0,625 db (+) 0,375 0,625 0,375 3,0 1,6 db 1,0 1,6 1,0
Ghi chú: (+) chiều dày lớp bê tơng bảo vệ khơng dowjc nhỏ hơn 1,6cm (0,625in) và khơng
36 CẤU TẠO CỐT THÉP CỘT THAY ĐỔI TIẾT DIỆN
Tại các vị trí nối thép cột phía trên dầm sàn, khi tiết diện cột thay đổi, cốt thép dọc trong cột được cấu tạo như sau [mục 7.8, ACI 318]:
(1) Thanh thép dọc được uốn theo hình khuỷu (dạng chữ Z) và nối với thép dọc phía trên. Khi đĩ, gĩc nghiêng (i) của đoạn uơ'n thép khơng được lớn hơn 1 : 6, tại các điểm uốn phải bố trí cốt đai hoặc điểm uốn phải cách cốt đai hoặc biên kết cấu dầm sàn một khoảng khơng lớn hơn 150mm (6in.);
(2) Khi cột thay đổi tiết diện, trong đĩ các mặt cột lệch nhau một khoảng lớn hơn 75mm (3in.), khơng được uốn các cốt dọc trong cột. Trong trường hợp này cĩ thể sử dụng khung thép chờ lồng giữa khung thép cột tầng dưới và cột tầng trên.
Hình 3.3: Cấu tạo cốt thép trong cột thay đổi tiết diện.
CỐT THÉP ĐAI TRONG CỘT DẦM
Cốt thép đai trong cột và dầm bao gồm các loại : đai thường, đai xoắn và đai mĩc1. Ngoại trừ các kết cấu trong vùng động đất (cĩ quy định riêng), nguyên tắc sử dụng cốt đai trong cấu kiện bê tơng cốt thép thơng thường như sau :
(1) Cốt thép đai xoắn [mục 7.10.4, ACI 318]: đường kính nhỏ nhát của thép dùng làm cốt đai xoắn db = 9,5mm (3/8in.). Bước cốt đai xoắn được lấy trong khoảng từ 25 ÷ 75mm (1 ÷ 3in). Các mối nối của cốt đai xoắn cĩ thể hàn hoặc nối chồng. Khoảng nối chồng cốt đai xoắn lấy bằng 48db và khơng nhỏ hơn 300mm (12in.).
37 Cốt đai xoắn bố trí liên tục trên suốt chiều dài cột từ mặt mĩng (hay mặt sàn) đến cốt thép dọc thấp nhất trong dầm sàn của tầng tiếp theo;
(2) Cốt thép đai thường [mục 7.10.5, ACI 318] : đường kính thép đai nhỏ nhất dmin = 9,5mm (3/8in.) đối với cốt thép dọc nhỏ hơn hay bằng No.10 (32,26mm), dmin = 12,7mm (l/2in.) đối với các loại cốt thép dọc trong cột No. 11 (35,81 mm), No. 14 (43mm), No. 18 (57,33mm). Các loại thép sợi cĩ diện tích tiết diện tương đương với các loại nêu ở trên cũng cho phép sử dụng làm cốt đai. Khoảng cách các cốt đai thép chiều đứng khơng được lớn hơn 16 lần đường kính cốt dọc, khơng lớn hơn 48 lần đường kính cốt thép đai và khơng lớn hơn kích thước cạnh nhỏ nhất của tiết diện cột. Khi bố trí cốt đai trong cột, cần sắp xếp sao cho cốt thép dọc tại các gĩc tiết diện cột hoặc cách một thanh cốt dọc phải cĩ một gĩc cối đai và khoảng cách cốt thép dọc trong cột khơng được lớn hơn 150mm (6in.). Tại các vị trí trên mặt mĩng và trên mặt sàn, cốt đai đặt cách mặt mĩng (hoặc mặt sàn) một khoảng ít nhất bằng 1/2 bước cốt đai đã nêu ở trên;
(3) Cốt thép đai trong dầm [mục 7.11, ACI 318] : cốt đai trong dầm cĩ thể là đai kín hoặc đai hở. Đối với các cấu kiện chịu ứng suất đổi dấu hoặc chịu xoắn, cần phải sử dụng cốt đai kín. Yêu cầu về đường kính và khoảng cách cốt đai trong dầm tương tự như đối với cột.
