Chương 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP Mục tiêu: Kiến thức: So sánh được các tính chất của vật liệu bê tông cốt thép Kỹ năng: Tính toán được tính chất cơ lý của vật liệu bê tông cốt thép Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Ghi chép đầy đủ, tra bảng được các tính năng cơ lý của vật liệu, tự đọc tài liệu. Khái niệm chung về kết cấu bê tông cốt thép 1. Sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép a) Khái quát Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng phức hợp do bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực với nhau. Ta thử so sánh một vài tính chất của bê tông và cốt thép qua bảng dưới đây: Đặc trưng Bê tông Cốt thép Khả năng chịu kéo Kém Tốt Khả năng chịu nén Tốt Tốt, những thanh thép mảnh dễ bị oằn Khả năng chịu cắt Trung bình Tốt Độ bền Tốt Bị ăn mòn nếu không được bảo vệ Độ chịu lửa Tốt Kém, khả năng chịu lực giảm nhanh ở nhiệt độ cao Từ bảng trên ta thấy rằng, nếu kết hợp bê tông và cốt thép thì chúng sẽ bổ sung cho nhau : tận dụng được khả năng chịu kéo và chịu cắt của thép, khả năng chịu nén của bê tông, đồng thời bê tông bảo vệ cốt thép không bị ăn mòn, tăng khả năng chịu lửa của vật liệu phức hợp này.
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. Lưu hành nội bộ 11 Giáo trình BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 Bộ môn Kết cấu Dầm bêtông cốt thép có thể chịu lực nhiều hơn dầm bêtông có cùng kích thước đến hàng chục lần.1 Cốt thép đặt vào vùng kéo dầm Cốt thép đặt trong các cấu kiện chịu nén ( cột, thanh chịu nén của dàn ) nhằm tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện.
và chịu các lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên. b) Sự cộng tác cùng chịu lực giữa bê tông và cốt thép Giữa bê tông và cốt thép có lực dính (sinh ra trong quá trình bêtông đông cứng), nên có thể truyền lực từ bê tông sang cốt thép và ngược lại. Nhờ có lực dính mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, hạn chế vết nứt trong vùng chịu kéo. Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học nào, đồng thời bê tông còn bảo vệ cốt thép chống lại các tác dụng ăn mòn của môi trường.
Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông và cốt thép gần bằng nhau. bê tông = 1x10-5 1,5x10-5 thép = 1,2x10-5 Khi nhiệt độ thay đổi (< 1000C) cốt thép trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không làm phá hoại lực dính giữa bê tông và cốt thép. Phân loại kết cấu bê tông cốt thép a) Theo phương pháp thi công : - Bê tông cốt thép toàn khối : độ cứng lớn, chịu tải trọng động tốt. Tuy nhiên, tốn ván khuôn, cây chống, thi công bị ảnh hưởng thời tiết.
Lưu hành nội bộ 12 Giáo trình BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 Bộ môn Kết cấu - Bê tông cốt thép lắp ghép : thi công nhanh, không bị ảnh hưởng thời tiết nhưng độ cứng không đảm bảo. - Bê tông cốt thép bán lắp ghép : độ cứng cao, giảm đáng kể số lượng ván khuôn cây chống, phải xử lý tốt mối nối giữa bê tông đổ trước và bê tông đổ sau. b) Theo trạng thái ứng suất khi chế tạo và sử dụng - Bê tông cốt thép thường. - Bê tông cốt thép ứng lực trước.
Ưu nhược điểm của kết cấu bê tông cốt thép a) Ưu điểm - Khả năng chịu lực lớn hơn so với kết cấu gạch đá và gỗ, có thể chịu tốt các loại tải trọng rung động. - Có khả năng sử dụng vật liệu địa phương, tiết kiệm thép. - Có tính bền, chi phí bảo trì công trình ít hơn kết cấu thép. - Chịu lửa tốt ( cấp I ) hơn kết cấu thép.
- Có khả năng tạo ra các hình dáng kết cấu khác nhau, đáp ứng yêu cầu đa dạng của kiến trúc ( vòng, vỏ mỏng…). - Rẻ tiền hơn kết cấu thép. b) Nhược điểm - Thường bị nứt tại vùng kéo ( khắc phục bằng cách sử dụng bê tông ứng lực trước, có biện pháp tính toán và thi công hợp lý nhằm khắc phục hạn chế nứt ). - Cách âm và cách nhiệt kém.(khắc phục bằng cách sử dụng kết cấu có lỗ rỗng) - Thi công đổ bê tông cốt thép tương đối phức tạp, chịu ảnh hưởng của thời tiết.
( Dùng cấu kiện BTCTđúc sẳn dễ cơ giới hóa cấu kiện, dễ kiểm tra chất lượng bê tông. Dùng phụ gia trong bê tông. Dưỡng hộ bê tông bằng hấp nóng cấu kiện…). - Trọng lượng bản thân lớn, khó làm các kết cấu nhịp lớn, có thể khắc phục bằng cách sử dụng bê tông cốt thép ứng lực trước, kết cấu nhẹ ( vỏ mỏng ).
