BÀI GIẢNG môn học kết cấu bê tông cốt thép

Phần I CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG Trong những năm 1800 - 1900 tại Pháp, Đức đã có nhiều công trình nghiên cứu các lý thuyết và thực nghiệm về BTCT nhằm giải thích sự làm việc chung giữa

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VIỆN KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT

BÀI GIẢNG Môn học: Kết cấu Bê tông cốt thép Bài: Giới thiệu chung, tính chất cơ lý của bê tông Đối tượng: Đại học

Năm học: 2018-2019

Đại úy, GV, ThS, Nguyễn Tiến Tuấn

HÀ NỘI, THÁNG 8 NĂM 2018

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VIỆN KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT

MỞ ĐẦU Vật liệu Bê tông cốt thép (BTCT) là loại vật liệu xây dựng phổ biến và không thể thay thế trong lĩnh vực xây dựng nói chung và trong xây dựng dân dụng nói riêng

Do đó việc nghiên cứu tính toán các cấu kiện BTCT là cần thiết

Học phần Kết cấu BTCT là học phần chuyên ngành nghiên cứu tính toán các cấu kiện cơ bản cho các công trình xây dựng, là học phần bắt buộc đối với tất cả các chuyên ngành xây dựng

Phần I CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những năm 1800 - 1900 tại Pháp, Đức đã có nhiều công trình nghiên cứu các lý thuyết và thực nghiệm về BTCT nhằm giải thích sự làm việc chung giữa bê tông

và cốt thép, mặt khác tìm ra những phương pháp tính toán và tạo ra cách đặt cốt thép một cách hợp lý nhất

Kỹ sư người Đức Koenen là một trong những người đầu tiên kiến nghị đặt cốt thép vào cùng BT chịu kéo, năm 1886 đã kiến nghị phương pháp tính toán kết cấu BTCT

Năm 1926, Navier người Pháp đã kiến nghị phương pháp tính toán kết cấu BTCT theo ứng suất cho phép, phương pháp đàn hồi và sử dụng các công thức tính toán của SBVL, lúc này SBVL đã phát triển khá hoàn thiện

Điều kiện bền :   []

Song song với việc nghiên cứu lý thuyết tính toán, những công trình có kết cấu

là BTCT như cầu, cống, nhà máy, đập nước, bến cảng được xây dựng ngày càng nhiều, và BTCT đã trở thành loại vật liệu tương đối phổ biến và chủ yếu Những năm đấu thế kỷ 20, BTCT đã phát triển mạnh mẽ về nhiều mặt, những công trình nghiên cứu được phổ biến rộng rãi như vai trò của lực dính giữa cốt thép và bê tông, sự truyền lực qua lại giữa 2 loại vật liệu này, các trạng thái ƯS - BD trải qua các giai đoạn làm việc của kết cấu, vai trò của cốt đai, cốt xiên, nhiều lý thuyết tính toán được ra đời trong thời gian này

Năm 1931 trong một hội nghị về BTCT toàn Nga (Liên Xô cũ) giáo sư Loleit (người Nga) đã kiến nghị tính toán kết cấu BTCT theo NLPH Năm

1938, dựa trên cơ sở kiến nghị này Liên Xô đã ban hành quy phạm về tính toán kết cấu BTCT theo phương phá NLPH: P  [Pgh]

Cũng vào những năm đầu của thế kỷ 20, cốt thép có cường độ tương đối cao và có khả năng dính bám tốt vào bê tông được sản xuất Các công trình như gác mái vỏ mỏng, kết cấu chịu lực nhịp lớn, các công trình thủy lợi, được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều theo đà phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp giao thông vận tải và xây dựng đô thị

Bước vào nửa sau của thế kỷ 20, kết cấu BTCT đã đạt đến thời kỳ phát triển toàn diện với lý thuyết tính toán khá hoàn chỉnh với những phương pháp tính mới phản ánh đúng sự làm việc của kết cấu với việc sản xuất vật liệu có tính năng cơ học cao với sự xây dựng hàng loạt những công trình to lớn và độc đáo với những phương pháp thi công tiên tiến, hiện đại

