Giáo trình Khung cứng Bê tông cốt thép - Chương 1: Khái niệm chung

Giáo trình khung cứng bê tông cốt thép trình bày đầy đủ kiến thức cơ bản về khái niệm, phân loại và trạng thái ứng suất. Tài liệu cho sinh viên Xây dựng.

• Chuyên ngành: Bê tông cốt thép
• Đề tài: Giáo trình Khung Bê tông cốt thép (BTCT) chi tiết
• Loại tài liệu: Giáo trình

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG
• 1.1. KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT)
• 1.2. PHÂN LOẠI
• 1.2.1. BTCT toàn khối
• 1.2.2. BTCT lắp ghép
• 1.2.3. BTCT nửa lắp ghép
• 1.2.4. BTCT thường
• 1.2.5. BTCT ứng lực trước
• 1.3. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA BTCT
• 1.4. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU
• 2.1. Thành phần, cấu trúc và các loại BT
• 2.1.1. Vật liệu, thành phần của BT
• 2.1.2. Cấu trúc của BT
• 2.1.3. Các loại BT
• 2.2. Cường độ của bêtông
• 2.2.1. Thí nghiệm mẫu xác định cường độ chịu nén
• 2.2.2. Thí nghiệm mẫu xác định cường độ chịu kéo
• 2.2.3. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo
• 2.2.4. Nhân tố quyết định cường độ bê tông
• 2.2.5. Sự tăng cường độ theo thời gian
• 2.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ gia tải và thời gian tác dụng lực
• 2.3. Giá trị trung bình và giá trị tiêu chuẩn của cường độ
• 2.4. Cấp độ bền và mác bêtông

Tóm tắt

I. Toàn cảnh về giáo trình bê tông cốt thép BTCT chi tiết

Giáo trình này cung cấp kiến thức nền tảng và chuyên sâu về kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), một loại vật liệu xây dựng composite phổ biến nhất hiện nay. Nội dung được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, đặc biệt là TCVN 5574:2018, nhằm trang bị cho sinh viên, kỹ sư những công cụ cần thiết để phân tích và thiết kế các công trình dân dụng và công nghiệp. Bằng cách kết hợp khả năng chịu nén vượt trội của vật liệu bê tông và khả năng chịu kéo tuyệt vời của cốt thép, BTCT tạo ra các kết cấu có độ bền cao, tuổi thọ lâu dài và chi phí hợp lý. Sự cộng tác hiệu quả giữa hai vật liệu này dựa trên ba yếu tố then chốt: lực dính bám, hệ số giãn nở nhiệt tương đồng và khả năng bê tông bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn. Giáo trình sẽ đi sâu vào việc phân tích các tính chất cơ lý của từng vật liệu, từ đó xây dựng các nguyên lý tính toán cho những cấu kiện chịu uốn và cấu kiện chịu nén lệch tâm. Các phương pháp tính toán hiện đại theo trạng thái giới hạn sẽ được trình bày chi tiết, giúp người học không chỉ nắm vững lý thuyết mà còn có khả năng ứng dụng vào các đồ án bê tông 1 và đồ án bê tông 2. Nội dung bao quát từ việc chọn sơ bộ kích thước, lập sơ đồ tính khung, xác định tải trọng và tác động, cho đến phân tích nội lực và bố trí cốt thép hợp lý. Đây là tài liệu không thể thiếu cho bất kỳ ai muốn làm chủ lĩnh vực thiết kế kết cấu BTCT.

1.1. Khái niệm và nguyên lý làm việc của kết cấu BTCT

Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) là vật liệu composite được cấu thành từ bê tông và cốt thép, liên kết với nhau để cùng chịu lực. Bê tông là một loại đá nhân tạo, có cường độ chịu nén cao nhưng cường độ chịu kéo rất thấp, chỉ bằng 1/10 đến 1/20 cường độ chịu nén. Ngược lại, cốt thép có khả năng chịu kéo và nén đều rất tốt. Sự kết hợp này giúp khắc phục nhược điểm của từng vật liệu riêng lẻ. Trong một cấu kiện chịu uốn như dầm, bê tông ở vùng trên chịu nén trong khi cốt thép đặt ở vùng dưới chịu toàn bộ lực kéo. Nguyên lý làm việc chung này có thể thực hiện được nhờ các yếu tố sau:

1. Lực dính bám: Khi đông cứng, bê tông bám chặt vào bề mặt cốt thép, cho phép ứng suất được truyền qua lại giữa hai vật liệu. Đây là yếu tố quan trọng nhất, đảm bảo tính toàn khối của kết cấu.
2. Hệ số giãn nở nhiệt tương đồng: Bê tông và thép có hệ số giãn nở vì nhiệt gần bằng nhau (khoảng 10⁻⁵/°C). Điều này giúp kết cấu không phát sinh nội ứng suất đáng kể khi nhiệt độ thay đổi, tránh phá hoại lực dính.
3. Bê tông bảo vệ cốt thép: Lớp bê tông bảo vệ dày và đặc chắc bao bọc xung quanh cốt thép, ngăn chặn quá trình oxy hóa (gỉ sét) và bảo vệ thép trước tác động của môi trường xâm thực.

