Bài giảng bê tông cốt thép Chương 3 nguyen ly tinh toan va cau tao

Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

Chương 3: Nguyên lý tính toán và cấu tạo.
3.1.

Giới thiệu chung.

a. Qui trình thiết kế.
Thiết kế kết cấu bêtông (BTCT) gồm hai công việc tính toán và cấu tạo.
 Phần tính toán bao hàm xác định các loại tải trọng tác dụng, nội lực nguy hiểm,
khả năng chịu lực của kết cấu hoặc tính toán tiết diện và cốt thép.
 Phần cấu tạo có nội dung chọn vật liệu, chọn kích thước tiết diện, chọn và bố trí
cốt thép, quyết định liên kết giữa các bộ phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu, chống
xâm thực.
Cả hai phần việc đều rất quan trọng yêu cầu cân đối giữa đảm bảo sự an toàn của
kết cấu và chi phí thực hiện, thỏa mãn những điều kiện và công nghệ thi công nhất
định.
b. Tải trọng và tác dụng.
Các loại tải trọng và trị số của nó trong thiết kế kết cấu BTCT được qui định bởi các
tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 2737-1995 Tải trọng và tác động.
Tùy theo thời gian tác dụng, tải trọng được chia thành tải trọng thường xuyên và tải
trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn và đặc biết).
 Tải trọng thường xuyên (hay tĩnh tải) là tải trọng mà vị trí, điểm đặt, phương
chiều, và trị số của nó không đổi trong suốt quá trình xây dựng và sử dụng công trình,
thí dụ như trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực và bao che, áp lực đất…
 Tải trọng tạm thời (hoạt tải) là tải trọng mà vị trí tác dụng, phương chiều, và trị số
có thể thay đổi, thí dụ như vách ngăn tạm thời, áp lực hơi, thiết bị, tải người sử dụng,
xe cộ lưu thông, tải trọng gió…
 Tải trọng đặc biệt là tải trọng hiếm khi xảy ra như động đất, nổ bom khủng bố…
 Trị số của tải trọng được xác định theo những số liệu thực tế và kết quả thống kê
qui định như một loại tải trọng tiêu chuẩn. Trị số tính toán của tải trọng (hay tải trọng

tính toán) thì lấy bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số tin cậy về tải trọng  kể đến

Nguyễn Tấn

Page 16


Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

khả năng sai lệch bất lợi so với tải tiêu chuẩn. Đối với tải trọng do khối lượng kết cấu
thép =1.05. Hệ số tin cậy đối với các tải trọng khác được qui định trong TCXD 27371995.
 Khi có tác dụng đồng thời của hai hay nhiều tải trọng tạm thời, việc tính toán phải
thực hiện theo các tổ hợp bất lợi nhất của tải trọng hay nội lực tương ứng.
3.2.

Tổng quan về các phương pháp thiết kế

Để xác định nội lực của kết cấu, các phương pháp của cơ học kết cấu thường được áp
dụng. Các phương pháp này, mặc dù dựa trên những cơ sở toán học rất chặt chẻ và
thuyết phục, đều phải sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa bài toán mà cơ bản nhất là
giả thiết tính chất đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng của vật liệu. Việc sử dụng các kết
quả của cơ học kết cấu cho vật liệu đàn hồi-dẻo và không đồng nhất như bêtông vì
vậy là không chính xác và thường dẫn đến không tận dụng hết khả năng của vật liệu.
 Lý thuyết tính toán BTCT đã trải qua nhiều giai đoạn.
 Khoảng đầu thế kỷ XX, phương pháp tính theo ứng suất cho phép đã được áp
dụng, với điều kiện kiểm tra cường độ.    cp
Trong đó  là ứng suất do nội lực gây ra tại một tiết diện, và cp là ứng suất cho phép
lấy bằng một phần nào đó của cường độ bêtông và cốt thép, và quá thiên về an toàn.
 Sau đó, nhược điểm này được đã được khắc phục bởi phương pháp tính theo nội
lực phá hoại. T 

Ttd
trong đó:
k

T là nội lực, và Ttd là nội lực mà tiết diện có thể chịu được tính theo cường độ của vật
liệu, và k (>1) là hệ số an toàn. Tuy nhiên dùng một hệ số an toàn chung cho cả kết
cấu có thể không hợp lý trong điều kiện tải trọng, vật liệu và yêu cầu sử dụng khác
nhau của kết cấu, và phương pháp cũng không xét đến các việc tính toán theo biến
dạng cũng như hình thành và mở rộng vết nứt.
 Khoảng từ những năm 1955, phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn đã
được ứng dụng, có kể đến các điều kiện bất lợi của tải trọng thông qua hệ số vượt tải,
cường độ tính toán và các hệ số khác cho điều kiện thi công và làm việc của kết cấu.
3.3.

Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn.

Nguyễn Tấn

Page 17


Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

a. Định nghĩa các trạng thái giới hạn.
Trạng thái giới hạn (TTGH) là trạng thái mà từ đó trở đi nếu tiếp tục tăng tải thì kết
cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu đề ra cho nó. Theo TCVN 356:2005:
 Trạng thái giới hạn thứ nhất nhằm đảm bảo độ bền của kết cấu: Không bị phá hoại
giòn, dẻo hoặc các dạng phá hoại khác, không bị mất ổn định về hình dạng hoặc vị trí,
không bị phá hoại vì mỏi, và không bị phá hoại do tác dụng đồng thời của các yếu tố

về lực và những ảnh hưởng bất lợi khác của môi trường. TTGH này được tính toán và
kiểm tra với tải trọng tính toán và cường độ tính toán của vật liệu.
 Trạng thái giới hạn thứ hai nhằm đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường của kết
cấu: Không cho hình thành và mở rộng vết nứt quá mức, không có những biến dạng
vượt quá giới hạn cho phép (độ võng, độ xoay, góc trượt, và dao động).
b. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán.
Phương pháp tính toán theo TTGH yêu cầu phân biệt cường dộ tiêu chuẩn và cường
độ tính toán của vật liệu.
 Bêtông: Cường độ tiêu chuẩn của bêtông khi nén dọc trục Rbn và khi kéo dọc trục
Rbtn phụ thuộc vào cấp độ bền của bêtông, có kể đến tính không đồng nhất của bêtông
qua hệ số biến động, và cho trong bảng: ( đối với bê tông nặng).
Bảng 3.1. cường độ tiêu chuẩn của bêtông Rbn và Rbtn, MPa (bảng 12 TCVN trang 7)
Trạng thái / Cấp

B15

B20

B25

B30

B35

B40

B45

Nén dọc trục Rbn

11.0

15.0

18.5

22.0

25.5

29.0

32.0

Nén dọc trục Rbtn

1.15

1.40

1.60

1.80

1.95

2.10

2.20

độ bền chịu nén

Cường độ tính toán của bêtông về nén Rb và kéo Rbt được xác định bởi
Rb 

  bi

 bc

Rbn

và

Rbt 

  bi

 bt

Rbtn

Trong đó bc, bt là hệ số độ tin cậy của bêtông tương ứng khi nén và khi kéo; bi là hệ
số điều kiện làm việc kể đến tính chất đặc thù của bêtông, tính dài hạn hay tính lặp

Nguyễn Tấn

Page 18


Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

của tải trọng, điều kiện và giai đoạn làm việc của kết cấu, phương pháp thi công, kích
thước tiết diện, .v.v…
Cường độ tính toán của bêtông được sử dụng khi tính theo TTGH thứ nhất về độ bền.
Đối với bêtông thông thường hệ số độ tin cậy của bêtông khi nén bc=1.3, khi kéo
bt=1.5 ứng với cấp độ bền chịu nén và 1.3 ứng với cấp độ bền chịu kéo. Với hệ số
điều kiện làm việc, ngoại trừ hệ số b1 được qui định riêng cho tải trọng lặp (Bảng 15
TCXD 356), bi (i=2-4) là dành cho các trường hợp thông dụng.
Cường độ tính toán khi chưa kể b gọi là cường độ tính toán gốc:
Bảng 3.2. cường độ tính toán gốc của bêtông Rb và Rbt, MPa (bảng 13 TCVN trang
38)
Trạng thái / Cấp độ

B15

B20

B25

B30

B35

B40

B45

Nén dọc trục Rb

8.5

11.5

14.5

17.0

19.5

22.0

25.0

Nén dọc trục Rbt

0.75

0.90

1.05

1.20

1.30

1.40

1.45

bền chịu nén

Khi tính theo TTGH thứ hai (điều kiện sử dụng bình thường của kết cấu), cường độ
tiêu chuẩn của bêtông (hệ số độ tinh cậy bc và các hệ số điều kiện làm việc bi=1)
được sử dụng, ngoại trừ những trường hợp tải trọng lặp.
 Cốt thép:
Cường độ tiêu chuẩn của cốt thép Rsn được xác định từ thí nghiệm hoặc theo TCVN
1651-85 cho trong bảng đối với cốt thép thanh. Khi tính theo TTGH thứ nhất về độ
bền kết cấu, cường độ tính toán chịu kéo của cốt thép Rs được định nghĩa như sau:
Rs 

