Kết cấu bêtông ứng lực trước (ULT)
giờ cũng không còn mới và đã phổ biến trên thị trường. Xin chia sẻ một vài kinh
nghiệm và kiến thức cá nhân thu thập được trong quá trình làm việc để anh em Kết
cấu sư có thể đẩy nhanh việc thiết kế sàn ULT một cách đơn giản cũng như phục vụ
thông tin cho người có nhu cầu tìm hiểu (chủ đầu tư và các KTS).
Phần 1: TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊTÔNG ULT
1.1. Đặc điểm Thiết kế Kết cấu sàn bêtông cốt thép
1.1.1. Yêu cầu tổng quát
Mục tiêu cơ bản cho hoạt động của người thiết kế Kết cấu là An toàn, Sử dụng bình thường và hợp lý nhất về kinh tế. An toàn được hiểu là khả năng chịu được tải trọng thiết kế (tải trọng lớn nhất theo tiêu chuẩn thiết kế quy định) mà không bị hư hại vượt ngưỡng cho phép, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH1). Khả năng sử dụng đạt được khi Kết cấu làm việc bình thường trong suốt tuổi thọ của nó, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ 2 (TTGH2). Tính kinh tế thể hiện tỷ lệ cao giữa giá trị đạt được khi áp dụng một phương án thiết kế so với chi phí bỏ ra.
Ngoài ra tính pháp lý của hồ sơ thiết kế cũng là một yếu tố quan trọng. Thiết kế phải đảm bảo các quy định do tiêu chuẩn Nhà nước đặt ra. Tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành thường lạc hậu so với Kỹ thuật xây dựng thực tế, đặc biệt với kết cấu bêtông ứng lực trước, các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam lỗi thời và không đủ. Do đó việc áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài là cần thiết, cũng phù hợp với đặc thù của vật liệu cáp ứng lực trước hoàn toàn là nhập khẩu.
1.1.2. Đặc điểm của Bêtông so với các vật liệu khác
Thử ví dụ so sánh 3 loại vật liệu: Bêtông, thép, kính để biết được những đặc trưng của vật liệu bêtông. Ví dụ về một ô sàn như hình 1.1.1 dưới đây
A. Kính
Khả năng sử dụng bình thường (TTGH2) yêu cầu độ võng sàn không vượt quá ngưỡng cho phép. Tính an toàn được đo bằng tải trọng gây ra nứt cho kính: vết nứt đầu tiên xuất hiện sẽ ngay lập tức lan rộng và phá hoại vật liệu. Nứt xảy ra ở tải trọng phát sinh ứng suất kéo trên bề mặt đạt đến giá trị đặc trưng cho vật liệu của kính, tại một điểm nào đó.
Với kính, điều cần thiết khi thiết kế là xác định ứng suất chính xác tại các điểm trên bề mặt tấm sàn, do sự làm việc khác biệt của kính so với vật liệu khác khi tải trọng tăng dần. Do đó phải mô hình chính xác về hình học, gối tựa vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích ứng suất.
B. Thép
Nếu vùng sàn thiết kế bằng vật liệu thép, TTGH2 của sàn được quyết định bởi độ võng do tải trọng dài hạn. Tính an toàn được xác định bởi độ võng vượt quá giới hạn tại tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải).
Độ võng dài hạn xảy ra khi có sự chảy dẻo của vật liệu thép tại vị trí cục bộ nào đó, khi ứng suất tại đó vượt giới hạn chảy của vật liệu. Độ tin cậy của thiết kế phụ thuộc vào tính chính xác của ứng suất xác định tại các điểm.
Nội dung căn bản của thiết kế kết cấu thép là sau khi lựa chọn chiều dày sàn và vị trí gối tựa, sẽ tiến hành tính toán kiểm tra xem ứng suất tính toán có nhỏ hơn giá trị giới hạn của vật liệu không. Đây là khác biệt căn bản của thiết kế kết cấu thép so với kết cấu bêtông như trình bày dưới đây.
Hình 1.1.1 - Mô hình của vùng sàn thiết kế
C. Bêtông
Thiết kế tấm sàn bêtông gồm 2 mục cơ bản: (i) Về điều kiện làm việc (TTGH2), độ võng và chiều rộng vết nứt nằm trong giới hạn cho phép (ii) Dưới tác dụng của tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải), tấm sàn không bị phá hoại.
Việc xác định ứng suất cục bộ không có ý nghĩa trong việc tính toán độ võng và chiều rộng vết nứt dưới tải trọng làm việc. Sự không đồng nhất của vật liệu bêtông và một vài vết nứt nhỏ làm cho việc phân tích kết cấu theo mô hình đàn hồi thông thường là không chính xác. Bên cạnh đó, sàn bêtông thông thường được mô hình và thiết kế theo các đường truyền tải quy ước, không như với Kính và Thép đường truyền tải được xác định rõ ràng từ phân tích tính toán.
Trong hình vẽ ví dụ, hai phương án cho đường truyền tải trọng như thể hiện trên hình vẽ. Hình thứ 2, sàn được mô hình như một dải với nhịp từ vách A đến vách B. Kết cấu sư là người chỉ định đường truyền tải trọng về 2 gối tựa này. Với đường truyền tải này, cốt thép bố trí đảm bảo an toàn sẽ là thép chủ lớp dưới như trong hình. Vách C không thuộc đường truyền tải quy ước này nhưng thực tế nó tham gia chịu tải và sàn phát sinh ứng suất kéo tại mặt trên vách C. Do đó người thiết kế phải đặt cốt thép cấu tạo lớp trên xung quanh vùng vách C để khống chế nứt dưới tải trọng làm việc (Tải tiêu chuẩn).
Cốt thép cấu tạo không thể thiếu trong kết cấu bêtông cốt thép, được dùng với mục đích cải thiện khả năng làm việc của kết cấu và phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm Kết cấu sư, nhiệm vụ chính của nó là đảm bảo:
- Đường truyền tải trọng quy ước bởi Kết cấu sư trên thực tế có thể truyền được tải trọng lớn hơn so với giá trị giới hạn bởi tiêu chuẩn thiết kế
- Chiều rộng vết nứt ở tải trọng làm việc trong giới hạn cho phép. Thường các tiêu chuẩn thiết kế quy định hàm lượng cốt thép cấu tạo tối thiểu trong mỗi tiết diện bêtông để đảm bảo tiết diện bêtông chỉ bị phá hoại dẻo. Đó là khả năng tiết diện có một biến dạng nhất định trước và khi vượt quá cường độ của nó trước khi bị phá hoại. Điều này giúp phân bố lại tải trọng trong sàn và huy động sự làm việc của dải sàn theo đường truyền tải trọng mà người thiết kế đã chọn.
Hình 1.1.2 ví dụ các trường hợp thép cấu tạo cho việc triển khai đường truyền tải trọng. Ảnh hưởng của tải trọng tập trung được phân bố trên chiều rộng của đường truyền tải quy ước thông qua cốt thép phân bố cấu tạo đặt dưới tải trọng tập trung đó. Cốt thép này đảm bảo đường truyền tải giữa 2 vách A và B có thể cụ thể hoá như Kết cấu sư đã chọn. Hình 1.1.2 (b) minh hoạ cốt thép cấu tạo chống nứt cho góc lõm của sàn.
Hình 1.1.2 Thép cấu tạo
Đường truyền tải quy ước là cần thiết cho sàn bêtông vì việc bố trí cốt thép sàn quyết định phương và độ lớn của khả năng chịu tải của sàn. Thông thường có nhiều hơn 1 đường truyền tải duy nhất, và đây là xương sống của hệ kết cấu của toàn công trình.
Kết cấu bêtông không ứng xử nhạy với ứng suất cục bộ. Hình 1.1.3(a) thể hiện phân bố moment từ kết quả phân tích đàn hồi sàn (không kể đến hệ số nở ngang Poisson). Khi thiết kế cốt thép thường tính toán để chịu moment tương đương đơn giản như trên hình 1.1.3(b). Bố trí cốt thép trong vùng moment đó trên mặt bằng như thế nào không quan trọng miễn là đủ số lượng. Lý do là sàn phá hoại theo các đường khớp dẻo và các đường này sẽ huy động toàn bộ cốt thép cắt qua nó làm việc.
Hình 1.1.3 Moment tính toán
Đây là đặc điểm khác biệt của bêtông là thiết kế theo moment tổng. Sự phân bố và giá trị cục bộ tại từng điểm dọc chiều rộng dải là không quan trọng. Khác với Kính và Thép moment cần được kiểm tra theo từng điểm, kết cấu bêtông chỉ cần quan tâm tới giá trị moment tổng trên tiết diện ngang chiều rộng dải. Do đó khi tính sàn bằng Phần tử hữu hạn, dù chia nhỏ hơn thì kết quả quả moment tổng trên dải sàn cũng không khác gì. Các bạn có thể kiểm chứng bằng SAFE.
Với kết cấu ứng lực trước, cũng như kính và thép, cần kiểm tra ứng suất ở tải trọng tiêu chuẩn. Với kính việc kiểm tra ứng suất để tránh vết nứt, với thép để kiểm tra chảy dẻo cục bộ và độ võng dài hạn. Với bêtông là khống chế (có cho phép xuất hiện) vết nứt. Trong thực hành, ứng suất thiết kế trong bêtông là giả định vì được tính từ moment tổng trên toàn tiết diện dải sàn. Trong thực tế ứng suất tại vùng quanh gối tựa có giá trị lớn hơn rất nhiều và hầu hết là vượt giới hạn nứt của bêtông. Ứng suất thiết kế do vậy mang ý nghĩa chỉ ra phạm vi vết nứt xuất hiện trong vùng đó hơn là giá trị ứng suất thực.
1.1.3. Đặc điểm thiết kế Ứng lực trước
Như trên thì đặc trưng thiết kế kết cấu bêtông cốt thép là phải chỉ ra đường truyền tải trọng hay dải sàn. Kết cấu bêtông ứng lực trước phức tạp hơn vì thêm thông số đầu vào và căn chỉnh trong tính toán.
Thiết kế ứng lực trước theo TTGH1 và TTGH2 bao gồm khống chế các tham số: (i) Số lượng cáp dự ứng lực, và (ii) quỹ đạo cao độ cáp. Cốt thép thường bổ sung cho sàn sẽ được quyết định bởi 2 tham số này.
Trong sàn thường, với mỗi dải sàn được chỉ ra sẽ chỉ có một kết quả cốt thép tính toán. Trong sàn ứng lực trước, mỗi kết cấu sư sẽ cho một thiết kế khác nhau vì 2 thông số là số lượng và quỹ đạo cáp được lựa chọn đầu tiên thường khác nhau.
Phần 1: TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊTÔNG ULT
1.1. Đặc điểm Thiết kế Kết cấu sàn bêtông cốt thép
1.1.1. Yêu cầu tổng quát
Mục tiêu cơ bản cho hoạt động của người thiết kế Kết cấu là An toàn, Sử dụng bình thường và hợp lý nhất về kinh tế. An toàn được hiểu là khả năng chịu được tải trọng thiết kế (tải trọng lớn nhất theo tiêu chuẩn thiết kế quy định) mà không bị hư hại vượt ngưỡng cho phép, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH1). Khả năng sử dụng đạt được khi Kết cấu làm việc bình thường trong suốt tuổi thọ của nó, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ 2 (TTGH2). Tính kinh tế thể hiện tỷ lệ cao giữa giá trị đạt được khi áp dụng một phương án thiết kế so với chi phí bỏ ra.
Ngoài ra tính pháp lý của hồ sơ thiết kế cũng là một yếu tố quan trọng. Thiết kế phải đảm bảo các quy định do tiêu chuẩn Nhà nước đặt ra. Tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành thường lạc hậu so với Kỹ thuật xây dựng thực tế, đặc biệt với kết cấu bêtông ứng lực trước, các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam lỗi thời và không đủ. Do đó việc áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài là cần thiết, cũng phù hợp với đặc thù của vật liệu cáp ứng lực trước hoàn toàn là nhập khẩu.
1.1.2. Đặc điểm của Bêtông so với các vật liệu khác
Thử ví dụ so sánh 3 loại vật liệu: Bêtông, thép, kính để biết được những đặc trưng của vật liệu bêtông. Ví dụ về một ô sàn như hình 1.1.1 dưới đây
A. Kính
Khả năng sử dụng bình thường (TTGH2) yêu cầu độ võng sàn không vượt quá ngưỡng cho phép. Tính an toàn được đo bằng tải trọng gây ra nứt cho kính: vết nứt đầu tiên xuất hiện sẽ ngay lập tức lan rộng và phá hoại vật liệu. Nứt xảy ra ở tải trọng phát sinh ứng suất kéo trên bề mặt đạt đến giá trị đặc trưng cho vật liệu của kính, tại một điểm nào đó.
Với kính, điều cần thiết khi thiết kế là xác định ứng suất chính xác tại các điểm trên bề mặt tấm sàn, do sự làm việc khác biệt của kính so với vật liệu khác khi tải trọng tăng dần. Do đó phải mô hình chính xác về hình học, gối tựa vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích ứng suất.
B. Thép
Nếu vùng sàn thiết kế bằng vật liệu thép, TTGH2 của sàn được quyết định bởi độ võng do tải trọng dài hạn. Tính an toàn được xác định bởi độ võng vượt quá giới hạn tại tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải).
Độ võng dài hạn xảy ra khi có sự chảy dẻo của vật liệu thép tại vị trí cục bộ nào đó, khi ứng suất tại đó vượt giới hạn chảy của vật liệu. Độ tin cậy của thiết kế phụ thuộc vào tính chính xác của ứng suất xác định tại các điểm.
Nội dung căn bản của thiết kế kết cấu thép là sau khi lựa chọn chiều dày sàn và vị trí gối tựa, sẽ tiến hành tính toán kiểm tra xem ứng suất tính toán có nhỏ hơn giá trị giới hạn của vật liệu không. Đây là khác biệt căn bản của thiết kế kết cấu thép so với kết cấu bêtông như trình bày dưới đây.
Hình 1.1.1 - Mô hình của vùng sàn thiết kế
C. Bêtông
Thiết kế tấm sàn bêtông gồm 2 mục cơ bản: (i) Về điều kiện làm việc (TTGH2), độ võng và chiều rộng vết nứt nằm trong giới hạn cho phép (ii) Dưới tác dụng của tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải), tấm sàn không bị phá hoại.