1.2. Phân loại và ưu nhược điểm của vật liệu bê tông

Bê tông được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Theo biện pháp thi công, có BTCT toàn khối, BTCT lắp ghép và BTCT bán lắp ghép. BTCT toàn khối có tính liên kết tốt, độ cứng lớn nhưng chịu ảnh hưởng của thời tiết. BTCT lắp ghép giúp công nghiệp hóa xây dựng, rút ngắn tiến độ nhưng yêu cầu xử lý mối nối phức tạp. Theo trạng thái ứng suất, có BTCT thường và BTCT ứng lực trước. Vật liệu bê tông sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật: chi phí thấp hơn thép, chịu lửa tốt, độ bền cao và dễ tạo hình. Tuy nhiên, nó cũng có các nhược điểm cố hữu:

• Trọng lượng bản thân lớn: Gây khó khăn cho các kết cấu nhịp lớn.
• Dễ nứt ở vùng kéo: Các vết nứt là khó tránh khỏi trong điều kiện làm việc thông thường, cần tính toán để hạn chế bề rộng khe nứt.
• Cách âm, cách nhiệt kém: So với các vật liệu như gỗ, gạch.
• Thi công phức tạp: Đòi hỏi kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và khó sửa chữa, gia cố. Việc lựa chọn loại bê tông và phương pháp thi công phù hợp là bước đầu tiên để tối ưu hóa hiệu quả của thiết kế kết cấu BTCT.

1.3. Tính chất cơ lý quan trọng của cốt thép trong kết cấu

Cốt thép dùng trong xây dựng chủ yếu là thép carbon thấp, được phân thành nhiều nhóm dựa trên cường độ và đặc tính cơ học. Biểu đồ quan hệ ứng suất-biến dạng là đặc trưng quan trọng nhất, phân biệt thép dẻo (có thềm chảy rõ ràng) và thép rắn. Các chỉ tiêu cơ lý chính cần quan tâm bao gồm:

• Giới hạn chảy (Rs): Là ứng suất mà tại đó biến dạng của thép tăng lên đáng kể dù ứng suất gần như không đổi. Đây là thông số cơ bản được sử dụng trong tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất.
• Giới hạn bền (Rb): Là ứng suất lớn nhất mà thép có thể chịu được trước khi bị phá hoại.
• Mô đun đàn hồi (Es): Thể hiện độ cứng của vật liệu, thường có giá trị ổn định khoảng 2x10⁵ MPa cho các loại thép xây dựng.
• Độ dẻo: Khả năng biến dạng lớn trước khi bị phá hủy, được đánh giá qua độ giãn dài tương đối. Độ dẻo cần thiết để cấu kiện có dấu hiệu cảnh báo (võng, nứt lớn) trước khi sụp đổ. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, cốt thép thường được phân nhóm CI, CII, CIII, CIV hoặc các loại RB, CB tương ứng với giới hạn chảy. Việc lựa chọn đúng nhóm thép ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và tính kinh tế của kết cấu bê tông cốt thép.

II. Thách thức trong thiết kế kết cấu BTCT Hiểu đúng vật liệu

Việc thiết kế kết cấu BTCT đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về hành vi phức tạp của vật liệu dưới tác động của tải trọng. Thách thức lớn nhất không chỉ nằm ở việc tính toán các con số mà còn ở việc dự đoán chính xác sự làm việc của kết cấu trong thực tế. Cường độ của bê tông không phải là một hằng số, nó tăng theo thời gian và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tỷ lệ nước/xi măng, điều kiện bảo dưỡng. Đặc biệt, các hiện tượng biến dạng dài hạn như co ngót và từ biến có thể gây ra sự phân phối lại nội lực và làm tăng độ võng của kết cấu, điều mà các phân tích đàn hồi tuyến tính thông thường không thể nắm bắt đầy đủ. Lực dính bám giữa bê tông và cốt thép là yếu tố sống còn, nhưng nó cũng có thể bị suy giảm do rung động hoặc môi trường xâm thực, dẫn đến phá hoại. Sự phá hoại của kết cấu bê tông cốt thép có thể xảy ra theo hai dạng chính: phá hoại dẻo và phá hoại giòn. Phá hoại dẻo (thép chảy trước) được ưu tiên trong thiết kế vì có dấu hiệu cảnh báo rõ ràng. Ngược lại, phá hoại giòn (bê tông vỡ trước) xảy ra đột ngột và cực kỳ nguy hiểm. Do đó, một trong những nhiệm vụ cốt lõi của người kỹ sư là đảm bảo điều kiện phá hoại dẻo thông qua việc khống chế hàm lượng bố trí cốt thép. Các yếu tố môi trường như ăn mòn, nhiệt độ cao, hóa chất cũng là những thách thức lớn, đòi hỏi các giải pháp cấu tạo và lựa chọn vật liệu đặc biệt.

2.1. Cường độ và biến dạng của vật liệu bê tông

Cường độ bê tông là chỉ tiêu quan trọng nhất, được xác định qua cấp độ bền chịu nén (ký hiệu B) và mác bê tông (ký hiệu M). TCVN 5574:2018 sử dụng cấp độ bền B, là giá trị cường độ đặc trưng với xác suất đảm bảo 95%. Cường độ này không chỉ phụ thuộc vào thành phần cấp phối mà còn bị ảnh hưởng bởi tuổi bê tông, tốc độ gia tải và thời gian chịu tải. Biến dạng của bê tông bao gồm nhiều thành phần phức tạp.