Rsn

s

trong đó:

s là hệ số độ tinh cậy của cốt thép. Giá trị của s và Rs tương ứng (làm tròn) được cho
trong Bảng. Trong bảng cũng liệt kê cường độ chịu nén tính toán của cốt thép, lấy
bằng cường độ chịu kéo Rs nếu Rs  365MPa

Nguyễn Tấn

Page 19


Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

Bảng 3.3. cường độ của cốt thép thông dụng ( Bảng 18,20 và 21, TCVN trang 47)
Cường độ
Nhóm cốt thép

tiêu chuẩn độ tin
Rsn, Mpa

Cường độ tính toán

Hệ số
cậy s

Về kéo Rs,

Về nén

Cốt ngang

Mpa

Rs, Mpa

Rsw, Mpa

CI, AI

235

1.05

225

225

175

CII, AII

295

1.05

280

280

225

CIII, AIII

390

1.07

365

365

290

CIV, AIV

590

1.15

510

450

405

Trong các trường hợp có kể đến sự phân bố ứng suất không đều trong cốt thép hay
điều kiện neo không đảm bảo như khi tính toán cốt thép ngang (cốt đai và cốt xiên) thì
cường độ tính toán của cốt thép còn phải nhân với các hệ số điều kiện làm việc tương
ứng va cũng cho trong cột cuối cùng của Bảng.
Giá trị tiêu chuẩn của cốt thép (hệ số độ tin cậy s =1) được sử dụng khi tính toán theo
TTGH thứ hai.
3.4.

Nguyên tắc chung về cấu tạo.

Khi thiết kế kết cấu bêtông cốt thép cần tuân theo những qui định về cấu tạo để tạo
điều kiện dễ dàng thi công và đảm bảo sự làm việc chung giữa bêtông và cốt thép
a. Cốt chịu lực và cốt cấu tạo.
Cốt thép chịu lực là cốt thép chịu ứng lực từ tải trọng thiết kế, được xác định hoặc
kiểm tra bằng tính toán.
Cốt thép cấu tạo cũng góp phần chịu lực nhưng thường không do tính toán mà chỉ đặt
theo kinh nghiệm hoặc theo qui định của tiêu chuẩn cho các trường hợp: liên kết cốt
chịu lực thành khung hoặc lưới, giảm sự co ngót không đồng đều của bêtông, chịu

Nguyễn Tấn

Page 20


Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

ứng suất phát sinh do thay đổi nhiệt độ, ngăn cản sự hình thành và mở rộng vết nứt,
phân bố tác dụng của tải tập trung, v.v…
b. Liên kết cốt thép
Cốt thép được liên kết thành khung hoặc lưới khi đặt vào trong bêtông, dùng cách
buộc hay hàn. Khung lưới buộc thường được gia công một cách linh hoạt ngay tại
công trường bằng dây kẽm hay dây thép mềm, trong khi các khung lưới hàn được chế
tạo sẵn trong các phân xưởng chuyên dụng.
Để tận dụng khả năng chịu lực, cốt thép phải được neo chắc vào bêtông. Trong khung
và lưới buộc, các thanh chịu kéo bằng thép tròn trơn cần được uốn móc ở đầu( chỉ áp
dụng cho các thanh có đường kính <28mm). Các thanh thép có gân hoặc thép trơn
trong khung lưới hàn thì có thể để thẳng.

lneo

d

2.5d

3d

lneo

Việc neo chắc cốt thép được đảm bảo bằng cách kéo qua tiết diện mà tại đó cốt thép
được tính với toàn bộ cường độ tính toán một đoạn tối thiểu bằng:



R
lan   an s  an  d
Rb



Trong đó d là đường kính cốt thép, an và an là các hệ số cho trong Bảng.
Nguyễn Tấn

Page 21


Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

Chú ý lan đồng thời cũng phải lớn hơn trị số tối thiểu qui định trong bảng.
Bảng các hệ số để tính đoạn neo cốt thép (bảng 36 TCVN trang 129)
Cốt thép có gân
l



