Giáo trình kết cấu bê tông cốt thép: cấu kiện cơ bản

G T - .0000027026 HÀN THỊ THÚY HẲNG (Chủ biên)

DƯƠNG VIỆT HÀ - NHỬ THỊ LAN HƯƠNG

PHẠM HƯƠNG QUỲNH - HẢ THANH TỦ

GIÁO TRÌNH

KẾT CẤU

BÊ TỐNG CỐT THÉP A - ' A . ? CẤU KIÊN Cơ BẢN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

HGUYÉN

)C LIỆU

* « J. —

I

Sách tặng

HÀN THỊ THÚY HẢNG (Chủ biên)

DƯƠNG VIỆT HÀ - NHỮ THỊ LAN HƯƠNG

PHẠM HƯƠNG QUỲNH - HÀ THANH TÚ

Giao trình

KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

CẤU KIỆN Cơ BẢN

N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C T H Á I N G U Y Ê N

NĂM 2017

MẢ SỎ; ° 1 ' 13------

Đ H T N -20177

2

L Ờ I N Ó I ĐÀU

Bê lông cốt thép là loại két cấu chu yếu Iroiìg xây dựng hiện nay. Kiến thức

về kết cấn bê lông cốt thép cần thiết cho mọi kỹ sư, cán bộ kỹ thuật xây dụng.

Cuốn sách "Kết call bê lông cối thép CƯ ban ” nhằm cung cáp cho người đọc

nhữiig vấn đè cơ ban về nguyên lý làm việc àta bê tông cốt thép, Iihũiìg nguyên tắc

chung vè cấu lạo và tính toán cấu kiện bê tông cốt thép, đỏng thời đi sâu vào việc

thiết kế các cấu kiện bẽ tông cốt thép theo tiêu chuẩn ĨCỈ 7V 5574-2012.

Sách được dùng làm lài liệu giang dạv cho sinh viên các ngành xây cỉịnig

trường Dại học.

Sách gồm có 7 chuơng:

- Hàn Thị Thúy Hằng là chú biên và viết các chương 4, 5;

- Dưtmg Việt Hà viết các chirơng 3, 8;

- N hữ Lan Huơtìg viết các chương 2, 6;

- Phạm Hirơng Quỳnh viết chưưng l và tập hợp phản phụ lục;

- Hà Thanh Tú viết chương 7.

Chúng tôi xin chân thành cám ơn các giáng viên giáng dạy trong Bộ môn

Xây íiựtìg, Khoa Xây dụng - Môi /ruờỉig, Truừiig Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

- Đại học Thái Nguyên đã đóng góp nhiều ý kiến trong quá trình biên soạn.

Nhóm tác già xin căm m và mong nhận được những nhận xét, góp ý cùa

bạn đọc.

Các tác giả

3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CHUNG.........................................................................9

1.1. Bê tông và bê tông cốt thép..................................................................................... 9

1.1.1. Khái quát...................................................................................................... 9

1.1.2. Sự làm việc giữa bê tông và cốt thép......................................................10

1.2. Phân loại bê tông cốt thép......................................................................................11

1.2.1. Theo phương pháp thi công..................................................................... 11

1.2.2. Theo trạng thái ứng suất khi chế tạo và sử dụng....................................12

1.3. Ưu, nhược điểm và phạm vi sử dụng....................................................................13

1.3.1. Ưu điểm.......................................................................................................13

1.3.2. Nhược điểm ................................................................................................13

1.3.3. Phạm vi sử dụng........................................................................................ 14

1.4. Lịch sử phát triển.....................................................................................................14

1.5. Câu hỏi ôn tập..........................................................................................................14

CHƯƠNG 2. TÍNH CHÁT c ơ LÝ CỦA VẶT LIỆU......................................... 15

2.1. Bê tông......................................................................................................................15

2.1.1. Phân loại bê tông....................................................................................... 15

2.1.2. Cường độ của bê tô n g ..............................................................................15

2.1.3. Mác - Cấp độ bền của bê tông................................................................. 21

2.1.4. Biến dạng của bê tông..............................................................................22

2.2. Cốt thép....................................................................................................................27

