Môn học Kết cấu công trình

Kết cấu Bê tông cốt thép
Tài liệu học tâp:
Giáo trình chính:
1. Giáo trình kết cấu BTCT – phần 1: “Cấu kiện cơ bản”
2. Giáo trình kết cấu BTCT – phần 2: “Cấu kiện nhà cửa”
Tài liệu tham khảo:
1. TCVN 5574-1991 – Kết cấu BTCT – tiêu chuẩn thiết kế
2. TCVN 356-2005 – Kết cấu BT và BTCT – tiêu chuẩn thiết kế



Đ1.1. Kt cu Bờ tụng ct thộp
Thực chất của bê tông cốt thép
1. Khái niệm chung
Bê tông cốt thép (BTCT) là một loại vật liệu xây dựng phức hợp do bê tông và cốt
thép cùng kết hợp chịu lực với nhau.
Bê tông:
Xi mng

+

ỏ dm (si)

+

Cỏt vng

+

Bờ tụng
Cốt thép: Là một lượng thép được đặt hợp lý trong BT

Đặc điểm:
Bê tông: Chịu nén tốt, chịu kéo kém
Cốt thép: Chịu nén và kéo tốt

Nc

+

Ph gia


Thí nghiệm: Trên hai dầm cùng kích thước, cùng chế tạo từ một loại BT
+ Không đặt cốt thép:
+ Có đặt cốt thép:

a)

1

1

1

2

b)

b1
t

2

2

b
3

s

bt > Rbt Dầm nứt

bt > Rbt Dầm nứt

P=> Vết nứt lan dần lên phía trên

P=> lực kéo do CT chịu, CT cản trở sự
phát triển của khe nứt

P = P1 dầm gẫy đột ngột <=> b<<
P = P2

=> Lãng phí khả năng chịu lực của BT

Nếu P => dầm bị phá hoại

b = Rb ; s = Rs

P2 20P1
Nhận xét: Nhờ có cốt thép mà khả năng làm việc của vật liệu được khai thác hết

(b = Rb s = Rs). Từ đó khả năng chịu lực của dầm được tăng lên (P2 20P1)


2. Nguyên nhân để BT và CT kết hợp làm việc được với nhau:
- Giữa BT và CT có lực dính: nhờ nó mà ứng lực có thể truyền từ BT sang CT và ngược lại.
+ Cường độ của BT và CT được khai thác hết;
+ Bề rộng khe nứt trong vùng kéo được hạn chế.
- Giữa BT và CT không xảy ra phản ứng hoá học. BT còn bao bọc bảo vệ CT.
- BT và cốt thép có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng nhau => ứng suất rất nhỏ, không phá
hoại lực dính.


Phân loại
1. Theo phương pháp thi công (3 loại)
a. BTCT toàn khối (BTCT đổ tại chỗ): Lắp đặt cốt thép; cốp pha và đổ BT tại vị trí thiết kế
của kết cấu.


b. BTCT lắp ghép: Phân kết cấu thành các cấu kiện để sản xuất tại nhà máy hoặc sân bãi. vận
chuyển đến công trường, dùng cần trục lắp ghép và nối các cấu kiện tại vị trí thiết kế.

c. BTCT bán lắp ghép: Lắp ghép các cấu kiện
được chế tạo chưa hoàn chỉnh. đặt thêm cốt
thép, ghép cốp pha, đổ BT phần còn lại vào
mối nối.


2. Theo trạng thái ứng suất khi chế tạo và sử dụng (2loại):
a. BTCT thường:
Khi chế tạo cấu kiện, ngoài nội ứng suất do co ngót và giãn nở nhiệt trong cốt thép

không có ứng suất.
b. Bê tông cốt thép ứng lực trước(BTCT ƯLT):
Khi chế tạo, người ta căng cốt thép để nén vùng kéo của cấu kiện(BT được ƯLT)
nhằm khống chế sự xuất hiện và hạn chế bề rộng khe nứt.


