Kết cấu bê tông cốt thép phần 1 cấu kiện cơ bản

Các tiêu chuẩn được sử dụng có tính chất ví dụ trong tài liệu này là Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 của Bộ Giao thông vận tải cũng như Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông ACI 318-

TS Ngô Đăng Quang (Chủ biên)

TS Nguyễn Duy Tiến

KẾT CẤU BÊ TÔNG

CÔT THÉP

Phần 1 - Cấu kiện cơ bản

TRUONG DAI HOC GIAO THONG VAN TAL-CO $6 2

LỜI NÓI ĐẦU

Cuốn sách Kết cấu bê tông cốt thép này được biên soạn dành sinh viên các chuyên

ngành xây dựng, đặc biệt là xây dựng giao thông và xây dựng dân dụng Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã cố găng mô tả sự làm việc của các kết cấu bê tông cũng như các phương pháp thiết kế chúng dựa trên các tính chất cơ học Tuy nhiên, khoa học về kết cấu bê tông là khoa học thực nghiệm nên việc tính toán và thiết kế kết cấu bê tông đòi hỏi phải sử dụng cả các kết quả thí nghiệm, các công thức thực nghiệm cũng như

các quy định và khuyến nghị của các Tiêu chuẩn thiết kế Các tiêu chuẩn được sử dụng

có tính chất ví dụ trong tài liệu này là Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 của Bộ Giao thông vận tải cũng như Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông ACI 318-05 của Viện

Bẻ tỏng Hoa Kỳ Để so sánh, một số chỗ trong tài liệu cũng tham khảo cả các tiêu chuẩn Khác như Euro Code, TCXDVN 356-2005, AASHTO LRFD, v.v

Cuốn sách này bao gồm 10 chương, giới thiệu một số vấn đề cơ bản nhất trong việc tính toán và thiết kế các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn cường độ và một số khía cạnh liên quan đến trạng thái giới hạn sử dụng

_ _Chuong 1 giới thiệu các vấn đề tổng quan về kết cấu bê tông và kết cấu bê tông cốt thép cũng như các phương pháp tính toán và thiệt kê chúng

Chương 2 tập trung về tính chất cơ bản của các vật liệu được sử dụng trong kết cấu bê tông và bê tông cốt thép

Chương 3 trình bày nguyên lý thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo các trạng thái

giới hạn

Các chương 4, 5, 6 và 7 lần lượt trình bày cách tính toán ứng xử và thiết kế theo

trạng thái giới hạn cường độ các câu kiện bê tông cot thép ở các trạng thái chịu lực cơ bản như chịu uốn, chịu cắt, chịu xoắn và chịu nén uốn kết hợp

Chương 8 giới thiệu cách tính toán và thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép trong

Một số phần được in chữ nhỏ dành để trình bày ví dụ và các nội dung để cho sinh

viên đọc tham khảo

Việc biên soạn tài liệu được thực hiện theo sự phân công giữa các tác giả:

TS Nguyễn Duy Tiến: Viết chương 3 và một phần của chương 8,

TS Ngô Đăng Quang: Viết các chương còn lại và chịu trách nhiệm chung

Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã nhận được sự giúp đỡ quý báu cả về tỉnh

thần cũng như công sức của các tập thể Bộ môn Kết cầu xây dựng, Bộ môn Kết cấu và

đặc biệt là của các thầy giáo có kinh nghiệm trong lĩnh vực kết cau bé tong nhu PGS

TS Téng Tran Ting, GS TS Nguyén Viết Trung, GS TS Phạm Duy Hữu Các tác giả xin bày tỏ sự cám ơn chân thành và sâu sắc đối với những giúp đỡ quý báu đó

Mặc dù đã áp dụng cho giảng dạy và rút kinh nghiệm trong một thời gian khá dài

và rất có gắng, trong quá trình biên soạn nhưng các tác giả cũng chắc chắn rằng, tài liệu này vẫn còn có nhiêu sai sót Các tác giả rất mong nhận được các ý kiến phản hỏi từ độc

giả để có thể hiệu chỉnh và hoàn thiện dần tài liệu này

Hà Nội, tháng 12/2009

Các tác giả

1.1.3 Phân loại kết cấu bê tông cốt thép 20

1.1-3.1 Phân loại theo trạng thái ứng suất 20 1.1.3.2 Phân loại theo phương pháp thi công 20

1.1.4 Ui, nhược điểm và phạm vi áp dụng của kết cấu bê tông 2) LLS Các dạng kết cấu bê tông điển hình dùng trong công trình xây dựng 23

12 SƠ LƯỢC LICH SU PHAT TRIEN CUA BE TONG COT THÉP 25

13 TONG QUAN VE QUA TRINH THIET KE KET CAU BE TONG COT THEP 26

2.1.4 Các tính chất cơ lý của bê tông đã đóng rắn 35

2.1.4.1 Cường độ chịu nén dọc trục của bê tông 35 2.1.4.2 Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông 37

2.1.4.4 Sự làm việc của bê tông khi chịu nén một trục ~ các định luật vật liệu của bê tông 40

2.1.4.6 Sự làm việc của bê tông khi chịu kéo 46 2.1.4.7 Sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng lặp 47

2.1.4.8 Ảnh hưởng của tốc độ chất tải đến cường độ của bê tông 49

2.1.4.12 Các thuộc tính nhiệt của bê tông s8

2.1.4.14 Sự làm việc của bê tông khi chịu ứng suất nhiều chiều 60

2.1.5 Phân cấp bê tông 64

5

2.1.5.2 Mác bê tông

2.153 Cấp bêtông

22 CÓT THÉP

2.2.1 Các loại cốt thép

2.2.2 Quan hệ ứng suất — biến dạng của cốt thép

2.2.3 Các đặc trưng mỏi của cắt thép

2.3 BÊTÔNGCÓTTHÉP

2.3.1 Sự dính bám giữa bê tông và cốt thép

„23.11 Khái niệm

243.12 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực dính bám

2.3.2 Sự tham gia làm việc của bê tông giữa các vết nứt

2.3.3 Một số vấn đề về tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép

24 CÂUHÖIÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

CHƯƠNG3 CƠ SỞ THIẾT KÉ KÉT CÁU BÊ TÔNG CÓT THÉP

3.1 GIỚITHIỆU

3.2 TONG QUAN VE MOT SO PHUONG PHAP THIET KE

3.2.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép

3.2.2 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng

3.3.1 Sự biển thiên của tải trọng

3.3.2 _ Sự biến thiên của sức kháng

3.3.4 Khái niệm về độ an toàn

3.3.4.1 Phân bố thống kê và giá trị trung bình (Mean Value)

3.3.4.2 Độ lệch chuẩn (Standard Deviation)

3.3.4.3 Hàm mật độ xác suất (Probability Density Funetion) -

3.3.4.4 Hệ số độ lệch (Bias Factor)

3.3.4.5 Hés6 bién sai (Coefficient of Variation)

3.3.4.6 Xác suất phá hoại (Probability of Failure)

3.3.4.7 Chỉ số độ an toàn (Safety Index)

3.3.4.8 Cách xác định hệ số cường độ và hệ số tải trọng

3.4 GIOI THIEU TIEU CHUAN THIET KE CAU 22 TCN 272-05

3.4.1 Giới thiệu chung

3.4.2 Nguyên tắc cơ bản

3.4.3 Các trạng thái giới hạn

3.43.1 Trạng thái giới hạn về cường độ

3.4.3.2 Trạng thái giới hạn về sử dụng,

3.43.3 Trạng thái giới hạn về mỏi và đứt gây

3.4.3.4 Trạng thái giới hạn đặc biệt

3.4.6 Nguyên tắc xét đến sự phân bố lại mô men âm trong câu đẫm liên tục 103

3.5 TRINH TỰ TÍNH TOÁN, THIÊT KE 104

CHUONG4 THIET KE CHJU UON 107

43 SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM KHI CHỊU UỐN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 4.3.1 Tổng quan về sự làm việc của dầm khi chịu uốn 1H 4.3.2 Tính toán xác định sự làm việc của dâm chịu uốn thudn tuy 114

4.3.2.2 Điều kiện tương thích về biến dạng, 115

4.3.24 Các phương pháp xác định sự làm việc cia dim chju uốn 116

4.3.3 Tính toán sự làm việc chịu uốn thuân tuý của dầm bê tông cốt thép theo các giai đoạn

4.3.3.1 Giai đoạn I— Giai đoạn bề tông chưa nứt 119 4.3.3.2 Vídụ 4.1 — Tính toán mô men gây nứt 121 4.3.3.3 Giai đoạn II— Giai đoạn bê tông vùng kéo đã nứt, bê tông vùng nén làm việc trong giai

4.3.3.4 Ví dụ 4.2— Xác định sự làm việc của mặt cắt đã nứt 125 4.3.3.5 Giai đoạn III— Giai đoạn gần phá hoại, dằm ở trạng thái giới hạn về cường độ 126 4.3.4 Quan hệ mô men — độ cong trong các giai đoạn làm việc của dầm 127

44 TINH TOAN VA THIET KE MAT CAT DAM THEO TRANG THAI GIGI HAN VE

4.4.1 Các giả thiết cơ bản 128

Mô hình vật liệu của bê tông và cốt thép 128 Xác định sức kháng uốn của mặt cắt hình chữ nhật đặt cốt thép đơn 131 Tính dẻo dai của dầm và hàm lượng cót thép chịu kéo tối đa 133 Diện tích cốt thép chịu kéo tối thiểu 138

Tính toán dầm chịu uốn mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép đơn 140

Ví dụ 4.3 — Tính toán diện tích cốt thép tối thiểu 141

'Ví dụ 4.4 — Tính toán sức kháng uốn của dằm chữ nhật đặt cốt thép đơn 142

kế mặt cắt dầm chữ nhật chịu uốn đặt cốt tháp đơn P 145

Trình tự thiết kế 146 4.4.7.3 Vídụ4.5— Thiết kế mặt cất chữ nhật đặt cốt thép đơn 147

4.4.8 Tỉnh toán và thiết kế mặt cắt dầm chữ nhật đặt cốt thép kép 149

4.4.8.1 Giới thiệu mặt cắt dằm chữ nhật đặt cốt thép kép 149

7

4.5 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

CHUONGS THIET KE CHJU CAT

5.1 GIGI THIEU

5.2 SỰLÀM VIỆC CỦA CÂU KIỆN CHIU CAT

5.2.1 Cơ sở xác định sự làm việc của cấu kiện chịu cắt

5.2.2 Sức kháng cắt của bê tông

5.2.2.1 Các dạng phá hoại ở cấu kiện chịu cắt

5.3.2 Mô hình của Tiêu chuẩn ACI 318-05

5.3.3 Ví dụ thiết kế chịu cắt theo tiêu chuẩn ACI

5.3.4 Lý thuyết trường nén sửa đổi

5.3.4.1 Giới thiệu

5.3.4.2 Điều kiện tương thích về biến dạng,

5.3.4.3 Điều kiện cân bằng

5.3.4.4 Quan hệ ứng suất— biến dạng trong bê tông đã nứt

5.3.4.5 Ứng dụng trong thiết kế

Trình tự thiết kế

Vi dy thiết kế chịu cắt theo phương pháp trường nén sửa đổi (Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05) 5.4 CÂUHÖIÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

