Giáo trình Kết cấu bê tông cốt thép 1

Vì thép chịu nén cũng tốt nên cốt thép cũng được đặt trong các cấu kiện chịu nén như cột, thanh nén của dàn để tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện và chịu các lực kéo xuất [r]

Năm 2014

Nhóm thực hiện Ths Chu Thị Lan Anh Ths Võ Thị Cẩm Giang

Ks Nguyễn Võ Bích Dung

Ks Phạm Hữu Phước

Giáo Trình Kết cấu Bê tông cốt thép 1

Bộ Xây Dựng Trường Cao Đẳng Xây Dựng Số 2

3 Mục lục

3

© 2015 Bộ Môn Kết Cấu - Trường Cao Đẳng Xây Dựng Số 2

Mục Lục

8 1

1.1 Khái niệm chung về kết cấu bê tông cốt thép

8

1.1.1 Đặc điểm chịu lực của bêtông cốt thép

9

1.1.2 Phân loại

9

1.1.2.1.Theo phương pháp thi công

10

1.1.2.2.Theo khối lượng

10

1.1.2.3.Theo trạng thái ứng suất

10

1.1.3 Ưu nhược điểm của kết cấu bêtông cốt thép

11

1.1.4 Phạm vi áp dụng

11 2

1.2 Tính năng cơ lý của vật liệu

11

1.2.1 Bêtông

11

1.2.1.1 Tính chất cơ lý của bêtông

11

1.2.1.2 Các chỉ tiêu cơ bản của bêtông

11

1.2.1.3 Cường độ chịu nén của mẫu thử hình lập phương

13

1.2.1.4 Cường độ chịu nén khối lăng trụ

14

1.2.1.5 Cường độ chịu kéo của mẫu thử

14

1.2.1.6 Cấp độ bền chịu nén (kéo) của bêtông

15

1.2.1.7 Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của bêtông

16

1.2.1.8 Cường độ của bêtông

16

1.2.1.8.1 Cường độ tiêu chuẩn của bêtông

17

1.2.1.8.2 Cường độ tính toán của bêtông

19

1.2.2 Biến dạng của bêtông

19

1.2.2.1 Biến dạng do tải trọng

20

1.2.2.1.1 Biến dạng do tải trọng ngắn hạn

20

1.2.2.1.2 Biến dạng do tải trọng lặp

21

1.2.2.1.3 Biến dạng do tải trọng dài hạn _ từ biến

22

1.2.2.2 Biến dạng do co ngót

23

1.2.2.3 Biến dạng do nhiệt độ

23

1.2.2.4 Môđun đàn hồi

25

1.2.3 Cốt thép

25

1.2.3.1 Tính chất cơ học của thép

26

1.2.3.2 Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép Rsn

28

1.2.3.3 Cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép

31

1.2.3.4 Cường độ chịu nén tính toán của cốt thép

31

1.2.3.5 Mođun đàn hồi của cốt thép Es

32

1.2.4 Bêtông cốt thép

32

1.2.4.1 Lực dính giữa bê tông và cốt thép

32

1.2.4.1.1 Xác định Lực dính

33

1.2.4.1.2 Các nhân tố tạo nên Lực dính bám

33

1.2.4.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng lực dính

33

1.2.4.2 Ảnh hưởng của cốt thép đến sự co ngót và từ biến của

bêtông

33

1.2.4.3 Sự làm việc chung của bêtông cốt thép

34

1.2.4.3.1 Sự phá hoại do chịu lực

34

1.2.4.3.2 Sự hư hỏng do tác dụng của môi trường

34 1

2.1 Khái niệm chung

35 2

2.2 Các giai đoạn của trạng thái ứng suất biến dạng của cấu kiện chịu uốn

39 3

2.3 Các phương pháp tính toán cấu kiện btct

39

2.3.1 Tính toán theo ứng suất cho phép

39

2.3.2 Tính toán theo các trạng thái giới hạn

40 4

2.4 Nguyên lý cấu tạo cốt thép

41 5

2.5 Phân loại cốt thép

42

2.5.1 Nối cốt thép

42

2.5.2 Neo cốt thép

44 6

2.6 Lớp bêtông bảo vệ cốt thép

45 7

2.7 Khoảng cách giữa các cốt thép

46 1

3.1 Đặc điểm cấu tạo của điều kiện chịu uốn

47

3.1.1 Cấu tạo của bản

47

3.1.1.1 Kích thước của bản

48

3.1.1.2 Cốt thép trong bản

50

3.1.2 Cấu tạo của dầm

