VIENID Vào luyện thi

Trang chủ › Giáo trình › Chứng chỉ Cốt thép 鉄筋技能士 (1級・2級 lý thuyết)

Kết cấu Kiến trúc (Hệ kết cấu, Tải trọng, Ứng suất, Kết cấu BTCT và Nền móng)

Chứng chỉ Cốt thép 鉄筋技能士 (1級・2級 lý thuyết) · 技能検定「鉄筋施工」1級・2級 学科 · Bài học do Tokutei Pass tự biên soạn dựa trên giáo trình chính thức; không sao chép nguyên văn.

Phân loại kết cấu kiến trúc và đặc trưng của từng hệ kết cấu

Khung xương của công trình kiến trúc được phân loại theo vật liệu chịu lực chính gồm: Kết cấu gỗ (W), Kết cấu thép (S), Kết cấu bê tông cốt thép (RC) và Kết cấu bê tông cốt cứng (SRC).

Kết cấu BTCT (RC) là kết cấu liền khối kết hợp cốt thép và bê tông, có khả năng chịu lửa, độ bền lâu dài, cách âm và tạo hình tự do rất tốt; tuy nhiên trọng lượng bản thân (tĩnh tải) lớn và thời gian thi công dài.

Kết cấu thép (S) nhẹ và dẻo dai, phù hợp cho nhịp lớn và nhà cao tầng, nhưng thép giảm một nửa cường độ ở khoảng 500°C nên bắt buộc phải có lớp bọc chống cháy. Kết cấu SRC bọc cốt thép và bê tông quanh khung thép hình nên có độ dẻo dai (jinsei) và kháng chấn cực cao.

Theo sơ đồ chịu lực, kết cấu được chia thành: Kết cấu khung chịu lực (Rahmen) với nút cột - dầm liên kết cứng; Kết cấu tường chịu lực (Kabeshiki) dùng tường và bản sàn chịu lực không có cột dầm lồi; và Kết cấu dàn (Truss) ghép các thanh thành ô tam giác liên kết khớp.

Điểm cần nhớ


  • Kết cấu RC là kết cấu liền khối có tính chịu lửa, độ bền và cách âm vượt trội nhưng tự trọng lớn

  • Kết cấu S giảm cường độ ở nhiệt độ cao nên cần bọc chống cháy; kết cấu SRC có độ dẻo dai (jinsei) rất cao

  • Khung cột - dầm liên kết cứng gọi là kết cấu khung Rahmen; hệ dùng tường và sàn chịu lực gọi là kết cấu tường chịu lực
Từ vựngNghĩa
kết cấu bê tông cốt thép (RC)
kết cấu bê tông cốt cứng (SRC)
kết cấu khung Rahmen và kết cấu tường chịu lực
độ dẻo dai chịu biến dạng (jinsei)

Bốn nguyên lý cốt lõi giúp kết cấu bê tông cốt thép (RC) làm việc liền khối

Bê tông có đặc tính 'chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo rất kém (cường độ chịu kéo chỉ bằng khoảng 1/10 cường độ chịu nén)'. Ngược lại, cốt thép chịu kéo cực tốt nhưng vì thanh mảnh nên nếu đứng riêng lẻ sẽ dễ bị uốn dọc (mất ổn định) khi chịu nén.

Lý do thứ nhất giúp kết cấu RC làm việc hoàn hảo là hai vật liệu bù đắp nhược điểm cho nhau: bê tông chủ yếu gánh lực nén, còn cốt thép được bố trí ở vùng kéo để gánh lực kéo.

Lý do thứ hai là giữa gân của thép vằn và bê tông có 'lực bám dính (fuchakuryoku)' rất lớn giúp hai vật liệu không bị trượt tương đối. Lý do thứ ba là 'hệ số giãn nở dài vì nhiệt (senbōchō keisū)' của cả hai gần như bằng nhau (khoảng 0,00001 /°C) nên không tự nứt tách khi nhiệt độ thay đổi.

