Giáo trình Bê Tông Cốt Thép 1 - Chương 3

Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng phức hợp do BT và cốt thép cùng cộng tác chịu lực. Bê tông là đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời và chất kết dính. Đặt cốt thép vào vùng n

Chương III NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO

Nội dung công tác thiết kế kết cấu BTCT

Thiết kế kết cấu BTCT gồm hai việc chính là tính toán và cấu tạo Nội dung cơ bản củacông tác thiết kế gồm:

- Chọn sơ đồ tính và sơ bộ xác định kích thước tiết diện các bộ phận (chiều dày của

bản, tường, kích thước tiết diện dầm, cột…)

- Chọn vật liệu sử dụng thiết kế kết cấu: mác BT, nhóm thép v.v.- Xác định tải trọng và tác động;

- Xác định nội lực do từng phương án tải trọng và tổ hợp nội lực;

- Tính toán tiết diện BTCT: Xác định hoặc kiểm tra kích thước tiết diện BT, diện tích cốt

- Chọn giải pháp bảo vệ kết cấu chống sự phá huỷ của môi trường (trong các trường

hợp cần thiết: thí dụ kết cấu làm việc trong phân xưỏng có tính chất huỷ mòn cốt thép );

- Chọn và bố trí cốt thép theo các yêu cầu về chịu lực và cấu tạo, thiết kế chi tiết các bộ

phận và các thanh cốt thép, thể hiện bản vẽ.

3.2 Tải trọng và tác động

3.2.1 Yêu cầu chung

Các loại tải trọng, tác động và trị số của chúng dùng để thiết kế phải lấy theo tiêu chuẩnnghành tương ứng Đối với các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp bìnhthường, hiện nay dùng tiêu chuẩn tải trọng và tác động TCVN 2737- 1995.

3.2.2 Các loại tải trọngTheo tính chất (3 loại)

quá trình sử dụng kết cấu, như trọng lượng bản thân kết cấu, các tường ngăn cốđịnh v.v

Tải trọng tạm thời (hoạt tải) : là tải trọng có thể thay đổi về điểm đặt, trị số, phương,

chiều tác dụng, như tải trọng của người, đồ đạc, tải trọng do cầu trục, gió, xe cộ v.v

Tải trọng đặc biệt : là tải trọng rất ít khi xảy ra, như nổ, động đất v.v

Theo phương, chiều (2 loại):

Tải trọng thẳng đứng là tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng, như trọng lượng

bản thân kết cấu; người; đồ đạc v.v

Tải trọng nằm ngang : là tải trọng tác dụng theo phương nằm ngang, như gió, lực hãm

của xe cộ v.v

Theo thời gian tác dụng(2 loại):

Tải trọng tác dụng dài hạn (tải trọng dài hạn ) gồm tải trọng thường xuyên và một phần

của tải trọng tạm thời (trọng lượng thiết bị, vật liệu…).

Tải trọng tác dụng ngắn hạn (tải trọng ngắn hạn ): gồm phần còn lại của tải trọng tạm

Theo trị số(2 loại):

Tải trọng tiêu chuẩn (Pc) còn gọi là trị số tiêu chuẩn của tải trọng, trị số này lấy bằng

giá trị thường gặp trong quá trình sử dụng công trình và được xác định theo các kếtquả thống kê.

Tải trọng tính toán ( P ): P= Pc

- Hệ số độ tin cậy của tải trọng Nó được xác định theo một xác suất đảm bảo quy

định để kể đến các tình huống bất ngờ, đột xuất mà tải trọng có thể vượt quá trị số tiêuchuẩn.

Không phản ánh đúng bản chất vật liệu (BT là vật liệu đàn dẻo)

Trong vùng kéo của cấu kiện thường có khe nứt nên không phải là vật liệu đồng

nhất

Ưu điểm:

Sử dụng được các công thức và phương pháp của SBVL, cơ học kết cấu, lý thuyếtđàn hồi Thuật toán đơn giản, nên hiện tại vẫn đang được sử dụng nhiều.

