Đồ án kết cấu bê tông cốt thép Chương 1

Đồ án kết cấu bê tông cốt thép

Chương I : NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1 Khái niệm về kết cấu bê tông cốt thép

1.1.1 Sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép a) Khái quát :

Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựn.g phức hợp do bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực với nhau

Ta thử so sánh một vài tính chất của bê tông và cốt thép qua bảng dưới đây :

mảnhdễ bị oằn

bảo vệ

giảm nhanh ở nhiệt độ cao

Từ bảng trên ta thấy rằng, nếu kết hợp bê tông và cốt thép thì chúng sẽ bổ sung cho nhau : tận dụng được khả năng chịu kéo và chịu cắt của thép, khả năng chịu nén của bê tông, đồng thời bê tông bảo vệ cốt thép không bị ăn mòn, tăng khả năng chịu lửa của vật liệu phức hợp này

Cốt thép đặt trong các cấu kiện chịu nén ( cột, thanh chịu nén của dàn ) nhằm tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện

b) Sự cộng tác cùng chịu lực giữa bê tông và cốt thép

Giữa bê tông và cốt thép có lực dính (sinh ra trong quá trình bêtông đông cứng), nên

có thể truyền lực từ bê tông sang cốt thép và ngược lại Nhờ có lực dính mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, hạn chế vết nứt trong vùng chịu kéo

Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học nào, đồng thời bê tông

còn bảo vệ cốt thép chống lại các tác dụng ăn mòn của môi trường

Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông và cốt thép gần bằng nhau

bê tông = 1x10-5  1,5x10-5thép = 1,2x10-5

Khi nhiệt độ thay đổi ( < 1000cốt thép ) trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không làm phá hoại lực dính giữa bê tông và cốt thép

1.1.2 Phân lọai kết cấu bê tông cốt thép

1o) Theo phương pháp thi công :

- Bê tông cốt thép toàn khối : độ cứng lớn, chịu tải trọng động tốt Tuy nhiên, tốn ván khuôn, cây chống, thi công bị ảnh hưởng thời tiết

- Bê tông cốt thép lắp ghép : thi công nhanh, không bị ảnh hưởng thời tiết nhưng độ cứng không đảm bảo

- Bê tông cốt thép bán lắp ghép : độ cứng cao, giảm đáng kể số lượng ván khuôn cây chống, phải xử lý tốt mối nối giữa bê tông đổ trước và bê tông đổ sau

2o) Theo trạng thái ứng suất khi chế tạo và sử dụng

- Bê tông cốt thép thường - Bê tông cốt thép ứng lực trước

1.1.3 Ưu nhược điểm của kết cấu bê tông cốt thép

Có khả năng tạo ra các hình dáng kết cấu khác nhau, đáp ứng yêu cầu đa dạng của kiến trúc ( vòng, vỏ mỏng…)

Rẻ tiền hơn kết cấu thép

Trọng lượng bản thân lớn, khó làm các kết cấu nhịp lớn, có thể khắc phục bằng cách sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước, kết cấu nhẹ ( vỏ mỏng )

1.2 Tính chất cơ học của bê tông cốt thép

1.2.1 Tính chất cơ học của bê tông

Bê tông là một loại đá nhân tạo, thành phầm gồm có : Cốt liệu : cát, sỏi hay đá dăm

Chất kết dính vô cơ : xi măng, thạch cao, vôi Nước

Ngoài ra có thể có them chất phụ gia vô cơ hay hữu cơ

1 Phân loại bê tông

Theo trọng lượng :

Bê tông nặng :   25 KN/m³ ; cốt liệu bằng kim lọai

Bê tông thường :  = 18  25 KN/m³ ; cốt liệu bằng sỏi đá đặc chắc thông thường

Bê tông nhẹ :  = 5  18 KN/m³ ; cốt liệu bằng đá có lỗ rỗng, kê ram dít, xỉ quặng…