• Co ngót: Là hiện tượng giảm thể tích khi bê tông khô cứng, gây ra ứng suất kéo nội tại và có thể dẫn đến nứt bề mặt.
• Biến dạng đàn hồi-dẻo: Dưới tác dụng của tải trọng ngắn hạn, bê tông thể hiện tính chất đàn hồi-dẻo. Quan hệ ứng suất-biến dạng là phi tuyến.
• Từ biến: Là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian dù tải trọng không đổi. Từ biến gây ra sự phân phối lại ứng suất giữa bê tông và cốt thép, làm tăng độ võng của cấu kiện. Việc hiểu rõ các loại biến dạng này là chìa khóa để kiểm soát độ võng và vết nứt trong thiết kế kết cấu BTCT.

2.2. Lực dính bám và sự phá hoại của kết cấu BTCT

Lực dính bám là sự tương tác trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và cốt thép, được tạo nên bởi ba thành phần: lực dán hóa học, lực ma sát do co ngót của bê tông, và lực kháng cơ học (đối với thép có gờ). Nếu không có lực dính, cốt thép sẽ bị tuột khỏi bê tông và kết cấu không thể làm việc. Chiều dài neo và chiều dài nối chồng của cốt thép được tính toán dựa trên cường độ lực dính này. Sự phá hoại của BTCT có thể xảy ra trên tiết diện thẳng góc hoặc tiết diện nghiêng.

• Phá hoại trên tiết diện thẳng góc: Do mô men uốn gây ra. Có thể là phá hoại dẻo (thép vùng kéo chảy dẻo trước khi bê tông vùng nén bị phá hoại) hoặc phá hoại giòn (ngược lại). Thiết kế luôn hướng đến phá hoại dẻo.
• Phá hoại trên tiết diện nghiêng: Do lực cắt gây ra, thường xảy ra đột ngột và nguy hiểm hơn. Các vết nứt nghiêng xuất hiện gần gối tựa, đòi hỏi phải bố trí cốt thép đai hoặc cốt xiên để chịu lực.

III. Phương pháp tính toán khung phẳng BTCT theo TCVN 5574 2018

Quy trình tính toán khung phẳng là một phần trọng tâm trong thiết kế kết cấu BTCT cho các công trình nhà. Tiêu chuẩn hiện hành TCVN 5574:2018 quy định rõ ràng các nguyên tắc tính toán dựa trên phương pháp trạng thái giới hạn. Phương pháp này xem xét hai nhóm trạng thái chính: trạng thái giới hạn thứ nhất về khả năng chịu lực (độ bền, ổn định) và trạng thái giới hạn thứ hai về điều kiện sử dụng bình thường (độ võng, khe nứt). Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc xây dựng một sơ đồ tính khung lý tưởng hóa từ kết cấu thực tế, trong đó các cấu kiện dầm, cột được mô hình hóa thành các phần tử thanh và các liên kết được đơn giản hóa. Tiếp theo là bước xác định tải trọng và tác động, bao gồm tĩnh tải (trọng lượng bản thân, các lớp hoàn thiện) và hoạt tải (người, thiết bị, gió), được lấy theo TCVN 2737:1995. Sau khi có sơ đồ tính và tải trọng, kỹ sư tiến hành phân tích nội lực (mô men, lực cắt, lực dọc) bằng các phần mềm chuyên dụng như phần mềm Etabs hoặc phần mềm SAP2000. Kết quả nội lực từ các trường hợp tải trọng khác nhau sẽ được tổ hợp lại để tìm ra các cặp giá trị nguy hiểm nhất tại mỗi tiết diện. Bước cuối cùng và quan trọng nhất là dựa vào các cặp nội lực nguy hiểm này để tính toán và bố trí cốt thép cho từng cấu kiện, đảm bảo kết cấu an toàn và làm việc ổn định.

3.1. Lập sơ đồ tính khung và xác định tải trọng tác động

Bước đầu tiên trong quá trình tính toán là lý tưởng hóa kết cấu thực thành một sơ đồ tính khung. Các dầm, cột được coi là các phần tử thanh có trục đi qua trọng tâm tiết diện. Các liên kết giữa dầm và cột thường được xem là liên kết ngàm cứng. Liên kết giữa cột và móng có thể là ngàm hoặc khớp tùy thuộc vào độ cứng của hệ móng. Việc lựa chọn sơ đồ tính toán hợp lý ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích nội lực. Sau khi có sơ đồ tính, cần xác định tải trọng và tác động theo TCVN 2737:1995. Tải trọng được phân thành hai loại chính:

• Tải trọng thường xuyên (Tĩnh tải): Trọng lượng bản thân kết cấu, tường, sàn hoàn thiện.
• Tải trọng tạm thời (Hoạt tải): Tải trọng sử dụng trên sàn, tải trọng gió. Mỗi loại tải trọng có giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán. Giá trị tính toán được xác định bằng cách nhân giá trị tiêu chuẩn với hệ số vượt tải tương ứng, dùng để tính toán theo trạng thái giới hạn về độ bền.

