TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠNG TRÌNH BỘ MƠN XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Bài giảng KẾT CẤU BTCT ĐẶC BIỆT Hà Nội – 02/2020 Bµi giảng chi tiết "Kết cấu bêtông cốt thép đặc biệt" Bài mở đầu: Lịch sử phát triển BTCT xây dựng: - Năm 1950 Pháp tổ chức long trọng kỉ niệm 100 năm ngày phát minh BTCT Cuối năm 1849 Lambot (người Pháp) làm thuyền lưới sắt trát hai phía vữa xi măng, thuyền trình bày triển lãm Pari năm 1855 Sau người ta chế tạo sàn, đường ống, bể chứa nước cấu kiện khác BTCT - Ở thời kỳ sơ khai, người ta làm theo cảm tính nên cốt sắt thường đặt chiều cao tiết diện (vị trí trục trung hịa) Khoảng sau 1880, nghiên cứu cường độ BT, cốt thép lực dính BT cốt thép tiến hành Pháp Đức Koenen (kỹ sư người Đức) người kiến nghị đặt cốt sắt vào vùng BT chịu kéo năm 1886 kiến nghị phương pháp tính tốn cấu kiện BTCT - Đầu kỷ XX người ta bắt đầu xây dựng lý thuyết tính tốn kết cấu BTCT theo ứng suất cho phép (phương pháp cổ điển) Phương pháp dựa sở cơng thức tính tốn ứng suất môn sức bền vật liệu - Giáo sư Loleit người Nga với nhiều người khác nghiên cứu tính khơng đồng chất đẳng hưởng, tính biến dạng đàn hồi dẻo BT kiến nghị phương pháp tính tốn theo giai đoạn phá hoại (1939) Đến năm 1955 Liên Xơ (cũ) bắt đầu tính tốn theo phương pháp có tên gọi phương pháp tính theo trạng thái giới hạn Phương pháp ngày hoàn thiện nhiều nước giới kể nước ta sử dụng thiết kế kết cấu BTCT - Cho đến nay, kết cấu BTCT chiếm vị trí quan trọng ngành xây dựng bản, đạt thành tựu đáng ý Người ta xây dựng cầu vịm có nhịp 260m (Thụy Điển), mái nhà có nhịp 200m (Pháp) hàng loạt nhà chọc trời khắp giới Nhiều cơng trình đường hầm xun sông, xuyên biển xây dựng Nhiều tháp vơ tuyến điện có độ cao 500m (Liên Xô cũ, Canada ) đua đời - Bêtông ứng lực trước Freyssinet (Ks người Pháp) nghiên cứu thành công từ năm 1928 nhanh chóng ứng dụng cách có hiệu cho kết cấu nhịp lớn BT ƯLT ứng dụng trước tiên Việt Nam cầu Phủ Lỗ (nhịp 18m, xây dựng vào năm 1961) Ngày dầm cầu định hình BTCT ƯLT nhịp 33m lắp đặt cầu Thăng Long nhiều địa phương khác Trong xây dựng dân dụng… BTCT ƯLT ngày ứng dụng rộng rãi, chủ yếu cho dầm sàn khơng dầm nhịp lớn Những đặc tính BTCT vật liệu xây dựng: - BTCT loại vật liệu hợp thành từ bê tông cốt thép, chúng làm việc đồng thời nhờ có lực bám dính (lực dính kết) lẫn - Giống vật liệu xây dựng, BTCT có ưu điểm sau: + Sự làm việc tốt đồng thời bê tơng cốt thép nhờ có lực bám dính; + Có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính thực tế giống nhau: 0,000012ữ0,000015 1/C ; + Bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mịn; + Có độ bền chống lại tác động khí thủy quyển; + Chịu hỏa hoạn; + Chịu băng giá -700C (ở Sibir); + Có thể tạo bê tơng BTCT có tính chất cho trước; + Có thể sử dụng để sản xuất cấu kiện có hình dạng bất kỳ; + Có tính kinh tế; - Bên cạnh tồn nhược điểm: + Có trọng lượng tương đối lớn (vận chuyển, cẩu lắp, gia công, tải trọng…); + Chịu kéo kém, chống nứt kém; + Yêu cầu nghiêm ngặt công nghệ đổ bê tông mùa đông việc bảo dưỡng BT nhiệt độ thấp; + Kết nối cơng trình xây dựng với xưởng BT trạm; Phạm vi ứng dụng kết cấu đặc biệt bêtông cốt thép XDDD & CN - Bộ phòng thủ qn sự: Đảm bảo độ vững cơng trình khỏi va đập vật thể rơi khác nhau; - Các cơng trình Thủy lợi; Thủy điện; - Những cơng trình biển, cảng (nhà máy hạt nhân biển); - Các cơng trình đường sắt cầu; - Nhà cao tầng; - Các trạm, nhà máy điện hạt nhân; Chương I Lý thuyết vỏ I Vỏ mỏng: Khái niệm, phân loại, ưu nhược điểm kết cấu vỏ mỏng Khái niệm: Chữ vỏ lấy từ khái niệm cỏ loại sinh vật vỏ trứng gà, vỏ sị, vỏ ốc, … chúng có dạng mặt cong - Vỏ mỏng kết cấu mỏng có chiều dày nhỏ nhiều so với kích thước cịn lại chiều lại uốn cong theo dạng mặt cong δ R ≤ 20 ? đó.Vỏ gọi mỏng tỷ số Hình 1.1 Vỏ cong hai chiều Trong đó: δ - chiều dầy vỏ; R – Bán kính cong mặt (là mặt chia đôi chiều dầy vỏ - mặt trung gian) Phân loại: loại kết cấu vỏ mỏng -Mái vỏ mỏng BTCT + Mái vỏ thoải cong chiều + Mái vỏ trụ + Mái vỏ gấp +Mái vỏ dây căng -Bể chứa trụ trịn -silơ,bunker Hình 1.2 Những ví dụ minh họa kết cấu mái vỏ mỏng a – Mặt cầu vòm (cuốn); b – Mặt cầu Hypecbolic; c – Mái cỏ có nếp uốn hình thang; d – Mái vỏ trụ dài; e – Mái vỏ trụ dài nghiêng bên; f – Mái vỏ trụ ngắn; g – Vỏ trụ khối nón; h – Mái vịng sóng; i – Mái vỏ lồi; k – Vỏ trụ lõm có độ cong âm; l – Mái Cupol; m – Mái Cupol sóng; o – Vỏ - phễu; p – Mái lều trại; q – Mái treo Ưu nhược điểm kết cấu vỏ mỏng: Ưu điểm: + Phù hợp với cơng trình có độ lớn + Mái vỏ mỏng có trọng lượng thân nhẹ kết cấu khác độ + Tạo nên công trình kiến trúc hình dáng phong phú + Giảm chi phí vật liệu so với kết cấu phẳng: Bê tơng giảm 20 ÷ 30%/1m Thép giảm 40 ÷ 50%/1m + Độ bền cao,chi phí bảo quản thấp + Thốt nước mưa tốt mái +Ít bị ảnh hưởng lún không trụ đỡ + Chịu tải trọng động đất tốt Nhược điểm: + Khó khăn thi công, xây lắp (ván khuôn, dàn giáo, đặt cốt thép, đổ bt…) + Đòi hỏi vốn đầu tư lớn + Cơng trình mang tính chất đặc biệt đặc thù riêng loại hình kiến trúc - Cũng giống mỏng, nhiều tính tốn chứng tỏ δ8m Hình 5.2 Tường chắn BTCT dạng góc có thành chống phía ngực t­êng H - ChiỊu cao t­êng ch¾n; B - BỊ rộng đáy; a - Bản đáy phía ngực tường; b Bản đáy phia lưng tường; d - Chiều dày tường đứng đỉnh; - Góc nghiêng mặt đất; - T­êng ch¾n gãc KÝch th­íc cđa t­êng ch¾n chn phụ thuộc vào chiu cao H, hình dáng, tải trọng tác dụng, địa hình Kích thước tường chắn có thĨ chän s¬ bé nh­ sau: - 1 1 = a  ÷ B 3 4 ; 2 3 = b  ÷ B   ; t≥150mm Hình 5.3 Kích thước sơ tường chắn II Tường chắn đất toàn khối Tường chắn đất toàn khối: - Một hình dạng hợp lý tường chắng đất BTCT toàn khối tường chắn hình thuớc thợ (tường góc chữ L) Khi cấu tạo tường BTCT theo dạng chi phí vật liệu nhỏ phần đất nằm đế móng tạo mômen ngược với mômen áp lực ngang đất gây cho phần tường chắn thẳng đứng - Tường chắn đất toàn khối chia : tường chắn toàn khối không sườn, tường chăn toàn khối có sườn số dạng khác Tường chắn toàn khối không sườn (Công son): Hình 5.4 Một ví dụ tường chắn đất toàn khối không sườn 1,2 Thép chịu lực; Thép cấu tạo - Trên hình 5.4 giới thiệu cấu tạo tường chắn đất toàn khối không sườn dạng thước thợ (hay gọi tường góc) gồm phần tường thẳng đứng phần tường nằm ngang liên kết cứng với chúng làm việc công xon chịu uốn - áp lực ngang đất tác dụng lên thành đứng tường gây nên ứng suất kéo phía mặt cho phần tường đứng cho phía mặt tường ngang ( đế móng) - Như thép chịu lực phần tường thẳng đứng đứng đặt mặt tường phân bố dọc theo chiều dài tường, phần tường nằm ngang (bản đế móng) thép chịu lực đặt phía Khi đặt cốt thép chịu lực cho tường chắn, nÕu chiỊu cao t­êng tõ 3m trë lªn cã thĨ cắt bớt 1/3 đến 1/2 chiều dài thép chịu lực phía dài ngắn đặt xen kẽ để tiết kiệm cốt thép Chiều dày đỉnh tường lấy không 100mm Khi chiều cao tường H>6m bề rộng đáy B lấy 0,5 đến 0,6 chiều cao H Tường chắn toàn khối có sườn Hình 5.5 Tường chắn đất toàn khối có sườn - Với tường chắn có chiều cao lớn 6m người ta cấu tạo thêm sườn cho tường hình 5.5 , khoảng cách sườn thường từ đến m, sườn thẳng đứng nằm phía đất chắn Với cấu tạo vậy, tường chắn làm việc giống liên tục chịu tải trọng tác động áp lực ngang đất Thép chịu lực đặt giống liên tục chịu uốn - áp lực ngang đất tác động vào thân tường tăng theo chiều cao từ đỉnh xuống đáy tường chắn, thép chịu lực phía phải đặt dày so với phần đỉnh tường Bản đế móng tường cấu tạo thép liên tục kê ba cạnh (tùy thuộc tỷ lệ cạnh bản) Để đảm bảo làm việc bình thường đế móng tường chắn, cốt thép cấu tạo thành lớp: lớp lớp Một số dạng tường chắn đất toàn khối khác Hình 5.6 Một số dạng tường chắn toàn khối khác a, Tường có chiều dầy không đổi; b, Tường có đế móng nghiêng - Khi chiều cao tường chắn không lớn (H6m) ng­êi ta cã thĨ sư dơng t­êng chắn lắp ghép có sườn để tang cường độ cứng cho tường Tuờng chắn loại chế tạo thành cấu kiện riêng như: đế móng, thành chúng khuếch đại trường nhờ mối nối khô mối nối ướt Các mối nối hàn phải bịt BT chỗ, để tránh bị gỉ đủ bền theo thời gian Cấu tạo tường chắn loại xem hình 5.7b IV Tải trọng tác dụng lên tường chắn Tải trọng tác dụng lên tường chắn gồm: - Tĩnh tải: gồm trọng luợng thân tường, trọng lượng đất đắp đáy - Hoạt tải: + Hoạt tải dài hạn: gồm áp lực ngang đất, áp lực ngang nước đất bÃo hòa (nếu có), phn lc t nn lờn ỏy tng + Hoạt tải ngắn hạn: tải trọng tác dụng phần đất đắp ng­êi, vËt liƯu chøa, xe (nÕu cã); ¸p dơng ngang sãng xung kÝch, neo buéc, va ®Ëp tàu thuyền - Việc tính toán tường chắn, việc tính toan theo khả chịu lực (cường độ), bảo đảm điều kiện ổn định lật trượt phải tính toán theo biến dạng: tường chuyển vị lớn, chuyển vị ngang đỉnh tường f H , 1000 bảo đảm bề rộng khe nứt hình thành khe nứt, bảo đảm không bị phá hoạt độ lún phải nằm phạm vi cho phép V Tính toán tuờng chăn đất: - Tính toán tường chắn đất cú th tính toán theo bước sau: 1) Xác định áp lực đất tác động lên tuờng chắn 2) Xác định nội lực thân tường móng, tính toán cấu tạo cốt thép 3) Tính toán kiểm tra ổn định chống trượt, chng lt cho t­êng ch¾n - Nguyên lý thiết kế: Khi thiết kế tính tốn tường chắn đất người ta thường thiết kế theo bước thiết kế khả chịu lực độ ổn định Khi thiết kế khả chịu lực tường phải xác định lực tác dụng lên tường (chủ động, bị động, áp lực nước ngầm ) Phương pháp SGK phương pháp cổ điển dùng lý thuyết Rankin Coloumb để xác định áp lực đất tác dụng lên tường chắn sử dụng phương pháp cân giới hạn để tính nội lực tường Sau phải tính độ ổn định tường để ngăn chặn khả xuất biến dạng mức cho phép Thường tính ổn định cục tính khả trượt sâu theo phươg pháp tính trượt kinh điển (VD: mặt trượt trụ tròn , hay số phươg pháp Spencer, Morgenstern-Price, GLE, Janbu's Simplified ) sử dụng phương pháp c-phi reduce.[1] Hai phương pháp Coulomb Rankine khác điểm sau: Rankine giả thiết ma sát tường đất khơng (tường trơn) Coulomb có tính đến ma sát tường đất Điều dẫn đến lực ngang tác dụng lên trường chắn tính theo Coulomb nghiêng góc alpha so với phương nằm ngang (alpha la hệ số ma sát tường đất) Nếu sử dụng Rankine, góc alpha khơng Rankine sử dụng phương pháp giới hạn cận (lower bound solution) Coulomb sử dụng phương pháp giới hạn cận (upper bound solution) Hai phương pháp khác chỗ: (a) Phương pháp giới hạn cận giả thiết mặt phá hoại trước sau xác định lực tác dụng dựa mặt phá hoại giả thiết kết hợp với cân tĩnh; (b) Phương pháp giới hạn cận giả thiết toàn đất sau tường trạng thái giới hạn (Rankine's limits), ứng suất ngang hữu hiệu trang thái tới hạn tính từ ứng suất đứng hữu hiệu nhân với hệ số Rankine Như vậy, thấy hai phương pháp nêu khơng hồn thiện Rankine thỏa mãn điều kiện cân ứng suất (stress equilibrium) song không thỏa mãn điều kiện biến dạng liên tục (strain compatibility) giả thiết toàn đất sau tường trạng thái giới hạn Coulomb ngược lại, điều kiện biến dạng thỏa mãn (do giả thiết trước mặt phá hoại) song điều kiện cân ứng suất lại không đáp ứng (lưu ý Coulomb giải lực không ứng suất) Hai phương pháp hội tụ số trường hợp đặc biệt (ví dụ tường thẳng đứng + ma sát đất tường không + mái dốc bề mặt không) Nhược điểm hai phương pháp khơng giải tốn có điều kiện hình học địa chất phức tạp (vi dụ nhiều lớp đất, mực nước ngầm nằm thân tường, mái dốc bề mặt khác không ) - Sử dụng phương pháp hỗ trợ phần mềm: Hiện phát triển máy tính phương pháp số nên thiết kế tường chắn đất phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Một số phần mềm thương mại hóa xuất Việt nam Geostudio, Plaxis, SageCrisp Các phần mềm sử dụng lý thuyết học mơi trường liên tục để tính toán trạng thái ứng suất- biến dạng đất tường chắn Dùng GeoStudio thiết kế tường chắn cách sử dụng môđun SIGMA/W, SEEPAGE/W, QUAKE/W để tìm trạng thái ứng suất-biến dạng hệ tường-đất nội lực tường chắn (có thể xác định lực hệ chống, neo, cốt gia cố cho đất ) sau dùng mơđun SLOPE/W để kiểm tra khả trượt Ngồi cịn số chương trình dùng để tính riêng khả chịu lực tường chắn STAAD Foundation, GEO5 chương trình khơng dự báo khả biến dạng môi trường đất sau tường chắn[1] Ưu điểm • Ưu điểm việc sử dụng chương trình PTHH để thiết kế tường chắn mơ trạng thái làm việc hệ tường-đất cách xác nhanh chóng • Phương pháp phần tử hữu hạn khắc phục nhược điểm Rankine Coulomb điều kiện cân ứng suất biến dạng liên tục đương nhiên thỏa mãn • Tường chắn coi tường mềm, cho dù làm BTCT hay thép chương trình khơng phân biệt tường cứng hay mềm Nhược điểm • Nhược điểm phải thiết lập thông số đầu vào đất tường chắn cho chương trình phức tạp • Ngồi ra, kết tính tốn chương trình tính cần hiệu chỉnh kiểm tra nhiều cách tính tốn khác, kể tham khảo báo liên quan kinh nghiệm nước cơng trình nhiều tầng hầm làm TÝnh to¸n tường chắn đất mặt cường độ: - Để tính toán cường độ cho tường chắn cần phải xác định áp lực đất lên tường chắn Việc xác định áp lực đất lên tường chắn có trường hợp: trường hợp không xét đến độ cứng tường trường hợp có xét đến độ cứng tường - Trường hợp không xét tới độ cứng tường coi tường tuyệt đối cứng lúc xét tới trị số áp lực đất trạng thái giới hạn thứ nhất, áp lực đất chủ động áp lực đất bị động Chúng ta tính toán áp lực đất lên tường dựa sở giả thiết tường tuyệt đối cứng, lực đất phân bố theo quy luật tuyến tính có dạng hình tam giác - Với giả thiết trên, hợp lực áp lực đất đắp Pz1 tác động lên tường chắn phụ thuộc vào khối luợng riêng đất đắp (T/m3), góc ma sát đất đắp Hình 5.8 Sơ đồ tính toán tường chắn đất Trong đó: Pz1 - áp lực biên ngang đất (áp lực chủ động) Pz2 - áp lực biên ngang đất (áp lực thụ động) p - Tại trọng ngắn hạn bề mặt đỉnh tường ( tải trọng lớp đất xe cộ lại ) Gi - Trọng lượng riêng đất đắp tường chắn PA,PB - áp lực đất lên đáy tường Pn - áp lực nước ngầm - Theo định luật C.A Culông (1773), hợp lực áp lực đất Pz tác động lên tường chắn đặt vị trí cách đáy tường H/3 xác định trường hợp sau: - Trường hợp tải trọng phụ ®Ønh khèi ®Êt ®¾p: Trong ®ã: = Pz1 ϕ nγ H 2tg (450 − ) 2 Pz1 - áp lực biên ngang đất (áp lực chủ động) - Khối lượng riêng đất đắp; H Chiều cao tường chắn; Góc ma sát đất đắp ( góc nội ma sát) Trong điều kiện bình thường, khối lượng riêng đất đắp γ dao ®éng tõ 1,6 ®Õn 1,9 T/m3; gãc ma sát =300ữ450 hệ số vượt tải áp lực đất n=1,2 - Trường hợp đỉnh tường chắn có lớp đất tải trọng phụ tác động tải trọng phụ quy lớp đất có chiều cao tương đương lớp đất lắp h0 = q Lúc áp lực biên ngang đất Pz1 tác động lên tường chắn là: Pz1 = nγ H ( H + 2h0 )tg (450 − ) 2 - S¬ bé cã thĨ chọn bề rộng b đáy (đế móng) ®iỊu chØnh cho ¸p lùc cđa nỊn ®Êt t¸c ®éng vµo ®Õ mãng ë ®iĨm A vµ ®iĨm B thỏa mÃn điều kiện: N M PA,max = max + max ≤ 1, R0 F W PB ,min = N max M max − >0 F W Trong đó: PA, PB - áp lực đất lên đáy tường (đế móng) A, B; Nmax Tổng trọng lượng đất đắp tường chắn theo phương däc = N max ∑G i +p N = G i F Diện tích đáy (đế móng) tường chắn Mmax Tổng mômen tất lực xét tương trục qua trung ®iĨm ®¸y mãng M max = G1a1 + G3 a3 + Pz1.H / − G2 a2 W – M«men kháng uốn đáy (đế móng) trục ®i qua träng t©m ®Õ mãng; R0 – C­êng ®é tiêu chuẩn đất đế móng Tính toán mặt ổn định chống trượt cho tường chắn Bên cạnh việc tính toán cường độ cho tường chắn phải tính toán kiểm tra mặt ổn định chống lật chống trượt cho - Về mặt ổn định chống lật, dựa vào cấu tạo cụ thể tường chắn ta xác định ®iĨm xoay mÊt ỉn ®Þnh cđa t­êng ( ®iĨm A hình 5.8) Từ xác định tổng mômen lật ML tỷ số phải thỏa mÃn điều kiện sau: MG = K1 ≥ 1,5 M L - Trong ®ã: M G = G1c1 + G2 c2 + G3c3 - Tổng mômen giữ M L = Pz1.H / - Tỉng moomen lËt - KiĨm tra chèng tr­ỵt cho t­êng chắn phải tuân theo điều kiện: tổng lực G.f tổng lực gây trượt Pz1 phải thỏa mÃn điều kiÖn: = K2 ∑ G f Pz1 ≥ 1, Trong đó: f Hệ số ma sát bê tông đáy móng đất phía dưới, lấy f=0,3ữ0,6 Nguyên lý đặt cốt thép chịu lực cho tường chắn: Hình 5.9 Sơ đồ tính toán đặt thép chịu lực cho tường chắn - Cốt thép thân tường móng tính toán tiết diện 1-1; 2-2; 3-3 với quan niệm congxon ngàm mặt cắt chịu áp lực đất Cốt thép chịu lực đặt vùng tương ứng - Trên hình 5.9 thể nguyên lý đặt cốt thép chịu lực cho tường chắn Đối với tường chắn có sườn, sở kích thước ô tường chắn lúc ta xem xét chúng loại dầm hay kê cạnh, sau xác định áp lực đất tác động cho ô tường ta tính toán nội lực loại ô bản: loại dầm, kê cạnh từ bố trí cấu tạo cốt thép cho phù hợp VI Cấu tạo cốt thép cho tường chắn BTCT toàn khối Hình 5.10 Cấu tạo cốt thép cho tường chắn toàn khối 1-Thép chịu lực; 2-Thép chịu lực gia cường; 3-ThÐp cÊu t¹o