2.2.1. Các loại cốt thép dùng trong bê tông cốt thép.......................................27

2.2.2. Một số tính chất cơ bản cùa cốt thép......................................................28

2.2.3. Phân nhóm cốt thép.............................................................................. Í..29

2.3. Bê tông cốt thép..................................................................................................30

2.3.1. Lực dính giữa bê tông và cốt thép.......................................................30

2.3.2. Sự phá hoại và hư hỏng của bê tông cốt thép.....................................32

2.4. Câu hòi ôn tập.................................................................................................... 33

CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CÁU TẠO 34

3.1. Các bước thiết kế kết cấu bè tông.................................................................... 34

3.2. Tải trọng và tác động.........................................................................................35

3.2.1. Phàn loại tải trọng................................................................................. 35

3.2.2. Tổ hợp tải trọng.....................................................................................36

3.3. Cương độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán................................................... 37

3.3.1. Bẻ tông.................................................................................................. 37

3.3.2. Cốt thép................................................................................................. 38

3.4. Phuơng pháp tính toán kết cấu bê tông cốt th ép ............................................ 39

3.4.1. Nhóm trạng thái giới hạn thú nhất..........................................................41

3.4.2. Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai........................................................ 42

3.5. Nguyên tắc cấu tạo bê tông cốt thép................................................................ 43

3.5.1. Hỉnh dạng và kích thước tiết diện....................................................... 43

3.5.2. Cấu tạo cốt thép.................................................................................... 44

3.6. Câu hỏi ôn tập....................................................................................................46

CHƯƠNG 4. CÁU KIỆN CHỊU UỐN................................................................ 47

4.1. Đặc điểm cấu tạo............................................................................................... 48

4.1.1. Bản.........................................................................................................48

4.1.2. D ầm .......................................................................................................49

4.2. Sự làm việc của cấu kiện chịu uốn...................................................................50

4.2.1. Các tiết diện cần tính toán...................................................................50

4.2.2. Trạng thái úng suất - biến dạng trên tiết diện thẳng góc................. 52

5

4.3. Tính toán cấu kiện chịu uốn có tiết diện chữ nhật theo cường độ trrên

tiết diện thẳng góc........................................................................................................54

4.3.1. Các truờng hợp đặt cốt th ép ................................................................. 54

4.3.2. Tính toán tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn............................................54

4.3.3. Tính toán tiết diện chữ nhật đặt cốt kép............................................ 60

4.4. Tính toán cấu kiện chịu uốn có tiết diện chừ T (I, hộp)................................... 65

4.4.1. Khái niệm chung và đặc điểm cấu tạo.................................................65

4.4.2. Xác định vi trí trục trung hòa............................................................... 66

4.4.3. Tính toán tiết diện chữ T khi trục trung hòa qua cánh.....................67

4.4.4. Tính toán tiết diện chữ T khi trục trung hòa qua sườn.....................67

4.5. Tính toán cường độ trên tiết diện nghiêng........................................................73

4.5.1. Sự phá hoại theo tiết diện nghiêng.......................................................73

4.5.2. Các điều kiện khống chế khi tính toán chịu lực cắt............................ 75

4.5.3. Điều kiện cường độ trên tiết diện nghiêng..........................................75

4.5.4. Tính toán cốt đai khi không đặt cốt xiên.............................................76

4.5.5. Tính toán cốt xiên...................................................................................79

4.6. Bài tập....................................................................................................................81

CHƯƠNG 5. KẾT CẢU SÀ N .................................................................................84

5.1. Đại cương về kết cấu sàn.....................................................................................84

5.1.1. Đặc điểm kết cấu sàn..............................................................................84

