Tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

Trong công tác thiết kế công trình thì việc thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép là một trong những công đoạn vô cùng quan trọng. Chính vì thế mà người ta đã đặt ra những tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu loại vật liệu này. Và yêu cầu các kỹ sư phải tuân thủ trong suốt quá trình thiết kế và thi công công trình. Những tiêu chí đó là gì? Hãy cùng khám phá ngay trong bài viết dưới đây. 

Đối tượng áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

Đối tượng áp dụng 

Tiêu chuẩn được áp dụng với các công trình có chức năng khác nhau. Các công trình phải chịu tác động nhiệt độ có hệ thống, cụ thể là hệ thống của nhiệt độ không cao hơn 50 độ C, không thấp hơn 70 độ C và làm việc trong môi trường không xâm thực. 

Yêu cầu các tác dụng đối với các thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được chế tạo từ bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ, bê tông tổ ong và bê tông tự ứng suất. 

Dối tượng áp dụng tiêu chuẩn bê tông cốt thép

Đối tượng không quy định

Vì các công trình thiết kế cũng như vật liệu xây dựng công trình được phân chia thành nhiều loại. Thế nên để tránh nhầm lẫn, thì tiêu chuẩn còn quy định rõ ràng về các đối tượng không được áp dụng tiêu chuẩn. Cụ thể: 

  • Không quy định thiết kế kết cấu của liên hợp thép – bê tông, kết cấu bê tông cốt sợi, kết cấu bán lắp ghép, kết cấu bê tông và bê tông cốt thép của các công trình thủy công, mặt đường ô tô, đường băng và một số công trình đặc biệt khác. 
  • Các kết cấu được chế tạo từ bê tông có khối lượng thể tích trung bình nhỏ hơn 500 kg/m3 và lớn hơn 2500kg/m3 
  • Các kết cầu được làm từ bê tông polyme và polyme bê tông, bê tông dùng cốt liệu đặc biệt, bê tông có cấu trúc rỗng lớn, bê tông trên nền chất kết dính là bê tông là vôi, xỉ và chất liệu dính hỗn hợp (trừ trường hợp sử dụng chúng trong bê tông tổ ong), trên nền thạch cao và chất kết dính đặc biệt. 

Tiêu chuẩn chung về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

Giống với bất cứ tiêu chuẩn khác, tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép đều bắt buộc phải đặt các quy định này lên đầu tiên. Dựa vào các tiêu chí này để thực hiện thiết kế kết cấu cho công trình: 

  • Các quy định về an toàn 
  • Các quy định về điều kiện sử dụng bình thường
  • Các quy định về độ bền lâu
  • Các yêu cầu bổ sung nêu trong nhiệm vụ thiết kế

Điều kiện thực hiện các yêu cầu về an toàn 

Để đảm bảo đạt chuẩn các quy chuẩn về an tan thì kết cấu phải có đặc trưng ban đầu. Loại trừ được sự xâm nhập, phá hoại bất kỳ đặc điểm nào dưới sự tác động đã tính toán trong quá trình thiết kế và thi công kết cấu công trình. Hoặc loại trừ sự vi phạm điều kiện sử dụng bình thường làm hại đến cuộc sống, sức khỏe, tài sản của con người, ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, môi trường sống và sức khỏe của các loài động, thực vật. 

Điều kiện thực hiện các yêu cầu về điều kiện sử dụng bình thường

Để đảm bảo các yêu cầu về điều kiện sử dụng bình thường thì kết cầu phải có đặc trưng ban đầu sao cho dưới các tác động khác nhau  được tính toán không xuất hiện hay mở rộng các vết nứt quá mức, hay không xảy ra chuyển vị quá mức, dao động, hoặc các hư hỏng khác gây cản trở cho lối sống sinh hoạt, sử dụng bình thường. 

Trong các trường hợp cần  thì kết cấu phải đảm bảo đáp ứng các chức năng được yêu cầu như yêu cầu về cách nhiệt, cách âm, bảo vệ sinh học và các yêu cầu khác. 