Việc xác định ứng suất cục bộ không có ý nghĩa trong việc tính toán độ võng và chiều rộng vết nứt dưới tải trọng làm việc. Sự không đồng nhất của vật liệu bêtông và một vài vết nứt nhỏ làm cho việc phân tích kết cấu theo mô hình đàn hồi thông thường là không chính xác. Bên cạnh đó, sàn bêtông thông thường được mô hình và thiết kế theo các đường truyền tải quy ước, không như với Kính và Thép đường truyền tải được xác định rõ ràng từ phân tích tính toán.
Trong hình vẽ ví dụ, hai phương án cho đường truyền tải trọng như thể hiện trên hình vẽ. Hình thứ 2, sàn được mô hình như một dải với nhịp từ vách A đến vách B. Kết cấu sư là người chỉ định đường truyền tải trọng về 2 gối tựa này. Với đường truyền tải này, cốt thép bố trí đảm bảo an toàn sẽ là thép chủ lớp dưới như trong hình. Vách C không thuộc đường truyền tải quy ước này nhưng thực tế nó tham gia chịu tải và sàn phát sinh ứng suất kéo tại mặt trên vách C. Do đó người thiết kế phải đặt cốt thép cấu tạo lớp trên xung quanh vùng vách C để khống chế nứt dưới tải trọng làm việc (Tải tiêu chuẩn).
Cốt thép cấu tạo không thể thiếu trong kết cấu bêtông cốt thép, được dùng với mục đích cải thiện khả năng làm việc của kết cấu và phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm Kết cấu sư, nhiệm vụ chính của nó là đảm bảo:
- Đường truyền tải trọng quy ước bởi Kết cấu sư trên thực tế có thể truyền được tải trọng lớn hơn so với giá trị giới hạn bởi tiêu chuẩn thiết kế
- Chiều rộng vết nứt ở tải trọng làm việc trong giới hạn cho phép. Thường các tiêu chuẩn thiết kế quy định hàm lượng cốt thép cấu tạo tối thiểu trong mỗi tiết diện bêtông để đảm bảo tiết diện bêtông chỉ bị phá hoại dẻo. Đó là khả năng tiết diện có một biến dạng nhất định trước và khi vượt quá cường độ của nó trước khi bị phá hoại. Điều này giúp phân bố lại tải trọng trong sàn và huy động sự làm việc của dải sàn theo đường truyền tải trọng mà người thiết kế đã chọn.
Hình 1.1.2 ví dụ các trường hợp thép cấu tạo cho việc triển khai đường truyền tải trọng. Ảnh hưởng của tải trọng tập trung được phân bố trên chiều rộng của đường truyền tải quy ước thông qua cốt thép phân bố cấu tạo đặt dưới tải trọng tập trung đó. Cốt thép này đảm bảo đường truyền tải giữa 2 vách A và B có thể cụ thể hoá như Kết cấu sư đã chọn. Hình 1.1.2 (b) minh hoạ cốt thép cấu tạo chống nứt cho góc lõm của sàn.
Hình 1.1.2 Thép cấu tạo
Đường truyền tải quy ước là cần thiết cho sàn bêtông vì việc bố trí cốt thép sàn quyết định phương và độ lớn của khả năng chịu tải của sàn. Thông thường có nhiều hơn 1 đường truyền tải duy nhất, và đây là xương sống của hệ kết cấu của toàn công trình.
Kết cấu bêtông không ứng xử nhạy với ứng suất cục bộ. Hình 1.1.3(a) thể hiện phân bố moment từ kết quả phân tích đàn hồi sàn (không kể đến hệ số nở ngang Poisson). Khi thiết kế cốt thép thường tính toán để chịu moment tương đương đơn giản như trên hình 1.1.3(b). Bố trí cốt thép trong vùng moment đó trên mặt bằng như thế nào không quan trọng miễn là đủ số lượng. Lý do là sàn phá hoại theo các đường khớp dẻo và các đường này sẽ huy động toàn bộ cốt thép cắt qua nó làm việc.
Hình 1.1.3 Moment tính toán
Đây là đặc điểm khác biệt của bêtông là thiết kế theo moment tổng. Sự phân bố và giá trị cục bộ tại từng điểm dọc chiều rộng dải là không quan trọng. Khác với Kính và Thép moment cần được kiểm tra theo từng điểm, kết cấu bêtông chỉ cần quan tâm tới giá trị moment tổng trên tiết diện ngang chiều rộng dải. Do đó khi tính sàn bằng Phần tử hữu hạn, dù chia nhỏ hơn thì kết quả quả moment tổng trên dải sàn cũng không khác gì. Các bạn có thể kiểm chứng bằng SAFE.
Với kết cấu ứng lực trước, cũng như kính và thép, cần kiểm tra ứng suất ở tải trọng tiêu chuẩn. Với kính việc kiểm tra ứng suất để tránh vết nứt, với thép để kiểm tra chảy dẻo cục bộ và độ võng dài hạn. Với bêtông là khống chế (có cho phép xuất hiện) vết nứt. Trong thực hành, ứng suất thiết kế trong bêtông là giả định vì được tính từ moment tổng trên toàn tiết diện dải sàn. Trong thực tế ứng suất tại vùng quanh gối tựa có giá trị lớn hơn rất nhiều và hầu hết là vượt giới hạn nứt của bêtông. Ứng suất thiết kế do vậy mang ý nghĩa chỉ ra phạm vi vết nứt xuất hiện trong vùng đó hơn là giá trị ứng suất thực.
1.1.3. Đặc điểm thiết kế Ứng lực trước
Như trên thì đặc trưng thiết kế kết cấu bêtông cốt thép là phải chỉ ra đường truyền tải trọng hay dải sàn. Kết cấu bêtông ứng lực trước phức tạp hơn vì thêm thông số đầu vào và căn chỉnh trong tính toán.
Thiết kế ứng lực trước theo TTGH1 và TTGH2 bao gồm khống chế các tham số: (i) Số lượng cáp dự ứng lực, và (ii) quỹ đạo cao độ cáp. Cốt thép thường bổ sung cho sàn sẽ được quyết định bởi 2 tham số này.
Trong sàn thường, với mỗi dải sàn được chỉ ra sẽ chỉ có một kết quả cốt thép tính toán. Trong sàn ứng lực trước, mỗi kết cấu sư sẽ cho một thiết kế khác nhau vì 2 thông số là số lượng và quỹ đạo cáp được lựa chọn đầu tiên thường khác nhau.
1.2. Các bước thiết kế
Nói chung sàn bêtông cốt thép thiết kế theo quy trình sau
Hình 1.2.1 Quy trình thiết kế sàn BTCT
1.2.1. Mô hình tính toán
Chọn phương pháp tính
Có 3 phương pháp tính sàn: “Khung đơn giản”, “Khung tương đương” và “Phần tử hữu hạn” (PTHH). Trong phương pháp Khung đơn giản (SFM), khung tính toán đến độ cứng cột và phần sàn liên quan tính từ kích thước hình học chính xác của các cấu kiện. Trong tính toán không kể đến ảnh hưởng uốn 2 phương của bản sàn.
Phương pháp Khung tương đương (EFM) là cải tiến của SFM trong đó độ cứng tương đối của cột và sàn được điều chỉnh để kể đến hiệu ứng uống 2 phương. Phương pháp này do đó chính xác hơn so với SFM và được dùng phổ biến nhất để tính sàn cho đến nay.
Thông tin yêu cầu đầu vào cho cả 2 pp EFM và SFM về kích thước hình học, tải trọng, điều kiện biên của dải sàn thiết kế là như nhau. 2 pp này là gần đúng và cho kết quả thiên về an toàn. Độ chính xác của 2 pp này giảm dần khi sàn có bể dày thay đổi (có dầm, mũ cột..) và lưới cột theo 2 phương không thẳng hàng, vuông góc nhau.
Phương pháp PTHH hiện tại được anh em sử dụng nhiều nhất qua các phần mềm như SAFE, ADAPT Floor Pro, RAM Concept… Đây là phương pháp cho độ chính xác cao hơn do chia nhỏ sàn thành các phần tử nhỏ, mỗi phần tử ứng xử theo thuộc tính vật liệu, hình học, vị trí trong sàn, liên kết với các phần tử xung quanh và do đó kể đến sự làm việc uốn theo 2 một cách chính xác.
1.2.2. Chọn dải sàn - Đường truyền tải trọng
Đây là bước cơ bản nhất trong quá trình mô hình tính sàn. Hệ kết cấu nhà làm việc khi trọng lượng bản thân và các tải trọng khác lên sàn tại mọi điểm được truyền về các gối tựa (cột, vách) theo các đường truyền tải trọng. Ví dụ cho một sàn với lưới cột khùng khoằm như sau:
Hình 1.2.2. Mặt bằng kết cấu sàn
Đường truyền tải trọng được vẽ đi qua các gối tựa cột, vách theo 2 phương X, Y. Đây là đường giả thiết sự truyền tải sàn về các gối tựa do người thiết kế lựa chọn ban đầu. Có thể lựa chọn như trong các hình sau:
Hình 1.2.3. Đường tải trọng theo phương X
Hình 1.2.4. Đường tải trọng theo phương Y
Sau đó mỗi đường tải trọng sẽ có một vùng truyền tải sàn về như các hình vẽ sau, vùng này sẽ tạo nên dải sàn, cái này đã quen thuộc trong SAFE. Ranh giới của 2 dải sàn chính là các đường trung bình giữa các đường tải trọng liền kề trên cùng 1 phương X hoặc Y. Yêu cầu là tất cả các dải trên một phương phải phủ kín diện tích sàn. Một số phần mềm như ADAPT Floor Pro tự động chia ranh giới các dải sau khi vẽ các đường tải trọng.
Hình 1.2.5. Dải sàn theo phương X
Hình 1.2.6. Dải sàn theo phương Y
Giờ mỗi dải sàn sẽ coi như một dầm khung của phương pháp khung tương đương và các tiết diện dầm đó (vuông góc với đường tải trọng) chính là tiết diện tính toán dùng cho bước thiết kế sàn sau này. Thông thường chọn các tiết diện nguy hiểm: ở giữa nhịp và 2 mặt bên gối tựa như hình 1.2.7.
Hình 1.2.7. Tiết diện tính toán của dải sàn theo phương X
1.2.3. Tính toán phân tích
Sau khi chia sàn thành các dải, tiến hành phân tích theo một trong 3 phương pháp trên.
A. Phương pháp Khung tương đương
Phương pháp này quy bài toán không gian về bài toán khung phẳng.
Tách riêng từng dải sàn, cùng với các điều kiện biên về gối tựa (cột, vách), tải trọng sàn tác dụng trên diện truyền tải thành một khung tương đương và tiến hành tính toán độc lập khung đó. Hình 1.2.8 thể hiện ví dụ tách dải sàn B theo phương X, trong đó đã có các bước đơn giản hoá mô hình để đưa về dầm tương đương với các tiết diện đơn giản: các tiết diện thẳng và giật cấp. Một số phần mềm như ADAPT-PT cho phép tự động đơn giản hoá khung từ mặt bằng sàn phức tạp với độ chính xác cao.
Hình 1.2.8. Quy dải sàn về khung tương đương
Hình 1.2.9. Khung tương đương sau khi tách ra tính toán
B. Phương pháp Phần tử hữu hạn
PP này chỉ cần mô hình không gian một lần duy nhất, khác với pp Khung tương đương để tính hết mặt bằng sàn phải tính tất cả các khung tương ứng với mỗi dải sàn. Khi dùng các phần mềm tính theo PTHH, người thiết kế vẫn vẽ các đường tải trọng giả thiết giống như trình bày ở trên để lấy các giá trị moment tổng trên các tiết diện tính toán.
Điểm lợi hại là có thể dùng pp PTHH để lựa chọn đường truyền tải trọng và dải sàn như thế nào cho chính xác nhất. Hãy nhìn lại sơ đồ trên hình 1.2.1 về bước thiết kế tuỳ chọn. Hình 1.2.10 là kết quả từ phần mềm thể hiện các luồng truyền tải trọng về gối tựa. Các mũi tên vuông góc với mặt phẳng có lực cắt lớn nhất trong sàn, độ dài của mũi tên thể hiện độ lớn của lực cắt này.
Hình 1.2.10. Luồng truyền tải trọng về gối tựa
Hình 1.2.11. Biểu đồ thể hiện các đường truyền lực cắt bằng 0 (lực cắt theo phương Y).
(Các biểu đồ trên là kết quả của phân tích đàn hồi)
Các đường zero này chính là ranh giới thực tế của các dải sàn và đường truyền tải trọng theo phương X, chia dải sàn theo đường này thì là lý tưởng nhất về mặt kinh tế và sử dụng vật liệu với mặt bằng khùng khoằm thế này. Nếu so sánh với hình 1.2.5 thì thấy đường truyền tải chọn như ban đầu là sát với thực tế và do đó tương đối hợp lý.
1.2.4. Thiết kế
Lợi ích của việc chia dải sàn là chỉ cần quan tâm đến giá trị moment tổng tại mỗi tiết diện tính toán của dải đó để tính toán cốt thép cho cả chiều rộng tiết diện đó. Lưu ý là trong chiều rộng này cốt thép bố trí thế nào không quan trọng miễn là tổng diện tích cốt thép đủ chịu moment tổng như đã trình bày ở phần đầu. Hình 1.2.12 là ví dụ về biểu đồ moment cho dải sàn B, tại các tiết diện tính toán ở gối tựa và giữa nhịp 1-2. Trong hình thấy moment phân bố biến đổi dọc theo chiều rộng của tiết diện tính toán. Giá trị moment thiết kế lấy là tổng của các moment phân bố trên 1 tiết diện (diện tích của biểu đồ moment). Ví dụ ở gối tựa trục 2 giá trị moment tổng để tính thép sẽ là 281kNm.
Hình 1.2.12. Biểu đồ moment phân bố trên tiết diện tính toán
1.2.5. Bố trí bản vẽ thiết kế (Structural Detailing)
Sau khi tính toán cốt thép cho các dải sàn, cần bố trí cốt thép một cách hợp lý để đảm bảo sự làm việc của sàn như giả định thiết kế đã chọn.
A. Sàn thường
Nhiều tiêu chuẩn thiết kế như ACI, AS vẫn có những quy định về bố trí cốt thép theo dải giữa cột và dải đầu nhịp. Với mặt bằng sàn có hình dáng và lưới cột phức tạp thì cách này tỏ ra không ổn. Sau đây là một vài gợi ý bố trí để hợp lý nhất:
- Cố gắng bố trí cốt thép theo chiều rộng dải như biểu đồ moment phân bố trong hình 1.2.12. Ví dụ cốt thép âm tại gối cột trục 2 sẽ bố trí phần lớn tập trung quanh vùng cột là vùng có biểu đồ đạt giá trị đỉnh. Trong khi đó ở giữa nhịp, cốt thép lớp dưới bố trí đều.