CHUONG6 THIET KE CHJU XOÁN

6.1 GIGITHIEU

6.2 CƠSỞ TÍNH TOÁN CÁU KIỆN CHỊU XOAN

6.2.1 Tổng quan

6.2.2 _ Thanh thành mỏng chịu xoắn

63 SỰLÀM VIỆC CỦA CẤU KIỆN CHỊU XOẮN

6.3.1 Sự làm việc chịu xoắn trước khi nứt

6.3.2 Ví dụ 6.1 ~ Tính todn dam chịu xoắn trước khi nứt

6.3.3 Sự làm việc chịu xoắn sau khi nứt

6.3.3.1 Nội lực do xoắn gây ra trong các thành phần cốt thép

6.3.3.2 Chiều dày lớp bê tông tham gia chịu xoắn và điện tích chịu xoắn có hiệu

6.3.4 Xoắn và uốn đông thời

6.4 THIET KE CAU KIEN CHIU XOAN, CAT VA UON DONG THỜI

6.4.1 Nguyên tắc cấu tạo

6.4.2 Thiết kế chịu xoắn, uốn và cắt đằng thời theo Tiêu chuẩn ACI 318-05°

6.4.2.1 Mô men xoắn tính toán

6.4.2.2 Thiết kế chịu xoắn

6.4.3 Thiết kế chịu xoắn, uốn và cắt đồng thời theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05

6.43.1 Mô men xoắn tính toán

6.4.3.2 Giới hạn kích thước mặt cắt ngang,

6.4.3.3 “Thiết kế cốt thép chịu xoắn

6.4.4 Ví dụ 6.2 Thiết kế cốt thép ngang cho đầm chịu xoắn, cắt và uốn kết hợp

6.5 SỰPHÂN BÓ LẠI MÔ MEN XOẢN TRONG CÁC KẾT CẦU SIÊU TĨNH

6.6 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

CHUONG7 THIET KE CHJU NEN UON KET HOP

7.3.3 Chiều dài có hiệu và bán kính quán tính

7.3.3.1 Hệ số chiều dài có hiệu

7.3.3.2 Phân biệt khung có chuyển vị ngang và khung không có chuyển vị ngang

1.3.3.3 Xác định hệ số chiều dài có hiệu bằng phương pháp biểu đồ

1.3.3.4 Xác định hệ số chiều dài có hiệu bằng công thức kinh nghiệm

7.3.4 V[ dụ 7.1— Tính toán hệ số độ mảnh

14 BAC DIEM CAU TAO CUA COT

7.4.1 Kích thước mặt cắt ngang

7.4.2 Cốt thép dọc

7.4.2.1 Hàm lượng cốtthép tối thiểu

14.22 Hàm lượng cốt thép dọc tối đa

74.2.3 Số lượng thanh cốt thép dọc tối thiểu

7.4.3 Bố trí cốt thép đai

7.5 | NGUYEN TAC TINH TOAN THIET KE COT

7.6 NGUYÊN TAC THIET KE COT DAIL

7.6.1 Thiết kế cốt đai xoắn

7.6.2 Thiết kế cốt đai giằng

7.7 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KÉCỘT NGẢN, CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

7.7.1 Nguyên tắc chung

7.7.2 Sức kháng của cột ngắn chịu nén đúng tâm

7.7.3 Ví dụ 7.2— Tính toán sức kháng của cột ngắn, mặt cắt chữ nhật, cốt đai giằng

7.7.4 VÍ dụ 7.3— Tỉnh toán sức kháng nén của cột ngắn, mặt cắt tròn, cốt đai xoắn

7.7.5 Ví dụ 7.4- Thiết kế cột ngắn, chịu nén đúng tâm

78 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KÊ CỘT NGẮN CHỊU NÉN LỆCH TÂM

7.8.1 Khái niệm về tâm đẻo của mặt cắt

7.8.2 Các phương trình cơ bản mô tả sự làm việc của mặt cắt

7.8.3 Phương pháp tính toán

7.8.4 Ví dụ 7.5— Tính toán sức kháng của cột chịu nén lệch tâm

7.8.5 Tính toán sức kháng của mặt cắt cột trong trường hợp tông quát

7.8.5.1 Mặt cắt chữ nhật

7.8.5.2 Mặtcắttròn

7.8.6 Vĩ dụ 7.6— Tỉnh toán sức kháng nén của cột tròn

7.8.7 Phương pháp gân đúng tỉnh toán sức kháng nén của cột tròn

7.8.8 Vĩ dụ 7.7— Tỉnh toán sức kháng nén của cột tròn bằng phương pháp Whitney

7.8.9 Biểu đồ tương tác P— M

7.8.9.1 'Xây dựng biểu đồ tương tác P-M

1.8.9.2 Dac điểm của biểu đỗ tương tác P-M

7.9 TÍNH TOÁN VÀ THIET KE COT MANH

7.9.1 Tổng quan về các phương pháp tính toán

7.9.2 Phương pháp phóng đại mô men

7.9.2.1 Sự phóng đại mô men cho các cột trong khung

có giằng theo Tiêu chuẩn ACI 318-05

7.9.2.2 Sự phóng đại mô men cho các cột trong

khung không giằng theo Tiêu chuẩn ACI 318-05 7.9.23 Sự phóng đại mô men theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05

19.24 Ôn định của cột trong khung không có giằng,

7.9.3 Ví dụ tính toán cột trong khung không có chuyên vị ngang

7931 Vidy78

7932 Vidu79

7.9.4 Ví dụ 7.10— Tính toán cột trong khung có chuyển vị ngang

7.10 CÂU KIỆN CHỊU NÉN VÀ UỐN HAI PHƯƠNG

7101 Giới thiệu chưng

7.10.2 V[ dụ 7.11 — Tính toán cột chịu nén uốn theo hai phương

8.6.1 Ví dụ 8.1— Tính duyệt độ võng của dầm giản đơn theo Tiêu chuẩn ACI 318-05

8.6.2 Ví dụ 8.2— Tính duyệt độ võng của dầm cẩu theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05

8.7 TINH TOAN VA HAN CHE DO MO RONG VET NUT

87.1 Các loại vết nứt và nguyên nhân

8.7.1.1 Các vết nứt do chịu lực

8.7.1.2 Các vết nứt không đo chịu lực

8.7.2 _ Bề rộng vết nứt

8.7.3 Quá trình hình thành vết nứt

8.7.3.1 Sự tăng ứng suất trong cốt thép và sự phá hoại dinh bám tại vết nứt đầu tiên

8.7.3.2 Khoảng cách giữa các vết nứt trong cấu kiện bê tông cốt thép

8.733 Khoảng cách giữa các vết nứt trong các cấu kiện có chiều dày vùng kéo nhỏ

8.7.3.4 ‘Ving ảnh hưởng của cốt thép

8.7.4 Tính toán độ mở rộng vết nứt

8.7.5 Tính duyệt độ mở rộng vết nứt

8.8 | COTTHEP TOI THIEU DE KHONG CHE NUT

8.9 Vi DU TINH TOAN DO MO RONG VET NUT

8.9.1 Ví dụ 8.3— Tính toán theo Tiêu chuẩn ACI 318-05

8.9.2 Ví dự 8.4— Tính toán theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05

8.10 CÂU HOIÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

CHUONG9 THIẾT KÉ VÙNG KHÔNG LIÊN TỤC

LẠ) GIỚI THIỆU

9.2 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ TRƯỚC KHI BÊ TONG NUT

9.2.1 Phân tích đàn hồi

9.2.2 Phương pháp tương tự dầm cao để thiết kế khu vực đầu dầm

9.3 PHAN TICH UNG XU SAU KHI BE TONG NUT

9.4 THIET KE THEO PHUONG PHAP SO DO HE THANH

9.4.1 Giới thiệu phương pháp sơ đỗ hệ thanh

9.4.2 Xây dựng sơ đô hệ thanh

9.4.2.1 Nguyên tắc

9.4.2.2 Trinh ty chung

9.4.2.3 Phương pháp phân chia kết cấu thành các vùng B và vùng D

9424 Các phương pháp xây dựng sơ đồ hệ thanh

9.4.3 Tính toán nội lực của các thanh trong sơ đồ hệ thanh

9.4.4 Thiết kế và tính duyệt kết cầu bằng phương pháp sơ đề hệ thanh

9441 Xác định kích thước của các nút

944.2 Xác định kích thước của các thanh nén

9.4.43 Xác định kích thước thanh kéo

9.4.5 Ví dụ 9.1— Thiết kế vùng neo bằng phương pháp SĐHT

9.4.6 Ứng dụng phương pháp SĐHT trong tính toán chịu cắt

9.4.7 Ví dụ 9.2— Thiết kế dầm tường (dầm cao) bằng phương pháp SĐHT

9.5 SỰ TRUYÊN LUC CAT QUA MAT PHANG YÊU - KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT CÁT

10.2 LỚPBÊTÔNG BẢO VỆ

10.3 KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC THANH CÓT THÉP

10.3.1 Khoảng cách tối thiểu theo phương ngang giữa các thanh cốt thép

10.3.2 Khodng céch t6i đa theo phương ngang giữa các thanh cốt thép

10.3.3 Khoảng cách tối thiểu giữa các lớp cốt thép

10.4 TRIÊN KHAICÔT THÉP

10.4.1 Khái niệm về chiều đài triển khai

10.4.2 Mặt cắt không chế dối với việc triển khai cốt thép

10.4.3 Triển khai cốt thép chịu kéo thông qua lực dính bám387

10.4.3.1 Chiều dài triển khai cơ sở cho các thanh có gờ và sợi thép có gờ chịu kéo

10.4.3.2 Các hệ số điều chỉnh chiều dài triển khai cho các thanh có gờ

và sợi thép có gờ chịu kéo 10.4.3.3 _ Chiều dài triển khai cho các bó thanh

10.4.4— -Ví dự 10.1-— Tỉnh toán chiều dài triển khai cho cốt thép chịu kéo

10.4.5 Triển khai cốt thép chịu kéo có móc và các thiết bị neo

104.51 Cấu tạo móc

10.4.5.2 Chiều dài triển khai của cốt thép có móc chịu kéo

10.4.5.3 Yêu cầu giằng cho cốt thép có móc chịu kéo

104.54 Các dạng neo cơ khí khác

10-46 Triển khai cốt thép chịu nén

105 NÓICÔTTHÉP

105.1 Mỗi nối chồng

10.5.1.1 Mối nối chồng chịu kéo

10.5.12 Mối nối chồng chịu nén

105.2 Mối nối hàn

10.5.3 Mối nối bằng thiết bị cơ khí

10.46 TRIÊN KHAICÓT THÉP DỌC CHỊU UÔN

10.7 CÁU TẠO CÓT THÉP NGANG Ở CÁNH VÀ BẦU DÀM

10.8 CÁU TẠO CÓT THÉP CHỊU CẮT VÀ XOẢN

10.8.1 Lựa chọn và bồ trí cốt thép chịu cắt

108.11 Cốtthép đai

10.82 Lựa chọn và bố trí cốt thép chịu xoắn

10.9 CÓT THÉPCHỊUCO NGÓT VÀ NHIỆT ĐỘ

10.10 MOT SO TRUONG HOP CAU TAO ĐẶC BIỆT

10.10.1 — Thiét ké cét thép cho dam có cấu tạo đặc biệt

10.10.2 Thiết kế cốt tháp cho vai cột, cong-xon

10.11 CAU HOI ON TAP VA BAI TAP

TAI LIEU THAM KHAO

417

417

420

421 422

Hệ số khối ứng suất

Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông,

Hệ số giãn nở nhiệt của thép

Hệ số sức kháng cắt của bê tông

Hệ số khối ứng suất

Khối lượng thể tích của bê tông

Hệ số xét đến độ đặc của bê tông,

Độ võng

Độ võng dài hạn Biến dạng

Biến dạng kéo chính Biến dạng nén chính

Biến dạng của bê tông, Biến dạng ứng với lúc ứng suất trong bê tông đạt đến giá trị cường độ Biến dạng ứng với lúc ứng suất trong bê tông được kiềm chế đạt đến + giá trị cường độ