Điều kiện thực hiện các yêu cầu về độ bền lâu

Trong suốt khoảng thời gian dài đã thiết lập, công trình vẫn đảm bảo các yêu cầu về an toàn và điều kiện sử dụng có kể đến ảnh hưởng của các tác động tính toán khác nhau (tải trọng, biến đổi khí hậu khắc nghiệt, công nghệ, nhiệt độ và độ ẩm, tác động của xâm thực,…) đến các đặc trưng hình học của kết cấu và đặc điểm cơ học của vật liệu thi công. 

Điều kiện thực hiện các yêu cầu về độ bền lâu

Các yêu cầu bổ sung trong nhiệm vụ thiết kế 

Quy định về an toàn, điều kiện sử dụng bình thường, độ bền lâu của kết cấu bê tông và bê tông cốt thép cần được đảm bảo bởi việc thực hiện: 

  • Các yêu cầu đối với bê tông và các thành phần của nó
  • Các yêu cầu đối với cốt thép
  • Các yêu cầu đối với tính toán kết cấu
  • Các yêu cầu cấu tạo 
  • Các yêu cầu công nghệ 
  • Các yêu cầu sử dụng

Các yêu cầu khác về tải trọng và tác động, khả năng chịu lửa, khả năng chống thấm nước, các gia trị của giới hạn biến dạng, các gia trị tính toán của nhiệt độ không khí bên ngoài và độ ẩm tương đối của môi trường, yêu cầu về bảo vệ kết cấu chịu tác động của môi trường xâm thực và các yêu cầu khác được quy định trong các tiêu chuẩn tương ứng 

Giá trị cơ bản để tính toán kết cấu bê tông cốt thép

Theo phương pháp tính toán bán xác xuất, độ tin cậy của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được tính bằng cách sử dụng các gia trị tính toán tải trọng và tác động, các đặc trưng tính toán của bê tông và bê tông cốt thép. Chúng được xác định bằng các hệ số độ tin cậy riêng tương ứng với các đặc trưng của giá trị tiêu chuẩn có kể đến mức độ quan trọng của nhà hay công trình. 

Trong đó: 

  • Giá trị tính toán của tải trọng và tác động lấy phụ thuộc vào trạng thái giới hạn tính toán và trường hợp tính toán.
  • Mức độ tin cậy của các giá trị tính toán tương ứng với các đặc trưng thì phụ thuộc vào tính toán của nguy cơ đạt tới trang jthais giới hạn tương ứng và được điều chỉnh bằng giá trị của hệ số đo độ tin cậy về bê tông và bê tông cốt thép. 
  • Tính toán kết cấu bê tông có thể được tính theo giá trị độ tin cậy tiện định trên cơ sở tính toán xác suất toàn phần khi có đủ số liệu về sự biến động của các yếu tố chính trong các công thức tính toán. 

Tiêu chuẩn về vật liệu trong kết cấu bê tông cốt thép 

Các chỉ tiêu chất lượng của bê tông được dùng trong thiết kế

Các loại bê tông và bê tông cốt thép phù hợp được sử dụng trong thiết kế bao gồm:

  • Bê tông nặng, bao gồm cả bê tông tự ứng suất, có khối lượng thể tích trung bình từ 2 200 kg/m3 đến 2500kg/m3
  • Bê tông hạt nhỏ có khối lượng thể tích trung bình từ 1800kg/m3 đến 2200kg/m3;
  • Bê tông nhẹ có khối lượng thể tích trung bình từ 800kg/m3 đến 1400kg/m3
  • Bê tông tổ ong có khối lượng thể tích trung bình từ 500kg/m3 đến 1200kg/m3

Quy định loại bê tông và các chỉ tiêu chất lượng của nó được kiểm soát trong thi công công trình xây dựng

Các lưu ý về chỉ tiêu chất lượng quy định của bê tông như sau:

