Chương 3: Nguyên lý tính toán và cấu tạo. 3.1. Giới thiệu chung. a. Qui trình thiết kế. Thiết kế kết cấu bêtông (BTCT) gồm hai công việc tính toán và cấu tạo. Phần tính toán bao hàm xác định các loại tải trọng tác dụng, nội lực nguy hiểm, khả năng chịu lực của kết cấu hoặc tính toán tiết diện và cốt thép. Phần cấu tạo có nội dung chọn vật liệu, chọn kích thước tiết diện, chọn và bố trí cốt thép, quyết định liên kết giữa các bộ phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu, chống xâm thực. Cả hai phần việc đều rất quan trọng yêu cầu cân đối giữa đảm bảo sự an toàn của kết cấu và chi phí thực hiện, thỏa mãn những điều kiện và công nghệ thi công nhất định. b. Tải trọng và tác dụng. Các loại tải trọng và trị số của nó trong thiết kế kết cấu BTCT được qui định bởi các tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 27371995 Tải trọng và tác động. Tùy theo thời gian tác dụng, tải trọng được chia thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn và đặc biết). Tải trọng thường xuyên (hay tĩnh tải) là tải trọng mà vị trí, điểm đặt, phương chiều, và trị số của nó không đổi trong suốt quá trình xây dựng và sử dụng công trình, thí dụ như trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực và bao che, áp lực đất… Tải trọng tạm thời (hoạt tải) là tải trọng mà vị trí tác dụng, phương chiều, và trị số có thể thay đổi, thí dụ như vách ngăn tạm thời, áp lực hơi, thiết bị, tải người sử dụng, xe cộ lưu thông, tải trọng gió… Tải trọng đặc biệt là tải trọng hiếm khi xảy ra như động đất, nổ bom khủng bố… Trị số của tải trọng được xác định theo những số liệu thực tế và kết quả thống kê qui định như một loại tải trọng tiêu chuẩn. Trị số tính toán của tải trọng (hay tải trọng tính toán) thì lấy bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số tin cậy về tải trọng kể đến
Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông Chương 3: Ngun lý tính tốn cấu tạo 3.1 Giới thiệu chung a Qui trình thiết kế Thiết kế kết cấu bêtơng (BTCT) gồm hai cơng việc tính tốn cấu tạo Phần tính tốn bao hàm xác định loại tải trọng tác dụng, nội lực nguy hiểm, khả chịu lực kết cấu tính tốn tiết diện cốt thép Phần cấu tạo có nội dung chọn vật liệu, chọn kích thước tiết diện, chọn bố trí cốt thép, định liên kết phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu, chống xâm thực Cả hai phần việc quan trọng yêu cầu cân đối đảm bảo an tồn kết cấu chi phí thực hiện, thỏa mãn điều kiện công nghệ thi công định b Tải trọng tác dụng Các loại tải trọng trị số thiết kế kết cấu BTCT qui định tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 2737-1995 Tải trọng tác động Tùy theo thời gian tác dụng, tải trọng chia thành tải trọng thường xuyên tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn đặc biết) Tải trọng thường xuyên (hay tĩnh tải) tải trọng mà vị trí, điểm đặt, phương chiều, trị số khơng đổi suốt trình xây dựng sử dụng cơng trình, thí dụ trọng lượng thân kết cấu chịu lực bao che, áp lực đất… Tải trọng tạm thời (hoạt tải) tải trọng mà vị trí tác dụng, phương chiều, trị số thay đổi, thí dụ vách ngăn tạm thời, áp lực hơi, thiết bị, tải người sử dụng, xe cộ lưu thơng, tải trọng gió… Tải trọng đặc biệt tải trọng xảy động đất, nổ bom khủng bố… Trị số tải trọng xác định theo số liệu thực tế kết thống kê