Biến dạng cực hạn của bê tông khi chịu nén

Biến dạng gây nứt trong bê tông khi chịu kéo

Từ biến

Biến dạng của bê tông do ứng suất

Biến dạng của bê tông do nhiệt độ

Biến dạng do co ngót

Hàm lượng cốt thép chịu kéo

Hàm lượng cốt thép chịu nén

13

Diện tích phần bê tông trong mặt cắt Diện tích có hiệu của bê tông quanh cốt thép

` Diện tích phần cốt thépchịu kéo trong mặt cắt Diện tích phần cốt thép chịu nén trong mặt cắt Chiều cao khối ứng suất

Chiều dai chịu cắt

Lực nén do cốt thép sinh ra Chiều cao vùng bê tông chịu nén

Chiều cao có hiệu của mặt cắt (Khoảng cách từ mép chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo)

Khoảng cách từ mép chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén Chiều cao chịu cắt, bằng khoảng cách giữa trọng tâm vùng nén đến trọng tâm vùng kéo

Mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi của bê tông

c°

Mô đun đàn hồi có hiệu, hiệu chỉnh của bê tông

Mô đun đàn hồi có hiệu của bê tông

Mô đun đàn hồi của cốt thép

Chiều cao của mặt cắt dầm

Chiều cao của cánh dầm

Chiều cao tối thiểu của mặt cắt thoả mãn yêu cầu độ cứng

Mô men quán tính của mặt cắt

Mô men quán tính của mặt cắt nguyên

Mô men quán tính của mặt cắt đã nứt tính đổi

Mô men quán tính có hiệu của mặt cắt

Hệ số xét đến ảnh hưởng của tỷ số thể tích/bề mặt của cấu kiện

Hệ số cường độ

Chiều dài

Khoảng cách giữa các vết nứt

Chiều dài triển khai của cốt thép

Chiều dài triển khai cơ sở của cốt thép

Mô men uốn

Mô men gây nứt

15

M6 men uén danh dinh

Mô men uến tính toán (mô men uốn đã nhân hệ số)

Mô men kháng tính toán

Lực dọc Lực nén Hiệu ứng do tải trọng sinh ra

CHƯƠNG1 TONG QUAN VE KET CAU BE

TONG

4.1.1 Kết cấu bê tông

Bê tông là một loại đá nhân tạo được tạo thành từ việc đóng rắn hỗn hợp xi mang,

nước, cốt liệu mịn, cốt liệu thô (đá, sỏi) và có thể có cả phụ gia cũng như các chất độn

hoạt tính Các loại bê tông thông thường có khả năng chịu nén rất lớn nhưng khả năng chiu kéo lại rất nhỏ Cường độ chịu kéo của bê tông chỉ bằng khoảng 1/20 đến 1⁄10

lộ chịu nén của nó Cường độ chịu kéo của bê tông, bên cạnh giá trị thấp,

n dinh Ngoài ra, biến dạng kéo của bê tông khi ứng suất đạt đến cường độ chịu

có giá trị rất nhỏ Vì những lý do này, khả năng sử dụng riêng bê tông (bê tông được gia cường) trong kết cấu là khá hạn chế Ví dụ, một cấu kiện chịu uốn, dược làm từ bê tông có cường độ chịu nén dén 35 MPa, sẽ bị nứt và phá hoại khi ứng suất kéo trong bê tông ở thớ chịu kéo đạt khoảng 2 MPa Sự phá hoại này xảy ra là do khả năng chịu kéo của bê tông đã bị khai thác hết mặc dù khả năng chịu nén của nó vẫn rất dư thừa Việc sử dụng vật liệu như vậy là rất lãng phí Do đó, bê tông Không được gia cường chỉ được sử dụng rất hạn chế cho một số kết cấu chịu lực có dạng khối lớn như đập chắn nước, bệ móng, v.v là dạng kết cấu chịu nén là chủ yếu Ngay cả ở những kết cấu này, để hạn chế bề rộng của các vết nứt bề mặt gây ra bởi co ngót và ứng suất nhiệt, người ta cũng phải tìm cách gia cường cho bê tông gần bề mặt

Có rất nhiều giải pháp kết cấu hoặc phối hợp vật liệu có thể giúp khai thác được khả

năng chịu nén tốt của bê tông đồng thời, khắc phục được khả năng chịu kéo kém của nó

Điển hình nhất trong số này là sử dụng những vật liệu có khả năng chịu kéo tốt, như thép hay sợi thuỷ tỉnh hoặc chất đẻo, v.v làm cốt để tăng cường cho vùng chịu kéo của

bê tông Nếu khi đỗ bê tông, các thanh thép hoặc các vật liệu tăng cường khác được đưa

vào các vị trí thích hợp thì khả năng chịu lực-của kết cấu bê tông sẽ được tăng lên đáng

kể Trong rất nhiều trường hợp, bê tông cũng còn được gia cường cả vùng chịu nén

bằng các vật liệu thích hợp như thép

Trong ví dụ trên, nếu vùng chịu kéo của cấu kiện chịu uốn có đặt các thanh cốt thép

thì, sau khi bê tông nứt và không chịu kéo được nữa, các thanh cốt thép này sẽ chịu hoàn toàn lực kéo Nhờ đó, cấu kiện vẫn có khả năng chịu 16ðt:khô Bé tống vùng kéo

đã bị nứt Cầu kiện bê tông có cốt thép, nếu được i ici > HSB, XO RH NI

Hình 1.1 thể hiện sự làm việc của 2 dầm có chiều dài, kích thước mặt cắt và vật liệu

bê tông như nhau nhưng dầm A được làm bằng bê tông không có cốt thép con dam B được làm từ bê tông nhưng được gia cường bằng 3 thanh thép có đường kính 29 mm ở

vùng chịu kéo Việc so sánh các biểu đồ (b) và (c) cho thấy rằng, trong khi lực gây phá

hoại dầm A là khoảng 14 kN thì lực gây phá hoại lầm B là khoảng 140 kN Điều đó cho thấy rằng, việc bố trí thêm các thanh thép làm cốt để tăng cường vùng chịu kéo đã làm

tăng khả năng chịu lực của dằm trong ví dụ này lên khoảng 10 lần,

Ì (C) Quan hệ tực ~ độ võng của đăm bê tông có cốt là các thanh thép,

Hình 1.1 Sự làm việc của dầm bê tông không có cốt và dầm bê tông có cốt là các thanh thép, kích

thước và độ võng là mm, lực là kN

18

Kết cấu được xây dựng từ việc sử dụng phối hợp bê tông với các vật liệu làm cốt như trên được gọi là kết cấu bê tông có cối Ở đây, có thể coi bê tông cùng với cốt là một dạng vật liệu phức hợp, trong đó, bê tông và cốt cùng phối hợp chịu lực Bê tông có cốt

là các thanh thép được gọi là bé téng cét thép Bên cạnh các loại cốt ở dạng thanh, người ta cũng sử dụng cốt tăng cường cho bê tông ở dạng sợi (có thẻ bằng thép hoặc các

vật liệu khác) và loại vật liệu này được gọi là bê tông cốt sợi

Ngoài việc bố trí các vật liệu có khả năng chịu kéo lớn vào kết cấu bê tông (để thay

thé bé tông chịu lực kéo), người ta còn tìm cách nén trước các vùng bê tông sẽ chịu kéo

khi chịu các tảc động bên ngoài Giải pháp này sẽ làm tăng khả năng chống nứt của kết

cấu bê tông và, qua đó, làm tăng khả năng chống thấm, độ cứng và độ bền của nó Kết

cấu bê tông dạng này được gọi là kế! cấu bê tông dự ứng lực hay kết cắu bê tông ứng

Lài liệu này chỉ tập trung cho kết cấu bê tông cốt thép là dạng kết cấu đang được sử

dung phd bién nhat hién nay ở nước ta và trén toan thế giới

luôn tìm mọi cách để làm tăng độ lớn của lực này

© Giữa bê tông và cốt thép không có các phản ứng hoá học làm ảnh hưởng đến từng loại vật liệu Ngoài ra, bê tông còn tạo ra trên bề mặt cốt thép một lớp thụ

động, có tác dụng bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn do tác động của môi trường

« _ Bê tông và cốt thép có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng nhau Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông là œ, =I,0x10“+1,5x10° và hệ số giãn nở nhiệt của thép là

œ,=1,2x10'' Như vậy, với phạm vi biến đổi nhiệt độ thông thường, khoảng

dưới 100°C, trong bê tông cốt thép không xuất hiện nội ứng suất làm phá hoại vật

liệu

19

1.1.3 Phân loại kết cấu bê tông cốt thép

1.1.3.1 Phân loại theo trạng thái ứng suất

Phụ thuộc vào trạng thái ứng suất trong bê tông và cốt thép trước khi c' u lực, có thể

có hai dạng kết cầu bê tông cốt thép là

Kết cấu bê tông cốt thép thường Là loại kết cầu bê tông cốt thép mà, khi chế tạo, cốt thép và bê tông không được tạo ứng suất trước Ngoại trừ các nội ứng suất phát sinh do sự thay đổi nhiệt hay co ngót hoặc trương nở của bê tông, ứng suất trong bê tông và cốt thép chỉ xuất hiện khi kết cấu bắt đầu chịu lực