Lý do thứ tư là bê tông có tính kiềm mạnh (pH khoảng 12–13) tạo màng thụ động bảo vệ cốt thép bên trong không bị rỉ sét, đồng thời lớp bê tông bảo vệ còn che chắn nhiệt cho cốt thép khi xảy ra hỏa hoạn.

Điểm cần nhớ


  • Cường độ chịu kéo của bê tông chỉ bằng khoảng 1/10 cường độ chịu nén nên phải đặt cốt thép ở vùng chịu kéo

  • Cốt thép và bê tông có 'hệ số giãn nở nhiệt dài (khoảng 0,00001 /°C)' xấp xỉ bằng nhau nên đồng nhất khi nóng lạnh

  • Bê tông có tính kiềm mạnh giúp chống rỉ cho cốt thép và bám dính chặt để làm việc liền khối
Từ vựngNghĩa
cường độ chịu kéo (bằng khoảng 1/10 cường độ chịu nén)
lực bám dính (fuchakuryoku)
hệ số giãn nở dài vì nhiệt (senbōchō keisū)
tính kiềm và màng thụ động chống rỉ

Các loại tải trọng và ngoại lực tác dụng lên công trình kiến trúc

Công trình kiến trúc luôn chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau. Nghị định thi hành Luật Tiêu chuẩn Xây dựng phân chia chúng thành: Tĩnh tải (Kotei kajū), Hoạt tải (Sekisai kajū), Tải trọng tuyết (Sekisetsu kajū), Áp lực gió (Fūatsuryoku) và Lực động đất (Jishinryoku).

'Tĩnh tải (còn gọi là tải trọng cố định / Dead load)' là trọng lượng bản thân của các bộ phận công trình như cột, dầm, sàn, tường, mái và lớp hoàn thiện. Còn 'Hoạt tải (tải trọng chất thêm / Live load)' là trọng lượng thẳng đứng của người, bàn ghế, hàng hóa, xe cộ trong nhà.

'Tải trọng dài hạn' gồm tĩnh tải và hoạt tải tác dụng thường xuyên (ở vùng tuyết dày còn tính thêm tải tuyết dài hạn); 'Tải trọng ngắn hạn' gồm áp lực gió khi bão lớn, lực động đất và tải trọng tuyết cực đại.

Áp lực gió và lực động đất chủ yếu tác dụng theo phương ngang (lực ngang). Độ lớn lực động đất tỷ lệ thuận với tổng trọng lượng công trình (tĩnh tải + hoạt tải) nhân với hệ số lực cắt tầng động đất, nên nhà càng nặng thì lực động đất tác dụng càng lớn.

Điểm cần nhớ


  • Trọng lượng bản thân kết cấu là 'Tĩnh tải (Kotei kajū)'; trọng lượng người, nội thất, hàng hóa là 'Hoạt tải (Sekisai kajū)'

  • Tĩnh tải và hoạt tải là tải trọng đứng dài hạn; áp lực gió và lực động đất là ngoại lực ngang ngắn hạn

  • Lực động đất tỷ lệ thuận với tổng trọng lượng của tòa nhà (Tĩnh tải + Hoạt tải)
Từ vựngNghĩa
tĩnh tải / tải trọng cố định (Dead load)
hoạt tải / tải trọng sử dụng (Live load)
tải trọng tuyết, áp lực gió và lực động đất
tải trọng dài hạn và tải trọng ngắn hạn

Tổng hợp, cân bằng lực và tính toán mômen lực, ngẫu lực

Để xác định đầy đủ một lực cần có 3 yếu tố gọi là 'Ba yếu tố của lực': Độ lớn, Phương chiều và Điểm đặt (đường tác dụng). Hai lực đồng quy tác dụng tại một điểm có thể tổng hợp thành một hợp lực theo 'Quy tắc hình bình hành lực'.

Ví dụ, khi lực ngang 3 kN và lực đứng 4 kN vuông góc với nhau cùng tác dụng vào một điểm, độ lớn hợp lực R tính theo định lý Pythagore là căn bậc hai của (3² + 4² = 25), tức R = 5 kN.