CỐT THÉP CHỊU TÁC DỤNG CỦA CO NGĨT VÀ NHIỆT ĐỘ
Cốt thép chịu các tác dụng của co ngĩt và nhiệt độ phải được bố trí trong kết cấu theo yêu cầu của quy phạm ACI 318. Đối với kết cấu chịu uốn (bản sàn, sàn mái), lượng cốt thép tối thiểu để chịu co ngĩt và nhiệt độ được quy định như sau [mục 7.12, ACI 318]: (1) Hàm lượng thép tối thiểu (tỷ lệ diện tích cốt thép/diện tích bê tơng) bằng 0,2% đối với các thanh thép gờ cĩ giới hạn chảy fy = 2800 và 3500kg/cm2 (cấp độ bền 40 và 50ksi);
(2) Hàm lượng thép tối thiểu bằng 0,18% đối với thanh thép và lưới thép cĩ fy = 4200kg/cm2 (cấp độ bền 60ksi); fy = 4200kg/cm2 (cấp độ bền 60ksi);
(3) Đối với thép cĩ fy > 4200kg/cm2 (cấp độ bền trên 60ksi), hàm lượng thép tối thiểu được tính theo biểu thức :
38 y 0,0018 60.000 f (3.1a) hoặc (khi tính tốn theo đơn vị kg/cm2):
y
0,0018 4200 f
(3.1b) Trong đĩ: fy là giới hạn chảy của cốt thép, psi (kg/cm2). Tuy nhiên, hàm lượng cốt thép khơng nhỏ hơn 0,14%.
39 (4) Khoảng cách giữa các thanh thép chịu co ngĩt và nhiệt độ khơng được lớn hơn 5
lần chiều dày bản sàn và khơng lớn hơn 450mm (18in.);
(5) Chiều dài nối chồng các loại thép này phải đảm bảo phát triển đầy đủ giới hạn chảy fy (xem phần chiều dài neo).
CHIỀU DÀI NEO VÀ NỐI CỐT THÉP Chiều dài neo
Chiều dài neo là khái niệm cĩ liên quan đến chiều dài tối thiểu cần phải kéo dài thêm kể từ điểm cắt lý thuyết nhằm phát triển giới hạn chảy fy của cốt thép tại mặt cắt đĩ. Đây là vấn đề cĩ liên quan đến lực dính giữa bê tơng và cốt thép.
(1) Chiều dài neo cơ bản của thanh và sợi thép gờ khi kéo
Chiều dài neo của cốt thép [mục 12.2, ACI 318] được xác định theo các cơng thức sau và khơng nhỏ hơn 300mm (12in.):
Thanh thép No.3 ÷No.l 1 (db = 9,5 ÷ 35,81mm), sợi thép gờ:
b y db ' c 0,04A f l f (in) (3.2a) b y db ' c 0,06A f l f (cm) (3.2b) Thanh thép No.14 (db = 43mm) y db ' c 0,085f l f (in) (3.3a) y db ' c 0,082f l f (cm) (3.3b) Thanh thép No.18 (db = 57,33mm) y db ' c 0,125f l f (in) (3.4a) y db ' c 1,2f l f (cm) (3.4b)
40 trong đĩ :
ldb - chiều dài neo cơ bản, in (cm);
Ab - diện tích tiết diện thanh thép, in2 (cm2, đối với các cơng thức 3.2b, 3.3b); fy và f’c - giới hạn chảy của cốt thép và độ bền của bê tơng, psi (kg/cm2, đơi
với các cơng thức 3.2b, 3.3b và 3.4b);
Căn cứ vào các cơng thức nĩi trên, chiều dài neo khi kéo đối với thép cĩ fy = 4200kg/cm2 (cấp độ bền 60.000psi) sẽ là 30db ÷ 50db đối với bê tơng cĩ f’c = 210kg/cm2 (3000psi), 30db ÷ 42db đối với bê tơng cĩ f’c = 280kg/cm2
(4000psi) và 30db ÷ 37db đối với bê tơng cĩ f’c = 350kg/cm2 (5000psi), trong đĩ db là đường kính danh nghĩa của thanh thép.
