Bài giảng kết cấu bê tông cốt thép 1

Phân tích, tính toán hàm lượng cốt thép và kiểm tra khả năng chịu lực cho các cấu kiện cơ bản theo các Trạng thái giới hạn bền và sử dụng TTGH 1 và 2.. Biện pháp khắc phục: DỤNG • Sử dụn

Trang 1

KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1

(CẤU KIỆN CƠ BẢN)

[1] TCXDVN356-2005, Tiêu chuẩn thiết kế bê tông và bêtông cốt thép, Nhà

[5] Nilson, A H., Darwin, D and Dolan, C W : Design of Concrete

Structures, Thirteen Edition, McGraw-Hill, Boston, Massachusetts, 2004 [6] Martin, L H and Purkiss, J A : Concrete Design to EC2, Second Edition,

Butterworth-Heinemann, Elsevier, London, 2006

Tài liệu tham khảo

Trang 2

1 Các tính năng cơ lý của vật liệu bêtông, thép, bêtông cốt thép

(BTCT).

2 Tìm hiểu sự làm việc của các cấu kiện BTCT căn bản: cấu

kiện chịu uốn, cắt, xoắn, nén và chịu kéo.

3 Phân tích, tính toán hàm lượng cốt thép và kiểm tra khả năng

chịu lực cho các cấu kiện cơ bản theo các Trạng thái giới hạn bền và sử dụng (TTGH 1 và 2).

 Các nguyên lí cơ bản

 Qui trình cụ thể

3 Các nguyên tắc cấu tạo và bố trí cốt thép cho các cấu kiện cơ

bản.

BỘ MÔN CÔNG TRÌNH GV: TS Nguyễn Minh Long

Chương trình học và cấu trúc môn học

Trang 3

CHƯƠNG 1 - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BTCT

1.1 Khái niệm chung

1.2 Sơ lược lịch sử phát triển của BT và BTCT

1.3 Ưu, khuyết điểm của BTCT và phạm vi ứng dụng

1.4 Phương hướng phát triển

1.5 Phân loại bêtông và công trình bêtông

Trang 4

BT (concrete) là vật liệu phức hợp, được tạo thành từ sự kết hợp các

thành phần vật liệu khác nhau như: xi-măng (cement), đá sỏi (gravel), cát (sand), nước (water) và một số chất phụ gia (plasticizer, … ) tùy vào mục đích và yêu cầu sử dụng của từng công trình.

BT = xi-măng + đá, sỏi + cát + nước + chất phụ gia

BTCT (steel reinforced concrete) là vật liệu phức hợp, được tạo thành từ

sự kết hợp của vật liêu BT và cốt thép (steel reinforcing bar).

Chịu nén tốt,

Cải thiện khả năng chịu kéo của BT

BT + Cốt thép = BTCT

Trang 5

chịu kéo của bêtông ?

• Lực kết dính giữa BT và cốt thép (Bond strength)

• Không xảy ra phản ứng hóa học giữa BT và thép

• BT bảo vệ cốt thép khỏi sự ăn mòn

• BT và cốt thép có hệ số giản nở nhiệt gần bằng nhau

Trang 6

Bêtông là vật liệu xây dựng có tuổi đời tương đối trẻ so với đá, gỗ và kể cả

thép

Thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên (CN): Puzzolan xi-măng, người La Mã

H 1 – Đấu trường Colosseum, Roma, Ý

Trang 7

Năm 1824: Portland xi-măng, Joseph Aspdin

H 3 – Cảng West India Docks, England

Trang 8

Năm 1895: BTCT toàn khối, Francois Hennebique

Năm 1928: BTCT ứng lực trước, E Freyssinet

H 4 – Cách bố trí thép trong dầm theo

Hennebique

H 5 – Cách bố trí thép trong cột theo

Hennebique

Trang 9

1.3.1 Ưu điểm

Chịu lực tốt hơn so với gạch, đá và gỗ, đặc biệt là khả năng chịu nén

• 1920s : ~15 MPa

• 1950s : ~50 MPa

• 1992 : ~135 MPa (Petronas Tower, Kuala-Lumpur, Malaysia)

• Hiện tại: ~800 MPa (Phòng Thí nghiệm, Pháp)

Các thành phần vật liệu tạo nên bê tông rất phổ biến trong tự nhiên

Chịu được mọi loại tải trọng, kể cả động đất, cháy, nổ…

Dễ dàng sản xuất, bất ký lúc nào và bất kỳ đâu.