Khái niệm và phương pháp xác định nội lực theo sơ đồ dẻo:

Là phương pháp có xét tới biến dạng dẻo của cốt thép và bê tông, xét tới sự hìnhthành khớp dẻo, sự phân phối lại nội lực giữa các tiết diện

Khớp dẻo là liên kết khớp có thể chịu được một mô men không đổi nào đó Mkd.

Khíp dÎo

Mkd =RsAsZs=CstRsAs.

M < RsAsZs => Khớp dẻo chưa xuất hiện (chưa xoay);

M  RsAsZs=> Khớp dẻo xuất hiện (xoay).

Sự khác nhau giữa khớp dẻo và khớp thường : Khớp thường không ngăn cản chuyểnvị xoay, taị khớp M = 0 Khớp dẻo có ngăn cản chuyển vị xoay Mô men tại khớp dẻo

MkdA  kdB  kd nhÞp) 

Ưu điểm của phương pháp:

- Cho phép điều chỉnh một cách hợp lýmô men tại các tiết diện.Từ đó:

+ Làm cho việc bố trí cốt thép đượcđơn giản ;

+ Làm cơ sở cho việc tính toán vàcấu tạo mối nối của các kết cấu lắpghép.

- Tuy nhiên phương pháp này cũng chỉ là gần đúng vì rất khó đánh giá chính xác mứcđộ dẻo Chỉ dùng phương pháp này để tính toán các loại kết cấu dầm phụ, bản liêntục.

Các điều kiện khi xác định nội lực theo sơ đồ khớp dẻo:

- Các khe nứt đầu tiên xuất hiện quá sớm thì đến trạng thái cân bằng giới hạn, khenứt ở các tiết diện ấy mở rộng quá lớn Để hạn chế bề rộng khe nứt, chỉ cho phépđiều chỉnh 30%giá trị mô men xác định được theo sơ đồ đàn hồi ;

- Kết cấu không bị phá hoại do lực cắt ;

- Cốt thép phải có thềm chảy rõ ràng hoặc có vùng biến dạng dẻo rộng (CI;CII;CIII;dây thép kéo nguội).

- BT không bị ép vỡ trước khi s Rs Đ ể thoả mãn điều kiện này, kết quả thí nghiệmcho thấy: Với BT mác300 =>  d 0,37m d 0,301

Với BT mác 400 d 0,295m d 0,255

3.3.2 Tổ hợp nội lựcKhái niệm

Tĩnh tải thường xuyên tác dụng lên kết cấu, trong khi hoạt tải có thể xuất hiện ở nhữngchỗ khác nhau vào những thời điểm khác nhau Nội lực dùng để tính toán tiết diện làtổng đại số của nội lực do tĩnh tải và nội lực bất lợi nhất do hoạt tải Việc xác định nộilực bất lợi tại một tiết diện nào đó gọi là tổ hợp nội lực

Tổ hợp cơ bản2 (2) : Gồm nội lực do các tĩnh tải và tất cả các nội lực bất lợi do các

trường hợp hoạt tải nhân với hệ số tổ hợp1 :

Tại tiết diện (k) thuộc nhánh max: Tmax(k) = TG(k) + TPi(()k)

Tại tiết diện (k) thuộc nhánh min : Tmin(k) = TG(k) + TPi(()k)

Tổ hợp (1) với(2) => Đối với tổ hợp Cơ bản, nội lực bất lợi tại tiết diện(k)là: Tmax(k) = TG(k) + max(TPi(k) ; TPi(()k))

Tmin(k) = TG(k) +min(TPi(k) ; TPi(()k)).