Kết cấu bê tông dự ứng lực Nhằm mục đích hạn chế sự xuất hiện của vết nứt trong bê tông dưới tác dụng của tải trọng và các tác động khác, cốt thép được

căng trước để, thông qua lực dính bám hoặc neo, tạo ra lực nén tước trong những

khu vực bê tông sẽ chịu kéo trong quá trình khai thác Loại kết cấu bê tông này được gọi là bê tông dự ứng lực Thông qua dự ứng lực, người ta có thể chủ động tạo ra các trạng thái ứng suất thích hợp trong kết cấu để hạn chế tối đa các tác động bắt lợi từ bên ngoài Kết cấu bê tông dự ứng lực còn được phân loại thành kết cấu bê tông dự ứng lực hoàn toàn và dự ứng lực một phần Ở kết cấu bê tông

dự ứng lực hoàn toàn, trong bê tông không được phép nứt hoặc, thậm chí, không

được xuất hiện ứng suất kéo Trong khi đó, ở kết cấu bê tông dự ứng lực một

phần, bê tông được phép xuất hiện vết nứt ở một số tổ hợp tải trọng nhất định

1.1.3.2 Phân loại theo phương pháp thi công

Theo phương pháp thi công, kết cấu bê tông cót thép có thể được phân loại thành:

20

Kết cấu bê tông đồ tại chỗ: là loại kết cầu được lắp dựng cốt thép và đỗ bê tong tại vị trí thiết kế của nó Hầu hết các kết cấu bê tông cốt thép có kích thước lớn đều được thi công đỗ tại chỗ Kết cấu bê tông cốt thép được thi công đỗ tại chỗ có tính toàn khối cao, ít mối nối nên có độ bền cao, có độ cứng và khả năng chịu lực lớn theo nhiều phương Tuy nhiên, do được dé bê tông tại công trường nên thời

gian thi công thường kéo dài, chất lượng bê tông khó được kiểm soát vì chịu ảnh

hưởng nhiều của các tác động môi trường Hiện nay, việc sử dụng bê tông thương

phẩm và việc hoàn thiện các công nghệ đổ bê tông tại chỗ đã cơ bản khắc phục

được các nhược điểm này

Kết cấu bê tông lắp ghép Theo phương pháp thi công này, các bộ phận kết cấu

bê tông được đúc sẵn tại nhà máy hay tại các xưởng đúc bê tông và, sau đó, được vận chuyển đến công trường xây dựng và lắp ghép tại đó Bê tông được thi công

theo phương pháp này có chất lượng cao hơn nhưng kết cấu lại có độ toàn khối

thấp Các mối nối được thực hiện ở công trường chính là các điểm xung yếu làm giảm độ bền chung của kết cấu Phụ thuộc vào năng lực của các thiết bị vận chuyển và thi công, các bộ phận lắp ghép có thể là các phần nhỏ của kết cấu như

các đốt dầm, các cấu kiện tương đối hoàn chỉnh như dầm, cột, tường hoặc các

khối kết cấu

Kết cấu bê tông bán lắp ghép Đây là phương pháp thi công kết hợp cả hai phương pháp nêu trên Một số bộ phận của kết cấu được chế tạo ở xưởng nhưng ở dạng chưa hoàn thiện và, sau khi được vận chuyển đến vị trí xây dựng, sẽ được

đổ bê tông bổ sung Phần bê tông được dé mdi cũng đóng luôn vai trò của các mối nối thi công Các dầm cầu dạng chữ I, T có phạm vi nhịp đến khoảng 40 m thường được xây dựng theo phương pháp này (Hình 1.2) Các kết cấu được thi công theo phương pháp này có thể phần nào khắc phục được nhược điểm và phát huy ưu điểm của hai phương pháp trên Tuy nhiên, để đảm bảo cho sự làm việc chung của phần bê tông đúc sẵn và bê tông đỏ tại chỗ cần có các giải pháp thiết

Hình 1.2 Kết cấu bê tông cốt thép bán lắp ghép

Một dạng đặc biệt của kết cấu bê tông bán lắp ghép là kết cấu bê tông được đổ bê

tông trên các “ván khuôn chét” (Stay-In-Place Formwork systems) Ván khuôn ở đậy là

'các cấu kiện bê tông được chế tạo sẵn và được gia công theo một số yêu cầu đặc biệt Ở một số công trình nhà ở, ván khuôn này là các cấu kiện tường hoặc cột rỗng có bề mặt

nhẫn Bê tông đỗ tại chỗ sẽ làm đầy các cấu kiện này

1.1.4 Ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của kết cấu bê tông Kết cấu bê tông là một trong những dạng kết cấu được sử dụng phổ biến nhất hiện

nay do có những ưu điểm nỗi bật sau:

2I

e— Giá thành thấp do bê tông có thể được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu địa phương như đá, sỏi, cát, v.v Các vật liệu đắt tiền, được chế tạo công nghiệp như xi mang

và thép chỉ chiếm một tỷ trọng nhỏ, khoảng 1/5 đến 1⁄6 khối lượng toàn bộ

© Có khả năng chịu lực lớn So với các dạng vật liệu khác như gạch, đá, gỗ, v.v bê

tông cốt thép có khả năng chịu lực lớn hơn hẳn Đặc biệt, với sự xuất hiện của bê tông cường độ cao và cực cao, khả năng chịu lực của bê tông cốt thép đã có thể

so sánh được với thép Ngoài ra, do bê tông là vật liệu nhân tạo nên người dùng

có thể, thông qua việc khống chế các thành phần của nó, chế tạo được bê tông có các tính năng như mong muốn

©_ Có độ bền cao So với các vật liệu khác như thép, gỗ, v.v kết cấu bê tông cốt thép có độ bền chịu tác động của môi trường cao hơn và, do đó, yêu cầu chỉ phí bảo dưỡng thấp hơn

© Dé tao dang Do bé tong đóng rắn từ hỗn hợp dẻo nên việc tạo dáng cho các cấu kiện phù hợp với yêu cầu kiến trúc là khá dễ dàng

© Chiu hia tét Cường độ của bê tông bị suy giảm không đáng kể khi nhiệt độ lên

dén 400°C Ngoài ra, hệ số dẫn nhiệt của bê tông khá thấp (khoảng từ 1 đến 2,6 W/m-°Œ) nên nó có thể bảo vệ được cốt thép không bị chảy khi nhiệt độ cao

©_ Có khả năng hấp thụ năng lượng tốt Các kết câu bằng bê tông cốt thép thường

có khối lượng lớn nên có khả năng hắp thụ năng lượng xung kích tốt

Bên cạnh các ưu điểm kẻ trên, bê tông cốt thép cũng có một số nhược điểm quan

trọng sau:

©_ Có tỷ lệ cường độ so với don vị trọng lượng bản thân nhỏ Do đó, các kết câu

được xây dựng từ vật liệu này thường có nhịp tương đối nhỏ và chỉ phí cho việc

xây dựng kết cấu nền móng lớn Tuy nhiên, việc sử dụng bê tông dự ứng lực

cường độ cao hoặc các giải pháp kết cấu hợp lý đã khắc phục được đáng kể

« Bê tông đổ tại chỗ đòi hỏi thời gian thi công đài và các hệ thống đà giáo ván

khuôn phức tạp Do thời gian thi công kéo dài nên chất lượng bê tông chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết và, do đó, khó kiểm soát Việc sử dụng bê tông lắp ghép hay bán lắp ghép là một số trong những giải pháp có thể khắc phục nhược điểm

5 _ Sau khi thi công xong, kết cấu làm từ bê tông cốt thép rất khó được tháo đỡ, vận

chuyển và sử dung lai

2

© Do khả năng chịu kéo kém của bê tông nên bê tông cốt thép thường đỄ bj mit,

làm ảnh hưởng đến độ bền, tính mỹ quan công trình và, đặc biệt là, tâm lý người

sử dụng Bê tông dự ứng lực có khả năng khắc phục được phần nào nhược điểm

này nhưng lại có giá thành cao hơn

1.1.5 Các dạng kết cấu bê tông điển hình dùng trong công trình

xây dựng

Kết cấu bê tông đang là loại kết cấu được sử dụng phổ biến nhất trong các lĩnh vực

xây dựng Kết cấu bê tông có mặt trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, cầu, đường,

sân bay, thuỷ lợi, v.v Trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, kết cấu

bê tông được sử dụng làm kết cấu chịu lực, kết cấu sàn, kết cấu móng cũng như các kết

cấu bao che Trong các công trình cầu, kết cấu bê tông được sử dụng làm dầm, kết cấu

du, kết cầu trụ, tháp, kết cầu móng, v.v Kết cấu bê tông cũng được sử dụng khá pho bién dé lam mat đường cứng cũng như sân bay

mặt

Hầu hết các kết cấu nhà cao tầng, cầu cũng như đập thuỷ lợi, thuỷ điện được xây dựng ở nước ta thời gian qua đều là các kết cấu bê tông Theo các thống kê chưa đầy đủ thì công trình bằng kết cấu bê tông chiếm khoảng 70% số công trình xây dựng ở nước ta

hiện nay

Sự phong phú về dạng kết cấu bê tông đã thể hiện được tính phổ biến của vật liệu

này trong xây dựng Một số dạng kết cấu bê tông điển hình được giới thiệu tóm tắt như

sau:

Nhà nhiều tầng là dạng công trình phổ biến nhất sử dụng kết cấu bê tông Các công trình này được xây dựng chủ yếu theo cách “chồng” lên nhau các tầng có cấu trúc tương đối giống nhau Do lợi thế về khả năng chống cháy, bê tông có ưu điểm rõ rệt so với các vật liệu khác như thép và gỗ Hơn nữa, nhờ có độ cứng lớn, kết cấu bê tông cốt thép rất

thích hợp khi chịu tải trọng ngang Độ nhạy cảm đối với dao động trong các kết cấu

bằng bê tông cốt thép cũng nhỏ hơn đáng kể so với khi làm bằng vật liệu khác Những

lợi thế này có vai trò đặc biệt đối với hệ thống chịu lực của các toà nhà chọc trời

Các công trình mái có khẩu độ lớn bằng kết cấu bê tông được xây dựng để phục vụ

cho những mục đích khác nhau Đặc điểm cơ bản và chung nhất của các công trình loại nay là có mái bao phủ một diện tích lớn với số lượng cột đỡ ít đến mức có thể Thay cho cách thức xây dựng truyền thống đơn giản với vì kèo, xà gồ và các tắm lợp, trong kết

cấu mái có khẩu độ lớn bằng kết cấu bê tông, người ta sử dụng các kết cấu không giản

vỏ mỏng nhiều lớp hoặc kết cấu vòm cuốn (Hình 1.3)

23

Hình 1.3 Mái vỏ Isler bằng BTCT 6 gan thanh phé Bern, Thuy sỹ [7]

