CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Kết cấu bê tông Bê tông là một loại đá nhân tạo được tạo thành từ việc đóng rắn hỗn hợp xi măng, 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 chịu kéo lại rất nhỏ. Cường độ chịu kéo của bê tông chỉ bằng khoảng 1/20 đến 1/10 cường độ chịu nén của nó. Cường độ chịu kéo của bê tông, bên cạnh giá trị thấp, lại rất không ổn định.
Ngoài ra, biến dạng kéo của bê tông khi ứng suất đạt đến cường độ chịu kéo cũng có giá trị rất nhỏ. Vì những lý do này, khả năng sử dụng riêng bê tông (bê tông không được gia cường) trong kết cấu là khá hạn chế. Ví dụ, một cấu kiện chịu uốn, được làm từ bê tông có cường độ chịu nén đến 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. 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 tinh hoặc chất dẻo, v. làm cốt để tăng cường cho vùng chịu kéo của bê tông. Nếu khi đổ 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 lực sau khi bê tông vùng kéo đã bị nứt. Cấu kiện bê tông có cốt thép, nếu được cấu tạo hợp lý, có khả năng chịu lực lớn hơn cấu kiện bê tông không có cốt đến hàng chục lần.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 còn dầm 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 dầm 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 dầm trong ví dụ này lên khoảng 10 lần. P P 2000 2000 2000 (a) Sơ đồ kết cấu Lực (kN) 16 QUAN HỆ LỰC – ĐỘ VÕNG 14 12 600 10 Phá hoại 8 6 4 2 250 0 Cấu tạo mặt cắt ngang 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 (mm) Độ võng giữa nhịp (mm) (b) Quan hệ lực – độ võng của dầm bê tông không có cốt Lực (kN) QUAN HỆ LỰC – ĐỘ VÕNG 140 120 100 600 80 Phá hoại 3#29 60 40 20 250 0 Cấu tạo mặt cắt ngang 2 4 6 8 10 12 14 16 (mm) Độ võng giữa nhịp (mm) (c) Quan hệ lực – độ võng của dầm 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 17 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 cốt. 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 bê tông cốt thép. Bên cạnh các loại cốt ở dạng thanh, người ta cũng sử dụng cốt tăng cường cho bê tông ở dạng sợi (có thể 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 thế bê tông chịu lực kéo), người ta còn tìm cách nén trước các vùng bê tông sẽ chịu kéo khi chịu các tác 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 kết cấu bê tông dự ứng lực hay kết cấu bê tông ứng suất trước. Kết cấu bê tông được sử dụng trong tài liệu này là một khái niệm chung để chỉ các kết cấu được làm từ bê tông xi măng như kết cấu bê tông không có cốt, kết cấu bê tông có cốt, kết cấu bê tông dự ứng lực, kết cấu bê tông cốt sợi, v. Tài liệu này chỉ tập trung cho kết cấu bê tông cốt thép là dạng kết cấu đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay ở nước ta và trên toàn thế giới.2 Bê tông cốt thép Ở các điều kiện sử dụng bình thường, bê tông và cốt thép có thể phối hợp làm việc rất tốt với nhau nhờ các yếu tố sau: Lực dính bám giữa bê tông và bề mặt cốt thép. Lực này hình thành trong quá trình đông cứng của bê tông và đảm bảo cho cốt thép không bị tuột khỏi bê tông trong quá trình chịu lực.
Do lực dính bám đóng vai trò quyết định trong sự làm việc chung của bê tông và cốt thép như là một vật liệu thống nhất nên người ta 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 c 1,0 105 1,5 105 và hệ số giãn nở nhiệt của thép là s 1,2 105. Như vậy, với phạm vi biến đổi nhiệt độ thông thường, khoảng dưới 100oC, trong bê tông cốt thép không xuất hiện nội ứng suất làm phá hoại vật liệu.3 Phân loại kết cấu bê tông cốt thép 1.1 Phân loại theo trạng thái ứng suất Phụ thuộc vào trạng thái ứng suất trong bê tông và cốt thép trước khi chịu lực, có thể có hai dạng kết cấu bê tông cốt thép là Kết cấu bê tông cốt thép thường. Là loại kết cấu 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 trước 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 bất 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.2 Phân loại theo phương pháp thi công Theo phương pháp thi công, kết cấu bê tông cốt thép có thể được phân loại thành: Kết cấu bê tông đổ tại chỗ: là loại kết cấu được lắp dựng cốt thép và đổ bê tông tại vị trí thiết kế của nó. Hầu hết các kết cấu bê tông cốt thép có kích thước lớn đều được thi công đổ tại chỗ.
Kết cấu bê tông cốt thép được thi công đổ 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 đổ 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 19 thấp. Các mối nối được thực hiện ở công trường chính là các điểm xung yếu làm giảm độ bền chung của kết cấu.