Tập hợp tất cả các giá trị Tmax và Tmin theo mọi tiết diện dọc theo trục cấu kiện tađược hai nhánh của biểu đồ bao nội lực.Ví dụ: Đối với dầm ba nhịp chịu tải trọng tậptrung, ta có hình dạng của biểu đồ bao mô men như hình vẽ :

Tổ hợp đặc biệt : Gồm nội lực do các tĩnh tải ; do một tải trọng đặc biệt (đang xét); do

các hoạt tải dài hạn và do các hoạt tải ngắn hạn có thể xảy ra (ví dụ có động đất thìkhông có gió):

Tại tiết diện (k) thuộc nhánh max: Tmax(k) = TG(k)+ TĐB(k) + (())

 iTPik Tại tiết diện (k) thuộc nhánh min : Tmin(k) = TG(k)+ TĐB(k) + iTPi(()k)

và ilà các hệ sổ tổ hợp tuỳ thuộc tính chất của công trình và các loại tải trọng tácdụng lên nó (tra trong TCVN 2737-1995).

3.4.1 Phương pháp tính kết cấu BTCT theo ứng suất cho phép

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi vào nửa đầu thế kỷ 20

- Nội dung:

+ Coi BTCT là vật liệu làm việc đàn hồi;

+ Sử dụng các công thức của SBVL để xác định ứng suất  do tải trọng gây ra;

+ Xác định ứng suất cho phép của vật liệu: cp;- Điều kiện đảm bảo cho kết cấu làm việc an toàn:  cp

- Nhược điểm: chưa xét đến tính biến dạng dẻo của BT và CT.

3.4.2 Phương pháp tính kết cấu BTCT theo nội lực phá hoại

Phương pháp này được một số nước sử dụng vào khoảng giữa thế kỷ 20

- Nội dung:

+ Sử dụng các công thức của SBVL và cơ học kết cấu để xác định nội lực do tải trọng

tiêu chuẩn gây ra trong kết cấu Scrc; + Xác định nội lực mà kết cấu chịu được tại thời điểm sắp sửa bị phá hoại: Sph => Điều kiện đảm bảo cho kết cấu làm việc an toàn: kScrc  Sph

k- Hệ số an toàn, thường lấy k = 1,5  2,5

- Ưu điểm: Đã kể đến tính biến dạng dẻo của BT và CT (thông qua việc xác định Sph)- Nhược điểm:

+ Dùng hệ số an toàn (k) chung chưa phản ánh được đầy đủ sự khác nhau của cácyếu tố ảnh hưởng đến độ an toàn của kết cấu;

+ Chưa xét đến biến dạng và khe nứt của kết cấu

3.4.3 Phương pháp tính kết cấu BTCT theo TTGH

Phương pháp này đã được Liên Xô (cũ) ban hành lần đầu tiên vào năm 1955, sau đó

được hoàn thiện dần và hiện nay vẫn được sử dụng phổ biến trên thế giới

Điều kiện để kết cấu đủ khả năng chịu lực: S  Sgh

trong đó: S - Nội lực bất lợi nhất do tải trọng tính toán gây ra.

Sgh- Là khả năng chịu lực của kết cấu ở TTGH ; Sghđược xác định theocường độ tính toán của vật liệu.

Nguyên tắc tính toán: Tính theo TTGH về khả năng chịu lực được áp dụng đối với mọi

kết cấu và đối với mọi giai đoạn: chế tạo, vận chuyển, cẩu lắp, sử dụng, sửa chữa.

TTGH về điều kiện sử dụng bình thường (TTGH thứ hai):

Để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường, cần hạn chế độ mở rộng khe nứt; độ daođộng của kết cấu và độ biến dạng (độ võng; độ giãn; góc xoay).

