intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Bài giảng Kết cấu bê tông cốt thép: Phần 1

Chia sẻ: Hương Hoa Cỏ Mới | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:222

50
lượt xem
11
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kết cấu bê tông cốt thép: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung về kết cấu bê tông cốt thép; vật liệu dùng trong bê tông cốt thép; nguyên lý thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017; cấu kiện chịu uốn; cấu kiện chịu cắt. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kết cấu bê tông cốt thép: Phần 1

  1. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 1 KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP (TIÊU CHUẨN TCVN 11823:2017) Mục lục Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ......... 1 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................... 1 1.2. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ............................................................................................................... 1 1.2.1. Xi măng và Bê tông ............................................................................ 1 1.2.2. Bê tông cốt thép .................................................................................. 2 1.2.3. Lịch sử quy định chi tiết kỹ thuật thiết kế cho bê tông cốt thép (các tiêu chuẩn thiết kế) ............................................................................................... 4 1.3. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ........... 4 1.3.1. Bê tông cốt thép .................................................................................. 4 1.3.2. Ưu nhược điểm của bê tông cốt thép: ................................................. 6 1.3.3. Bê tông cốt thép dự ứng lực (DƯL) ................................................... 6 1.4. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ................................................................................................... 8 1.4.1. Đặc điểm cấu tạo ................................................................................ 8 1.4.2. Đặc điểm chế tạo .............................................................................. 10 Chương 2 VẬT LIỆU DÙNG TRONG BÊ TÔNG CỐT THÉP ...................... 16 2.1. BÊ TÔNG............................................................................................. 16 2.1.1. Phân loại bê tông .............................................................................. 16 2.1.2. Các thuộc tính ngắn hạn của bê tông cứng ....................................... 18 2.1.3. Các thuộc tính dài hạn của bê tông cứng .......................................... 25 2.2. CỐT THÉP ........................................................................................... 35 2.2.1. Cốt thép thường ................................................................................ 35 2.2.2. Cốt thép dự ứng lực .......................................................................... 39 2.3. BÊ TÔNG CỐT THÉP......................................................................... 43 2.3.1. Khái niệm về dính bám giữa bê tông và cốt thép ............................. 43 2.3.2. Chiều dài phát triển lực .................................................................... 45 2.3.3. Các dạng phá hoại và hư hỏng của bê tông cốt thép ........................ 46
  2. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 2 Chương 3 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN TCVN 11823:2017 48 3.1. QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KÊ ............................................... 48 3.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ ............................. 48 3.2.1. Thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD)-Allowable Stress Design .. 48 3.2.2. Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD-Load and Resistance Factor Design) .................................................................................................... 49 3.2.3. Sơ lược về tiêu chuẩn AASHTO LRFD và ACI 318 ....................... 50 3.3. NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA TIÊU CHUẨN TCVN 11823-2017 . 52 3.3.1. Cơ sở xuất bản của tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 .......................... 52 3.3.2. Phương trình tổng quát của TCVN 11823:2017............................... 53 3.3.3. Khái niệm về tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác .. 54 3.3.4. Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 ............ 55 3.3.5. Tải trọng và tổ hợp tải trọng theo TCVN 11823:2017 ..................... 56 Chương 4 CẤU KIỆN CHỊU UỐN ................................................................... 65 4.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO ....................................................................... 65 4.1.1. Cấu tạo của bản và dầm .................................................................... 65 4.1.2. Tiêu chuẩn lựa chọn tỷ lệ chiều dài – chiều cao nhịp....................... 70 4.1.3. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ ........................................................... 71 4.1.4. Cự li cốt thép .................................................................................... 72 4.1.5. Cốt thép chịu co ngót và nhiệt độ ..................................................... 74 4.1.6. Triển khai cốt thép chịu uốn ............................................................. 76 4.2. ĐẶC ĐIỂM CHỊU LỰC, CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN ....................... 79 4.2.1. Đặc điểm làm việc ............................................................................ 79 4.2.2. Khái niệm về độ cong và tính dẻo .................................................... 83 4.2.3. Các giả thiết cơ bản cho TTGH cường độ và TTGH đặc biệt .......... 85 4.2.4. Các mặt mắt khống chế nén, chuyển tiếp, khống chế kéo theo TCVN 11823-5:2017 ..................................................................................................... 87 4.2.5. Giả thiết phân bố ứng suất khối chữ nhật ......................................... 88 4.3. PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ UỐN CỦA DẦM TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT 89 4.3.1. Tiết diện chữ nhật cốt thép đơn ........................................................ 89 4.3.2. Tiết diện chữ nhật cốt thép kép ...................................................... 108 4.4. PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ UỐN CỦA DẦM TIẾT DIỆN CHỮ T .... 132 4.4.1. Đặc điểm cấu tạo và tính toán ........................................................ 132 4.4.2. Phân tích và tính toán thiết kế tiết diện chữ T đặt cốt thép đơn. .... 136 4.4.3. Bài toán thiết kế tiết diện chữ T đặt cốt thép đơn ........................... 144 4.4.4. Phân tính và tính toán tiết diện chữ T đặt cốt thép kép. ................. 151
  3. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 3 Chương 5 CẤU KIỆN CHỊU CẮT ................................................................. 157 5.1. GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................... 157 5.1.1. Các trường hợp phá hoại do cắt ...................................................... 158 5.1.2. Cắt trong dầm và cốt thép chịu cắt trong dầm ................................ 159 5.2. ỨNG XỬ CỦA DẦM TRONG PHÁ HOẠI CẮT ............................ 164 5.2.1. Ứng xử của dầm không có cốt thép đai trong phá hoại cắt ............ 164 5.2.2. Ứng xử của dầm có cốt thép đai trong phá hoại cắt ....................... 168 5.3. THIẾT KẾ KHÁNG CẮT THEO TIÊU CHUẨN ACI 318-14 ........ 170 5.3.1. Yêu cầu chung ................................................................................ 170 5.3.2. Sức kháng cắt danh định của bê tông ............................................. 170 5.3.3. Sức kháng cắt danh định của các cốt thép đai ................................ 171 5.3.4. Mặt cắt tính sức kháng cắt .............................................................. 172 5.3.5. Diện tích tối thiểu của cốt thép đai ................................................. 172 5.3.6. Sức kháng cắt tối đa của các cốt thép đai ....................................... 172 5.3.7. Khoảng cách tối đa của các cốt thép đai ......................................... 173 5.3.8. Trình tự thiết kế cắt theo ACI 318-14 ............................................ 173 5.4. LÝ THUYẾT TRƯỜNG NÉN SỬA ĐỔI ĐƯỢC ĐƠN GIẢN HÓA 177 5.4.1. Cơ sở của lý thuyết trường nén sửa đổi (MCFT)[5] ....................... 177 5.4.2. Sự bắt nguồn của lý thuyết trường nén sửa đổi đơn giản hóa[5] .... 182 5.5. THIẾT KẾ KHÁNG CẮT THEO TCVN 11823:2017 ...................... 184 5.5.1. Phương pháp thiết kế ...................................................................... 184 5.5.2. Các yêu cầu chung .......................................................................... 185 5.5.3. Mô hình thiết kế mặt cắt ................................................................. 188 5.6. MÔ HÌNH CHỐNG VÀ GIẰNG (Strut and Tie Models-STM) ....... 202 5.6.1. Tổng quan ....................................................................................... 202 5.6.2. Nguyên lý chung và phạm vi áp dụng ............................................ 203 5.6.3. Phân chia kết cấu thành các vùng B và D: ..................................... 204 5.6.4. Thiết kế vùng D theo AASHTO LRFD 2017 ................................. 212 Chương 6 TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG VÀ TRẠNG THÁI GIỚI HẠN MỎI .......................................................... 218 6.1. Trạng thái giới hạn sử dụng ............................................................... 218 6.1.1. Nứt và Quá trình hình thành và mở rộng vết nứt ........................... 218 6.1.2. Kiểm soát nứt của dầm BTCT thường chịu uốn............................. 219 6.1.3. Khống chế biến dạng ...................................................................... 222 6.1.4. Phân tích ứng suất trong BT, CT của dầm BTCT thường chịu uốn224 6.2. Trạng thái giới hạn mỏi (xem tiêu chuẩn) .......................................... 238 6.2.1. Tổng quát ........................................................................................ 238