Tác dụng làm quay vật thể quanh một điểm O gọi là 'Mômen lực (M)', được tính bằng tích số giữa độ lớn lực P (N hoặc kN) với khoảng cách vuông góc L (cánh tay đòn) hạ từ tâm quay O đến đường tác dụng của lực: M = P × L.

Hai lực song song, cùng độ lớn P nhưng ngược chiều nhau và cách nhau khoảng L được gọi là 'Ngẫu lực (Gūryoku)'. Ngẫu lực có hợp lực tịnh tiến bằng 0 và chỉ gây ra tác dụng quay thuần túy với mômen ngẫu lực M = P × L không phụ thuộc vị trí tâm quay.

Điểm cần nhớ


  • Ba yếu tố của lực là 'độ lớn, phương chiều, điểm đặt'; hợp lực của 2 lực vuông góc 3 kN và 4 kN bằng 5 kN

  • Mômen lực M = Lực P × Khoảng cách vuông góc L (cánh tay đòn), đơn vị là N·m hoặc kN·m

  • Hai lực song song, bằng nhau, ngược chiều gọi là 'Ngẫu lực', có mômen M = P × L tại mọi điểm
Từ vựngNghĩa
ba yếu tố của lực (độ lớn, phương chiều, điểm đặt)
quy tắc hình bình hành lực và hợp lực
mômen lực (M = P × L)
ngẫu lực và cánh tay đòn

Nội lực phát sinh trong cấu kiện và miền chịu kéo - chịu nén của dầm

Khi chịu ngoại lực, bên trong tiết diện cấu kiện phát sinh 3 thành phần nội lực: 'Lực dọc trục (lực nén hoặc lực kéo)' dọc theo trục thanh, 'Mômen uốn' làm uốn cong cấu kiện và 'Lực cắt' có xu hướng cắt trượt tiết diện.

Ở 'dầm đơn giản (Tanjunbari)' kê trên 2 gối tựa chịu tải tập trung P hướng xuống tại giữa nhịp, dầm võng xuống nên 'phía trên chịu nén, phía dưới chịu kéo'. Biểu đồ mômen uốn có dạng hình tam giác đạt cực đại tại điểm đặt lực giữa nhịp.

Ngược lại, ở 'dầm công xôn (Katamochibari / Cantilever)' một đầu ngàm cố định một đầu tự do chịu tải hướng xuống, toàn bộ chiều dài dầm có 'phía trên chịu kéo, phía dưới chịu nén' và mômen uốn lớn nhất tại đầu ngàm. Vì vậy ở dầm và sàn công xôn, cốt thép lớp trên (Uwabakin) đóng vai trò quyết định.

Ở dầm chính liên kết cứng với cột trong khung BTCT (dầm liên tục / dầm hai đầu ngàm), khi chịu tải thẳng đứng thì 'ở giữa nhịp mặt dưới chịu kéo', còn 'ở hai đầu dầm sát cột mặt trên chịu kéo'. Do đó giữa nhịp phải bố trí nhiều thép chủ lớp dưới, còn hai đầu dầm phải bố trí nhiều thép chủ lớp trên.

Nội lực phát sinh trong cấu kiện và miền chịu kéo - chịu nén của dầm

Điểm cần nhớ


  • Ba thành phần nội lực tiết diện là: Lực dọc trục (kéo/nén), Mômen uốn và Lực cắt

  • Dầm đơn giản chịu kéo ở mặt dưới; dầm công xôn chịu kéo ở mặt trên và có mômen uốn cực đại tại đầu ngàm cố định

  • Trong dầm khung liên tục: giữa nhịp chịu kéo ở phía dưới, còn hai đầu dầm sát cột chịu kéo ở phía trên
Từ vựngNghĩa
lực dọc trục, mômen uốn và lực cắt
dầm đơn giản và dầm công xôn (cantilever)
miền chịu kéo và miền chịu nén
đầu ngàm cố định và vùng giữa nhịp

Các dạng phá hoại của cấu kiện BTCT và vai trò của cốt thép đai chịu cắt

Khi cột và dầm BTCT chịu lực lớn lúc động đất, có hai dạng phá hoại chính: 'Phá hoại uốn (phá hoại dẻo)' trong đó cốt thép chủ chảy dẻo và hấp thụ năng lượng, và 'Phá hoại cắt (phá hoại giòn)' xuất hiện vết nứt xiên làm mất khả năng chịu lực đột ngột.