Bảng 3.3: Chiều dài neo, thép với fy = 4200kg/cm2 (cấp độ bền 60ksi) Độ bề bê tơng, psi 3000psi
(210kg/cm2) 4000psi (280kg/cm2) 5000psi (350kg/cm2) Cốt thép
No. (db, mm) Ab (in.2) in. mm in. mm in. mm
3 (9,52mm) 0,11 12 300 12 300 12 300 4 (12,7mm) 0,20 12 300 12 300 12 300 5 (15,88mm) 0,31 14 345 12 300 12 300 6(19,05mm) 0,44 19 490 17 425 15 380 7 (22,22mm) 0,60 26 670 23 580 20 520 8 (25,40mm) 0,79 35 880 30 760 27 680 9 (28,65mm) 1,00 44 1110 38 965 34 860 10 (32,26mm) 1,27 56 1410 48 1220 43 1095 11 (35,81mm) 1,56 68 1740 59 1500 53 1345 14 (43,00mm) 2,25 93 2360 81 2050 72 1830 18 (57,33mm) 4,00 121 3070 104 2640 93 2360
Ghi chú: chiều dài neo tính theo (in) và quy đổi đơn vị (mm)
41 ld =[ldb × hệ số biến đổi]
Hệ số biến đổi tính đến các điều kiện như: lực dính của cốt thép ở phía trên bị giảm do bê tơng tươi bị sụt ở bên dưới cốt thép, bê tơng cốt liệu nhẹ cĩ độ bền kéo nứt tách kém hơn, v.v... Hệ số biến đổi lấy như sau [mục 12.2.3, ACI 318]: (a) Hệ số biến đổi bằng 1,0 :
Thanh thép dọc cĩ chiều dày lớp bê tơng bảo vệ thỏa mãn các yêu cầu đã nêu ở trên, khoảng cách các cốt đai chịu cắt khơng lớn hơn 1/2 chiều cao tính tốn của tiết diện, khoảng cách giữa các thanh thép khơng nhỏ hơn 3db;
Thanh thép cĩ chiều dày lớp bê tơng bảo vệ thỏa mãn các yêu cầu đã nêu ở trên, được đặt bên ưong cốt đai kín Atr dọc theo chiều dài neo và thỏa mãn phương trình : b tr d s N A 40 trong đĩ:
Atr - tổng diện tích cốt thép đai trong phạm vi chiều dài neo, in.2 (hoặc cm2); s - khoảng cách giữa các cốt thép đai, in. (cm);
N - số thanh thép trên cùng một lớp được nối hay neo; db - đường kinh danh nghĩa của cốt thép neo, in. (cm).