- Bố trí toàn bộ cốt thép tính toán trong vùng sàn quanh cột với cột biên. Với các cột giữa đặt phần lớn lượng cốt thép yêu cầu trong vùng sàn quanh cột. Chiều rộng vùng sàn quanh cột tuỳ thuộc vào lựa chọn của Kết cấu sư theo như trên, có thể chấp nhận chiều rộng này bằng 1/2 chiều rộng của dải sàn.
- Tại các điểm khác phải bố trí lượng cốt thép tối thiểu cấu tạo, thường được các tiêu chuẩn quy định về đường kính và khoảng cách. Điều này để hạn chế nứt do co ngót và do thay đổi nhiệt độ.
B. Sàn ULT
Bố trí cốt thép thường và cáp ULT trong mặt cắt tính toán của sàn ULT tương đối tự do hơn sàn thường. Một số gợi ý bố trí ban đầu có thể tham khảo như sau:
- Bố trí cốt thép lớp trên cả 2 phương tập trung theo dải đầu cột. Chiều rộng dải này đối với sàn ULT nhỏ hơn đối với sàn thường như quy định ở trên.
- Bố trí tự do cốt thép lớp dưới sao cho thuận tiện nhất cho thi công.
- Bố trí tự do cáp ULT thuận tiện nhất cho thi công và đảm bảo tối thiểu có 2 tao cáp đi qua cột theo 2 phương. Khoảng cách tối đa của tao cáp là 8 lần chiều dày sàn.
- Tại các vùng sàn có ứng suất nén trung bình nhỏ hơn 0.7MPa theo tính toán cần bổ sung cốt thép thường cấu tạo để hạn chế nứt do co ngót và nhiệt độ.
C. Cốt thép cấu tạo
Ngoài vai trò hạn chế nứt còn có vai trò đảm bảo sự làm việc thực tế giống như đã lựa chọn của các đường truyền tải trọng (như đã nói trong phần 1.1.2). Một số cốt cấu tạo như quanh lỗ mở có thể trình bày dưới dạng chi tiết điển hình. Tuy nhiên phần lớn cốt cấu tạo là do KCS chỉ định, do đó kinh nghiệm và trình độ của KCS được yêu cầu cao ở đây để phản ánh đúng ứng xử của kết cấu sàn dưới tác dụng của tải trọng.
Thông thường bố trí cốt thép cấu tạo trên các gối tựa không kể đến trong các đường truyền tải giả thiết, như là cốt thép dưới tải tập trung trong ví dụ nêu ở phần đầu. Trong sàn ULT, cốt cấu tạo cần phải bố trí ở vùng do hình học hoặc do điều kiện thi công không bố trí đủ cáp đảm bảo lực nén tối thiểu.
Nói chung sàn bêtông cốt thép thiết kế theo quy trình sau
Hình 1.2.1 Quy trình thiết kế sàn BTCT
1.2.1. Mô hình tính toán
Chọn phương pháp tính
Có 3 phương pháp tính sàn: “Khung đơn giản”, “Khung tương đương” và “Phần tử hữu hạn” (PTHH). Trong phương pháp Khung đơn giản (SFM), khung tính toán đến độ cứng cột và phần sàn liên quan tính từ kích thước hình học chính xác của các cấu kiện. Trong tính toán không kể đến ảnh hưởng uốn 2 phương của bản sàn.
Phương pháp Khung tương đương (EFM) là cải tiến của SFM trong đó độ cứng tương đối của cột và sàn được điều chỉnh để kể đến hiệu ứng uống 2 phương. Phương pháp này do đó chính xác hơn so với SFM và được dùng phổ biến nhất để tính sàn cho đến nay.
Thông tin yêu cầu đầu vào cho cả 2 pp EFM và SFM về kích thước hình học, tải trọng, điều kiện biên của dải sàn thiết kế là như nhau. 2 pp này là gần đúng và cho kết quả thiên về an toàn. Độ chính xác của 2 pp này giảm dần khi sàn có bể dày thay đổi (có dầm, mũ cột..) và lưới cột theo 2 phương không thẳng hàng, vuông góc nhau.
Phương pháp PTHH hiện tại được anh em sử dụng nhiều nhất qua các phần mềm như SAFE, ADAPT Floor Pro, RAM Concept… Đây là phương pháp cho độ chính xác cao hơn do chia nhỏ sàn thành các phần tử nhỏ, mỗi phần tử ứng xử theo thuộc tính vật liệu, hình học, vị trí trong sàn, liên kết với các phần tử xung quanh và do đó kể đến sự làm việc uốn theo 2 một cách chính xác.
1.2.2. Chọn dải sàn - Đường truyền tải trọng
Đây là bước cơ bản nhất trong quá trình mô hình tính sàn. Hệ kết cấu nhà làm việc khi trọng lượng bản thân và các tải trọng khác lên sàn tại mọi điểm được truyền về các gối tựa (cột, vách) theo các đường truyền tải trọng. Ví dụ cho một sàn với lưới cột khùng khoằm như sau:
Hình 1.2.2. Mặt bằng kết cấu sàn
Đường truyền tải trọng được vẽ đi qua các gối tựa cột, vách theo 2 phương X, Y. Đây là đường giả thiết sự truyền tải sàn về các gối tựa do người thiết kế lựa chọn ban đầu. Có thể lựa chọn như trong các hình sau:
Hình 1.2.3. Đường tải trọng theo phương X
Hình 1.2.4. Đường tải trọng theo phương Y
Sau đó mỗi đường tải trọng sẽ có một vùng truyền tải sàn về như các hình vẽ sau, vùng này sẽ tạo nên dải sàn, cái này đã quen thuộc trong SAFE. Ranh giới của 2 dải sàn chính là các đường trung bình giữa các đường tải trọng liền kề trên cùng 1 phương X hoặc Y. Yêu cầu là tất cả các dải trên một phương phải phủ kín diện tích sàn. Một số phần mềm như ADAPT Floor Pro tự động chia ranh giới các dải sau khi vẽ các đường tải trọng.
Hình 1.2.5. Dải sàn theo phương X
Hình 1.2.6. Dải sàn theo phương Y
Giờ mỗi dải sàn sẽ coi như một dầm khung của phương pháp khung tương đương và các tiết diện dầm đó (vuông góc với đường tải trọng) chính là tiết diện tính toán dùng cho bước thiết kế sàn sau này. Thông thường chọn các tiết diện nguy hiểm: ở giữa nhịp và 2 mặt bên gối tựa như hình 1.2.7.
Hình 1.2.7. Tiết diện tính toán của dải sàn theo phương X
1.2.3. Tính toán phân tích
Sau khi chia sàn thành các dải, tiến hành phân tích theo một trong 3 phương pháp trên.
A. Phương pháp Khung tương đương
Phương pháp này quy bài toán không gian về bài toán khung phẳng.
Tách riêng từng dải sàn, cùng với các điều kiện biên về gối tựa (cột, vách), tải trọng sàn tác dụng trên diện truyền tải thành một khung tương đương và tiến hành tính toán độc lập khung đó. Hình 1.2.8 thể hiện ví dụ tách dải sàn B theo phương X, trong đó đã có các bước đơn giản hoá mô hình để đưa về dầm tương đương với các tiết diện đơn giản: các tiết diện thẳng và giật cấp. Một số phần mềm như ADAPT-PT cho phép tự động đơn giản hoá khung từ mặt bằng sàn phức tạp với độ chính xác cao.
Hình 1.2.8. Quy dải sàn về khung tương đương
Hình 1.2.9. Khung tương đương sau khi tách ra tính toán
B. Phương pháp Phần tử hữu hạn
PP này chỉ cần mô hình không gian một lần duy nhất, khác với pp Khung tương đương để tính hết mặt bằng sàn phải tính tất cả các khung tương ứng với mỗi dải sàn. Khi dùng các phần mềm tính theo PTHH, người thiết kế vẫn vẽ các đường tải trọng giả thiết giống như trình bày ở trên để lấy các giá trị moment tổng trên các tiết diện tính toán.
Điểm lợi hại là có thể dùng pp PTHH để lựa chọn đường truyền tải trọng và dải sàn như thế nào cho chính xác nhất. Hãy nhìn lại sơ đồ trên hình 1.2.1 về bước thiết kế tuỳ chọn. Hình 1.2.10 là kết quả từ phần mềm thể hiện các luồng truyền tải trọng về gối tựa. Các mũi tên vuông góc với mặt phẳng có lực cắt lớn nhất trong sàn, độ dài của mũi tên thể hiện độ lớn của lực cắt này.
Hình 1.2.10. Luồng truyền tải trọng về gối tựa
Hình 1.2.11. Biểu đồ thể hiện các đường truyền lực cắt bằng 0 (lực cắt theo phương Y).
(Các biểu đồ trên là kết quả của phân tích đàn hồi)
Các đường zero này chính là ranh giới thực tế của các dải sàn và đường truyền tải trọng theo phương X, chia dải sàn theo đường này thì là lý tưởng nhất về mặt kinh tế và sử dụng vật liệu với mặt bằng khùng khoằm thế này. Nếu so sánh với hình 1.2.5 thì thấy đường truyền tải chọn như ban đầu là sát với thực tế và do đó tương đối hợp lý.
1.2.4. Thiết kế
Lợi ích của việc chia dải sàn là chỉ cần quan tâm đến giá trị moment tổng tại mỗi tiết diện tính toán của dải đó để tính toán cốt thép cho cả chiều rộng tiết diện đó. Lưu ý là trong chiều rộng này cốt thép bố trí thế nào không quan trọng miễn là tổng diện tích cốt thép đủ chịu moment tổng như đã trình bày ở phần đầu. Hình 1.2.12 là ví dụ về biểu đồ moment cho dải sàn B, tại các tiết diện tính toán ở gối tựa và giữa nhịp 1-2. Trong hình thấy moment phân bố biến đổi dọc theo chiều rộng của tiết diện tính toán. Giá trị moment thiết kế lấy là tổng của các moment phân bố trên 1 tiết diện (diện tích của biểu đồ moment). Ví dụ ở gối tựa trục 2 giá trị moment tổng để tính thép sẽ là 281kNm.
Hình 1.2.12. Biểu đồ moment phân bố trên tiết diện tính toán
1.2.5. Bố trí bản vẽ thiết kế (Structural Detailing)
Sau khi tính toán cốt thép cho các dải sàn, cần bố trí cốt thép một cách hợp lý để đảm bảo sự làm việc của sàn như giả định thiết kế đã chọn.
A. Sàn thường
Nhiều tiêu chuẩn thiết kế như ACI, AS vẫn có những quy định về bố trí cốt thép theo dải giữa cột và dải đầu nhịp. Với mặt bằng sàn có hình dáng và lưới cột phức tạp thì cách này tỏ ra không ổn. Sau đây là một vài gợi ý bố trí để hợp lý nhất:
- Cố gắng bố trí cốt thép theo chiều rộng dải như biểu đồ moment phân bố trong hình 1.2.12. Ví dụ cốt thép âm tại gối cột trục 2 sẽ bố trí phần lớn tập trung quanh vùng cột là vùng có biểu đồ đạt giá trị đỉnh. Trong khi đó ở giữa nhịp, cốt thép lớp dưới bố trí đều.
- Bố trí toàn bộ cốt thép tính toán trong vùng sàn quanh cột với cột biên. Với các cột giữa đặt phần lớn lượng cốt thép yêu cầu trong vùng sàn quanh cột. Chiều rộng vùng sàn quanh cột tuỳ thuộc vào lựa chọn của Kết cấu sư theo như trên, có thể chấp nhận chiều rộng này bằng 1/2 chiều rộng của dải sàn.
- Tại các điểm khác phải bố trí lượng cốt thép tối thiểu cấu tạo, thường được các tiêu chuẩn quy định về đường kính và khoảng cách. Điều này để hạn chế nứt do co ngót và do thay đổi nhiệt độ.
B. Sàn ULT
Bố trí cốt thép thường và cáp ULT trong mặt cắt tính toán của sàn ULT tương đối tự do hơn sàn thường. Một số gợi ý bố trí ban đầu có thể tham khảo như sau:
- Bố trí cốt thép lớp trên cả 2 phương tập trung theo dải đầu cột. Chiều rộng dải này đối với sàn ULT nhỏ hơn đối với sàn thường như quy định ở trên.
- Bố trí tự do cốt thép lớp dưới sao cho thuận tiện nhất cho thi công.
- Bố trí tự do cáp ULT thuận tiện nhất cho thi công và đảm bảo tối thiểu có 2 tao cáp đi qua cột theo 2 phương. Khoảng cách tối đa của tao cáp là 8 lần chiều dày sàn.
- Tại các vùng sàn có ứng suất nén trung bình nhỏ hơn 0.7MPa theo tính toán cần bổ sung cốt thép thường cấu tạo để hạn chế nứt do co ngót và nhiệt độ.
C. Cốt thép cấu tạo
Ngoài vai trò hạn chế nứt còn có vai trò đảm bảo sự làm việc thực tế giống như đã lựa chọn của các đường truyền tải trọng (như đã nói trong phần 1.1.2). Một số cốt cấu tạo như quanh lỗ mở có thể trình bày dưới dạng chi tiết điển hình. Tuy nhiên phần lớn cốt cấu tạo là do KCS chỉ định, do đó kinh nghiệm và trình độ của KCS được yêu cầu cao ở đây để phản ánh đúng ứng xử của kết cấu sàn dưới tác dụng của tải trọng.
Thông thường bố trí cốt thép cấu tạo trên các gối tựa không kể đến trong các đường truyền tải giả thiết, như là cốt thép dưới tải tập trung trong ví dụ nêu ở phần đầu. Trong sàn ULT, cốt cấu tạo cần phải bố trí ở vùng do hình học hoặc do điều kiện thi công không bố trí đủ cáp đảm bảo lực nén tối thiểu.