  4. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 4 6.2.2. Các thanh cốt thép .......................................................................... 238 6.2.3. Bó cáp dự ứng lực........................................................................... 239 6.2.4. Các mối nối hàn hoặc mối nối cơ khí của cốt thép......................... 239 Chương 7 CẤU KIỆN CHỊU LỰC DỌC TRỤC ............................................ 240 7.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO ..................................................................... 240 7.1.1. Hình dạng mặt cắt ........................................................................... 240 7.1.2. Vật liệu ........................................................................................... 241 7.2. ĐĂC ĐIỂM CHỊU LỰC VÀ GIẢ THIẾT TÍNH TOÁN .................. 245 7.2.1. Khái niệm về tâm dẻo của mặt cắt.................................................. 245 7.2.2. Phân loại cột- theo tính chất chịu lực ............................................. 245 7.2.3. Các giả thiết tính toán: .................................................................... 250 7.3. TÍNH TOÁN CÁC LOẠI CỘT ......................................................... 250 7.3.1. Khả năng chịu lực của cột ngắn...................................................... 250 Chương 8 KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC....................... 274 (BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC) ..................................................................... 274 8.1. KHÁI NIỆM CHUNG ....................................................................... 274 8.1.1. Giới thiệu ........................................................................................ 274 8.1.2. Trạng thái ứng suất dầm bê tông dự ứng lực .................................. 274 8.2. PHÂN LOẠI BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC ...................... 275 8.2.1. Theo vị trí của lực căng .................................................................. 275 8.2.2. Theo phương pháp tạo DƯL........................................................... 276 8.2.3. Theo hình dạng cáp dự ứng lực ...................................................... 277 8.2.4. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong trong bê tông ................ 277 8.2.5. Theo mức độ dính bám của thép dự ứng lực và bê tông ................ 277 8.3. YÊU CẦU VỀ CẤU TẠO ................................................................. 278 8.3.1. Thiết bị cho cấu kiện BTCT DƯL .................................................. 278 8.3.2. Vật liệu dùng trong BTCT DƯL .................................................... 280 8.3.3. Bố trí cốt thép ................................................................................. 282 8.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ................................................................... 283 8.4.1. Trị số ứng suất trước trong cốt thép và bê tông .............................. 283 8.4.2. Mất mát ứng suất trước trong cốt thép ........................................... 283 8.4.3. Tổng mất mát ứng suất trước.......................................................... 283 8.4.4. Các mất mát ứng suất tức thời ........................................................ 283 8.4.5. Các mất mát ứng suất theo thời gian .............................................. 286 8.4.6. Yêu cầu tính toán theo trạng thái giới hạn sử dụng ........................ 292 8.4.7. Giới hạn ứng suất đối với bê tông tại thời điểm truyền lực căng - các cấu kiện dự ứng lực toàn phần ......................................................................... 293
  5. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 5 8.4.8. Giới hạn ứng suất đối với bê tông ở giai đoạn sử dụng sau khi xảy ra các mất mát ...................................................................................................... 294 8.4.9. Các giới hạn ứng suất đối với cốt thép dự ứng lực ......................... 296 8.4.10. Tính toán sức kháng uốn theo trạng thái giới hạn cường độ .... 297 8.4.11. Chiều cao trục trung hoà của dầm có cốt thép dính bám ......... 297 8.4.12. Vị trí trục trung hoà đối với dầm có cốt thép không dính bám 301 8.4.13. Sức kháng uốn .......................................................................... 302 8.4.14. Hàm lượng cốt thép tối thiểu .................................................... 303 8.4.15. Thiết kế chịu lực cắt cấu kiện BTCT Dự ứng lực .................... 313 Bảng 2: Diện tích cốt thép Dự ứng lực (ASTM A416) ................................... 319 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 319