Nếu xảy ra phá hoại cắt hoặc 'phá hoại tách vỡ bám dính (fuchaku katsuretsu hakai)' dọc theo cốt thép chủ, công trình có nguy cơ sụp đổ tức thời. Do đó nguyên tắc thiết kế kháng chấn là phải ngăn chặn phá hoại cắt để ưu tiên chảy dẻo do uốn.

'Cốt đai cột (Obikin / Hoop)' quấn quanh thép chủ cột và 'Cốt đai dầm (Abarakin / Stirrup)' quấn quanh thép chủ dầm có vai trò quyết định trong việc ngăn vết nứt cắt xiên mở rộng, tăng khả năng chịu cắt và tăng độ dẻo dai (jinsei) cho cấu kiện.

Ngoài ra, cốt đai cột và cốt đai dầm còn bó chặt lõi bê tông bên trong giúp tăng độ dẻo chịu nén, đồng thời giữ chặt các thanh thép chủ chịu nén không bị phình cong ra ngoài (chống uốn dọc / zakutsu) và định vị đúng vị trí cốt thép chủ.

Điểm cần nhớ


  • Thiết kế kháng chấn phải ngăn chặn 'phá hoại cắt (phá hoại giòn)' đột ngột và đảm bảo 'phá hoại dẻo do uốn' xảy ra trước

  • Cốt đai cột (Obikin) và cốt đai dầm (Abarakin) giúp chống phá hoại cắt và nâng cao độ dẻo dai của cấu kiện

  • Cốt đai còn có tác dụng bó lõi bê tông và chống phình uốn dọc (zakutsu) cho cốt thép chủ chịu nén
Từ vựngNghĩa
phá hoại cắt (phá hoại giòn) và phá hoại uốn
phá hoại tách vỡ dọc theo cốt thép (bond splitting failure)
cốt đai cột (Obikin) và cốt đai dầm (Abarakin)
chống uốn dọc / chống phình cốt thép chủ (zakutsu bōshi)

Các loại kết cấu móng (Móng nông, Móng cọc) và đặc tính nền đất

Kết cấu phần dưới truyền tải trọng công trình xuống nền đất một cách an toàn gọi là 'Móng (Kiso)', được chia thành 2 nhóm chính: 'Móng nông / móng trực tiếp (Chokusetsu kiso)' đặt trực tiếp lên lớp đất tốt ở nông và 'Móng cọc (Kui kiso)' đóng hoặc khoan cọc xuống tầng đất cứng ở sâu.

Móng trực tiếp gồm có: 'Móng đơn (Dokuritsu footing)' đặt dưới từng cột riêng lẻ; 'Móng băng (Nuno kiso)' chạy liên tục dưới hàng cột hoặc tường; và 'Móng bè (Beta kiso / Mat slab)' dùng bản sàn dày đỡ toàn bộ diện tích đáy công trình.

Móng cọc chia theo nguyên lý truyền lực gồm 'Cọc chống (Shijigui)' tựa mũi cọc vào tầng đất cứng và 'Cọc ma sát (Masatsugui)' nhờ ma sát thành bên của cọc với đất. Theo phương pháp thi công gồm 'Cọc đúc sẵn (cọc PHC, cọc ống thép)' và 'Cọc khoan nhồi bê tông tại chỗ (Bashōchi kui - như phương pháp Earth drill)' hạ lồng cốt thép vào hố khoan rồi đổ bê tông.

Lưu ý, tại nền đất cát rời rạc có mực nước ngầm cao, chấn động khi động đất làm áp lực nước lỗ rỗng tăng vọt khiến các hạt cát mất liên kết và nền đất hóa lỏng làm nghiêng lún nhà, gọi là 'Hiện tượng hóa lỏng nền đất (Ekijōka genshō)'.