Cốt thép trơn
l



Neo cốt chịu kéo trong bêtông chịu kéo

0.7

11

20d và 250

1.2

11

20d và 250

Neo cốt chịu nén hoặc kéo trong bêtông chịu nén
Nối chồng cốt chịu kéo trong bêtông chịu kéo
Nối chồng cốt chịu kéo trong bêtông chịu nén

0.5
0.9
0.65

8
11
8

12d và 200
20d và 250
15d và 200

0.8
1.55
1

8
11
8

12d và 200
20d và 250
15d và 200

Điều kiện làm việc của cốt thép

Khi chiều dài không đủ, cốt thép cần được nối buộc (nối chồng) hoặc phương pháp
nối hàn. Cần tránh nối cốt thép ở những vùng cốt thép được dùng hết khả năng chịu
lực như cấu kiện chịu kéo hay vùng kéo của cấu kiện chịu uốn và kéo lệch tâm. Khi
nối buộc, đoạn cốt thép chồng lên nhau cần đảm bảo chiều dài tối thiểu là lan và không
nối buộc khi đường kính cốt thép lớn hơn 36mm. Ngoài ra cần bố trí các mối nối
chồng so le nhau. Khi nối hàn, nên dùng cách hàn tiếp xúc (hàn điểm hay hàn đối đầu
đối với thanh có đường kính 10mm trở lên) và hàn hồ quang.
c. Khoảng cách giữa các thanh cốt thép.
Cốt thép cần được bố trí với khoảng cách đủ rộng để vữa bêtông có thể dễ dàng lọt
qua và xung quanh có một lớp bêtông đủ đảm bảo điều kiện về lực dính. Khoảng cách
giữa các thanh cốt dọc chịu lực (t0) trong mọi trường hợp phải lớn hơn đường kính
của thanh và không nhỏ hơn các trị số qui định:
t0 

t0

25
d

c2
c1

t0

30
d

c2
c1
t0d

d. Lớp bêtông bảo vệ cốt thép

Nguyễn Tấn

Page 22

30
d


Bài giảng môn học: Kết cấu bêtông cơ bản

Lớp bêtông bảo vệ có chiều dài tính từ mép cấu kiện đến bề mặt gần nhất của cốt
thép, nhằm đảm bảo sự làm việc đông thời của bêtông và cốt thép trong mọi giai đoạn
làm việc của kết cấu, cũng như bảo vệ cốt thép khỏi tác động của không khí bên
ngoài, của nhiệt độ và các ảnh hưởng có hại khác.
Đối với cốt dọc chịu lực, chiều dày lớp bảo vệ (c1) không được nhỏ hơn đường kính
thánh thép và không nhỏ hơn các trị số qui định.

Đối với cốt đai, cốt phân bố và cốt cấu tạo khác, chiều dày lớp bảo vệ (c2) không được
nhỏ hơn đường kính cốt thép và không nhỏ hơn 10mm đối với tiết diện có chiều cao
từ 250mm; 15mm đối với tiết diện có chiều cao từ 250mm trở lên. Nếu kết cấu làm
việc trong vùng chịu ảnh hưởng của môi trường biển, chiều dày lớp bêtông bảo vệ lấy
theo qui định riêng.
3.5.
Thể hiện bản vẽ.
Theo TCVN 4612:1988- Kết cấu BTCT- Ký hiệu qui ước và thể hiện bản vẽ, bản vẽ
kết cấu BTCT được thể hiện theo những tỉ lệ sau:
a. Sơ đồ hình học
1:100; 1:200; và 1:500
b. Hình thể hiện cấu tạo
1:20; 1:50; 1:100
c. Hình thể hiện chi tiết:
1:5; 1:10; 1:20
Khi thể hiện các kết cấu BTCT, cần ghi rõ.
 Các kích thước cần thiết cho việc gia công sản xuất và thi công.
 Số ký hiệu, vị trí các thanh cốt thép, chỗ nối (buộc hàn), khoảng cách
 Ký hiệu các cấu kiện, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang của cấu kiện
 Số ký hiệu các nút, các chi tiết cần vẽ ở tỷ lệ lớn
 Cấp độ bền bêtông, cường độ thép
 Các biện pháp chống ăn mòn, chiều dày lớp bêtông bảo vệ
 Những lưu ý khác
 Mỗi bản vẽ phải có bảng thông kê và bảng phân loại tổng hợp cốt thép.

Nguyễn Tấn

Page 23