Phần 2: TÍNH TOÁN VÀ CẤU
TẠO SÀN ULT
2.1.Vật liệu cáp ULT
Đơn vị nhỏ nhất gọi là Tao cáp (Strand), được dùng phổ biến là loại gồm 7 sợi thép bện với nhau, đường kính 12.7mm, có cường độ cao 1860MPa. Loại này cũng sẵn có bán trên thị trường hiện nay, kể cả Made in Tàu rẻ tiền lẫn hàng Tây xịn của Freyssinet hay VSL. Lí do loại đường kính này được dùng phổ biến vì theo tiêu chuẩn được dùng nhiều nhất, ACI, quy định khoảng cách tối đa của cáp (8 lần chiều dày sàn) và ứng suất nén trung bình trong sàn tối thiểu là 0.85MPa. Dùng cáp sợi 12.7mm cho phép thoả mãn cả 2 tiêu chí trên để tiết kiệm nhất số lượng cáp. Một lý do nữa là Kích căng cho cáp đơn 12.7mm là loại cầm tay, nhẹ và dễ thi công. Cáp đường kính lớn hơn, 15.3mm, thường dùng cho kết cấu lắp ghép căng trước hay cho cầu, gần đây là cho dầm ULT và sàn chuyển.
Có hai loại cáp dùng cho kết cấu ULT căng sau là loại không bám dính và có bám dính.
Hình 2.1.1. Cáp không bám dính: Sợi đơn gồm 1 tao cáp
Sợi cáp (Tendon) không bám dính là sợi đơn gồm 1 tao cáp trong vỏ bọc nhựa. Mỗi sợi đơn có đầu neo riêng và được căng riêng từng sợi. Đặc điểm về thiết kế là không có lực dính bám giữa tao cáp và bêtông dọc chiều dài cáp. Lực căng cáp truyền vào sàn chỉ qua 2 đầu neo thành lực nén trước vào bêtông ở đó. Chức năng của vỏ bọc nhựa là (i) ngăn lực dính bám với bêtông, (ii) bảo vệ tao cáp trong quá trình thi công, (iii) bảo vệ ăn mòn bởi hơi ẩm và hoá chất từ ngoài. Lớp chống ăn mòn thường là mỡ có tác dụng (i) giảm ma sát giữa tao cáp và vỏ bọc, (ii) tăng thêm tác dụng chống ăn mòn.
Hình 2.1.2. Cáp bám dính
Loại có bám dính được dùng phổ biến hơn ở Việt Nam. Các ống ghen (Duct) dẹt thường dùng cho sàn còn ống ghen tròn thường dùng cho dầm và cầu. Các tao cáp trong 1 bó chung 1 đầu neo ở mỗi đầu nhưng thường được căng bằng kích và cắt neo theo từng cao riêng biệt giống với cáp không bám dính. Vỏ ống ghen thông thường làm từ tôn mỏng.
Ý tưởng thiết kế cho cáp bám dính là tạo ra lực dính bám với bêtông dọc theo chiều dài sợi cáp bằng cách bơm vữa lấp đầy ống ghen sau khi căng và cắt neo các tao cáp. Khi vữa ninh kết, nó khoá chuyển dịch của tao cáp trong ống ghen, do đó lực căng trước trong cáp trở thành hàm số của biến dạng của bêtông xung quanh nó.
Vai trò của vữa bơm là: (i) tạo ra lực bám dính liên tục giữa tao cáp và ống ghen, (ii) chống ăn mòn, (iii) môi trường kiềm của vữa cách điện, chống ăn mòn điện hoá cho tao cáp. Vai trò của ống ghen: (i) tạo khoảng trống cho tao cáp trong bêtông trước và trong khi căng, (ii) truyền lực bám dính giữa vữa với bêtông xung quanh, (iii) tăng thêm tác dụng chống ăn mòn vào mặt trong ống ghen. Vai trò chính của các bộ đầu neo ở 2 đầu ống ghen là giữ lực căng cho đến khi vữa bơm ninh kết và làm việc.
Lưu ý là cả 2 phương án sàn có bám dính và không bám dính đều có những ưu, nhược điểm bù trừ nhau và đều có thể làm việc tốt cho kết cấu sàn ở mọi mục đích sử dụng. Cáp không bám dính được dùng cho hầu hết các công trình dân dụng ở Bắc Mỹ, ở Việt Nam có lẽ do đặc điểm kỹ thuật của các nhà thầu và yếu tố thị trường làm cho việc sử dụng có bám dính trở nên phổ biến hơn.
2.2. Cáp bám dính vs Không bám dính
Về mặt tính toán thiết kế không có sự khác biệt trong quy trình tính giữa 2 loại cáp này. Tuy nhiên hao ứng suất cho loại có bám dính nhiều hơn do ma sát lớn hơn giữa tao cáp và ống ghen.
Yêu cầu lớp bảo vệ cáp
Không có sự khác nhau về lớp bảo vệ đối với 2 loại cáp, cả cho yêu cầu chống ăn mòn và yêu cầu chống cháy (thời gian 2h).
Ứng suất giới hạn
Cả 2 loại cáp đều có cùng giới hạn theo tiêu chuẩn về ứng suất ban đầu khi căng và khi làm việc, cũng như mức độ căng trước tối thiểu và tối đa.
Ứng suất trong cáp ở TTGH 1
Ở cùng ứng suất căng ban đầu và quỹ đạo cáp, loại có bám dính cho ứng suất cao hơn trong cáp.
Hàm lượng cốt thép thường tối thiểu
Hiện chưa có tiêu chuẩn yêu cầu khống chế hàm lượng cốt thép thường tối thiểu để khống chế nứt cho cáp có bám dính, loại không bám dính có yêu cầu trong ACI.
Phân phối lại moment do tính đến khớp dẻo
Tiêu chuẩn ACI cho phép tính đến khớp dẻo và yêu cầu hàm lượng cốt thép thường tối thiểu tại các tiết diện khớp dẻo. Tuy nhiên mới chỉ cho cáp không bám dính.
Khả năng chị cắt của sàn 1 phương và dầm, chống chọc thủng của sàn 2 phương
Không có khác biệt giữa 2 loại cáp.
Sàn chịu tải trọng gió
Không có khác biệt.
Tải trọng động đất
ACI và UBC đều không yêu cầu tính sàn ULT với tải trọng động đất do tác dụng của động đất là ngắn hạn trong khi tác dụng ứng lực trước là dài hạn.
Khoảng cách tối thiểu giữa các cáp
Theo ACI là 8 lần chiều dày sàn hoặc 1.5m. Do đó cáp bám dính với kích thước lớn hơn tỏ ra kém hiệu quả hơn loại không bám dính.
Ví dụ sàn dày 140mm, thiết kế với ứng suất nén trước 0.86MPa, dùng tao cáp 12.7mm với lực căng hữu hiệu (sau khi trừ tổn hao) là 116kN. Khoảng cách của mỗi tao cáp sẽ là:
116/(0.86*140)=960mm
Khoảng cách tối đa cho cáp là 8*140=1120mm. Như vậy dùng cáp không bám dính đơn 1 tao cáp thì có thể đặt ở khoảng cách 960mm như tính toán. Nếu dùng cáp bám dính ống ghen dẹt, ở khoảng cách 960mm chỉ cần một tao cáp trong ống ghen. Hoặc dùng 2 tao cáp trong 1 ống thì khoảng cách là 1120mm. Như vậy là trên phương diện này, cáp có bám dính không hiệu quả bằng, vì 1 ống ghen cùng với các bộ neo thường chứa được 4 đến 5 tao cáp.
Thi công
Cáp không bám dính thi công dễ và nhanh chóng rải đúng quỹ đạo, hay bẻ trên mặt bằng để tránh lỗ mở hơn. Dùng cáp bám dính thì phải thêm công và thời gian bơm vữa cũng như nghiệm thu công tác này.
Sàn ULT bám dính thường dùng cáp dẹt với bộ neo 4-5 tao cáp, nhưng mỗi tao cáp vẫn được căng riêng lẻ. Với dầm lại hay dùng ống ghen tròn 5-12 tao cáp và dùng kích thuỷ lực căng nhiều tao cáp 1 lúc. Nhược điểm là kích này to, nặng cần nhiều hơn 1 công nhân thao tác và phải có cẩu tháp cẩu vào vị trí.
Ưu điểm rõ ràng của cáp bám dính là thời gian thi công do các tao cáp được cắt từ cuộn cáp và chế neo luôn trên công trường. Với cáp không bám dính tất cả công đoạn này phải gia công trong nhà máy nên không chủ động và mất thời gian hơn đáng kể.
Độ bền kết cấu
Cả 2 loại cáp đều cho độ tin cậy kết cấu cao. Với cáp không bám dính, kinh nghiệm nhà thầu và vật liệu kém chất lượng gây ra hư hại với số lượng công trình nhiều hơn. Với các công trình ngoài trời như bãi đỗ xe, móng bè, ở khu vực có khí hậu dễ ăn mòn hơn hay ẩm ướt như ở Việt Nam thường dùng cáp có bám dính hơn. Cáp không bám dính cho những môi trường này đòi hỏi chất lượng cao của vật liệu chống ăn mòn cáp, vỏ cáp và thi công kỹ thuật cao. Dùng có bám dính thì độ bền phụ thuộc nhiều hơn vào chất lượng và kỹ thuật thi công bơm vữa.
Chất lượng cáp không bám dính phải kể đến suốt chiều dài đường cáp và 2 đầu neo. Chỉ 1 điểm bị mất ứng suất là cả đường cáp không làm việc. Cáp bị hỏng càng dài thì ảnh hưởng lên kết cấu càng nhiều.
Cáp bám dính có khả năng truyền và phát triển lực căng từ 1 điểm đi xa khoảng 50 lần đường kính tao cáp. 1 điểm nào bị hỏng trên cáp sẽ chỉ là cục bộ. Cách đoạn 50d này ứng suất trong cáp vẫn giữ nguyên, cáp vẫn làm việc. Do đó độ tin cậy của cáp có bám dính cao hơn.
Thay đổi, sửa chữa
Cáp không bám dính linh hoạt hơn cho sửa chữa. Một đường cáp bị hỏng có thể dễ dàng rút tao cáp ra, thay thế và căng lại. Việc thay thế cũng lợi hơn về ứng suất, do tổn hao nhỏ hơn so với cáp thi công từ đầu. Ngược lại, cáp có bám dính không thể thay thế do vữa bơm dính chặt trong ống ghen.
Trong trường hợp muốn thay đổi công năng, ví dụ đập thêm lỗ mở lớn. Truyền thống vẫn quan niệm không thể đục cắt qua cáp, nhưng với kỹ thuật thi công hiện tại thì điều này là có thể và thậm chí còn dễ hơn cho cáp có bám dính.
Với cáp không bám dính, khi cắt lỗ mở sẽ cắt cáp, căng lại và neo tại mép lỗ mở mới dùng kỹ thuật thi công đặc biệt. Cáp có bám dính thì không cần căng và neo lại vì vữa bơm trong vùng không bị cắt sẽ giữ vị trí tao cáp.
2.1.Vật liệu cáp ULT
Đơn vị nhỏ nhất gọi là Tao cáp (Strand), được dùng phổ biến là loại gồm 7 sợi thép bện với nhau, đường kính 12.7mm, có cường độ cao 1860MPa. Loại này cũng sẵn có bán trên thị trường hiện nay, kể cả Made in Tàu rẻ tiền lẫn hàng Tây xịn của Freyssinet hay VSL. Lí do loại đường kính này được dùng phổ biến vì theo tiêu chuẩn được dùng nhiều nhất, ACI, quy định khoảng cách tối đa của cáp (8 lần chiều dày sàn) và ứng suất nén trung bình trong sàn tối thiểu là 0.85MPa. Dùng cáp sợi 12.7mm cho phép thoả mãn cả 2 tiêu chí trên để tiết kiệm nhất số lượng cáp. Một lý do nữa là Kích căng cho cáp đơn 12.7mm là loại cầm tay, nhẹ và dễ thi công. Cáp đường kính lớn hơn, 15.3mm, thường dùng cho kết cấu lắp ghép căng trước hay cho cầu, gần đây là cho dầm ULT và sàn chuyển.
Có hai loại cáp dùng cho kết cấu ULT căng sau là loại không bám dính và có bám dính.
Hình 2.1.1. Cáp không bám dính: Sợi đơn gồm 1 tao cáp
Sợi cáp (Tendon) không bám dính là sợi đơn gồm 1 tao cáp trong vỏ bọc nhựa. Mỗi sợi đơn có đầu neo riêng và được căng riêng từng sợi. Đặc điểm về thiết kế là không có lực dính bám giữa tao cáp và bêtông dọc chiều dài cáp. Lực căng cáp truyền vào sàn chỉ qua 2 đầu neo thành lực nén trước vào bêtông ở đó. Chức năng của vỏ bọc nhựa là (i) ngăn lực dính bám với bêtông, (ii) bảo vệ tao cáp trong quá trình thi công, (iii) bảo vệ ăn mòn bởi hơi ẩm và hoá chất từ ngoài. Lớp chống ăn mòn thường là mỡ có tác dụng (i) giảm ma sát giữa tao cáp và vỏ bọc, (ii) tăng thêm tác dụng chống ăn mòn.
Hình 2.1.2. Cáp bám dính
Loại có bám dính được dùng phổ biến hơn ở Việt Nam. Các ống ghen (Duct) dẹt thường dùng cho sàn còn ống ghen tròn thường dùng cho dầm và cầu. Các tao cáp trong 1 bó chung 1 đầu neo ở mỗi đầu nhưng thường được căng bằng kích và cắt neo theo từng cao riêng biệt giống với cáp không bám dính. Vỏ ống ghen thông thường làm từ tôn mỏng.
Ý tưởng thiết kế cho cáp bám dính là tạo ra lực dính bám với bêtông dọc theo chiều dài sợi cáp bằng cách bơm vữa lấp đầy ống ghen sau khi căng và cắt neo các tao cáp. Khi vữa ninh kết, nó khoá chuyển dịch của tao cáp trong ống ghen, do đó lực căng trước trong cáp trở thành hàm số của biến dạng của bêtông xung quanh nó.
Vai trò của vữa bơm là: (i) tạo ra lực bám dính liên tục giữa tao cáp và ống ghen, (ii) chống ăn mòn, (iii) môi trường kiềm của vữa cách điện, chống ăn mòn điện hoá cho tao cáp. Vai trò của ống ghen: (i) tạo khoảng trống cho tao cáp trong bêtông trước và trong khi căng, (ii) truyền lực bám dính giữa vữa với bêtông xung quanh, (iii) tăng thêm tác dụng chống ăn mòn vào mặt trong ống ghen. Vai trò chính của các bộ đầu neo ở 2 đầu ống ghen là giữ lực căng cho đến khi vữa bơm ninh kết và làm việc.