5.1.2. Phân loại sàn............................................................................................85

5.1.3. Nhận xét về phương pháp tính toán kết cấu sàn.................................86

5.1.4. Phân biệt bản loại dầm và bản kê bốn cạnh........................................87

5.2. Sàn sườn toàn khối dạng bản - dầm .................................................................. 89

5.2.1. Sơ đồ kết cấu.......................................................................................... 89

5.2.2. Thiết kế bản sàn......................................................................................91

5.2.3. Thiết kế dầm phụ...................................................................................99

5.2.4. Thiết kế dầm chính...............................................................................108

5.3. Sàn suờn toàn khối có bản kê bốn cạnh.........................................................118

5.3.1. Sơ đồ kết cấu....................................................................................... 118

5.3.2. Đặc điểm cấu tạo..................................................................................119

5.3.3. Sự làm việc cùa bản.............................................................................119

5.3.4. Phân tích nội lực theo sơ đồ đàn h ồ i..............................................120

5.3.5. Phân tích nội lực theo sơ đồ khớp dẻo...............................................123

5.3.6. Tính toán dầm...................................................................................... 125

5.3.7. Tính toán cốt thép............................................................................... 130

5.4. ìài tập...................... ......................................................................................... 131

CHĨƠNG 6. CÁU KIỆN CHỊU UỐN - XOẮN.............................................. 134

6.1. Chái niệm chung..............................................................................................134

6.2. >ỉguyên tắc cấu tạo........................................................................................... 135

6.2.1. Tiết diện...............................................................................................135

6.2.2. Cốt thép................................................................................................135

6.3. rính cấu kiện chịu uốn - xoắn có tiết diện chữ nhật.................................... 136

6.3.1. Nguyên lý tính toán.......................................................................... 136

6.3.2. Tính toán theo sơ đồ M và M t.................................................... 137

6.3.3. Tính toán theo sơ đồ Q và M t.......................................................... 140

6.3.4. Tính toán theo sơ đồ M và M t.................................................... 141

6.4. lài tập............................................................................................................... 141

CHÍƠNG 7. CÁU KIỆN CHỊU NÉN...............................................................143

7.1. Iguyên tắc cấu tạo...........................................................................................144

7.1.1. Tiết diện...............................................................................................144

7.1.2. Cốt thép................................................................................................146

7.2. 'inh toán cấu kiện chịu nén đúng tâm............................................................ 149

7.2.1. Sơ đồ ứng suất - công thức cơ b ản .....................................................149

7.2.2. Các dạng bài toán................................................................................150

7.3. Tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm ................................................... 151

7.3.1. Sự làm việc cùa cấu kiện chịu nén lệch tâm....................................... 151

7.3.2. Điều kiện về cường đ ộ ........................................................................ 154

7.3.3. Tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn tiết diện chữ nhật...........154

7.3.4. Tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm bé tiết diện chữ nhật..............158

7.3.5. Biểu đồ tương tác.................................................................................. 163

7.4. Bài tập.................................................................................................................. 171

CHƯƠNG 8. CÁU KIỆN CHỊU KÉO.................................................................. 172

8.1. Khái niệm chung và cấu tạo.............................................................................. 172

8.2. Tính toán cấu kiện chịu kéo đúng tâm...................................................173

8.3. Tính toán cấu kiện chịu kéo lệch tâm có tiết diện chữ nhật...........................173

8.3.1. Kéo lệch tâm lớn................................................................................... 173

8.3.2. Kéo lệch tâm bé..................................................................................... 175

8.4. Bài tập................................................................................................................. 176

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN.........................................................................................177

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 199

8

CHƯƠNG

KHÁI NIỆM CHUNG 8

1.1. BÊ TỎNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1.1. Khái quát

Bẻ tông cốt thép là một trong nhũng vật liệu quan trọng nhất trong xây

dựnị tại các nơi trên thế giới. Được sừ dụng trong hầu hết các kết cấu bao gồm:

xây lụng, cầu đường, thủy lợi, thuỷ điện.

Bê tông là hỗn hợp gồm cát, đá (sỏi) và chất kết dính (xi măng, nước).

Trong một số trường hợp, các chất phụ gia đuợc thêm vào để thay đổi một số

đặc tnh cùa bê tông như độ bền và thời gian đông cúng.