Bền vững theo thời gian, chi phí bảo trì thấp

Có khả năng chịu nhiệt tốt

Có khả năng tái sử dụng cao

Trang 10

1.3.2 Khuyết điểm

Trọng lượng bản thân tương đối lớn (1800-2500 kG/m 3 ), nên khó làm các

kết cấu chịu lực có nhịp lớn Biện pháp khắc phục:

DỤNG

• Sử dụng bêtông cường độ cao

• Bê tông thép liên hợp

• Bê tông ứng lực trước

Thời gian thi công kéo dài Biện pháp khắc phục: Sử dụng BTCT đúc sẵn

Có khả năng cách âm kém Biện pháp khắc phục: Sử dụng BTCT có cấu

trúc rỗng.

Thể tích thay đổi theo thời gian do đặc tính từ biến và co ngót của bêtông

Trang 11

1.3.3 Phạm vi ứng dụng

DỤNG

• 1902 – Ingalls Building, Tòa nhà cao tầng BTCT đầu tiên

H 8 – Cao ốc Ingalls Building, Ohio, USA

Trang 12

Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp

• 1963-1967 Nhà thi đấu thể thao

Assembly Hall, ĐH Illinois, USA

H 8 - Assembly Hall, ĐH Illinois, USA

Trang 13

• 1975– Cao ốc Water Tower Place,

Trang 14

• 1998– Tháp Jin Mao, Thượng Hải,

Trang 15

• 2004-2009 Tháp Dubai, Các tiểu

Vương quốc Ả rập Thống nhất (UAE)

H 13 – Dubai Tower, UAE

818 m – height

164 – floors

Trang 16

• 1931-1936 Đập Hoover, Nevada-Arizona, USA

H 14 – Hoover Dam, USA

(www.wikipedia.org)

379 m – long

221 m – height 183-14 m – thick 2.5 triệu m 3 -BT

Trang 17

• 1994-2011 Đập Tam Hiệp, Trung Quốc

H 15 – Three Gorges Dam, China

2309 m – long

101 m – height 115-40 m – thick

27 triệu m 3 -BT

Trang 18

• 1979-1994 Đập Hòa Bình, Việtnam

H 16 – Hoa Binh Dam, Vietnam (www.wikipedia.org)

734 m – long

128 m – height 1.89 triệu m 3 -BT

nguyên tử…

Trang 19

Xây dựng Giao thông-Thủy lợi

H 17 – Wanxian Bridge, Chongqing, China

425 m – span

• ?-1997 Cầu vòm Wanxian, Trùng Khánh, Trung Quốc

Trang 20

H 18 – Sutong Bridge, Jiangsu, China (www.wikipedia.org)

425 m – span

nguyên tử…

• 2003-2008 Cầu dây văng Sutong, Giang Tô, Trung Quốc

1088 m – span

8206 m - long

Trang 21

• 1997-2000 Cầu dây văng Mỹ Thuận, Vĩnh Long, Việtnam

H 19 – My Thuan Bridge, Vinh Long, Vietnam

350 m – span

1535 m - long

Trang 22

• 1971-1988 Hầm đường sắt Seikan, Japan

H 20 – Seikan Tunnel, Japan (www.wikipedia.org)

53.85 km - long

Trang 23

nguyên tử…

• 1988-1994 Hầm qua eo biển Manche

H 21 – Channel Tunnel, England-France

50.45 km - long

Trang 24

Nghiên cứu, tạo ra các loại vật liệu bêtông có các tính năng ưu việt

hơn

• Cường độ - Bê tông siêu cường độ (UHSC)

• Ứng xử - Bê tông có tính dẽo, khả năng ứng xử tốt hơn (HPFRCC)

vụ cho các thí nghiệm về mặt vật liệu, kết cấu và chăm sóc sức khỏe cho công trình

lực và thiết kế kết cấu BTCT.

• Lý thuyết Ứng suất cho phép

• Lý thuyết Trạng thái giới hạn

Trang 25

Phân loại theo kết cấu

• Bêtông thường (plain concrete)

• Bêtông gia cố thép yếu (slightly steel reinforced concrete)

• BTCT (steel reinforced concrete)

• BT Ứng lực trước (presstresed)

• BT-Thép liên hợp

• Bêtông nặng có khối lượng riêng 2200-2500 kg/m 3 (normal weight

concrete)

• Bêtông nhẹ (light weight concrete)

• Bêtông siêu nặng > 2600 kg/m 3 (heavy weight concrete)

• Bêtông đặc

• Bêtông tổ ong

• Bêtông hạt nhỏ

Trang 26

Một số loại bê tông mới

• BT sợi (fiber reinforced concrete)

• BT gia cố bằng cốt phi kim (concrete reinforced with FRP re-bars)

• BT siêu cường độ (ultra-high strength concrete)

• Công trình BTCT toàn khối (cast in place structures)

• Công trình BTCT lắp ghép (precast structures)

• Công trình BTCT bán lắp ghép

• Ưu điểm: độ cứng tốt, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu về mặt kiến trúc,

mỹ thuật, do toàn khối nên diện tích tiếp xúc với môi trường ngoài được hạn chế, vì thế ít chịu ảnh hưởng của các tác động xấu.