Các loại kết cấu móng (Móng nông, Móng cọc) và đặc tính nền đất

Điểm cần nhớ


  • Móng nông gồm 'móng đơn', 'móng băng', 'móng bè'; một công trình không nên dùng lẫn lộn các loại móng khác nhau để tránh lún lệch

  • Móng cọc gồm 'cọc chống / cọc ma sát' (theo sức chịu tải) và 'cọc đúc sẵn / cọc khoan nhồi tại chỗ' (theo cách thi công)

  • Nền đất cát rời rạc có mực nước ngầm cao rất dễ xảy ra 'hiện tượng hóa lỏng nền đất' khi có động đất
Từ vựngNghĩa
móng trực tiếp (móng đơn, móng băng, móng bè)
móng cọc (cọc chống và cọc ma sát)
cọc khoan nhồi bê tông tại chỗ (phương pháp Earth drill)
hiện tượng hóa lỏng nền đất cát (ekijōka genshō)

Kiến thức cơ bản về kết cấu thép, kết cấu gỗ, khối xây và hình dạng mái

Trong môn Kết cấu kiến trúc của kỳ thi 技能検定 còn hỏi về các kết cấu khác ngoài BTCT. Trong kết cấu thép (S), phương pháp liên kết gồm bu lông cường độ cao, hàn và bu lông thường; trong đó 'liên kết ma sát bằng bu lông cường độ cao' truyền lực nhờ lực ma sát giữa các mặt bản thép được siết ép cực chặt.

Bản thép dùng để liên kết các thanh giằng chéo (brace) hoặc dầm tại nút khung thép gọi là 'Bản mã (Gusset plate)'. Tiết diện thép hình chữ H gồm 2 bản cánh nằm ngang ở trên và dưới gọi là 'Bản cánh (Flange)' và bản bụng thẳng đứng ở giữa gọi là 'Bản bụng (Web)'.

Trong kết cấu gỗ truyền thống, thanh chống chéo lắp trong mặt phẳng tường giữa các cột và dầm ngang để chịu lực ngang của gió, động đất gọi là 'Thanh giằng chéo tường (Sujikai)'; còn thanh chéo gia cường ở góc mặt phẳng ngang của sàn hoặc mái gọi là 'Thanh chống góc ngang (Hiuchizai)'.

Về hình dạng mái nhà: mái dốc về 2 phía từ bờ nóc gọi là 'Mái dốc 2 mái (Kirizuma yane)'; mái có bờ nóc chính và 4 bờ chảy góc dốc về 4 phía gọi là 'Mái dốc 4 mái (Yosemune yane)'; mái chỉ dốc về 1 phía gọi là 'Mái dốc 1 phía (Katanagare yane)'. Ở kết cấu khối xây gạch rỗng bê tông có cốt thép, người ta đặt cốt thép dọc trong lỗ rỗng rồi chèn đầy vữa/bê tông.

Điểm cần nhớ


  • Hai bản ngang trên/dưới của thép hình chữ H là 'Flange (bản cánh)', bản đứng ở giữa là 'Web (bản bụng)'; liên kết bu lông cường độ cao truyền lực bằng ma sát

  • Trong kết cấu gỗ: thanh chéo trong mặt phẳng tường đứng là 'Sujikai', thanh chéo ở góc mặt phẳng sàn/mái ngang là 'Hiuchizai'

  • Phân biệt rõ 'Mái dốc 2 phía (Kirizuma)' và 'Mái dốc 4 phía có 4 bờ chảy góc (Yosemune)'
Từ vựngNghĩa
liên kết ma sát bu lông cường độ cao và bản mã (Gusset plate)
bản cánh (Flange) và bản bụng (Web) của thép hình H
thanh giằng chéo tường (Sujikai) và thanh chống góc ngang (Hiuchizai)
mái dốc 2 phía (Kirizuma) và mái dốc 4 phía (Yosemune)

Tài liệu tham khảo chính thức

💬