Những quy phạm Hoa Kỳ về kết cấu bê tông cốt thép: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:175

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách "Kết cấu bê tông cốt thép theo quy phạm Hoa Kỳ" Phần 1 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: vật liệu; những cơ sở tính toán và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn; cốt thép và yêu cầu cấu tạo; thiết kế dầm chịu uốn; thiết kế dầm chịu cắt;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Những quy phạm Hoa Kỳ về kết cấu bê tông cốt thép: Phần 1

TS. NGUYỄN TRUNG HÒA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO QUY PHẠM HOA KỲ (Tái bản) ịDẠíộoTi-ÍÀìNuuSỊ Ị truhgíâmhọolỉệu NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ N Ộ I-2 0 1 5
I
PHẦN MỞ ĐẦU H ơn m ười n ăm qua, hàn g loạt công trình có vein đầu tư nước n g o ài đã đu x ây dựng ở nước ta. T rong số các công trình đó, có rấ t n h iều công trì được th iế t k ế và x ây dựng theo tiêu chuẩn quy p h ạm củ a nước n g o ài, tro đó có H oa Kỳ và A nh Q uốc. T ừ đó, c á c kỹ SƯ và k iế n trúc sư là m công t tư v ấn x â y dựng của V iệt N am m ới có dịp được làm q u en với những cô n ghệ x ây dựng và những tà i liệ u th iế t k ế từ các nước phương T ây và c nước k h á c trong khu vực. T rong quá trình cùng tham gia tư v ân x ây dự công trình, c á c kỹ sư và các nhà q u ản lý của V iệt N am đã cộng tác ch ặ t c với c á c kỹ SƯ của nước ngoài đ ể triển khai thàn h công các dự án x ây dự trê n đ ấ t nước ta. T ừ những ng ày đ ầu còn nhiều bỡ ngỡ, các kỹ sư củ a V] N am đã tự thu th ập tài liệu, tự tìm h iể u và khai triển r ấ t tố t các tiê u chu quy p h ạ m nước ng o ài trong lĩnh vực th iế t k ế và thi công x ây dựng theo y cầ u củ a cá c chủ đ ầu tư. T rong lĩnh vực k ế t câ u bê tông cố t th ép , tiê u chu ẩn th iế t k ế và thi công c nước ta chủ y ếu dựa theo các tiê u chu ẩn của L iê n X ô trước đây . T uy nhié c á c tiê u chu ẩn th iế t k ế và thi công k ế t câu bê tông cố t th é p của nước ta đ d ự a trê n những p h iê n b ản cũ của L iên Xô. T ừ những n ăm 80 củ a th ế trước, u ỷ b an x ây dựng cơ b ản nhà nước L iên Xô đã tiế n h àn h b iê n so lại và b a n h à n h tiê u chu ẩn trong n g àn h xây dựng trê n cơ sở c á c th àn h t n g h iê n cứu m ới và có xu hướng thống nhâ't cao đ ôi với tiê u ch u ẩn củ a c nước c h â u Â u. R ấ t tiếc, p h ần lớn những thay đ ổi đó chưa được chúng x em x é t trong quá trình so át x é t các tiê u chu ẩn h iệ n hành. T rong quá trình hội nh ập với th ế giới và khu vực, chúng ta đ ang tiế n hà x em x é t và b iê n soạn lại các tiêu chu ẩn quy p h ạm trong lĩnh vực th iế t và x â y dựng, trong đó có k ế t cấ u bê tông cốt thép . T rong số c á c tiêu chu quy p h ạ m nước ngoài, các nhà qu ản lý và các kỹ sư tư v ân củ a nước hướng sự quan tâm đ ặc b iệ t đ ế n các tiê u chuẩn quy p h ạm củ a H oa Kỳ
Anh Quôc - các nước có nền khoa học phát triển và có nhiều kinh nghiệm trong việc xây dựng các tài liệu tiêu chuẩn quy phạm . C ác tải liệu tiêu chuẩn quy phạm của Hoa Kỳ và Anh Quốc còn được nhiều nưđc trên thê giới và trong khu vực ASEAN khai thác và biên soạn ihành tiêu chuân riêng cho nước mình. Đ ể có thể có những tư liệu cần thiết cho các nhà tư vấn V iệt Nam trong quá trình tìm hiểu, học hỏi và thực hiện các nhiệm vụ tư vấn có liên quan đên tiêu chuẩn quy phạm của Hoa Kỳ và Anh Quốc, Trung T âm Khoa học Công nghệ và Kỹ thuật X ây dựng (Công ty tư vân xây dựng tổng hợp - Bộ X ây dựng) đã thực hiện các đề tài khoa học công nghệ "Hướng dẫn tính toán và thiết k ế k ết câu bê tông cốt thép theo quy phạm xây dựng ACI 318" (mã sô TC 9722) và "K ết câu bê tông và bê tông cô't thép theo tiêu chuẩn Anh Q uốc BS 8110" (mã số TC 29). Đ ây là các đề tài khoa học công nghệ do Vụ Khoa học Công nghệ (Bộ X ây dựng) quản lý. Nội dung chủ yếu của các đề tài nói trên là biên dịch toàn bộ các tiêu chuẩn ACI 318 và BS 8110, phân tích, so sánh và đôi chiếu với tiêu chuẩn hiện hành của V iệt Nam. Phương pháp tính toán và thiết k ế kết câu bê tông cốt thép theo quy phạm Hoa Kỳ ACI 318 được phản