Lưu ý là cả 2 phương án sàn có bám dính và không bám dính đều có những ưu, nhược điểm bù trừ nhau và đều có thể làm việc tốt cho kết cấu sàn ở mọi mục đích sử dụng. Cáp không bám dính được dùng cho hầu hết các công trình dân dụng ở Bắc Mỹ, ở Việt Nam có lẽ do đặc điểm kỹ thuật của các nhà thầu và yếu tố thị trường làm cho việc sử dụng có bám dính trở nên phổ biến hơn.
2.2. Cáp bám dính vs Không bám dính
Về mặt tính toán thiết kế không có sự khác biệt trong quy trình tính giữa 2 loại cáp này. Tuy nhiên hao ứng suất cho loại có bám dính nhiều hơn do ma sát lớn hơn giữa tao cáp và ống ghen.
Yêu cầu lớp bảo vệ cáp
Không có sự khác nhau về lớp bảo vệ đối với 2 loại cáp, cả cho yêu cầu chống ăn mòn và yêu cầu chống cháy (thời gian 2h).
Ứng suất giới hạn
Cả 2 loại cáp đều có cùng giới hạn theo tiêu chuẩn về ứng suất ban đầu khi căng và khi làm việc, cũng như mức độ căng trước tối thiểu và tối đa.
Ứng suất trong cáp ở TTGH 1
Ở cùng ứng suất căng ban đầu và quỹ đạo cáp, loại có bám dính cho ứng suất cao hơn trong cáp.
Hàm lượng cốt thép thường tối thiểu
Hiện chưa có tiêu chuẩn yêu cầu khống chế hàm lượng cốt thép thường tối thiểu để khống chế nứt cho cáp có bám dính, loại không bám dính có yêu cầu trong ACI.
Phân phối lại moment do tính đến khớp dẻo
Tiêu chuẩn ACI cho phép tính đến khớp dẻo và yêu cầu hàm lượng cốt thép thường tối thiểu tại các tiết diện khớp dẻo. Tuy nhiên mới chỉ cho cáp không bám dính.
Khả năng chị cắt của sàn 1 phương và dầm, chống chọc thủng của sàn 2 phương
Không có khác biệt giữa 2 loại cáp.
Sàn chịu tải trọng gió
Không có khác biệt.
Tải trọng động đất
ACI và UBC đều không yêu cầu tính sàn ULT với tải trọng động đất do tác dụng của động đất là ngắn hạn trong khi tác dụng ứng lực trước là dài hạn.
Khoảng cách tối thiểu giữa các cáp
Theo ACI là 8 lần chiều dày sàn hoặc 1.5m. Do đó cáp bám dính với kích thước lớn hơn tỏ ra kém hiệu quả hơn loại không bám dính.
Ví dụ sàn dày 140mm, thiết kế với ứng suất nén trước 0.86MPa, dùng tao cáp 12.7mm với lực căng hữu hiệu (sau khi trừ tổn hao) là 116kN. Khoảng cách của mỗi tao cáp sẽ là:
116/(0.86*140)=960mm
Khoảng cách tối đa cho cáp là 8*140=1120mm. Như vậy dùng cáp không bám dính đơn 1 tao cáp thì có thể đặt ở khoảng cách 960mm như tính toán. Nếu dùng cáp bám dính ống ghen dẹt, ở khoảng cách 960mm chỉ cần một tao cáp trong ống ghen. Hoặc dùng 2 tao cáp trong 1 ống thì khoảng cách là 1120mm. Như vậy là trên phương diện này, cáp có bám dính không hiệu quả bằng, vì 1 ống ghen cùng với các bộ neo thường chứa được 4 đến 5 tao cáp.
Thi công
Cáp không bám dính thi công dễ và nhanh chóng rải đúng quỹ đạo, hay bẻ trên mặt bằng để tránh lỗ mở hơn. Dùng cáp bám dính thì phải thêm công và thời gian bơm vữa cũng như nghiệm thu công tác này.
Sàn ULT bám dính thường dùng cáp dẹt với bộ neo 4-5 tao cáp, nhưng mỗi tao cáp vẫn được căng riêng lẻ. Với dầm lại hay dùng ống ghen tròn 5-12 tao cáp và dùng kích thuỷ lực căng nhiều tao cáp 1 lúc. Nhược điểm là kích này to, nặng cần nhiều hơn 1 công nhân thao tác và phải có cẩu tháp cẩu vào vị trí.
Ưu điểm rõ ràng của cáp bám dính là thời gian thi công do các tao cáp được cắt từ cuộn cáp và chế neo luôn trên công trường. Với cáp không bám dính tất cả công đoạn này phải gia công trong nhà máy nên không chủ động và mất thời gian hơn đáng kể.
Độ bền kết cấu
Cả 2 loại cáp đều cho độ tin cậy kết cấu cao. Với cáp không bám dính, kinh nghiệm nhà thầu và vật liệu kém chất lượng gây ra hư hại với số lượng công trình nhiều hơn. Với các công trình ngoài trời như bãi đỗ xe, móng bè, ở khu vực có khí hậu dễ ăn mòn hơn hay ẩm ướt như ở Việt Nam thường dùng cáp có bám dính hơn. Cáp không bám dính cho những môi trường này đòi hỏi chất lượng cao của vật liệu chống ăn mòn cáp, vỏ cáp và thi công kỹ thuật cao. Dùng có bám dính thì độ bền phụ thuộc nhiều hơn vào chất lượng và kỹ thuật thi công bơm vữa.
Chất lượng cáp không bám dính phải kể đến suốt chiều dài đường cáp và 2 đầu neo. Chỉ 1 điểm bị mất ứng suất là cả đường cáp không làm việc. Cáp bị hỏng càng dài thì ảnh hưởng lên kết cấu càng nhiều.
Cáp bám dính có khả năng truyền và phát triển lực căng từ 1 điểm đi xa khoảng 50 lần đường kính tao cáp. 1 điểm nào bị hỏng trên cáp sẽ chỉ là cục bộ. Cách đoạn 50d này ứng suất trong cáp vẫn giữ nguyên, cáp vẫn làm việc. Do đó độ tin cậy của cáp có bám dính cao hơn.
Thay đổi, sửa chữa
Cáp không bám dính linh hoạt hơn cho sửa chữa. Một đường cáp bị hỏng có thể dễ dàng rút tao cáp ra, thay thế và căng lại. Việc thay thế cũng lợi hơn về ứng suất, do tổn hao nhỏ hơn so với cáp thi công từ đầu. Ngược lại, cáp có bám dính không thể thay thế do vữa bơm dính chặt trong ống ghen.
Trong trường hợp muốn thay đổi công năng, ví dụ đập thêm lỗ mở lớn. Truyền thống vẫn quan niệm không thể đục cắt qua cáp, nhưng với kỹ thuật thi công hiện tại thì điều này là có thể và thậm chí còn dễ hơn cho cáp có bám dính.
Với cáp không bám dính, khi cắt lỗ mở sẽ cắt cáp, căng lại và neo tại mép lỗ mở mới dùng kỹ thuật thi công đặc biệt. Cáp có bám dính thì không cần căng và neo lại vì vữa bơm trong vùng không bị cắt sẽ giữ vị trí tao cáp.
2.3. Các thông số đầu
tiên
Khi thiết kế sàn ULT, có 3 thông số cần quyết định ngay từ đầu và sẽ đưa đến những kết quả khác nhau về bố trí thép, không như với sàn thường chỉ có 1 đáp án duy nhất cho bài toán. Đó là:
- Ứng suất nén trước (thông qua lực căng cáp)
- Phần trăm tải trọng cân bằng
- Quỹ đạo cáp: Hình dạng và cao độ
Do có nhiều đáp án cho bài toán nên KCS nhiều kinh nghiệm sẽ nhanh chóng chọn được phương án đảm bảo về kỹ thuật và tiết kiệm nhất. Tiết kiệm ở đây là cân đối giữa số lượng cáp sàn (thông qua lực căng) và cốt thép thường ở mức nhỏ nhất, nhớ là giá cáp bao giờ cũng đắt hơn nhiều so với cốt thép thường.
Ứng suất nén trước (Average precompression)
Thông số rất quan trọng này được định nghĩa bằng tổng lực căng chia cho diện tích tiết diện vuông góc với phương lực căng. ACI 318-02 yêu cầu ứng suất nén trước hữu hiệu tối thiểu 0.85MPa (sau khi trừ tổn hao ưs).
Trong đa số trường hợp nhà dân dụng, giá trị 0.85MPa được chọn để xuất phát cho bài toán chọn cáp. Với sàn mái hay gara thường bằng 1.0-1.4MPa do yêu cầu cao về khống chế nứt chống thấm. Nhưng nhớ là việc tăng ứng suất nén trước không có nghĩa đảm bảo không xuất hiện vết nứt. Trong sàn 1 phương hoặc dầm, ứng suất nén trước được tính trên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang.
Giá trị ứng suất nén trước lớn nhất nên là 2.0MPa cho sàn và 2.5MPa cho dầm. Dù ACI quy định giá trị lớn hơn nhưng khi đó không còn kinh tế nữa.
Phần trăm tải trọng cân bằng
Vỡ lòng về kết cấu ứng suất trước là tạo ra một tác dụng ngược lại với phương của tải trọng tác dụng mà phần lớn là trọng lượng, thông qua tỉ lệ phần trăm của tĩnh tải được cân bằng.
Với sàn, con số hợp lý trong khoảng 60-80% tĩnh tải. Với dầm là 80-110%, lý do độ võng của dầm ảnh hưởng nhiều hơn đến làm việc của hệ sàn.
Chọn quỹ đạo cáp
Có vài chú ý về chọn quỹ đạo cáp cho hợp lý nhưng trước hết hãy nói về Phương pháp Cân bằng tải trọng để hiểu cho rõ vì quỹ đạo cáp quyết định % Tải trọng cân bằng.
2.4. Phương pháp Cân bằng tải trọng
Nói đến ULT là nói đến pp này. Đôi chút về lịch sử thì nó được T.Y. Lin giới thiệu từ năm 1961 và đến năm 1963 được đăng trên tạp chí ACI. PP này là 1 công cụ quá mạnh và làm đơn giản hoá lý thuyết ULT để anh em Kỹ sư không cần phải học lên cao quá
Hãy bắt đầu từ hình 2.4.1 ví dụ một dầm liên tục được ứng lực trước với lực căng P không đổi. Cáp sàn có quỹ đạo parabol quen thuộc với 2 điểm uốn ở nhịp giữa và 1 điểm uốn cho nhịp biên, điểm thấp nhất ở giữa nhịp. Các làm của ppCBTT như sau: tách cáp ra khỏi kết cấu và thay thế bởi các tải trọng như trên hình 2.4.2 gọi là “Tải trọng cân bằng”. Tải trọng cân bằng gồm các phần hướng lên và hướng xuống sinh ra từ các phần parabol của quỹ đạo cáp (như hình 2.4.3) và lực nén trước P. Tải trọng trên hình 2.4.2 và 2.4.3 là cân bằng ngược chiều nhau.
Hình 2.4.1. Dầm liên tục 3 nhịp ULT
Hình 2.4.2. Tải trọng cân bằng lên dầm (không thể hiện gối tựa ở đây)
Hình 2.4.3. Tải trọng cân bằng trên cáp
Hình 2.4.4. 1 phần cáp giữa điểm thấp nhất (A) và điểm uốn của parabol (B)
Cáp tách ra bản thân cũng là một hệ tĩnh định và chỉ chịu kéo. Dầm thì vẫn là hệ siêu tĩnh với bậc siêu tĩnh tuỳ thuộc vào số gối tựa (ôn lại Cơ học KC một tý).
2.4.1. Moment sơ cấp
Hình 2.4.5 xét cân bằng của phần dầm cắt ở một đoạn bằng a cách gối tựa trái. Tại mặt cắt này có tác dụng là lực nén đúng tâm P, moment Mp và lực cắt Vx sinh ra bởi tải trọng cân bằng như trên hình 2.4.2. Mp được định nghĩa là Moment sơ cấp, có vai trò duy trì cân bằng cho hệ tải trọng cân bằng ở đây.
Thành phần đứng của lực lên cáp VA được tính từ đoạn cáp đầu tiên giữa neo trái và điểm thấp nhất của quỹ đạo như trên hình 2.4.4
Hình 2.4.5. Cân bằng của phần dầm cắt ra
Hình 2.4.6. Cân bằng của cáp trong đoạn này
Nhìn từ hình 2.4.5 và 2.4.6 suy ra Mp=Pe. Ghi nhớ rằng moment sơ cấp này không phụ thuộc vào điều kiện biên về gối tựa hay các tải trọng tác dụng lên dầm.
2.4.2. Moment thứ cấp (Hyperstatic)
Còn gọi là moment siêu tĩnh - Hyperstatic. Đây là hiệu ứng đặc trưng trong kết cấu ULT do kết quả tác dụng của các gối tựa. Hãy xem xét ví dụ trên hình 2.4.7 về một dầm ULT căng trước. Lực căng trước gây ra độ vồng cho dầm như trên hình 2.4.7 (b) và đó là do tác dụng uốn của moment sơ cấp Mp. Cần phải có tác nén xuống thắng độ vồng này trước khi chốt chặt dầm vào các gối tựa theo đường thẳng định trước. Do đó tại gối tựa phát sinh các phản lực như trên hình 2.4.8 (a) để giữ độ vồng này và được gọi là tác dụng thứ cấp (Hyperstatic). Phản lực thứ cấp này gây ra moment trên dầm như biểu đồ trên hình 2.4.8 (b) gọi là moment thứ cấp.
Hình 2.4.7. Dầm chịu lực căng trước
Hình 2.4.8. Phản lực và moment thứ cấp lên dầm
Ở kết cấu ULT căng sau, quy trình là ngược lại: dầm được cố định trên các gối tựa khi đổ bêtông. Việc căng cáp sau khi đổ bêtông gây ra các phản lực phụ thêm lên gối tựa do tác dụng ngăn lại chuyển vị tự do gây ra bởi lực nén trước của các gối tựa lên kết cấu bêtông. Các phản lực này cũng chính là phản lực thứ cấp.
Các phản lực thứ cấp này phải tự cân bằng nhau: ΣRsec = 0.
Hãy quay lại với ví dụ trước, xét mặt cắt bất kỳ trên dầm như trên hình 2.4.9. Tại đó có moment Msec=ΣRiXi và lực cắt thứ cấp Vsec=ΣRi.