  6. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 1 Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Từ bê tông “concrete” xuất phát từ tiếng Latin concretus (có nghĩa là nhỏ gọn hoặc cô đọng), phân từ thụ động hoàn hảo của concrescere, từ con (cùng nhau) và crescere (để phát triển). Cái tên này được chọn có lẽ là do vật liệu này phát triển cùng nhau, do quá trình hydrat hóa, từ một chất lỏng có thể đàn hồi- nhớt thành một chất cứng giống như đá. Người La Mã đầu tiên đã phát minh ra bê tông gốc xi măng thủy lực hoặc đơn giản là bê tông (concrete). Họ đã xây dựng nhiều công trình bê tông, trong đó có mái vòm bê tông Pantheon ở Rome đường kính 43,3 m, hiện đã hơn 2000 năm tuổi nhưng vẫn còn được sử dụng và vẫn là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới. Bê tông được sử dụng trong gần như mọi loại công trình. Theo truyền thống, bê tông chủ yếu bao gồm xi măng, nước và cốt liệu (cốt liệu bao gồm cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn). Mặc dù cốt liệu chiếm phần lớn hỗn hợp, nhưng để kết dính các cốt liệu lại với nhau và đóng góp vào cường độ của bê tông là hồ xi măng cứng. Các cốt liệu đóng vai trò chủ yếu làm giảm chi phí (mặc dù cường độ của cốt liệu cũng rất quan trọng). Bê tông không phải là vật liệu đồng nhất, và cường độ và tính chất kết cấu của nó có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thành phần và phương pháp sản xuất của nó. Tuy nhiên, bê tông thường được xử lý trong thiết kế như một vật liệu đồng nhất. Cốt thép thường được đưa vào để tăng cường độ kéo của cấu kiện bê tông; bê tông như vậy được gọi là bê tông cốt thép (RC). Hiện nay bê tông vẫn được sử dụng nhiều nhất trong các công trình xây dựng trong nước cũng như trên toàn thế giới. 1.2. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.2.1. Xi măng và Bê tông Vôi vữa lần đầu tiên được sử dụng trong kết cấu của nền văn minh Minoan ở đảo Crete khoảng năm 2000 trước công nguyên. Đây là loại vữa có những bất lợi do dần dần hòa tan khi ngâm trong nước và do đó không thể được sử dụng cho các mối nối tiếp xúc với nước hoặc dưới nước. Vào khoảng thế kỷ thứ ba trước công nguyên, người La Mã đã phát hiện ra tro núi lửa mịn như cát, khi trộn với vữa vôi, vữa này có cường độ cao hơn nhiều, mà có thể sử dụng được dưới nước. Một trong những kết cấu bê tông đáng chú ý nhất được xây dựng bởi những người La Mã là mái vòm Pantheon ở Rome, hoàn thành vào năm 126 sau Công Nguyên. Mái vòm này có nhịp 144 ft (43.3m), một chiều dài nhịp cho đến thế kỷ XIX chưa vượt được. Phần thấp nhất của mái vòm là bê tông với cốt liệu là gạch vỡ. Khi
  7. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 2 các nhà xây dựng làm đến phía trên cùng của mái vòm họ đã sử dụng cốt liệu nhẹ hơn, sử dụng đá bọt để giảm bớt mô men tĩnh tải. Mặc dù bên ngoài của mái vòm được phủ với đồ trang trí, nhưng dấu tích của mái vòm vẫn còn nhìn thấy ở bên trong. Hình 1.1 Pantheon với mái vòm bê tông Trong khi thiết kế ngọn hải đăng Eddystone ngoài khơi bờ biển phía nam nước Anh trước năm 1800 sau Công Nguyên, kỹ sư người Anh John Smeaton phát hiện ra rằng một hỗn hợp của đá vôi và đất sét bị đốt cháy có thể được sử dụng để làm xi măng và có khả năng chống nước và có thể dùng dưới nước. Do đặc tính phơi nhiễm của ngọn hải đăng này, Smeaton chuyển thành sang dùng đúng xi măng La Mã. Năm 1824, Joseph Aspdin trộn đá vôi đất và đất sét từ mỏ đá khác nhau và nung nóng chúng trong lò để làm xi măng. Aspdin đặt tên là xi măng Portland cho sản phẩm của mình vì bê tông làm từ nó giống như đá Portland, một núi đá vôi cao từ Isle of Portland ở phía nam nước Anh. Xi măng này đã được sử dụng bởi Brunel năm 1828 cho vữa lót của một đường hầm dưới sông Thames và vào năm 1835 đã được dùng làm các trụ bê tông khối lớn cho một cây cầu. Đôi khi trong sản xuất xi măng, hỗn hợp được nung quá nóng, tạo thành một clinker cứng được coi là hư hỏng và đã bị loại bỏ. Năm 1845, I. C. Johnson thấy rằng xi măng tốt nhất là sản phẩm được nghiền từ clinker này. Đây là vật liệu hiện nay được gọi là xi măng Portland. Xi măng Portland được sản xuất ở Pennsylvania vào năm 1871 bởi D. O. Saylor và cùng một thời điểm đó nó được sản xuất ở Indiana bởi T. Millen, nhưng nó đã không được phát triển cho đến đầu thập niên 1880 khi đó một lượng xi măng đáng kể đã được sản xuất tại Hoa Kỳ. 1.2.2. Bê tông cốt thép
  8. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 3 Tại Pháp, Lambot xây dựng một chiếc xuồng bê tông cốt thép vào năm 1848 và được cấp bằng sáng chế trong năm 1855. Sáng chế của ông bao gồm bản vẽ dầm bê tông cốt thép và một cột được gia cố bằng bốn thanh sắt tròn. Năm 1861, một người Pháp khác, Coignet, xuất bản một cuốn sách minh họa sử dụng bê tông cốt thép. Luật sư kiêm kỹ sư người Mỹ Thaddeus Hyatt thử nghiệm với dầm bê tông cốt thép vào những năm 1850. Các dầm của ông có thanh dọc trong khu vực chịu kéo và các cốt đai thẳng đứng chịu cắt. Tiếc là, công việc Hyatt vẫn chưa được biết đến cho tới khi ông tự xuất bản một cuốn sách mô tả các thí nghiệm của mình và hệ thống xây dựng vào năm 1877. Có lẽ sự khích lệ lớn nhất đối với sự phát triển sớm của các kiến thức khoa học bê tông cốt thép đến từ các tác phẩm của Joseph Monier, chủ một vườn ươm Pháp. Monier bắt đầu thử nghiệm vào khoảng năm 1850 với bồn bê tông gia cố cốt thép để trồng cây. Ông lấy bằng sáng chế ý tưởng này vào năm 1867. Ông tiếp tục có những bằng sáng chế cho ống cốt thép và bồn chứa (1868), tấm phẳng (1869), cầu (1873), và cầu thang (1875). Năm 1880 và 1881, Monier nhận được bằng sáng chế của Đức đối với nhiều các ứng dụng tương tự. Chúng được cấp phép cho công ty xây dựng Wayss và Freitag, công ty đã ủy thác lại cho giáo sư Mörsch và Bach của Đại học Stuttgart để kiểm tra cường độ của bê tông cốt thép và cho ông Koenen - Chánh Thanh tra xây dựng của Phổ - để phát triển một phương pháp tính toán cường độ của bê tông cốt thép. Trong cuốn sách của Koenen (xuất bản vào năm 1886) đã giới thiệu một bản phân tích dự đoán của các trục trung hòa ở giữa chiều cao của các phần