Cầu là các công trình kỹ thuật để đưa các tuyến giao thông vượt qua chướng ngại vật (Hình 1.4) Theo loại hình giao thông, cầu được phân loại thành cầu cho người đi bộ,

cầu đường ô tô hay cầu đường sắt Theo loại chướng ngại vật phải vượt qua, cầu được phân biệt thành cầu qua thung lũng, cầu qua sườn núi hay cầu qua sông, biển hoặc cầu phục vụ cho các đường giao thông trên cao Các công trình cầu bao gồm kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới Kết cấu phần trên bao gồm kết cấu chịu lực và hệ mặt cầu Tuỳ theo hình dạng và đặc điểm chịu lực mà kết cấu này được phân biệt thành cầu bản, cầu dầm, cầu khung, cầu vòm, cầu dây văng, cầu dây võng và các dạng cầu hỗn hợp khác như cầu extradosed, v.v Kết cấu phần dưới bao gồm móng, mố và trụ Các công trình cầu chịu tác động của thời tiết và ảnh hưởng của môi trường mạnh hơn rõ rệt so với các công trình nhà cửa Do ưu điểm về tuổi thọ, bê tông cốt thép được sử dụng rất

phổ biến trong xây dựng cầu Nhược điểm vì trọng lượng bản thân lớn đã phần nào

được khắc phục nhờ kết cầu bê tông dự ứng lực

Tra

Hình 1.4 Cầu Bãi Cháy, cầu dây văng một mặt phẳng dây với dầm chính bằng kết cấu bê tông, Tháp và cột tlráp, về tông thể, là những cấu kiện kiểu công son liên kết cứng với nền móng Thí dụ về dạng kết cấu này là các loại tháp đứng độc lập, như tháp truyền hình, tháp thông tin, ống khói, tháp chuông, v.v Ngoài ra, có những kết cấu dạng tháp làm việc như là các bộ phận của một công trình, như trụ cầu và tháp cầu, chân giàn khoan rên biên Tháp có tác dụng thu hút sự chú ý và nhờ độ cao của chúng, có một ý nghĩa

đặc biệt về kiến trúc Do có tuổi thọ cao và khả năng tạo dáng dễ dàng, bê tông rất hay

được sử dụng đôi với các công trình tháp và cột tháp

2

Các kết cấu bể chứa được chia thành silô và bunker, dùng để chứa các chất nhớt, dùng làm bể chứa chất lỏng và kết cấu bảo vệ Do chịu áp lực từ bên trong, thành bể chứa chủ yếu chịu kéo hoặc kéo uốn kết hợp Do vậy, trong rất nhiều trường hợp, các bể này được xây dựng bằng kết cấu bê tông dự ứng lực

THÉP

Bê tông, với khái niệm là một vật liệu hỗn hợp được chế tạo từ cốt liệu và chất kết

dính, đã được sử dụng như là một vật liệu xây dựng ngay từ thời La Mã Tuy nhiên vào

những năm đầu của thế kỷ 19, khi xi măng được phát minh, bê tông sử dụng xi măng, làm chất kết dính mới bắt đầu được sử dụng rộng rãi Năm 1801, Coignet đã công bố iên cứu của mình về các nguyên tắc xây dựng bằng bê tông cũng như các hiểu biết

về khả năng chịu kéo kém của bê tông Năm 1850, Lambot, lần đầu tiên, đã chế tạo một thuy ên bằng vữa xỉ măng lưới thép và thuyền này đã được triển lãm tại Paris năm 1855

Roennen một kỹ sư người Đức, đã lần đầu tiên đề xuất đưa cốt sắt vào vùng bê tông

chịu kéo và, năm 1886, đã công bố các bản thảo về lý thuyết và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép Những năm sau đó, rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực bê tông cốt thép đã đạt được ở nhiều nước như Pháp, Đức và dẫn đến việc thành lập Hiệp hội bê tông Đức vào năm 1910 và sau đó là các Hiệp hội bê tông Áo cũng như các Viện nghiên cứu bê tông Anh, Viện nghiên cứu bê tông Mỹ Bên cạnh các viện nghiên cứu quốc gia, các tổ chức quốc tế về bê tông cũng đã được thành lập Liên đoàn bê tông dự ứng lực quốc tế (FIP) được thành lập năm 1952 và Uỷ ban Bê tông châu Âu (CEB) được thành lập năm 1953,

từ năm 1998, CEB và FIP hợp nhất thành Liên đoàn bê tông quốc tế (fédération

internationale du béton, viết tắt là fib)

nẹ

Bê tông dự ứng lực đã được Freyssinet, một kỹ sư người Pháp, đề xuất và chế tạo thành công vào năm 1928 Từ đó, kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông dự ứng lực được sử dụng ngày càng nhiều cho các ứng dụng khác nhau

Các lý thuyết về cường độ tới hạn đã được sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu

bê tông cốt thép tại Liên Xô (cũ) từ năm 1938 Lý thuyết này, sau đó, được sử dụng tại Anh và Mỹ vào năm 1956 Phương pháp thiết kế theo các trạng thái giới hạn đã được sử

dụng ở Liên Xô (cũ) từ năm 1955 Hiện nay, phương pháp này đang được hoàn thiện và

được sử dụng phổ biến ở rất nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Châu Âu, Nhật, v.v Các Tiêu chuẩn tính toán, thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của nước ta cũng áp dụng phương

pháp các trạng thái giới hạn

Với việc phát hiện ra thành phần vật liệu và nguyên tắc phối hợp mới, bê tông hiện

nay đã có thể có cường độ chịu nén đến 140 MPa, thậm chí đến 200 MPa Để khai thác

25

một cách có hiệu quả các loại bê tông này đòi hỏi phải có những dạng kết cấu mới Trong thời gian gần đây, các dạng kết cấu liên hợp, kết cấu lai (hybrid structures) đang,

được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ

1.3 TONG QUAN VE QUA TRINH THIET KE KET CAU BE

TONG COT THEP

Thiết kế kết cấu bê tông, cũng như khi thiết kế các kết cấu khác, có thể được xem như là một quá trình thử dần bao gồm các giai đoạn có liên quan chặt chẽ với nhau là

thiết kế sơ bộ, phân tích và thiết kế chỉ tiết

1.3.1 _ Thiết kế sơ bộ

Thiết kế sơ bộ là phần quan trọng và sáng tạo nhất của quá trình thiết kế Trong giai

đoạn này, các kỹ sư thiết kế sẽ xác định dạng kết cấu, kích thước sơ bộ của các bộ phận

cũng như tải trọng dự kiến Để thoả mãn các chức năng yêu cầu của công trình, người

kỹ sư thiết kế phải vận dụng nghệ thuật, kinh nghiệm, các kiến thức về kỹ thuật xây

dựng, tính trực quan và tính sáng tạo Kinh nghiệm thường đóng vai trò quan trong trong việc tìm ra các giải pháp phù hợp nhất trên cơ sở hài hoà các yếu tố như yêu cầu

của chủ đầu tư, yêu cầu kiến trúc, tiêu chuẩn, điều kiện môi trường, sự sẵn có của các

vật liệu thành phần cũng như điều kiện và khả năng thi công, v.v

1.3.2 Phân tích kết cấu

Mục đích của quá trình phân (ích kết cấu là xác định nội lực, chuyển vị, tần số dao động, độ ôn định, v.v của toàn kết cấu cũng như của các bộ phận của nó dưới các tác

động bên ngoài với các thông số hình học và vật liệu đã được lựa chọn trong bước thiết

kế sơ bộ Để thực hiện việc phân tích, kết cấu thật được mô hình hoá thành các sơ đồ

tính với việc sử dụng các giả thiết phù hợp với các nguyên lý thiết kế và sự làm việc

thực tế của kết cấu ở các trạng thái khác nhau

Để phân tích tổng thể kết cấu trong giai đoạn khai thác chịu các tác động thông thường, sơ đồ tính thường được xây dựng bằng việc áp dụng các giả thiết đã được sử

dụng trong các môn học như Sức bên vật liệu, Cơ học kết cấu, v.v Theo đó, vật liệu

trong các kết cầu bê tông vẫn được giả thiết là đồng nhất, đẳng hướng và làm việc đàn

hồi tuyến tính Những giả thiết này làm giảm đáng kể khối lượng tính toán, đồng thời,

vẫn phản ánh tương đối chính xác sự làm việc thực tế của kết cấu

Khi chịu các tác động đặc biệt như động đất, gió bão lớn, va tàu, v.v kết cấu được

thiết kê làm việc ở các trạng thái giới hạn về cường độ Lúc đó, bê tông hoặc bê tông cốt thép cân phải được xem xét như là một vật liệu đàn dẻo và dị hướng do sự hình thành và

26

phát triển của các vết nứt Do khối lượng tính toán lớn, các phân tích dạng này thường được thực hiện trên các chương trình máy tính hiện đại

Khi phân tích kết cấu trong giai đoạn thi công, bê tông hoặc bê tông cốt thép cũng thường được mô hình hoá là vật liệu làm việc đản hồi tuyến tính dưới tác dụng của ngoại lực Tuy nhiên, ở giai đoạn này, do bê tông có tuổi khá nhỏ nên những yếu tố có liên quan đến thời gian như co ngót, từ biến, sự biến thiên cường độ và độ cứng của nó

có ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng, chuyển vị và nội lực của kết cấu Do vậy, việc phân tích kết cầu trong giai đoạn thi công cần xem xét đến những yếu tố này

1.3.3 Thiết kế chỉ tiết

Trong giai đoạn này, người thiết kế sẽ tính toán các kích thước chỉ tiết cũng như xác định số lượng và bố trí vật liệu thích hợp cho từng bộ phận kết cấu trên cơ sở các thành

phần nội lực đã được xác định từ phân tích tông thể Mặc dù nội lực của các bộ phận kết

cảu thường được xác định trên các sơ đồ tính với giả thiết về sự làm việc đàn hồi tuyến

tình của bê tông nhưng khỉ thiết kế chỉ tiết, người thiết kế cần phải tính đến các ứng xử

thật và phức tạp của vật liệu này

'Thiết kế chỉ tiết cũng là một quá trình thử dần với việc xác định kích thước, lựa chọn

và bố trí vật liệu và tính duyệt để đảm bảo rằng, mọi bộ phận kết cấu đều thoả mãn các

yêu cầu về cường độ, độ bền, độ cứng, độ ổn định, v.v Đối với kết cấu bê tông, đây là một quá trình đòi hỏi phải xử lý rất nhiều tham số khác nhau như kích thước của mặt

cắt, chủng loại và diện tích của cốt thép, mô hình làm việc của bê tông và cốt thép, v.V Bên cạnh những mô hình vật liệu được đề xuất theo các triết lý thiết kế, các kỹ sư phải

phối hợp rất nhiều phương pháp và kỹ thuật khác nhau như các công thức kinh nghiệm

(ví dụ, công thức để tính toán độ mở rộng vết nứt hay công thức tính cường độ kháng

cắt), các phương pháp gần đúng (ví dụ, tính duyệt mặt cắt với giả thiết là ứng suất trong

bê tông phân bố dạng chữ nhật) cũng như các mô hình suy luận (ví dụ, giả thiết mặt cắt phẳng khi chịu uốn)

Tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và chịu lực, cách tính toán đối với từng bộ phận

trong kết cầu bê tông cũng khác nhau Các khu vực ở xa điểm đặt lực có thể được thiết

kế và tính toán bằng các phương pháp mặt cắt thông thường Tuy nhiên, các khu vực ở gần điểm đặt lực hoặc có cầu tạo phức tạp cần được thiết kế theo các phương pháp thích hợp hơn như phương pháp dòng lực hay phương pháp sơ đồ hệ thanh, v.v

21.

