Ket cau be tong cot thep (KCCT)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ MÔN KẾT CẤU *********** K ẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN -272 - 05 TP HỒ CHÍ MINH - 2014 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1.1 Thực chất bê tông cốt thép Bê tông cốt thép loại vật liệu xây dựng phức hợp hai vật liệu có đặc tính lý khác bê tơng thép phối hợp chịu lực với cách hợp lý kinh tế Bê tông loại đá nhân tạo thành phần bao gồm cốt liệu (cát, đá) chất kết dính (xi măng, nước ) Bê tơng có khả chịu nén tốt, khả chịu kéo Thép vật liệu chịu kéo chịu nén tốt Do người ta thường đặt cốt thép vào bê tông để tăng cường khả chịu lực cho kết cấu gọi kết cấu bê tông cốt thép  Để thấy phối hợp chịu lực bê tông cốt thép ta tiến hành thí nghiệm: - Uốn dầm bê tơng hình 1.1a, dầm chia thành hai vùng rõ rệt vùng kéo vùng nén Khi ứng suất kéo bê tông fct đạt tới cường độ chịu kéo bê tơng vết nứt bắt đầu xuất hiện, vết nứt mở rộng lên phía dầm bị gãy ứng suất bê tông vùng nén nhỏ so với cường độ chịu nén bê tông Dầm bê tông chưa khai thác hết khả chịu nén tốt bê tông, khả chịu mô men dầm nhỏ - Tương tự, với dầm đặt lượng cốt thép hợp lý vào vùng bê tông chịu kéo hình 1.1b, ứng suất kéo fct đạt tới cường độ chịu kéo bê tơng vết nứt xuất Lúc dầm chưa bị phá hoại, tiết diện có vết nứt, lực kéo hồn tồn cốt thép chịu, ta tăng tải trọng ứng suất cốt thép đạt tới giới hạn chảy bê tông vùng nén bị nén vỡ P P (a) f cc f ct P (b) f cc fs P As Hình 1.1 Dầm bê tông bê tông cốt thép Dầm bê tông cốt thép (BTCT) khai thác hết khả chịu nén tốt bê tông khả chịu kéo tốt thép Nhờ khả chịu lực lớn hàng chục lần so với dầm bê tơng có kích thước Cốt thép chịu kéo nén tốt nên cịn đặt vào cấu kiện chịu kéo, chịu nén, cấu kiện chịu uốn xoắn để tăng khả chịu lực giảm kích thước tiết diện chịu lực kéo xuất ngẫu nhiên  Nhân tố để bê tơng thép phối hợp chịu lực là: - Lực dính bám bề mặt bê tông thép lớn làm cho thép không tuột khỏi bê tông, nên lực truyền từ bê tơng sang thép ngược lại Nhờ có lực dính bám mà cường độ cốt thép khai thác, bề rộng vết nứt vùng kéo hạn chế - Giữa bê tơng thép khơng xảy phản ứng hố học, bê tơng cịn bảo vệ cho cốt thép chống lại tác dụng ăn mịn mơi trường - Hệ số giãn nở nhiệt bê tông cốt thép xấp xỉ (bê tông c=10,8.10-6/oC , thép s=12.10-6/oC) Do đó, nhiệt độ thay đổi phạm vi thơng thường (dưới 100oC) nội ứng suất xuất không đáng kể, khơng làm phá hoại lực dính bám bê tông cốt thép 1.1.2 Thực chất bê tông cốt thép dự ứng lực (DƯL)  Khi sử dụng kết cấu BTCT người ta thấy xuất nhược điểm: - Nứt sớm, giới hạn chống nứt thấp - Không cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao Khi ứng suất cốt thép chịu kéo fs = 20-30 MPa khe nứt bê tông xuất Khi dùng thép cường độ cao ứng suất cốt thép chịu kéo đạt 1000-1200 MPa lớn điều làm xuất khe nứt lớn vượt trị số giới hạn cho phép Vì vậy, sử dụng cốt thép cường độ cao để chế tạo cấu kiện BTCT thường khơng khai thác hết khả chịu lực thép hạn chế nứt tức hạn chế trị số ứng suất kéo cốt thép Để khắc phục nhược điểm người ta đưa kết cấu BTCT dự ứng lực (BTCTDƯL) Những nhược điểm xuất phát từ khả chịu kéo bê tông  Khái