Ưu nhược điểm, phạm vi sử dụng của BTCT:
1. Ưu điểm:
- Có khả năng sử dụng vật liệu địa phương (Xi măng,Cát,Đá hoặc Sỏi),tiết kiệm thép
- Khả năng chịu lực lớn hơn so với kết cấu gạch đá và gỗ; Chịu được động đất;
- Bền, tốn ít tiền bảo dưỡng;
- Khả năng tạo hình phong phú;
- Chịu lửa tốt. BTông bảo vệ thép không bị nung nóng nhanh đến nhiệt độ nguy hiểm.

2. Nhược và biện pháp khắc phục:
- Trọng lượng bản thân lớn, nên với BTCT thường khó vượt được nhịp lớn.
Lúc này phải dùng BTCT ƯLT hoặc kết cấu vỏ mỏng v.v..
- Cách âm ,cách nhiệt kém. Khi có yêu cầu cách âm; cách nhiệt dùng kết cấu có lỗ rỗng;
- Thi công BTCT toàn khối chịu ảnh hưởng nhiều vào thời tiết
+ Dùng BTCT lắp ghép, nửa lắp ghép;
+ Công xưởng hoá công tác trộn BT; ván khuôn và cốt thép;
+ Cơ giới hoá công tác đổ BT (Cần trục, máy bơm BTv.v..)
- BTCT dễ có khe nứt.
+ Dùng BTCT ƯLT;


Lịch sử phát triển của BTCT:
1. Giai đoạn phát minh và mò mẫm trong thực tiễn
- Cuối năm 1849, Lamcbot (Người Pháp) chế tạo một chiếc thuyền bằng lưới sắt được
trát từ hai phía bằng vữa xi măng

- Đặc điểm: đặt cốt sắt theo cảm tính vào giữa chiều cao tiết diện

2. Giai đoạn nghiên cứu lý luận:
- Năm 1880 ở Pháp, Đức bắt đầu nghiên cứu về cường độ BT, CT và lực dính giữa BT
và CT
- Năm 1886, kỹ sư Koenen đã kiến nghị phương pháp tính toán cấu kiện BTCT
- Đầu thế kỷ 20, xây dựng được lý thuyết tính toán kết cấu BTCT theo ứng suất cho
phép:
b b và s s

[ ]

[ ]

- Năm 1939, giáo sư Loleit (Người Nga) với nhiều người khác đã nghiên cứu tính
không đồng nhất, không đẳng hướng, tính biến dạng đàn hồi dẻo của BT và đưa ra phư
ơng pháp tính toán theo giai đoạn phá hoại:

kT ser T p
3. Giai đoạn phát triển hiện tại:



Đ 1.2. Bê tông:
1. Thành phần, cấu trúc và các loại Bê tông
2. Khái niệm về cường độ của bê tông
Cường độ là khả năng chịu lực trên một đơn vị diện tích.
+ Cường độ chịu nén (Rb)
+ Cường độ chịu kéo (Rbt) v.v
Các phương pháp xác định cường độ:

+ Phương pháp phá hoại mẫu thử ( độ chính xác cao).
A

+ Phương pháp không phá hoại: Sóng Siêu âm;
súng bắn BT( ép lõm viên bi lên bề mặt BT).