TONG QUAN VE MOT SO PHƯƠNG PHÁP THIET KE KET CAU BE TONG COT THEP

thường pháp tính toán, thiết kế kết cấu bê tông đã đạt được rất

ệ vật liệu phương pháp và thiết bị thí

nh ửng suất lớn nhất do tác động bên ngoài sinh ra với ứng suất cho zợc có được từ ứng suất gây phá hoại vật liệu và được chiết giảm bằng,

ệ số an toàn được xác định từ việc xem xét các yếu tố như tính đồng

lượng của vật liệu độ chính xác của việc chế tạo, sự sai lệch giữa tải trọng

i rọng tính toán cũng như tầm quan trọng của kết cấu Phương pháp ứng,

suất cho phép lä một trong những phương pháp thiết kế được sử dụng rộng rãi trong thế

ky 20 Cho dén nay phương pháp này vần được sử dụng trong một số tiêu chuẩn thiết

é kết cấu thép Tuy nhiên, việc áp dụng phương phap zing suất cho phép đễ thiết kế kết

cấu bê tông tỏ ra là không thật thích hợp do bê tông là vật liệu có tính dan déo cao và trạng thái ứng suất của nó chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố phụ thuộc thời gian như

co ngót, từ biến, v.v

Từ giữa thế kỷ 20, một phương pháp tính toán và thiết kế khác được phát triển là

phương pháp theo nói lực phá hoại Theo phương pháp này, điều kiện an toàn của kết cầu được xác định trên cơ sở so sánh nội lực lớn nhất trong kết cấu do tải trọng tiêu chuẩn sinh ra với nội lực làm phá hoại kết cấu (nội lực phá hoại) Nội lực phá hoại được

xác định dựa trên các kết quả thí nghiệm và có xét đến sự làm việc có biến dạng dẻo của

bê tông và cốt thép Phương pháp nội lực phá hoại đã phần nào khắc phục được nhược điểm của phương pháp ứng suất cho phép nhưng do vẫn sử dụng một hệ số an toàn chung nên chưa phản ánh được đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến độ an toàn của kết cấu Phương pháp tính toán và thiết kế được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là phương

pháp trạng thái giới hạn Theo phương pháp này, độ an toàn của kết cấu được xác định

trên cơ sở so sánh sức kháng của kết cấu với hiệu ứng của tải trọng ở từng trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn là trạng thái mà, tại đó, kết cấu có thể bị phá hoại hoặc

không tiếp tục sử dụng bình thường được nữa Theo một số tiêu chuẩn thiết kế tiên tiến

hiện nay, các trạng thái giới hạn thường được chia thành trạng thái giới hạn về cường

độ, trạng thái giới hạn về sử dụng, trạng thái giới hạn mỏi và trạng thái giới hạn đặc

biệt Sự biến thiên của từng loại tải trọng và sức kháng của kết cấu được xác định theo

phương pháp xác suất thống kê và được xét đến trong tính toán thông qua các hệ số

28

Các hệ số tải trọng và sức kháng được quy định khác nhau cho các trạng thái giới hạn khác nhau

Nhiệm vụ của kỹ sư thiết kế là đảm bảo cho kết cầu không bị rơi vảo các trạng thái

giới hạn trong thời gian phục vụ dự kiến của nó Phương pháp tính toán, thiết kế theo trạng thái giới hạn đang được coi là phương pháp tiên tiến nhất do có cơ sở khoa học rõ ràng, có khả năng tuỳ biến theo yêu cầu cho từng công trình cụ thể.

CHƯƠNG2_ VẬT LIỆU

2.1 BÊ TÔNG

2.1.1 Thành phần của bê tông

Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc chế tạo bê tông và các quá trình hóa học phức tạp xảy ra khi thủy hóa đã được mô tả trong các tài liệu về vật liệu xây dựng Chương

này chỉ tóm tắt một số tính chất và đặc trưng quan trọng của bê tông, có liên quan đến

sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép

Các thành phần quan trọng nhất của bê tông là xi măng, nước và cốt liệu Bên cạnh

đó, các loại phụ gia như phụ gia hoá dẻo, đông cứng nhanh, siêu dẻo và các chất độn hoạt tính như bột silic, tro bay, v.v đang được sử dụng ngày càng nhiều và đang trở thành những thành phần không thể thiếu của bê tông, đặc biệt là bê tông cho những công trình quan trọng Bê tông hóa rắn nhờ các phản ứng hóa học xảy ra giữa xi măng

và nước Xi măng Portland chứa một lượng lớn các silicat canxi Các silicat này phản ứng với nước dé tạo ra các hidroxit silicat canxi, là thành phần chủ yếu tạo nên cường

độ của bê tông, và hidroxit canxi là thành phần tạo nên tính kiềm cho bé tong Xi mang

Portland còn chứa tricanxium aluminate (C3A) là thành phần tạo tính kiềm cho bê tông

và hóa hợp tất cả các i-on clo có thể có mặt trong hỗn hợp Bảng 2.1 cung cấp một số dang xi măng tiêu chuẩn theo ASTM và phạm vi ứng dụng.của chúng

I Xi măng "thông thường” Các ứng dụng phổ thông

Hộ Lượng CạA thấp Chống sun phát trung bình, tỏa nhiệt khi thủy hóa ở

mức trung bình

II | Nhiều bột mịn và/hoặc lượng C;S cao | Cường độ cao sớm; đổ bê tông ở nhiệt độ thấp

IV Lượng CạS và CA thấp Tỏa Ít nhiệt khi thủy hóa, đổ bê tông các khối lớn

Vv Lượng C;A thấp Chịu sun phát

Thông thường, cốt ệ chiếm khoảng 70% thể tích bê tông và, trong hầu hết các trường hợp, chúng có cường độ lớn hơn, cứng hơn và cũng đặc hơn đá xi măng Trong

bê tông thường, cốt liệu có ảnh hưởng đối với cường độ ít hơn là đối với mô đun đàn

hoi và khối lượng thể tích của bê tông Trong các thuộc tính của hỗn hợp cốt liệu, thànli

phân hạt có ý nghĩa quan trọng hơn cả, nó quyết định lượng nước cần thiết đẻ đạt được

thành phần bê tông tươi mong muốn

30

Để thủy hóa, xi măng cần một lượng nước tối thiểu khoảng 25% khối lượng của xỉ

măng Dù rất muốn sử dụng lượng nước tối thiểu trong hỗn hợp nhưng nếu không sử

dụng phụ gia thì tỷ lệ nước/xi măng khoảng 30% là giá trị thấp nhất người ta có thể đạt

được trong thực tế Lượng nước thừa so với lượng cần thiết để thủy hóa có thể tạo ra

các khoảng trống nhỏ trong đá.xi măng, làm yếu thành phần này và làm cho nó có nhiều

lỗ rỗng Như vậy, việc tăng tỷ lệ nước/xi măng sẽ làm giảm cường độ, làm tăng tính

thấm nước, co ngót cũng như từ biến của bê tông Bê tông được sử dụng trong các kết

cấu bê tông cốt thép có cường độ thông thường trong khoảng 18 đến 60 MPa nên chúng

phải có một tỷ lệ nước/x¡i măng thích hợp

n một số tính năng quan trọng của bê tông cũng như tính công tác của nó, người ta có thể sử dụng các phụ gia khác nhau Phu gia hod déo làm tăng tính công tác của bê tông và làm giảm lượng nước cần sử dụng Phụ gia đông cứng nhanh có tác dung làm tăng tốc độ đông cứng của bê tông phù hợp với những bộ phận kết cấu cần dược dưa vào chịu lực sớm Ngược lại với loại phụ gia này là phụ gia làm chậm đông

cứng dược dùng cho bê tông được đỗ trong thời tiết quá nóng, hoặc được đỗ với khối

lượng lớn đề loại trừ các mối nối khô cũng như cho bê tông được chuyên chở với cự ly

xa Ngoài ra, còn có các loại phự gia nở làm tăng thể tích của vữa bơm trong ống gen cáp dự ứng lực, phụ gia tro bom dé làm tăng tính linh động của bê tông khi bơm, v.v Trong bê tông có cường độ thông thường, vùng dính bám giữa đá xi măng và cốt

liệu thường là vùng yếu, do đó, các vết nứt thường xuất hiện quanh các hạt cốt liệu Sự

hình thành các vùng yếu này trong bê tông thường phụ thuộc vào việc sản xuất bê tông

Để cải thiện cường độ, độ bên, tính chống thấm và một số tính chất khác của bê tông

người ta tìm cách loại bỏ bớt những vùng này thông qua việc sử dụng các chất độn hạt

mịn, có kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với hạt xi măng, và phụ gia siêu dẻo tính năng

cao

Các phụ gia siêu dẻo là các hợp chất polimer chứa các nhóm axit sulfonic có khả năng ngăn cản sự tiếp xúc của nước với các chất dính kết trong thời gian 46 bê tông và qua đó, tăng tạm thời tính công tác của bê tông Việc sử dụng các hợp chất này cho phép sử dụng tỷ lệ nước/xi măng thấp (0,3 hoặc thậm chí đến 0,25) trong khi vẫn giữ

được tính công tác với độ sụt 175 đến 225 mm và, nhờ đó, tạo ra bê tông có cường độ

cao và tính thấm nước thấp

Pozzolans tự nhiên, tro bay, bột silic và xỉ lò cao là các chất độn hạt mịn đôi khi

được dùng để thay thế một phần và/hoặc tăng thêm một số đặc tính của bê tông Bột

silie hay microsilica là đồng sản phẩm khi chế tạo silic sắt Loại bột này mịn hơn xi

măng hàng trăm lần và có khả năng làm đầy các khoảng trống giữa các hạt xi măng cũng như giữa các cốt liệu mịn, qua đó, tạo ra một cấu trúc bê tông có độ đặc cao và làm

tăng cường độ chịu nén của nó Ngoài ra, các chất pozzolans còn phản ứng với hydoxit

31

canxi có cường độ thấp để biến chúng thành các hydoxit silicat canxi có cường độ cao

Khi dùng để thay thế khoảng 5% đến 10% xi măng portland, chất này có thể tạo ra bê

` tông cường độ cao như ví dụ được mô tả trong Bảng 2.2

Việc sử dụng hợp lý các chất phụ gia siêu dẻo tính năng cao cùng với các chất độn

hạt mịn như đã nói ở trên có thể tạo ra các hỗn hợp bê tông có cấu trúc tối ưu với cường

độ chịu nén đến 150 MPa hoặc hơn ngay tại công trường [7] Các bê tông này không chỉ

có độ bền cơ học mà còn độ bền hoá học, tuổi thọ cũng như độ chống thấm cao Vì

những lý do đó, chúng được gọi là bê tông tính năng cao (High Performance Concrete — HPC)

Bảng2.2 — Một ví dụ tỷ lệ thành phần cho bê tông cường độ cao sử dụng bột silic [6]

Cường độ - khối | 74,8 MPa sau 7 ngày

113,3 MPa sau 90 ngay

Khối lượng thể tích | 2430 kg/m?