tử. Tòa nhà bê tông cốt thép đầu tiên tại Hoa Kỳ là một ngôi nhà được xây dựng bởi kỹ sư cơ khí Ward W. E. trên đảo Long vào năm 1875. E. L. Ransome ở California đã thí nghiệm với bê tông cốt thép trong những năm 1870 và nhận được bằng sáng chế về thép có gờ vào năm 1884. Trong cùng năm đó, Ransome độc lập phát triển bộ quy trình thiết kế của riêng mình. Vào năm 1888, ông đã xây dựng một tòa nhà có cột gang và một hệ thống sàn bê tông cốt thép (gồm dầm và một bản làm từ những mái vòm kim loại phẳng được che phủ bằng bê tông). Trong năm 1890, Ransome đã xây dựng bảo tàng Leland Stanford ở San Francisco. Đây là tòa nhà hai tầng đã sử dụng những sợi dây cáp bỏ đi để gia cố dầm. Vào năm 1903 ở Pennsylvania, ông đã xây dựng tòa nhà đầu tiên ở Hoa Kỳ có khung hoàn toàn bằng bê tông cốt thép. Trong giai đoạn từ năm 1875 đến 1900, khoa học về bê tông cốt thép phát triển nhờ vào một loạt các bằng sáng chế. Một cuốn sách giáo trình của Anh được xuất bản vào năm 1904 đã liệt kê 43 hệ thống đã được sáng chế, 15 ở Pháp, 14 ở Đức và Áo- Hungary, 8 ở Mỹ, 3 ở Vương quốc Anh và 3 ở những nơi khác. Hầu hết chúng khác nhau về hình dạng của các thannh và cách thức mà các thanh đã được uốn cong. Từ năm 1890 đến 1920, các kỹ sư thực hành dần dần đã có kiến thức về cơ học bê tông cốt thép thông qua sách, bài báo kỹ thuật, và các quy tắc giới thiệu về lý thuyết. Trong bài thuyết trình của mình với Hội Kỹ sư dân dụng Pháp vào năm 1894, Coignet (con trai của ngài Coignet đã được nhắc đến trước đó) và Tedeskko đã mở rộng lý thuyết của Koenen để phát triển các phương pháp thiết kế ứng suất làm việc đối với uốn, và đã sử dụng phổ biến từ năm 1900 đến năm 1950. Trong bảy thập kỷ qua, nghiên
  9. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 4 cứu sâu rộng đã được thực hiện trên các khía cạnh khác nhau của ứng xử bê tông cốt thép, đưa đến các quy trình thiết kế hiện hành. Bê tông dự ứng lực đã được khởi xướng bởi E. Freyssinet, người vào năm 1928 đã kết luận rằng cần thiết phải sử dụng cốt thép cường độ cao cho dự ứng lực vì từ biến của bê tông làm mất mát hầu hết các ứng suất trước nếu sử dụng cốt thép thường để tạo dự ứng lực. Freyssinet phát triển neo cho các bó cáp và đã thiết kế và xây dựng một số cầu và kết cấu đầu tiên. 1.2.3. Lịch sử quy định chi tiết kỹ thuật thiết kế cho bê tông cốt thép (các tiêu chuẩn thiết kế) Tập đầu tiên của quy định xây dựng cho bê tông cốt thép đã được soạn thảo dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Mörsch của Đại học Stuttgart và được phát hành ở nước Phổ vào năm 1904. Các quy định thiết kế đã được ban hành ở Anh, Pháp, Áo và Thụy Sĩ từ năm 1907 đến năm 1909. Hiệp hội Kỹ thuật đường sắt Mỹ chỉ định một ủy ban công trình nề vào năm 1890. Năm 1903, Ủy ban này đã trình bày chi tiết kỹ thuật cho bê tông xi măng Portland. Giữa năm 1908 và năm 1910, một loạt các báo cáo của Ủy ban dẫn đến các quy định xây dựng tiêu chuẩn cho việc sử dụng bê tông cốt thép, xuất bản năm 1910 bởi Hiệp hội quốc gia của người sử dụng xi măng, mà sau đó trở thành viện bê tông Hoa kỳ. Một Ủy ban Hỗn hợp về bê tông bê tông và cốt thép được thành lập vào năm 1904 bởi Hội Kỹ sư dân dụng Mỹ, Hiệp hội Kiểm nghiệm và Vật liệu, Hiệp hội Kỹ thuật đường sắt Mỹ, và Hiệp hội các nhà sản xuất xi măng Portland Mỹ. Nhóm này sau đó được tham gia vào Viện Bê tông Mỹ. Giữa năm 1904 và năm 1910, Ủy ban hỗn hợp đã đi vào hoạt động nghiên cứu. Một báo cáo sơ bộ ban hành vào năm 1913 liệt kê các bài báo quan trọng và sách viết về bê tông cốt thép được công bố giữa năm 1898 và 1911. Báo cáo cuối cùng của ủy ban này đã được xuất bản vào năm 1916. Lịch sử của qui phạm xây dựng bê tông cốt thép tại Hoa Kỳ đã được xem xét lại trong năm 1954 bởi Kerekes và Reid. 1.3. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.3.1. Bê tông cốt thép Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần có tính chất cơ học khác nhau là bê tông và thép cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lý và kinh tế. Bê tông là một loại đá nhân tạo thành phần bao gồm cốt liệu (cát, đá) và chất kết dính (xi măng, nước...). Bê tông có khả năng chịu nén tốt, khả năng chịu kéo rất kém. Thép là vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt. Do vậy người ta thường đặt cốt thép vào trong bê tông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu từ đó sản sinh ra bê tông cốt thép. Để thấy được sự cộng tác chịu lực giữa bê tông và cốt thép ta xem các thử nghiệm sau:
  10. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 5 Uốn một dầm bê tông như trên Hình 1.2 a, trên dầm chia thành hai vùng rõ rệt là vùng kéo và vùng nén. Khi ứng suất kéo trong bê tông 𝑓𝑐𝑡 vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông thì vết nứt sẽ xuất hiện, vết nứt phát triển nhanh lên phía trên và dầm bị gãy đột ngột, trong khi đó ứng suất trong bê tông vùng nén còn khá nhỏ so với cường độ chịu nén của bê tông. Dầm bê tông chưa khai thác hết được khả năng chịu nén tốt của bê tông, sức kháng uốn của dầm bê tông không cốt thép là thấp. Với một dầm như trên được đặt một lượng cốt thép hợp lý vào vùng bê tông chịu kéo Hình 1.2b, khi ứng suất kéo trong bê tông 𝑓𝑐𝑡 vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông thì vết nứt cũng sẽ xuất hiện. Nhưng lúc này dầm chưa bị phá hoại, do