ 20

30 ~ 70 Móng

10 ~ 20

20 ~ 25 Cột

10 ~ 20

15 ~ 25 Dầm

10 ~ 15

10 ~ 20 Bản sàn và tường

Môi trường biển: TCXDVN 327-2004 !!!

Trang 70

3.6.3 Khoảng hở của cốt thép

Trang 72

3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP

3.6.4 Neo cốt thép

Thép có gờ không cần uốn móc ở 2 đầu

Thép tròn trơn liên kết buộc cần uốn móc ở 2 đầu thành hình L hoặc U

Cột

l an

l an Tường gạch

Trang 73

Trang 74

Trang 75

3.6.5 Nối chồng cốt thép (nối buộc)

Không nên nối chồng khi cốt thép có đường kính lớn hơn 36 mm

Không nên nối chồng cốt thép

trong vùng chịu kéo tại những vị trí

có các giá trị nội lực (M, N, Q) lớn.

Tại 1 tiết diện cắt ngang bất kỳ, việc

nối chồng cốt thép phải được thực hiện theo kiểu sole và diện tích nối chồng cốt thép không được vượt quá 50% (đối với cốt thép có gờ) hay 25%

(đối với cốt thép tròn trơn).

Trang 76

* Nối cốt thép dùng các liên kết cơ học

Trang 77

3.6.6 Liên kết hàn

• Hàn đối đầu, hàn chồng và hàn đối đầu có thanh kẹp

• Cần phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật: độ bền mối hàn, kích thước

mối hàn…

Mục 8.8, TCXDVN 356-2005

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	6,97 MB