Thanh thép bất kỳ cĩ chiều dày lớp bê tơng bảo vệ khơng nhỏ hơn 2db và khoảng cách thơng thủy giữa các thanh thép khơng nhỏ hơn 3db;
Thanh thép trong kết cấu tường với chiều dày lớp bê tơng bảo vệ thỏa mãn các yêu cầu nêu trên và khoảng cách thơng thủy giữa các thanh thép khơng nhỏ hơn 3db;
(1) Hệ số biến đổi bằng 2 : khi chiều dày lớp bê tơng bảo vệ nhỏ hơn hoặc bằng db hoặc khoảng cách thơng thủy giữa các cốt thép nhỏ hơn hoặc bằng 2db; (2) Hệ số biến đổi bằng 1,4 : các trường hợp khơng nêu ở trên (các thanh thép cĩ
khoảng cách, chiều dày lớp bảo vệ và cốt thép đai cĩ quy cách thấp hơn so với yêu cầu đối với mục (a), song khoảng cách và chiều dày lớp bảo vệ lại lớn hơn so với yêu cầu trong trường hợp (b);
42 (3) Đối với các thanh thép < No. 11 (db = 35,81mm), khoảng cách thơng thủy giữa các thanh thép nhỏ hơn 5db, chiều dày lớp bê tơng bảo vệ khơng nhỏ hơn 2,5db, hệ số biến đổi trong các mục (a) đến (c) cĩ thể nhân với 0,8;
(4) Đối với các thanh thép nằm trong cốt thép xoắn cĩ đường kính cốt xoắn khơng nhỏ hơn 6,5mm (0,25in.) và bước đai xoắn khơng lớn hơn 100mm (4in.) và đối với các thanh thép nằm trong đai thường cĩ đường kính lớn hơn hoặc bằng No.4 (db = 12,7mm) và bước cốt đai khơng lớn hơn 100mm (4in.), cứ cách một thanh thép lại cĩ một thanh nằm tại gĩc các cốt đai, các hệ số biến đổi trong các mục từ (a) đến (c) cĩ thể nhân với 0,75;
(5) Trong cấu kiện chịu uốn, nếu diện tích cốt thép dọc As bố trí nhiều hơn so với diện tích cốt thép dọc theo yêu cầu tính tốn [As], chiều dài neo cĩ thể giảm bằng hệ số [As]/As.
(2) Chiều dài neo cơ bản của thanh thép gờ khi chịu nén
Chiều dài neo trong vùng nén ngắn hơn so với neo trong vùng kéo vì vết nứt bê tơng trong vùng nén khơng xuất hiện.
Chiều dài neo cơ bản của thanh thép khi nén được xác định theo biểu thức sau [mục 12.3, ACI 318]: y b db ' c 0,02f d l f (in) (3.6a) y b db ' c 0,075f d l f (cm) (3.6b)
nhưng khơng nhỏ hơn 0,0003fydb (in.) hoặc 0,0043 fydb (cm) và khơng nhỏ hơn 200mm (8in.). Trong đĩ, db là đường kính danh nghĩa của thanh thép, in. (hoặc cm với cơng thức 3.6b).
(3) Chiều dài neo của các thanh thép trong bĩ thép
Chiều dài neo của các thanh thép trong bĩ thép khi kéo (hoặc khi nén) phải tăng lên so với các quy định nêu ở trên. Theo quy phạm Hoa Kỳ [mục 12.4, ACI 318],
43 chiều dài neo của thanh thép trong bĩ thép phải tăng thêm 20% đơ'i với bĩ thép gồm 3 thanh và tăng thêm 33% đối với bĩ thép gồm 4 thanh.
(4) Chiều dài neo của thanh thép cĩ mĩc tiêu chuẩn
Đối với các thanh thép cĩ mĩc tiêu chuẩn, hiệu quả của đầu mĩc chỉ cĩ tác dụng neo khi kéo, nhưng khơng cĩ tác dụng khi nén.
Hình 3.5: Chiều dài neo của thanh thép mĩc tiêu chuẩn
Đối với thép cĩ f’c = 4200kg/cm2 (cấp độ bền 60.000psi), chiều dài neo được tính theo biểu thức: b hb ' c 1200d l f (in.) (3.7a) b hb ' c 318d l f (cm) (3.7b)
Chiều dài neo cơ bản ldh = [lhb × hệ số biến đổi]. Chiều dài neo cơ bản ldh (xem hình 3.5) là đoạn chiểu dài được tính từ mặt cắt lý thuyết đến mặt ngồi của mĩc tiêu chuẩn.
