Bài giảng Kết cấu bêtông cốt thép - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:172

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kết cấu bêtông cốt thép gồm có những nội dung chính sau: Khái niệm chung, tính chất cơ lý của vật liệu, nguyên lý tính toán và cấu tạo, tính toán cấu kiện chịu uốn, kết cấu sàn, tính cấu kiện chịu uốn, tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, cấu kiện chịu kéo. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm những nội dung chi tiết!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kết cấu bêtông cốt thép - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

MỤC LỤC CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG........................................................................................................................................5 A- Phần 1: Phần lý thuyết .............................................................................................................................. 5 1.1 BÊ TÔNG VÀ BÊTÔNG CỐT THÉP ..................................................................................... 5 1.1.1 KHÁI QUÁT .............................................................................................................................. 5 1.1.2 SỰ LÀM VIỆC GIỮA BÊTÔNG VÀ CỐT THÉP ............................................................ 6 1.2 PHÂN LOẠI BÊTÔNG CỐT THÉP ......................................................................................... 7 1.2.1 THEO PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ..................................................................................... 7 1.2.2 THEO TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT KHI CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG ............................... 8 1.3. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG .................................................................... 9 1.3.1 ƯU ĐIỂM ................................................................................................................................... 9 1.3.2 NHƯỢC ĐIỂM .......................................................................................................................... 9 1.3.3 PHẠM VI SỬ DỤNG ............................................................................................................... 9 1.4. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN............................................................................................................. 9 B- Phần 2: Thảo luận........................................................................................................................................ 10 CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU......................................................................................................11 A- Phần 1: Phần lý thuyết ............................................................................................................................ 11 2.1 BÊTÔNG...................................................................................................................................... 11 2.1.1 PHÂN LOẠI BÊ TÔNG ......................................................................................................... 11 2.1.2 CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊTÔNG............................................................................................... 12 2.1.3 MÁC BÊTÔNG ...................................................................................................................... 17 2.1.4 BIẾN DẠNG CỦA BÊTÔNG .............................................................................................. 18 2.2. CỐT THÉP ................................................................................................................................. 22 2.2.1 CÁC LOẠI CỐT THÉP DÙNG TRONG BÊTÔNG CỐT THÉP .................................... 22 2.2.2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CỐT THÉP .......................................................... 23 2.2.3 PHÂN NHÓM CỐT THÉP .................................................................................................... 25 2.3. BÊTÔNG CỐT THÉP ............................................................................................................... 25 2.3.1 LỰC DÍNH GIỮA BÊTÔNG VÀ CỐT THÉP ................................................................... 26 2.3.2. SỰ PHÁ HOẠI VÀ HƯ HỎNG CỦA BTCT .................................................................... 27 B- Phần 2: Phần thảo luận ........................................................................................................................... 27 Chương 3 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO ................................................................................................29 A- Phần 1:Phần lý thuyết.................................................................................................................................. 29 1