3.2. Quy trình phân tích và tổ hợp nội lực chính xác

Phân tích nội lực là việc xác định các thành phần mô men uốn (M), lực cắt (Q) và lực dọc (N) trong các cấu kiện khung dưới tác dụng của từng trường hợp tải trọng riêng biệt (tĩnh tải, hoạt tải 1, hoạt tải 2, gió trái, gió phải...). Việc này thường được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của các phần mềm như phần mềm Etabs. Sau khi có kết quả nội lực cho từng trường hợp, cần thực hiện tổ hợp nội lực để tìm ra các cặp giá trị (M, Q, N) nguy hiểm nhất có thể xảy ra đồng thời tại một tiết diện. Tiêu chuẩn quy định hai loại tổ hợp chính:

• Tổ hợp cơ bản 1: Bao gồm tĩnh tải và một loại hoạt tải bất lợi nhất.
• Tổ hợp cơ bản 2: Bao gồm tĩnh tải và nhiều loại hoạt tải cùng tác động (có xét hệ số tổ hợp). Kết quả của bước này là các biểu đồ bao nội lực, thể hiện giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của M, Q, N dọc theo chiều dài mỗi cấu kiện, làm cơ sở cho việc tính toán cốt thép.

3.3. Các trạng thái giới hạn trong thiết kế kết cấu

Phương pháp tính toán hiện đại dựa trên lý thuyết về trạng thái giới hạn, tức là các trạng thái mà tại đó kết cấu không còn đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Có hai nhóm chính:

• Trạng thái giới hạn thứ nhất (về khả năng chịu lực): Tính toán nhằm đảm bảo kết cấu không bị phá hoại về độ bền (gãy, uốn, cắt...) hoặc mất ổn định. Trong tính toán này, người ta sử dụng tải trọng tính toán và cường độ tính toán của vật liệu. Điều kiện kiểm tra là nội lực do tải trọng tính toán gây ra không được lớn hơn khả năng chịu lực giới hạn của tiết diện.
• Trạng thái giới hạn thứ hai (về sử dụng bình thường): Tính toán nhằm đảm bảo kết cấu không có biến dạng (độ võng) hoặc khe nứt vượt quá giới hạn cho phép, gây ảnh hưởng đến thẩm mỹ, công năng hoặc độ bền lâu dài. Trong tính toán này, người ta sử dụng tải trọng tiêu chuẩn và các đặc trưng biến dạng của vật liệu. Đây là bước quan trọng để đảm bảo chất lượng công trình khi đưa vào sử dụng.

IV. Hướng dẫn thiết kế dầm cột BTCT và các cấu kiện cơ bản

Việc thiết kế các cấu kiện cơ bản như dầm, sàn, cột là nội dung cốt lõi của đồ án bê tông 1. Thiết kế dầm BTCT và sàn, hay còn gọi là cấu kiện chịu uốn, dựa trên nguyên tắc tính toán theo cường độ trên tiết diện thẳng góc và tiết diện nghiêng. Đối với tiết diện thẳng góc, bài toán là xác định diện tích cốt thép dọc chịu kéo (As) để cân bằng với mô men uốn tính toán (M), đồng thời phải khống chế chiều cao vùng nén để đảm bảo phá hoại dẻo. Đối với tiết diện nghiêng, cần tính toán và bố trí cốt thép đai hoặc cốt xiên để chịu lực cắt (Q). Trong khi đó, thiết kế cột BTCT, hay cấu kiện chịu nén lệch tâm, phức tạp hơn vì tiết diện phải đồng thời chịu cả lực dọc (N) và mô men uốn (M). Tính toán cột thường dựa vào biểu đồ tương tác N-M của tiết diện. Ngoài việc tính toán, các nguyên lý cấu tạo đóng vai trò cực kỳ quan trọng, bao gồm việc chọn lớp bê tông bảo vệ, quy định khoảng hở giữa các thanh thép, chiều dài neo và nối cốt thép. Việc tuân thủ các quy định này đảm bảo sự làm việc đồng bộ giữa bê tông và cốt thép, đồng thời bảo vệ kết cấu khỏi các tác động của môi trường, là nền tảng cho một thiết kế kết cấu BTCT an toàn và bền vững.

4.1. Tính toán cốt thép cho cấu kiện chịu uốn dầm sàn

Đối với cấu kiện chịu uốn như dầm và sàn, việc tính toán cốt thép dọc (As) được thực hiện dựa trên phương trình cân bằng mô men tại tiết diện. Giả thiết cơ bản là bê tông vùng kéo đã bị nứt và bỏ qua khả năng chịu kéo của nó, toàn bộ lực kéo do cốt thép chịu. Bê tông vùng nén được giả định chịu ứng suất phân bố hình chữ nhật với cường độ bằng cường độ tính toán (Rb). Từ phương trình cân bằng lực và cân bằng mô men, ta có thể xác định được chiều cao vùng nén (x) và diện tích cốt thép yêu cầu (As). Một điều kiện quan trọng là phải khống chế tỷ số x/h₀ ≤ ξR để đảm bảo phá hoại dẻo. Nếu điều kiện này không thỏa mãn (thường do mô men quá lớn), cần phải tăng kích thước tiết diện, tăng cấp độ bền bê tông hoặc bố trí cốt thép chịu nén (cốt kép). Ngoài ra, cốt thép đai cũng phải được tính toán để chống lại lực cắt, đặc biệt tại các vùng gần gối tựa. Việc thiết kế sàn cũng tuân theo nguyên lý tương tự nhưng thường được tính cho một dải bản có bề rộng 1m.

4.2. Thiết kế cấu kiện chịu nén lệch tâm cột khung

Cột trong kết cấu khung thường là cấu kiện chịu nén lệch tâm, nghĩa là đồng thời chịu lực nén dọc trục (N) và mô men uốn (M). Sự có mặt của mô men làm cho ứng suất phân bố không đều trên tiết diện, một phần chịu nén và một phần có thể chịu kéo. Bài toán thiết kế cột BTCT là tìm ra diện tích cốt thép đối xứng (As = A's) sao cho tiết diện có thể chịu được cặp nội lực (N, M) tính toán. Do tính phức tạp của bài toán, người ta thường tính toán dựa trên các biểu đồ tương tác N-M được xây dựng sẵn cho các tiết diện điển hình. Tùy thuộc vào độ lệch tâm (e = M/N), cột có thể bị phá hoại do nén (lệch tâm bé) hoặc do kéo (lệch tâm lớn). Cần kiểm tra cột theo cả hai phương để xác định trường hợp bất lợi nhất. Ngoài cốt thép dọc, cốt thép đai trong cột đóng vai trò rất quan trọng trong việc chống phình nở ngang của bê tông và giữ ổn định cho các thanh thép dọc chịu nén.

4.3. Các nguyên lý cấu tạo và bố trí cốt thép tiêu chuẩn

Bố trí cốt thép không chỉ là đặt thép vào vị trí đã tính toán mà còn phải tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên lý cấu tạo để đảm bảo kết cấu làm việc đúng như thiết kế. Các nguyên tắc chính bao gồm:

• Lớp bê tông bảo vệ: Là khoảng cách từ mép ngoài bê tông đến bề mặt cốt thép gần nhất. Nó có tác dụng bảo vệ thép khỏi ăn mòn và đảm bảo lực dính. Chiều dày lớp bảo vệ phụ thuộc vào loại cấu kiện và môi trường làm việc.
• Khoảng hở cốt thép: Khoảng cách thông thủy giữa các thanh thép phải đủ lớn để cốt liệu lớn của bê tông có thể lọt qua, đảm bảo bê tông được đầm chặt.
• Neo và nối cốt thép: Các thanh thép phải được neo đủ sâu vào bê tông để có thể phát huy hết khả năng chịu lực. Chiều dài đoạn neo và nối chồng được quy định chặt chẽ trong TCVN 5574:2018. Không nên nối chồng cốt thép tại các vị trí có nội lực lớn. Việc cấu tạo đúng là yếu tố quyết định độ bền và tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép.

V. Bí quyết hoàn thiện đồ án bê tông 1 2 với bản vẽ kết cấu

Hoàn thành đồ án bê tông 1 và đồ án bê tông 2 là một cột mốc quan trọng, đánh dấu khả năng áp dụng lý thuyết vào thực hành của sinh viên ngành xây dựng. Để đạt kết quả tốt, cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa việc tính toán và trình bày. Một bộ hồ sơ đồ án chất lượng bao gồm hai phần chính: thuyết minh tính toán và bản vẽ kết cấu. Thuyết minh không chỉ đơn thuần là các phép tính, mà phải trình bày một cách logic, rõ ràng các bước từ việc chọn giải pháp kết cấu, lập sơ đồ tính, xác định tải trọng, đến việc phân tích nội lực và tính toán cốt thép cho từng cấu kiện. Việc trích dẫn các công thức, bảng tra từ tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 là bắt buộc. Bên cạnh đó, bản vẽ kết cấu là sản phẩm cuối cùng, thể hiện toàn bộ ý đồ thiết kế. Một bản vẽ chuyên nghiệp phải rõ ràng, đầy đủ thông tin về kích thước hình học, chi tiết bố trí cốt thép (đường kính, khoảng cách, chiều dài cắt thép), cùng với các bảng thống kê và ghi chú kỹ thuật. Việc sử dụng các phần mềm Etabs để phân tích khung và các phần mềm CAD để triển khai bản vẽ là kỹ năng không thể thiếu. Nắm vững các nguyên tắc thể hiện bản vẽ và tránh các lỗi sai phổ biến sẽ giúp đồ án được đánh giá cao.

5.1. Lập thuyết minh tính toán kết cấu chuyên nghiệp

Một bản thuyết minh tính toán tốt cần được cấu trúc một cách khoa học. Phần mở đầu giới thiệu về công trình, các thông số đầu vào và các tiêu chuẩn áp dụng. Phần tiếp theo trình bày chi tiết quá trình thiết kế, bắt đầu từ việc thiết kế sàn, truyền tải trọng xuống dầm, rồi đến tính toán khung phẳng. Mỗi bước tính toán cần được diễn giải rõ ràng, kèm theo công thức áp dụng, các thông số lấy vào và kết quả. Các bảng tổng hợp kết quả nội lực và kết quả tính toán cốt thép nên được trình bày gọn gàng, dễ tra cứu. Đặc biệt, cần có phần kiểm tra lại các điều kiện hạn chế (ví dụ: hàm lượng cốt thép, điều kiện phá hoại dẻo, kiểm tra độ võng). Ngôn ngữ sử dụng phải chính xác, mang tính kỹ thuật, tránh viết dài dòng. Một bản thuyết minh mạch lạc không chỉ thể hiện khả năng tính toán mà còn cho thấy tư duy logic và sự cẩn thận của người thiết kế. Đây là phần không thể thiếu trong đồ án bê tông 2 và các dự án thực tế.

5.2. Nguyên tắc thể hiện bản vẽ thi công BTCT đúng chuẩn

Bản vẽ kết cấu là ngôn ngữ của kỹ sư, phải được thể hiện theo các quy ước và tiêu chuẩn chung (TCVN 5572-1991, TCVN 4612-1998). Một bộ bản vẽ hoàn chỉnh thường bao gồm: mặt bằng kết cấu, chi tiết các cấu kiện dầm, cột, móng và bảng thống kê cốt thép. Trên bản vẽ, mỗi thanh thép phải được đánh số hiệu riêng. Hình dạng, kích thước, đường kính và vị trí của thanh thép phải được thể hiện rõ ràng trên các hình chiếu và mặt cắt. Các chi tiết quan trọng như uốn móc, vị trí cắt thép, chiều dài đoạn nối phải được ghi chú đầy đủ. Tỷ lệ bản vẽ phải hợp lý để đảm bảo dễ đọc. Các ký hiệu vật liệu, cấp độ bền bê tông, nhóm cốt thép phải được ghi rõ trong phần ghi chú chung. Một bản vẽ sạch đẹp, rõ ràng, không có thông tin thừa hoặc thiếu sẽ giúp việc thi công được chính xác, tránh sai sót và thể hiện sự chuyên nghiệp của người thiết kế.

5.3. Sử dụng phần mềm Etabs và SAP2000 để phân tích

Trong các đồ án hiện đại và công việc thực tế, việc sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu như phần mềm Etabs và phần mềm SAP2000 là công cụ không thể thiếu. Các phần mềm này giúp mô hình hóa kết cấu nhà cao tầng và các hệ kết cấu phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác. Chúng cho phép gán các đặc trưng vật liệu, tiết diện, các loại tải trọng và tác động đa dạng (gió động, động đất) và thực hiện tổ hợp nội lực tự động theo các tiêu chuẩn thiết kế. Tuy nhiên, phần mềm chỉ là công cụ. Người kỹ sư phải có kiến thức nền tảng vững chắc để xây dựng mô hình đúng, khai báo các thông số hợp lý và quan trọng nhất là phải biết cách kiểm tra, đánh giá và diễn giải kết quả mà phần mềm đưa ra. Việc hiểu sai bản chất làm việc của kết cấu có thể dẫn đến việc sử dụng phần mềm một cách máy móc và gây ra những sai lầm nghiêm trọng trong thiết kế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT) * ĐN: Bê tông cốt thép (BTCT) là một loại vật liệu xây dựng phức hợp (composite) do bê tông (BT) và cốt thép (CT) cùng cộng tác chịu lực với nhau. - BT: Là đá nhân tạo, chế tạo từ xi măng, cát , đá dăm (sỏi) và nước. BT là vật liệu giòn có khả năng chịu nén cao nhưng chịu kéo rất kém. - CT: Có khả năng chịu kéo và chịu nén rất cao.

Xét dầm BT chịu lực như hình 1.1: - Trường hợp a (không đặt cốt thép) khi tăng lực tác dụng ứng suất trong bê tông tăng lên, khi ứng suất kéo (σ t ) trong bê tông vùng kéo đạt giá trị ứng suất kéo cho phép ([σ t ]) thì dầm mất khả năng chịu tải, bắt đầu xuất hiện vết nứt. Trong khi đó bê tông vùng nén ta thấy σ b1 << [σ b ] , thông thường khả năng chịu nén của BT lớn hơn từ 10-20 lần khả năng chịu kéo của nó, như vậy khả năng chịu nén của bê tông đã bị lãng phí. - Trường hợp b, nếu đặt một lượng cốt thép thích hợp vào vùng bê tông chịu kéo thì ứng suất kéo sẽ được cốt thép tiếp nhận. Dầm bị mất khả năng chịu tải khi ứng suất kéo trong cốt thép đạt giá trị ứng suất kéo cho phép (σ s = [σ s ]) hoặc ứng suất nén trong bê tông đạt ứng suất nén cho phép σ b = [σ b ] do đó khả năng chịu lực của dầm tăng lên rất nhiều.