Theo cấu trúc : Bê tông đặc Bê tông có lỗ rỗng Theo chất kết dính :

Bê tông xi măng : dùng chất kết dính là ximăng Bê tông chất dẻo (polyme )

Bê tông thạch cao : chủ yếu dùng cho kết cấu trang trí, tự chịu lực ( chỉ chịu trọng lượng bản thân )

Theo kích thước cốt liệu :

Bê tông đá 40x60: làm lớp lót

Bê tông đá 20x30, 10x20, 5x10: 90% dùng chế tạo cấu kiện chịu lực Bê tông đá mi: sử dụng làm kiến trúc

2.Các chỉ tiêu cơ bản của bê tông :

Cường độ của bê tông là đại lượng đặc trưng quan trọng của bê tông về chất lượng và khả năng chịu lực

1io) Cường độ chịu nén của mẫu thử :

d=16cm

Mẫu thí nghiệm : khối vuông, khối lăng trụ đáy vuông, khối trụ tròn Được dưỡng hộ và thí nghiệm theo điều kiện tiêu chuẩn (t = 20 2, w 90%) sau 28 ngày tuổi

Cường độ chịu nén của mẫu (khối vuông) : MPaA

NBi  p ,

( Np : lực làm phá hoại mẫu ; A : diện tích tiết diện mẫu )

2io) Cường độ chịu kéo của mẫu thử :

Mẫu thí nghiệm : tiết diện vuông (a=10cm) Được dưỡng hộ và thí nghiệm theo điều kiện tiêu chuẩn (t = 20 2, w 90%) sau 28 ngày tuổi

( Np : lực kéo làm phá hoại mẫu; A : diện tích tiết diện mẫu)

MPaANBit  p ,

3io) Cấp độ bền của bê tông :

Với n1, n2, ….,nn – số lượng các mẫu thử tiêu chuẩn có cường độ tương ứng khi nén ( kéo) là B1, B2, ….,Bn

Theo TCVN 5574 – 1991: chỉ tiêu chất lượng cơ bản của bê tông biểu thị

bằng Mác Mác theo cường độ chịu nén M, chịu kéo K

Mác bê tông : M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400…… Mác bê tông : K10, K15, K20, K25, K30, K40……

Theo TCXDVN 356 – 2005: chỉ tiêu chất lượng cơ bản của bê tông biểu thị bằng cấp độ bền Cấp độ bền chịu nén của bê tông B, chịu kéo của bê tông Bt

B12,5, B15, B20, B25, B30, B35, B40……

Bt0,4, Bt 0,8, Bt 1,2, Bt 1,6, Bt 2,0, Bt 2,4…

Tương quan giữa cấp độ bền chịu nộn của bờ tụng B và Mỏc theo cường độ

chịu nộn

Cấp độ bền chịu nén

Cường độ trung bình của mẫu thử

tiêu chuẩn, MPa

Mác theo cường độ

chịu nén

Cấp độ bền chịu nén

Cường độ trung bình của mẫu thử

tiêu chuẩn, MPa

Mác theo cường độ

Cường độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn

MPa

Mác theo cường độ

3.Cường độ của bờ tụng :

1io) Cường độ tiờu chuẩn :

Cường độ tiờu chuẩn ( Rtc) của bờ tụng lấy bằng trị số trung bỡnh thống kờ của cường độ cỏc mẫu kiểm tra khi thớ nghiệm Cường độ tiờu chuẩn của bờ tụng được xỏc định với xỏc xuất bảo đảm là 95%

VD : thớ nghiệm m mẫu thử, ta thu được cỏc cường độ R1, R2,… Ri,…, Rm Ta cú cường độ trung bỡnh : 

và phộp tớnh thống kờ cho : cường độ tiờu chuẩn Rtc = (0,750,8)Rtb

5io) Cường độ tính toán : (R)

mkRR 

Ví dụ các trị số kb , mb :