3.1. CÁC BƯỚC THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG ................................................................... 29 3.2. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG ................................................................................................ 30 3.2.1 PHÂN LOẠI TẢI TRỌNG .................................................................................................... 30 3.2.2 TỔ HỢP TẢI TRỌNG ........................................................................................................... 31 3.3. CƯỜNG ĐỘ TIÊU CHUẨN VÀ CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN ........................................... 32 3.3.1. BÊTÔNG ................................................................................................................................. 32 3.3.2. CỐT THÉP .............................................................................................................................. 33 3.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊTÔNG CỐT THÉP .................................. 34 3.4.1 NHÓM TTGH THỨ NHẤT : về cường độ (khả năng chịu lực) ...................................... 35 3.4.2 NHÓM TTGH THỨ HAI........................................................................................................ 36 3.5 NGUYÊN TẮC CẤU TẠO BÊTÔNG CỐT THÉP ............................................................. 37 3.5.1 HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN ................................................................... 37 3.5.2 CẤU TẠO CỐT THÉP ............................................................................................................ 38 B- Phần 2:Phần thảo luận: ................................................................................................................................ 40 Chương 4 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN ............................................................................................................41 4.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO ............................................................................................................ 42 4.1.1 BẢN ........................................................................................................................................... 42 4.1.2 DẦM ......................................................................................................................................... 43 4.2 SỰ LÀM VIỆC CỦA CẤU KIỆN CHỊU UỐN .................................................................... 44 4.2.1 CÁC TIẾT DIỆN CẦN TÍNH TOÁN .................................................................................. 44 4.2.2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC ........... 46 4.3 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN CÓ TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT THEO CƯỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC ............................................................................. 48 4.3.1 CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶT CỐT THÉP ............................................................................... 48 4.3.2 TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ĐẶT CỐT ĐƠN .................................................. 48 4.3.3 TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ĐẶT CỐT KÉP ................................................... 54 4.4 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN CÓ TIẾT DIỆN CHỮ T ...................................... 59 4.4.1. KHÁI NIỆM CHUNG VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO .......................................................... 59 4.4.2. XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TRỤC TRUNG HÒA (TTH).............................................................. 60 4.4.3.TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CHỮ T KHI TTH QUA CÁNH.............................................. 60 4.4.4 TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CHỮ T KHI TTH QUA SƯỜN .............................................. 61 4.4.4.1. TRƯỜNG HỢP ĐẶT CỐT ĐƠN ..................................................................................... 61 4.4.4.2. TRƯỜNG HỢP ĐẶT CỐT KÉP ...................................................................................... 63 2
4.5 TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG ............................................... 66 4.5.1 SỰ PHÁ HOẠI THEO TIẾT DIỆN NGHIÊNG ................................................................. 67 4.5.2 CÁC ĐIỀU KIỆN KHỐNG CHẾ KHI TÍNH TOÁN CHỊU LỰC CẮT .......................... 68 4.5.3 ĐIỀU KIỆN CƯỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG ................................................ 68 4.5.4 TÍNH TOÁN CỐT ĐAI KHI KHÔNG ĐẶT CỐT XIÊN ................................................. 69 4.5.5 TÍNH TOÁN CỐT XIÊN ....................................................................................................... 