ảnh trong nhiều ấn phẩm của Hoa Kỳ và m ột số nước khác. M ột số các ấn phẩm đó đã xuất hiện ở V iệt Nam thông qua con đường nhập khẩu sách, mua qua mạng Internet hoặc từ các nguồn cá nhân mang từ nước ngoài về. V iệc dịch ra tiếng V iệt và phổ biến rộng rãi đến độc giả trong nước các ấn phẩm này rất dễ dàng nếu không gặp phải vân đề bản quyền tác giả. Có thể thâ'y rằng hiện tượng vi phạm bản quyền tác giả nếu bị phát hiện trong tương lai sẽ gặp phải những vấn đề h ết sức rắc rối, nhất là khi nước ta đã thực hiện cam k ết trước các nước về vấn đề này trong quá trình hội nhập quốc tế và khu vực. Hơn nữa, việc chuyển tải thông tin qua các bản dịch gặp phải những vân đề về thuật ngữ, đơn vị tính toán (theo đơn vị US) làm cho độc giả V iệt Nam hết sức bổ ngỡ và rất khó tiếp cận. Ví dụ, các đơn vị "inch", "foot", "lb", "kip", v.v... là những đơn vị thông dụng ở Hoa Kỳ, song người V iệt Nam lại không quen dùng và do đó cũng khó có thể hình dung và định lượng ngay được kích thước tiết diện kết cấu 12 X 20in. hoặc kích Ihước nhịp 3 0 ’6" là khoảng bao nhiêu. Trona khi đó, nếu cho kích thước tiết diện là 30 X 50cm thì các kỹ sư của V iệt Nam đã 4
có th ể hình dung ra ngay được độ lớn củ a nó. T rong cá c tính to á n cũ n g v< ta g ặp kh ô n g ít c á c trường hợp những b iể u thức tính to án x u ất h iệ n nhũ con số h ế t sức b ấ t ngờ. Ví dụ, ta có b iể u thức quen thuộc ơ = MAV với r m en u ốn M = 150 ft - kips, m ô m en k h án g u ốn w = 430 in3 : 150x12.000 ơ = -------- :---------= 4 1 86psi 430 Rõ rà n g là con sô' "12.000" x u ất h iệ n trong b iểu thức và độ c giả với ứ q u en sử dụng cá c đơn vị như ở V iệt N am sẽ rấ t bỡ ngỡ, m ặc dù đ â y chỉ hình thức ch u y ể n đ ổ ị đơn vị. H iện nay có m ột số â'n ph ẩm nước ng o ài v iế t về b ê tông cô't th é p x u ất hi ở V iệ t N am đã có chú thích và chuyển đổi đơn vị u s ra đơn vị q uốc t ế ! T uy n h iê n , cá c chú thích và ch u y ển đổi n ày h ế t sức nửa vời (chỉ ch u y ển đ k ế t quả tính toán), không triệ t đ ể trong toàn bộ n ội dung củ a ân phẩm . I đ ó, sự c ố g ắn g này của các tác giả cũng không m ang lạ i th u ận lợi cho c độc giả đan g sử dụng hệ SI. T rê n cơ sở các k ế t quả của đề tài khoa học công n ghệ n ói trên và V những tư liệ u h iệ n có, cuốn sách này được b iê n so ạn n h ằm phổ b iế n rộ: rã i đ ế n các độc giả trong nước, phục vụ cho nhu cầu tìm h iể u h o ặc Ví d ụng v ào cô n g v iệ c tư vân cho các dự án đ ầu tư x ây dựng, n h ất là các d ự ; đ ầu tư có nguồn vốn từ nước ngoài. V ới g ần 30 n ăm làm công tác nghii cứu, tư vấ n x â y dựng và đã từng tham gia tư v ân cho n h iề u công trình I v ô n đ ầu tư nước n g o ài, tá c giả củ a cu ô n sá ch n à y m ong m u ô n m ang đ< cho b ạ n đ ọ c n h ữ n s n ộ i dung cơ b ả n n h ấ t củ a quy p h ạ m H oa Kỳ A C I 31 C ũ n g n h ư thực t ế x â y dựng củ a cá c nước trê n th ế giới, n ế u chỉ d ự a vi n g u y ê n ơô'c c á c đ iề u k h o ản trong cá c tiê u c h u ẩ n quy p h ạm thì k h ô n g tl k hai triể n và v ận d ụ n g ngay được. Do đó, song song vớ i tà i liệ u tii c h u ẩ n quy p h ạ m c ầ n p h ả i có những quy trình, hướng d ẫn với n h ữ n g ví ( k è m th eo đ ể c á c kỹ SƯ c ó th ể h iể u và v ậ n d ụ n g ch ín h x á c v à o thực ti< cô n g việc. Đ ể độc giả có thể dễ dàn g tiế p cận với quy ph ạm H oa Kỳ ACI 318, tài lii này được b iê n soạn với các tiêu chí sau đây :
(1) Chuyển tải các nội dung chủ yếu của quy phạm thông qua các chương nói về thiết k ế các câu kiện cơ bản của kết câu bê tông cốt thép như : phương pháp tính toán và thiết k ế k ết cấu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn; nguyên lý câu tạo cốt thép; thiết k ế kết câu dầm chịu uốn; dầm chịu cắt; dầm chịu xoắn; kết câu cột chịu lực dọc trục; kết câu tường; k ết câu móng; (2) Các thuật ngữ về bê tông cốt thép đã tồn tại và sử dụng rộng rãi ở V iệt Nam được tận dụng triệt để ưong các nội dung của cuốn sách này, ngoại ư ừ các trường hợp đặc biệt sẽ được ghi chú bằng nguyên gốc tiếng Anh đ ể độc giả dễ dàng đôi chiếu; (3) Các ký hiệu sử dụng trong quy phạm được giữ nguyên như bản gôc đ ể bạn đọc có thể đối chiếu khi cần thiết, đồng thời có được tiếng nói chung khi làm việc với các nhà tư vân nước ngoài khi trình bày các vân đề có liên quan đến kết cấu bê tông cốt thép; (4) Các biểu thức tính toán cơ học, các biểu thức tính toán với những k ết quả nghiên cứu thực nghiệm được giữ nguyên theo bản gốc (theo đơn vị US), đồng thời kèm theo đó là các biểu thức tương ứng đã được chuyển đổi theo các đơn vị tính toán quen thuộc đôi với các kỹ sư của V iệt Nam như cm, m, kg, T, T.m, cm2, kg/cm2, v.v... Khi đó, các biểu thức gốc sẽ được đánh sô' ký hiệu kèm theo chữ (a), các biểu thức đã chuyển đổi đơn vị tính toán được đánh số ký hiệu tương ứng và kèm theo chữ (b). Ví dụ : (6.3a) và (6.3b). Từ đó, các ví dụ tính toán được minh họa trong tài liệu này được thực hiện hoàn toàn theo các đơn vị mà các kỹ sư của V iệt Nam đã quen dùng; (51 M ặc dù co ihể sử dụiit’ các quy trình tính toán quen thuộc ở V iệt N am cho các nội dung tính toán về độ bền của kết câu bê tông cốt thép (ví dụ như thiết lập các thông số phụ Ao, a , Ỵ, v.v... đối với câu kiện chịu uốn hoặc nén lệch tâm ), song tác giả vẫn trung thành với cách tính toán m à các kỹ sư Hoa Kỳ quen dùng để giới thiệu với độc giả V iệt N am (ví dụ như cách giải bài toán bằng phương pháp thử đúng dần). C ác bảng tính sẩn, các biểu đồ lập sẩn dùng để hỗ trợ các kỹ sư trong tính toán độ b ền của các cấu kiện bê tông cốt thép không được đưa vào trong cuốn sách này vì chúng không bao quát tâ't cả các trường hợp và râ't khó sử dụng khi đơn vị tính toán theo hệ US; 6
(6) Đ ể đ ộ c giả có th ể tra cứu, tìm h iểu sâu hơn về m ộ t v ấn đ ề n ào đ ó, tác gi; trích d ẫ n ng ay nguồn c á c tà i liệu th eo n g u y ên b ản tiế n g A nh. C á c tà i liệi n ày có th ể là c á c ấ n p h ẩm đã có ở V iệ t N am h o ặc p h ải lấ y từ mạn! In te rn e t thông qua c á c W e b site củ a cá c V iện và T rư ờng đ ại họ c ư ê n th( giới, đ ặ c b iệ t là tran g W eb của V iện b ê tông H oa Kỳ (A C I) tạ i địa ch w w w .aci-in t.o rg ; (7) D o đ iề u k iệ n các nguồn tư liệu k h ác của H oa Kỳ có liê n q uan đ ế n k ế t câ*i bê tô n g c ố t th é p cò n r ấ t h ạn c h ế ở V iệ t N am , ư o n s cuốn sách n à y cò n giđ th iệ u th ê m những nội dung thuộc về tiê u chuẩn quy p h ạm k h ác củ a H oí K ỳ. Đ ó là cá c nội dung thuộc v ề v ậ t liệ u b ê tông, cố t th ép và cá c sản p h ẩn k ế t c ấ u có liê n quan. C á c nội dung v ề tả i ư o n g và tá c đ ộ n g củ a nó đượ< giới th iệ u ư o n g chương 2 được lấ y theo tiêu chu ẩn A N SI A 58.1 - 1982 "T ải ư ọ n g th iế t k ế tối th iểu dùng cho k ế t cấu nhà và công trình kh ác" hoặ( th eo "Q uy ch u ẩn x ây dựng thông nhất" của H oa Kỳ (U B C - U niforn B uilding C ode). C á c nội dung về tả i trọng chì trích d ẫ n những quy đinh chi y ếu có liê n qu an đ ế n v iệ c xác định tải ư ọ n g cho nhà v à c ô n s trình m à tiêi ch uẩn V iệ t N am còn chưa đầy đủ hoặc có sự k h ác b iệ t lđn; (8) D o khu ô n k hổ của cuốn sách có hạn, những v ấn đ ề k h ác củ a k ê t cấu bé tông c ố t th é p thuộc quy p h ạm ACI sẽ được tách ra và giđi th iệu riên g ở cá< ấn p h ẩm tiế p theo cu ố n sách n ày (ví dụ như k ế t cấu tổ hợp. k ế t cấu h ê tôní ứng su ấ t ư ư đc, k ế t cấu các công trình đặc biệt, v.v...). Quy p hạm H oa K ỳ A C I 318 Q uy p h ạ m H oa Kỳ ACI 318 có tê n tiến g Anh đ ầy đủ là "B uilding Code R e q u ứ em en ts for S ư uctural C oncrete". Q uy p h ạm n ày có th ể tìm thây ưoní bộ sách "M anual C on crete P ractice" gồm 5 tậ p do V iện b ê tô n s H oa Kị (A m erican C o n crete Institute - A CI) b iê n soạn và p h át hành. P h ần lđn cá< nội dung củ a quy ph ạm ACI 318 đã được đưa v ào ch ư ơ n s 26 của "Q u' ch u ẩn x â y d ự n a thông nhâY' (UBC - U niform B uilding C ode) của H oa Kỳ T ạ i H oa K ỳ, c á c tài liệ u tiêu chuẩn quy ph ạm được các V iện n g h iên cứu các h iệ p hội hoặc các hãn g lđn b iê n soạn và p h át hành. C h ú n a được địnl 1 '‘Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”. ANSI A 58.1 - 19S2. American National Standards Institute, New York. 1982.