• Thi công chậm

Trang 27

Ưu, khuyết điểm của công trình BTCT lắp ghép

• Ưu điểm: thi công nhanh, chất lượng cấu kiện được kiểm soát tốt.

• Khuyết điểm: độ cứng toàn công trình bị hạn chế, thi công phức tạp.

và lắp ghép

Trang 28

Giới thiệu một số hình ảnh về công trình sử dụng BT toàn khối

H 22 – Nhà nhiều tầng

Trang 29

Giới thiệu một số hình ảnh về công trình sử dụng BTCT lắp ghép

Trang 30

Trang 31

H 25 – Siêu thị

Trang 32

H 26 – Nhà xưởng

Trang 33

Trang 34

2 CÁC TÍNH NĂNG CƠ LÝ CỦA BTCT

2.1 Các tính năng cơ lý của bêtông

2.2 Các tính năng cơ lý của thép

2.3 BTCT – Sự làm việc chung giữa BT và thép

Trang 36

A1 Cường độ chịu nén fc (compressive strength)

• TCVN 3118-1993: Cường độ chịu nén của BT được xác định qua mẫu thử

lập phương (a) có kích thước chuẩn: 150 × 150 × 150 mm

• TCXDVN 356-2005: Cường độ chịu nén của BT trong tiêu chuẩn này được

qui đổi từ mẫu lập phương thành mẫu lăng trụ (?).

• Tiêu chuẩn nước ngoài (ACI-318, EC2): Cường độ chịu nén của BT được

xác định qua mẫu thử lăng trụ tròn (b) có đường kính D = 150 mm.

Trang 37

F f

dh

π

Trang 38

, 2

6

t fl

F a f

t fl

F s f

Trang 39

Là chỉ tiêu cơ bản của bêtông ( Phụ lục A, TCXDVN 356-2005 )

T B

R R

Trang 40

Kiểm chứng băng cách tra bảng 12, 13 TCXDVN 356-2005

Cường độ nén tiêu chuẩn dọc trục dùng cho tính kết cấu BTCT ở TTGH2 !!!

b n b

b c

R R

Trang 43

• Biến dạng do tải trọng

• Biến dạng do co ngót, từ biến và do nhiệt

F

H D

Bê tông là vật liệu đàn-dẽo

Quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông

chịu nén

Bàn nén

Trang 44

Poisson’s ratio)

F

H D

Bê tông là vật liệu đàn-dẽo

Quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông chịu nén dọ trục

Eb = tgα = σc,cr/εcr

Mô-đun đàn hồi:

Hệ số Poisson: ν = εp/ε ≈ 0.2

Trang 46

Từ biến (creep)

mất nước) dưới tác động của tải trọng dài hạn.

dạng của BT.

- Các thành phần trong BT (hàm lượng xi-măng, tỉ lệ N/X, kích thước cốt liệu) và khâu đầm, nén trong quá trình đổ BT.

- Độ ẩm môi trường và kích thước cấu kiện

- Thời gian chịu tải

Trang 47

Co ngót (shrinkage)

khí

chân chim, …).

- Diện tích của bề mặt cấu kiện (càng rộng, co ngót càng nhiều)

- Độ ẩm môi trường (càng nhỏ, co ngót càng nhiều)

- Các thành phần trong BT (hoạt tính xi-măng, tỉ lệ N/X) và khâu đầm, nén trong quá trình đổ BT.

Hệ số nở nhiệt: α = 10×10-6 K-1

Trang 49

Giới thiệu một số loại cốt thép thanh

• TCVN 1651-1985 : Cốt thép tròn trơn CI, cốt thép có gân CII, CIII và CIV

• Thép nhập tử Nga : Cốt thép tròn trơn AI, cốt thép có gân AII, AIII, AIV và AV

• Thép nhập từ Nhật, Châu Âu, Úc, Ấn Độ,… (được ký hiệu theo cấp độ bền)

Quan hệ ứng suất-biến dạng của thép trong kéo dọc trục:

Trang 50

• Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép R sn là giá trị nhỏ nhất được kiểm soát (p =

95%) của giới hạn chảy thực tế hoặc qui ước.