Các lực này được chịu bởi nội lực trong bêtông và cáp như hình 2.4.9(b)
Hình 2.4.9. Lực tác dụng trên mặt cắt bất kỳ
Xét thêm tĩnh tải (Md) và hoạt tải (Ml) thì tổ hợp tính cho TTGH 1 theo ACI sẽ như sau:
1.4Md + 1.7Ml + Msec
Kết luận quan trọng rút ra: tính với TTGH1 (về cường độ) chỉ có hiệu ứng thứ cấp ảnh hưởng chứ không xét đến ảnh hưởng sơ cấp và tải trọng cân bằng. Moment thứ cấp trong tổ hợp không nhân với hệ số vượt tải vì: giá trị của nó đã rõ ràng, không phải xác suất thống kê như Tĩnh tải và hoạt tải, và tác dụng của nó là ngược lại tĩnh và hoạt tải nên việc không thêm hệ số vượt tải là thiên về an toàn.
Khi thiết kế sàn ULT, có 3 thông số cần quyết định ngay từ đầu và sẽ đưa đến những kết quả khác nhau về bố trí thép, không như với sàn thường chỉ có 1 đáp án duy nhất cho bài toán. Đó là:
- Ứng suất nén trước (thông qua lực căng cáp)
- Phần trăm tải trọng cân bằng
- Quỹ đạo cáp: Hình dạng và cao độ
Do có nhiều đáp án cho bài toán nên KCS nhiều kinh nghiệm sẽ nhanh chóng chọn được phương án đảm bảo về kỹ thuật và tiết kiệm nhất. Tiết kiệm ở đây là cân đối giữa số lượng cáp sàn (thông qua lực căng) và cốt thép thường ở mức nhỏ nhất, nhớ là giá cáp bao giờ cũng đắt hơn nhiều so với cốt thép thường.
Ứng suất nén trước (Average precompression)
Thông số rất quan trọng này được định nghĩa bằng tổng lực căng chia cho diện tích tiết diện vuông góc với phương lực căng. ACI 318-02 yêu cầu ứng suất nén trước hữu hiệu tối thiểu 0.85MPa (sau khi trừ tổn hao ưs).
Trong đa số trường hợp nhà dân dụng, giá trị 0.85MPa được chọn để xuất phát cho bài toán chọn cáp. Với sàn mái hay gara thường bằng 1.0-1.4MPa do yêu cầu cao về khống chế nứt chống thấm. Nhưng nhớ là việc tăng ứng suất nén trước không có nghĩa đảm bảo không xuất hiện vết nứt. Trong sàn 1 phương hoặc dầm, ứng suất nén trước được tính trên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang.
Giá trị ứng suất nén trước lớn nhất nên là 2.0MPa cho sàn và 2.5MPa cho dầm. Dù ACI quy định giá trị lớn hơn nhưng khi đó không còn kinh tế nữa.
Phần trăm tải trọng cân bằng
Vỡ lòng về kết cấu ứng suất trước là tạo ra một tác dụng ngược lại với phương của tải trọng tác dụng mà phần lớn là trọng lượng, thông qua tỉ lệ phần trăm của tĩnh tải được cân bằng.
Với sàn, con số hợp lý trong khoảng 60-80% tĩnh tải. Với dầm là 80-110%, lý do độ võng của dầm ảnh hưởng nhiều hơn đến làm việc của hệ sàn.
Chọn quỹ đạo cáp
Có vài chú ý về chọn quỹ đạo cáp cho hợp lý nhưng trước hết hãy nói về Phương pháp Cân bằng tải trọng để hiểu cho rõ vì quỹ đạo cáp quyết định % Tải trọng cân bằng.
2.4. Phương pháp Cân bằng tải trọng
Nói đến ULT là nói đến pp này. Đôi chút về lịch sử thì nó được T.Y. Lin giới thiệu từ năm 1961 và đến năm 1963 được đăng trên tạp chí ACI. PP này là 1 công cụ quá mạnh và làm đơn giản hoá lý thuyết ULT để anh em Kỹ sư không cần phải học lên cao quá
Hãy bắt đầu từ hình 2.4.1 ví dụ một dầm liên tục được ứng lực trước với lực căng P không đổi. Cáp sàn có quỹ đạo parabol quen thuộc với 2 điểm uốn ở nhịp giữa và 1 điểm uốn cho nhịp biên, điểm thấp nhất ở giữa nhịp. Các làm của ppCBTT như sau: tách cáp ra khỏi kết cấu và thay thế bởi các tải trọng như trên hình 2.4.2 gọi là “Tải trọng cân bằng”. Tải trọng cân bằng gồm các phần hướng lên và hướng xuống sinh ra từ các phần parabol của quỹ đạo cáp (như hình 2.4.3) và lực nén trước P. Tải trọng trên hình 2.4.2 và 2.4.3 là cân bằng ngược chiều nhau.
Hình 2.4.1. Dầm liên tục 3 nhịp ULT
Hình 2.4.2. Tải trọng cân bằng lên dầm (không thể hiện gối tựa ở đây)
Hình 2.4.3. Tải trọng cân bằng trên cáp
Hình 2.4.4. 1 phần cáp giữa điểm thấp nhất (A) và điểm uốn của parabol (B)
Cáp tách ra bản thân cũng là một hệ tĩnh định và chỉ chịu kéo. Dầm thì vẫn là hệ siêu tĩnh với bậc siêu tĩnh tuỳ thuộc vào số gối tựa (ôn lại Cơ học KC một tý).
2.4.1. Moment sơ cấp
Hình 2.4.5 xét cân bằng của phần dầm cắt ở một đoạn bằng a cách gối tựa trái. Tại mặt cắt này có tác dụng là lực nén đúng tâm P, moment Mp và lực cắt Vx sinh ra bởi tải trọng cân bằng như trên hình 2.4.2. Mp được định nghĩa là Moment sơ cấp, có vai trò duy trì cân bằng cho hệ tải trọng cân bằng ở đây.
Thành phần đứng của lực lên cáp VA được tính từ đoạn cáp đầu tiên giữa neo trái và điểm thấp nhất của quỹ đạo như trên hình 2.4.4
Hình 2.4.5. Cân bằng của phần dầm cắt ra
Hình 2.4.6. Cân bằng của cáp trong đoạn này
Nhìn từ hình 2.4.5 và 2.4.6 suy ra Mp=Pe. Ghi nhớ rằng moment sơ cấp này không phụ thuộc vào điều kiện biên về gối tựa hay các tải trọng tác dụng lên dầm.
2.4.2. Moment thứ cấp (Hyperstatic)
Còn gọi là moment siêu tĩnh - Hyperstatic. Đây là hiệu ứng đặc trưng trong kết cấu ULT do kết quả tác dụng của các gối tựa. Hãy xem xét ví dụ trên hình 2.4.7 về một dầm ULT căng trước. Lực căng trước gây ra độ vồng cho dầm như trên hình 2.4.7 (b) và đó là do tác dụng uốn của moment sơ cấp Mp. Cần phải có tác nén xuống thắng độ vồng này trước khi chốt chặt dầm vào các gối tựa theo đường thẳng định trước. Do đó tại gối tựa phát sinh các phản lực như trên hình 2.4.8 (a) để giữ độ vồng này và được gọi là tác dụng thứ cấp (Hyperstatic). Phản lực thứ cấp này gây ra moment trên dầm như biểu đồ trên hình 2.4.8 (b) gọi là moment thứ cấp.
Hình 2.4.7. Dầm chịu lực căng trước
Hình 2.4.8. Phản lực và moment thứ cấp lên dầm
Ở kết cấu ULT căng sau, quy trình là ngược lại: dầm được cố định trên các gối tựa khi đổ bêtông. Việc căng cáp sau khi đổ bêtông gây ra các phản lực phụ thêm lên gối tựa do tác dụng ngăn lại chuyển vị tự do gây ra bởi lực nén trước của các gối tựa lên kết cấu bêtông. Các phản lực này cũng chính là phản lực thứ cấp.
Các phản lực thứ cấp này phải tự cân bằng nhau: ΣRsec = 0.
Hãy quay lại với ví dụ trước, xét mặt cắt bất kỳ trên dầm như trên hình 2.4.9. Tại đó có moment Msec=ΣRiXi và lực cắt thứ cấp Vsec=ΣRi.
Các lực này được chịu bởi nội lực trong bêtông và cáp như hình 2.4.9(b)
Hình 2.4.9. Lực tác dụng trên mặt cắt bất kỳ
Xét thêm tĩnh tải (Md) và hoạt tải (Ml) thì tổ hợp tính cho TTGH 1 theo ACI sẽ như sau:
1.4Md + 1.7Ml + Msec
Kết luận quan trọng rút ra: tính với TTGH1 (về cường độ) chỉ có hiệu ứng thứ cấp ảnh hưởng chứ không xét đến ảnh hưởng sơ cấp và tải trọng cân bằng. Moment thứ cấp trong tổ hợp không nhân với hệ số vượt tải vì: giá trị của nó đã rõ ràng, không phải xác suất thống kê như Tĩnh tải và hoạt tải, và tác dụng của nó là ngược lại tĩnh và hoạt tải nên việc không thêm hệ số vượt tải là thiên về an toàn.
2.4.3. Tính TTGH2 theo
tổ hợp nào?
Trong hình 2.4.9, cáp ULT vẫn được giữ trong sơ đồ tính. Trong pp Cân bằng tải trọng thì cáp được tách ra và thay thể bở tải trọng cân bằng. Hình 2.4.10 thể hiện hình 2.4.9 sau khi tách cáp. Như vậy lực tác dụng lên dầm gồm có tải trọng cân bằng và các phản lực thứ cấp. Tại tiết diện cách đoan a từ gối tựa trái, các lực tác dụng là moment cân bằng Mb, lực cắt cân bằng Vb và lực căng P.
Hình 2.4.10. Tính moment cân bằng Mb
Từ hình trên ta thấy moment cân bằng bằng tổng của 2 hiệu ứng sơ cấp và thứ cấp.
Theo TTGH2, cần kiểm tra ứng suất trong bêtông để khống chế võng và nứt. Sơ đồ tính trên hình 2.4.10 được dùng để tính toán theo TTGH2: tách không xét đến cáp sàn nữa, moment Mb và lực căng P được chịu bởi ứng suất trong bêtông và cốt thép thường thêm vào.
Đó là công dụng của pp Cân bằng tải trọng trong việc làm đơn giản mô hình tính về sơ đồ không ứng lực trước, việc tính toán còn lại tiến hành như với kết cấu BTCT bình thường. Việc mô hình này là chấp nhận được vì ảnh hưởng của cáp lên độ cứng của kết cấu là có thể bỏ qua.
2.4.4. Chú ý khi thay đổi tiết diện
Trường hợp hay gặp là tiết diện thay đổi chiều cao hay chiều dày, tạo ra bước nhảy m về trục trung hoà của cấu kiện như hình 2.4.11(a). Việc này cần xem xét đến khi tính Tải trọng cân bằng.
Hình 2.4.11. Cân bằng tải trọng khi thay đổi chiều dày
Trong ví dụ này, cáp được rải liên tục và neo tại trục trung hoà 2 đầu (N.A.) Tải trọng cân bằng như trên hình 2.4.11 (b), với lực căng P ở 2 đầu không thẳng hàng nhau. Lực P này có thể thay thế bằng các cặp lực và moment như hình (c).
Như vậy tải trọng cân bằng ở hình (b) phải gồm 2 thành phần gây lực dọc như hình 2.4.11(d) và thành phần gây uốn dầm 2.4.11(e).
Trong hình 2.4.9, cáp ULT vẫn được giữ trong sơ đồ tính. Trong pp Cân bằng tải trọng thì cáp được tách ra và thay thể bở tải trọng cân bằng. Hình 2.4.10 thể hiện hình 2.4.9 sau khi tách cáp. Như vậy lực tác dụng lên dầm gồm có tải trọng cân bằng và các phản lực thứ cấp. Tại tiết diện cách đoan a từ gối tựa trái, các lực tác dụng là moment cân bằng Mb, lực cắt cân bằng Vb và lực căng P.
Hình 2.4.10. Tính moment cân bằng Mb
Từ hình trên ta thấy moment cân bằng bằng tổng của 2 hiệu ứng sơ cấp và thứ cấp.
Theo TTGH2, cần kiểm tra ứng suất trong bêtông để khống chế võng và nứt. Sơ đồ tính trên hình 2.4.10 được dùng để tính toán theo TTGH2: tách không xét đến cáp sàn nữa, moment Mb và lực căng P được chịu bởi ứng suất trong bêtông và cốt thép thường thêm vào.
Đó là công dụng của pp Cân bằng tải trọng trong việc làm đơn giản mô hình tính về sơ đồ không ứng lực trước, việc tính toán còn lại tiến hành như với kết cấu BTCT bình thường. Việc mô hình này là chấp nhận được vì ảnh hưởng của cáp lên độ cứng của kết cấu là có thể bỏ qua.
2.4.4. Chú ý khi thay đổi tiết diện
Trường hợp hay gặp là tiết diện thay đổi chiều cao hay chiều dày, tạo ra bước nhảy m về trục trung hoà của cấu kiện như hình 2.4.11(a). Việc này cần xem xét đến khi tính Tải trọng cân bằng.
Hình 2.4.11. Cân bằng tải trọng khi thay đổi chiều dày
Trong ví dụ này, cáp được rải liên tục và neo tại trục trung hoà 2 đầu (N.A.) Tải trọng cân bằng như trên hình 2.4.11 (b), với lực căng P ở 2 đầu không thẳng hàng nhau. Lực P này có thể thay thế bằng các cặp lực và moment như hình (c).
Như vậy tải trọng cân bằng ở hình (b) phải gồm 2 thành phần gây lực dọc như hình 2.4.11(d) và thành phần gây uốn dầm 2.4.11(e).
2.5. Chọn quỹ đạo cáp
Giờ chúng ta đã hiểu rõ về pp Cân bằng tải trọng và đã có thể nói tiếp về thông số thứ 3 khi lựa chọn ban đầu cho sàn ULT: Lựa chọn quỹ đạo cáp (Profile)
Quỹ đạo phổ biến là dạn parabol như trên hình 2.5.1 với điểm uốn ở khoảng 1/10 chiều dài nhịp. Quỹ đạo này cho tải trọng cân bằng phân bố đều như hình 2.5.3 và được khuyên là nên dùng cho dầm và cáp sàn theo phương đặt cáp phân bố đều. Với phương đặt cáp tập trung trên dải cột nên dùng quỹ đạo như hình 2.5.2 với đoạn thẳng đi trên gối tựa khoảng 1.2m, với mục đích để có không gian chạy thép thường theo phương vuông góc.