kỳ soát xét, bổ sung và phát hành rộng rãi. Các tiêu chuẩn quy phạm này được lây làm cơ sở kỹ thuật chung cho các hợp đồng nhận thầu th iết k ế và thi công xây dựng công trình, thậm chí chúng còn được đưa vào các văn bản luật của bang hoặc thành phố của Hoa Kỳ. Như vậy, trong thực tế việc sử dụng tiêu chuẩn quy phạm nào là tuỳ thuộc vào sự lựa chọn của các chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng. Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318 về thiết k ế k ết câu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn được biên soạn và ban hành chính thức vào năm 1971. Nội dung của quy phạm này gồm 21 chương, bao ưùm khá nhiều vân đ ề, trong đó ngoài các vấn đề về tính toán và thiết k ế còn có cả những nội dung thuộc về vật liệu, thi công, kiểm ưa và nghiệm thu kết cấu bê tông cốt thép. Phương pháp tính toán và thiết k ế kết cấu bê tông cốt thép theo ứng suât cho phép (ACI ban hành từ năm 1963) cũng song song tồn tại với phương pháp ư ạng thái giới hạn trong quy phạm ACI 318. Thực tế cho thây còn có khá nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng và quy phạm ACI 318 chỉ giới thiệu kèm theo các tài liệu tham khảo để người sử dụng lựa chọn. Qua các nội dung của quy phạm ACI 318, có thể thây rằng phương pháp thiết kê kết câu bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn có rấ t nhiều điểm tương đồng với tiêu chuẩn hiện hành của V iệt N am '. Xin trích dẫn m ột số nội dung so sánh sau đây : (1) Các trạng thái giới hạn • ACI 318 : trạn s thái giới hạn về độ bền, trạng thái giới hạn về sử dụng, trạnơ thái giới hạn đặc biệt (phá hoại kết câu do các tác động đặc biệt aây ra như động đất, cháy nổ, ăn mòn...); • TCVN 5574 - 1991 : nhóm ưạng thái giới hạn thứ I (khả năng chịu lực), nhóm ưạng thái giới hạn thứ II (điều kiện sử dụng bình thường của kết câu). (2) T ải trọn® • ACI 318 : tải ưọng sử dụna theo ANSI A 58.1 - 1982 (hoặc Quy chuẩn xây đựna thông nhất - UBC); 1TCVN 5574 - 1991 "Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế”. 8
• T C V N 5574 - 1991 : tải ư ọ n g tiê u chuẩn lây th eo T C V N 2737 - 199; (T ải trọng và tác động. T iê u chu ẩn th iế t k ế ); (3) T ải trọng tính toán • ACI 318 : [tải trọng tính toán] = [tải ư ọ n g sử dụng] X [hệ số tả i trọng]; • TC V N 5574 - 1991 : lấy theo T C V N 2737 - 1995, [tải trọng tính toán = [tải trọng tiêu chuan] X [h ệ s ố độ tin cậ y ] (4) T ổ hợp tải trọng tính toán • ACI 318 : với trạ n s thái giới h ạn về sử dụng, tổ hợp tải trọng tính toár được x ác định với tải ư ọ n g sử dụng (không n h ân với h ệ sô" tả i ư ọ n g ) V ới trạn g thái eiới h ạn về độ b ề n , tổ hợp tải trọng tính to án được xác định với tả i trọ n ? tính to á n (đã n h â n với h ệ sô" tả i trọ n g ), nhưng có hệ sô" tô hợ p riê n g cho trường hợp có tá c d ụ n g đ ồ n g thời củ a n h iề u hoại tả i, ví dụ như : 1,4DL + 1.7LL, 0 ,75(1,4D L + 1.7LL + 1,7W ), trong đc D L - tĩnh tải, LL - h o ạt tải sử dụng, w - tải trọng gió; • TC V N 5574 - 1991 : theo quy định của T C V N 2737 - 1995 [m ục 2.4] V ới nhóm trạn g th ái giới h ạ n 2 (đ iều k iệ n sử d ụ n g bình thường củ a kếi câu), tổ hợp tải trọng x ác định theo tải trọ n e tiê u chuẩn. V ới n h ó ư ư ạ n g thái giớ i hạn 1 (theo khả năn g chịu lực và ổn định), tổ hợp tả: trọng lấy theo tải trọng tính toán, nhưng có hệ số g iảm khi có tác dụng đồng ihời của hai h o ại tải trở lên; (5) Đ iều k iệ n tính lo án và th iế t k ế theo trạng thái giới hạn • ACI 318 : khống c h ế tổ hợp lực tính toán tác dụng lê n tiế t d iện (mc m en, lực cắt, lực dọc trục, m ô m en x o ắ n ,...) nhỏ hơn h o ặc b ằn g độ b ề r th iế t kế. Độ b ền th iết