Chiều dài và chiều dài tính toán của kết cấu cột bê tông cốt thép
Trong kết cấu cột khung nhà có thể xem chiều dài mỗi cột bê tông cốt thép được tính từ mái đến móng. Tuy vậy trong tính toán ta chỉ xem mỗi cột chỉ là đoạn cột trong mỗi tầng. Chiều dài thật của cột ký hiệu là L ( Là chiều dài khoảng cách giữa hai liên kết với liên kết có tác dụng ngăn cản chuyển vị ngang của cột ).
Chiều dài tính toán của kết cấu cột bê tông là Lo được định nghĩa là: Chiều dài được xác định theo sơ đồ biến dạng của cột, được lấy bằng chiều dài bước sóng khi cột bị mất ổn định vì bị uốn dọc.
Lo=ψ.L
- ψ: Là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ biến dạng, cũng tức là phụ thuộc vào liên kết ở hai đầu cột. Với sơ đồ lý tưởng ψ được lấy theo hình bên dưới
Cần chú ý rằng sơ đồ lý tưởng là sơ đồ mà trong đó ngàm là liên kết cản trở mọi chuyển vị thẳng và xoay, khớp là liên kết càn trở chuyển vị thẳng ( nhưng xoay được ). Các liên kết trong thực tế không hoàn toàn giống liên kết lý tưởng.
- Trong kết cấu khung bê tông cố thép toàn khối, liên kết giữa dầm và cột chỉ có thể xem là liên kết cứng mà không phải là ngàm vì nút khung có thể có chuyển vị ngang và chuyển vị xoay.
Với các kết cấu thực tế, hệ số ψ được lấy trên cơ sở phân tích sơ đồ biến dạng
- Khung một nhịp, nhiều tầng có liên kết cứng giữa dầm và cột thì:
- Khi sàn toàn khối:
- Cột tầng 1 dưới cùng có ψ=1
- Cột các tầng trên ψ=1,25
- Khi sàn lắp ghép:
- Cột tầng 1 dưới cùng có ψ=1
- Cột các tầng trên ψ=1,25
- Khi sàn toàn khối:
- Khung nhiều tầng có liên cứng giữa dầm và cột, có hai nhịp ( ba cột ) mà tổng hai nhịp B nhỏ hơn một phần ba chiều cao H thì hệ số
- ψ đươc lấy theo mục A ở trên nhân với 0,85
- Khung nhiều tầng có liên kết cứng giữa dầm và cột có từ ba nhịp ( 4 cột ) trở lên hoặc có hai nhịp mà tổng hai nhịp lớn hơn 1/3 chiều cao toàn khung.
- Khi sàn toàn khối thì ψ=0,7
- Khi sàn lắp ghép ψ=1
- Khung đỡ cầu trục, khung nhà công nghiệp một tầng có cột liên kết khớp với kết cấu mái mà mái thì cứng trong mặt phẳng của nó, có khả năng truyền tải trọng ngang thì lấy Lo theo bảng dưới
Chọn tiết diện kết cấu cột bê tông cốt thép
Hình dáng tiết diện kết cấu cột bê tông thường là chữ nhật, vuông, hình tròn. Cũng có thể gặp tiết diện chữ T, chữ I hoặc vòng khuyên.
Việc chọn hình dáng, kích thước tiết diện cột dựa vào các yêu cầu về kiến trúc , kết cấu và thi công
- Về kiến trúc, đó là yêu cầu về thẩm mỹ và yêu cầu về sử dụng không gian. Với các yêu cầu này người thiết kế kiến trúc định ra hình dáng và các kích thước tối đa, tối thiểu có thể chấp nhận được rồi thảo luận với người thiết kế kết cấu để sơ bộ chọn lựa
- Về kết cấu, kích thước tiết diện cột cần bảo đảm độ bền và độ ổn định. Độ bền được tính toán hoặc kiểm tra ( đây là nội dung chính của tài liệu này )
- Về độ ổn định đó là việc hạn chế độ mảnh theo công thức:
- Trong đó
- i là bán kính quán tính của tiết diện. Với tiết diện chữ nhật cạnh b ( hoặc h ) thì i=0,288b ( 0,288h ). Với tiết diện tròn đường kính D thì i=0,25D
- λgh là độ mảnh giới hạn với cột nhà λgh=100.
- Về thi công, đó là việc chọn kích thước tiết diện cột thuận tiện cho việc làm và lắp dựng ván khuôn, việc đặt cốt thép và đổ bê tông. Theo yêu cầu này kích thước tiết diện nên chọn là bội số của 2,5 hoặc 10cm
- Việc chọn kích thước cột theo độ bền ( chọn sơ bộ ) có thể tiến hành bằng cách tham khảo các kết cấu tương tự ( đã được xây dựng hoặc thiết kế ), theo kinh nghiệm thiết kế hoặc bằng cách tính toán gần đúng thì.
Diện tích tiết diện cột là Ao xác định theo công thức:
- Trong đó Rb là cường độ tính toán về nén của bê tông.