Điều kiện để kết cấu đảm bảo điều kiện làm việc bình thường:

- Theo yêu cầu hạn chế biến dạng: f  fgh

- Theo yêu cầu hạn chế bề rộng khe nứt : acrc agh

- Theo yêu cầu không cho phép nứt : T  Tn

- Mỹ quan và tâm lý của con người

(Thông thường agh = 0,05  0,4 mm ; fgh của dầm = )l

+ T - Nội lực do tải trọng tính toán gây ra trên tiết diện tính toán;

+ Tn- Nội lực mà tiết diện tương ứng chịu được trước khi hình thành khe nứt (khảnăng chống nứt của tiết diện).

Nguyên tắc tính toán:

Về nguyên tắc, tính theo TTGH thứ 2 được tiến hành với mọi kết cấu Nhưng nócần hơn đối với các kết cấu lắp ghép ; các kết cấu dùng thép cường độ cao và cáckết cấu làm việc trong môi trương bất lợi.

Có thể không cần kiểm tra bề rộng khe nứt hoặc biến dạng nếu theo kinh nghiệmthiết kế và sử dụng, biết chắc chắn rằng đối với kết cấu đó trong mọi giai đoạn có bềrộng khe nứt và độ võng không đáng kể.

Ưu điểm của phương pháp tính theo TTGH:

- Đã đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu về chịu lực và sử dụng kết cấu;- Đã xét đến đầy đủ tính biến dạng dẻo của BT và CT;

- Đã xét đến sự ảnh hưởng khác nhau của các yếu tố đến sự an toàn của kết cấuthông qua các hệ số độ tin cậy của tải trọng (thông quai);

- Đã xét đến các yếu tố làm ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu (thông qua:bi vàsi).

3.4.4 Giới thiệu tiêu chuẩn tính toán của một số nước

Hiện nay các nước đều dùng phương pháp tính toán theo TTGH:

- Các nước châu Âu (Pháp, Đức, Anh…) dùng chung bộ tiêu chuẩn Eurocodes Tiêuchuẩn thiết kế kết cấu BTCT là EN 1992-1-1 Theo lộ trình đã được quyết định, đếnnăm 2010 toàn bộ các nước trong Liên minh châu Âu áp dụng thống nhất tiêu chuẩnEurocode trong lĩnh vực thiết kế xây dựng Anh Quốc áp dụng từ 2007, thay thế toànbộ tiêu chuẩn mang mã hiệu BS bằng tiêu chuẩn Eurocode mang mã hiệu BS EN;Pháp thay thế tiêu chuẩn NF bằng NF EN.

- Trung Quốc dùng tiêu chuẩn GBJ 30–89 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT.- CHLB Nga dùng tiêu chuẩn SNIP 2.03.01-84, Kết cấu bê tông và BTCT.- Hoa Kỳ dùng quy phạm ACI 318- 2005 của viện bê tông Hoa Kỳ

3.5 Nguyên tắc cấu tạo

3.5.1 Cơ sở chọn hình dáng, kích thước, tiết diện

+ Đảm bảo khả năng chịu lực, đảm bảo độ cứng; độ ổn định.

+ Đảm bảo kích thước để bố trí các loại cốt thép và tận dụng khả năng làm việc của vậtliệu; (Kích thước tiết diện hợp lý được thể hiện qua hàm lượng cốt thép µ =As/Ab Mỗiloại cấu kiện có 1 khoảng hợp lí của µ).

Để cốt thép nằm đúng vị trí thiết kế trong kết cấu, tuỳ

hoặc Khung, lưới hàn)

Khung, lưới hàn:

Các liên kết được thực hiện bằng cách hàn.Thường được chế tạo trong các công xưởng nên tốc độ thi công nhanh nhưng độ linh hoạt không cao

Khung, lưới buộc :

Những thanh rời được liên kết với nhau tại

vị trí bằng dây thép mềm ( d = 0,8  1mm) nên việc xếp đặt linh hoạt nhưng tốc độ thicông chậm

Cốt chịu lực và cốt cấu tạo

Cốt chịu lực: Được xác định hoặc kiểm tra bằng tính toán để chịu các ứng lực do tải

trọng gây ra.