qui định loại tải trọng tiêu chuẩn Trị số tính tốn tải trọng (hay tải trọng tính tốn) lấy tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số tin cậy tải trọng kể đến Nguyễn Tấn Page 16 Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông khả sai lệch bất lợi so với tải tiêu chuẩn Đối với tải trọng khối lượng kết cấu thép =1.05 Hệ số tin cậy tải trọng khác qui định TCXD 27371995 Khi có tác dụng đồng thời hai hay nhiều tải trọng tạm thời, việc tính tốn phải thực theo tổ hợp bất lợi tải trọng hay nội lực tương ứng 3.2 Tổng quan phương pháp thiết kế Để xác định nội lực kết cấu, phương pháp học kết cấu thường áp dụng Các phương pháp này, dựa sở toán học chặt chẻ thuyết phục, phải sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa tốn mà giả thiết tính chất đàn hồi, đồng đẳng hướng vật liệu Việc sử dụng kết học kết cấu cho vật liệu đàn hồi-dẻo không đồng bêtơng khơng xác thường dẫn đến không tận dụng hết khả vật liệu Lý thuyết tính tốn BTCT trải qua nhiều giai đoạn Khoảng đầu kỷ XX, phương pháp tính theo ứng suất cho phép áp dụng, với điều kiện kiểm tra cường độ cp Trong ứng suất nội lực gây tiết diện, cp ứng suất cho phép lấy phần cường độ bêtơng cốt thép, q thiên an tồn Sau đó, nhược điểm được khắc phục phương pháp tính theo nội lực phá hoại T Ttd đó: k T nội lực, Ttd nội lực mà tiết diện chịu tính theo cường độ vật liệu, k (>1) hệ số an toàn Tuy nhiên dùng hệ số an toàn chung cho kết cấu khơng hợp lý điều kiện tải trọng, vật liệu yêu cầu sử dụng khác kết cấu, phương pháp khơng xét đến việc tính tốn theo biến dạng hình thành mở rộng vết nứt Khoảng từ năm 1955, phương pháp tính tốn theo trạng thái giới hạn ứng dụng, có kể đến điều kiện bất lợi tải trọng thông qua hệ số vượt tải, cường độ tính tốn hệ số khác cho điều kiện thi công làm việc kết cấu 3.3 Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn Nguyễn Tấn Page 17 Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông a Định nghĩa trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn (TTGH) trạng thái mà từ trở tiếp tục tăng tải kết cấu khơng thỏa mãn yêu cầu đề cho Theo TCVN 356:2005: Trạng thái giới hạn thứ nhằm đảm bảo độ bền kết cấu: Khơng bị phá hoại giòn, dẻo dạng phá hoại khác, không bị ổn định hình dạng vị trí, khơng bị phá hoại mỏi, khơng bị phá hoại tác dụng đồng thời yếu tố lực ảnh hưởng bất lợi khác môi trường TTGH tính tốn kiểm tra với tải trọng tính tốn cường độ tính tốn vật liệu Trạng thái giới hạn thứ hai nhằm đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường kết cấu: Khơng cho hình thành mở rộng vết nứt q mức, khơng có biến dạng vượt q giới hạn cho phép (độ võng, độ xoay, góc trượt, dao động) b Cường độ tiêu chuẩn cường độ tính tốn Phương pháp tính tốn theo TTGH u cầu phân biệt cường dộ tiêu chuẩn cường độ tính tốn vật liệu Bêtông: Cường độ tiêu chuẩn bêtông nén dọc trục Rbn kéo dọc trục Rbtn phụ thuộc vào cấp độ bền bêtông, có kể đến tính khơng đồng bêtơng qua hệ số biến động, cho bảng: ( bê tông nặng) Bảng 3.1 cường độ tiêu chuẩn bêtông Rbn Rbtn, MPa (bảng 12 TCVN trang 7) Trạng thái / Cấp B15 B20 B25 B30 B35 B40 B45 Nén dọc trục Rbn 11.0 15.0 18.5 22.0 25.5 29.0 32.0 Nén dọc trục Rbtn 1.15 1.40 1.60 1.80 1.95 2.10 2.20 độ bền chịu nén Cường độ tính tốn bêtơng nén Rb kéo Rbt xác định Rb bi bc Rbn Rbt