k ế b ằn g độ b ề n danh nghĩa n h ân với hệ sô giảrr độ b ền ( nhỏ hơn 1). Đ ộ b ề n danh nghĩa củ a cấu k iệ n được x ác định theo kích thước k ết câu, v ậ t liệu bê tông và cố t th ép , trạn g thái chịu lực các giả th iế t và các k ế t quả n ghiên cứu thực nghiệm . C ác đ ặc trưng của v ật liệ u được đưa v ào tính toán gồm ft' (độ b ề n củ a b ê tông khi n ér m ẫu trụ), fỵ (giới h ạn chảy của cố t thép). T ính to án k iể m tra độ b ền c ấ i k iệ n được tiế n hành trên tiế t d iện thẳn g góc, tiế t d iệ n n g h iên g (khi cắt) tiế t d iệ n v ên h (khi xoắn);
• TCVN 5574 — 1991 : khống ch ế tổ hợp lực tính toán tác dụng lên tiêt diện (mô men, lực căt, lực dọc trục, mô men xoắn, ...) nhỏ hơn hoặc bằng khả năng chịu lực của cấu kiện. Khả năng chịu lực của cấu kiện được xác định theo kích thước kết cấu, vật liệu bê tông và cốt thép, trạng thái chịu lực và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm . C ác đặc trưng của vật liệu đưa vào tính toán bao gồm : cường độ tính toán của bê tông Rn (nén), R k (kéo) được suy từ m ác bê tông (độ b ền bê tông khi nén mẫu khối vuông 15 X 15 X 15cm); cường độ tính toán của cốt thép Ra được suy ra từ giới hạn chảy của cốt thép. Cường độ tính toán của b ê tông và cốt thép được xác định trên cơ sở m ác bê tông hay giới hạn chảy của cốt thép với một loạt các hệ số như hệ số xác suâ't thống kê, hệ sô điều kiện làm việc, hệ số an toàn (kéo, nén), hệ số m ỏi. Tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của cấu kiện được tiến hành ư ê n tiết diện thẳng góc, tiết diện nghiêng (khi cắt), tiết diện vênh (khi xoắn); • Độ võng và chiều rộng v ết nứt được tiến hành so sánh với giá trị cho p hép của tiêu chuẩn TCVN 5574 - 1991 hoặc ACI 318; (6) Trạng thái ứng suất - biến dạng trên tiết diện thẳng góc • ACI 318 : cơ sở tính toán độ bền của cấu kiện ư ê n tiết diện thẳng góc là ở trạng thái giới hạn, phân b ố ứng suất của bê tông vùng n én có dạng khối chữ nhật tương đương với cường độ bằng y fé (hệ s ố y = 0,85 + 0,86, tuỳ thuộc vào độ b ề n bê tông fc') , ph ân b ố trên chiều cao a = 2(ỉc (2(3 = 0,65 + 0,85, phụ thuộc vào độ bền fc' của bê tông; c - khoảng cách trục trung hòa đến thớ biên chịu nén), ứ n g suâ”t trong cốt thép chịu kéo As xác định trên cơ sở giả thiết về tiết diện phẳng, tương thích biến dạng và biến dạng giới hạn của bê tông tại thớ biên chịu nén £u = 0,003. • TCVN 5574 - 1991 : cơ sở tính toán độ b ền của câu kiện trcn tiết diện thẳng góc là ở trạng thái giới hạn, phân bố Hình 1. ứng suất trẽn tiết diện ứng suất của bê tông vùng nén có dạng thẳng góc (ACI318). 10
kh ố i ch ữ n h ật tương đương với cường độ tính to án b ằn g R n, trong đó R = (0,42 - 0,45)R và phụ thuộc vào m ác b ê tông R (x ác định th eo m ẫi b ê tông kh ố i vuông 1 5 x l5 x l5 c m ). C h iều cao X củ a vùng b ê tông chịi n é n được x ác định theo các phương trình câ n b ằn g lực trê n tiế t d iệ n Vc p h ải thỏa m ãn các đ iều k iệ n h ạn c h ế theo k ế t quả n g h iên cứu thựi n g h iệ m X < a 0h0 (ho - chiều cao tính to án của tiế t d iệ n ), a„ = 0,4 - 0,6* tuỳ thuộc v ào m á c bê tông và cường độ tính to án củ a cố t th ép , ứ n g sim trong cố t th ép đ ạ t đ ến giới h ạn chảy và lấ y bằn g cường độ tính to án Ra T rong trường hợp cố t th ép không p h ân bô" th eo c á c đường b iê n sonị song với trục trung hòa (uốn x iên , k é o và n én lệ ch tâ m x iê n ), ứng suâ' trong cốt th é p fai được x ác định theo nguyên tắ c hình họ c với giả th iế tiế t d iệ n p h ẳn g , đồng thời p h ải thỏa m ãn các đ iề u k iệ n h ạ n c h ế kèrr theo [m ục 3.31, TC V N 5574 - 1991]; • C ác phương trình cần bằng nội và ng o ại lực trê