- N: Là lực nén, được tính toán gần đúng như sau: N=ms.q.Fs
- Fs: Là diện tích mặt sàn truyền tải trọng lên cột đang xét
- ms: Là số sàn phía trên tiết diện đang xét ( kể cả mái )
- q: Là tải trọng tương đương tính trên mỗi mét vuông mặt sàn trong đó gồm tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời trên bản sàn, trọng lượng dầm, tường, cột đem tính ra phân bố đều trên sàn. Giá trị q được lấy theo kinh nghiệm thiết kế.
- Với nhà có bề dày sàn là bé ( 10:14 cm kể cả các lớp cấu tạo mặt sàn ), có ít tường, kích thước của dầm và cột thuộc loại bé. q=10-14kN/m2 tức từ 1-1,4 T/m2
- Với nhà có bề dày sàn trung bình 15-20cm, tường, dầm, cột là trung bình hoặc lớn thì q=15-18kN/m2
- Với nhà có bề dày sàn khá lớn ( trên 2cm ), cột và dầm đều lớn thì q có thể lên đến 20kN/m2 hoặc hơn nữa
- kt: Là hệ số xét tới ảnh hưởng khác như momen uốn, hàm lượng cốt thép, độ mảnh của cột. Xét sự ảnh hưởng này theo sự phân tích và kinh nghiệm của người thiết kế, khi ảnh hưởng của momen là lớn, độ mảnh cột lớn ( Lo lớn ) thì lấy kt lớn vào khoảng kt=1,3-1,5. Khi ảnh hưởng momen là bé thì lấy kt=1,1-1,2
Trường hợp thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất thì kích thước của cột còn phải tuân theo điều kiện về hạn chế tỷ số nén nc=N/(Rb.Ao). Rõ ràng là với nc bé thì cần tăng hệ số kt
- Sau khi sơ bộ tính được Ao thì tiến hành chọn kích thước tiết diện cột. Với tiết diện chữ nhật tỷ lệ giữa cạnh lớn và cạnh bé không quá 4 ( nếu tỷ lệ lớn hơn 4 thì phải xem là tấm tường )
- Kích thước tiết diện cột được chọn sơ bộ xem có hợp lý không về mặt chịu lực chỉ được đánh giá khi đã tính toán hoặc bố trí cốt thép và dựa vào tỷ lệ phần trăm cốt thép. Nếu phát hiện kích thước đã chọn là quá bất hợp lý ; ( quá lớn hoặc quá bé ) thì nên chọn lại và tính lại
Trong nhà nhiều tầng, theo chiều cao từ móng đến mái lực nén trong cột giảm dần. Để đảm bảo sự hơp lý về sử dụng vật liệu thì càng lên cao nên giảm khả năng chịu lực của cột. Việc giảm này có thể thực hiện bằng.
- Giảm kích thước tiết diện cột
- Giảm cốt thép trong cột
- Giảm mác bê tông
- Trong ba cách trên thì việc giảm cốt thép là đơn giản hơn cả; nhưng phạm vi điều chỉnh không lớn. Cách giảm kích thước tiết diện là có vẻ hợp lý hơn về mặt chịu lực; nhưng làm phức tạp cho thi công; và ảnh hưởng không tốt đến sự làm việc tổng thể của ngôi nhà khi tính toán về giao động. Thông thường nên kết hợp cả ba cách trên.
Cốt thép dọc chịu lực trong cột bê tông cốt thép
Là các cột thép được tính toán hoặc kiểm tra để chịu nội lực trong cột
Thường dùng các loại thép có cường độ tính toán Rs=260-400MPa ( 2600-4000kG/cm2), đường kính thép từ 12-40mm
Khi cạnh tiết diện cột lớn hơn 200mm, đường kính cốt thép phải từ 16mm trở lên ;( trừ trường hợp cốt thép tính được quá bé , chỉ cần đặt theo yêu cầu tối thiểu )
Trong tiết diện tròn cốt thép được đặt đều theo chu vi ( như hình a bên dưới, còn các tiết diện vuông, chữ nhật, chữ T hoặc chữ I có hai cách đặt:
- Đặt theo chu vi ( hình b và c bên dưới )
- Đặt tập trung trên cạnh góc vuông với mặt phẳng uốn ( cạnh b của hình d và e bên dưới )
Trường hợp cột vừa chịu nén vừa chịu uốn trong một mặt phẳng đối xứng ( nén lệch tâm phẳng ); thì đặt cốt thép tập trung trên cạnh b là hợp lý về mặt chịu lực vì cốt thép phát huy được tối đa khả năng của nó.
