CHƯƠNG 3
NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO
3.1 NỘI DUNG VÀ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ KC BÊ TÔNG CỐT THÉP.
3.1.1 Nội dung và sản phẩm của thiết kế.
Thiết kế bắt đầu từ ý tưởng sau đó lập phương án và tiến hành phân tích, tính
toán. Sau đó thể hiện kết quả bằng ngôn ngữ và hình ảnh về kết cấu. Sản phẩm của
thiết kế kết cấu bê tông cốt thép thường có hai phần là bản vẽ và thuyết minh.
Thuyết minh trình bày cơ sở thiết kế, các lập luận và tính toán, các kết quả tính
toán kết cấu và dự toán (giá thành).
Bản vẽ thể hiện hình dáng, kích thước, cấu tạo của kết cấu cùng với các yêu cầu
kỹ thuật, các chỉ dẫn về vật liệu sử dụng…
Yêu cầu cơ bản của thiết kế là tính phù hợp với việc sử dụng, độ bền vững, tính
khả thi và tính kinh tế. Các yêu cầu này đều quan trọng nhưng với mức độ khác nhau
tùy vào từng kết cấu cụ thể.
3.1.2 Các bước thiết kế.
Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép gồm hai việc chính là tính toán và cấu tạo.
Quy trình thường theo bảy bước như sau:
- Bước 1: Mô tả, giới thiệu kết cấu.
Trình bày về vị trí, nhiệm vụ, đặc điểm của kết cấu, lựa chọn phương án, thể
hiện mặt bằng kết cấu, hình dáng và các kích thước cơ bản của kết cấu.
- Bước 2: Chọn sơ bộ kích thước các bộ phận.
Sơ bộ chọn các kích thước của các bộ phận chính như chiều dày bản sàn, chiều
dày tường, kích thước dầm, cột…
Chọn vật liệu như chọn loại bê tông, cấp độ bền của bê tông, nhóm cốt thép,
loại cốt thép… căn cứ vào đặc điểm kết cấu, khả năng cung cấp vật liệu, khả năng thi
công.
- Bước 3: Lập sơ đồ tính toán.
Trong bước này kết cấu thực được mô hình thành các sơ đồ tính. Các liên kết
thực tế được chuyển thành các liên kết lý thuyết. Các liên kết lý thuyết phải lựa chọn
hợp lý trên cơ sở phân tích khả năng ngăn cản chuyển vị của nó.
- Bước 4: Xác định tải trọng.

hoạt tải cần dựa vào các tiêu chuẩn, các tiêu chuẩn này đưa ra giá trị hoạt tải trên cơ sở
thống kê.
- Tải trọng đặt biệt là các tải trọng rất ít khi xảy ra như động đất, cháy nổ, bom
đạn…
Theo thời hạn tác dụng tải trọng được phân thành:
- Tải trọng tác dụng dài hạn: bao gồm tải tĩnh tải và một phần hoạt tải.
- Tải trọng tác dụng ngắn hạn: là phần còn lại của hoạt tải.
- Tải trọng tác dụng trùng lặp: các tải trọng có trị số thay đổi nhanh, lặp đi lặp
lại có tính chất chu kỳ, ví dụ như tải trọng do rung động.
3.2.2 Giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của tải trọng.
Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng (q
TC
) được lấy bằng các giá trị thường gặp trong
thực tế, nó được xác định bằng phương pháp thống kê theo thực tế sử dụng công trình.
Giá trị tính toán của tải trọng (q) có kể đến khả năng vượt tải, tức tải trọng tác
dụng có thể lớn hơn giá trị tải trọng tiêu chuẩn và gây bất lợi cho kết cấu. Do đó q
được lấy bằng q
TC
nhân với hệ số vượt tải.
q=n.q
TC
(3.1)
Theo TCVN 2737-1995, đối với tĩnh tải n=1,1÷1,3, đối với hoạt tải n=1,2÷1,4.
Trong trường hợp nếu giảm tải trọng thường xuyên mà lại gây bất lợi cho kết cấu (ví
dụ tường chắn đất) thì phải lấy n<1.
3.3 NỘI LỰC.
3.3.1 Xác định nội lực.
Nội lực trong kết cấu gồm mô men uốn M (M
x
, M

gây ra nội lực. Đối với hoạt tải, có thể xuất hiện hoặc không và thậm chí có thể đổi
chiều tác dụng (tải trọng gió). Ngay cả với hoạt tải do đồ đạc gây ra cũng có thể có
hoặc không, có thể xuất hiện ở chỗ này hoặc ở chỗ khác.
Do đó khi thiết kế cần phải tổ hợp nội lực để tìm ra giá trị bất lợi cho kết cấu:

∑
γ
+
=
ijg
SSS (3.2)
Trong đó S
g
là nội lực do tĩnh tải gây ra, S
ij
là nội lực do trường hợp thứ i của
hoạt tải thứ j gây ra còn γ là hệ số tổ hợp. S
g
luôn không đổi nhưng S
ij
thì thay đổi cả
về trị số và dấu, do đó cần phải lựa chọn để đưa vào giá trị nào gây ra bất lợi. Hệ số tổ
hợp γ=1 khi chỉ lấy 1 hoạt tải và γ=0,9 khi lấy từ hai hoạt tải trở lên.
Một dạng khác để tìm nội lực nguy hiểm trong các cấu kiện là tổ hợp tải trọng.
Theo cách này thì không tính nội lực từng trường hợp tải rồi lựa chọn để cộng tác dụng
mà tiến hành tổ hợp trước các loại tải trọng, sau đó tính nội lực với tải trọng tổ hợp
này.
Cách tổ hợp nội lực hay tổ hợp tải trọng được trình bày trong các loại cấu kết
cấu cụ thể và thuộc học phần Kết cấu bê tông cốt thép 2, là phần tiếp theo của học
phần này.

là mô men do trường hợp thứ i
của hoạt tải thứ j gây ra còn γ là hệ số tổ hợp.
Cách tổ hợp nội lực được trình bày kỹ trong phần Kết cấu nhà.
3.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VỀ BÊ TÔNG CỐT THÉP.
3.4.1 Đại cương về các phương pháp.
Sau khi xác định nội lực tính toán, tiến hành tính cốt thép hoặc kiểm tra. Đối
với bài toán kiểm tra, đã biết trước kích thước tiết diện, bố trí cốt thép, cần xác định
xem có đảm bảo an toàn không. Với bài toán tính cốt thép xuất phát từ yêu cầu an toàn
của kết cấu để tính lượng cốt thép cần thiết và bố trí cốt thép đó trong kết cấu.
* Phương pháp ứng suất cho phép: Đầu thế kỷ XX, người ta sử dụng phương
pháp này với điều kiện an toàn là:
[
]
σ
≤
σ
(3.4)
Trong đó:
σ
là ứng suất do nội lực gây ra và
[
]
σ
là ứng suất cho phép của vật
liệu.
Phương pháp này quan niệm vật liệu hoàn toàn đàn hồi do đó chưa phản ánh
đúng sự làm việc thực tế của bê tông.
* Phương pháp nội lực phá hoại: Giữa thế kỷ XX, người ta chuyển sang sử
dụng phương pháp nội lực phá hoại với điều kiện an toàn là:
kS

là khả năng chịu
lực của kết cấu khi nó làm việc ở trạng thái giới hạn.
S
gh
phụ thuộc vào kích thước tiết diện, diện tích và cách bố trí cốt thép, cường
độ tính toán của bê tông và cốt thép…Cách xác định S
gh
được trình bày ở các chương
tiếp theo.
3.4.3 Trạng thái giới hạn thứ hai
Đây là trạng thái giới hạn về điều kiện làm việc bình thường, tính toán theo
trạng thái này nhằm đảm bảo kết cấu không bị nứt hay biến dạng quá mức cho
phép…Điều kiện tính toán là:
a
crc
≤a
gh
(3.7
f≤f
gh
(3.8)
Trong đó: a
crc
,f là bề rộng khe nứt và biến dạng của kết cấu do tải trọng tiêu
chuẩn gây ra, a
gh
,f
gh
là giới hạn cho phép của bề rộng và của biến dạng để đảm bảo
điều kiện làm việc bình thường.

cường độ tính toán.
Cường độ tính toán của bê tông được xác định theo công thức:
bc
bnbi
b
R
R
γ
γ
= và
bt
btnbi
bt
R
R
γ
γ
= (3.8)
Trong đó:
-
bi
γ
là hệ số điều kiện làm việc của bê tông được cho ở phụ lục 4.
-
bn
R và
btn
R là cường độ tính toán gốc chịu nén và chịu kéo của bê tông, giá trị
tham khảo ở phụ lục 3.
-

là hệ số điều kiện làm việc của cốt thép.
-
sn
R là cường độ tính toán gốc của cốt thép.
-
s
γ
là hệ số độ tin cậy của cốt thép. Khi tính toán lấy 2,105,1
s
÷
=
γ
tùy thuộc
loại thép.
s
R của thép thanh và thép sợi được cho ở phụ lục 5 và 6.
* Theo trạng thái giới hạn thứ hai:
Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai ta sử dụng tải trọng tiêu chuẩn và
cường độ tiêu chuẩn. Để thống nhất ta coi cường độ tính toán và cường độ tiêu chuẩn
khi tính theo trạng thái giới hạn thứ hai là như nhau và ký hiệu là
ser,b
R và
ser,s
R .
Một cách khác đơn giản hơn là vẫn sử dụng các công thức 3.8 và 3.9 với tất cả
các hệ số γ=1.
3.5 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO.
3.5.1 Chọn kích thước tiết diện.
Kích thước tiết diện được chọn sơ bộ để tính cốt thép. Sau đó tính tỉ lệ cốt thép
A

toán. Tuy nhiên trong kết cấu có nhiều ứng suất phát sinh do thay đổi nhiệt độ, do co
ngót của bê tông…mà không tính toán được. Do đó cần phải đặt cốt thép để chịu các
ứng suất này gọi là cốt thép cấu tạo. Ngoài ra cốt thép cấu tạo còn được đặt để ngăn
cản sự phát triển của các vết nứt, để chịu tải trọng tập trung …Mặc dù gọi là cốt thép
cấu tạo nhưng vai trò của nó rất quan trọng, nếu bố trí không hợp lý sẽ không phát huy
hết khả năng chịu lực, gây nứt và hư hỏng cục bộ.
3.5.4 Lớp bảo vệ cốt thép.
Lớp bảo vệ là khoảng cách từ mép ngoài của bê
tông đến mép cốt thép gần nhất. Vai trò của nó là bảo
vệ cốt thép trước các tác động của môi trường và đảm
bảo sự làm việc đồng thời của bê tông và cốt thép.
Lớp bảo vệ cốt thép dọc chịu lực ký hiệu là C
1

còn lớp bảo vệ cốt thép đai là C
2
.
Trong mọi trường hợp C
1
và C
2
không được nhỏ
hơn giá trị C
0
xác định như sau:
* Với thép dọc chịu lực:
- Trong bản và tường có chiều dày:
+ Nhỏ hơn hoặc bằng 100 mm: C
0
=10 mm (15 mm)

- Khi chiều cao tiết diện lớn hơn hoặc bằng 250 mm: C
0
=15 mm (20 mm)
Chú ý: Những giá trị trong ngoặc áp dụng khi kết cấu ngoài trời và những nơi
ẩm ướt. Kết cấu đặt trong những vùng chịu ảnh hưởng của môi trường (nướ mặn) cần
tăng chiều dày lớp bảo vệ theo TCXDVN 327-2004. Nếu môi trường xâm thực mạnh
cần có thêm các lớp ốp hay các lớp bảo vệ đặt biệt.
3.5.5 Khoảng hở của cốt thép.
Cốt thép được đặt với
khoảng hở t đủ rộng để vữa bê
tông có thể dễ dàng lọt qua và
xung quanh mỗi thanh cốt thép
luôn có một lớp bê tông để đảm
bảo lực dính bám. Theo TCXDVN
356-2005 quy định t như sau:
t ≥(φ
max
, t
0
)
Trong đó:
- φ
max
là đường kính cốt
thép lớn nhất (trên hình là d).
- t
0
là khoảng cách cốt thép tối thiểu, được xác định như sau:
* Khi cốt thép đặt nằm ngang, xiên lúc đổ bê tông
- Cốt thép đặt dưới: t

Cốt thép trong khung và lưới hàn, cốt thép chịu nén trong cột dùng neo thẳng.
Cốt thép tròn trơn chịu kéo trong khung và lưới buộc dùng neo móc. Cốt thép có gờ
trong khung và lưới buộc dùng neo thẳng hoặc neo gập.
Đoạn neo
(chiều dài neo) cốt
thép tính từ đầu mút
thanh đến tiết diện
mà nó được sử dụng
toàn bộ khả năng
chịu lực, ký hiệu là
l
an
tính theo công thức
φ








∆+ω=
an
b
s
anan
R
R
l (3.10)

dụng các biện pháp neo bổ trợ như hàn bản neo vào đầu mút thanh. Cần tính toán bản
neo theo chịu lực cục bộ và chiều dài đoạn neo cũng không được nhỏ hơn 10φ.
Tại gối biên tự do của cấu kiện chịu uốn có lực cắt lớn nhưng M=0 cần tuân
theo các chỉ dẫn về cấu tạo cốt thép dọc chịu uốn trên tiết diện nghiêng.

Bảng 3.1 Các hệ số trong công thức 3.10
Hệ số
an
ω
và
an
λ

Cốt thép có gờ Cốt thép tròn trơn

Điều kiện làm việc của cốt thép
an
ω

an
λ

an
ω

an
λ

Hệ số
an

- Trong bê tông chịu kéo
- Trong bê tông chịu nén.

0,9
0,65

20
15

1,55
1

20
15

11
8

250
200

3.5.7 Nối cốt thép.
Thép được nối khi chiều dài thanh thép không đủ hay nếu dùng thanh thép dài
quá sẽ gây trở ngại cho thi công (khi phải dựng đứng thanh thép).
Hiện nay có ba cách nối, nối hàn, nối buộc và nối ống lồng.
* Nối hàn:
+ Hàn tiếp xúc (hình 3.5 a): Được hàn bằng máy chuyên dụng, nối các thanh có
d > 10 mm, tỷ lệ đường kính giữa hai thanh không nhỏ hơn 0,85.
+ Hàn hồ quang: Có thể dùng thanh kẹp (hình 3.5 b) hoặc uốn như hình 3.5 c
nhưng phải đảm bảo cho trục hai thanh thép trùng nhau.

htt
h
l
l
maxl .
Trong các công thức trên d là đường kính cốt thép, l
htt
là chiều dài đường hàn
theo tính toán, l
min
là chiều dài đường hàn tối thiểu. Giá trị l
min
được xác định như sau:
l
min
= 4d khi dùng thanh kẹp hàn hai bên, l
min
= 8d khi dùng thanh kẹp hàn một bên,
l
min
= 5d khi không dùng thanh kẹp hàn hai bên, l
min
= 10d khi không dùng thanh kẹp
hàn một bên.
Hàn đối đầu dùng khi d lớn và phait dùng máng lót (hình 3.5 d). Yêu cầu của
mối hàn là khi bị kéo đứt, chỗ đứt phải nằm ngoài phạm vi của mối hàn.
Cốt thép nhóm CIV, A-IV, cốt thép được gia cường bằng cơ, nhiệt cần xem tiêu
chuẩn kỹ thuật. Một số trường hợp không được nối hàn được trình bày trong giáo
trình.
* Nối chồng (nối buộc):

Nếu các cốt thép có đoạn vẽ trùng lên nhau thì phải thể hiện đầu mút của thanh thép.
Nếu có uốn móc thì vẽ móc, nếu để thẳng thì vẽ quy ước móc nhọn như thanh thép số
2, số 5 ở hình 3.7.
Thép đai được vẽ toàn bộ nếu đặt không đều, nếu đặt đều trong một đoạn nào
đó thì vẽ đại diện. Trên hình 3.7 thanh thép đai số 6A gồm có 12 thanh đường kính
6mm đặt cách nhau 150mm.
Trong tường mặt chính là hình chiếu đứng còn bản sàn mặt chính là hình chiếu
bằng. Cốt thép trong bản và tường thường đặt dưới dạng lưới. Nếu đặt đều thì chỉ cần
vẽ đại diện một số thanh như hình 3.8.
Thanh thép được thể hiện bằng một nét đậm, bề dày nét không cần tỷ lệ với
đường kính. Nếu dùng hai nét để thể hiện đường bao thanh thép thì khoảng cách giữa
hai nét phải tỷ lệ với đường kính thanh thép.
Các mặt cắt thường vuông góc với mặt chính, trên mặt cắt chỉ thể hiện cốt thép
có ở mặt cắt đó. Tỷ lệ kích thước các mặt cắt của cùng cấu kiện phải giống nhau và có
kích thước đầy đủ.
Ký hiệu cốt thép thường dùng các con số đặt trong vòng tròn. Các thanh thép
giống nhau (loại thép, đường kính, hình dáng, chiều dài) được ký hiệu cùng một số.
Nếu trên mặt chính đầu mút của thanh thép bị lẫn vào các thanh khác thì phải ký hiệu
và đánh số thanh tại đầu mút đó (xem thanh thép số 2, 5 trên hình 3.7).
Nếu hình dáng các thanh thép đơn giản thì thể hiện nó trong bảng thống kê cốt
thép. Nếu hình dáng thanh thép phức tạp thì cần vẽ triển khai thanh thép đó với kích
thước đầy đủ.
Trên bản vẽ thường có thêm bảng thống kê cốt thép, các ghi chú cần thiết.