Nếu cùng kích thước tiết diện, dầm BTCT có khả năng chịu tải lớn hơn dầm BT (không có cốt thép) hàng chục lần. Mặt khác thép chịu kéo và nén đều tốt nên có thể đặt thép vào cả vùng chịu nén để tăng khả năng chịu lực của vùng nén, giảm kích thước tiết diện hoặc để chịu các lực kéo xuất hiện ngẫu nhiên. Vậy thực chất bê tông cốt thép là một vật liệu xây dựng hỗn hợp mà trong đó bê tông và cốt thép đã liên kết hợp lý với nhau để cùng làm việc trong một kết cấu. Sở dĩ bê tông và cốt thép có thể cùng làm việc được là do: - Lực dính bám giữa BT và cốt thép: Bê tông khi ninh kết thì dính chặt với cốt thép nên ứng lực có thể truyền từ BT sang cốt thép và ngược lại.

Lực dính có ý nghĩa hàng đầu, nhờ đó có thể khai thác hết khả năng chịu lực của cốt thép, hạn chế bề rộng khe nứt. - Phản ứng hóa học giữa bê tông và cốt thép: Nhìn chung giữa hai loại vật liệu này không xảy ra các phản ứng có hại, tuy nhiên cần phải cẩn thận khi sử dụng các loại phụ gia (hóa dẻo, đông cứng nhanh…) vì các phụ gia này có thể gây ra phản ứng hóa học bất lợi. - Bê tông và thép có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng nhau: Hệ số giãn nở nhiệt của CT α ct = 10 −5 , hệ số giãn nở nhiệt của BT là α b = (1 ÷ 1,5) *10 −5 , hai hệ số này gần bằng ngau nên khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường dưới 1000C thì nội ứng suất xảy ra trong vật liệu không đáng kể, không làm phá hoại lực dính giữa BT và CT. - Bê tông bảo vệ cho cốt thép: Bê tông có độ đặc chắc, bao bọc bảo vệ cốt thép không bị han rỉ và ngăn ngừa tác dụng có hại của môi trường đối với thép (ăn mòn).

Do vậy cần phải đầm chặt để đạt độ chặt sít và phải chọn bề dày lớp bảo vệ hợp lý tùy theo loại cấu kiện và điều kiện làm việc của nó.2 PHÂN LOẠI * Theo biện pháp thi công: 1.1 BTCT toàn khối: Khi thi công người ta tiến hành ghép ván khuôn, đặt cốt thép và đổ BT ngay tại vị trí thiết kế của kết cấu. * Ưu điểm: - Các cấu kiện liên kết toàn khối nên kết cấu có độ cứng lớn, khả năng chịu tải trọng động tốt. - Có thể chế tạo các cấu kiện theo hình dáng tùy ý. * Nhược điểm: - Tốn vật liệu làm ván khuôn, đà giáo.

- Thi công chịu ảnh hưởng thời tiết. Trong thực tế biện pháp thi công này là phổ biến, người ta đã có nhiều biện pháp hiệu quả để khắc phục các nhược điểm trên. Ví dụ như sử dụng ván khuôn vạn năng bằng kim loại, ván khuôn trượt, dùng phụ gia đông cứng nhanh, dùng BT thương phẩm .2 BTCT lắp ghép: Theo phương pháp này người ta phân kết cấu thành các cấu kiện riêng biệt để có thể chế tạo sẵn ở nhà máy hay sân bãi, rồi đem lắp ghép lại thành kết cấu tại vị trí thiết kế. Phương pháp này khắc phục được phần nào nhược điểm của BT toàn khối.

* Ưu điểm: - Có điều kiện Công nghiệp hóa trong thi công xây dựng. - Tiết kiệm vật liệu làm ván khuôn. - Rút ngắn thời gian thi công, đảm bảo chất lượng. * Nhược điểm: - Cần có các phương tiện vận chuyển, cẩu lắp.

- Xử lý các mối nối phức tạp. - Độ cứng của kết cấu không lớn. BTCT lắp ghép có hiệu quả về sử dụng nhân lực, phương tiện thi công và nguyên vật liệu khi làm tốt công tác tiêu chuẩn hóa và định hình hóa.3 BTCT nửa lắp ghép: Theo PP nửa lắp ghép, người ta tiến hành lắp ghép các cấu kiện được chế tạo sẵn chưa hoàn chỉnh, sau đó đặt thêm cốt thép, ghép ván khuôn và đổ BT tại chổ để hoàn chỉnh kết cấu. * Ưu điểm: - Độ cứng của kết cấu lớn.

- Giảm khối lượng ván khuôn, có thể loại bỏ cột chống. * Nhược điểm: - Cần giải quyết tốt liên kết gữa BT cũ và mới. - Tổ chức thi công phức tạp. * Theo trạng thái ứng suất: 1.4 BTCT thường: Khi chế tạo cấu kiện, cốt thép ở trạng thái không có ứng suất.