Bàng 1.1. So sánh tinh chài cùa bê tông và cốt thép

Đặc trưng Bê tông cốt thép

Khá iđng chịu kéo kém Tốt

Khá xirtfi chiu nén tốt Tốt, nhung nhũng thanh thcp mảnh thi

dỗ bị oằn

Khá lúng chịu cát trung bình Tốt

Độ bin tốt Bị ăn mòn nếu không được bảo vệ

Chịu 'ứa tốt Kém, khả năng chịu lực giảm nhanh ở

nhiệt độ cao

Tiến hành thí nghiệm một dầm bê tông và một dầm bê tông cốt thép, sau

đó sc sánh khả năng chịu lực hai dầm này. Thấy rằng khi đặt cốt thép vào vùng

kéo, lầm bê tông cốt thép có thể chịu iực nhiều hơn dầm bê tông có cùng kích

thưới đến hàng chục lần (hình 1.1). Vậy đặt cốt thép vào bê tông đề tăng cường

khả ráng chịu lực cho kết cấu, do đó có vật liệu bê tông cốt thép.

Tài trọng P0

Thớ chịu nén

Tái trọng p » p

Trục trung hòa

, M

A Thớ chịu kéo\ Khe nứt rẲr

Thớ chịu nén Miền chịu k.éo

A

Trục trung hòa

Thở chịu kéo Khe nứt □ Khe

Hình 1. la. Dâm BT (không cốt

thép)chịu uốn - khá nũng chịu

lực rất kém vì BT chịu kéo kém.

m .

% cốt thépẠ Ị Ị

Hình l.lb. Dầm BTCT chịu uốn

tốt với cốt thép dọc đật trong

miền chịu kéo.

Khi đặt cốt thép vào vùng

nén (hình 1.2) thấy khả năng chịu

lực tăng, kích thước tiết diện giảm.

Cốt thép ngoài tác dụng chịu

kéo còn tham gia chịu nén cùng bê

tông. Sức chịu nén của cốt thép

cũng tốt bằng sức chịu kéo, và gấp

nhiều lần so với bê tông.

Hình 1.2. Cốt thép đật trong cấu kiện chtịu nén

1.1.2. Sự làm việc giữa bê tông và cốt thép

Bê tông và cốt thép dính chặt với nhau Nhờ có lực dính mà cố thể Itruyền

lực từ bê tông sang cốt thép và ngược lại, tù đó có thể khai thác được cưcờng độ

cốt thép, hạn ché bề rộng khe nứt trong vùng kéo. Cường độ chịu kéo (CÙa bẽ

tông bằng khoảng một phần mười cường độ nén của nó. Kết quả là, bê ttông bị

nứt trong vùng kéo. Vì vậy, cốt thép được thêm vào trong vùng kéo để: tất cả

các ứng suất kéo do cốt thép chịu. Những lợi thế của từng nguyên liệu đurợc bù

đấp cho những nhược điểm của nguyên liệu kia. Độ bền kéo bê tông thấ(p được

bù lại bởi độ bền kéo cao của thép. Độ bền kéo của thép là xấp xi 100-1140 lần

so với độ bền kéo của hỗn hợp bê tông thông thường.

Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học, bê tông C(òn bảo

vệ cốt thép chống lại các tác nhân ăn mòn của môi trường.

10

a- D a m đ ơ u g ian

vết nút

v ế t n ứ t C ố t th é p

— 1

.i.íịẤÁ.L

l frl “

c ố t th é p \v ể t n ú t

Vết n ứ t

—riT"TTro

III— JH»»Ì

C -D ằm liè n tụ c

Hình 1.3. Vị trí đặt cốt thép trung bê tông

Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông và cốt thép gần bằng nhau. Khi nhiệt độ

thay đổ) thì trong cấu kiện không xuất hiện nội ứng suất đáng kể, không làm

mất lực dính.

1.2. PHÂN LOẠI BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.2.1. Theo phương pháp thi công

Bỉ tông cốt thép toàn khối

Bé tông cốt thép toàn khối là ghép ván khuôn, đặt cốt thép và đổ bê tông

ngay tại vị trí thiết kế của kết cấu.