Đặt cốt thép theo chu vi thích hơp cho cột làm việc không gian; ( bị uốn theo hai phương – nén lệch tâm xiên ). Trường hợp nén lệch tâm phẳng cũng có thể đặt cốt thép theo chu vi để thuận tiện cho thi công; và cũng để khỏi phải đặt thêm cốt thép cấu tạo trên cạnh h ( cạnh song song với mặt phẳng uốn )
Ta gọi Ast: Là diện tích tiết diện toàn bộ cốt thép chịu lực; Ab là diện tích tiết diện bê tông thì ta sẽ có tỷ lệ cốt thép được tính theo công thức:
- Điều kiện hạn chế là
- μmin là tỷ lệ cốt thép tối thiểu, thường lấy μmin=0,005=0,5%
- μmax là tỷ lệ cốt thép tối đa. Trong một số tiêu chuẩn thiết kế lấy μmax=0,06=0,6%
Khi bố trí cốt thép dọc cần đảm bảo điều kiện về chiều dày lớp bảo vệ; và khoảng hở giữa các thanh cốt thép. Trong mọi trường hợp chiều dày lớp bảo vệ (Co); và khoảng hở giữa các thanh cốt thép (to) không được nhỏ hơn đường kính thanh ( xem chi tiết hình a bên dưới )
Ngoài ra với cột có chiều tiết diện h từ 250mm trở lên thì chiều dày lớp bảo vệ không nhỏ hơn 20mm. Với cốt thép có vị trí đứng khi đổ bê tông khoảng hở giữa các thanh không nhỏ hơn 50mm
Trong điều kiện kích thước tiết diện bị hạn chế mà buộc phải đặt nhiều cốt thép; thì được phép đặt cốt thép thành đôi; ghép sát vào nhau theo phương chuyển động của vữa bê tông khi đổ. Lúc này khe hở giữa các đôi cốt thép không được nhỏ hơn 1,5 lần đường kính thanh ( xem hình b bên trên )
Cốt thép dọc cấu tạo trong cột bê tông cốt thép
Trong trường hợp cốt thép dọc chịu lực được đặt tập trung trên cạnh b mà cạnh h>500mm; thì dọc theo cạnh h cần đặt cốt thép dọc cấu tạo có đường kính từ 12-16mm
Khoảng cách giữa các trục các thanh cốt thép; đo dọc theo cạnh h là s không được lớn hơn 400mm
Diện tích thanh cốt thép dọc cấu tạo không nhỏ hơn 0,001sb1 với b1=min (0,5b và 200mm )
Cốt thép ngang trong cột bê tông cốt thép
Cốt thép ngang của cột khi dùng khung cốt buộc là những cốt đai khép kín; và những thanh neo được uốn móc chuẩn ở hai đầu.
Cốt thép ngang trong cột có nhiệm vụ liên kết với các cốt thép dọc tạo thành khung chắc chắn; giữ đúng vị trí cốt thép khi thi công và giữ ổn định cho cốt thép dọc chịu nén
Khi chịu nén, cốt thép dọc có thể bị cong; phá vỡ lớp bê tông bảo vệ và bật ra khỏi bê tông.
Cốt đai giữ cho cốt thep dọc không bị cong và bật ra ngoài; lúc này cốt thép đai chịu kéo và nếu nó không được neo chắc chắn; thì có thể bị bung ra hoặc cốt đai quá bé thì có thể bị kéo đứt.
Đường kính cốt đai >=0,25.Ddmax ( 0,25 lần đường kính thanh thép dọc lớn nhất ). Cũng có tiêu chuẩn quy định Dđai >=0,3 D dọc
Bố trí cốt thép đai dọc theo chiều cao cột tùy thuộc vào kết cấu có yêu cầu chống động đất ( kháng chấn ) hay không
- Với kết cấu bình thường ( không kháng chấn ) khoảng cách của cốt thép đai trong toàn bộ cột ( trừ đoạn nối buộc cốt thép dọc ) là:
- Với αđ=15 khi tỷ số cốt thép μs<=0,03 và αđ=10 khi μs>0,03 đồng thời ađ<=400mm
- Trong vùng cốt thép dọc cần phải đặt cốt thép đai dày hơn với khoảng cách không quá 10.Ø(dọc min). Trong đoạn nối buộc cốt thép dọc phải có ít nhất 4 cốt đai ( xem hình a bên dưới )
Về hình dạng, cốt đai phải bao quanh toàn bộ các cốt thép dọc; và ít nhất cách một thanh cốt thép dọc có một thanh đặt vào góc của cốt đai; ( xem hình mặt cắt ngang bên trên )
Trường hơp b<=400mm mà trên đố đặt 4 thanh cốt thép dọc thì có thể không tuân theo quy định vừa nêu
Cốt đai làm việc chịu kéo do đó đầu mút phải được neo chắc chắn, thường làm móc neo gập α<=45 độ với đoạn thằng đầu mút S>=3.Øđai
Trường hợp làm neo gập 90 độ thì đoạn thẳng S>=8.Øđai; và cần dùng dây thép buộc đầu mút vào với thanh cốt đai; tránh cho khi cốt đai chịu kéo bật ra ngoài
Khi dùng thanh neo đơn, hai đầu phải có móc neo tiêu chuẩn với S>=3.Øđai