Lưu hành nội bộ 13 Giáo trình BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 Bộ môn Kết cấu 1. Phạm vi sử dụng Bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành xây dựng: - Xây dựng dân dụng - công nghiệp - Xây dựng giao thông – thủy lợi. - Xây dựng quốc phòng. Tính chất cơ học của bê tông cốt thép 1.
Tính chất cơ học của bê tông Bê tông là một loại đá nhân tạo, thành phầm gồm có : - Cốt liệu : cát, sỏi hay đá dăm. - Chất kết dính vô cơ : xi măng, thạch cao, vôi. - Ngoài ra có thể có them chất phụ gia vô cơ hay hữu cơ. Phân loại bê tông Theo trọng lượng : - Bê tông nặng, bao gồm cả bê tông tự ứng suất, có khối lượng thể tích trung bình từ = 22 - 25 kN/m³ - Bê tông hạt nhỏ có khối lượng thể tích trung bình từ = 18 – 22 kN/m³ - Bê tông nhẹ có khối lượng thể tích trung bình từ = 8 - 14 kN/m³ - Bê tông tổ ong có khối lượng thể tích trung bình từ = 5 - 12 kN/m³ Theo kích thước cốt liệu : - Bê tông đá 40x60: làm lớp lót.
- Bê tông đá 20x30, 10x20, 5x10: 90% dùng chế tạo cấu kiện chịu lực. - Bê tông đá mi: sử dụng làm kiến trúc. Cường độ bê tông. Lưu hành nội bộ 14 Giáo trình BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 Bộ môn Kết cấu Cường độ của bê tông là đại lượng đặc trưng quan trọng của bê tông về chất lượng và khả năng chịu lực a) Cường độ chịu nén của mẫu thử : a a h=4a h=2d a a a a d=16cm Hình 1.2 Thí nghiệm mẫu chịu nén - Mẫu thí nghiệm : khối vuông a = 150mm, khối lăng trụ đáy vuông, khối trụ tròn.
Được dưỡng hộ theo điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 20°C ± 2°C; độ ẩm w = 90%, t = 28 ngày) và thí nghiệm nén sau 28 ngày tuổi. - Cường độ chịu nén của mẫu (khối vuông) Np Bi , MPa (1.1) A 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). 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. Được dưỡng hộ theo điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 20°C ± 2°C; độ ẩm w = 90%, t = 28 ngày) và thí nghiệm kéo sau 28 ngày tuổi. Lưu hành nội bộ 15 Giáo trình BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 Bộ môn Kết cấu Hình 1.3 Mẫu thí nghiệm chịu kéo - Cường độ chịu kéo Np Bit , MPa (1.2) A Trong đó: Np : trị số của lực làm mẫu bị phá hoại A : diện tích tiết diện ngang của mẫu Bit : cường độ chịu kéo của mẫu (MPa). c) Cấp độ bền của bê tông : Cấp độ bền chịu nén của bê tông, B - Giá trị được kiểm soát nhỏ nhất của cường độ chịu nén tức thời, tính bằng megapascan (MPa), với xác suất đảm bảo không dưới 95 %, được xác định trên các mẫu lập phương chuẩn đã được chế tạo, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thử nén ở tuổi 28 ngày - Tương quan giữa cấp độ bền chịu nén và cường độ chịu nén tức thời của bêtông: B = Bm (1- 1,64) (1.3) Cấp độ bền chịu kéo của bê tông, Bt - Giá trị được kiểm soát nhỏ nhất của cường độ chịu kéo tức thời, tính bằng megapascan (MPa), với xác suất đảm bảo không dưới 95 %, được xác định trên các mẫu thử kéo chuẩn đã được chế tạo, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thử kéo ở tuổi 28 ngày.
- Tương quan giữa cấp độ bền chịu kéo và cường độ chịu kéo tức thời của bêtông: Bt = Bmt (1- 1,64) (1.4) Trong đó: Lưu hành nội bộ 16 Giáo trình BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 Bộ môn Kết cấu Bm, Bmt là các giá trị trung bình thống kê của cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo tức thời.,nn – số lượng các mẫu thử tiêu chuẩn có cường độ tương ứng khi nén ( kéo) là B1, B2, …. - hệ số biến động của cường độ các mãu thử tiêu chuẩn, phụ thuộc vào trình độ sản xuất bê tông.135 ứng với trường hợp khi nén.165 ứng với trường hợp khi kéo. - Theo TCVN 5574 – 1991: chỉ tiêu chất lượng cơ bản của bê tông biểu thị bằng Mác. Mác theo cường độ chịu nén M, chịu kéo K.
Mác bê tông : M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400…… Mác bê tông : K10, K15, K20, K25, K30, K40…… - Theo TCXDVN 5574 – 2018: chỉ tiêu chất lượng cơ bản của bê tông biểu thị bằng cấp độ bền. Cấp độ bền chịu nén của bê tông B, chịu kéo của bê tông Bt. B3,5 ……B12,5, B15, B20, B25, B30, B35, B40……B100 Bt 0,8, Bt 1,2, Bt 1,6, Bt 2,0, Bt 2,4….Bt 4,0 - Tương quan giữa cấp độ bền chịu nén của bê tông B và Mác theo cường độ chịu nén. Lưu hành nội bộ 17 Giáo trình BÊ TÔNG CỐT THÉP 1 Bộ môn Kết cấu Bảng 1.