tại tiết diện có vết nứt lực kéo hoàn toàn do cốt thép chịu, chính vì vậy ta có thể tăng tải trọng cho tới khi ứng suất trong cốt thép đạt tới giới hạn chảy hoặc và bê tông vùng nén bị nén vỡ. Hình 1.2 a)Dầm bê tông và b) dầm bê tông cốt thép Dầm BTCT khai thác hết khả năng chịu nén tốt của bê tông và khả năng chịu kéo tốt của thép. Nhờ vậy khả năng chịu mô men hay sức kháng uốn lớn hơn hàng chục lần so với dầm bê tông có cùng kích thước. Cốt thép chịu chịu kéo và nén đều tốt nên nó còn được đặt vào trong các cấu kiện chịu kéo, chịu nén, cấu kiện chịu uốn xoắn để tăng khả năng chịu lực giảm kích thước tiết diện và chịu lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên. Bê tông và thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do các yếu tố sau đây: - Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép có Lực dính bám khá lớn nên lực có thể truyền từ bê tông sang thép và ngược lại. Lực dính bấm có tầm rất quan trọng đối với
  11. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 6 BTCT. Nhờ có lực dính bám mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế. Do vậy người ta phảo tìm mọi cách để tăng cường lực dính bám giữa bê tông và cốt thép. - Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học, bê tông còn bảo vệ cho cốt thép không tiếp xúc trực tiếp với môi trường có tác nhân ăn mòn. - Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông và cốt thép là xấp xỉ bằng nhau, hệ số giãn nở nhiệt của bê tông 𝛼𝑐 = (10 ÷ 14) × 10−6 (1/oC) [11], của thép 𝛼𝑠 = 12 × 10−6 (1/oC). Do đó khi nghiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường, nội ứng suất xuất hiện không đáng kể, không làm phá hoại lực dính bám giữa bê tông và cốt thép. 1.3.2. Ưu nhược điểm của bê tông cốt thép: 1.3.2.1. Ưu điểm:  Có khả năng sử dụng các vật liệu địa phương.  Có khả năng chịu lực lớn hơn so với kết cấu gạch đá và gỗ .BTCT chịu các tải trọng động tốt, kể cả tải trọng động đất. BTCT chịu lửa tốt.  Giá thành hạ hơn, chi phí duy tu bảo dưỡng ít.  Có thể đúc thành hình dạng kết cấu khác nhau để dáp ứng các yêu cầu cấu tạo, kiến trúc và yêu cầu sử dụng. 1.3.2.2. Nhược điểm:  Có trọng lượng bản thân lớn.  Kiểm tra chất lượng khó khăn, tốn thời gian thi công. Sửa chữa thay thế khó khăn.  Thường hay xuất hiện khe nứt ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng và tuổi thọ của kết cấu. 1.3.3. Bê tông cốt thép dự ứng lực (DƯL) Khi sử dụng bê tông cốt thép người ta thấy xuất hiện các nhược điểm:  Nứt sớm giới hạn chống nứt thấp  Không cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao. Khi ứng suất trong cốt thép chịu kéo fs=20-30 MPa các khe nứt đầu tiên trong bê tông sẽ xuất hiện. Bề rộng vết nứt sẽ đạt tới các trị số cho phép khi ứng suất trong cốt thép chịu kéo vào khoảng 180 đến 250 MPa. Bề rộng vết nứt thường tỷ lệ thuận với ứng suất trong cốt thép chịu kéo, do đó khi dùng thép có cường độ cao lớn hơn 1000MPa, nếu khai thác hết cường độ, bề rộng các vết nứt sẽ rất lớn vượt quá trị số giới hạn cho phép. Để khắc phục hai nhược điểm trên người ta đưa ra kết cấu BTCT dự ứng lực (BTCTDƯL). Hai nhược điểm trên đều xuất phát từ khả năng chịu kéo kém của bê tông. Trước khi chịu lực như Hình 1.2b người ta tạo ra trong cấu kiện một trạng thái
  12. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 7 ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất khi chịu tải, ta sẽ có dạng biểu đồ ứng suất như Hình 1.3 và sẽ được kết cấu nứt nhỏ (𝑓𝑐𝑡 nhỏ) hoặc không nứt (𝑓𝑐𝑡 ≤ 0). Khái niệm kết cấu dự ứng lực: kêt cấu dự ứng lực là loại kết cấu mà khi chế tạo chúng người ta tạo ra một trạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất do tải trọng khi sử dụng, nhằm mục đích hạn chế các yếu tố có hại đến tình hình chịu lực của kết cấu do tính chất chịu lực kém của vật liệu. Hình 1.3 Ứng suất trong cấu kiện BTCT dự ứng lực Với bê tông cốt thép, chủ yếu người ta tạo ra ứng suất nén trước cho những vùng của tiết diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ứng suất kéo. Ứng suất nén trước này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng sử dụng sinh ra. Nhờ vậy mà cấu kiện nứt có thể nhỏ hoặc không nứt. Ta có thể tạo ra các trạng thái ứng suất ban đầu khác nhau bằng hai cách: Thay đổi vị trí lực nén trước, thay đổi trị số lực nén trước. Như vậy có thể tạo ra các kết cấu tối ưu về mặt chịu lực cũng như giá thành. Ưu điểm của kết cấu BTCTDƯL so với BTCT hay tác dụng chính của dự ứng lực:  Nâng cao giới hạn chống nứt do đó có tính chống thấm cao.  Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bê tông cường độ cao  Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm, vượt được nhịp lớn hơn so với BTCT thường.  Chịu tải đổi dấu tốt hơn nên sức kháng mỏi tốt.  Nhờ có ứng suất trước mà phạm vi sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép, phân đoạn mở rộng ra nhiều. Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực để nối các cấu kiện đúc sẵn lại với nhau thành một kết cấu. Nhược điểm của kết cấu BTCTDƯL so với BTCT thường:  Ứng lực trước không những gây ra ứng suất nén mà còn có thể gây ra ứng suất kéo ở phía đối diện làm cho bê tông có thể bị nứt.  Chế tạo phức tạp hơn yêu cầu kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật để có thể đạt chất lượng như thiết kế đề ra.