Bảng 18 – Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn R sn

Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn R sn dùng để tính toán theo Trang thái Giới hạn 2 !!!

Trang 51

• Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép R s được tính như sau:

Cường độ chịu kéo tính toán R s dùng để tính toán theo Trang thái Giới hạn 1 !!!

Trang 54

⎛ ⎞

≥⎜ ⎟ ⎝ ⎠

Lực dính giữa BT và cốt thép được hình thành và được đảm bảo là do sự bám dính

của vữa xi măng trong BT vào cốt thép và lực ma sát giữa bề mặt của 2 loại vật liệu

này.

Trang 55

2.3 Sự làm việc chung giữa BT và thép

2.3.2 Sự làm việc chung giữa BT và thép

Trang 56

3 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN & CẤU TẠO BTCT

Trang 58

1 Giai đoạn thiết kế sơ bộ

• Xác định nội lực và chuyển vị của kết cấu (giá trị lớn nhất)

3 Giai đoạn tính toán cụ thể

4 Giai đoạn tối ưu hóa việc tính toán

5 Thể hiện bản vẽ

Trang 59

3.3 TẢI TRỌNG (LOAD)

3.3.1 Phân loại tải trọng

• Khối lượng bản thân của các kết cấu (dầm, cột, sàn, vách,

ban-công…) cố định không thay đổi

• Khối lượng bản thân của các lớp cấu tạo (vữa xi-măng, gạch

lót nền, lớp cách nhiệt, cách âm, mái tôn…)

TCVN 2327-1995

• Dài hạn (long time): khối lượng của trang thiết bị, máy móc cố

định; khối lượng của chất lỏng trong các bể chứa, vật liệu trong các kho; do tác động của các hiện tượng từ biến, co ngót…

• Ngắn hạn (short time): khối lượng người; khối lượng các thiết

bị, máy móc di động (xe nâng, ); gió

• Tải do ứng suất trước

Trang 60

3.3.2 Tải trọng tiêu chuẩn - qn

Tính toán trực tiếp từ công trình hoặc tra bảng trong tiêu chuẩn

Trang 61

Gạch lát nền Vữa lót xi-măng BTCT



Trang 62



Trang 63

3.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

3.4.1 Phương pháp ứng suất cho phép (Allowable Stress Design - ASD)

3.4.2 Phương pháp các TTGH (Limit States Design - LSD)

• Không sử dụng hệ số vượt tải (tính toán theo tải tiêu chuẩn q n )

hệ số tin cậy cho vật liệu

với thực tế

• Sử dụng hệ số vượt tải (tính toán theo tải tính toán q) – theo TCXDVN 356-05

• Ưu điểm: Thiết kế kinh tế, tiết kiệm vật liệu

(M Ö rsch -1920)

(? -1950)

Trang 65

3.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

3.4.3 Các TTGH (Limit States - LS)

mất ổn định về vị trí (trượt, lật, đẩy nổi…)

hợp tải trọng nguy hiểm nhất

gây ra Độ bền nhỏ nhất của kết cấu

Trang 66

3.4.3 Các TTGH (Limit States - LS)

trượt…)

hoặc cho phép xuất hiện vết nứt nhưng bề rộng khe nứt được giới hạn (đối với kết cấu cho phép nứt)

,

S  R

Giá trị biến dạng hoặc khe nứt

do tổ hợp tải trọng nguy hiểm

a  a

n

q

  a A R A R , b, b, s, s, 

Trang 67

3.6 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỐT THÉP

 Chọn kích thước tiết diện

Trang 68

3.6.1 Chọn kích thước tiết diện

Dầm: 100, 150, 200, 250, 300, … (mm) Sàn: 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120… (mm)

10 ~ 20

20 ~ 25 Cột

10 ~ 20

15 ~ 25 Dầm

10 ~ 15

10 ~ 20 Bản sàn và tường

Môi trường biển: TCXDVN 327-2004 !!!

Trang 69

3.6.2 Lớp BT bảo vệ: ci = max (Ø,c0i) (i = 1,2)

Trang 70

3.6.3 Khoảng hở của cốt thép

Trang 71

Trang 72

3.6.4 Neo cốt thép

 Thép có gờ không cần uốn móc ở 2 đầu

 Thép tròn trơn liên kết buộc cần uốn móc ở 2 đầu thành hình L hoặc U

Trang 73

Trang 74

Trang 75

3.6.5 Nối chồng cốt thép (nối buộc)

 Không nên nối chồng khi cốt thép có đường kính lớn hơn 36 mm

 Không nên nối chồng cốt thép

trong vùng chịu kéo tại những vị trí

có các giá trị nội lực (M, N, Q) lớn.

