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

KẾT CẤU BÊ TÔNG Design of Concrete Structures KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP (CẤU KIỆN CƠ BẢN) Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] TCXDVN356-2005, Tiêu chuẩn thiết kế bê tông bêtông cốt thép, Nhà xuất Xây dựng, 2006 TCVN 2737-1995, Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất Xây dựng, 1995 Kết cấu bê tông cốt thép – Cấu kiện (Tập 1), Võ Bá Tầm, Nhà xuất ĐHQG TP HCM, 2006 Kết cấu bê tông cốt thép – Phần cấu kiện bản, Phan Quang Minh (chủ biên), Nhà xuất KHKT, 2006 Nilson, A H., Darwin, D and Dolan, C W : Design of Concrete Structures, Thirteen Edition, McGraw-Hill, Boston, Massachusetts, 2004 Martin, L H and Purkiss, J A : Concrete Design to EC2, Second Edition, Butterworth-Heinemann, Elsevier, London, 2006 BỘ MÔN CƠNG TRÌNH Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng ĐH Bách Khoa, TP HCM GV: TS Nguyễn Minh Long E-mail: minhlong_nguyen@yahoo.com KẾT CẤU BÊ TƠNG Design of Concrete Structures Tóm tắt nội dung mơn học Các tính lý vật liệu bêtông, thép, bêtông cốt thép (BTCT) Tìm hiểu làm việc cấu kiện BTCT bản: cấu kiện chịu uốn, cắt, xoắn, nén chịu kéo Phân tích, tính tốn hàm lượng cốt thép kiểm tra khả chịu lực cho cấu kiện theo Trạng thái giới hạn bền sử dụng (TTGH 2) ™ Các ngun lí ™ Qui trình cụ thể Các nguyên tắc cấu tạo bố trí cốt thép cho cấu kiện Chương trình học cấu trúc mơn học BỘ MƠN CƠNG TRÌNH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG GV: TS Nguyễn Minh Long E-mail: minhlong_nguyen@yahoo.com Chương Khái niệm chung BTCT CHƯƠNG - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BTCT 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Khái niệm chung Sơ lược lịch sử phát triển BT BTCT Ưu, khuyết điểm BTCT phạm vi ứng dụng Phương hướng phát triển Phân loại bêtông cơng trình bêtơng Chapter 1: Introduction Chương Khái niệm chung BTCT 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BT VÀ BTCT ™ BT (concrete) vật liệu phức hợp, tạo thành từ kết hợp thành phần vật liệu khác như: xi-măng (cement), đá sỏi (gravel), cát (sand), nước (water) số chất phụ gia (plasticizer, … ) tùy vào mục đích yêu cầu sử dụng cơng trình BT = xi-măng + đá, sỏi + cát + nước + chất phụ gia ™ BTCT (steel reinforced concrete) vật liệu phức hợp, tạo thành từ kết hợp vật liêu BT cốt thép (steel reinforcing bar) BT + Cốt thép = BTCT Chịu nén tốt, kéo Chapter 1: Introduction Chịu kéo tốt Cải thiện khả chịu kéo BT Chương ™ Khái niệm chung BTCT Tại BTCT chịu lực cải thiện khả chịu kéo bêtông ? • Lực kết dính BT cốt thép (Bond strength) • Khơng xảy phản ứng hóa học BT thép • BT bảo vệ cốt thép khỏi ăn mịn • BT cốt thép có hệ số giản nở nhiệt gần Chapter 1: Introduction Chương Khái niệm chung BTCT 1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BT VÀ BTCT ™ ™ Bêtơng vật liệu xây dựng có tuổi đời tương đối trẻ so với đá, gỗ kể thép Thế kỷ thứ trước Công nguyên (CN): Puzzolan xi-măng, người La Mã 70-80 AD H – Đấu trường Colosseum, Roma, Ý (www.wikipedia.org) Chapter 1: Introduction 50 AD H – Cầu Pont du Gard, Pháp (www.wikipedia.org) Chương ™ Khái niệm chung BTCT Năm 1774: Xi-măng cứng nước, John Smeaton 1796 H – Cảng West India Docks, England (www.wikipedia.org) ™ Năm 1824: Portland xi-măng, Joseph Aspdin ™ Năm 1849: BTCT, J L Lambot ™ Năm 1867: BTCT, Joseph Monier Chapter 1: Introduction Chương ™ Khái niệm chung BTCT Năm 1895: BTCT toàn khối, Francois Hennebique H – Cách bố trí thép dầm theo Hennebique ™ H – Cách bố trí thép cột theo Hennebique Năm 1928: BTCT ứng lực trước, E Freyssinet Chapter 1: Introduction Chương Khái niệm chung BTCT 