Hệ số biến đổi là hệ số tính đến giới hạn chảy của thanh thép, điều kiện "kiềm chế" của lớp bê tơng bảo vệ hoặc khả năng chơng nứt tách bê tơng của cốt đai, lượng cốt thép bố trí nhiều hơn so với yêu cầu tính tốn và loại cốt liệu cho bê tơng2.
44 Bảng 3.4. Hệ số biến đổi đối với thanh thép cĩ mĩc
Điều kiện Hệ số
Giới hạn chảy của cốt thép fy ≠ 60.000psi (fy ≠ 4200kg/cm2)
fy/60.000 (fy/4200) Bề dày lớp bê tơng bảo vệ (vuơng gĩc với mặt phảng của
mĩc) thanh thép No.11 (35,81mm) nhỏ hơn 2,5in. (65mm). Trong trường hợp lớp bê tơng bảo vệ ở đầu mĩc 90o dày hơn 50mm (2in.).
0,7
Đối với các thanh thép ≤ No.11 (35,81mm), cốt đai bao quanh mĩc với khoảng cách đai ≤ 3db (db – đường kính cốt thép neo)
0,8
Diện tích cốt thép As bố trí nhiều hơn [As] theo tính tốn [As]/ As Trong mọi trường hợp, ldh khơng được nhỏ hơn 8db và 150mm (6in.), trong đĩ db là đường kính cốt thép neo.
(5) Chiều dài neo của lưới thép hàn
Chiều dài neo của lưới thép hàn được tính từ mặt cắt tới hạn (mặt cắt thép lý thuyết) đến đầu lưới thép. Quy phạm ACI quy định phải cĩ ít nhất một sợi thép ngang của lưới nằm trong phạm vi chiều dài neo và cách mặt cắt tới hạn một khoảng khơng nhỏ hơn 50mm (2in.). Khi đĩ, chiều dài neo cơ bản của lưới thép hàn [mục 12.7 và 12.8, ACI 318] được xác định theo các biểu thức nêu ở dưới đây.
Đối với lưới hàn bằng sợi thép gờ trong vùng kéo:
y db ' c 0,03d(f 20.000) l f (in.) (3.8a)
nhưng khơng nhỏ hơn '
w y w c
0.2A f / s f (in.) hoặc (khi tính theo đơn vị cm, kg/cm2):
45 y db ' c 0,113d(f 1400) l f (cm) (3.8b)
nhưng khơng nhỏ hơn '
w y w c
0.756A f / s f (cm)
Hình 3.6: Chiều dài neo của lưới thép
Đối với lưới hàn bằng sợi thép trơn vùng kéo:
w y db ' w c 0,27A f l s f (in.) (3.9a)
nhưng khơng nhỏ hơn 6in.,
hoặc (khi tính theo đơn vị cm, cm2, kg/cm2):
w y db ' w c A f l s f (in.) (3.9b)
nhưng khơng nhỏ hơn 15cm.
Trong đĩ: Aw, sw là diện tích sợi thép đơn và bước của sợi thép trong lưới thép trong vùng neo, tính bằng in.2 (cm2) và in. (cm).