Hình 2.5.1. Quỹ đạo parabol
Hình 2.5.2. Quỹ đạo parabol một phần với đoạn thẳng trên gối tựa
Hình 2.5.3. Tải trọng cân bằng với quỹ đạo parabol
Điểm thấp nhất của parabol thường đặt ở chính giữa nhịp và điều này thuận lợi hơn cho định vị thi công. Nếu để có lợi về lực ULT nhất thì điểm này ở nhịp biên nên ở khoảng 0.4L vì sẽ cho tải trọng phân bố đều hơn. Cao độ càng thấp sẽ cho lực cân bằng càng lớn.
Điểm cao nhất của quỹ đạo cáp nên cố đặt càng sát mặt trên sàn càng tốt để có chỗ cho cốt thép thường theo phương vuông góc.
Trường hợp dầm sàn liên tục có các nhịp khác nhau về chiều dài hay tải trọng. Bố trí cao độ cáp như trên cho nhịp nguy hiểm hơn, với nhịp nhỏ hơn có thể giảm lực căng bằng cách ngắt bớt cáp hoặc tốt hơn là nâng cao độ điểm thấp nhất để giảm tải trọng cân bằng.
Hãy nói đến cao độ neo. Dầm đơn (không có sàn) sẽ neo ở trục trung hoà, còn dầm chữ T (dầm sàn) thì ở trục trung hoà của tiết diện gồm thân dầm và chiều rộng truyền tải sàn như hình 2.5.4. Lưu ý là chiều rộng này khác với chiều rộng hữu hiệu khi chịu uốn nhé.
Hình 2.5.4. Diện truyền tải về dầm. Cũng tính ứng suất nén trước trên diện tích này
Hình 2.5.5. Kết quả phân tích PTHH cho thấy với hệ sàn dầm 1 phương, sự phân tán lực căng cáp từ neo đến vị trí đạt ứng suất nén phân bố đều dọc theo diện truyền tải ở 1 khoảng bằng khoảng cách các dầm.
2.6. Lực căng cáp tính toán
Lực căng hữu hiệu được dùng để tính, là lực sau khi trừ toàn bộ tổn hao ứng suất. Số lượng cáp yêu cầu sẽ tính theo lực căng hữu hiệu này. Trong đa số trường hợp, lực căng hữu hiệu cho 1 tao cáp 12.7mm là 120kN, với điều kiện:
- Chiều dài cáp nhỏ hơn 72m
- Nếu chiều dài cáp lớn hơn 36m thì phải căng từ cả 2 đầu neo.
Nếu do điều kiện đặc biệt, cáp dài mà chỉ căng được 1 đầu thì lực căng hữu hiệu được xác định sau khi tính được tổn hao ứng suất cụ thể.
Giờ chúng ta đã hiểu rõ về pp Cân bằng tải trọng và đã có thể nói tiếp về thông số thứ 3 khi lựa chọn ban đầu cho sàn ULT: Lựa chọn quỹ đạo cáp (Profile)
Quỹ đạo phổ biến là dạn parabol như trên hình 2.5.1 với điểm uốn ở khoảng 1/10 chiều dài nhịp. Quỹ đạo này cho tải trọng cân bằng phân bố đều như hình 2.5.3 và được khuyên là nên dùng cho dầm và cáp sàn theo phương đặt cáp phân bố đều. Với phương đặt cáp tập trung trên dải cột nên dùng quỹ đạo như hình 2.5.2 với đoạn thẳng đi trên gối tựa khoảng 1.2m, với mục đích để có không gian chạy thép thường theo phương vuông góc.
Hình 2.5.1. Quỹ đạo parabol
Hình 2.5.2. Quỹ đạo parabol một phần với đoạn thẳng trên gối tựa
Hình 2.5.3. Tải trọng cân bằng với quỹ đạo parabol
Điểm thấp nhất của parabol thường đặt ở chính giữa nhịp và điều này thuận lợi hơn cho định vị thi công. Nếu để có lợi về lực ULT nhất thì điểm này ở nhịp biên nên ở khoảng 0.4L vì sẽ cho tải trọng phân bố đều hơn. Cao độ càng thấp sẽ cho lực cân bằng càng lớn.
Điểm cao nhất của quỹ đạo cáp nên cố đặt càng sát mặt trên sàn càng tốt để có chỗ cho cốt thép thường theo phương vuông góc.
Trường hợp dầm sàn liên tục có các nhịp khác nhau về chiều dài hay tải trọng. Bố trí cao độ cáp như trên cho nhịp nguy hiểm hơn, với nhịp nhỏ hơn có thể giảm lực căng bằng cách ngắt bớt cáp hoặc tốt hơn là nâng cao độ điểm thấp nhất để giảm tải trọng cân bằng.
Hãy nói đến cao độ neo. Dầm đơn (không có sàn) sẽ neo ở trục trung hoà, còn dầm chữ T (dầm sàn) thì ở trục trung hoà của tiết diện gồm thân dầm và chiều rộng truyền tải sàn như hình 2.5.4. Lưu ý là chiều rộng này khác với chiều rộng hữu hiệu khi chịu uốn nhé.
Hình 2.5.4. Diện truyền tải về dầm. Cũng tính ứng suất nén trước trên diện tích này
Hình 2.5.5. Kết quả phân tích PTHH cho thấy với hệ sàn dầm 1 phương, sự phân tán lực căng cáp từ neo đến vị trí đạt ứng suất nén phân bố đều dọc theo diện truyền tải ở 1 khoảng bằng khoảng cách các dầm.
2.6. Lực căng cáp tính toán
Lực căng hữu hiệu được dùng để tính, là lực sau khi trừ toàn bộ tổn hao ứng suất. Số lượng cáp yêu cầu sẽ tính theo lực căng hữu hiệu này. Trong đa số trường hợp, lực căng hữu hiệu cho 1 tao cáp 12.7mm là 120kN, với điều kiện:
- Chiều dài cáp nhỏ hơn 72m
- Nếu chiều dài cáp lớn hơn 36m thì phải căng từ cả 2 đầu neo.
Nếu do điều kiện đặc biệt, cáp dài mà chỉ căng được 1 đầu thì lực căng hữu hiệu được xác định sau khi tính được tổn hao ứng suất cụ thể.
2.7. Tổn hao ứng suất
Trong phần trình bày về pp Cân bằng tải trọng, lực căng P trong cáp giả thiết không đổi. Thực tế nó giảm theo chiều dài cáp và theo thời gian (phần dài hạn). Việc tính toán tổn hao ứng suất là phức tạp và phải dùng phần mềm. Trong thực hành thiết kế hay đơn giản hoá, với cáp với tính chùng thấp thường được sử dụng hiện nay, tổng tổn hao vào khoảng 10-15% ứng suất căng ban đầu.
Tổn hao bao gồm 2 phần:
- Phần tức thời, gồm (i) tổn hao do ma sát, (ii) tổn hao do biến dạng neo.
- Phần dài hạn, gồm (i) tổn hao do co ngót, (ii) do co ngắn đàn hồi (elastic shortening) của bêtông, (iii) do từ biến của bêtông, (iv) do chùng ứng suất (relaxation).
Hình 2.7.1 ví dụ một dầm cáp căng 2 đầu với giả thiết căng neo trái trước khi căng neo phải. Ứng suất căng thường bằng 0.85fpu, với fpu là giới hạn bền của cáp.
Hình 2.7.1. Biểu đồ tổn hao ứng suất
Hình 2.7.2. Biểu đồ tổn hao ứng suất do ma sát và dài hạn
Hình 2.7.1(c) thể hiện tổn hao do tao cáp bị co khi nêm ở đầu neo được khoá. ƯS max đạt được ở khoảng cách XL từ neo. Ưs max cho phép ngay sau khi cắt cáp và khoá nêm là 0.7fpu.
Việc căng cáp ở neo phải lại nâng ứng suất tại đây lên và sẽ kéo dài đến gần đúng giữa chiều dài cáp như hình 2.7.2 (d)
Ứng suất trung bình của cả biểu đồ này tại thời điểm cắt cáp chính là giá trị dùng trong thiết kế cho giai đoạn truyền ứng suất (transfer stage).
Hình 2.7.2(f) thể hiện phân bố ứng suất sau mọi tổn hao, kể cả tổn hao dài hạn theo thời gian.
2.7.1. Tổn hao do ma sát
Ứng suất dọc tao cáp quan hệ với ứng suất căng tại đầu neo chủ động theo công thức:
Ps: ứng suất tại neo
Px: ưs tại khoảng cách x từ neo
α: góc thay đổi (radian) từ neo chủ động đến điểm x
K: hệ số dao động về ma sát trên một đơn vị chiều dài tao cáp (wobble coefficient)
μ: hệ số theo góc của ma sát (angular friction coefficient)
2 hệ số K và μ là các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu thép làm tao cáp, thường phải quy định trong hồ sơ thiết kế để đối chiếu với nguồn gốc vật liệu nhà thầu dùng.
2.7.2. Tổn hao do biến dạng neo
Tổn hao này xảy ra trong quá trình cắt côn và neo cáp sau khi căng. Công thức như sau:
a = (1/Es)* ∫ (final stress - initial stress)*dx
a: khoảng tụt nêm (thông thường a=6mm)
Es: Module đàn hồi của cáp
Tích phân lấy trên đoạn XL hoặc XR (hình 2.7.1 và 2). Ý nghĩa nó trên biểu đồ là phần diện tích chặn bởi 2 giai đoạn trước và ngay sau khi cắt cáp chia cho module đàn hồi của cáp, như trên hình 2.7.3
Hình 2.7.3. Tính khoảng tụt nêm
2.7.3. Tổn hao do co ngắn đàn hồi (ES)
Công thức chung như sau, với các hệ số sẽ khác nhau với cáp có và không bám dính:
ES = Kes * (Es/Eci) * fcpi
Với:
Kes = 0.5
Es: module đàn hồi của cáp
Eci: module đàn hồi của bêtông tại thời điểm căng cáp
fcpi: Với cáp không bám dính là ứng suất nén trước trong bêtông ngay sau thời điểm căng cáp tại điểm trọng tâm cáp (chú ý rằng giá trị này lớn hơn ưs nén trước trung bình trên cả tiết diện dải sàn)
Nếu cáp bám dính, dùng giá trị fcir = Kci*fcpi – fg
Kci=1 với cấu kiện căng sau, Kci=0.9 với cấu kiện căng trước
fg: ứng suất trong bêtông do trọng lượng gây ra cũng tại điểm trọng tâm cáp
2.7.4. Tổn hao do từ biến (CR)
CR = Kcr * (Es/Ec) * fcpi
Với:
Kcr = 1.6 với cáp không bám dính. Với cáp bám dính, Kcr=2.0 cho căng sau và 1.6 cho căng trước
Ec: module đàn hồi bêtông ở tuổi 28 ngày
fcpi cùng ý nghĩa như tính ES khi dùng cáp không bám dính. Trường hợp có bám dính dùng giá trị (fcir – fcds)
fcds: ưs trong bêtông tại điểm trọng tâm cáp do các tĩnh tải phụ thêm ngoài trọng lượng kết cấu tác dụng.
2.7.5. Tổn hao do co ngót (SH)
SH = 8.2E-6 * Ksh * Es * [1 – 0.06*(V/S)] * (100 - RH)
Với
Ksh định nghĩa theo thời gian như sau
Ngày 1 3 5 7 10 20 30 60
Ksh = 0.92 0.85 0.80 0.77 0.73 0.64 0.58 0.45
Sau 60 ngày vẫn lấy Ksh = 0.45
V/S: tỷ lệ giữa thể tích và diện tích xung quanh tiếp xúc với môi trường của cấu kiện
RH: độ ẩm không khí trung bình hàng năm (%)
2.7.6. Tổn hao do chùng ứng suất (RE)
RE = [Kre – J * (SH+CR+ES)] * C
Với Kre, J và C là các hệ số tra bảng.
@@
Nói chung là phải dùng phần mềm để tính chính xác tổn hao ưs. Cần xác định các con số chính xác trong trường hợp người thiết kế cần đối chiếu tính toán của mình với các giá trị đo được khi thi công và trong quá trình sử dụng công trình nếu có thay đổi nào về sử dụng của chủ nhà.
2.8. Mô hình cáp ULT trong pp PTHH
Trong pp Cân bằng tải trọng, cáp được tách ra khỏi kết cấu để đơn giản hoá mô hình. Thực tế thì cáp cũng góp phần chịu tải cho tiết diện như là cốt thép thường. pp PTHH được dùng qua các phần mềm cho phép mô hình cáp như 1 phần tử riêng biệt liên kết với bêtông. Các tổn hao ứng suất cũng tự động được tính mà không cần phải tính riêng rồi trừ đi như trước nữa.
Trên hình 2.8.1 mô tả so sánh giữa 2 phương pháp này. Ghi chú trên hình (d) thuộc pp CBTT, lực căng ban đầu trong cáp truyền về trục trung hoà của phần tử. Các lực này được coi là không đổi. Ảnh hưởng của tổn hao ưs dài hạn được tính riêng ở bước tính toán sau đó.
Hình 2.8.1. pp Cân bằng tải trọng và pp PTHH
Ngược lại, ở pp pTHH, cáp được mô hình rời rạc hoá và vẫn giữ nguyên trong mô hình phần tử. Mỗi phần tử cáp riêng biệt chịu tác dụng của chuyển vị và thay đổi ứng suất do chuyển vị của phần tử bêtông chứa nó. Mỗi phần tử cáp được giả thiết là có nội lực ban đầu đã trừ đi tổn hao ưs. Bất ký biến dạng phát sinh nào của phần tử bêtông như hình 2.8.1(g) cũng gây ra biến dạng tương ứng trên phần tử cáp theo giả thiết tương thích chuyển vị và giả thiết biến dạng phẳng của các tiết diện (hình 2.8.2). Chuyển vị nút phần tử cáp tại mặt biên của phần tử bêtông sẽ gây ra thay đổi nội lực của phần tử cáp đó.
Hình 2.8.2. Phần tử cáp
Cách mô hình này đã bao hàm tương tác giữa biến dạng của phần tử bêtông và lực trong cáp, độc lập với nguyên nhân gây ra biến dạng của phần tử đó. Do đó không cần thiết phải tính riêng ảnh hưởng của tổn hao ưs dài hạn đến biến dạng của phần tử cáp nữa. Tất cả đều tự động kể đến trong các phương trình cân bằng của phần tử hữu hạn này.