n tiế t d iệ n th ẳn g gó c của A CI 318 tương tự TCV N 5574 - 1991. (7) C ác đ iề u k iệ n h ạ n c h ế đ ối với cấu k iệ n chịu uô"n • ACI 318 : đ ể ng ăn ngừa khả n ăn g phá hoại g iòn củ a k ế t cấu , hàrr lượng cố t th é p chịu k éo p p h ải nhỏ hơn h àm lứỢng cố t th é p cân b ằn g H àm lượng cốt th ép câ n bằn g Pb được x ác định từ đ iề u k iệ n b iế n dạng củ a bê tông vùng n én đ ạt đ ến giá trị giới h ạn eu = 0,003 và cố t th ép đại đ ế n giới h ạn chảy. Tuy nhiên, đ ể cô't th ép trong k ế t câ'u p h át triể n giới h ạn ch ảy m ộ t cách rõ rệ t, quy ph ạm quy định p < pmax = 0 ,7 5 p b (vì khi p = Pb, cố t th é p m ới b ắt đ ầu chảy dẻo). T uy n h iên , n ế u quá ít cố t thép, khả năn g phá hoại giòn cũng sẽ x ảy ra và hàm lượng cố t th é p cũng phải lớn hơn h àm lượng cốt th ép tối thiểu, p > pmi„. V ới cố t th ép có giới hạti chảy fy = 2800kg/cm 2, p min = 14/2800 = 0,005 (h o ặc 0,5% ); • T C V N 5574 - 1991 : đ ể ng ăn ngừa khả năn g phá h o ại giòn, ch iều cac vùng b ê tông chịu n én p h ải hạn c h ế theo đ iề u k iệ n X < cXoho và hàrr lượng cốt th ép ụ > n min (n min = 0,05% ); • Khi bô' trí cố t th ép chịu nén, xuâ't p h át từ đ iều k iệ n b iế n d ạn g giới h ạr của bê tông khi nén, T C V N 5574 - 1991 đã h ạ n c h ế cường độ tính to ár của cốt th ép Rá = 3600kg/cm 2. T rong khi đó, th eo ACI 318, giới h ạr chảy của cố t th ép chịu n én p hải nhỏ hơn hoặc b ằn g 4200kg/cm 2.
Khi nghiên cứu và vận dụng ACI 318 vào trong thực tế, nhất là khi sử dụng các chương trình tính toán kết cấu của Hoa Kỳ, độc giả cần lưu ý đến những đặc điểm khác biệt so với tiêu chuẩn V iệt Nam. Độ bền bê tông theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ được xác định theo mẫu hình trụ có kích thước 150 x 300mm, trong khi đó m ác bê tông theo tiêu chuẩn V iệt Nam được xác định theo mâu khối vuông 1 5 x l5 x l5 cm . Từ đó, khi áp dụng cần phải ghi chú rõ ràng về loại mẫu thử độ bền trong hồ sơ thiết kế. N ếu sử dụng m ẫu khối vuông theo tiêu chuẩn V iệt Nam, độ bền của bê tông được quy đổi thành độ b ền theo mẫu trụ ft! = R/1,2 khi tính toán theo quy phạm ACI 318. Đốì với cốt thép có thềm chảy rõ rệt, giới hạn chảy của cốt thép lấy bằng giới hạn chảy thực tê (theo tiêu chuẩn V iệt Nam, cường độ tiêu chuẩn của cốt thép chính là giới hạn chảy). Đối với cốt thép không có thềm chảy rõ rệ t (thép cường độ cao), giới hạn chảy của cô't thép fy lây bằng ứng suất tương ứng với độ giãn dài tương đốì bằng 0,0035 (hoặc 0,35%). Sau cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn Vụ Khoa học Công nghệ (Bộ Xây dựng), các đồng nghiệp tại Công ty tư vân xây dựng tổng hợp (Bộ Xây dựng) và Trung tâm Khoa học Công nghệ và Kỹ thuật xây dựng về sự giúp đỡ, động viên và khuyến khích. Xin chân thành cảm ơn Nhà xuât bản Xây dựng đã biên tập cẩn thận trước khi cuốn sách này đến tay độc giả. Trong lần xuât bản đầu tiên, cuốn sách này không khỏi có những thiếu sót. Tác giả rât mong được sự góp ý của các đồng nghiệp gần xa đ ể hoàn thiện cuôn sách này trong lần tái bản sau. Ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ : "Trung tâm Khoa học Công nghệ và Kỹ thuật xây dựng", 49 Pasteur, Q l, TP. Hồ Chí Minh - Email : cstc@ hcm .vnn.vn. T ác giả : TS. NGUYỄN trung hòa 12