Khi nén : kbn = 1,3; mbn =0,80,85 Khi kéo : kbk = 1,5; mbk = 0,80,85

Trong các điều kiện đặc biệt ( VD: chịu nhiệt độ cao, tải trọng rung động lớn, sử dụng bê tông ở môi trường ngập mặn…) thì phải kể thêm các hệ khác cho trong qui phạm

Cường độ tính toán của vật liệu chưa kể đến hệ số điều kiện làm việc m

được gọi là cường độ tính toán gốc Ví dụ :

Xi măng Pooclan dùng phổ biến nhất cho bê tông có yêu cầu về cường độ

Xi măng Pooclan puzlan ( có phụ gia làm tăng tính ổn định chống kiềm của xi măng ) dùng kết cấu chịu ảnh hưởng của dòng chảy, kết cấu phải yêu cầu bảo đảm tính không thấm nước (các kho chứa, các công trình ngầm…)

Cốt liệu : (cát, sỏi, đá)

Cốt liệu không được chứa tạp chất (sét, bụi, mùn rác) lớn hơn các trị số do các tiêu chuẩn qui định (VD : lượng tạp chất trong cát phải < 5%, và trong sỏi phải < 2%), vì các tạp chất này làm giảm lực dính giữa cốt liệu và xi măng

)Tỷ lệ nước và xi măng :(N/X)

Tỷ lệ N/X ảnh hưởng rất lớn đến cường độ bê tông : khi giảm tỷ lệ N/X thì cường độ của bê tông tăng, tuy nhiên tỷ đó không được nhỏ tỷ số lợi nhất N/X = 0,35 0,4 Lượng nước còn thừa mặc dù làm cho cường độ bê tông giảm nhưng lại cần thiết để tạo ra vữa có độ sệt thích hợp với phương pháp đổ bê tông

) Chất lượng của việc nhào trộn bê tông, độ đầm chắc của bê tông khi đổ khuôn và điều kiện bảo dưỡng :

Việc nhào trộn bê tông phải tiến hành liên tục cho đến khi tạo được một khối đồng nhất

Điều kiện thuận lợi để bê tông đông cứng ngoài trời : t = 15  25oC ; W = 8090% ( khi đó bê tông dùng xi măng pooclan sẽ đạt được Rthiết kế sau 28 ngày) Nếu tăng nhiệt độ và độ ẩm thì quá trình đông cứng sẽ rút ngắn rất nhiều, nếu được xử lý bằng hơi nước có áp lực và nhiệt độ cao thì thời gian đông cứng còn ngắn nữa

Sau khi thi công bê tông xong, phải thường xuyên tưới nước cho ẩm bề mặt cấu kiện; nếu không nước trong lòng bê tông thoát ra nhanh sẽ gây co ngót VD : trong mùa hè tưới nước 3 lần/ngày, liên tục trong 10 sau khi đúc bê tông

) Tuổi của bê tông :

Cường độ của bê tông tăng theo tuổi của nó nếu như đảm bảo được các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm khi bê tông đông cứng

Với bê tông dùng xi măng pooclan, cường độ tăng nhanh trong giai đoạn đầu của quá trình đông cứng và thường đạt cường độ thiết kế sau 28 ngày Sau đó cường độ còn tiếp tục tăng trong thời gian dài nếu điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thích hợp

Có thể xác định cường độ sau t ngày (t=7300 ngày) theo công thức thực nghiệm sau : Btim = B28.0,7.lgt

Tại công trường thường thử Rbt sau 7 ngày, khi đó bê tông đạt khoảng 40% cường độ thiết kế

3 Biến dạng của bê tông :

1io) Biến dạng do co ngót :

Co ngót là hiện tượng bê tông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí

Các biến dạng co ngót của bê tông xảy ra chủ yếu là do xi măng bị giảm thể tích khi đông cứng Vì thế, nếu tăng lượng xi măng trong một đơn vị thể tích bê tông thì độ co ngót sẽ tăng, còn nếu tăng cường độ ximăng và giảm độ rỗng của cốt liệu thì độ co ngót sẽ giảm

Các biến dạng co ngót sẽ diễn ra với nhịp độ mạnh hơn trong thời gian đầu của quá trình đông cứng, sau đó chậm dần rồi dừng hẳn

Trong một khối bê tông, độ co ngót xảy ra không đều Nó bắt đầu từ bề mặt cấu kiện rồi lan sâu vào trong cấu kiện cùng với quá trình nước bị tiêu tốn cho việc đông cứng của bê tông và bốc nhơi qua các lỗ rỗng nên các lớp bê tông ở phía ngoài (khô hơn) sẽ bị co ngót nhiều hơn các lớp phía trong

Vì vậy, khi đông cứng trong bê tông sẽ xuất hiện những ứng suất co ngót đầu tiên ứng với khi các lớp bê tông bên ngoài chịu keó và có thể xuất hiện các khe nứt ( co ngót không đều hay bị cản trở), còn các lớp bê tông bên trong thì chịu nén vì có xu hướng cản không cho các lớp bên ngoài co lại

Tóm tắt :

Vài nhân tố chính ảnh hưởng đến co ngót:

Trong môi trường khô, co ngót lớn hơn trong môi trường ẩm

Độ co ngót tăng khi dùng nhiều xi măng, dùng xi măng có hoạt tính cao, khi tăng tỉ lệ N/X, khi dùng cốt liệu có độ rỗng, dùng cát mịn, dùng phụ gia

Đặt cấu tạo thêm lưới thép đường kính nhỏ (Þ4, Þ6) ở những nơi cần thiết

Khi gia tải đến một mức nào đó, thì bê tông làm việc như vật liệu dẻo Lúc này, nếu dở bỏ tải trọng thì biến dạng của bê tông sẽ không được phục hồi hoàn toàn : phần biến dạng được phục hồi gọi là biến dạng đàn hồi đh, phần biến

Từ biến của bêtông

dạng cịn lại gọi là biến dạng dẻo (biến dạng dư) d ở giai đoạn phá hoại biến dạng dẻo chiếm phần lớn

3io) Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn – từ biến :

Tải trọng dài hạn : tải trọng cĩ mặt thường xuyên trên kết cấu, hoặc thường xuyên xảy ra Ví dụ : trọng lượng bản thân kết cấu, vách ngăn cố định, trọng lượng thiết bị, vật liệu…

Từ biến là hiện tượng biến dạng tiếp tục tăng lên khi giữ nguyên tác dụng của tải trọng trong thời gian dài

Khi ứng suất b nhỏ (khoảng 60 – 70% cường độ giới hạn) thì biến dạng từ biến là cĩ giới hạn Nhưng khi b gần với cường độ giới hạn thì biến dạng từ biến phát triển khơng ngừng dẫn đấn kết cấu bị phá hoại

Một số đặc điểm của từ biến :

Biến dạng cuối cùng cĩ thể gấp 3-4 lần biến dạng đàn hối do tải trọng ngắn hạn

Nếu tải trọng được dở bỏ,chỉ cĩ biến dạng đàn hồi tức thời được phục hồi, cịn biến dạng dẻo thì khơng

Cĩ sự phân bố lại nội lực giữa bê tơng và cốt thép

Theo thời gian , ứng suất trong cốt thép tăng lên do đó cốt thép chịu thêm được tải trọng lớn hơn Bố trí cốt thép trong vùng nén của cấu kiện chịu uốn cũng góp phần hạn chế độ võng do từ biến

Một số yếu tố ảnh hưởng đến từ biến :