  13. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 8 1.4. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.4.1. Đặc điểm cấu tạo Trong bê tông cốt thép vấn đề giải quyết cấu tạo sao cho hợp lý là rất quan trọng. Hợp lý về mặt chon vật liệu (cấp bê tông, nhóm thép hay loại thép), hợp lý về chọn hình dạng tiết diện và kích thước tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép. Bên cạnh đó việc thiết kế cần giải quyết liên kết giữa các bộ phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu chống xâm thực hay độ bền (Durability), tính có thể thi công được (tính khả thi). Hình dạng tiết diện và sơ đồ bố trí cốt thép phụ thuộc vào trạng thái ứng suất trên tiết diện. Trong cấu kiện chịu uốn trạng thái ứng suất trên tiết diện có vùng kéo có vùng nén thì tiết diện thường được mở rộng ở vùng nén (như chữ T). Với cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục trên tiết diện ứng suất gần như phân bố đều dạng tiết diện thường được chọn là đối xứng như vuông, tròn, chữ nhật. 1.4.1.1. Bê tông cốt thép thường Cốt thép được đặt vào trong cấu kiện bê tông cốt thép để: chịu ứng suất kéo, chịu ứng suất nén, để định vị các cốt thép khác. Số lượng do tính toán định ra nhưng cũng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo. a) Cốt thép chịu ứng suất kéo Cốt thép chịu ứng suất kéo do nhiều nguyên nhân gây ra như: Mô men uốn, lực cắt, lực dọc trục, mô men xoắn, tải cục bộ. Cốt thép chịu kéo do mômen uốn gây ra đó là các cốt thép dọc chủ đặt ở vùng chịu kéo của cấu kiện, đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ mô men Hình 1.4, đặt càng xa trục trung hoà càng tốt, tuy nhiên phải thỏa mãn chiều dày lớp bê tông bảo vệ. Cốt thép chịu kéo do lực cắt gây ra đó là các cốt thép đai (cốt ngang) được đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ lực cắt Hình 1.5. b) Cốt thép chịu ứng suất nén Cốt thép chịu ứng suất nén: Đó là các cốt dọc chịu nén trong dầm, cột, các cốt thép này cùng tham gia chịu nén với bê tông. c) Cốt thép làm nhiệm vụ định vị Cốt thép dọc định vị trí các cốt thép đai theo chiều dài cấu kiện, và các cốt thép đai định vị trí các cốt thép dọc trên tiết diện. d) Cốt thép làm nhiệm vụ kiểm soát nứt bề mặt Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu ứng suất dó co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần của cốt thép kiểm soát nứt bề mặt.
  14. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 9 Hình 1.4 Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép dọc A-A A A Hình 1.5 Biểu đồ lực cắt và bố trí cốt đai Trong cấu kiện chịu uốn khi chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện đặt cốt thép đơn, còn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi là tiết diện đặt cốt thép kép. Sơ đồ bố trí cốt thép trong cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịu kéo lệch tâm lớn gần giống như trong cấu kiện chịu uốn. Trong cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục trên tiết diện các cốt thép dọc thường được bốt trí đối xứng. Kích thước tiết diện do tính toán định ra nhưng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo, kiến trúc, khả năng bố trí cốt thép và kỹ thuật thi công. Ngoài ra cần phải chú ý đến quy định về bề dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, khoảng cách trống giữa các cốt thép. Các quy định này được quy định trong các tiêu chuẩn. 1.4.1.2. 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) và cốt thép Dự ứng lực (cốt thép kéo căng). Trong một số tài liệu cốt
  15. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 10 thép thường còn gọi là cốt thép bị động và cốt thép kéo căng là cốt thép chủ động. Cốt thép thường làm nhiệm vụ và được bố trí giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường. Cốt thép DƯL có nhiệm vụ tạo ra ứng suất nén trước trong bê tông. Cốt thép dự ứng lực có thể đặt theo đường thẳng hoặc đường cong hoặc thẳng và cong, Hình 1.6. Hình 1.6 Sơ đồ bố trí cốt thép DƯL Tại chỗ uốn cong thường có nội lực tiếp tuyến lớn nên cần gia cường cho bê tông tại đó bằng các lưới cốt thép gia cường. Tại đầu neo liên kết sẽ xuất hiên lực tập trung lớn cũng cần phải gia cường cho bê tông tại các vị trí này bằng các cốt thép gia cường hoặc bản phân bố. 1.4.2. Đặc điểm chế tạo 1.4.2.1. Phân loại theo phương pháp