Trong thời gian này có 1 phương pháp tính toán ngày càng được hoàn thiện và được nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam sử dụng rộng rãi trong tính toán kết cấu BTCT đó là phương pháp tính theo TTGH (hay còn gọi

là PP nhiều hệ số) Phương pháp này ra đời năm 1955 tại Liên Xô cũ

Ở Việt Nam, BTCT được du nhập vào từ khoảng nửa đầu của thế kỷ 20

và được sử dụng làm cầu, cống, đập nước, các công trình dân dụng, CN và đặc biệt là các công trình quân sự như hầm, công sự

Đập ngăn nước: Bái Thượng, Đô Lương, Thác Đuống, cho đến nay, BTCT vẫn đang là loại vật liệu xây dựng chủ yếu ở nước ta

- Trong các công trình giao thông dùng rộng rãi BTCT làm cầu, làm vỏ hầm, Metro, Tuynen, mặt sân bay, cầu Thăng Long

- Trong công trình thuỷ lợi: BTCT là loại vật liệu chủ yếu để làm đê, đập, cống

- Trong nông nghiệp: Xây dựng các nhà kho, chuồng trại chăn nuôi

- Trong thông tin: Cột đường dây tải điện, chân đế tháp vô tuyến,

- Trong xây dựng công trình Quân sự: công trình ngầm, công sự chiến đấu

- Làm khung, chân đế của các loại máy lớn như máy thuỷ lực, tiết kiệm 40%

so với dùng bằng kim loại

Ngoài ra BTCT còn được dùng có hiệu quả để làm vỏ ngoài của các lò phản ứng hạt nhân trong các nhà máy điện nguyên tử (lợi dụng tính chống phóng xạ tốt của nó) và đặc biệt còn được dùng làm vỏ tầu thủy (chuyên dùng để chở các loại vật liệu nhẹ), vỏ xà lan,

Tóm lại BTCT là loại vật liệu xây dựng hiện đại đang ở thời kỳ phát triển, kỹ thuật về BTCT ngày càng tiến bộ, phạm vi sử dụng ngày càng rộng rãi

III BẢN CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP

Bê tông cốt thép: là một loại vật liệu xây dựng phức hợp do Bê tông và cốt thép cùng tham gia chịu lực

Phân tích vật liệu Bê tông và cốt thép:

Bê tông: Là vật liệu chế tạo từ chất kết dính (xi măng) và các hạt cốt liệu (cát,

đá, sỏi) tạo thành chất kết dính tự nhiên có khả năng chống ăn mòn và chịu được nhiệt độ cao nhất định Tuy nhiên, BT là vật liệu dòn – là vật liệu có khả năng chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém (khả năng chịu kéo của BT kém hơn hàng chục lần so với khả năng chịu nén) Do đó, khi tham gia chịu lực thì trong rất nhiều trường hợp khả năng chịu lực của BT phụ thuộc và khả năng chịu kéo của nó, điều này gây ra sự lãng phí

Thép: là vật liệu quý, có khả năng chịu lực cao, chịu kéo và chịu nén đều tốt Tuy nhiên vật liệu thép có một số nhược điểm nhất định

Về giá thành: thép là vật liệu đắt tiền,

Về khả năng chống ăn mòn: Thép là vật liệu dễ bị ăn mòn

Về khả năng chịu lửa: Đến nhiệt độ 500 – 6000 C thép đã bị nóng chảy

c) Sơ đồ ứng suất trên tiết diện 1-1 d) Sơ đồ ứng suất dầm BTCT trên tiết diện 2-2

1 Vùng chịu nén 2.Vùng chịu kéo 3 Cốt thép 4.Vết nứt trong bê tông chịu kéo

Làm thí nghiệm một dầm bê tông như trên hình 1.1a ta thấy khi ứng suất kéo σt vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông thì vết nứt sẽ xuất hiện, vết nứt

đi dần lên phía trên và dầm bị gãy khi ứng suất σb còn khá nhỏ so với cường độ chịu nén của bê tông Như thế là lãng phí khả năng chịu nén của bê tông Nếu đem đặt cốt thép vào vùng bê tông chịu kéo, lực kéo sẽ do cốt thép chịu, nhờ đó

có thể tăng tải trọng đến khi ứng suất σb đạt đến cường độ chịu nén tính toán của bê tông và ứng suất σs đạt tới cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép

Trong dầm chịu uốn còn xuất hiện cả ứng suất tiếp và ứng suất chính Khi ứng suất kéo chính lớn hơn cường độ chịu kéo của bê tông sẽ gây ra các vết nứt nghiêng, vì vậy cũng cần bố trí cốt thép để chịu ứng suất kéo này Dầm bê tông cốt thép chịu lực nhiều hơn dầm bê tông có cùng kích thước đến chục lần

Như vậy sự phối hợp giữa bê tông và cốt thép đã hạn chế các nhược điểm của

Bê tông và cốt thép, đồng thời phát huy các ưu điểm của chúng

IV CÁC YẾU TỐ BẢO ĐẢM SỰ LÀM VIỆC CỦA BTCT

Giữa Bê tông và cốt thép có lực bám dính Chính lực bám dính này giúp truyền ứng suất giữa Bê tông và cốt thép, giúp chúng làm việc như một thể thống nhất Nhờ lực dính mà cường độ cốt thép được sử dụng, các khe nứt trong cấu kiện được hạn chế Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học gây ăn mòn lẫn nhau, không những vậy, Bê tông có vai trò như một lớp áo bảo vệ giúp cốt thép tránh được các tác nhân gây ăn mòn

Bê tông cũng góp phần bảo vệ cốt thép tránh sự chảy dẻo ở nhiệt độ cao

Bê tông và cốt thép có hệ số giãn nở vì nhiệt gần giống nhau, vì vậy khi nhiệt

độ môi trường thay đổi, trong cấu kiện không xuất hiện nội lực đáng kể

V PHÂN LOẠI BTCT

1 Theo phương pháp thi công

a Bê tông cốt thép toàn khối

Người ta đặt ván khuôn, cốt thép tại vị trí thiết kế của kết cấu Kết cấu BTCT

đổ toàn khối có độ cứng lớn nhưng sẽ phức tạp về mặt vật liệu chế tạo

b Bê tông cốt thép lắp ghép Các cấu kiện BTCT được chế tạo tại nhà máy rồi vận chuyển đến vị trí xây dựng rồi được lắp ghép với nhau tạo thành một hệ kết cấu hoàn chỉnh Ưu điểm của phương pháp này là thời gian thi công nhanh và chất lượng của từng cấu kiện được đảm bảo Tuy nhiên, việc ghép nối các cấu kiện với nhau lại khó khăn và tốn kém

c Bê tông cốt thép bán lắp ghép Người ta lắp ghép các cấu kiện chưa được chế tạo hoàn chỉnh lại với nhau sau

đó đặt thêm cốt thép, ghép thêm ván khuôn rồi đổ tại chỗ phần còn lại Loại này tận

dụng được ưu điểm và hạn chế nhược điểm của cả hai loại hình đã nêu trên

2 Theo trạng thái ứng suất

Bê tông thường: Khi chế tạo, cốt thép ở trạng thái không có ứng suất

Bê tông ứng suất trước: Khi chế tạo người ta tạo cho cốt thép một ứng lực trước ngược dấu với ứng suất của bê tông khi sử dụng

VI ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA BTCT

1 Ưu điểm

- Có độ bền cao, ít phải bảo dưỡng

- Chịu lực tốt hơn các kết cấu khác như kết cấu gạch, đá, gỗ Đặc điểm là lực nén do BT chịu, lực kéo do thép chịu nên có thể chịu được các TT đặc biệt như TT động, động đất và có khả năng chống phóng xạ tốt Thí nghiệm cho thấy rằng lượng tia  bị giảm đi 2 lần khi xuyên qua tường BT dày 10cm và thí nghiệm cho thấy rằng nếu ngăn chặn được tia  thì cũng ngăn chặn được tia nơtron

- Chịu lửa tốt vì bê tông bảo vệ công trình không bị nung nóng nhanh tới nhiệt độ nguy hiểm

- Dễ tạo hình vì vật liệu xây dựng ban đầu ở dạng nhão, cốt thép có tính dẻo  kết cấu có thể được đúc theo hình dáng bất kỳ đáp ứng được các yêu cầu

về mặt kiến trúc

- Tận dụng được các loại vật liệu địa phương như cát, đá, sỏi tiết kiệm được thép là loại vật liệu quý hiếm