50

3.1.2.1 Kích thước tiết diện

50

3.1.2.2 Cốt thép trong dầm

52 2

3.2 Tính toán cấu kiện chịu uốn theo cường độ trên tiết diện thẳng góc

52

3.2.1 Cấu kiện có tiết diện chữ nhật cốt đơn

52

3.2.1.1 Giả thuyết tính toán

53

3.2.1.2 Sơ đồ ứng suất của tiết diện

53

3.2.1.3 Các phương trình cân bằng

54

3.2.1.4 Công thức tính toán

54

3.2.1.5 Điều kiện hạn chế

55

3.2.1.6 Các loại bài toán

58

3.2.2 Cấu kiện có tiết diện chữ nhật đặt cốt kép

59

3.2.2.1 Giả thuyết tính toán

59

3.2.2.2 Sơ đồ ứng suất của tiết diện

59

3.2.2.3 Các phương trình cân bằng

60

3.2.2.4 Công thức tính toán

60

3.2.2.5 Điều kiện hạn chế

61

3.2.2.6 Các loại bài toán

64

3.2.3 Cấu kiện có tiết diện chữ T

64

3.2.3.1 Khái niệm chung, đặc điểm cấu tạo

66

3.2.3.2 Vị trí trục trung hòa

67

3.2.3.3 Tính toán dầm tiết diện T

69

3.2.3.4 Các loại bài toán

74 3

3.3 Tính toán về cường độ trên tiết diện nghiêng

74

3.3.1 Sự phá hoại theo tiết diện nghiêng

76

3.3.2 Điều kiện tính toán tiết diện nghiêng

78

3.3.3 Các phương trình cân bằng trên tiết diện nghiêng

79

3.3.4 Tính toán cốt đai (khi không đặt cốt xiên)

79

3.3.4.1 Xác định tiết diện nghiêng nguy hiểm nhất.

80

3.3.4.2 Tính khoảng cách cốt đai (bước đai).

83

3.3.4.3 Bài toán

84

3.3.5 Tính toán cốt xiên (sau khi đã đặt cốt đai)

5 Mục lục

5

© 2015 Bộ Môn Kết Cấu - Trường Cao Đẳng Xây Dựng Số 2

85

3.3.5.2 Bố trí các lớp cốt xiên.

86

3.3.5.3 Diện tích các lớp cốt xiên.

87

3.3.5.4 Bài toán

88

3.3.6 Các biện pháp cấu tạo để bảo đảm khả năng chịu mômen của tiết diện nghiêng

89 1

4.1.Tính toán cấu kiện chịu nén theo điều kiện cường độ

89

4.1.1 Khái niệm chung - Đặc điểm cấu tạo

90

4.1.1.1 Tiết diện ngang của cấu kiện

92

4.1.1.2.Cấu tạo cốt thép

95

4.1.2 Tính toán cấu kiện chịu nén đúng tâm

97

4.1.3 Sự làm việc của cấu kiện chịu nén lệch tâm

101

4.1.4 Tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm tiết diện chữ nhật

102

4.1.4.1 Trường hợp lệch tâm lớn

103

4.1.4.2 Trường hợp lệch tâm bé

105

4.1.4.3 Các dạng bài toán

111 2

4.2 Tính toán cấu kiện chịu kéo theo điều kiện cường độ

111

4.2.1 Khái niệm chung

113

4.2.2 Tính toán cấu kiện chịu kéo đúng tâm

115

4.2.3 Tính toán cấu kiện chịu kéo lệch tâm

119

4.2.4 Kiểm tra khả năng chịu cắt

120 1

5.1 Giới thiệu chung

120

5.1.1 Đặc điểm

120

5.1.2 Phân loại

120

5.1.2.1 Theo phương pháp thi công

120

5.1.2.2 Theo sơ đồ kết cấu

121

5.1.3 Phân biệt bản loại dầm và bản kê 4 cạnh

122 2

5.2 Sàn sườn toàn khối có bản loại dầm

122

5.2.1 Sơ đồ kết cấu

125

5.2.2 Tính nội lực sàn

125

5.2.2.1.Tính bản theo sơ đồ dẻo

127

5.2.2.2.Tính dầm phụ theo sơ đồ dẻo

132

5.2.2.3 Tính dầm chính theo sơ đồ đàn hồi

136

5.2.3 Tính cốt thép

136

5.2.3.1 Tính cốt thép bản

136

5.2.3.2 Tính cốt thép dầm

139

5.2.3.3 Bố trí cốt thép bản

142

5.2.3.4 Bố trí cốt thép dầm

146 3

5.3 Sàn sườn toàn khối có bản kê bốn cạnh

146

5.3.1 Khái niệm

147

5.3.2 Đặc điểm cấu tạo của bản kê

147

5.3.2.1 Kích thước bản

147

5.3.2.2 Bố trí cốt thép trong bản kê bốn cạnh

148

5.3.3 Tính toán bản kê bốn cạnh

148

5.3.3.1 Tính theo sơ đồ đàn hồi

152

5.3.3.2 Tính bản theo sơ đồ khớp dẻo

154

5.3.4 Dầm của sàn có bản kê bốn cạnh

155

5.3.4.1 Tính dầm trục B theo sơ đồ đàn hồi

159

5.3.4.2 Tính dầm trục B theo sơ đồ dẻo

162

5.3.4.3 Tính dầm trục 2 theo sơ đồ đàn hồi

166 4

5.4 Sàn sườn panen lắp ghép

166

5.4.1 Khái quát

166

5.4.2 Các loại panen

167

5.4.3 Tính toán

167

5.4.3.1 Tấm đặc

169

5.4.3.2 Panen có lỗ và có sườn

173

5.4.4 Cấu tạo cốt thép của panen

Lời Nói Đầu

Giáo trình “Kết cấu Bê tông cốt thép 1” là tài liệu phục vụ giảng dạy và học tập cho sinh viên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp theo chương trình đào tạo tín chỉ hiện nay.

Từ nhiều sách tham khảo; chủ yếu ở trong nước và kinh nghiệm giảng dạy, chúng tôi đã tổng hợp và biên soạn tài liệu này.

Giáo trình gồm 5 chương:

CHƯƠNG 1:KHÁI NIỆM CHUNG CHƯƠNG 2:NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN CHƯƠNG 4:CẤU KIỆN CHỊU NÉN & KÉO CHƯƠNG 5:SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Nhà trường, bộ môn kết cấu và nhóm tác giả đã có nhiều cố gắng để biên soạn nhằm đáp ứng về nhu cầu tài liệu giảng dạy; tham khảo học tập của sinh viên.

Vì kiến thức có hạn nên không tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp

và phê bình từ quý độc giả.

Nhóm tác giả

7 Lời Nói Đầu

© 2015 Bộ Môn Kết Cấu - Trường Cao Đẳng Xây Dựng Số 2

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Khái niệm chung về kết cấu bê tông cốt thép

- Bêtông cốt thép là một loại vật liệu phức hợp do bêtông và cốt thép có những đặc trưng cơ học khác nhau cùng phối hợp làm việc một cách hợp lý và kinh tế.

1.1.1 Đặc điểm chịu lực của bêtông cốt thép

Bêtông là loại đá nhân tạo gồm:

Xi măng + cát sỏi (cốt liệu)+ nước + (chất phụ gia) = bêtông Cường độ chịu nén của bêtông lớn hơn cường độ chịu kéo rất nhiều (khoảng 8¸15lần).

Ví dụ: Khi thí nghiệm uốn một dầm đơn bêtông, ta nhận thấy dầm bị gãy là do

ở miền kéo xuất hiện những vết nứt và bị phá hoại trước.

Cốt thép là vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt.

=>Nếu đặt một lượng cốt thép thích hợp vào miền chịu kéo của dầm bêtông thì khả năng chịu lực của dầm tăng lên rất nhiều => Sản sinh bêtông cốt thép

Dầm bêtông cốt thép có thể chịu lực nhiều hơn dầm bêtông có cùng kích thước đến hàng chục lần.

Vì thép chịu nén cũng tốt nên cốt thép cũng được đặt trong các cấu kiện chịu nén như cột, thanh nén của dàn để tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện và chịu các lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên.

*Sơ lược quá trình phát triển và hình thành:

Cuối năm 1849, Lambot (người Pháp) đã làm một chiếc thuyền bằng lưới sắt được trát hai phía bằng vữa ximăng Sau đó người ta chế tạo các bản sàn, đường ống,

bể chứa và các cấu kiện khác bằng BT cốt sắt Vì vậy năm 1950 người Pháp đã tổ chức kỷ niệm 100 năm ngày phát minh ra BTCT Ở thời kỳ sơ khai, theo cảm tính người ta đặt cốt sắt vào giữa chiều cao tiết diện.

Sau năm 1880 thì các nghiên cứu về cường độ BT, CT và lực dính giữa BT và

CT mới được nghiên cứu ở Pháp và Đức Kỹ sư người Đức Koenen là một trong

những người đầu tiên kiến nghị đặt CT vào vùng BT chịu kéo và năm 1886 đã kiến nghị phương pháp tính toán cấu kiện BTCT.

Năm 1939, các giáo sư ở Nga (Loleit) và các nước trên thế giới đã nghiên cứu tính không đồng nhất và đẳng hướng, tính biến dạng đàn hồi dẻo của BT và kiến nghị phương pháp tính toán theo giai đoạn phá hoại Đến năm 1955 ở Liên Xô đã bắt đầu tính toán theo phương pháp mới là tính toán theo trạng thái giới hạn Phương pháp này

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 9

© 2015 Bộ Môn Kết Cấu - Trường Cao Đẳng Xây Dựng Số 2

ngày càng được hoàn thiện và đang được nhiều nước trên thế giới sử dụng trong thiết

kế kết cấu BTCT.

*Bêtông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực được là do:

 Bêtông và cốt thép dính chặt với nhau nhờ lực dính và có thể truyền lực từ bêtông sang cốt thép hoặc ngược lại (khi bê tông đông kết )

 Giữa bêtông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học, đồng thời bêtông còn bảo vệ cốt thép chống lại các ăn mòn của môi trường.

 Cốt thép và bêtông có hệ số giãn nở nhiệt a gần giống nhau:

αb = (1015)10 -4

αs = 12 x10 -4

 Khi thay đổi nhiệt độ (trong phạm vi dưới 100°) trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không làm phá hoại lực dính giữa bêtông và cốt thép.

1.1.2 Phân loại

1.1.2.1.Theo phương pháp thi công

Chia làm 3 loại:

- BTCT toàn khối:

Ưu điểm: có độ cứng lớn, chịu động đất Khuyết điểm: tốn vật liệu làm ván khuôn,cây chống thi công bị ảnh hưởng của thời tiết, thời gian thi công chậm

- BTCT lắp ghép

Ưu điểm: có độ cứng kém hơn bê tông toàn khối, thời giant hi công nhanh, ít tốn cây chống, coffa

Khuyết điểm: giải quyết các mối nối thường khó khăn,tốn nhiều vật liệu khi giải quyết các mối nối, tổ chức thi công phức tạp, can có các thiết bị chuyên dùng

- BTCT bán lắp ghép:

Có độ cứng kém hơn bê tông lắp ghép.

1.1.2.2.Theo khối lượng

- Bê tông nặng có khối lượng riêng trung bình từ 22¸25 kN/m 3

- Bê tông hạt nhỏ có khối lượng riêng trung bình > 18 kN/m 3

- Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng.

- Bê tông đặc biệt: Bê tông tự ứng suất.

1.1.2.3.Theo trạng thái ứng suất

- Bê tông thường.

- Bê tông ứng suất trước: 2 phương pháp căng (căng trước, căng sau).

1.1.3 Ưu nhược điểm của kết cấu bêtông cốt thép

Ưu điểm Khuyết điểm Cách khắc phục

 Khả năng sử dụng vật liệu địa phương (xi măng, cát, đá); tiết kiệm thép là vật liệu quí hiếm.

 Có khả năng chịu lực lớn hơn so với kết cấu gạch

đá và gỗ.

 Bền vững, bảo dưỡng ít tốn kém, chịu lửa tốt.

 Có khả năng tạo ra các hình dáng bất kỳ, đa dạng, thỏa mãn mọi yêu cầu kiến trúc, thẩm mỹ…

 Trọng lượng bản thân lớn, do đó khó làm được các kết cấu có nhịp lớn.

 Cách âm cách nhiệt kém.

 Công tác thi công bêtông toàn khối tương đối phức tạp, chịu ảnh hưởng của thời tiết, tốn cốp pha, thời gian thi công chậm…

 Dưới tác dụng của tải trọng tác động, bêtông cốt thép dễ xuất hiện khe nứt làm ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng, thẩm mỹ, tuổi thọ công trình.

 Dùng bêtông nhẹ, bêtông ứng lực hay kết cấu vỏ mỏng

 Dùng các kết cấu có lỗ hổng.

 Dùng bêtông lắp ghép

 Dùng bêtông ứng lực trước, có những biện pháp tính toán và thi công hợp lý để hạn chế khe nứt hoặc không cho khe nứt xuất hiện.

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 11

© 2015 Bộ Mơn Kết Cấu - Trường Cao Đẳng Xây Dựng Số 2

1.1.4 Phạm vi áp dụng

Bêtơng cốt thép được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành xây dựng:

- Xây dựng dân dụng - cơng nghiệp

- Xây dựng giao thơng – thủy lợi.

- Xây dựng quốc phịng.

1.2 Tính năng cơ lý của vật liệu

1.2.1 Bêtơng

1.2.1.1 Tính chất cơ lý của bêtơng

Phụ thuộc vào: chất lương bê tơng, đặc trưng vật liệu, cấp phối của vật liệu, tỷ lệ nước/ ximăng, phương pháp thi cơng…

Bao gồm: tính chất cơ học (cường độ, biến dạng), tính chất vật lý (co ngĩt, từ biến, khả năng chống thấm, chống mịn …)

1.2.1.2 Các chỉ tiêu cơ bản của bêtơng

Cường độ là một đặc trưng cơ học chủ yếu của bêtơng, phản ánh khả năng chịu lực của nĩ Chỉ tiêu cơ bản là:

- Cấp độ bền chịu nén của BT (B).

- Cấp độ bền chịu kéo dọc trục của BT (Bt).

- Mác theo khả năng chống thấm (W).

- Mác theo khối lượng riêng trung bình (D)

1.2.1.3 Cường độ chịu nén của mẫu thử hình lập phương

a a a

a a

a

d=16cm

mẫu thử

NP

bàn máy nén P

N

Hình 1.1 Thí nghiệm mẫu chịu nén Mẫu thử có đặc điểm sau: hình lập phương cạnh a = 150mm, được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm nén ở tuổi 28 ngày (nhiệt độ 20C  2C; độ

ẩm w = 90%, t = 28ngày).

Nén mẫu thí nghiệm cho đến khi bị phá hoại Khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng lực, BT cịn bị nở ngang Thơng thường chính sự nở ngang quá mức làm cho BT bị vỡ Nếu hạn chế được sự nở hông thì sẽ lm tăng khả năng chịu nén của BT Trong thí nghiệm mẫu, nếu không bôi trơn mặt tiếp xúc giữa mẫu thử và máy thì tại đó sẽ xuất hiện lực ma sát có tác dụng cản trở sự nở ngang và làm tăng cường độ mẫu so với khi bôi trơn mặt tiếp xúc Ảnh hưởng của lực ma sát giảm dần từ mặt tiếp xúc đến khoảng giữa mẫu vì vậy mẫu khối vuông có kích thước bé có cường

độ lớn hơn so với mẫu có kích thước lớn và mẫu lăng trụ có cường độ chỉ bằng khoảng 0,7 lần cường độ mẫu khối vuông có cùng cạnh đáy Nếu thí nghiệm với mặt tiếp xúc được bôi trơn để BT được tự do nở ngang thì sẽ khơng có sự khác biệt như vừa nêu trên

Tốc độ gia tải cũng ảnh hưởng đến cường độ mẫu Khi gia tải rất chậm thì cường độ BT chỉ đạt được khoảng 0,85 trị số bình thường.

Điều kiện tiêu chuẩn của thí nghiệm nén BT là nén không bôi trơn mặt tiếp xúc

và tốc độ gia tải bằng 2 daN/cm2/giây.(NP được tăng dần từ 0 trị số N Phá hoại )

) Mpa ( A

N

Bi  p

(1.1)

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 13

© 2015 Bộ Môn Kết Cấu - Trường Cao Đẳng Xây Dựng Số 2

Trong đó:

Np : trị số của lực làm mẫu bị phá hoại

A : diện tích tiết diện ngang của mẫu

Bi : cường độ chịu nén của mẫu (MPa).

Thí nghiệm nén mẫu bê tông

Thí nghiệm nén mẫu bê tông

1.2.1.4 Cường độ chịu nén khối lăng trụ

Mẫu thí nghiệm có đặc điểm sau: Mẫu thử lăng trụ đáy vuông cạnh a, chiều cao

h , được dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn (t = 20C  2C; w = 90%, t = 28 ngày).

Nhận xét: khi tỷ số h/a tăng  cường độ mẫu thử giảm

Qui chuẩn qui định lấy h/a = 3.