  • Các chỉ tiêu chất lượng quy định cần được kiểm soát bao gồm: 
    • Cấp cường độ chịu nén B
    • Cấp cường độ chịu kéo dọc trục Bt
    • Mác chống thấm nước W
    • Mác khối lượng thể tích trung bình D
    • Mác tự ứng suất Sp
  • Các chỉ tiêu chất lượng quy định của bê tông phải được quy định trong khâu thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép dựa trên cơ sở kết quả tính toán và điều kiện sử dụng bình thường. 
  • Các chỉ tiêu chất lượng phải đảm bảo khi thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép có kể đến công nghệ chế tạo nó và thi công công tác bê tông. Các chỉ tiêu chất lượng quy định phải được kiểm soát cả trong quá trình thi công bê tông. 
  • Các chỉ tiêu này cần phù hợp với tính toán và các điều kiện chế tạo, sử dụng kết cấu, có kể đến các tác động khác nhau của môi trường xung quanh và các tính chất bảo vệ bê tông đối với các loại cốt thép được lựa chọn áp dụng. 
  • Cấp cường độ chịu nén của bê tông B được chỉ định đối với tất cả các loại bê tông và kết cấu.
  • Cấp cường độ chịu nén dọc trục Bt được chỉ định trong các trường hợp khi mà đặc trưng này có ý nghĩa quyết định đến sự làm việc của kết cấu và nó được kiểm soát trong sản xuất. 
  • Mác chống thấm nước của bê tông W được chỉ định đối với các kết cấu có yêu cầu về hạn chế độ chống thấm nước.
  • Mác tự ứng suất của bê tông được chỉ định đối với các kết cấu tự ứng suất khi mà các đặc trưng này được kể vào tính toán và chịu sự kiểm soát trong sản xuất.
  • Đối với các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép thì cần sử dụng bê tông với các cấp mác đã được quy định trong các bảng A  – E
Bảng A: Các cấp mác của bê tông theo độ chịu nén được quy định trong tiêu chuẩn
Bảng A.1: Các cấp mác của bê tông theo độ chịu nén được quy định trong tiêu chuẩn
Bảng B: Các cấp mác của bê tông theo độ chịu kéo dọc trục được quy định trong tiêu chuẩn
Bảng C: Các cấp mác của bê tông theo khả năng chống thấm nước
Bảng D: Các cấp mác của bê tông theo khối lượng thể tích trung bình
Bảng E: Mác bê tông tự ứng suât
  • Tuổi thiết kế bê tông là bê tông đạt tất cả các tiêu chuẩn về chất lượng quy định, được chỉ định khi thiết kế xuất phát từ thời hạn chất tải thực tế có thể của kết cấu bằng các tải trọng theo thiết kế, có kể đến các phương pháp thi công kết cấu và các điều kiện đóng rắn bê tông. Khi không có các thông số, số liệu trên thì cấp bê tông được quy định ở tuổi thiết kế là 28 ngày. 
  • Các tiêu chuẩn về cường độ chịu nén của bê tông, bê tông cốt thép, bê tông ứng suất,… phải được áp dụng theo cấp cường độ chịu nén cụ thể:
    • Đối với bê tông và bê tông cốt thép: không thấp hơn B15
    • Đối với bê tông ứng suất trước: Phụ thuộc vào cấp cường độ chịu kéo của cốt thép ứng suất trước, nhưng không nhỏ hơn B20
  • Nếu không có căn cứ thực nghiệm thì không được phép sử dụng bê tông hạt nhỏ vào kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của tải trọng lặp lại nhiều lần, và các kết cấu ứng suất trước có nhịp lớn hơn 12m với cốt thép bằng dây kéo nguội và cáp.
  • Cấp cường độ chịu nén của bê tông hạt nhỏ là không nhỏ hơn B20, còn nếu dùng cho việc bơm vào các ống lồng thì cấp cường độ chịu nén không nhỏ hơn B25. 
  • Mác chống thấm nước của bê tông cần được chỉ định phụ thuộc vào điều kiện sử dụng và mức tác động của môi trường xâm thực. 