2.1.2 Đặc tính của bê tông non

Bê tông dưới khoảng 3 ngày tuổi được xem là bê tông non Phụ thuộc trước hết vào loại xi măng, nhiệt độ môi trường và tỉ lệ nước/xi măng, độ thuỷ hoá của bê tông tại thời điểm này nằm trong khoảng từ 60% đến 90% Một số đặc trưng của bê tông non là:

© _ Nhiệt tăng mạnh và, do đó, có sự trao đổi nhiệt lớn với môi trường xung quanh,

« _ Thể tích thay đổi lớn,

s _ Các đặc tính cơ học biến đổi nhanh theo thời gian

Sự thuỷ hoá xi măng là một quá trình toả nhiệt và kết quả là bê tông non bị nóng lên

Bê tông sẽ nguội trở lại khi lượng nhiệt giải phóng ra ít hơn lượng nhiệt nhận lại thông,

_ Sự trao đôi nhiệt với môi trường, Lượng nhiệt giải phóng ra phụ thuộc trước hết vào

lượng xi măng và loại xi măng Thông thường, cường độ xi măng càng cao thì lượng nhiệt toa ra càng lớn Hơn nữa, xi măng lò cao giải phóng nhiệt ít hon xi mang Portland

Sự trao đổi nhiệt của kết cấu bê tông với môi trường phụ thuộc trước hết vào quan hệ giữa thể tích và diện tích bề mặt (diện tích bề mặt càng lớn so với thể tích thì sự trao đổi

nhiệt càng thuận lợi), vào hệ số truyền nhiệt (hệ số này phù thuộc vào ván khuôn cũng

như việc sử dụng chất cách nhiệt) và phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Do sự trao đổi

nhiệt xảy ra trên bề mặt cấu kiện bê tông, sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang là

không đều, đặc biệt trong các cầu kiện có bề dày lớn Biểu đồ nhiệt độ trong cấu kiện có

thể được phân tách thành ba phần như được thẻ hiện trên Hình 2.1

Phụ thuộc vào thời điểm xem xét, thành phần nhiệt độ thứ nhất (AT) làm tăng hoặc

làm giảm thể tích và thành phần nhiệt độ thứ hai (AT,,) gay uốn cấu kiện Nếu các biến

Hình 2.1 Biểu du nhiệt độ va ba thành phần để tính ứng suất trong cấu kiện bê tông do sự chênh

lệch nhiệt độ [7]

Thành phần nhiệt độ thứ ba {AT,,) không phụ thuộc vào sơ đồ tĩnh học và luôn luôn gêy ra ứng suất trong mặt cắt bê tông Đặc điểm của ứng suất này là tự cân bằng nên không gây ra sự thay đổi nội lực trong kết cấu Do đó, nó cũng thường được coi là ứng suất riêng

Ngoài nguyên nhân chênl: lệch nhiệt độ, sự mất nước trong những ngày đầu tiên cũng có thể gãy ra các ứng suất đảng kể trong bê tông, dẫn đến xuất hiện các vết nứt bề mặt hoặc yết nứt tách hoàn tôàn, gây nguy hiểm đối với khả năng sử dụng và trước hết

là đối với tuểi thọ của kết cấu Nguy cơ này có thê dược øiảm thiểu trước hết là nhờ sự

lựa chọn thành phần bê tông và việc bảo dưỡng bẻ tông Ngoài ra có thể áp dụng các

giải pháp cầu tạo để hạn chế bề rộng cav vết nứt có thể xuất hiện Các quá trình Xây ra

liên quan đến sự thuỷ hoá xỉ măng trong những giờ và những ngày đầu tiên có ý nghĩa

33

quan trọng đối với các tắnh chất của bê tông đóng rắn và, do đó, đối với tuổi thọ của kết

cấu bê tông Vì vậy, một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của công nghệ bê tông

là tạo ra những điều kiện có lợi cho sự phát triển các thuộc tắnh của bê tông trong giai

đoạn đầu

Sự phát triển cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông theo thời gian có thể được

biểu diễn như trên Hình 2.2 Trong khoảng bốn đến sáu giờ đầu tiên sau khi nhào trộn,

cả cường độ chịu nén lẫn cường độ chịu kéo của bê tông, hầu như không tăng Sau đó,

đến giai đoạn cường độ phát triển rất nhanh và cuối cùng là giai đoạn cường độ phát

triển chậm lại Sau 28 ngày, sự tăng cường độ quan sát được chỉ rất ắt Sự biến thiên của

cường độ bê tông theo thời gian với ba giai đoạn kể trên phụ thuộc vào việc lựa chọn xi

măng và sử dụng phụ gia bê tông Vắ dụ, việc sử dụng phụ gia đông cứng chậm dẫn đến

kéo dài giai đoạn ninh kết, hoặc việc sử dụng xi măng có độ toả nhiệt thấp dẫn đến sự

phát triển cường độ chậm hơn và đồng đều hơn Ngoài ra, các quan sát cho thấy rằng,

mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo của bê tông tăng nhanh hơn so với cường độ chịu

Hình 2.2 Sự phát triển cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông theo thời gian [7]

2.1.3 Phân loại bê tông

Bê tông có thể được phân loại theo cấu trúc, khối lượng riêng, cường độ chịu nén, mức độ chong thâm cũng như phạm vi sử dụng

ồ Theo cầu trúc, bê tông được phân loại thành đê tông đặc, bê tông có lỗ rỗng, bê

tông xôp, V.V

34

ề Theo khối lượng thể tắch, bê tông có các loại như ỏê đông nhẹ (khối lượng thể tắch + < 1800kg//mẺ ), bê tông nặng (Ộy = 2300+ 2500kg/mỖ ) và bê tông đặc biệt nặng (2y > 2500kg/mỶ )

ẹ Theo cường độ, bê tông được phân loại thành bê rồng hường với cường độ chịu nén trong khoảng 21 MPa đến 60 MPa, đê tông cường độ cao có cường độ chịu nén trong khoảng 60 MPa đến 80 MPa và bê tông cường độ cực cao có cường độ

chịu nén đạt đến 120MPa hoặc hơn

ề Theo phạm vi sử dụng, bê tông được phân loại thành bê tồng kết cấu, bê tông

cách nhiệt bê tông chống phóng xạ, bê tông chống xâm thực, bê tông thuỷ công,

Vial:

21.4 Các tắnh chất cơ lý của bê tông đã đóng rắn

2.1.4.1 Cường độ chịu nén dọc trục của bê tông

Cường độ chịu nén dọc trục (sau đây được gọi là cường độ chịu nén) là ứng suất lớn

nhất mà mẫu bê tông có thể chịu trước khi bị phá hoại Cường độ chịu nén là một trong, những tắnh chất quan trọng nhất của bê tông được sử dụng trong kết cấu Có rất nhiều tham số ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của bê tông, trong đó phải kể đến cường độ

và cấp phối của cốt liệu, tỉ lệ nước/xi măng và cường độ xi măng Cường độ chịu nén

của bê tông được xác định bằng thắ nghiệm, phụ thuộc vào kắch thước và hình dạng, mẫu

thử, tốc độ đặt tải, điều kiện bảo dưỡng cũng như phương pháp thử Để thu được các kết quả có thể so sánh được, các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước đều có những quy định chặt chẽ về các yếu tố nói trên

Hầu hết các Tiêu chuẩn đều quy định tuổi của bê tông khi xác định cường độ chịu

nén là 28 ngày do sau thời điểm này cường độ bê tông phát triển rất chậm Độ mảnh của

mẫu thử có ảnh hưởng đáng kẻ đến cường độ của những mẫu bị kiềm chế biến dạng

ngang ở mặt tiếp xúc với tắm đặt tải của máy thử Ở những mẫu này, độ mảnh càng nhỏ thì cường độ chịu nén càng lớn Với những mẫu không bị kiểm chế biến đạng ngang, ảnh hưởng của độ mảnh là không rõ nét Điều này có thể được giải thắch bởi sự phát triển của ứng suất kéo ngang là nguyên nhân chắnh gây phá hoại ở các mẫu chịu nén Ở

những mẫu bị kiềm chế biến dạng ngang và có độ mảnh nhỏ, một phần lớn ứng suất kéo ngang bị triệt tiêu và dẫn đến cường độ của bê tông xác định được cao hơn so với ở

những mẫu không bị kiềm chế biến dạng ngang hoặc có độ mảnh lớn Khi chiều cao

mẫu thử lớn hơn hoặc bằng khoảng 2 lần chiều rộng hoặc đường kắnh mặt cắt ngang thì

ảnh hưởng của sự kiềm chế biến dạng ngang ở mặt tiếp xúc đến cường độ chịu nén của

nó là không đáng kẻ nữa

35

Hình dạng mặt cắt ngang và kích thước mẫu thử cũng có ảnh hưởng dến cường độ

chịu nén, Các mẫu thử có mặt cắt ngang hình vuông chịu ảnh hưởng của sự kiềm chế

biến dạng ngang ở mặt tiếp xúc nhiều hơn so với các mẫu có mặt cắt ngang hình tròn Cường độ chịu nén được xác định với các mẫu có kích thước lớn sẽ có giá trị nhỏ hơn

với các mẫu có kích thước nhỏ Hình 2.3 thể hiện sự ảnh hưởng của kích thước mẫu thử

đến cường độ bê tông và Hình 2.4 thể hiện sơ đồ phá hoại của mẫu thử `

Theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, đối với bê tông được dùng trong các công trình

cầu, cường độ chịu nén được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C-39 với việc nén đến phá hoại mẫu thử hình trụ có đường kính 150 mm và chiều cao 300 mm Bê tông khi thí

nghiệm có tuổi 28 ngày và được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn Thời gian chất tải cho đến khi phá hoại là khoảng 2 đến 3 phút Theo Tiêu chuẩn ACI 318-05, cường

độ chịu nén của bê tông được sử dụng trong các kết cấu xây dựng cũng được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C-39

3,0 4,0

4, al L đi # : cường độ mẫu hình trụ có kích

' thước thay đổi

(a) Phá hoại khi biến (b) Phá hoại khi biến dạng

dạng ngang bị cản trở ngang không bị cản trở

Hình 2.4 Sơ đỗ phá hoại của mẫu thử theo các phương pháp thử khác nhau [7]

36

Tiêu chuẩn TCVN 3118-1993 quy định mẫu thử để xác định cường độ chịu nén của bê tông có dang hình lập phương với kích thước mỗi chiều là 150 mm Tuổi bê tông cũng được quy định là 28 ngày