niệm kết cấu dự ứng lực Kết cấu dự ứng lực loại kết cấu mà chế tạo người ta tạo trạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất tải trọng sử dụng, mục đích hạn chế yếu tố có hại đến tình hình chịu lực kết cấu tính chất chịu lực vật liệu Với kết cấu bê tông cốt thép, chủ yếu người ta tạo ứng suất nén trước cho vùng tiết diện mà sau tác dụng tải trọng sử dụng phát sinh ứng suất kéo Ứng suất nén trước có tác dụng làm giảm triệt tiêu ứng suất kéo tải trọng sử dụng sinh Nhờ vậy, cấu kiện nứt nhỏ khơng nứt Ta tạo trạng thái ứng suất ban đầu khác hai cách: Thay đổi vị trí lực nén trước, thay đổi trị số lực nén trước Như vậy, tạo kết cấu tối ưu mặt chịu lực giá thành   Ưu điểm kết cấu BTCTDƯL so với kết cấu BTCT thường: - Nâng cao giới hạn chống nứt, có tính chống thấm cao - Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bê tông cường độ cao - Độ cứng tăng nên độ võng giảm, vượt nhịp lớn so với BTCT thường - Chịu tải đổi dấu tốt nên sức kháng mỏi tốt Nhược điểm kết cấu BTCTDƯL so với kết cấu BTCT thường: - Ứng lực trước khơng gây ứng suất nén mà cịn gây ứng suất kéo phía đối diện làm cho bê tơng bị nứt - Thiết kế thi cơng phức tạp u cầu kiểm sốt chặt chẽ kỹ thuật để đạt chất lượng thiết kế đề - 1.2 Giá thành cao ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.2.1 Đặc điểm cấu tạo Trong bê tông cốt thép vấn đề giải cấu tạo cho hợp lý quan trọng Hợp lý mặt chon vật liệu (cấp bê tông, nhóm thép hay loại thép), hợp lý chon dạng tiết diện kích thước tiết diện, hợp lý việc bố trí cốt thép Giải liên kết phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu chống xâm thực …, tính thi cơng (tính khả thi) Dạng tiết diện sơ đồ bố trí cốt thép phụ thuộc vào trạng thái ứng suất tiết diện Trong cấu kiện chịu uốn trạng thái ứng suất tiết diện có vùng kéo có vùng nén tiết diện thường mở rộng vùng nén (như chữ T) Với cấu kiện chịu lực dọc trục tiết diện ứng suất gần phân bố dạng tiết diện thường chon đối xứng vng, trịn, chữ nhật 1.2.1.1 Bê tơng cốt thép thường Cốt thép đặt vào cấu kiện bê tông cốt thép để: chịu ứng suất kéo, chịu ứng suất nén, để định vị cốt thép khác Số lượng tính tốn định phải thoả mãn yêu cầu cấu tạo  Cốt thép chịu ứng suất kéo nhiều nguyên nhân gây ra: Mô men uốn, lực cắt, lực dọc trục, mô men xoắn, tải cục - Cốt thép chịu kéo mơmen uốn gây cốt thép dọc chủ đặt vùng chịu kéo cấu kiện, bố trí theo biểu đồ mơ men hình 1.2 Hình 1.2 Biểu đồ mô men cách đặt cốt thép  Cốt thép chịu kéo lực cắt gây cốt thép đai bố trí theo biểu đồ lực cắt Cốt thép chịu ứng suất nén: Đó cốt dọc chịu nén dầm, cột, cốt thép tham gia chịu nén với bê tông  Cốt thép định vị cốt thép khác thi cơng  Cốt thép kiểm sốt nứt bề mặt phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu ứng suất co ngót, thay đổi nhiệt độ, cốt dọc cốt thép ngang phần cốt thép kiểm soát nứt bề mặt Trong cấu kiện chịu uốn có cốt dọc chịu kéo gọi tiết diện đặt cốt thép đơn, có cốt thép dọc chịu kéo cốt dọc chịu nén gọi tiết diện đặt cốt kép Sơ đồ bố trí cốt thép cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịu kéo lệch tâm lớn gần giống cấu kiện chịu uốn Trong cấu kiện chịu lực dọc trục tiết diện cốt thép dọc thường bốt trí đối xứng Kích thước tiết diện tính tốn định phải thoả mãn yêu cầu cấu tạo, kiến trúc, khả bố trí cốt thép kỹ thuật thi cơng Ngồi cần phải ý đến quy định bề dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, khoảng cách trống cốt thép Các quy định quy định tiêu chuẩn ngành 1.2.1.