Biến dạng từ biến tb tăng khi ứng suất tỉ đối /Rn tăng

Biến dạng từ biến lớn khi tỉ lệ N/X cao, khi độ cứng cốt liệu bé

Biến dạng từ biến giảm khi dùng xi măng mác cao, khi tuổi củabê tông cao, khi môi trường ẩm

4io) Module đàn hồi, module biến dạng, module chống cắt của bê tông :

) Module đàn hồi ban đầu (Eb) : trong giai đoạn đàn hồi Eb = tgo = b/el

) Module biến dạng (E’b) : E’b = tg=.Eb

khi tải trọng tác dụng lâu dài sẽ làm cho biến dạng dẻo phát triển, vì vậy biến dạng của bê tông sẽ phát triển nhanh hơn so với ứng suất, và quan hệ giữa ứng suất – biến dạng có dạng đường cong

Module biến dạng của bê tông định nghĩa như sau : E’b = .Eb

)Module chống cắt (trượt) (Gb):

trong đó :  là hệ số biến dạng ngang ( hệ số poat-xông) của bê tông, lấy =0,2

Mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông khi nén và kéo, Eb 103, MPa

Cấp độ bền chịu nén và mác tương ứng

Loại bê tông

M50 M75 M100 M150 M150 M200 M250 M350 M400 M450 M500 M600 M700 M700 M800 đóng rắn tự nhiên – – – – 9,5 13,0 16,0 18,0 21,0 23,0 27,0 30,0 32,5 34,5 36,0 37,5 39,0 39,5 40,0 dưỡng hộ nhiệt ở áp

suất khí quyển

– – – – 8,5 11,5 14,5 16,0 19,0 20,5 24,0 27,0 29,0 31,0 32,5 34,0 35,0 35,5 36,0 Bê tông

nặng

chưng áp – – – – 7,0 9,88 12,0 13,5 16,0 17,0 20,0 22,5 24,5 26,0 27,0 28,0 29,0 29,5 30,0 đóng rắn tự nhiên – – – – 7,0 10,0 13,5 15,5 17,5 19,5 22,0 24,0 26,0 27,5 28,5 — – – – A dưỡng hộ nhiệt ở áp

suất khí quyển

– – – – 6,5 9,0 12,5 14,0 15,5 17,0 20,0 21,5 23,0 24,0 24,5 – – – –

đóng rắn tự nhiên – – – – 6,5 9,0 12,5 14,0 15,5 17,0 20,0 21,5 23,0 – – – – – – B dưỡng hộ nhiệt ở áp

suất khí quyển

– – – – 5,5 8,0 11,5 13,0 14,5 15,5 17,5 19,0 20,5 – – – – – – Bê tông

hạt nhỏ nhóm

C chưng áp – – – – – – – – – 16,5 18,0 19,5 21,0 22,0 23,0 23,5 24,0 24,5 25,0

D1200 – – – 6,0 6,7 7,6 8,7 9,5 10,0 10,5 – – – – – – – – – D1400 – – – 7,0 7,8 8,8 10,0 11,0 11,7 12,5 13,5 14,5 15,5 – – – – – – D1600 – – – – 9,0 10,0 11,5 12,5 13,2 14,0 15,5 16,5 17,5 18,0 – – – – – D1800 – – – – – 11,2 13,0 14,0 14,7 15,5 17,0 18,5 19,5 20,5 21,0 – – – – Bê tông

nhẹ và bê tông rỗng, có mác theo khối lượng riêng trung bình

D2000 – – – – – – 14,5 16,0 17,0 18,0 19,5 21,0 22,0 23,0 23,5 – – – –

Thép hợp kim thấp : có thêm các nguyên tố Mn, Si, Ti, Cr… nhằm nâng cao cường độ (có thể đạt Ra=45006000 kG/cm²) và cải thiện một số tính chất của thép (VD : tăng độ bền chống gỉ của thép)

)Theo hình dạng bên ngoài :