Trong tiêu chuẩn châu Âu EC2, mẫu thử này là hình trụ có đường kính 150 mm và chiều cao 300 mm hoặc khối lập phương cạnh bằng 150 mm Trong khi đó, mẫu thử theo Tiêu chuẩn Đức DIN EN 12 390-1

có dạng hình trụ hay hình khối chữ nhật có tỷ số ñ/đ =2 Đường kính hay chiều dài cạnh đ tối thiểu bằng 3,5 lần dường kính cốt liệu lớn nhất và thường được lấy bằng 100 mm hay 150 mm Quan hệ gần

đúng giữa cường độ chịu nén được xác định theo mẫu hình trụ kích thước 150x300mm, jƑ, với các

cường độ chịu nén được xác định theo các mẫu thử hình lập phương khác, / „„, được thể hiện trong

[heo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, bê tông được sử dụng trong các công trình cầu

thường có cường độ chịu nén nằm trong khoảng 16 đến khoảng 70 MPa và bê tông cho kết cấu mặt cầu phải có cường độ tối thiểu là 28 MPa Hiện nay, việc sử dụng bê tông

có cường độ chịu nén lên đến khoảng 80 MPa là khá phổ biến ở rất nhiều nước

Sau nhiều năm, do quá trình thủy hóa, cường độ bê tông có thẻ tăng thêm từ 20 đến

40% so với cường độ được xác định tại thời điểm 28 ngày Đây được gọi là hiện tượng rắn kết sau Sự tăng cường độ này phụ thuộc trước hết vào sự phát triển cường độ theo thời gian của xi măng và tỉ lệ nước/xi măng Nói chung, tỷ lệ nước/xi măng càng lớn thi

sự tăng cường độ sau 28 càng lớn Bê tông được chế tạo từ xi măng có cường độ phát triển nhanh sẽ có sự tăng cường độ sau 28 ngày ít hơn so với bê tông sử dụng xi măng

có cường độ phát triển chậm Sự tăng cường độ này của bê tông, tuy vậy, không được xét đến trong các thiết kế thông thường

2.1.4.2 Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông

Cường độ chịu nén đặc trưng hay cường độ đặc trưng của bê tông — được ký hiệu là

ƒÿ — là giá trị mà chỉ có một xác suất xác định (được quy định trong Tiêu chuẩn thiết

kế) các mẫu thử trong một tập hợp có cường độ chịu nén nhỏ hơn giá trị đó Cường độ

chịu nén đặc trưng được sử dụng để thiết kế kết cấu bê tông cũng như để phân cấp bê tông

Một số Tiêu chuẩn hiện nay như TCXDVN, EuroCode, BS, v.v dùng cường độ chịu nén đặc trưng ứng với xác suất 5% số mẫu thử có cường độ nhỏ hơn Với xác suất nói

37

trên, quan hệ giữa cường độ chịu nén đặc trưng ƒ với cường độ chịu nén trung bình # của tập hợp mẫu thử là

Với ø là độ lệch chuẩn của cường độ chịu nén của các mẫu thử trong tập hợp

“Tiêu chuẩn ACI quy định, chỉ có không quá 1% xác suất cường độ trung bình của 3 mẫu thử liên tiếp nhỏ hơn cường độ đặc trưng hoặc 1% xác suất cường độ mẫu thử

riêng biệt nhỏ hơn 0,9 lần cường độ đặc trưng Tương ứng, quan hệ giữa cường độ chịu

nén đặc trưng ƒ với cường độ chịu nén trung bình ƒ„ của tập hợp mẫu thử là

2.1.4.3 Cường độ chịu kéo của bê tông

Cường độ chịu kéo dọc trục, hay còn được gọi là cường độ nứt, được ký hiệu là ƒ„,

là ứng suất kéo dọc trục lớn nhất mà bê tông có thể chịu được trước khi nứt Cường độ này có thể được xác định trực tiếp hoặc gián tiếp Mặc dù người ta rất muốn thí nghiệm

kéo dọc trục bê tông để xác định cường độ chịu kéo thực của nó nhưng thí nghiệm này

lại đòi hỏi các thiết bị đặc biệt Vì vậy, các thí nghiệm gián tiếp như thí nghiệm xác định

cường độ kéo khi uốn, thí nghiệm ép chẻ thường lại hay được sử dụng hơn (Hình 2.5) Cường độ chịu kéo khi uốn, hay còn được gọi là mô đun phá hoại (modulus of rupture), ký hiệu là ƒ., được xác định dựa trên thí nghiệm uốn một thanh bê tông (Hình 2.5b) Phương pháp thí nghiệm này thường cho kết quả tin cậy nên rất hay được sử dụng, đặc biệt là cho bê tông được sử dụng trong các cấu kiện chịu uốn Theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông dùng trong công trình cầu được thí nghiệm theo Tiêu chuẩn ASTM C-78 với mặt cắt thanh bê tông là

bxh=150x150mm, chiều dài mẫu thử giữa các gối là ”=450mm và khoảng cách giữa các điểm đặt lực là L/3=150mm Theo phương pháp thí nghiệm này, cường độ

chịu kéo khi uốn của bê tông được xác định theo công thức

‡ =PLjJbh?

Nếu không thực hiện được thí nghiệm thì có thể tính toán cường độ chịu kéo dọc trục

và cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông theo cường độ chịu nén, ƒ“, như sau [6]:

38

Hình 2.5 Các phương pháp xác định cường độ chịu kéo của bê tông,

Tất cả các giá trị cường độ trong công thức (2.3) đều được tính bằng MPa À là hệ số xét đến độ đặc của bê tông À =1,00 cho bê tông thường, À =0,85 cho bê tông cát, nhẹ

và À=0,75 cho các loại bê tông nhẹ khác Thông thường, cường độ chịu kéo dọc trục của bê tông nằm trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 cường độ chịu nén, nghĩa là

=(0,10+0,2) f’

Thí nghiệm ép chẻ, còn được gọi là phương pháp Braxin, là một phương pháp khác

để xác định gián tiếp cường độ chịu kéo của bê tông thông qua cường độ chịu ép chẻ Phương pháp này hay được sử dụng cho bê tông làm mặt đường Cường độ chịu ép chẻ được xác định từ việc nén một thanh bê tông hình trụ bởi một dải lực phân bố đặt trên hai đường sinh đối xứng tâm của mẫu trụ Quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ ép chẻ, f,,, cla bé tông là

39

2.1.4.4 Sự làm việc của bê tông khi chịu nén một trục — các định luật

vật liệu của bê tông

Sự làm việc của vật liệu thường, được mô tả thông qua quan hệ ứng suất — biến dạng Trong việc tính toán và thiết kế kết cấu bê tông, quan hệ ứng, suất — biến dạng khi chịu nén của bệ tông đóng vai trò rất quan trọng Các phương trình mô tả quan hệ ứng suất —

biến dạng của bê tông còn được gọi là các định luật vật liệu của nó

+

Cốt liệu thô

Vết nứt tại

mặt tiếp xúc của cốt liệu

Đá xi măng

Hình 2.6 Quan hệ ứng suất — biến dạng của bê tông và của các vật liệu thành phần

Trong khi quan hệ ứng suất — biến dạng của các vật liệu thành phần của bê tông, tức

là cốt liệu thô và đá xi măng, là gần như tuyến tính thì quan hệ này của bê tông lại là phi tuyến (Hình 2.6) Thông thường, độ cứng và cường độ của cốt liệu thô cao hơn của đá

xi măng (cốt liệu thô có cường độ thông thường trong khoảng 100 đến 200 MPa) còn độ cứng và cường độ của bê tông thường nằm giữa các giá trị của cốt liệu thô và của đá xi

thuộc vào hướng của chúng, sẽ sinh ra lực nén nghiêng và lực kéo ngang Chính các lực kéo ngang này

sinh ra các vết nứt dọc trong bê tông [5] (Hình 2.7) Sự phát triển và lan truyền các vết nứt này làm mềm

bẽ tông và làm tròn đường cong quan hệ ứng suất — biến dạng Trước khi bê tông bị phá hoại, các vết nứt đọc, song song với phương chịu nén phát triển rất mạnh và độ nở ngang của bê tông cũng rất lớn

Do nhiều nguyên nhân khác nhau nên tại những vùng tiếp xúc giữa đá xi măng và cốt liệu thô trong bê

tông thường đã có sẵn các vết nứt trước khi chịu tải Các vết nứt này bắt đầu phát triển sau khi ứng suất

đạt tới khoảng 40% cường độ chịu nén Từ mức ứng suất này, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trở nên

không còn tuyến tính Ứng suất cảng tăng lên, độ cứng của bê tông càng nhỏ đi Ở mức ứng suất vào

40

khoảng 80% cường độ chịu nén, các vết nứt phát triển trong vùng vữa bê tông và chiều dài các vết nứt: nhỏ tăng rất nhanh theo sự tăng của tải trọng

Hình 2.7 Sự hình thành lực kéo ngang trong bê tông chịu nén [6]

Ironp bê tông cường độ cao, chênh lệch giữa cường độ của cốt liệu và của đá xi

màng không lớn như trong bê tông thường Nhờ vậy, sự tập trung ứng suất tại các cốt

liệu thô là không quá lớn Các vết nứt nhỏ, do đó, phải ở một mức ứng suất cao hơn mới

bắt dầu phát triển và đoạn thẳng trên biểu đồ quan hệ ứng suất — biến dạng của bê tông

cường độ cao dài hơn của bê tông thường Cường độ chịu nén của bê tông cường độ cao

sẽ đạt tới khi các vết nứt nhỏ phát triển tới một chiều đài giới hạn tại một vùng cục bộ

nào đó Lúc này, tải trọng không thể tiếp tục tăng được nữa Do đó, trong thí nghiệm với ứng suất tăng đều, sự phá hoại sẽ xảy ra đột ngột Nhánh đi xuống của bê tông cường độ cao dốc hơn Do đó, phần năng lượng ứng với vùng sau phá hoại so với năng lượng toàn

bộ sẽ nhỏ hơn so với bê tông thường Như vậy, bê tông cường độ cao giòn hơn bê tông thường

Hình 2.8 thể hiện đường cong quan hệ ứng suất — biến dạng nhận được khi thí nghiệm một số cường độ bê tông điển hình và Hình 2.9 là sự tổng quát hoá các đường

cong này Các đường cong quan hệ ứng suất — biến dạng này cho thấy, khi cường độ bê

tông tăng, độ cứng của nó cũng tăng, tính tuyến tính lớn hơn và tính dẻo giảm đi Một

số mô hình quan hệ ứng suất — biến dạng điển hình của bê tông là:

© ˆ Quan hệ ứng suất — biến dạng tuyến tính

Khi ứng suất nhỏ hơn khoảng 0,60ƒ7 quan hệ ứng suất — biến dạng có thể được mô

tả gần đúng bằng quan hệ tuyến tính theo công thức sau:

Với ƒ, là ứng suất trong bê tông và cự là biến dạng ứng với ứng suất đó #, là mô

đun đàn hồi của bê tông được giới thiệu trong mục 2.1.4.5

4I