- ưu điểm: độ cứng lớn, chịu tải trọng động tốt, hình thức kết cấu đa dạng

theo yêu cầu cùa kiến trúc.

- Nhược điểm: tốn ván khuôn, cây chống; thi công phụ thuộc thời tiết,

nhiều cóng đoạn, thời gian kéo dài...

11

Hiện nay BTCT toàn khối được sử dụng rộng rãi nhờ các tiến lb(ộ trong

việc sản xuất bê tông tươi cung cấp cho các công trình (bơm lèn cao, xuống

thấp), kỹ thuật ván khuôn tấm lớn, ván khuôn trượt, ván khuôn leo... góp phần

rút ngắn thời gian thi công.

Bê tông cét thép lắp ghép

Các cấu kiện riêng biệt được chế tạo sẵn tại nhà máy (hoặc tại b'ãj đúc ờ

công trường), được vận chuyển tới công trường, sau đó tiến hành lắp gbẻp bằng

cần cẩu...

- Ưu điểm: chất lượng cấu kiện được bảo đảm, thời gian thi công mhanh, ít

tốn ván khuôn, cây chống.

- Nhược điểm: độ cứng kém hơn, phải giải quyết mối nối; sổ lượng cấu

kiện phải lớn thi mới kinh tế vi phải đầu tư cho việc chế tạo; kiến trúc khó

phong phú.

Bê tỏng cốt thép bán lắp ghép

Các cấu kiện chưa hoàn chinh được chế tạo sẵn, khi lắp ghép thì (đặt thêm

cốt thép, ghép thêm ván khuôn và đổ tại chỗ phần còn lại cùng với tnối nối.

Một hình thức bán lắp ghép khác là: trong công trình có nhiều cấu kiện,

thì một số cấu kiện được thi công tại chỗ (móng, khung.. một số cấu kiện lắp

ghép (tấm sàn, tấm mái, dầm phu, vì kèo..

1.2.2. Theo trạng thái ứng suất khi ché tạo và sử dụng

Bê tống cểt thép thường

Khi chế tạo cấu kiện, cốt thép ờ trạng thái không có ứng suất.

Bê tông cốt thép ứng lực trước

Trong khi chế tạo cấu kiện, người ta căng cốt thép để nén vùng bê ttông chịu

kéo do tải trọng gây ra, nhằm triệt tiêu hay hạn chế úng suất kéo và khe núrt.

12

p

(a)

CxS v ó n g f d d b i

t n ô t t i e u N

(b) (c)

Hình 1.4. Dầm BTCT thường (a) và BTCT ứng lực trước (b) + (c)

1.3. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI s ử DỤNG

1.3.1. Ưu điểm

- Khả năng chịu lực lớn (so với gỗ, gạch đá), chịu tốt các tài trọng động.

- Ben vững, bảo dưỡng ít tốn kém.

- Chịu lùa tốt.

- Có khả năng tạo ra các hỉnh dáng kết cấu khác nhau, đáp ứng yêu cầu đa

dạngcùa kiến trúc (vòm, vỏ mỏng không gian,...).

- Tận dựng các vật liệu cùa địa phương (cát, sỏi và nuớc) và đòi hỏi một

số lumg tương đối nhỏ của xi măng và cốt thép.

1.3.2. Nhược điểm

Để sử dụng bê tông thành công, các nhà thiết kế phải được hoàn toàn

quenthuộc với các điểm yếu cũng như ưu điểm cùa nó.

- Dễ có khe nứt tại vùng kéo -» khắc phục bằng cách dùng bê tông cốt

thép rng lực trước, có biện pháp tính toán và thi công hợp lý để hạn chế khe

nứt, lảo đảm điều kiện sử dụng bình thuờng.

- Cách âm, cách nhiệt kém —> khắc phục bằng cách sừ dụng kết cấu có lỗ rỗng.

- Thi công bê tông cốt thép toàn khối tương đối phức tạp.

- Trọng luợng bản thân lớn, khó làm kết cấu nhịp lớn -» khắc phục bằng

cách lùng bê tông cốt thép ứng lực trước, kết cấu vỏ mỏng...

13