Các chỉ tiêu chất lượng của cốt thép được dùng trong thiết kế

Khi thiết kế nhà và công trình bê tông cốt thép phù hợp với các yêu cầu đối với kết cấu bê tông và bê tông cốt thép thì bắt buộc phải quy định các loại cốt thép sử dụng và kiểm soát các chỉ tiêu chất lượng của nó

Dưới đây là một số loại thép được sử dụng làm cốt trong bê tông cốt thép và các tiêu chuẩn tương ứng với mỗi loại: 

  • Thép thanh cán nóng trơn với đường kính từ 6mm đến 40mm theo TCVN 1651-1:2008 và thép thanh cán nóng có gân với đường kính từ 6mm đến 50mm theo TCVN 1651-2:2018;
  • Thép thanh gia công cơ nhiệt với đường kính từ 15 mm đến 40mm theo TCVN 6284-5:1997 (ISO 6934-5:1991);
  • Dãy thép vuốt nguội với đường kính từ 5mm đến 12mm theo TCVN 6288:1997 (ISO 10544:1992);
  • Dây thép kéo nguội với đường kính từ 2,5 mm đến 12,2 mm theo TCVN 6284-2:1997 (ISO 6394- 2:1991);
  • Cáp 7 sợi hoặc 19 sợi với đường kính từ 9,3 mm đến 21,8 mm theo TCVN 6284-4:1997 (ISO 6934-4:1991). Cáp được phân thành loại có bề mặt trơn, có gân, hoặc lồi lõm (có vết ấn), hoặc được nén chặt từ dây thép trơn.

Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của cốt thép được quy định trong công tác thiết kế chính là cấp cường độ chịu kéo của cốt thép. 

Cấp cường độ chịu kéo của cốt thép thỏa mãn giá trị được đảm bảo của giới hạn chảy thực tế hoặc quy ước bằng giá trị của ứng suất tương đương với độ giãn dài dư tương đối 0,1% hoặc 0,2%. Xác suất đảm bảo không nhỏ hơn 0.95 theo các tiêu chuẩn tương ứng. 

Các yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng bổ sung như tính hàn được, tính dẻo, tính chịu lạnh, tính chống ăn mòn, các đặc trưng bám dính với bê tông,… sẽ được quy định thêm trong các trường hợp cần thiết. 

Khi lựa chọn loại cốt thép đặt theo tính toán, cũng như thép cán định hình để làm các chi tiết đặt sẵn thì cần kể đến các điều kiện nhiệt độ làm việc của các kết cấu và đặc điểm chất tải của chúng.

Khi thiết kế vùng truyền ứng suất trước, neo cốt thép trong bê tông và các mối nối chồng cốt thép (không hàn) thì cần kể đến đặc điểm bề mặt cốt thép.

Khi thiết kế các mối nối hàn cốt thép thì cần kể đến biện pháp gia công cốt thép.

Đối với các móc cẩu (móc nâng) của các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép lắp ghép thì cần sử dụng thép cán nóng loại trơn CB240-T, CB300-T. 

Cốt thép cần tiêu chuẩn nhất định

Tiêu chuẩn chung về kết cấu bê tông cốt thép không ứng suất

Tiêu chuẩn cấu kiện bê tông cốt thép theo các trạng thái giới hạn thứ nhất

Cấu kiện bê tông cốt thép được tính toán theo độ bền chịu tác dụng của mô men uốn, lực dọc, lực cắt, mô men xoắn và chịu tác dụng của tải trọng cục bộ (nén cục bộ, chọc thủng).

Với mỗi phép tính toán độ bền của kết cấu theo các diện, người ta lại có những tiêu chuẩn và phương pháp tính toán riêng. Vì vậy, khi tính toán độ bền đòi hỏi rất nhiều thời gian và công sức. Các phương pháp tính toán cũng rất phức tạp, cần phải tính toán kỹ lưỡng để có thể xác định số liệu sao cho chuẩn xác. 

Tiêu chuẩn cấu kiện bê tông cốt thép theo các trạng thái giới hạn thứ hai

Tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm:

  • Tính toán theo sự hình thành vết nứt
  • Tính toán theo sự mở rộng vết nứt
  • Tính toán biến dạng.

Tính toán theo sự hình thành vết nứt được tiến hành khi phải đảm bảo không có vết nứt được hình thành, cũng như được coi là phép tính toán bổ sung khi tính toán mở rộng vết nứt và tính toán biến dạng.

Khi tính toán theo sự hình thành vết nứt với mục đích không cho phép vết nứt xuất hiện thì lấy hệ số độ tin cậy về tải trọng γf > 1,0. Khi tính toán mở rộng vết nứt và tính toán biến dạng thì lấy hệ số độ tin cậy về tải trọng γf = 1,0.