71 B- Phần 2: Phần thảo luận, bài tập ..................................................................... Error! Bookmark not defined. V. Chương 5 KẾT CẤU SÀN ..................................................................................................................................................73 A- Phần 1:Phần lý thuyết.................................................................................................................................. 73 5.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU SÀN .......................................................................................... 73 5.1.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU SÀN ................................................................................................ 73 5.1.2 PHÂN LOẠI SÀN ................................................................................................................... 74 5.1.3 NHẬN XÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU SÀN................................ 75 5.1.4 PHÂN BIỆT BẢN LOẠI DẦM VÀ BẢN KÊ BỐN CẠNH ........................................... 76 5.2. SÀN SƯỜN TOÀN KHỐI DẠNG BẢN - DẦM ................................................................. 78 5.2.1 SƠ ĐỒ KẾT CẤU .................................................................................................................... 78 5.2.2 THIẾT KẾ BẢN SÀN ............................................................................................................ 79 5.2.3 THIẾT KẾ DẦM PHỤ .......................................................................................................... 86 5.2.4. THIẾT KẾ DẦM CHÍNH .................................................................................................... 94 5.3 SÀN SƯỜN TOÀN KHỐI CÓ BẢN KÊ BỐN CẠNH ..................................................... 104 5.3.1 SƠ ĐỒ KẾT CẤU ............................................................................................................... 104 5.3.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO ........................................................................................................ 104 5.3.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA BẢN ............................................................................................... 105 5.3.4 PHÂN TÍCH NỘI LỰC THEO SƠ ĐỒ ĐÀN HỒI .......................................................... 105 5.3.5 PHÂN TÍCH NỘI LỰC THEO SƠ ĐỒ KHỚP DẺO ..................................................... 108 5.3.6 TÍNH TOÁN DẦM ............................................................................................................. 110 5.5.7. TÍNH TOÁN CỐT THÉP .................................................................................................... 114 A- Phần 1:Phần lý thuyết................................................................................................................................ 115 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG ............................................................................................................ 115 6.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO .......................................................................................................... 116 6.2.1. TIẾT DIỆN ............................................................................................................................ 116 6.2.2. CỐT THÉP............................................................................................................................. 116 6.3. TÍNH CẤU KIỆN CHỊU UỐN-XOẮN CÓ TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT........................... 117 3
6.3.1. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN ............................................................................................... 117 6.3.1 TÍNH TOÁN THEO SƠ ĐỒ M VÀ M t ............................................................................. 117 6.3.2 TÍNH TOÁN THEO SƠ ĐỒ Q VÀ M t ............................................................................. 120 6.3.3 TÍNH TOÁN THEO SƠ ĐỒ M VÀ M t............................................................................. 121 6.3.4 CÁC BÀI TOÁN ................................................................................................................... 121 A- Phần 1: Phần lý thuyết .............................................................................................................................. 123 7.1. CẤU TẠO CẤU KIỆN BTCT CHỊU NÉN ......................................................................... 124 7.1.1 TIẾT DIỆN ............................................................................................................................. 124 7.1.2 CỐT THÉP ............................................................................................................................. 126 7.2 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM ....................................................... 129 7.2.1 SƠ ĐỒ ỨNG SUẤT- CÔNG THỨC CƠ BẢN .................................................................. 129 7.2.2 CÁC DẠNG BÀI TOÁN ...................................................................................................... 130 7.3 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM.......................................................... 130 7.3.1 SỰ LÀM VIỆC CỦA CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM ........................................... 130 7.3.2 ĐIỀU KIỆN VỀ CƯƠNG ĐỘ ............................................................................................. 132 ̀ 7.3.3 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM LỚN CÓ TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT133 7.3.4 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM BÉ CÓ TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT136 7.3.5. BIỂU ĐỒ TƯƠNG TÁC ...................................................................................................... 141 CHƯƠNG 8 CẤU KIỆN CHỊU KÉO................................................................................................................................ 148 A- Phần 1: Lý thuyết ...................................................................................................................................... 148 8.1 KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CẤU TẠO................................................................................. 148 8.2 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU KÉO ĐÚNG TÂM ........................................................ 149 8.3 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU KÉO LỆCH TÂM CÓ TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT ...... 149 8.3.1 KÉO LỆCH TÂM LỚN ....................................................................................................... 149 8.3.2. KÉO LỆCH TÂM BÉ ........................................................................................................... 151 B- Phần 2: Phần thảo luận ............................................................................................................................. 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................................................... 152 4
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG I.1- Mục tiêu, nhiệm vụ. Mục tiêu: Trang bị cho sinh viên những khái niệm cơ bản nhất về kết cấu bê tông cốt thép. Nhiệm vụ: Lên lớp học lý thuyết đầy đủ, tham gia thảo luận. I.2. Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ Nội dung Hình thức học - Khái niệm về vật liệu bê tông cốt thép Giảng, thảo luận - Phân loại bê tông cốt thép Giảng, thảo luận - Ưu nhược điểm của bê tông cốt thép Giảng, thảo luận I.3. Các nội dung cụ thể A- Phần 1: Phần lý thuyết 1.1 BÊ TÔNG VÀ BÊTÔNG CỐT THÉP 1.1.1 KHÁI QUÁT Bê tông cốt thép là một trong những nguyên liệu sẵn có và quan trọng nhất trong xây dựng tại tất cả các nơi trên thế giới. Được sử dụng trong hầu hết tất cả các kết cấu bao gồm; xây dựng, cầu, tường chắn, đường hầm và thủy lợi. Bê tông là hỗn hợp gồm cát, đá( sỏi) và chất kết dính là xi măng, nước. Đôi khi một hoặc nhiều các chất phụ gia được thêm vào để thay đổi một số đặc tính của bê tông như khả năng hoạt động, độ bền của nó và thời gian làm cứng. Bảng 1.1 So sánh tính chất của bê tông và cốt thép Đặc trưng Bêtông Cốt thép Khả năng chịu kéo kém Tốt Khả năng chịu nén tốt Tốt, nhưng những thanh thép mảnh thì dễ bị oằn Khả năng chịu cắt trung bình Tốt Độ bền tốt Bị ăn mòn nếu không đựơc bảo vệ Chịu lửa tốt Kém, khả năng chịu lực giảm nhanh ở nhiệt độ cao - Tiến hành thí nghiệm một dầm bê tông và một dầm bê tông cốt thép, sau đó so sánh khả năng chịu lực hai dầm này. Thấy rằng khi đặt cốt thép vào vùng kéo. Dầm 5
BTCT có thể chịu lực nhiều hơn dầm BT có cùng kích thước đến hàng chục lần (hình 1.1). Vậy đặt cốt thép vào bêtông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu, từ đó có vật liệu bêtông cốt thép. Taûi troïn g P Taûi troïn g P >> P0 0 1 M ieàn chòu neùn Thôù chòu neùn Lôùp trung hoøa Lôùp trung hoøa h Khe nöùt b Khe nöùt Thôù chòu keùo Thôù chòu keùo 1 Coát theùp d oïc 1 -1 Hình 1.1a. Dầm BT (không cốt thép) Hình 1.1b. Dầm BTCT chịu uốn tốt với cốt chịu uốn – khả năng chịu lực rất kém thép dọc đặt trong miền chịu kéo vì BT chịu kéo rất tồi - Khi đặt cốt thép vào vùng nén (hình 1.2) thấy Taûi troïng Coát theùp doïc khả năng chịu lực tăng, kích thước tiết diện giảm. chòu neùn Cốt thép ngoài tác dụng chịu kéo còn tham gia chịu nén cùng bêtông. Sức chịu nén của cốt thép cũng tốt bằng sức chịu kéo, và gấp nhiều lần so với bêtông. Hình 1.2. Cốt thép đặt trong cấu kiện chịu nén Khái niệm Bê tông cốt thép: Bêtông cốt thép (BTCT) là một loại vật liệu xây dựng phức hợp do bêtông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực với nhau. 1.1.2 SỰ LÀM VIỆC GIỮA BÊTÔNG VÀ CỐT THÉP - Bêtông và cốt thép dính chặt với nhau. Nhờ có lực dính mà có thể truyền lực từ bêtông sang cốt thép và ngược lại, từ đó có thể khai thác được cường độ cốt thép, hạn chế bề rộng khe nứt trong vùng kéo. Cường độ chịu kéo của bê tông bằng khoảng một phần mười cường độ nén của nó. Kết quả là, bê-tông bị nứt trong vùng kéo. Vì vậy, cốt thép được thêm vào trong vùng kéo để tất cả các ứng suất kéo do cốt thép chịu. Những lợi thế của từng nguyên liệu được bù đắp cho những nhược điểm của nguyên liệu kia. Độ bền kéo bê tông thấp được bù lại bởi độ bền kéo cao của thép. Độ bền kéo của thép là xấp xỉ 100-140 lần so với độ bền kéo của hỗn hợp bê tông thông thường. - Giữa bêtông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học, bêtông còn bảo vệ cốt thép chống lại các tác nhân ăn mòn của môi trường. 6