* Mẫu đúc:
a= 10, 15, 20cm;
D = 16cm; h = 2D

a

a

4a

A

h

TN xác định cường độ chịu nén:

A

a
a
a

D

* Mẫu lấy từ kết cấu đã được đổ BT
Mẫu trụ: h = 1 - 1,5D
D =5cm; 7,5cm; 10cm; 15cm.
* Thí nghiệm: Nén (2 kG/cm2.s) đến khi mẫu bị phá hoại.
P - Lực tương ứng lúc mẫu bị phá
Bàn nén

2
3
1
3
2

Rbm =

P
( MPa )
A

+ BT thông thường có: R = 5 ữ 30 MPa
+ BT cường độ cao:
R > 40 MPa
+ BT đặc biệt:

R 80 MPa

Thí nghiệm Cường độ chịu nén(Rb)

Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của mẫu


ảnh hưởng của mặt tiếp xúc:
Không bôi trơn

Bôi trơn

6

5
4

4

6

5

+ Kích thước mẫu nhỏ thì R

R không phụ kích thước mẫu

Rkhông bôi trơn > Rcó bôi trơn.
Khi nén BT nở hông, lực ma sát tác dụng như một cái đai ngăn cản sự nở hông
(Rkhông bôi trơn > Rcó bôi trơn) Tác dụng của cốt đai trong cột;
Càng xa mặt tiếp xúc ảnh hưởng của lực ma sát càng giảm
Quy định bước đai trong cột;

ảnh hưởng của tốc độ gia tải:
Gia tải rất nhanh: R = (1,15 ữ 1,2)R
Gia tải rất chậm : R = (0,85 ữ 0,9)R

Điều kiện tiêu chuẩn của thí nghiệm:
+ Không bôi trơn mặt tiếp xúc;
+ Tốc độ gia tải: 2kG/cm2.s
TN xác định cường độ chịu kéo:
a)

Thi nghiệm Cường độ chịu kéo( Rbt)
P

P

P

N

N

M

M

a

P

M

A a

Rbt =

N
[ MPa]
A

Rbt =

M kg
bh 2 cm 2

Rbt =

2P
[ MPa]
Dl


Những nhân tố ảnh hưởng đến cường độ của BT:
+ Lượng XM nhiều R cao (Hiệu quả không lớn, làm tăng biến dạng);
+ XM mác cao R cao;
+ Cấp phối hợp lý; độ cứng và độ sạch của cốt liệu cao R cao;
+ N/X gim R
+ Chất lượng thi công tốt ( Trộn, đổ, đầm, bảo dưỡng tốt) R cao.
+ Sự tăng cường độ theo thời gian:

Dùng XM Pooclăng, chế tạo và bảo dưỡng bình thường: R tăng trong 28 ngày đầu;
Dùng XM Puzolan: Thời gian tăng cường độ ban đầu là 90 ngày.


+ ảnh hưởng của môi trường:
t0 < 0; Khô hanh: Cường độ tăng theo thời gian không đáng kể b = 0,9
t0 > 0; W lớn: Cường độ tiếp tục tăng trong nhiều năm.
Dùng hơi nước nóng để bảo dưỡng BT cũng như dùng phụ gia tăng cường độ:
R rất nhanh trong vài ngày đầu, BT giòn và R cuối cùng thấp hơn b < 1


3. Cường độ trung bình và cường độ tiêu chuẩn
Cường độ trung bình (Giá trị trung bình của cường độ) Rm
Từ một loại BT đúc n mẫu thử và thí nghiệm, được: R 1, R2,..., Rn
Rm =

R

i

n
Cường độ tiêu chuẩn (Giá trị tiêu chuẩn của cường độ):

- Cường độ đặc trưng: (còn gọi là giá trị đặc trưng của cường độ) là cường độ lấy theo
một xác suất đảm bảo quy định nào đó.
Với BT: Cường độ đặc trưng được xác định theo xác suất đảm bảo quy định 95%,
Rch = 0,78Rm
- Cường độ tiêu chuẩn của BT (về nén: Rbn ; về kéo: Rbtn)

Rbn = kc Rch

- kc : hệ số kết cấu: = 0,7~0,8 tuỳ thuộc Rch , nó kể đến sự làm việc của BT (mẫu
thử khối vuông). với mẫu lăng trụ kc = 1


4. Cường độ tính toán ( về nén: Rb ; về kéo: Rbt)
- Cường độ tính toán gốc:

Rb =

Rbn
bc

Rbt =

Rbtn
bt

- Cường độ tính toán:
Rb = bi

Rbn
bc

Rbt = bi

Rbtn
bt

bc , bt - Hệ số độ tin cậy của BT tương ứng khi nén và khi kéo. Khi tính theo TTGH thứ nhất
bc= 1,3 1,5 và bt= 1,3 2,3 tuỳ loại BT

i - Hệ số điều kiện làm việc của BT ( i = 1,2, 10), kể đến kích thước tiết diện, tính chất
của tải trọng, giai đoạn làm việc của kết cấu, .
- Khi tính toán theo TTGH thứ hai , cường độ tính toán của BT ký hiệu là R bser và được xác
định với các hệ số =1 (trừ trường hợp đặc biệt khi tính kết cấu chịu tải trọng trùng lặp).


5. Cấp độ bền và mác của BT:
Để biểu thị chất lượng của BT về một tính chất nào đó người ta dùng khái niệm mác
hoặc cấp độ bền.
a. Mác theo cường độ chịu nén:
Mác theo cường độ chịu nén (M) là trị số lấy bằng cường độ chịu nén trung bình tính
theo đơn vị KG/cm2 của các mẫu thử khối vuông cạnh 15cm , có tuổi 28 ngày được dư
ỡng hộ và tiến hành thí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn.
Với BT nặng: M100; M150; M200; M250; M300; M350; M400; M500; M600;
Với BT nhẹ: M50; M75; M100; M150; M200; M250; M300.
Chú ý: Trong kết cấu BTCT phải dùng mác từ 150 trở lên.
b. Cấp độ bền chịu nén:
Cấp độ bền chịu nén (B) là trị số lấy bằng cường độ đặc trưng tính theo đơn vị
MPa của các mẫu thử khối vuông cạnh 15cm, có tuổi 28 ngày, được dưỡng hộ và
tiến hành thí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn.
B3,5; B5; B7,5; B10; B12,5; B15; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50;
B55; B60.
B = 0,1.0,78.M
c. Cấp độ bền chịu kéo:
Bt0,5; Bt0,8; Bt1,2; Bt1,6; Bt2,0; Bt2,4; Bt2,8; Bt3,2; Bt3,6 ; Bt4,0.

6. Biến dạng của BT:
a. Biến dạng do co ngót:
Co ngót là hiện tượng BT giảm thể tích khi khô cứng trong không khí do:
- Nước thừa bay hơi;
- Sau quá trình thuỷ hoá đá xi măng giảm thể tích
Đặc điểm của biến dạng co ngót:
- Co ngót xảy ra chủ yếu ở giai đoạn đông cứng đầu tiên và trong năm đầu. Rồi giảm dần
và dừng hẳn sau vài năm;
- Từ bề mặt vào sâu khối BT, sự co ngót xảy ra không đều,ở ngoài co ngót nhiều hơn;
- Cấu kiện có bề mặt lớn so với thể tích (sàn, tường,) có độ co ngót lớn.
Những nhân tố chính ảnh hưởng đến co ngót:
- Số lượng và loại xi măng:
+ BT dùng XM mác cao => co ngót lớn;
+ BT nhiều XM => co ngót lớn;
+ BT dùng XM Alumilat => co ngót lớn.
+ N lớn => Co ngót lớn.
X


- Cát hạt nhỏ, sỏi xốp => co ngót lớn.
- BT dùng chất phụ gia đông kết nhanh => co ngót lớn.
- BT được chưng hấp ở áp lực cao => co ngót ít.
- Trong môi trường khô co ngót nhiều hơn trong môi trường ẩm.
Hậu quả của co ngót:
- Làm thay đổi kích thước và hình dạng cấu kiện;
- Do co ngót không đều hoặc khi co ngót bị cản trở BT sẽ bị nứt làm giảm cường độ
Biện pháp hạn chế và khắc phục hậu quả của co ngót:
- Chọn cấp phối, thành phần cỡ hạt và tính năng cơ học của vật liệu thích hợp;
N
thích hợp;