Cũng như tính toán độ bền, các phép tính trong tiêu chuẩn này cũng đo lường dựa trên sự hình thành và mở rộng vết nứt, theo biến dạng. 

Tiêu chuẩn chung về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

Bê tông cốt thép ứng suất trước là gì? 

Là kết cấu bê tông cốt thép kết hợp ứng lực căng rất cao của cốt thép ứng suất trước và sức chịu nén của bê tông. Từ đó, bên trong kết cấu vật liệu xuất hiện những biến dạng ngược. 

Loại bê tông cốt thép ứng suất trức này có khả năng ưu việt đó là chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông thông thường. Vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường.

Tiêu chuẩn chung về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

Tính toán cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước theo các trạng thái giới hạn thứ nhất

Tính toán cấu kiện ứng suất trước được tiến hành đối với giai đoạn sử dụng chịu tác dụng của mô men uốn và lực cắt do ngoại lực và đối với giai đoạn nén trước chịu tác dụng của nội lực do căng trước cốt thép và nội lực do ngoại lực tác dụng trong giai đoạn nén trước.

Tính toán độ bền các cấu kiện ứng suất trước khi có tác dụng của mô men uốn được tiến hành đối với các tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện.

Đối với các cấu kiện bê tông cốt thép, mà trong đó nội lực giới hạn về độ bền nhỏ hơn nội lực giới hạn về hình thành vết nứt, thì diện tích cốt thép dọc chịu kéo cần phải lấy tăng thêm không ít hơn 15 % so với diện tích cốt thép yêu cầu từ tính toán độ bền hoặc lấy bằng diện tích từ tính toán độ bền chịu mô men hình thành vết nứt.

Tính toán các cấu kiện ứng suất trước trong giai đoạn nén trước được tiến hành như đối với trường hợp chịu nén lệch tâm với lực nén trước

Tính toán cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước theo các trạng thái giới hạn thứ hai

Tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm:

  • Tính toán theo sự hình thành vết nứt
  • Tính toán theo sự mở rộng vết nứt
  • Tính toán biến dạng.

Tính toán theo sự hình thành vết nứt được tiến hành khi phải đảm bảo các vết nứt không được hình thành, cũng như được coi là phép tính bổ sung khi tính toán chiều rộng vết nứt và tính toán biến dạng.

Các yêu cầu không được có vết nứt được đề ra: 

  • Đối với các kết cấu ứng suất trước, mà trong đó khi toàn bộ tiết diện của chúng là chịu kéo thì độ không thấm vẫn cần được đảm bảo (các kết cấu chịu áp lực chất lỏng hoặc khí, các kết cấu chịu tác động phóng xạ và các kết cấu tương tự)
  • Đối với các kết cấu đặc thù, cũng như đối với các kết cấu chịu tác động của môi trường xâm thực mạnh. Khi tính toán theo sự hình thành vết nứt với mục đích không cho vết nứt xuất hiện thì lấy hệ số độ tin cậy về tải trọng γf >1,0 (như khi tính toán độ bền). Khi tính toán mở rộng vết nứt và tính toán biến dạng (bao gồm cả tính toán bổ sung về hình thành vết nứt) thì lấy hệ số độ tin cậy về tải trọng γf = 1,0.
  • Tính toán cấu kiện ứng suất trước chịu uốn theo các trạng thái giới hạn thứ hai được tiến hành như đối với cấu kiện chịu nén lệch tâm dưới tác dụng đồng thời của mô men uốn do ngoại lực M và lực dọc Np (bằng lực nén trước P). 

Kết luận

Trên đây chỉ là tổng hợp về các tiêu chuẩn chung nhất được nhắc tới trong tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 – Thiết kế bê tông và bê tông cốt thép. Cho thấy, công việc thiết kế kết cấu vật liệu bê tông không hề đơn giản. Các kỹ sư và các giám sát viên cần đặc biệt chú ý về các thông số được tính toán để có thể hoàn thiện công trình an toàn và chắc chắn nhất. 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *