Buzz
Bê tông cốt thép (tiếng Anh: reinforced concrete, viết tắt là BTCT) là vật liệu tổng hợp kết hợp giữa bê tông và thép, trong đó cả hai cùng tham gia chịu lực.
Bê tông có độ bền kéo thấp (chỉ bằng từ 1/20 đến 1/10 so với độ bền nén của nó), dẫn đến hạn chế trong ứng dụng và lãng phí vật liệu. Để khắc phục, thêm vào bê tông các thanh cốt thép có độ bền kéo cao hơn nhiều. Những thanh cốt này thường được đặt ở những khu vực chịu kéo của cấu kiện. Hiện nay, cốt có thể làm từ vật liệu khác ngoài thép như polyme, sợi thủy tinh, hoặc các vật liệu composite khác. Kết cấu xây dựng kết hợp bê tông với cốt liệu khác thường được gọi là kết cấu bê tông có cốt' ;
Kết cấu bê tông cốt thép, với cốt là các thanh thép, là loại kết cấu bê tông có cốt cổ điển và phổ biến nhất trong xây dựng, nổi bật với sự tương đồng trong biến dạng nhiệt độ giữa bê tông và thép.
BTCT là vật liệu xây dựng phổ biến trong các công trình dân dụng và giao thông, hiện nay thường đảm nhận vai trò chính trong kết cấu chịu lực của công trình.
Lịch sử phát triển
Từ thời La Mã cổ đại, bê tông đã được sử dụng làm vật liệu xây dựng. Việc phát minh ra xi măng vào đầu thế kỷ 19 đã nâng cao hiệu quả kết hợp với bê tông, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của nó. François Coignet, một nhà tư bản công nghiệp người Pháp, là người tiên phong trong việc phát triển kết cấu bê tông cốt thép và bê tông đúc sẵn. Ông là người đầu tiên áp dụng cốt sắt vào bê tông cho các công trình nhà ở dân dụng. Năm 1853, Coignet xây dựng một tòa nhà 4 tầng sử dụng bê tông cốt sắt tại số 72 phố Charles Michels, ngoại ô Paris. Tuy nhiên, theo mô tả của Coignet, việc sử dụng cốt sắt không nhằm tăng cường độ bê tông mà để giữ cho các bức tường bê tông đứng thẳng và không bị biến dạng. Vì vậy, sự kết hợp này vẫn chỉ mang tính chất tình cờ và chưa được thiết kế nhằm mục đích tăng cường độ chịu kéo.
Năm 1854, nhà thầu xây dựng người Anh William B. Wilkinson đã gia cố mái và sàn bằng bê tông cốt thép cho một ngôi nhà hai tầng mà ông xây dựng. Dựa vào cách bố trí cốt thép, Wilkinson đã chứng minh rằng ông có kiến thức sâu rộng về việc sử dụng cốt thép để gia tăng khả năng chịu kéo trong kết cấu, khác với các tiền bối của ông.
Joseph Monier, một nhà làm vườn người Pháp, nổi tiếng với vai trò là một trong những người tiên phong trong việc phát triển kết cấu bê tông cốt thép. Ông đã được cấp bằng sáng chế cho việc sử dụng lưới thép từ vỏ đạn cối để gia cố chậu cây bằng bê tông. Năm 1877, Monier tiếp tục nhận thêm bằng sáng chế cho việc áp dụng lưới thép để củng cố cột và dầm bê tông. Dù Monier tin rằng sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép có thể gia tăng độ bền cho kết cấu, nhưng có ít người có thể khẳng định liệu ông có thực sự hiểu rõ về khả năng gia tăng độ chịu kéo của cốt thép trong bê tông hay không.
Từ thời La Mã cổ đại cho đến cuối thế kỷ 19, bê tông và bê tông cốt thép đã được sử dụng làm vật liệu xây dựng, nhưng chưa có nghiên cứu khoa học nào chứng minh hiệu quả của sự kết hợp này. Thaddeus Hyatt, một nhà phát minh người Mỹ, là người đầu tiên công bố báo cáo mang tên 'Đánh giá về một số thí nghiệm liên quan đến vật liệu xây dựng kết hợp giữa bê tông-xi măng Portland và cốt sắt, xem xét khả năng tiết kiệm vật liệu và phòng cháy cho kết cấu mái, sàn và hành lang', trong đó nghiên cứu và đánh giá kết cấu bê tông cốt thép qua thực nghiệm. Nghiên cứu của Hyatt đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kết cấu bê tông, khi nó lần đầu tiên được chứng minh hiệu quả dưới góc độ khoa học và công nghệ. Nếu không có nghiên cứu này, có thể đã xảy ra nhiều thử nghiệm và sai sót trong sự phát triển của kết cấu bê tông cốt thép.
Kỹ sư người Đức Mathias Koennen là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng cốt thép trong bê tông chịu kéo để cải thiện khả năng chịu kéo của kết cấu. Năm 1886, ông công bố các bản thảo đầu tiên về lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế cho bê tông cốt thép. Một kỹ sư người Đức khác, G. A. Wayss, cũng là người tiên phong trong việc ứng dụng bê tông cốt thép vào thực tế. Wayss đã mua bản quyền sáng chế của Monier vào năm 1879 và bắt đầu thương mại hóa vào năm 1884 với việc thành lập công ty 'Wayss & Freytag'. Trong những năm 1890, dựa trên sáng chế của Monier, Wayss và công ty của mình đã có những đóng góp quan trọng trong việc phát triển khả năng gia cường của cốt thép trong bê tông.
Lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép cuối thế kỷ 19 còn ghi nhận đóng góp của kỹ sư người Anh Ernest L. Ransome. Ông đã sử dụng kiến thức thu được trong 50 năm để cải tiến bằng cách sử dụng các thanh cốt thép xoắn, nhằm tăng cường sự kết dính giữa thép và bê tông. Các công trình xây dựng sử dụng cải tiến này đã nâng cao danh tiếng của Ransome, giúp ông giành được hợp đồng xây dựng hai cây cầu bê tông cốt thép đầu tiên ở Bắc Mỹ. Kết cấu bê tông cốt thép cũng được áp dụng cho một trong những tòa nhà chọc trời đầu tiên trên thế giới, tòa nhà Ingalls cao 16 tầng tại Cincinnati, hoàn thành vào năm 1904.
Từ năm 1897, kết cấu bê tông cốt thép đã được đưa vào chương trình giảng dạy tại trường École des Ponts et Chaussées ở Pháp. Một trong những kỹ sư tốt nghiệp từ chương trình này là Eugène Freyssinet, người đã phát minh ra bê tông dự ứng lực vào năm 1929. Sau đó, lĩnh vực bê tông cốt thép đã có nhiều tiến bộ vượt bậc trên toàn cầu, dẫn đến việc thành lập 'Hiệp hội bê tông Đức' vào năm 1910, sau đó là 'Hiệp hội bê tông Áo' và các 'Viện nghiên cứu bê tông Anh' và 'Viện nghiên cứu bê tông Mỹ', cùng với các tổ chức quốc tế như 'Liên đoàn bê tông dự ứng lực quốc tế' (FIP) và 'Ủy ban Bê tông châu Âu' (CEB). Những tổ chức này đã góp phần quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép trong xây dựng. Ngày nay, kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu phổ biến nhất trong ngành xây dựng.
Đặc điểm
Khi kết hợp bê tông và cốt thép trong điều kiện thông thường, chúng mang lại hiệu quả tốt nhờ vào những đặc điểm sau:
- Lực bám dính giữa bê tông và cốt thép: lực này được hình thành trong quá trình đông cứng của bê tông, giúp cốt thép không bị rời khỏi bê tông khi chịu lực.
- Không có phản ứng hóa học giữa bê tông và thép ảnh hưởng đến từng loại vật liệu, và cốt thép được bảo vệ khỏi ăn mòn nhờ bê tông bao quanh.
- Bê tông và thép có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng nhau: với bê tông và với thép. Do vậy, phạm vi nhiệt độ thay đổi thông thường (dưới 100 °C) không làm ảnh hưởng đến sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép.
Bê tông có khả năng chịu nén tốt, trong khi cốt thép được thêm vào để cải thiện khả năng chịu kéo yếu của bê tông, do đó, trong cấu kiện bê tông cốt thép, cốt thép sẽ chịu ứng suất kéo và bê tông sẽ chịu ứng suất nén.