Hình 1.3. Vị trí đặt cốt thép trong bê tông - Hệ số giãn nở nhiệt của bêtông và cốt thép gần bằng nhau. Khi nhiệt độ thay đổi (< 100%) thì trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không làm mất lực dính . 1.2 PHÂN LOẠI BÊTÔNG CỐT THÉP 1.2.1 THEO PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG Bêtông cốt thép toàn khối - Ghép ván khuôn, đặt cốt thép và đổ bêtông ngay tại vị trí thiết kế của kết cấu . - Ưu điểm: độ cứng lớn, chịu tải trọng động tốt, hình thức kết cấu đa dạng theo yêu cầu của kiến trúc. - Nhược điểm: tốn ván khuôn, cây chống; thi công phụ thuộc thời tiết, nhiều công đoạn, thời gian kéo dài … Hiện nay BTCT toàn khối được sử dụng rộng rãi nhờ các tiến bộ trong việc sản xuất bêtông tươi cung cấp cho các công trình (bơm lên cao, xuống thấp), kỹ thuật ván 7
khuôn tấm lớn, ván khuôn trượt, ván khuôn leo … góp phần rút ngắn thời gian thi công. Bêtông cốt thép lắp ghép - Các cấu kiện riêng biệt được chế tạo sẵn tại nhà máy (hoặc tại bãi đúc ở công trường), được vận chuyển tới công trường, sau đó tiến hành lắp ghép bằng cần cẩu… - Ưu điểm: chất lượng cấu kiện được bảo đảm, thời gian thi công nhanh, ít tốn ván khuôn, cây chống . - Nhược điểm: độ cứng kém hơn, phải giải quyết mối nối; số lượng cấu kiện phải lớn thì mới kinh tế vì phải đầu tư cho việc chế tạo; kiến trúc khó phong phú . Bêtông cốt thép bán lắp ghép - Các cấu kiện chưa hoàn chỉnh được chế tạo sẵn, khi lắp ghép thì đặt thêm cốt thép, ghép thêm ván khuôn và đổ tại chỗ phần còn lại cùng với mối nối . - Một hình thức bán lắp ghép khác là: trong công trình có nhiều cấu kiện, thì một số cấu kiện được thi công tại chỗ (móng, khung …), một số cấu kiện lắp ghép (tấm sàn, tấm mái, dầm phụ, vì kèo …). 1.2.2 THEO TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT KHI CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG Bêtông cốt thép thường Khi chế tạo cấu kiện, cốt thép ở trạng thái không có ứng suất. Bêtông cốt thép ứng lực trước Trong khi chế tạo cấu kiện, người ta căng cốt thép để nén vùng bêtông chịu kéo do tải trọng gây ra, nhằm triệt tiêu hay hạn chế ứng suất kéo và khe nứt . P Dầm BTCT thường khi chịu tải trọng sử f dụng P Dầm BTCT được gây ứng lực trước. =(b) + (a) Dầm BTCT được gây ứng lực (a) trước khi chịu tải trọng P P f N NLöïc neùn Ñoä voõn g f ñaõ bò trieät tieâu tröôùc N N b) (c) Hình 1.4 Dầm BTCT thường và BTCT ứng lực trước 8
1.3. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG 1.3.1 ƯU ĐIỂM - Khả năng chiụ lực lớn (so với gỗ, gạch đá ), chịu tốt các tải trọng động . - Bền vững, bảo dưỡng ít tốn kém. - Chịu lửa tốt . - Có khả năng tạo ra các hình dáng kết cấu khác nhau, đáp ứng yêu cầu đa dạng của kiến trúc (vòm, vỏ mỏng không gian, … ). - Tận dụng các vật liệu của địa phương (cát, sỏi, và nước) và đòi hỏi một số lượng tương đối nhỏ của xi măng và cốt thép. 1.3.2 NHƯỢC ĐIỂM Để sử dụng bê tông thành công, các nhà thiết kế phải được hoàn toàn quen thuộc với các điểm yếu cũng như ưu điểm của nó. - Dễ có khe nứt tại vùng kéo  khắc phục bằng cách dùng bêtông cốt thép ứng lực trước, có biện pháp tính toán và thi công hợp lý để hạn chế khe nứt, bảo đảm điều kiện sử dụng bình thường. - Cách âm, cách nhiệt kém  khắc phục bằng cách sử dụng kết cấu có lỗ rỗng . - Thi công bêtông cốt thép toàn khối tương đối phức tạp. - Trọng lượng bản thân lớn, khó làm kết cấu nhịp lớn  khắc phục bằng cách dùng bêtông cốt thép ứng lực trước, kết cấu vỏ mỏng … 1.3.3 PHẠM VI SỬ DỤNG Bêtông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành xây dựng: xây dựng dân dụng_công nghiệp, xây dựng giao thông _ thủy lợi, xây dựng quốc phòng,vv…. 1.4. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Người La Mã đã sử dụng các loại xi măng được gọi là pozzolana trước khi sự ra đời của Chúa Kitô. Họ phát hiện trữ lượng lớn của một tro núi lửa cát gần Mt. Vesuvius và ở những nơi khác ở Italy. Khi họ pha trộn nguyên liệu này với vôi và nước cũng như cát, sỏi, nó cứng lại thành một chất rocklike và được sử dụng như một vật liệu xây dựng. Một số kết cấu bê tông La Mã vẫn còn tồn tại ngày nay. Ví dụ là Pantheon (một tòa nhà dành riêng cho tất cả các vị thần) mà nằm ở Rome và được hoàn thành vào năm 126. So với gạch đá và gỗ thì vật liệu bê tông cốt thép tương đối mới, lịch sử của nó có trên 100 năm. Năm 1950 ở Pháp đã tổ chức lễ kỷ niệm 100 năm ngày phát minh ra bê tông cốt thép.Ở thời kỳ sơ khai, người ta làm theo cảm tính nên cốt thép thường 9
được đặt ở giữa chiều cao tiết diện ( vị trí trục trung hòa). Năm 1886 phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép ra đời. Đầu thế kỷ XX, lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo ứng suất cho phép bắt đầu được xây dựng. Năm 1955, phương pháp mới có tên là phương pháp tính theo trạng thái giới hạn ngày càng được sử dung rộng rãi. Cho đến nay, kết cấu bê tông cốt thép đã chiếm vị trí quan trọng trong ngành xây dựng , đã đạt được nhiều thành tựu đáng chú ý. Ở Việt Nam, bê tông cốt thép cũng đã được du nhập vào khoảng đầu thế kỷ XX để làm xây dựng, thủy lợi, giao thông. Hiện nay, có khoảng 95% công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép. B- Phần 2: Thảo luận Đề tài: Bê tông thường và bê tông thương phẩm 10
CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU II.1- Mục tiêu, nhiệm vụ Mục tiêu: Nhằm giúp sinh viên hiểu rõ thành phần cấu trúc của các loại bê tông và cốt thép, cường độ bê tông và cốt thép, cấp độ bền,mác bê tông, biến dạng của bê tông và cốt thép, sự làm việc chung của bê tông và cốt thép. Nhiệm vụ: Lên lớp học lý thuyết đầy đủ, tham gia thảo luận. II.2. Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ Nội dung Hình thức học - Tính chất cơ lý của vật liệu bê tông Giảng, thảo luận - Tính chất cơ lý của vật liệu Cốt thép Giảng, thảo luận - Tính chất cơ lý của vật liệu kết hợp giữa bê Giảng, thảo luận tông và cốt thép II.3. Các nội dung cụ thể A- Phần 1: Phần lý thuyết Tính năng cơ lý của bêtông bao gồm : tính năng cơ học - nghiên cứu về cường độ và tính năng vật lý - nghiên cứu về biến dạng, co ngót, chống thấm và chống ăn mòn của bêtông. Tính năng cơ lý của bêtông phụ thuộc phần lớn vào chất lượng xi măng, các đặc trưng của cốt liệu (sỏi, đá dăm, cốt liệu rổng,...) cấp phối của bêtông, tỷ lệ nước, xi măng và cách thi công. Vì phụ thuộc nhiều nhân tố nên các tính năng đó không được ổn định lắm, tuy vậy tính năng cơ lý của bêtông vẫn có thể đảm bảo thỏa mản các yêu cầu của thiết kế nếu chọn vật liệu, tính toán cấp phối và thi công theo đúng những qui định của qui trình chế tạo 2.1 BÊTÔNG Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dạng, kích thước các hạt cốt liệu khác nhau, sự phân bố cốt liệu và chất kết dính không thật đồng đều, trong bê tông vẫn còn lại lượng nước dư thừa và lỗ rỗng li ti do nước bay hơi. 2.1.1 PHÂN LOẠI BÊ TÔNG - Theo cấu trúc : bê tông đặc chắc, bê tông có lỗ rỗng, bê tông tổ ong - Theo khối lượng riêng: bê tông nặng, bê tông cốt liệu bé, bê tông nhẹ, bê tông đặc biệt nặng. - Theo thành phần: bê tông thường, bê tông chèn đá hộc 11
- Theo phạm vi sử dụng: bê tông làm kết cấu chịu lực, bê tông nóng, bê tông cách nhiệt 2.1.2 CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊTÔNG Cường độ là chỉ tiêu cơ học quan trọng, là một đặc trưng cơ bản của bê tông, phản ánh khả năng chịu lực của vật liệu. Thường căn cứ vào cường độ để phân biệt các loại bê tông. Cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Để xác định cường độ của bê tông phải làm các thí nghiệm, thí nghiệm phá hoại mẫu là phương pháp xác định cường độ một cách trực tiếp và dùng phổ biến. Ngoài ra có thể dùng các phương pháp gián tiếp: siêu âm, ép lõm viên bi trên bề mặt bê tông.. và có thể thực hiện trên kết cấu. Nén mẫu hình trụ Uốn mẫu Nén chẻ mẫu trụ tròn (splitting test) Hình 2.1 Một số hình ảnh thí nghiệm mẫu bêtông a. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén Thí nghiệm nén mẫu khối vuông (a=10; 15; 20cm), khối lăng trụ đáy vuông hoặc trụ tròn (hình 2.2). Gọi N là lực phá hoại mẫu và F là diện tích tiết diện mẫu. 12
Cường độ chịu nén của mẫu khối vuông là : N Rb  (2.1) F Bêtông thông thường có Rb= 100 600 kG/cm2. Với mẫu khối lăng trụ thì cường độ là Rob = (0,7  0,8 )Rb Hình 2.2 Nén mẫu bêtông b. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo 2N Thí nghiệm kéo R( t )  ( 3.2) lD M 3,5M Thí nghiệm uốn R( t )   (3.3) W bh 2 N , M _ lực kéo, moment uốn làm phá hoại mẫu. bh 2 Trong đó W = và hệ số  = 1,7 kể đến 6 dạng đường cong của biểu đồ ứng suất vùng kéo do Hình 2.3 Thí nghiệm kéo biến dạng dẻo. Thông thường, R(t) =10  40 kG/cm2 . và uốn mẫu bêtông Từ kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu kéo của bê tông là rất khác nhau và trong khoảng bằng từ 8-12% cường độ nén của nó. Giá trị thực tế phụ thuộc vào loại kiểm tra và mô hình phá hoại. Uốn mẫu Nén mẫu hình trụ 13
Nén chẻ mẫu trụ tròn (splitting test) Hình 2.4 Một số hình ảnh thí nghiệm mẫu bêtông C. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bêtông Thành phần bêtông -Chất lượng và số lượng ximăng :Lượng ximăng tăng thì cường độ bêtông cũng tăng; tuy nhiên, việc dùng loại và mác ximăng nào là tùy vào yêu cầu đề ra cho bêtông. Thông thường trong 1m3 bêtông cần dùng từ 250 – 500kg ximăng, khi dùng ximăng nhiều thì cường độ bêtông cao hơn, nhưng để chế tạo bêtông cường độ cao (B25, 30, …) ngoài việc tăng lượng ximăng còn cần phải dùng ximăng mác cao (PC40, 50, …) mới đem lại hiệu quả kinh tế và sử dụng. Chẳng hạn như: để chế tạo bêtông có cấp độ bền B7,5; 10; 12,5; 15 có thể sử dụng ximăng PC30, còn khi chế tạo bêtông có cấp độ bền B20; 25; 30 cần dùng ximăng PC40, nếu sử dụng ximăng PC30 thì phải dùng với số lượng nhiều, không đạt hiệu quả kinh tế, đồng thời làm tăng tính co ngót và từ biến trong bêtông ảnh hưởng xấu đến chất lượng bêtông -Tỷ lệ N/X : thường dùng N/X = 0,4  0,7 . Khi tăng tỷ lệ N/X thì cường độ và độ đặc chắc của bêtông bị giảm và biến dạng do co ngót tăng. Trong các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nén bê tông thì tỷ lệ xi măng nước là yếu tố quan trọng nhất. Hàm lượng nước thấp dẫn đến cường độ nén bê tông cao hơn. Tăng tỷ lệ xi măng nước 0,7-0,85 có thể làm giảm cường độ nén 30%-40 %. Tỉ lệ này cao sẽ làm giảm cường độ bêtông và tăng tính co ngót, từ biến, nhưng nếu tỉ lệ này thấp (vừa đủ) thì khó thi công, đặc biệt là khi bơm bêtông. Hiện nay, các loại phụ gia giảm nước có sẵn và chúng cho phép các kỹ sư để sản xuất hỗn hợp bê tông lỏng với một số lượng nước ít. -Cốt liệu (cát, đá, sỏi) : + Yêu cầu cốt liệu sạch và ít tạp chất (sét bụi, mùn rác). Lượng tạp chất trong cát, đá phải nằm trong giới hạn cho phép, vì tạp chất sẽ làm giảm lực dính giữa cốt liệu và ximăng. 14
