Giáo trình Bê tông cốt thép

GIÁO TRÌNH BÊ TƠNG CỐT THÉP CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG 1 Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. THẾ NÀO LÀ BÊTÔNG CỐT THÉP 1.1.1. KHÁI QUÁT Đặc trưng Bêtông Cốt thép Khả năng chịu kéo kém tốt Khả năng chịu nén tốt tốt, Khả năng chịu cắt trung bình tốt Độ bền tốt dễ bị ăn mòn Chịu lửa tốt kém 2 Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 3 Khe nứt Thớ chịu kéo Thớ chịu nén Lớp trung hòa Tải trọngP 0 1 b Khe nứt Thớ chịu kéo Cốt thép dọc1 Lớp trung hòa Miền chịu nén 1 Tải trọng -1 h P >> P0 DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP DẦM BÊTÔNG Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 4  Đặt cốt thép vào vùng nén để tăng khả năng chịu lực và giảm kích thước tiết diện.  Cốt thép tham gia chịu nén cùng bêtông. Sức chịu nén của cốt thép cũng tốt bằng sức chịu kéo Tải trọng Cốt thép dọc chịu nén CỘT BÊTÔNG CỐT THÉP Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 5 1.1.2. CÁC LÝ DO ĐỂ BÊTÔNG VÀ CỐT THÉP CÓ THỂ CÙNG CỘNG TÁC CHỊU LỰC  Nhờ có lực dính mà có thể truyền lực qua lại giữa bêtông và cốt thép, khai thác cường độ cốt thép, hạn chế bề rộng khe nứt.  Giữa BT và CT không xảy ra phản ứng hóa học  Hệ số giãn nở nhiệt của BT và CT gần bằng nhau. Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 6 1.2. PHÂN LOẠI BTCT THEO PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG BTCT LẮP GHÉP BTCT TOÀN KHỐI BTCT BÁN LẮP GHÉP Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 7 1.2. PHÂN LOẠI BTCT THEO RẠNG THÁI ỨNG SUẤT KHI CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG BTCT THƯỜNG BTCT ỨNG SUẤT TRƯỚC 8 SÀN BTCT ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG SAU Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 9 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. Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 10 1.3. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG 1.3.2. NHƯỢC ĐIỂM  Dễ có khe nứt tại vùng kéo  khắc phục bằng cách dùng BTCT 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 BTCT toàn khối tương đối phức tạp.  Trọng lượng bản thân lớn, khó làm kết cấu nhịp lớn  khắc phục bằng cách dùng BTCT ứng lực trước, kết cấu vỏ mỏng … CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 11 CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 12 2.1 BÊTÔNG 2.1.1 CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊTÔNG  Cường độ là đặc trưng cơ bản của bêtông, phản ánh khả năng chịu lực của nó a. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN F N Rn  CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 13 b. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO  Thí nghiệm kéo  Thí nghiệm uốn Thông thường, R k =10  40 kG/cm2 F N R kk  2k bh M5,3 W M R    CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 14 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM MẪU BÊTÔNG CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 15 Thí nghiệm nén chẻ để tìm cường độ chịu kéo Cylindrical splitting test Thí nghiệm nén mẫu hình trụ CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 16 c.CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊTÔNG  Thành phần bêtông  Chất lượng của việc nhào trộn, độ đầm chắc của hỗn hợp bêtông khi đổ khuôn và điều kiện bảo dưỡng  Sự tăng cường độ bêtông theo thời gian R t = 0,7R 28 lgt  Điều kiện thí nghiệm CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 17 2.1.2 MÁC BÊTÔNG và CÂP ĐỘ BỀN CHỊU NÉN a.MÁC THEO CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN M (kG/cm2)  BT nặng : M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400,…  B15, B20, B30…  BT nhẹ : M50, M75, M100 , …  Trong kết cấu BTCT, dùng bê tông có cấp độ bền chịu nén B15 trở lên, mác BT 200. b.MÁC THEO CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO K  K10, K15, K20, …  Bt c.MÁC THEO KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM T  T2 , T4, T8, … CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 18 2.1.3 BIẾN DẠNG CỦA BÊTÔNG a. BIẾN DẠNG DO CO NGÓT  Co ngót là hiện tượng BT 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 … Các nhân tố chính ảnh hưởng đến co ngót :  Độ ẩm  Xi măng, cốt liệu Biện pháp hạn chế co ngót :  Chọn thành phần BT thích hợp, đầm chặt, giữ ẩm  Dùng khe co giãn  Đặt cốt thép cấu tạo CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 19 b. BIẾN DẠNG DO NHIỆT ĐỘ  Hệ số giãn nở vì nhiệt trung bình của bêtông:  b =110-5 /độ C c. BIẾN DẠNG DO TẢI TRỌNG TÁC DỤNG NGẮN HẠN  Bêtông không phải là vật liệu đàn hồi hoàn toàn, nó là vật liệu đàn hồi - dẻo. CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 20 e.MÔĐUN ĐÀN HỒI, MÔĐUN BIẾN DẠNG, MÔĐUN CHỐNG CẮT CỦA BÊTÔNG Môđun đàn hồi ban đầu E b  Khi bêtông chịu nén, trong giai đoạn đàn hồi : E b = tg 0 = Ví dụ :trong điều kiện khô cứng tự nhiên, bêtông M200 có E b = 2,40105 kG/cm2 B15 có E b = 23103 MPa bêtông M250 có E b = 2,65105 kG/cm2 B20 có E b = 27103 Mpa (E b =tra phụ lục 3) dh b  CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 21 2.2. CỐT THÉP 2.2.1 PHÂN LOẠI CỐT THÉP DÙNG TRONG BTCT THEO THÀNH PHẦN HÓA HỌC Thép cacbon Thép hợp kim thấp THEO CÁCH GIA CÔNG CHẾ TẠO Cốt thép cán nóng Sợi thép kéo nguội THEO HÌNH THỨC MẶT NGOÀI Cốt thép tròn trơn Cốt thép có gờ Thép hình L,C, I CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 22 Cốt thép có gân (gờ) CII, CIII, CIV Cốt thép tròn trơn CI CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 23 2.2.2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CỐT THÉP a. BIỂU ĐỒ ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG Độ dãn dài cực hạn của thép ch đh A  0    tl ch   b K  25%(CT.3) --> 19% (CT.5) 0 d = 0,2% 1  a 2 K K 1 3 1D 1 D B CĐ tính tóan Giá trị để tính của thép Sự làm việc của thép khi chịu kéo Giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy quy ước Thép rắn CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 24 b. CỐT THÉP DẺO VÀ CỐT THÉP RẮN  Cốt thép dẻo : có thềm chảy rõ ràng…  Cốt thép rắn : có giới hạn chảy không rõ ràng và  ch   b ,… c. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ  Thép bị nung nóng : thay đổi cấu trúc kim loại, giảm cường độ, môđun đàn hồi. Khi để nguội trở lại thì cường độ không được hồi phục hoàn toàn.  Khi chịu lạnh quá mức (dưới -300C) , thép trở nên giòn  Hệ số giãn nở vì nhiệt của thép  t = 1 10-5 /độ C CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 25 2.2.3 PHÂN NHÓM CỐT THÉP a. THEO TCVN (TCVN 3101:1979)  4 nhóm cốt thép cán nóng : cốt tròn trơn nhóm CI; cốt có gờ nhóm CII, CIII, CIV.  Các loại dây thép cacbon thấp kéo nguội dùng làm cốt thép cho bêtông. b. THEO CÁC TIÊU CHUẨN KHÁC AI, AII, AIII, AIV (tương đương với các nhóm CI, CII, CIII, CIV) ; AV, AVI (TCXDVN 356:2005 sử dụng cách phân loại này) Theo giới hạn chảy : FeE220, FeE400, SR235, SD295, SD340, SD390, … vv, … CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 26 2.3. BÊTÔNG CỐT THÉP 2.3.1 LỰC DÍNH GIỮA BÊTÔNG VÀ CỐT THÉP  Lực dính bảo đảm sự làm việc chung, sự cùng biến dạng, sự truyền lực qua lại giữa bêtông và cốt thép . CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 27 a. CÁC NHÂN TỐ TẠO NÊN LỰC DÍNH  Cốt thép có gờ BT dưới gờ chống trượt CT  Keo ximăng dán chặt cốt thép với bêtông.  Có lực ma sát giữa cốt thép và bêtông khi co ngót. b. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC DÍNH  Trong cấu kiện chịu nén thì lực dính tốt hơn so với trong cấu kiện chịu kéo .  Chất lượng bêtông  Bề mặt cốt thép  Công thức thực nghiệm : CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 28 2.3.2 Sự phá hoại và hư hỏng của BTCT  Sự phá hoại do chịu lực  Sự phá hoại của Thanh chịu kéo  Sự phá hoại của Thanh chịu nén  Sự phá hoại của Dầm chịu uốn  Sự hư hỏng do tác dụng của môi trường Nguyên nhân  Tác dụng cơ học.  Tác dụng sinh học.  Tác dụng hóa học. CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 29 Biện pháp bảo vệ  Bảo đảm lớp bêtông bảo vệ, công trình thông thoáng, tránh ẩm ướt .  Làm sạch bề mặt cốt thép (cạo gỉ, chùi bụi …), sơn hay tô mặt ngoài bêtông.  Dùng cốt liệu và nước sạch để đổ bêtông . CHƯƠNG 3 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 30 Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 31 TÍNH TOÁN : - Xác định tải trọng và tác động, xác định nội lực và tổ hợp nội lực, xác định khả năng chịu lực của kết cấu hoặc tính toán tiết diện BTCT. CẤU TẠO : - Chọn vật liệu (mác bêtông, nhóm cốt thép), chọn kích thước tiết diện cấu kiện, chọn và bố trí cốt thép, giải quyết liên kết … Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 32 3.1. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG  Tác động có nguồn gốc thiên nhiên như gió bão, động đất, áp lực nước ngầm, áp lực đất, sự thay đổi nhiệt độ…  Tác động khác như trọng lượng vật liệu và kết cấu, hoạt động của con người trong công trình, sự vận hành của máy móc thiết bị, sự cố cháy nổ … 3.1.1 PHÂN LOẠI TẢI TRỌNG THEO TÍNH CHẤT Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) Tải trọng tạm thời (hoạt tải) Tải trọng đặc biệt Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 33 3.1.1 PHÂN LOẠI TẢI TRỌNG TT DÀI HẠN THEO THỜI HẠN TÁC DỤNG Tải trọng dài hạn Tải trọng ngắn hạn THEO PHƯƠNG, CHIỀU Tải trọng đứng Tải trọng ngang THEO TRỊ SỐ Tải trọng tiêu chuẩn Tải trọng tính toán Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 34 3.1.2 Tổ hợp tải trọng  Tĩnh tải thường xuyên tác dụng lên kết cấu, trong khi đó hoạt tải có thể xuất hiện ở những chỗ khác nhau vào những thời điểm khác nhau.  Tổ hợp tải trọng : sắp xếp vị trí của hoạt tải để tìm giá trị nội lực lớn nhất ở một tiết diện nào đó. Nội lực ứng với mỗi trường hợp tải trọng có thể được xác định theo sơ đồ đàn hồi hoặc sơ đồ có xét đến biến dạng dẻo trong BTCT. Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 35 Một số trường hợp tải trọng Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 36 3.2. CƯỜNG ĐỘ TIÊU CHUẨN VÀ CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN 3.2.1 BÊTÔNG  CƯỜNG ĐỘ TIÊU CHUẨN Rtc  CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN b b tc m k R R  Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 37 3.2.2 CỐT THÉP  CƯỜNG ĐỘ TIÊU CHUẨN  Tiến hành thí nghiệm kéo kiểm tra cường độ cốt thép. Với cốt thép dẻo kiểm tra theo giới hạn chảy, với cốt thép rắn kiểm tra theo giới hạn bền. Cường độ tiêu chuẩn (R a tc ) lấy bằng giá trị kiểm tra nhỏ nhất với xác xuất bảo đảm95%.  CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN  Cường độ tính toán về kéo (R a ):  Cường độ tính toán về nén (R’ a ) a a tc a a m k R R  Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 38 3.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT  Hiện nay, kết cấu BTCT được tính toán theo phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH).  Trạng thái giới hạn là trạng thái mà từ đó trở đi kết cấu không còn thỏa mãn những yêu cầu đặt ra cho no ù.  2 nhóm TTGH :về khả năng chịu lực và về điều kiện sử dụng bình thường. Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 39 3.3.1 NHÓM TTGH THỨ NHẤT : (về cường độ )  Bảo đảm khả năng chịu lực cho kết cấu:  Không bị phá hoại do tác dụng của tải trọng và tác động.  Không bị mất ổn định về hình dáng hoặc về vị trí.  Không bị phá hoại vì mỏi.  Không bị phá hoại do tác dụng đồng thời của những nhân tố về lực và những ảnh hưởng bất lợi của môi trường.  Điều kiện tính toán : T  T gh  Bài toán thiết kế  Bài toán kiểm tra tc i i iT T n c Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 40 Minh hoạt một số hình ảnh mất ổn định của kết cấu Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 41 Minh hoạt một số giai đoạn làm việc của kết cấu Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 42 3.3.2 NHÓM TTGH THỨ HAI  Hạn chế biến dạng để bảo đảm điều kiện sử dụng bình thường  Khi tính toán theo TTGH thứ hai thì dùng tải trọng tiêu chuẩn và cường độ tiêu chuẩn của vật liệu.  Kiểm tra biến dạng : f  f gh Độ võng giới hạn của cấu kiện BTCT Loại cấu kiện Giới hạn độ võng 1. Dầm cầu trục chạy điện (1/600) L 2. Sàn có trần phẳng, cấu kiện của mái : - Khi nhịp L < 6 m - Khi nhịp 6  L  7,5 m - Khi nhịp L > 7,5 m (1/200) L 3 cm (1/250) L Ghi chú: L là nhịp tính toán của dầm hoặc bản kê lên 2 gối. Đối với console thì dùng L =2L1 với L1 là độ vươn của console Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 43  Kiểm tra sự hình thành và mở rộng khe nứt  Đối với cấu kiện cho phép nứt : a n  a n.gh  Đối với cấu kiện không cho phép nứt : T  T n Một số trường hợp cần thiết phải tính toán theo TTGH thứ hai:  Kiểm tra độ võng cho dầm có nhịp  7m  Kiểm tra nứt cho dầm có nhịp  10m ; kết cấu lắp ghép, bể chứa chất lỏng, chất khí … Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 44 3.4 NGUYÊN TẮC CẤU TẠO BTCT 3.4.1 HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN  Chọn hình dạng và kích thước tiết diện phải bảo đảm:  Khả năng chịu lực  Độ cứng  Độ ổn định  Tiết kiệm vật liệu  Thuận tiện thi công  Bảo đảm mỹ quan công trình Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 45 3.4.2 CẤU TẠO CỐT THÉP a. KHUNG VÀ LƯỚI CỐT THÉP  Cốt thép đặt vào trong BT không được để rời mà phải liên kết chúng lại với nhau thành khung hoặc lưới. Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 46 3.4.2 CẤU TẠO CỐT THÉP b. THÉP CHỊU LỰC VÀ THÉP CẤU TẠO Thép chịu lực : được tính toán để chịu các ứng suất do tải trọng. Thép cấu tạo : thường không cần tính toán, được đặt theo qui định của qui phạm và theo kinh nghiệm, để: liên kết cốt chịu lực thành khung / lưới, giảm co ngót không đều, chịu ứng suất do nhiệt độ thay đổi, phân bố tác dụng của tải trọng tập trung, vv… Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 47 c. CHỌN VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP  Đường kính cốt thép : Trong cùng 1 tiết diện, không nên dùng quá nhiều loại đường kính cốt thép. Chênh lệch đường kính các cốt thép trong một tiết diện nên 3    10 mm  Chiều dày lớp bêtông bảo vệ cốt thép chịu lực: tính từ mép ngoài bêtông đến mép ngoài gần nhất của cốt thép chịu lực: a 0  { max , a 0 min } a 0 min - tùy từng loại cấu kiện, thông thường lấy: Trong bản sàn và tường: a 0 min = 10mm; Trong dầm, sườn và cột: a 0 min = 20mm; Trong móng lắp ghép: a 0 min = 30mm; Trong móng toàn khối: a 0 min = 35mm;     min 0 max 0 a d a Chương 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO BTCT 48 c. CHỌN VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP  Khoảng hở cốt thép : t  { max , t min } đủ rộng để vữa bêtông lọt qua và xung quanh mỗi cốt thép có một lớp bêtông đủ bảo đảm điều kiện về lực dính bám.     min max t d t