bi bt Rbtn Trong bc, bt hệ số độ tin cậy bêtông tương ứng nén kéo; bi hệ số điều kiện làm việc kể đến tính chất đặc thù bêtơng, tính dài hạn hay tính lặp Nguyễn Tấn Page 18 Bài giảng mơn học: Kết cấu bêtông tải trọng, điều kiện giai đoạn làm việc kết cấu, phương pháp thi cơng, kích thước tiết diện, v.v… Cường độ tính tốn bêtơng sử dụng tính theo TTGH thứ độ bền Đối với bêtông thông thường hệ số độ tin cậy bêtông nén bc=1.3, kéo bt=1.5 ứng với cấp độ bền chịu nén 1.3 ứng với cấp độ bền chịu kéo Với hệ số điều kiện làm việc, ngoại trừ hệ số b1 qui định riêng cho tải trọng lặp (Bảng 15 TCXD 356), bi (i=2-4) dành cho trường hợp thơng dụng Cường độ tính tốn chưa kể b gọi cường độ tính tốn gốc: Bảng 3.2 cường độ tính tốn gốc bêtơng Rb Rbt, MPa (bảng 13 TCVN trang 38) Trạng thái / Cấp độ B15 B20 B25 B30 B35 B40 B45 Nén dọc trục Rb 8.5 11.5 14.5 17.0 19.5 22.0 25.0 Nén dọc trục Rbt 0.75 0.90 1.05 1.20 1.30 1.40 1.45 bền chịu nén Khi tính theo TTGH thứ hai (điều kiện sử dụng bình thường kết cấu), cường độ tiêu chuẩn bêtông (hệ số độ tinh cậy bc hệ số điều kiện làm việc bi=1) sử dụng, ngoại trừ trường hợp tải trọng lặp Cốt thép: Cường độ tiêu chuẩn cốt thép Rsn xác định từ thí nghiệm theo TCVN 1651-85 cho bảng cốt thép Khi tính theo TTGH thứ độ bền kết cấu, cường độ tính tốn chịu kéo cốt thép Rs định nghĩa sau: Rs Rsn s đó: s hệ số độ tinh cậy cốt thép Giá trị s Rs tương ứng (làm tròn) cho Bảng Trong bảng liệt kê cường độ chịu nén tính tốn cốt thép, lấy cường độ chịu kéo Rs Rs 365MPa Nguyễn Tấn Page 19 Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông Bảng 3.3 cường độ cốt thép thông dụng ( Bảng 18,20 21, TCVN trang 47) Cường độ Nhóm cốt thép tiêu chuẩn độ tin Rsn, Mpa Cường độ tính tốn Hệ số cậy s Về kéo Rs, Về nén Cốt ngang Mpa Rs, Mpa Rsw, Mpa CI, AI 235 1.05 225 225 175 CII, AII 295 1.05 280 280 225 CIII, AIII 390 1.07 365 365 290 CIV, AIV 590 1.15 510 450 405 Trong trường hợp có kể đến phân bố ứng suất không cốt thép hay điều kiện neo khơng đảm bảo tính tốn cốt thép ngang (cốt đai cốt xiên) cường độ tính tốn cốt thép phải nhân với hệ số điều kiện làm việc tương ứng va cho cột cuối Bảng Giá trị tiêu chuẩn cốt thép (hệ số độ tin cậy s =1) sử dụng tính tốn theo TTGH thứ hai 3.4 Nguyên tắc chung cấu tạo Khi thiết kế kết cấu bêtông cốt thép cần tuân theo qui định cấu tạo để tạo điều kiện dễ dàng thi công đảm bảo làm việc chung bêtông cốt thép a Cốt chịu lực cốt cấu tạo Cốt thép chịu lực cốt thép chịu ứng lực từ tải trọng thiết kế, xác định kiểm tra tính tốn Cốt thép cấu tạo góp phần chịu lực thường khơng tính tốn mà đặt theo kinh nghiệm theo qui định tiêu chuẩn cho trường hợp: liên kết cốt chịu lực thành khung lưới, giảm co ngót không đồng bêtông, chịu Nguyễn Tấn Page 20 Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông ứng suất phát sinh thay đổi nhiệt độ, ngăn cản hình thành mở rộng vết nứt, phân bố tác dụng tải tập trung, v.v… b Liên kết cốt thép Cốt thép liên kết thành khung lưới đặt vào bêtông, dùng cách buộc hay hàn Khung lưới buộc thường gia công cách linh hoạt công trường dây kẽm hay dây thép mềm, khung lưới hàn chế tạo sẵn phân xưởng chuyên dụng Để tận dụng khả chịu lực, cốt thép phải neo vào bêtông Trong khung lưới buộc, chịu kéo thép tròn trơn cần uốn móc đầu( áp dụng cho có đường kính