46 Chiều dài neo của cốt thép trong cấu kiện chịu uốn được quy định như sau [mục 12.10, ACI 318] :
Cốt thép phải kéo dài thêm kể từ điểm cắt lý thuyết một đoạn ít nhất bằng 12db (db - đường kính danh nghĩa của cốt thép) hoặc chiều cao tính tốn d của tiết diện (chọn giá trị lớn hơn). Quy định này khơng áp dụng cho dầm cơng xon hay phần đầu mút của dầm đơn giản);
Cốt thép phải kéo dài thêm ngồi điểm cắt lý thuyết một đoạn khơng nhỏ hơn lá, trong đĩ ld =[ld × hệ số biến đổi];
Hình 3.7: Chiều dài neo cốt thép trong dầm liên tục
(d – chiều cao tính tốn của dầm, db – đường kính cốt thép neo)
Quy phạm ACI [mục 12.10, ACI 318] cũng quy định khơng được cắt bất cứ thanh cốt thép nào trong vùng kéo, ngoại trừ một trong những trường hợp sau đây : Lực cắt khơng lớn hơn 2/3 khả năng chịu cắt cho phép (bao gồm khả năng
chịu cắt của cốt đai, nếu cĩ);
Cốt thép đai bố trí vượt quá yêu cầu trên suốt chiều dài thanh thép một đoạn bằng 3/4d tính từ điểm cắt. Diện tích cốt đai bố trí bằng Av sao cho
47 Avfy /bws ≥ 4,2kg/cm2 (60psi). Hơn nữa, khoảng cách các cốt thép đai khơng được lớn hơn d/8βb. Trong các biểu thức trên :
bw - bề rộng dầm,
S - khoảng cách giữa các cốt thép đai, d - chiều cao tính tốn của dầm,
Pb - tỷ lệ diện tích cốt thép bị cắt so với tồn bộ diện tích cốt thép trên tiết diện;
Đối với các thanh thép ≤ No.11 (35,81mm), cĩ các thanh thép dọc kéo liên tục với số lượng gấp hai lần theo yêu cầu tại điểm cắt và lực cắt khơng lớn hơn 3/4 khả năng chịu cắt cho phép.
Hình 3.8: Cắt và uốn cốt thép trong dầm cĩ các nhịp xấp xỉ
bằng nhau và tải trọng phân bố đều.
Việc tính tốn các điểm cắt cốt thép trong kết câu dầm mất khá nhiều thời gian. Do đĩ, trong thiết kế cĩ thể áp dụng kiểu cắt và uốn thép định hình (xem hình 3.8) cho dẩm liên tục với chiều dài các nhịp xấp xỉ bằng nhau, chịu tải trọng phân bố đều. Quy tắc cắt thép này rất đơn giản, hiệu quả đối với kết cấu bê tơng cơi thép tồn khối, trong đĩ các cột ở phía trong và tường bằng bê tơng phía ngồi.
48 (7) Neo cốt thép chịu mơ men dương
Neo của cốt thép chịu mơ men dương trong cấu kiện chịu uốn được quy định như sau [mục 12.11, ACI 318] :
Ít nhất cĩ 1/3 số lượng cốt thép trong cấu kiện dầm đơn giản phải đưa vào gơi tựa. Trong các dầm liên tục, ít nhất cĩ 1/4 lượng cốt thép phải đưa vào gốì tựa (ví dụ như cột). Phần thanh thép đưa vào gối tựa phải lớn hơn hoặc bằng 150mm (6in.). Đây là quy định nhằm tính đến khả năng mơ men thay đổi dấu. Trong ưường hợp dầm là một bộ phận của kết cấu chịu lực ngang (khung chẳng hạn), phần cốt thép kéo dài vào gội tựa phải thỏa mãn chiều dài neo nhằm đảm bảo phát triển giới hạn chảy fy của cơi thép tại gối tựa;
Tại điểm uốn (xem hình 3.9), cốt thép chịu mơ men dương phải neo một đoạn bằng ld, nhưng phải thỏa mãn :
n d a u M l l V (3.10)
hoặc đối với dầm gối tựa đơn:
n d a u 1,3M l l V (3.11)
trong đĩ: tại điểm uốn, chiều dài la của cốt thép kéo qua điểm mơ men bằng khơng lấy khơng lớn hơn d (chiều cao tính tốn của tiết diện) hoặc 12db (db - đường kính thép neo), chọn giá trị lớn hơn; tại gối tựa đơn, la lấy bằng đoạn