Cốt cấu tạo: Về thực chất thì cốt cấu tạo cũng chịu lực nhưng chúng không được đặt

theo tính toán mà đặt theo các qui định và theo kinh nghiệm.

Tác dụng của cốt cấu tạo:

+ Liên kết các cốt chịu lực với nhau thành khung hoặc lưới; + Hạn chế sự co ngót không đều của BT;

+ Chịu ứng suất phát sinh do sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ ; + Cản trở sự mở rộng các khe nứt;

+ Phân bố tác dụng của lực tập trung;

Vai trò của cốt cấu tạo là rất quan trọng nếu thiếu cốt cấu tạo kết cấu có thể không pháthuy hết khả năng chịu lực, bị nứt hoặc bị hư hỏng cục bộ

Nối cốt thép

Cần phải nối cốt thép khi chiều dài thanh thép không đủ

Yêu cầu chung: Tránh nối cốt thép ở vùng cốt thép chịu lực lớn ;Các phương pháp nối:

Nối chồng( Nối buộc):

- Cách nối : như hình vẽ

- Đặc điểm: Khi nối chồng, sự truyền lực giữa BT vàCT thông qua lực dính nên trong đoạn nối phải đặt cốtđai dày hơn và khi thi công phải đặc biệt chú ý đảm bảochất lượng BT ở vùng này.

ln đuợc tính toán theo công thức của phần neo cốt thép - Chú ý:

+ Không nên nối chồng các thanh có d > 30 ; + Không được nối chồng các thanh có d > 36 ;

lan

+ Không nên nối chồng trong vùng chịu kéo của cấu kiện chịu uốn và nén

+ Không được nối chồng trong các cấu kiện thẳng mà toàn bộ tiết diện chịu kéo ; + Không được nối chồng cốt thép nhóm CIV trở lên.

Nối hàn ( hàn đối đầu tiếp xúc hoặc hàn hồ quang )

Hàn đối đầu tiếp xúc: Được thực hiện bằng các máy hàn chuyên dụng, dùng nối dài các

thanh d10và 0,85

21 

Hàn điện hồ quang: Dùng dòng điện cường độ lớn nung chảy kim loại của que hàn và

thép cần hàn để chúng liên kết với nhau :

- Hàn điện hồ quang dùng thanh kẹp và không dùng thanh kẹp.Thường dùng nối thép cán nóng d 10 Chiều cao, chiều rộng và chiều dài đường hàn xem SGK

Yêu cầu của mối hàn:

- Bề mặt mối hàn mịn, không rỗ, trong phạm vi mối hàn không có khuyết tật; - Khi làm thí nghiệm kéo thì cốt thép bị đứt ở ngoài phạm vi mối hàn.

Nối bằng ống lồng: Đút hai đầu ống thép cần nối vào một ống thép Liên kết giữa thanh

cốt thép và ống lồng có thể dùng máy ép bóp chặt tạo ma sát hoặc dùng liên kết ren

Neo cốt thép

Để cốt thép phát huy hết khả năng chịu lực cần neo chắc đầu mút của nó vào BT ở vùng liên kết hoặc gối tựa nhằm đảm bảo cho CT không bị kéo tuột trước khi bị kéo đứt.

Chiều dài đoạn neo: Đoạn neo cốt thép được tính từ tiết diện mà nó được sử dụng toàn

bộ khả năng chịu lực tới đầu mút của thanh thép Gọi chiều dài đoạn neo cốt thép vào BT là lneo

lneo  max lan, l*

an và lmin

trong đó: lan = ( anb

Những trường hợp không cần uốn móc neo:

+ Cốt có gờ (một số nước vẫn yêu cầu uốn móc neo); + Cốt trong khung, lưới hàn ;

+ Cốt chịu nén trong cột.

Chú ý: Không nên neo thép vào vùng có mô men lớn Lúc này cần uốn cong hoặc kéo dài cốt thép để neo vào vùng nén.