Chương 1 VẬT LIỆU 1.1. T H À N H PH Ầ N H Ỗ N H ộ p BÊ TÔ N G □ H ỗn hợp bê tông : cốt liệu + xi m ăng + nước + phụ gia (n ếu có). □ C ốt liệ u củ a b ê tông C ốt liệ u ch iếm 709Ỉ- - 809f khôi tích b ê tông. C ố t liệ u trong b ê tông chủ yếu là c á c sản ph ẩm từ đá thiên nhiên, sỏi cuội (cốt liệu thô) và c á t (cốt liệ u m ịn). K ích cỡ của cố t liệu dù n a cho bê tông theo T iêu chu ẩn H oa Kỳ A STM C33 (S tandard Specifications for C oncrete A ggreg ates) được tóm tắ t qua b ả n s 1.1. B ả n g 1.1. K ích cỡ cố t liệu th ô và m ịn cho b ê tô n g ASTM mm in. Cốt liệu thô 3 in. 75 3 2 Vi in. 63 2,5 2 in. 50 ■> 1 Vĩ in. 37,5 1,5 1 in. 25 1 % in 19 0,75 Vỉ in. 12,5 0,5 3/8 in. 9,5 0,375 Cốt liêu min No. 4 4.75 0.187 No. 8 2,36 0,0937 No. 16 1.18 0,0469 No. 30 0,60 (600(im) 0,0234 No. 50 300nm 0,0124 No. 100 150(.im 0,0059 13
C ác quy định về giới hạn tỷ lệ (%) cốt liệu lọt qua sàng được giđi thiệu qua bảng 1.2 và 1.3. Bảng 1.2 . Giới hạn đốĩ vổi cốt liệu thô (ASTM C33) Tỷ lệ % lọt qua mỗi sàng (kích thước danh nghĩa lớn nhất) Cỡ sàng 1Vỉ in. 1 in. 3/4in 1/2 in 1 Vi in. 95 H- 100 100 _ - 1 in. - 95 -s-100 100 - VO 3/4 in. 100 •I- 35*70 o oo - •I* 1/2 in. 25-=-60 VO o 8 - _ o r- o o o 3/8 in 2 0 -ỉ-55 + •I- - No.4 0+5 0-=- 10 0 * 10 0-=- 15 No.8 - 0 -5 0 -5-5 0 -5 B ảng 1.3. Giới hạn đôi với cố t liệu mịn (ASTM C33) Cỡ sàng Tỷ lệ % lọt qua sàng 3/4 in. 100 No.4 95 H- 100 No. 8 80 H- 100 No. 16 50-=-85 No.30 25 + 60 No.50 10-ỉ-30 No. 100 2+10 N ếu không thỏa mãn các giới hạn đã nêu ở trên, hỗn hợp bê tông cần phải cần nhiều vữa xi măng hơn và khả năng phân tầng bê tông sẽ lớn hơn. □ Xi măng Portland theo ASTM C150 (Specifications for Portland Cem ent) gồm các loại sau đây : • I - Thông thường; • II - B ền sulfate trung bình, tỏa nhiệt trung bình khi thuỷ hóa; • III - Độ bền ban đầu cao (nhưng tỏa nhiệt nhiều); • IV - Xi măng Portland tỏa nhiệt thấp, hạn ch ế nứt do nhiệt, nhưng phải khống ch ế nhiệt độ ban đầu; • V - Bền sulfate (trong môi trường biển). 14
T rong hỗn hợp bê tông, thành ph ần vữa xi m ăn g ch iếm 1/4 th ể tích. □ N ước dùng đ ể ư ộ n bê tông p h ải là nước sạch, kh ô n g bị n h iễm d ầu , axit, k iềm , m uôi, c á c c h â t hữu cơ và các châ't có hại cho b ê tông h o ặc cô"t th é p [m ục 3.4, ACI 318]. □ Tỷ lệ nước/xi m ăng (N/XM ) trong hỗn hợp b ê tông có ản h hưởng đ ến độ bền, tuổi thọ và tính linh động của hỗn hợp. Tỷ lệ nước cần thiết đ ể xi m ăng thuỷ hóa vào khoảng N /X M = 0,25. Tuy nhiên, với N /X M = 0,25 thì hỗn hợp "rất cứng", độ linh động thâ'p và không th u ận lợi cho thi công. 1.2. L ự A C H Ọ N T H À N H P H A N và cap phoi bê tôn g □ L ựa ch ọ n cấ p phối các thành ph ần củ a hỗn hợp b ê tông kh ô n g những p h ải đ ảm b ả o các y êu cầu về độ b ề n và tuổi thọ m à cò n p h ải đ ảm b ảo th u ận lợi cho quá trình thi công. T iê u chu ẩn H oa Kỳ ACI 211.2 (S tandard P ractice for S electing Proportions for N orm al, H eavyw eight, and M ass C oncrete) đưa ra các phương pháp thực h ành lựa chọn câ'p phối thành ph ần b ê tông thông thường, bê tông nặng và b ê tông khối lớn. □ K ích cỡ lớn n h ẫ t của cốt liệu thô Đ ối với k ế t câu b ê tông cốt thép, kích cỡ danh nghĩa lđn n h ất củ a cố t liệ u không được lớn hơn [m ục 3.3.2, ACI 318] : • 1/5 kích thước nhỏ nhâ't giữa các m ặ t v án khuôn; • 1/3 c h iều d ày củ a tấm , bản; • 3/4 kh o ản g cá ch thông thuỷ giữa các thanh th ép , bó th ép , các th ép căn g h o ặc ông lồng cố t th ép (ứng suất ưưđc). T hông thường, kích cỡ lớn n h âì của cố t liệu v ào k h o ản g 20 -s- 25m m (3/4 f 1 in.). □ Tỷ lệ nưđc/xi m ãn g (N /X M ) Tỷ lệ nưđc/xi m ăng được x ác định ư ê n cơ sở thí n ghiệm . Khi không có các số liệ u thí nghiệm tại h iệ n trường, tỷ lệ N /X M tôi đa [m ục 5.4.1, ACI 318] được quy định như sau : 15