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực Trong cấu kiện BTCTDƯL gồm hai loại cốt thép: Cốt thép thường (hay cốt thép không kéo căng) cốt thép Dự ứng lực (cốt thép kéo căng) Cốt thép thường làm nhiệm vụ bố trí giống cấu kiện bê tơng cốt thép thường Cốt thép DƯL có nhiệm vụ tạo ứng suất nén trước bê tơng Cốt thép dự ứng lực đặt theo đường thẳng đường cong thẳng cong hình 1.3 Ap Ap Ap Hình 1.3 Sơ đồ bố trí cốt thép DƯL Tại chỗ uốn cong thường có nội lực tiếp tuyến lớn nên cần gia cường cho bê tơng lưới cốt thép gia cường Tại đầu neo liên kết xuất hiên lực tập trung lớn cần phải gia cường cho bê tơng vị trí cốt thép gia cường phân bố 1.2.2 Đặc điểm chế tạo 1.2.2.1 Phân loại theo phương pháp thi công - Đổ chỗ (kết cấu toàn khối) - Lắp ghép - Bán lắp ghép 1.2.2.2 Phân loại theo trạng thái ứng suất chế tạo sử dụng - Bê tông cốt thép thường - Bê tông cốt thép dự ứng lực (bê tông ứng suất trước) 1.2.2.3 Phân loại BTCTDƯL theo phương pháp tạo dự ứng lực  Cấu kiện thi công kéo trước - Chuẩn bị bệ kéo - Cốt thép dự ứng lực neo đầu cố định vào bệ đầu kéo với lực kéo N Dưới tác dụng lực kéo N cốt thép kéo giới hạn đàn hồi giãn dài đoạn l tương ứng với ứng suất kéo thiết kế xuất cốt thép Sau neo cố định đầu cốt thép vào bệ - Tiến hành đặt cốt thép thường đổ bê tông cấu kiện Khi bê tông cấu kiện đủ cường độ cần thiết, người ta tiến hành cắt cốt thép Lúc cốt thép dự ứng lực có xu hướng co lại khơi phục chiều dài ban đầu sinh nén bê tông - Bảo dưỡng tkÕ Ap   fct + N N - fcc Hình 1.4 Sơ đồ phương pháp thi cơng kéo trước Phạm vi áp dụng: Dùng cho cấu kiện thẳng có nhịp ngắn vừa, đặc biệt hiệu với cấu kiện sản xuất hàng loạt xưởng Cu kin thi cụng kộo sau Lắp dựng ván khuôn cốt thép thường ống tạo rÃnh Đổ bê tông Kéo căng cốt thép Ap(Cốt thép DƯL) N tkế Ap =N f ct + Sau bu«ng kÝch N - N f cc Hình 1.5 Sơ đồ phương pháp thi cơng kéo sau - Lắp dựng ván khuôn, cốt thép thường đặt ống tạo rãnh (trong đặt trước cốt thép DƯL luồn sau) tôn, kẽm vật liệu khác - Đổ bê tông cấu kiện, bê tông cấu kiện đạt cường độ, tiến hành luồn căng kéo cốt thép đến giá trị thiết kế - Tiến hành neo cốt thép vào đầu cấu kiện Thông qua neo cấu kiện bị nén lực kéo căng cốt thép - Bơm vữa xi măng vào ống rãnh để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn tạo lực dính bám bê tơng với cốt thép Ngồi ra, cốt thép bảo vệ ống rãnh mỡ chống gỉ, trường hợp gọi cấu kiện DƯL khơng dính bám Phạm vi áp dụng: dùng để kéo căng bó sợi dây cáp đặt theo đường thẳng cong, dùng cho cấu kiện chịu lực lớn Phương pháp thường thực công trường Chương VẬT LIỆU DÙNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 BÊ TÔNG 2.1.1 Phân loại bê tông 2.1.1.1 Theo thành phần bê tông tươi (hỗn hợp bê tông) Bê tông loại đá nhân tạo tạo thành từ vật liệu thành phần, bao gồm: đá dăm, sỏi (cốt liệu lớn); cát (cốt liệu nhỏ); xi măng (chất kết dính), nước phụ gia (nếu có) Các vật liệu sau nhào trộn với đông cứng có hình dạng theo khn đúc Tỷ lệ vật liệu thành phần hỗn hợp có ảnh hưởng đến thuộc tính bê tơng sau đơng cứng (bê tông) Trong phần lớn trường hợp, người kỹ sư cầu chọn cấp bê tông cụ thể từ loạt hỗn hợp thiết kế thử, sở cường độ chịu nén mong muốn tuổi 28 ngày, fc Đặc trưng tiêu biểu cấp bê tông khác cho bảng 2.1 sau: Bảng 2.1 - Các đặc trưng trộn bê tông theo cấp Lượng xi măng tối Tỉ lệ nước/xi Độ chứa Kích thước cốt liệu khí kg/m3 kg/kg % A 362 0,49 - 25 đến 4,75 28 A (AE) 362 0,45 6,0  1,5 25 đến 4,75 28 B 307 0,58 5,0  1,5 50 đến 4,75 17 B (AE) 307 0,55 - 50 đến 4,75 17 C 390 0,49 7,0  1,5 12,5 đến 4,75 28 C (CE) 390 0,45 - 12,5 đến 4,75 28 P 334 0,49 Quy định 25 đến 4,75 19 Quy bê tông thiểu riêng S Tỉ trọng thấp 390 334 0.58 Kích thước lỗ vng sàng (mm) đến 4,75 ngày MPa định riêng Quy định 25 đến 4,75 Quy riêng riêng Như quy định hồ sơ hợp đồng độ chịu nén 28 măng lớn Cấp theo AASHTO M43 Cường định  Cấp bê tơng A nói chung sử dụng tất cấu kiện kết cấu đặc biệt bê tông làm việc môi trường nước mặn  Cấp bê tông B sử dụng móng, bệ móng, thân trụ tường chịu lực  Cấp bê tông C sử dụng chi tiết có bề dày 100 mm tay vịn cầu thang sàn đặt lưới thép  Cấp bê tông P sử dụng cường độ yêu cầu lớn 28 MPa Đối với bê tông dự ứng lực, phải ý rằng, kích thước cốt liệu khơng lớn 20 mm  Bê tông loại S dùng cho bê tông đổ nước bịt đáy chống thấm nước khung vây Tỉ lệ nước/xi măng (W/C) theo trọng lượng thông số quan trọng ảnh hưởng đến cường độ bê tông Tỉ lệ W/C gần mức tối thiểu cường độ lớn Hiển nhiên là, lượng nước cho hỗn hợp, việc tăng hàm lượng xi măng làm tăng cường độ bê tông Đối với cấp bê tơng có quy định rõ lượng xi măng tối thiểu tính kG/m3 Khi tăng lượng xi măng mức tối thiểu này, tăng lượng nước giữ nguyên tỉ lệ W/C Sự tăng lượng nước khơng tốt lượng nước thừa, khơng cần thiết cho phản ứng hoá học với xi măng và làm ướt bề mặt cốt liệu, bốc gây tượng co ngót, làm bê tơng đặc Do vậy, Tiêu chuẩn quy định lượng xi măng tối đa 475 kG/m3 để hạn chế lượng nước hỗn hợp Bê tông AE (bê tông bọt) phát huy độ bền lâu dài làm việc môi trường lạnh Bê tông bọt chế tạo cách thêm vào hỗn hợp phụ gia dẻo để tạo phân bố lỗ rỗng nhỏ Sự phân bố lỗ rơng nhỏ bê tơng tránh hình thành lỗ rỗng lớn cắt đứt đường mao dẫn từ mặt vào cốt thép Để đạt chất lượng bê tông độ bền lâu dài chịu lực tốt, cần phải hạn chế hàm lượng nước Nhưng nước làm tăng độ lưu động hỗn hợp bê tông, đặc biệt làm cho bê tông đẽ đức khn Để cải thiện tính cơng tác hỗn hợp bê tông mà tăng lượng nước, người ta đưa vào phụ gia hoá học Các phụ gia gọi phụ gia giảm nước mạnh (phụ gia siêu dẻo), có hiệu việc cải thiện thuộc tính bê tơng ướt bê tông đông rắn Các phụ gia phải sử dụng thận trọng thiết phải có dẫn nhà sản xuất chúng có ảnh hưởng khơng mong muốn làm rút ngắn thời gian đơng kết Vì trước sử dụng cần làm thí nghiệm để xác minh chất lượng bê tông ướt lẫn bê tông cứng Trong vài năm gần đây, người ta chế tạo bê tơng có cường độ cao, cường độ chịu nén tới 200MPa Mấu chốt việc đạt cường độ độ chắn đảm bảo cấp phối tốt nhất, cho tất lỗ rỗng lấp đầy hạt mịn