1.3 ƯU-KHUYẾT ĐIỂM CỦA BTCT VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 1.3.1 Ưu điểm ™ Chịu lực tốt so với gạch, đá gỗ, đặc biệt khả chịu nén • • • • 1920s : ~15 MPa 1950s : ~50 MPa 1992 : ~135 MPa (Petronas Tower, Kuala-Lumpur, Malaysia) Hiện tại: ~800 MPa (Phịng Thí nghiệm, Pháp) ™ ™ Các thành phần vật liệu tạo nên bê tông phổ biến tự nhiên Dễ dàng sản xuất, bất ký lúc đâu ™ Chịu loại tải trọng, kể động đất, cháy, nổ… ™ Bền vững theo thời gian, chi phí bảo trì thấp ™ Có khả chịu nhiệt tốt ™ Có khả tái sử dụng cao Chapter 1: Introduction Chương Khái niệm chung BTCT 1.3 ƯU, KHUYẾT ĐIỂM CỦA BTCT VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 1.3.2 Khuyết điểm ™ Trọng lượng thân tương đối lớn (1800-2500 kG/m3), nên khó làm kết cấu chịu lực có nhịp lớn Biện pháp khắc phục: • • • Sử dụng bêtơng 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 Thể tích thay đổi theo thời gian đặc tính từ biến co ngót bêtơng ™ Có khả cách âm Biện pháp khắc phục: Sử dụng BTCT có cấu trúc rỗng Chapter 1: Introduction Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 3.4.1 Phương pháp ứng suất cho phép (Allowable Stress Design - ASD) (MƯrsch -1920) • Khơng sử dụng hệ số vượt tải (tính tốn theo tải tiêu chuẩn qn) • Trong q trình tính tốn xem BTCT vật liệu đàn hồi không sử dụng hệ số tin cậy cho vật liệu Sử dụng hệ số an tồn cho tồn kết cấu • • • Ưu điểm: Tính tốn đơn giản, kết thu có độ an tồn q cao so với thực tế Nhược diểm: tốn vật liệu, không kinh tế 3.4.2 Phương pháp TTGH (Limit States Design - LSD) (? -1950) • Sử dụng hệ số vượt tải (tính tốn theo tải tính tốn q) – theo TCXDVN 356-05 • Trong q trình tính tốn xem BTCT vật liệu đàn hồi dẽo • Sử dụng hệ số tin cậy cho vật liệu • Ưu điểm: Thiết kế kinh tế, tiết kiệm vật liệu • Nhược diểm: sử dụng nhiều hệ số Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 61 Chương NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN & CẤU TẠO BTCT *Phương pháp TTGH (Limit States Design - LSD) P (%) f(γ,q…) Xác suất xảy Cường độ Smax S 0.95Smax P (%) f(A,R,μ,…) Xác suất xảy Độ bền 0.05Rmax Rmax R Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 62 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 3.4.3 Các TTGH (Limit States - LS) ™ Trạng thái giới hạn độ bền – TTGH (Ultimate Limit State) • Kết cấu khơng bị phá hoại tác dụng tải trọng bên ngồi • Kết cấu khơng bị ổn định hình dạng (KC thành mỏng) không bị ổn định vị trí (trượt, lật, đẩy nổi…) S I d ,m ax Lực tác động lên kết cấu tổ hợp tải trọng nguy hiểm gây ∑q ≤ R Md ≤ Mu I u , m in N d ≤ Nu Qd ≤ Qu Độ bền nhỏ kết cấu ( Ab , Rb , As , Rs , ) Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 63 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.4.3 Các TTGH (Limit States - LS) ™ Trạng thái giới hạn sử dụng – TTGH (Serviceability Limit State) • • Kết cấu khơng bị biến dạng mức (độ võng, dao động, góc xoay, góc trượt…) Kết cấu không xuất vết nứt (đối với kết cấu không cho phép nứt) cho phép xuất vết nứt bề rộng khe nứt giới hạn (đối với kết cấu cho phép nứt) S II d , m a x ≤ R II u Giá trị biến dạng khe nứt tổ hợp tải trọng nguy hiểm gây ∑q n f d ≤ fu acrc ≤ au Giá trị biến dạng khe nứt cho phép ( a, Ab , Rb , As , Rs , ) Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 64 Chương NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP Mục 8, TCXDVN 356-2005 ™ ™ Chọn kích thước tiết diện Lớp BT bảo vệ cốt thép ™ Khoảng hở cốt thép ™ Neo cốt thép ™ Bố trí thép dọc chịu lực ™ Bố trí thép ngang (cốt đai, cốt xiên) ™ Liên kết hàn cốt thép ™ Nối chồng cốt thép (nối buộc) Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 65 