+ Cốt liệu có bề mặt nhám, xù xì thì sẽ dính kết tốt với ximăng. Chất lượng của việc nhào trộn, độ đầm chắc của hỗn hợp bêtông khi đổ khuôn và điều kiện bảo dưỡng - Trộn vữa bêtông phải tiến hành liên tục, đầm phải chặt và kỹ để bảo đảm hỗn hợp đồng nhất. - Điều kiện thuận lợi để bê tông đông cứng ngoài trời: nhiệt độ t = 1525oC ; độ ẩm W = 8090% ( khi đó bê tông dùng ximăng portland sẽ đạt được cường độ thiết 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 đúc bêtông xong, phải thường xuyên tưới ẩm bề mặt cấu kiện; nếu không, nước trong lòng bêtông sẽ thoát ra nhanh gây co ngót. Trong điều kiện thi công toàn khối tại công trình, điều kiện bảo dưỡng khó đạt được như trong phòng thí nghiệm, nhưng cần bảo dưỡng thật tốt trong điều kiện có thể để đạt được chất lượng bêtông cao và giảm co ngót, đặc biệt là cho sàn. Sự tăng cường độ bêtông theo thời gian -Cường độ bêtông tăng theo tuổi của nó nếu như các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm khi bêtông đông cứng được đảm bảo. -Nếu dùng ximăng portland, cường độ bêtông tăng nhanh trong giai đoạn đầu của quá trình đông cứng và thường bêtông đạt cường độ thiết kế sau 28 ngày. Trong điều kiện thuận lợi (nhiệt độ, độ ẩm cao) sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm, còn trong điều kiện Hình 2.5 khô hanh hoặc nhiệt độ thấp thì sự tăng cường độ theo thời gian sau này là không đáng kể. Có thể xác định cường độ bêtông khi t=7 300 ngày theo công thức (Nga) : Rt = 0,7R28lgt (2.4) Ví dụ, sau 7 ngày R7 = 0,7R28lg7 = 59% R28 .Sau 14 ngày R14 = 0,7R28lg14 = 80% R28. Viện nghiên cứu bêtông Mỹ (ACI) thì đề nghị công thức : t Rt  R28 (2.5) a  bt trong đó a= 4 và b = 0,85 cho bêtông dùng ximăng thông thường. Điều kiện thí nghiệm 15
Chất lượng bêtông qua kết quả thí nghiệm đôi khi cũng không phản ảnh đúng chất lượng bêtông thực tế, ở đây yếu tố con người có tầm ảnh hưởng lớn, mà cụ thể là người làm thí nghiệm, nó gồm các yếu tố sau: -Lấy mẫu và bảo dưỡng mẫu: lấy mẫu cần tuân thủ đúng qui trình được qui định trong tiêu chuẩn TCVN 3105-1993. Bảo dưỡng mẫu có thể bảo dưỡng theo điều kiện tiêu chuẩn hoặc trong điều kiện thực tế mà cấu kiện chịu ảnh hưởng tại công trình. Kích thước mẫu thử cũng ảnh hưởng đến cường độ BT: Mẫu kích thước nhỏ chịu ảnh hưởng của lực ma sát lớn nên có cường độ lớn hơn mẫu thử có kích thước lớn. Do vậy khi thí nghiệm các mẫu thử có kích thước khác với mẫu thử tiêu chuẩn (150*150*150) thì phải qui về cường độ mẫu thử tiêu chuẩn bằng cách nhân thêm với hệ số qui đổi. Mẫu lăng trụ có cường độ bé hơn mẫu khối vuông có cùng kích thước đáy Rlt= (0.7-0.8)R... Rmẫu vuông bé > R mẫu vuông lớn và R mẫu vuông > Ron mẫu lăng trụ -Quy trình thí nghiệm: cần tuân thủ theo tiêu chuẩn 3105-1993, chú ý các yếu tố sau đây làm ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm: + Độ phẳng mặt của mẫu thử. + Không bôi trơn mặt tiếp xúc của bàn nén mẫu. Khi bị nén, ngoài biến dạng theo phương lực tác dụng, bêtông còn bị nở ngang, và sự nở ngang quá mức sẽ làm bêtông bị phá vỡ . Nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thí nghiệm và mặt đáy của máy nén thì sẽ có lực ma sát làm cản trở sự nở ngang, lúc đó cường độ của mẫu sẽ tăng so với khi bôi trơn mặt tiếp xúc bằng dầu (làm mất lực ma sát). Hình 2.6. Trường hợp có ma sát và không có ma sát trong điều kiện thí nghiệm Kết quả cho thấy trường hợp 1 mẫu có cường độ lớn hơn: R(1) > R(2). Giải thích: Trường hợp (1): Lực ma sát trên mặt tiếp xúc giữa bàn nén và mẫu thử có tác dụng như một vành đai cản trở sự nở ngang của BT khi mẫu thử chịu nén. Càng xa 16
mặt tiếp xúc thì ảnh hưởng của lực ma sát càng giảm nên mẫu bị phá hoại theo những đường nứt dạng 2 hình chóp. Trường hợp (2): Không có lực ma sát nên BT tự do nở ngang khi chịu nén và ứng suất kéo ngang phân bố khá đồng đều trên chiều cao mẫu nên các vết nứt theo phương đứng và gần song song nhau.(Khi thí nghiệm không được phép bôi dầu ...) + Tốc độ gia tải: Tốc độ gia tải quy định là 2 kG/cm2giây, và cường độ đạt được là R. Khi gia tải rất nhanh thì cường độ có thể đạt (1,151,2)R ; còn khi gia tải rất chậm thì cường độ chỉ đạt khoảng (0,850,9)R . 