X

- Sử dụng loại XM co ngót ít,

- Bảo dưỡng đúng yêu cầu kỹ thuật đảm bảo cho BT thường xuyên ẩm ở giai đoạn đông
cứng ban đầu;
- Đầm đúng kỹ thuật đảm bảo cho BTđặc chắc và đồng đều;
- Đặt thép cấu tạo ở những vị trí cần thiết;
- Tạo mạch ngừng thi công, tổ chức khe co giãn trong kết cấu (Khe nhiệt độ khi kích thư
ớc mặt bằng công trình lớn; khe phân cách trên mặt đường bộ, sân bay).


b. Biến dạng do tải trọng tác dụng ngắn hạn
a)

b)

D

R lt

P
2

.
1



B

l

.

.





0

C

pl. .el
. b

b

*b

Một phần biến dạng phục hồi được (1) - Biến dạng đàn hồi
Một phần biến dạng không phục hồi được (2) - Biến dạng dẻo



BT là vật liệu
đàn hồi - dẻo

1
l
Tương ứng: b = el + pl

pl = 2
Biến dạng dẻo tỷ đối:
l

= el - Hệ số đàn hồi (Đặc trưng cho biến dạng đàn hồi của BT vùng nén)
b
Biến dạng đàn hồi tỷ đối: el =


c. Biến dạng do tải trọng tác dụng dài hạn Tính từ biến của BT:
Từ biến là tính biến dạng tăng theo thời gian trong khi ƯS không thay đổi.
a)


b

b)
B


C

C

b B
0

b

c



0

t

Đặc điểm của từ biến
- Trong vài ba tháng đầu biến dạng từ biến tăng nhanh sau chậm dần và có thể kéo dài
vài chục năm (thường 3-4 năm)
- Khi b 70%Rb biến dạng từ biến có giới hạn (Đồ thị Hình b có tiệm cận ngang).
- Khi b >85%R biến dạng từ biến tăng không ngừng và dẫn đến phá hoại mẫu thử. Đó
là sự giảm cường độ của BT khi tải trọng tác dụng lâu dài.
Giải thích: Trong quá trình sử dụng kết cấub << Rb; b = Rb khi bất lợi nhất do cả tải
trọng dài hạn và ngắn hạn gây ra. Trong đó phần tải trọng ngắn hạn không gây ra biến
dạng từ biến.


d. BiÕn d¹ng nhiÖt:
BiÕn d¹ng nhiÖt lµ sù thay ®æi thÓ tÝch cña BT khi nhiÖt ®é thay ®æi. Nã phô thuéc vµo hÖ
sè gi·n në v× nhiÖt cña BT (Lo¹i XM ; cèt liÖu ; ®é Èm cña BT) 
e. M« ®un ®µn håi cña BT
Khi nÐn:

a)

σb
ε el
M« dun ®µn håi dÎo (m« ®un biÕn 1d¹ng)

b)

.

.

.

2

σb

B

l

σb
εb

D

R lt

M« ®un ®µn håi Eb(MPa): EbP = tgα 0 =

Eb/ = tgα =

σ

Eb/ =

ε
ε
ν = el => ε b = el
εb
ν
Khi kÐo:

M« ®un ®µn håi:

νσ b
= νE b
ε el

α

0

C

α0

εpl. ε .el
ε. b

εb

ε*b

ε

Ebt = Eb

/
M« ®un biÕn d¹ng: Ebt = ν t Eb

(νt - HÖ sè ®µn håi khi kÐo)

f. M« ®un chèng c¾t Gb(MPa): LÊy hÖ sè në h«ng (HÖ sè Po¸t x«ng) cña BT µ b = 0,2
Gb =

Eb
= 0,4 Eb
2(1 + µ b )