 Tại 1 tiết diện cắt ngang bất kỳ, việc

nối chồng cốt thép phải được thực hiện theo kiểu sole và diện tích nối chồng cốt thép không được vượt quá 50% (đối với cốt thép có gờ) hay 25%

(đối với cốt thép tròn trơn).

Trang 76

* Nối cốt thép dùng các liên kết cơ học

Trang 77

3.6.6 Liên kết hàn

mối hàn…

Mục 8.8, TCXDVN 356-2005

Trang 78

4 CẤU KIỆN CHỊU UỐN

4.1 Giới thiệu

4.2 Đặc điểm cấu tạo

4.3 Chế độ làm việc của dầm BTCT - Trạng thái

ứng suất của tiết diện thẳng góc 4.4 Tính cấu kiện chịu uốn tiết diện chữ nhật

4.5 Tính cấu kiện chịu uốn tiết diện chữ T, I

4.6 Tính cấu kiện chịu uốn theo tiết diện nghiêng

Trang 79

4 CẤU KIỆN CHỊU UỐN 4.1 Giới thiệu

• Là dạng cấu kiện cơ bản chịu tác dụng của tải trọng đứng (phương truyền tải vuông góc

với trục dọc của cấu kiện)

• Cấu kiện bị uốn dưới tác động của mô-men (M) và có ứng xử cắt dưới tác động của lực

Trang 80

Trang 81

Trang 82

Trang 83

Trang 84

Khi chọn h và b, nhớ làm tròn và nên chọn giá trị là bội số của 50 mm !

Trang 85

4.2 Đặc điểm cấu tạo của dầm

b

h h

Trang 86

4.3 Chế độ làm việc của dầm BTCT và trạng thái ứng suất biến

dạng của tiết diện thẳng góc

MC A-A’

L L

A

A’

Trang 87

4.3 Chế độ làm việc của dầm BTCT và trạng thái ứng suất biến

dạng của tiết diện thẳng góc

Giai đoạn I – Trước khi vết nứt xuất hiện

Toàn bộ tiết diện chịu lực Bêtông vừa chịu nén và kéo Ứng suất nén và

kéo của bê tông xem như phân bố tuyến tính Thép chịu kéo.

Sự làm việc chung giữa bê tông và thép được xem như hoàn hảo

Trang 88

Giai đoạn II – Vết nứt xuất hiện và phát triển

Bêtông chỉ có khả năng chịu nén Ứng suất nén của bê tông xem như phân

bố tuyến tính Thép chịu kéo

Sự làm việc chung giữa bê tông và thép tại những vị trí có vết nứt không

còn như ban đầu

Trang 89

Giai đoạn III – Cấu kiện bị phá hoại

Bêtông chịu nén Ứng suất nén của bê tông phân bố không tuyến tính (phi

tuyến) và đạt đến cường độ tính toán.

Thép chịu kéo Ứng suất kéo trong thép đạt đến cường độ tính toán

Sự làm việc chung giữa bê tông và thép trong vùng bị kéo không còn được

Trang 90

Các kiểu phá hoại của dầm

Dư thép - Over design

Thiếu thép - Under design

Thép vừa đủ - Economic design

Trang 91

4.4 Tính cấu kiện chịu uốn tiết diện chữ nhật

Cốt cấu tạo A ct

Cốt đai A sw Cốt xiên A inc

Cốt dọc chịu kéo A s

Cốt dọc chịu nén A’ s

Cốt đai A sw Cốt xiên A inc

Trang 92

4.4.1 Tính cho trường hợp cốt đơn

Trang 93

A Giả thiết tính

Bêtông chịu nén Ứng suất nén σb của bê tông lấy bằng cường độ chịu

nén tính toán Rb có xét đến hệ số điều kiện làm việc γb của bêtông và

phân bố đều trong vùng bị nén

Bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông.

σb = γbRb

Thép chịu kéo Ứng suất kéo hoàn toàn do cốt thép đảm nhiệm và lấy

bằng cường độ chịu kéo tính toán Rs. σs = Rs

(γ b : tr 38, bảng 15, TCXDVN 356:2005)

B Sơ đồ phân bố ứng suất

M M

Định dạng
Số trang	260
Dung lượng	20,9 MB