Bố trí cốt thép trong tiết diện

Yêu cầu chung:

- CT đặt đúng vị trí ;

- Đảm bảo chiều dầy lớp BT bảo vệ ;

- Tại vị trí các cấu kiện giao nhau phải vẽ ra hoặc hình dung cho được cách sắp xếpsao cho các CT không vướng vào nhau đồng thời đảm bảo cho BT dễ dàng lọt qua vàđầm nén được thuận tiện.

+ Đối với cốt thép có vị trí nằm ngang hoặc xiên lúc đổ bê tông:

t

o =

dÇmd íimÆt ëthÐpcèt lípc¸c víièi§-2,5cm

dÇmntrªmÆt ëthÐpcèt lípc¸c víièi§-3cm

từ lớp thứ 3( từ dưới lên hoặc từ trên xuống): to5cm

+ Đối với cốt thép có vị trí thẳng đứng lúc đổ bê tông: to5cm

Lớp BT bảo vệ:Tác dụng:

+ Bảo vệ cốt thép;

+ Đảm bảo lực dính giữa BT và CT C1 – Chiều dày lớp BT bảo vệ cốt dọc ; C2 – Chiều dầy lớp BT bảo vệ cốt đai hoặc cốt cấu tạo

Yêu cầu: C1; C2  (d và C0).Đối với cốt dọc chịu lực:

Trong bản và tường có chiều dầy:

+ 100 mm : C0 = 10 mm (15 mm) +  100 mm : C0 = 15 mm (20 mm)

Trong dầm và sườn có chiều cao:

+ h < 250 mm : C0 = 15 mm (20 mm) + h 250 mm: C = 20 mm (25 mm)

Trong cột: C0 = 20 mm (25 mm) Trong dầm móng: C0 = 30 mm

Trong móng:

+ Lắp ghép : C0 = 30 mm + Đổ tại chỗ có lớp lót : C0 = 35 mm + Đổ tại chỗ không có lớp lót : C0 = 70 mm Đối với cốt dọc cấu tạo và cốt đai:

Khi chiều cao tiết diện h < 250 mm: C0 = 10 mm (15 mm) Khi chiều cao tiết diện h 250 mm : C0 = 15 mm (20 mm)

Chú ý :

+ Số trong ngoặc áp dụng cho kết cấu ngoài trời hoặc nơi ẩm ướt.

+ Đối với các kết cấu trong vùng chịu ảnh hưởng của môi trường biển cần lấy tăngchiều dầy của lớp bảo vệ, theo quy định của TCXDVN 327 – 2004 ;

+ Đối với những kết cấu trong môi trường xâm thực mạnh, cần được bảo vệ bằng cáchốp hoặc các biện pháp bảo vệ đặc biệt.

- Trường hợp trên một hàng có những thanh bị cắt:

- Ở nút giao nhau của nhiều cấu kiện, chỉ vẽ những CT ở trong cấu kiện đang thểhiện, không vẽ CT của những cấu kiện cắt qua nó (trừ hình vẽ chi tiết).

- Trên mặt cắt, chỉ vẽ những thanh có trực tiếp tại mặt cắt đó ;

- Cách ghi kích thước : trên hình vẽ mặt bằng, mặt đứng và trên các mặt cắt phảighi đầy đủ các kích thước của kết cấu; kích thước xác định vị trí của kết cấu; kíchthước xác định vị trí có sự thay đổi CT (vị trí cắt, uốn cốt dọc)… ; Kích thước phảiđược xác định theo các trục định vị trên công trình.

- Cách ghi ký hiệu thép: Để thể hiện ký hiệu thép, thường dùng các con số đặt trongvòng tròn, mỗi con số dùng để chỉ một hoặc nhiều thanh thép giống nhau (cùngnhóm thép, cùng đường kính, cùng hình dạng và cùng kích thước tương ứng).