Ngoài các nội ứng suất do co ngót và nhiệt độ, trong BT và cốt thép chỉ xuất hiện ứng suất khi có tải trọng tác dụng (kể cả tải trọng bản thân).5 BTCT ứng lực trước: Khi chế tạo cấu kiện, cốt thép ban đầu được kéo căng, liên kết chặt với BT, khi buông ra cốt thép co lại gây nén trong BT. Nhờ có ứng suất nén trước trong BT, người ta có thể không cho xuất hiện vết nứt hoặc hạn chế bề rộng khe nứt (hình 1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA BTCT. * Ưu điểm: - Rẻ tiền hơn so với thép khi kết cấu có nhịp vừa và nhỏ, cùng chịu tải như nhau: Sử dụng vật liệu địa phương (cát, sỏi, đá.) tiết kiệm thép. - Chịu lực tốt hơn kết cấu gỗ và gạch đá: Kết cấu BTCT chịu được tất cả các loại tải trọng tĩnh, động và động đất.

- Chịu lửa tốt hơn gỗ và thép: Bê tông bảo vệ cho cốt thép không bị nung nóng sớm. Chỉ cần lớp bê tông dày 1,5÷2 cm đủ để tránh hậu quả tai hại do những đám cháy bình thường gây ra. - Tuổi thọ của công trình cao, chi phí bảo dưỡng ít:. BT có cường độ tăng theo thời gian, chống chịu tác động của môi trường tốt, cốt thép được BT bao bọc bảo vệ không bị gỉ.

- Việc tạo dáng cho kết cấu thực hiện dễ dàng: Vữa BT khi thi công ở dạng nhão có thể đổ vào các khuôn có hình dáng bất kỳ, cốt thép đủ dẻo để uốn theo hình dạng của kết cấu. * Nhược điểm : - Trọng lượng bản thân lớn: gây khó khăn cho việc xây dựng kết cấu có nhịp lớn bằng BTCT thường. ⇒ Khắc phục: Dùng BT nhẹ, BTCT ứng lực trước, kết cấu vỏ mỏng,. - Bê tông cốt thép dễ có khe nứt ở vùng kéo khi chịu lực: Với kết cấu BTCT có khe nứt trong vùng chịu kéo là khó tránh khỏi, thông thường thì bề rộng khe nứt không lớn lắm và ít ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng của kết cấu.

Tuy nhiên trong thực tế có một số kết cấu yêu cầu phải ngăn ngừa hoặc hạn chế khe nứt (kết cấu trong môi trường xâm thực, các đường ống hay bể chứa chất lỏng). ⇒ Khắc phục: Tính toán hạn chế khe nứt, sử dụng BTCT ứng lực trước. - Cách âm và cách nhiệt kém hơn gỗ và gạch đá: ⇒ Khắc phục: Sử dụng kết cấu có lỗ rỗng, kết cấu nhiều lớp, BT xốp. - Thi công phức tạp, khó kiểm tra chất lượng, chịu ảnh hưởng của thời tiết: ⇒ Khắc phục: Bê tông cốt thép lắp ghép.

- Khó gia cố và sửa chữa: (Đóng đinh, đục,. ⇒ Khắc phục: Thiết kế cần phải phù hợp yêu cầu sử dụng hiện tại và dự kiến phát triển mở rộng.4 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1850: Lambot (Pháp) chế tạo chiếc tàu bằng lưới sắt ngoài trát vôi thủy,. Quá trình phát triển chia thành 3 giai đoạn: - Giai đoạn phát minh và mò mẫm trong thực tiễn, bố trí cốt thép theo cảm tính. - Giai đoạn nghiên cứu lí luận và sử dụng rộng rãi (sau 1880), nghiên cứu về cường độ của BT và cốt thép, lực dính giữa BT và cốt thép, giải thích sự làm việc chung giữa chúng.

- Giai đoạn phát triển hiện tại: XD các phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép dựa trên cơ sở của môn SBVL, tính theo giai đoạn phá hoại có xét đến tính biến dạng dẽo của vật liệu, tính theo trạng thái giới hạn. Nghiên cứu và chế tạo thành công BTCT ứng lực trước Hội nghị lần thứ 7 BTCT ƯLT toàn thế giới (26 nước) Tại New York có 102 đại biểu Xã Hội Chủ Nghĩa, họp hơn 1 tuần. Đã thưởng 3 huân chương Freisine: Mikhilop (Liên Xô), Link (Mĩ), Leônad (Đức),. Bê tông cường độ cao: 1000,1500,2000,2500#.

Tháp vô tuyến Canada bằng BTCT ƯLT cao 545m; Cầu bản dầm Nhật vượt nhịp l=230m; Tấm đáy của nhà máy điện nguyên tử (Đức) 90*60*3m không cần khe lún; Khoa Vật liệu xây dựng trường giao thông Mascova: bê tông 3000#. CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 2.1 Thành phần, cấu trúc và các loại BT 2.1 Vật liệu, thành phần của BT Bê tông là vật liệu đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời và chất kết dính. Vật liệu rời được gọi là cốt liệu có nhiều cỡ hạt khác nhau. Loại có kích thước lớn thường dùng là sỏi, đá dăm có kích thước 5÷40 mm, thậm chí có thể lớn hơn.

Loại có kích thước bé là cát có kích thước 1÷5 mm. Chất kết dính thông thường là xi măng trộn với nước. Khi trộn các vật liệu trên ta được hỗn hợp vữa bê tông, hỗn hợp này không có khả năng chịu tải. Sau đó hỗn hợp này đông kết lại trở thành một thể đặc chắc, khả năng chịu tải của bê tông tăng dần lên.