Ưu điểm
Kết cấu bê tông cốt thép (cũng như kết cấu bê tông) được ưa chuộng rộng rãi nhờ vào các ưu điểm sau:
- Chi phí thấp: bê tông chủ yếu được làm từ các vật liệu phổ biến như đá, sỏi, cát... Các vật liệu khác như xi măng, thép có giá cao hơn nhưng chỉ chiếm khoảng 1/6 đến 1/5 tổng khối lượng.
- Khả năng chịu lực vượt trội: bê tông cốt thép có khả năng chịu lực cao hơn rất nhiều so với các vật liệu khác như gạch, đá, gỗ... Đặc biệt, vì bê tông cốt thép là vật liệu nhân tạo, nên có thể điều chỉnh các tính năng mong muốn trong quá trình chế tạo.
- Độ bền cao: bê tông, vốn là một loại đá, có khả năng chống ăn mòn và xâm thực từ môi trường tốt hơn các vật liệu như thép, gỗ... Do đó, chi phí bảo trì cũng thấp hơn.
- Dễ dàng tạo hình khối: trước khi đông cứng, bê tông ở dạng lỏng và dẻo, cho phép tạo hình khối theo yêu cầu kiến trúc nhờ vào hệ thống ván khuôn.
- Khả năng chống cháy xuất sắc: dưới 400 °C, cường độ bê tông không giảm nhiều, và hệ số dẫn nhiệt của bê tông thấp, giúp bảo vệ cốt thép khỏi nhiệt độ cao.
- Khả năng hấp thụ năng lượng tốt: các kết cấu bê tông cốt thép thường có khối lượng lớn, giúp hấp thụ tốt các lực xung kích.
Nhược điểm
- Nặng nề: các kết cấu bê tông cốt thép thường có nhịp nhỏ, làm tăng chi phí xây dựng nền móng. Nhược điểm này đã được cải thiện bằng cách sử dụng kết cấu bê tông dự ứng lực hoặc bê tông cường độ cao cùng với các giải pháp xây dựng hợp lý.
- Thời gian thi công lâu: bê tông cần thời gian để đông cứng, và chất lượng bê tông có thể bị ảnh hưởng bởi thời tiết và môi trường. Điều này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng bê tông đúc sẵn lắp ghép hoặc bán lắp ghép.
- Khả năng tái sử dụng thấp: việc tháo dỡ, vận chuyển và tái sử dụng bê tông sau khi sử dụng rất tốn kém và công sức.
- Chi phí cho hệ thống ván khuôn.
Ứng dụng trong xây dựng
Kết cấu bê tông cốt thép được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xây dựng như nhà ở, cầu, đường, nhà xưởng công nghiệp, sân bay, thủy lợi... Tại Việt Nam, các công trình sử dụng kết cấu bê tông cốt thép chiếm khoảng 70% tổng số công trình xây dựng, theo các thống kê chưa đầy đủ.
Các dạng kết cấu bê tông điển hình:
- Nhà cao tầng: là loại công trình phổ biến nhất sử dụng kết cấu bê tông cốt thép. Độ cứng vượt trội của bê tông cốt thép rất phù hợp để chịu tải trọng ngang như gió.
- Cầu: với ưu điểm về độ bền và khả năng chống ăn mòn, bê tông cốt thép rất được ưa chuộng trong xây dựng cầu, do các công trình cầu thường phải đối mặt với nhiều tác động và điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn so với nhà ở.
- Kết cấu bể chứa: được thiết kế để lưu trữ các chất lỏng hoặc dung dịch như bể nước, silo chứa dầu...
Ứng dụng của kết cấu bê tông cốt thép
Kết cấu bê tông là một loại kết cấu xây dựng được tạo thành từ bê tông, một vật liệu cứng được pha trộn từ xi măng, đá vôi, đá nghiền, cát, nước và các phụ gia khác. Kết cấu bê tông có khả năng chịu lực nén tốt nhưng lại yếu khi chịu lực kéo, vì vậy thường phải được gia cố bằng thép. Hầu hết các công trình cao tầng đều sử dụng kết cấu bê tông cốt thép cho các phần như cọc, móng, khung, sàn, vách, cột và dầm.