2 Nhược điểm

Trọng lượng bản thân của BT tương đối lớn, đôi khi được lợi dụng như

là 1 thuận lợi (tăng ổn định) nhưng nhiều trường hợp là 1 nhược điểm, nó làm giảm khả năng XD kết cấu nhịp lớn, làm giảm khả năng chịu TT ngoài vì phần lớn sức lực phải dùng để chịu TLBT Để khắc phục nhược điểm này cần dùng

bê tông cốt liệu nhẹ, dùng vật liệu có cường độ cao kết hợp với việc gây ƯLT, dùng hình dạng và kiểu kết cấu hợp lý để giảm đến mức tối thiểu TLBT của nó

- Cách âm, cách nhiệt kém Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng kết cấu có lỗ rỗng như panen

- Thi công tại chỗ tương đối phức tạp vì chịu ảnh hưởng của thời tiết,

việc kiểm tra chất lượng gặp nhiều khó khăn Để khắc phục người ta có thể dùng kết cấu BTCT lắp ghép hoặc công xưởng hoá các khâu làm ván khuôn, cốt thép, trộn bê tông (dùng bê tông thương phẩm), cơ giới hoá cao công đoạn đổ BT (phun BT) hoặc các công tác khác như dùng BT lắp ghép,

- Dưới tác dụng của tải trọng và các tác động khác, BTCT dễ có khe nứt làm ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng và tuổi thọ của kết cấu Trong nhiều trường hợp nếu bề rộng của khe nứt không lớn thì cũng không ảnh hưởng nhiều đến việc sử dụng của kết cấu Tuy nhiên phải tìm cách ngăn ngừa khe nứt hoặc hạn chế bề rộng của nó, biện pháp có hiệu quả để khắc phục tình trạng này là sử dụng kết cấu BTCT ƯLT hoặc

có nhiều biện pháp tính toán và thi công hợp lý

Nước Ninh kết

Bê tông là một loại đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, đá, sỏi )

và chất kết dính với một tỷ lệ thích hợp, CKD thường là XM trộn với nước hoặc là các loại chất dẻo khác nhằm cải thiện một số tính chất của bê tông (phụ gia ) Vật liệu rời được gọi là cốt liệu gồm các cỡ hạt loại bé từ 0,15mm  0,5mm, loại lớn từ 5mm  40mm hoặc lớn hơn nữa

Nguyên lý tạo nên bê tông là các cốt liệu lớn làm thành bộ xương, cốt liệu nhỏ lấp đầy các khoảng trống và dùng chất kết dính để liên kết chúng tạo thành một thể đặc chắc có khả năng chịu lực và chống lại sự biến dạng

Để chế tạo bê tông cần nhào trộn đều các thành phần, đổ khuôn, dầm chắc để đạt được mật độ nhất định và dưỡng hộ (bảo dưỡng) Việc hình thành bê tông trải qua

3 giai đoạn: Đầu tiên là xi măng hoà tan vào nước, lúc này nó luôn ở dạng nhão, sau

đó đến thời kỳ hoá keo, vữa xi măng chuyển thành thể keo nhớt, lúc này bê tông bắt đầu đông đặc và cuối cùng là thời kỳ rắn chắc, chất keo kết dính thành mạng tinh thể tạo nên đá xi măng Nước để trộn bê tông có 2 tác dụng, 1 phần

để hoà hợp với xi măng, 1 phần nữa bảo đảm cho bê tông có được độ dẻo cần thiết thuận lợi cho quá trình trộn, đổ khuôn, làm chắc, khi bê tông khô cứng, lượng nước sau sẽ bay hơi đi (nước thừa)

Khi trộn bê tông, ngoài các tính chất cơ bản trên người ta có thể thêm vào các chất phụ gia nhằm cải thiện một số tính chất làm tăng độ dẻo, điều chỉnh thời gian ninh kết, tăng khả năng chống thấm,

Bê tông có cấu trúc không đồng nhất vì hình dáng, kích thước của hạt cốt liệu là rất khác nhau, mạng không gian của đá xi măng không đồng đều Lượng nước thừa nằm chen vào giữa mạng tinh thể đá xi măng và giữa các cốt liệu Một phần nước này có liên kết hoá học với các hạt xi măng hoạt tính kém, một phần khác bốc hơi và để lại các khe hở có kích thước vào khoảng vài phần triệu đến vài phần vạn mm

Cấu trúc của của bê tông gồm 3 pha: Rắn, Lỏng, Khí, ngay đá xi măng cũng có cấu trúc không đồng nhất, gồm có mạng tinh thể đàn hổi và chất keo nhờn nằm trong đó Quá trình khô cứng của bê tông xảy ra lâu dài, đó là quá trình thay đổi sự tăng mạng tính thể đàn hồi Quá trình đó làm cho bê tông trở thành loại vật liệu có tính đàn hồi dẻo, thể hiện ở đặc tính bảo đảm tính chịu lực

và chịu tác dụng nhiệt ẩm của môi trường

II PHÂN LOẠI

Có thể phân loại bê tông thành nhiều cách:

1 Theo cấu trúc

- Bê tông đặc chắc

- Bê tông có lỗ rỗng thô dùng ít cát hoặc bê tông không có cát

- Bê tông tổ ong

- Bê tông xốp

2 Theo trọng lượng riêng

- Bê tông đặc biệt nặng,  > 25 KN/m3

- Bê tông nặng,  = 18  25 KN/m3

- Bê tông nhẹ,  = 5  18 KN/m3

- Bê tông đặc biệt nhẹ  < 5 KN/m3

Bê tông nặng được chế tạo từ các cốt liệu có độ đặc chắc cao, các loại đá chứa quặng, nó thường dùng để làm các cấu kiện ngăn các chất phóng xạ

Bê tông nặng được chế tạo từ các loại cốt liệu đặc chắc

Bê tông nhẹ được chế tạo từ các cốt liệu rỗng có sẵn trong thiên nhiên như đá tuyp, đá bọt, đá vôi san hô, hoặc đá nhân tạo (Keramit, xỉ quặng, ) Trong xây dựng thường dùng nhất là bê tông nặng và bê tông nhẹ

3 Theo tính chất kết dính của bê tông

- Bê tông dùng xi măng (Hay dùng)

- Bê tông nhựa (Hay dùng)

- Bê tông chất dẻo

- Bê tông thạch cao

- Bê tông Silicat

4 Theo phạm vi sử dụng

- Bê tông dùng làm kết cấu cho công trình

- Bê tông cách nhiệt

- Bê tông thuỷ công

- Bê tông mặt đường

5 Theo thành phần hạt

- Bê tông cốt liệu thường

- Bê tông cốt liệu bé

III YÊU CẦU ĐỐI VỚI BÊTÔNG

Khi chọn dùng bê tông cần xuất phát từ nhiệm vụ, đặc điểm của kết cấu từ khả

năng cung cấp nguyên vật liệu và điều kiện thi công Đối với kết cấu chịu lực, cường độ là chỉ tiêu quan trọng nhất và thường được chọn theo cấp bê tông (với tiêu chuẩn cũ thì dùng mác), cấp thấp sẽ không đảm bảo chất lượng, cấp cao thì gây lãng phí, trong kết cấu BTCT đòi hỏi bê tông phải có độ bám dính tốt với cốt thép do đó cần có độ đặc chắc tốt để bảo vệ cốt thép khỏi bị han rỉ Để đạt được các yêu cầu đó phải:

- Chọn thành phần bê tông cho đúng

- Thi công đúng quy trình

Đối với những kết cấu làm việc trong điều kiện đặc biệt phải chọn dùng các loại bê tông có khả năng thích hợp: Chống phóng xạ, chống thấm nước,

IV CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG

Cường độ là chỉ tiêu cơ học quan trọng, thể hiện KNCL của vật liệu Cường độ bê tông phụ thuộc thành phần và cấu trúc của nó Đã có những nghiên cứu lý thuyết về quan hệ giữa cường độ và cấu trúc của vật liệu nhưng cho đến nay, để xác định cường độ của bê tông vẫn phải làm các thí nghiệm Thí nghiệm phá hoại mẫu thử là phương pháp xác định cường độ một cách trực tiếp và phổ biến nhất Ngoài ra cũng có thể xác định bằng các phương pháp gián tiếp khác như siêu âm, ép lõm viên bi trên bề mặt bê tông (Súng bắn bê tông)

- Cường độ chịu kéo

(2-1)

A - diện tích tiết diện ngang của mẫu

Đơn vị của R thường dùng là Mpa hoặc kG/cm2

c) Sự phá hoại mẫu thử

Sau khi bị nén, ngoài biến dạng co ngắn theo phương tác dụng của lực, bê tông còn bị nở ngang Thông thường chính sự nở ngang quá mức làm cho bê tông bị nứt và