thi công Theo phương pháp thi công kết cấu bê tông cốt thép được chia thành ba loại:  Kết cấu đổ tại chỗ (kết cấu toàn khối), loại kết cấu này được thực hiện theo các bước: lắp dựng dàn giáo, ván khuôn, lắp dựng cốt thép, đổ bê tông, đầm chặt bê tông, bảo dưỡng, sau khi bê tông đủ cường độ thì tháo dỡ dàn giáo, ván khuôn. Loại này có ưu điểm là tính toàn khối hay khả năng làm việc không gian tốt. Tuy nhiên có nhược điểm là tốn thời giant thi công, do phải chờ đợi bê tông đông cứng, việc thi công tại công trường đòi hỏi kiểm soát tốt chất lượng các khâu như trộn, đổ, đầm và bảo dưỡng bê tông. Hơn nữa việc thi công đổ, dầm tại hiện trường phụ thuộc vào thời tiết khí hậu.  Kết cấu lắp ghép, loại kết cấu này được đúc sẵn trong nhà máy hoặc xưởng, sau đó vận chuyển tới công trình, lắp dựng cấu kiện và đổ mối nối ướt. Loại này tính toàn khối không tốt bằng kết cấu đổ tại chỗ, phát sinh chi phí vận chuyển và lắp ráp. Việc hầu hết các công việc được thực hiện tại xưởng hoặc nhà máy nên chất lượng bê tông được kiểm soát tốt, không phụ thuộc vào thời tiết môi trường. Ván khuôn được luân chuyển nhiều lần, có thể làm giá thành hạ.  Kết cấu bán lắp ghép, là sự kết hợp giữa hai loại trên. 1.4.2.2. Phân loại theo trạng thái ứng suất khi chế tạo và sử dụng
  16. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 11  Bê tông cốt thép thường hay thượng gọi là bê tông cốt thép.  Bê tông cốt thép dự ứng lực (bê tông ứng suất trước). 1.4.2.3. Phân loại BTCTDƯL theo phương pháp tạo dự ứng lực 1) Cấu kiện thi công kéo trước (hay phương pháp căng cốt thép trên bệ) Loại cấu kiện này được chế tạo như sau: Cốt thép dự ứng lực được neo một đầu cố định vào bệ còn đầu kia được kéo ra với lực kéo 𝑁. Dưới tác dụng của lực kéo N cốt thép được kéo trong giới hạn đàn hồi sẽ giãn dài ra một đoạn ∆𝑙 tương ứng với ứng suất kéo thiết kế xuất hiện trong cốt thép dự ứng lực. Sau đó ta cố định đầu này của cốt thép vào bệ. Tiếp theo ta đặt cốt thép thường và đổ bê tông cấu kiện. Khi bê tông cấu kiện đủ cường độ cần thiết, người ta tiến hành cắt cốt thép dự ứng lực ra khỏi bệ. Lúc này cốt thép dự ứng lực có xu hướng co lại khôi phục chiều dài ban đầu và sinh ra nén bê tông, Hình 1.7. Hình 1.7 Sơ đồ phương pháp thi công kéo trước Để tăng thêm dính bám giữa bê tông và cốt thép DƯL người ta thường dùng cốt thép DƯL là cốt thép có gờ, hoặc cốt thép trơn được xoắn lại, hoặc tạo mấu neo đặc biệt ở hai đầu. Phạm vi áp dụng: Dùng cho các cấu kiện thẳng có nhịp ngắn và vừa, đặc biệt hiệu quả với các cấu kiện sản xuất hàng loạt ở xưởng. 2) Cấu kiện thi công kéo sau, Hình 1.8 Trước tiên người ta lắp dựng ván khuôn, cốt thép thường và đặt các ống tạo rãnh (trong đó có thể đặt trước cốt thép DƯL hoặc luồn sau), các ông tạo rãnh bằng tôn,
  17. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 12 kẽm hoặc vật liệu khác. Sau đó đổ bê tông cấu kiện, khi bê tông cấu kiện đủ cường độ ta tiến hành luồn cốt thép và kéo căng đến ứng suất thiết kế. Sau khi căng xong cốt thép DƯL được neo chặt vào đầu cấu kiện.Thông qua các neo cấu kiện sẽ bị nén bằng lực kéo căng trong cốt thép. Tiếp đó người ta bơm vữa xi măng vào trong ống rãnh để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn và tạo ra lực dính bám giữa bê tông với cốt thép. Nhưng cũng có trường hợp cốt thép được bảo vệ trong ống rãnh bằng mỡ chống gỉ, trường hợp này được gọi là cấu kiện DƯL không dính bám. Phương pháp này luôn phải có neo, khi kéo từ một đầu thì đầu kia là neo chết (neo sẵn một đầu như: neo móc câu, neo kiểu múi bưởi, kiểu thòng lọng). Phạm vi áp dụng của phương pháp này: dùng để kéo căng các bó sợi hoặc dây cáp đặt theo đường thẳng hoặc cong, dùng cho các cấu kiện chịu lực lớn như kết cấu cầu. Phương pháp này thường đứoc thực hiện tại công trường. Hình 1.8 Sơ đồ phương pháp thi công kéo sau
  18. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 13 Hình 1.9 Neo cốt thép DUL kéo sau
  19. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 14 Hình 1.10 Bố trí neo cốt thép DUL kéo sau trong bản sàn
  20. Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép- Bộ môn Kết cấu-2019 15 Hình 1.11 Neo chết 1 đầu cốt thép DUL kéo sau Hình 1.12 Neo kéo cốt thép DUL Hình 1.13 Neo kéo cốt thép DUL VSL loại E
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2