Bảng 1.4. Tỷ lệ N/XM tối đa Độ bền nén của bê tông ( f ') Bê tông không bọt khí Bê tông bọt khí 2500psi (175kg/cm2) 0,67 0,54 3000psi (210kg/cm2) 0,58 0,46 3500psi (245kg/cm2) 0,51 0,40 4000psi (280kg/cm2) 0,44 0,35 4500psi (3 15kg/cm2) 0,38 + 5000psi (350kg/cm2) + + Ghi chú : (+) đối với bê tông có độ bền lớn hơn 315kịi/cm2 ị4500psi), tỷ lệ N/XM xúc định theo thí nị>hiệm. Độ bền của bê tông tỷ lệ nghịch với tỷ lệ N/XM và có thể biểu diễn bằng quan hệ sau đây : fé = B I.SN/XM (Psi) (lla ) fc = ^ ẩ ầ r (kg/cm2) ( l lb ) trong đó : ft! - độ bền của m ẫu bê tông, psi (hoặc kg/cm2); A = 14000; B = 4 (phụ thuộc loại xi măng); N/XM - tỷ lệ nước/xi măng Lưu ý : mẫu bẽ tôrìỊỊ khối hình trụ cỏ kích thước tiêu chuẩn lù (6xl2)in. hay (150x300)mm. □ Độ sụt của hỗn hợp bê tông Bảng 1.5. Độ sụt của hỗn hợp bê tông, cm (in.) Loại kết câu max min Móng 7,5(3) 2,5(1) Dầm, iường 10(4) 2,5 (1) Cột nhà 10(4) 2,5(1) Sàn 7,5 (3) 2.5 (1) Bê tông khôi 7,5(3) 2,5 (1) Ghi chú : Cúc ỊỊÌÚ trị tronịỉ ngoặc ( ) tính bàrìịỉ inch. 16
1.3. C Á C T ÍN H C H Ấ T c ơ LÝ C Ủ A BÊ T Ô N G 1 3 .1 . M ô đun đ àn hổi M ối quan h ệ giữa m ô đun đ àn hồi và độ b ền củ a b ê tông được biểu d iễ n bởi b iểu thức [m ục 8.5.1, ACI 318]: E, =57000TẸ (psi) (1.2a) Ec = 15000^" (k g /c n r) (1 ,2b) h o ặc E c = 3 3 y '-5^ (psi) (1.3a) E t. = 0 ,1 3 6 y '-57 Ẹ (kg/cm 2) (1.3b) ư o ng đó : Et - m ô đun đ àn hồi của bê tô n s, psi (kg/cm 2): fj - độ b ề n chịu n én cùa bê tô n e (m ẫu ư ụ ), psi; y - ư ọ n g lượng th ể ưch củ a bê tông, lbs/ft3 (kg/rrv). Với b ê tông thông thường, y = 2400kg/m 3 (150 lb/ft3). 1.3.2. Đ ộ b ền chịu n é n của bê tông M ẩu thử độ b ề n chịu nén của bê tông là m ẫu khối hình ư ụ có đường kính 150m m (6in.) và chiều cao 300m m c 12 in.)- M ẫu được c h ế tạo, b ảo dưỡng và thí n ah iệm phù hợp vđi tiêu chuẩn H oa Kỳ A STM C31 (P ractice for M aking and C uring C oncrete T est S p ecim en ts in the Field) và á ê u chuẩn A STM C 39 (T est M ethod for C o m p ressiv e S ư en g th of C ylindrical C oncrete S p e c im e n ts ): • N h iệt độ : 20"c (70(IF). • B ảo dưỡng ẩm thường x uyên ở n h iệt độ 23"c (7 3 ° F ); • Khi m ẫu đạt 28 ngày tuổi (có thể sớm hơn nếu có yêu cầu), liến hành thử m ẫu. T ốc độ gia tải bằng 2,5 ka/cmVs (35 psi trons 1 giây). Độ b ề n cùa bê tông tă n s theo thời gian. Tuy nh iên , độ b ền của bê tông sau 28 ng ày tuổi tăng chậm . M ối quan hệ siữ a độ b ền của h ê [ông và ihời gian được biểu d iên qua b iểu thức thực nghiệm sau đây.
f ' = ___ ĩ ___ (1.4) 4 + 0,85t C-2X trong đó : fg,- độ b ền của bê tông ở t ngày tuổi, psi (hoặc kg/cm 2); fé 28 - độ bền của bê tông ở tuổi 28 ngày, psi (kg/cm 2); t - thời gian tính toán độ bền, ngày. 1.3.3. Độ bền chịu k éo củ a bê tông Độ bền chịu kéo của bê tông bằng 8 15% độ bền khi nén. G iá trị độ bền chịu kéo của bê tông chịu ảnh hưởng rấ t lớn của các yếu tố như dạng thí nghiệm , dạng cốt liệu, độ bền khi nén và sự xuât hiện ứng suất nén cắt ngang qua ứng suất k é o 1. Có hai dạng thí nghiệm độ bền bê tông khi kéo thường được áp dụng : (1) X ác định độ bền chịu kéo của bê tông bằng thí nghiệm uốn dầm bê tông có k íc h thước 15 X 15 X 75cm (6 X 6 X 30in.), chất tải ở cắc điểm cách các gối tựa m ột khoảng bằng 1/3 nhịp 60cm (24in.) cho đến khi xuất hiện vết nứt ở m ặt chịu kéo. Độ bền chịu kéo khi uốn của bê tông được xác định theo biểu thức : 6M (1.5) trong đó : fr - độ bền chịu kéo khi uốn của bê tông; M - mô men; b, h - chiều rộng và chiều cao của dầm. Độ bền chịu kéo khi uốn của bê tông fr còn được gọi là mô đun phá hoại khi uốn (modulus of rupture) và chúng được xác định theo ASTM C78 hoặc C293. (2) Xác định độ bền chịu kéo của bê tông bằng cách thí nghiệm m ẫu hình trụ nứt tách. M ẩu hình trụ có kích thước 150 X 300mm (6 X 12in.)- Khi 1 Jerome M. Raphael, ."Tensile Strength of Concrete", ACI journal. Proceedings Vol. 81 No. 2, March - April 1984, trang 5 2 -5 8 . 18