2.1.3 MÁC – CẤP ĐỘ BỀN CỦA BÊTÔNG a. Mác theo cường độ chịu nén (M) : Lấy bằng cường độ chịu nén trung bình (kG/cm2) của mẫu khối vuông a=15cm, tuổi 28 ngày, được dưỡng hộ và thí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn. Bêtông nặng : M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400, … Bêtông nhẹ : M50, M75, M100 , … Trong kết cấu BTCT , dùng mác bêtông không nhỏ hơn 150 (200). b. Cấo độ bền chịu nén B: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT TCXDVN356-2005 cũng như tiêu chuẩn nhà nước TCVN 6025-1995 quy định phân biệt chất lượng bê tông theo cấp độ bền chịu nén, kí hiệu là chữ B. Đó là con số lấy bằng cường độ đặc trưng của mẫu thử chuẩn tính theo đơn vị Mpa. Mẫu thử chuẩn là khối vuông cạnh a=15cm. Theo TCXDVN 356-2005 có các cấp độ bền sau: B3,5;B5:B7,5;B10;B12,5;B15;B20;B25:B30:B35;B40;B45;B50;B55;B60. Tương quan giữa mác M và cấp độ bền Bcủa cùng một loại bê tông là : B  M (2.6) Trong đó:  - hệ số đổi đơn vị từ KG/cm2 sang Mpa, có thể lấy  = 0,1  - hệ số chuyển đổi từ cường độ trung bình sang cường độ đặc trưng với  = 0,135 thì  =1-S =0,778 c.Mác theo cường độ chịu kéo (K): Lấy bằng cường độ chịu kéo (kG/cm2) của mẫu thử tiêu chuẩn. Ví dụ: K10, K15, K20, ... d. Cấp độ bền chịu kéo Bt Đó là con số lấy bằng cường độ đặc trưng về kéo của bê tông theo đơn vị Mpa. 17
Theo TCXDVN 356-2005 có các cấp độ bền chịu kéo sau: Bt =0,5;Bt=0,8;Bt=1,2;.........Bt =4. e.Mác theo khả năng chống thấm (T) : Lấy bằng áp suất lớn nhất (atm) mà mẫu chịu được để nước không thấm qua . Ví dụ : T2 , T4, T8, … 2.1.4 BIẾN DẠNG CỦA BÊTÔNG Bêtông bị biến dạng gồm có: biến dạng ban đầu do co ngót, biến dạng do tác dụng của tải trọng, của nhiệt độ và biến dạng do từ biến. Biến dạng do tải trọng có thể chia làm 3 loại: - Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn. - Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn. - Biến dạng do tải trọng tác dụng lập lại a. Biến dạng do co ngót - Co ngót là hiện tượng bêtông giảm thể tích khi khô cứng trong không khí, do sự biến đổi lý hóa của quá trình thủy hóa ximăng, do nước bay hơi. - Trong một khối bêtông, sự co ngót xảy ra không đều. Nó bắt đầu từ bề mặt cấu kiện rồi lan dần vào bên trong cấu kiện cùng với quá trình nước bị tiêu tốn cho việc đông cứng của bêtông và bốc hơi qua các lỗ rỗng. Do đó các lớp bêtông phía ngoài (khô hơn) sẽ bị co ngót nhiều hơn các lớp phía trong. - Sự co ngót của bêtông làm thay đổi kích thước của cấu kiện, gây ra các khe nứt trên bề mặt, do đó làm giảm khả năng chịu lực của cấu kiện. Ứng suất do co ngót có thể làm xuất hiện các vết nứt  cần hạn chế độ co ngót.. Mặc dù độ co ngót tiếp tục trong nhiều năm như thể hiện trong hình. 2.7 nhưng khoảng 90% của sự co rngót cuối cùng xảy ra trong năm đầu tiên.Biến thiên của co ngót với thời gian cho một hỗn hợp bê tông thông thường. Hình 2.7. Biến thiên của co ngót theo thời gian cho một hỗn hợp bê tông thông thường. 18
Các nhân tố chính ảnh hưởng đến co ngót : - Số lượng và hoạt tính xi măng : lượng xi măng càng lớn thì co ngót càng nhiều, bêtông dùng ximăng số hiệu cao thì co ngót càng lớn - Tỉ lệ nước, xi măng càng lớn co ngót càng nhiều - Cốt liệu : cát nhỏ hạt và sỏi sốp làm tăng độ co ngót. - Các chất phụ gia đông kết nhanh cũng làm độ co ngót của bêtông tăng lên Biện pháp hạn chế co ngót : - Chọn thành phần bêtông thích hợp, đầm chặt, giữ ẩm trong giai đoạn đầu. - Làm khe co giãn trong kết cấu (ví dụ sênô) và tạo mạch ngừng khi thi công. -Đặt thép cấu tạo (thép dọc cấu tạo, lưới thép f 6) ở những nơi cần thiết. b. Biến dạng do nhiệt độ - Nhiệt độ tăng (hay giảm) thì thể tích bêtông cũng bị tăng (hay giảm). - Hệ số giãn nở vì nhiệt trung bình của bêtông là b = 1 10-5 /độ C. c. Biến dạng do tải trọng ngắn hạn Khảo sát đường cong quan hệ giữa ứng suất-biến dạng của bêtông khi chịu nén  khi  còn thấp : quan hệ ( -) gần như tuyến tính. Bêtông làm việc như vật liệu đàn hồi, nếu dỡ bỏ tải trọng thì biến dạng sẽ được phục hồi hoàn toàn.  khi gia tải đến một mức nào đó: bêtông làm việc như vật liệu dẻo, nếu dỡ bỏ tải trọng thì biến dạng sẽ không được phục hồi hoàn toàn : Nếu khi ứng suất đạt đến trị số b chẳng hạn (điểm B), ta dần dần giảm tải thì được đường (2). Khi b = 0 thì mẫu thử vẫn còn biến dạng dư pl, điều đó có nghĩa là biến dạng toàn phần b của bêtông gồm có hai phần: 1 phần có thể khôi phục lại được, ứng suất trở về trị số 0, đó là biến dạng đàn hồi el và 1 phần không thể khôi phục lại được đó là biến dạng dẻo pl. Ta có  = el + pl , và tỷ số  = el / b gọi là hệ số đàn hồi. Ở giai đoạn phá hoại, biến dạng dẻo chiếm phần lớn. Vậy, Bêtông không phải là vật liệu đàn hồi hoàn toàn, nó là vật liệu đàn hổi- dẻo. 19
Hình 2.8. Biến dạng đàn hồi – dẻo của bê tông d. Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn - Từ biến - Từ biến : là hiện tượng biến dạng tiếp tục phát triển trong khi giữ nguyên tải trọng tác dụng trong thời gian dài. Hình 2.9. Biến dạng đàn hồi và biến dạng từ biến của bê tông Tổng biến dạng thường được chia thành hai phần: (l) biến dạng ban đầu (2) một biến dạng phụ thuộc vào thời gian đặt tên là từ biến. Sau khi xảy ra các biến dạng tức thời (điểm Ao điểm A), sự biến dạng từ biến bắt đầu nhanh chóng (điểm A đến điểm B) và sau đó tiếp tục ở một tốc độ thấp hơn nhiều cho đến khi gần như nó trở thành một đường cong phẳng ở vô cực. Hơn 75% của sự biến dạng từ biến xảy ra trong năm đầu tiên và 95% trong năm năm đầu tiên. Nếu tải được lấy ra tại điểm B, phục hồi ngay lập tức xảy ra (điểm C), tiếp theo là một phục hồi phụ thuộc vào thời gian cho đến điểm D (phục hồi từ biến). Không bao giờ phục hồi tất cả các biến dạng được phát triển và sẽ có một biến dạng không phục hồi được gọi là biến dạng vĩnh viễn. 20