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6.2 Lớp BT bảo vệ: ci = max (Ø,c0i) (i = 1,2) Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 66 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP 3.6.1 Chọn kích thước tiết diện • Yếu tố độ bền • Yếu tố kinh tế Dầm: 100, 150, 200, 250, 300, … (mm) • Yếu tố kích thước ván khn Sàn: 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120… (mm) • Yếu tố công nghệ sản xuất cấu kiện 3.6.2 Lớp BT bảo vệ: ci = max (Ø,c0i) (i = 1,2) Chiều dày tối thiểu Thép chịu lớp BT bảo vệ lực Thép đai c01 (mm) c02 (mm) Bản sàn tường 10 ~ 20 10 ~ 15 Dầm 15 ~ 25 10 ~ 20 Cột 20 ~ 25 10 ~ 20 Móng 30 ~ 70 10 ~ 20 Môi trường biển: Act h c02 As c01 c02 c01 b TCXDVN 327-2004 !!! Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 67 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP 3.6.3 Khoảng hở cốt thép Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 68 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP t2 3.6.3 Khoảng hở cốt thép ti ≥ max (Ø, t0i) (i = 1,2,3) Khoảng hở tối thiểu t0i lớp thép BT Thép đặt t02 = 30 Thép đặt lớp t03 = 50 Thép đặt lớp t01 = 25 Thép cột t04 = 50 t3 t1 t1 t4 Phương đổ BT Tiết diện vng góc cột t4> 1.5Ø Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 69 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP 3.6.4 Neo cốt thép ™ Thép có gờ khơng cần uốn móc đầu ™ Thép tròn trơn liên kết buộc cần uốn móc đầu thành hình L U Dầm lan lan Dầm Dầm lan Cột Tường gạch Cột ⎛ ⎞ Rs + Δλan ⎟ φ lan = ⎜ ωan γ b Rb ⎝ ⎠ lan ≥ λanφ Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 70 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP 3.6.4 Neo cốt thép Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 71 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP 3.6.4 Neo cốt thép Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 72 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP 3.6.5 Nối chồng cốt thép (nối buộc) ™ Không nên nối chồng cốt thép có đường kính lớn 36 mm ™ Không nên nối chồng cốt thép vùng chịu kéo vị trí có giá trị nội lực (M, N, Q) lớn ™ Tại tiết diện cắt ngang bất kỳ, việc nối chồng cốt thép phải thực theo kiểu sole diện tích nối chồng cốt thép không vượt 50% (đối với cốt thép có gờ) hay 25% (đối với cốt thép tròn trơn) l ≥ lan l ⎛ ⎞ R lan = ⎜ ω an s + Δλan ⎟ φ γ b Rb ⎝ ⎠ Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 73 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP * Nối cốt thép dùng liên kết học Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 74 Chương NGUN LÝ TÍNH TỐN & CẤU TẠO BTCT 3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP 3.6.6 Liên kết hàn Mục 8.8, TCXDVN 356-2005 • Ưu điểm: Nhanh chóng • Nhược điểm: u cầu khắc khe mặt kỹ thuật • Hàn đối đầu, hàn chồng hàn đối đầu có kẹp • Cần phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật: độ bền mối hàn, kích thước mối hàn… Chapter 3: Design Process and Detailing of Reinforced Concrete 75 ... 2.2.2 Cốt thép tính lý ™ (Mục 5.2, tr 42, TCXDVN 35 6-2 005) Giới thiệu số loại cốt thép • TCVN 16 5 1- 1985 : Cốt thép trịn trơn CI, cốt thép có gân CII, CIII CIV • Thép nhập tử Nga : Cốt thép trịn... dụng ™ Xây dựng Dân dụng Cơng nghiệp • 19 9 4-2 011 Đập Tam Hiệp, Trung Quốc 2309 m – long 10 1 m – height 11 5-4 0 m – thick 27 triệu m3 -BT H 15 – Three Gorges Dam, China (www.wikipedia.org) 15 Chương... trúc mơn học BỘ MƠN CƠNG TRÌNH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG GV: TS Nguyễn Minh Long E-mail: minhlong_nguyen@yahoo.com Chương Khái niệm chung BTCT CHƯƠNG - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BTCT 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 Khái