Thép thanh : thanh được sản xuất có mặt ngoài nhẵn (thanh trơn) hoặc có gân (gờ), các gờ làm tăng độ dính bám của thép và bê tông Thanh được sản xuất cán nóng, mỗi thanh dài 13m, đường kính Þ12 (dùng cho cột, dầm…)

Thép sợi : đường kính Þ=0,73mm được sản xuất thành cuộn; thép Þ6, Þ8 (nửa sợi, nửa thanh) cũng có thể cuộn được Có thể bện nhiều sợi với nhau theo kiểu dây thừng để tăng khả năng chịu lực (VD: trong bê tông ứng lực trước)

Các loại thép trình bày ở trên là thép dẻo; ngoài ra còn dùng thép cứng là các loại thép hình để chịu lực khi thi công và chịu tải trọng lớn ( nhà cao tầng, nhà nhịp lớn)

b) Những tính chất cơ bản của cốt thép :

Biểu đồ ứng suất – biến dạng :

Thí nghiệm kéo các mẫu và vẽ biểu đồ quan hệ (,) của một số các loại thép khác nhau :

Phần đường thẳng ứng với giai đoạn đàn hồi, vật liệu tuân theo định luật Hook (=E) Trong giai đoạn đàn hồi, nếu dỡ bỏ tải trọng thì biểu đồ sẽ trở về đường cũ, đến gốc, biến dạng được phục hồi hoàn toàn

Giới hạn đàn hồi đh : lấy bằng ứng suất ở cuối giai đoạn đàn hồi

Phần nằm ngang và cong ứng với giai đoạn có biến dạng dẻo; trong đó đoạn nằm ngang gọi là thềm chảy, lúc này thép ở vào trạng thái chảy dẻo, biến dạng tăng trong ứng suất không tăng

Trong giai đoạn có biến dạng dẻo, nếu giảm tải () thì biểu đồ không trở về đường cũ, và khi =0 thì vẫn còn biến dạng dư d

Giới hạn chảy (ch) lấy bằng ứng suất ở đầu giai đoạn chảy

Giới hạn bền (b) lấy bằng ứng suất lớn nhất mà thép chịu được trước khi bị đứt

Đối với loại thép không có giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy rõ ràng thì qui ước như sau :

Lấy giới hạn đàn hồi đh ứng với biến dạng dư tỷ đối =0,02% Lấy giới hạn chảy ch ứng với biến dạng dư tỷ đối =0,2%

Cốt thép dẻo : có thềm chảy rõ ràng, vùng biến dạng dẻo khá rộng, biến dạng cực hạn khà lớn (1015%) VD : thép cán nóng CT3, CT5

Cốt thép rắn : có giới hạn chảy không rõ ràng, ch  b, biến dạng cực hạn bé (34%) VD : sợi thép cường độ cao

c) Phân nhóm thép, phạm vi sử dụng :

1o) Phân nhóm theo TCVN:

Theo TCVN 1651 : 1975 có 4 nhóm cốt thép cán nóng : cốt tròn trơn nhóm CI, cốt có gờ nhóm CII, CIII, CIV Cường độ thép càng cao thì tính giòn càng cao, tính dẻo giảm

Theo TCVN 3101 : 1979 có thêm các loại dây thép cacbon thấp kéo nguội dùng làm cốt thép cho bê tông

2o) Phân nhóm theo các tiêu chuẩn khác :

Thép nhập từ các nước trong “ Hội đồng tương trợ kinh tế” có các nhóm AI, AII, AIII, AIV (tương đương với các nhóm thép CI, CII, CIII, CIV), ngoài ra còn có cốt thép thanh nhóm AV, AVI, thép sợi nhóm BI và Bê tôngpI…

Theo giới hạn chảy : FeE22, FeE40; theo giới hạn bền : A55, A65 (tính theo kg/cm²)

3o) Phạm vi sử dụng :

Ưu tiên dùng thép CIII và CII (AIII và AII) làm cốt dọc chịu lực cho dầm, cột