Từ ví dụ trên có thể suy ra cho bài toán 3 chiều được sử dụng trong các phần mềm như SAFE, ADAPT Floor Pro… như trên hình 2.8.3
Hình 2.8.3. Mô hình đoạn cáp đi qua phần tử hữu hạn bài toán không gian
Trong phần trình bày về pp Cân bằng tải trọng, lực căng P trong cáp giả thiết không đổi. Thực tế nó giảm theo chiều dài cáp và theo thời gian (phần dài hạn). Việc tính toán tổn hao ứng suất là phức tạp và phải dùng phần mềm. Trong thực hành thiết kế hay đơn giản hoá, với cáp với tính chùng thấp thường được sử dụng hiện nay, tổng tổn hao vào khoảng 10-15% ứng suất căng ban đầu.
Tổn hao bao gồm 2 phần:
- Phần tức thời, gồm (i) tổn hao do ma sát, (ii) tổn hao do biến dạng neo.
- Phần dài hạn, gồm (i) tổn hao do co ngót, (ii) do co ngắn đàn hồi (elastic shortening) của bêtông, (iii) do từ biến của bêtông, (iv) do chùng ứng suất (relaxation).
Hình 2.7.1 ví dụ một dầm cáp căng 2 đầu với giả thiết căng neo trái trước khi căng neo phải. Ứng suất căng thường bằng 0.85fpu, với fpu là giới hạn bền của cáp.
Hình 2.7.1. Biểu đồ tổn hao ứng suất
Hình 2.7.2. Biểu đồ tổn hao ứng suất do ma sát và dài hạn
Hình 2.7.1(c) thể hiện tổn hao do tao cáp bị co khi nêm ở đầu neo được khoá. ƯS max đạt được ở khoảng cách XL từ neo. Ưs max cho phép ngay sau khi cắt cáp và khoá nêm là 0.7fpu.
Việc căng cáp ở neo phải lại nâng ứng suất tại đây lên và sẽ kéo dài đến gần đúng giữa chiều dài cáp như hình 2.7.2 (d)
Ứng suất trung bình của cả biểu đồ này tại thời điểm cắt cáp chính là giá trị dùng trong thiết kế cho giai đoạn truyền ứng suất (transfer stage).
Hình 2.7.2(f) thể hiện phân bố ứng suất sau mọi tổn hao, kể cả tổn hao dài hạn theo thời gian.
2.7.1. Tổn hao do ma sát
Ứng suất dọc tao cáp quan hệ với ứng suất căng tại đầu neo chủ động theo công thức:
Ps: ứng suất tại neo
Px: ưs tại khoảng cách x từ neo
α: góc thay đổi (radian) từ neo chủ động đến điểm x
K: hệ số dao động về ma sát trên một đơn vị chiều dài tao cáp (wobble coefficient)
μ: hệ số theo góc của ma sát (angular friction coefficient)
2 hệ số K và μ là các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu thép làm tao cáp, thường phải quy định trong hồ sơ thiết kế để đối chiếu với nguồn gốc vật liệu nhà thầu dùng.
2.7.2. Tổn hao do biến dạng neo
Tổn hao này xảy ra trong quá trình cắt côn và neo cáp sau khi căng. Công thức như sau:
a = (1/Es)* ∫ (final stress - initial stress)*dx
a: khoảng tụt nêm (thông thường a=6mm)
Es: Module đàn hồi của cáp
Tích phân lấy trên đoạn XL hoặc XR (hình 2.7.1 và 2). Ý nghĩa nó trên biểu đồ là phần diện tích chặn bởi 2 giai đoạn trước và ngay sau khi cắt cáp chia cho module đàn hồi của cáp, như trên hình 2.7.3
Hình 2.7.3. Tính khoảng tụt nêm
2.7.3. Tổn hao do co ngắn đàn hồi (ES)
Công thức chung như sau, với các hệ số sẽ khác nhau với cáp có và không bám dính:
ES = Kes * (Es/Eci) * fcpi
Với:
Kes = 0.5
Es: module đàn hồi của cáp
Eci: module đàn hồi của bêtông tại thời điểm căng cáp
fcpi: Với cáp không bám dính là ứng suất nén trước trong bêtông ngay sau thời điểm căng cáp tại điểm trọng tâm cáp (chú ý rằng giá trị này lớn hơn ưs nén trước trung bình trên cả tiết diện dải sàn)
Nếu cáp bám dính, dùng giá trị fcir = Kci*fcpi – fg
Kci=1 với cấu kiện căng sau, Kci=0.9 với cấu kiện căng trước
fg: ứng suất trong bêtông do trọng lượng gây ra cũng tại điểm trọng tâm cáp
2.7.4. Tổn hao do từ biến (CR)
CR = Kcr * (Es/Ec) * fcpi
Với:
Kcr = 1.6 với cáp không bám dính. Với cáp bám dính, Kcr=2.0 cho căng sau và 1.6 cho căng trước
Ec: module đàn hồi bêtông ở tuổi 28 ngày
fcpi cùng ý nghĩa như tính ES khi dùng cáp không bám dính. Trường hợp có bám dính dùng giá trị (fcir – fcds)
fcds: ưs trong bêtông tại điểm trọng tâm cáp do các tĩnh tải phụ thêm ngoài trọng lượng kết cấu tác dụng.
2.7.5. Tổn hao do co ngót (SH)
SH = 8.2E-6 * Ksh * Es * [1 – 0.06*(V/S)] * (100 - RH)
Với
Ksh định nghĩa theo thời gian như sau
Ngày 1 3 5 7 10 20 30 60
Ksh = 0.92 0.85 0.80 0.77 0.73 0.64 0.58 0.45
Sau 60 ngày vẫn lấy Ksh = 0.45
V/S: tỷ lệ giữa thể tích và diện tích xung quanh tiếp xúc với môi trường của cấu kiện
RH: độ ẩm không khí trung bình hàng năm (%)
2.7.6. Tổn hao do chùng ứng suất (RE)
RE = [Kre – J * (SH+CR+ES)] * C
Với Kre, J và C là các hệ số tra bảng.
@@
Nói chung là phải dùng phần mềm để tính chính xác tổn hao ưs. Cần xác định các con số chính xác trong trường hợp người thiết kế cần đối chiếu tính toán của mình với các giá trị đo được khi thi công và trong quá trình sử dụng công trình nếu có thay đổi nào về sử dụng của chủ nhà.
2.8. Mô hình cáp ULT trong pp PTHH
Trong pp Cân bằng tải trọng, cáp được tách ra khỏi kết cấu để đơn giản hoá mô hình. Thực tế thì cáp cũng góp phần chịu tải cho tiết diện như là cốt thép thường. pp PTHH được dùng qua các phần mềm cho phép mô hình cáp như 1 phần tử riêng biệt liên kết với bêtông. Các tổn hao ứng suất cũng tự động được tính mà không cần phải tính riêng rồi trừ đi như trước nữa.
Trên hình 2.8.1 mô tả so sánh giữa 2 phương pháp này. Ghi chú trên hình (d) thuộc pp CBTT, lực căng ban đầu trong cáp truyền về trục trung hoà của phần tử. Các lực này được coi là không đổi. Ảnh hưởng của tổn hao ưs dài hạn được tính riêng ở bước tính toán sau đó.
Hình 2.8.1. pp Cân bằng tải trọng và pp PTHH
Ngược lại, ở pp pTHH, cáp được mô hình rời rạc hoá và vẫn giữ nguyên trong mô hình phần tử. Mỗi phần tử cáp riêng biệt chịu tác dụng của chuyển vị và thay đổi ứng suất do chuyển vị của phần tử bêtông chứa nó. Mỗi phần tử cáp được giả thiết là có nội lực ban đầu đã trừ đi tổn hao ưs. Bất ký biến dạng phát sinh nào của phần tử bêtông như hình 2.8.1(g) cũng gây ra biến dạng tương ứng trên phần tử cáp theo giả thiết tương thích chuyển vị và giả thiết biến dạng phẳng của các tiết diện (hình 2.8.2). Chuyển vị nút phần tử cáp tại mặt biên của phần tử bêtông sẽ gây ra thay đổi nội lực của phần tử cáp đó.
Hình 2.8.2. Phần tử cáp
Cách mô hình này đã bao hàm tương tác giữa biến dạng của phần tử bêtông và lực trong cáp, độc lập với nguyên nhân gây ra biến dạng của phần tử đó. Do đó không cần thiết phải tính riêng ảnh hưởng của tổn hao ưs dài hạn đến biến dạng của phần tử cáp nữa. Tất cả đều tự động kể đến trong các phương trình cân bằng của phần tử hữu hạn này.
Từ ví dụ trên có thể suy ra cho bài toán 3 chiều được sử dụng trong các phần mềm như SAFE, ADAPT Floor Pro… như trên hình 2.8.3
Hình 2.8.3. Mô hình đoạn cáp đi qua phần tử hữu hạn bài toán không gian
2.9. Sàn 1 phương và 2
phương
Đa số sàn trong thực tế làm việc theo 2 phương. Tuy nhiên sự làm việc 1 phương hay 2 phương liên quan chặt chẽ đến khái niệm đường truyền tải trọng, đây là đường mà tải trọng được kết cấu tiếp nhận và truyền về gối tựa. Người thiết kế là người chọn đường truyền tải và do đó có thể có nhiều đường truyền tải khác nhau cho kết cấu.
Xem ví dụ trên hình 2.9.1 (a), dầm đơn giản truyền tải trọng F về gối tựa A và B qua moment và lực cắt trên các tiết diện dầm. Hệ kết cấu làm việc theo 1 phương, dọc AB.
Hình 2.9.1
Trên hình 2.9.1(b) có hệ 2 dầm vuông góc nhau chịu tải trọng F. Trên mặt cắt của hệ dầm theo cả 2 phương AB, CD đều có moment và lực cắt làm phương tiện truyền tải. Hệ này làm việc theo hai phương. Chia sẻ giữa 2 phương trong thực tế để truyền lực F phụ thuộc vào: độ cứng 2 dầm trước khi xuất hiện vết nứt, hàm lượng cốt thép làm việc sau khi nứt. Vấn đề chính sẽ là chọn đường truyền tải phù hợp trên cơ sở xem xét các đường truyền khả dĩ có thể áp dụng trong phạm vi độ lớn của tải trọng F. Người thiết kế hoàn toàn có thể chọn và cấu tạo cốt thép theo đường truyền tải trên chỉ một phương CD, và coi phương đó truyền toàn bộ tải trọng F. Tất nhiên phương án đó là không hợp lý. Đường truyền tải nên là 2 phương theo một số phương án như trên hình 2.9.2.
Hình 2.9.2
Bây giờ xét một sàn truyền tải trọng P ở giữa ô bản về 4 gối tựa ở góc như trên hình 2.9.3. Có 2 cách để gán đường truyền tải. Trong mô hình băng sàn, tải P được truyền từ băng CD-AB về 2 băng AB và CD. Nhìn theo mặt đứng, băng theo từng phương đều phải chịu full tải P. Tương tự như vậy suy ra cho phương pháp dải sàn. Mỗi dải theo một phương phải truyền được ½ tải P như hình vẽ.
Như vậy khi chia dải cho sàn 2 phương, phải chia đủ theo 2 phương vuông góc và mỗi phương dồn đủ tải chứ không phải là mỗi phương chịu 1 phần tải sàn như tự nhiên chúng ta nghĩ.
Hình 2.9.3
Đối với kết cấu bêtông, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đường truyền tải: hình học, việc đặt cốt thép, cáp ULT, phân bố và độ lớn của tải trọng. Đường truyền tải áp dụng cho kết cấu có thể thay đổi sau khi nứt và huy động cốt thép làm việc. Và thông thường đường truyền tải thực tế của sàn khác với đường truyền thải gán bởi KCS cũng như có vài đường truyền tải khả dĩ về các gối tựa. Do đó sự làm việc 1 phương hay 2 phương nhiều khi là do quan niệm thiết kế hơn là bản chất tự nhiên của sàn.
Hãy xét ảnh hưởng của hệ dầm tới sự truyền tải của sàn. Dầm xem như một phần sàn được làm dày lên giữa các gối tựa (cột, vách), đóng vai trò gối tựa cho sàn thông qua độ cứng chống uốn lớn của nó. Trong sàn ULT dầm còn đóng vai trò cung cấp thêm không gian để đặt cáp.
2.9.1. Hệ dầm sàn 1 phương
Như trong hình 2.9.4, nhịp dầm bằng 3-4 lần nhịp sàn. Sàn làm việc 1 phương nên phương cáp chính là phương dầm, có thể đặt cáp cho phương còn lại để khống chết nứt do co ngót và nhiệt độ. Dầm cũng là hệ 1 phương, chịu tải từ diện truyền tải sàn về nó nhưng cánh chữ T kể vào chịu uốn có chiều rộng nhỏ hơn.
Hình 2.9.4. Hệ dầm sàn 1 phương
2.9.2. Hệ dầm sàn 2 phương
Đây là hệ làm việc 2 phương và thường dùng phổ biến cho sàn thường hơn là sàn ULT. (hình 2.9.5)
Dầm được tính độc lập theo 1 trong 2 mô hình như trong hình với diện truyền tải là cùng tô gạch chéo trên sàn. Dầm chịu tải hình thang hoặc tam giác truyền về và có kể đến cánh chữ T chịu uốn với chiều rộng nhỏ hơn hoặc bằng chiều rộng truyền tải lớn nhất. Nếu tính theo pp Khung tương đương, mô hình dầm và sàn cùng làm việc với nhau trong diện truyền tải, chiều rộng cánh chữ T hữu hiệu bằng và có thể lớn hơn diện truyền tải. Tất nhiên tính dầm theo trường hợp thứ 2 sẽ ra thép nhiều hơn.
Hình 2.9.5. Hệ dầm sàn 2 phương
2.9.3. Dầm bẹt 1 phương
Đây là phương án kinh tế hơn cho sàn ULT với lưới cột 2 phương có tỉ lệ 1.5-2.5 (hình 2.9.6)
Dầm bẹt coi như 1 băng sàn với chiều dày lớn hơn đi qua cột theo phương nhịp lớn. Chiều dày của bản sàn chỉ cần chọn theo nhịp bé. Chú ý đây là hệ làm việc 2 phương trong cả TTGH1 (sau nứt) và TTGH2. Thường được tính toán bằng pp khung tương đương.
Hình 2.9.6. Dầm bẹt 1 phương (banded beam)
2.9.4. Sàn ô cờ
Gần đây đã có đơn vị giới thiệu phương án sàn này ở Việt Nam với các ván khuôn nhựa chế tạo sẵn, ví dụ như trên hình 2.9.7. Do cấu tạo đều nhau của gân sàn theo 2 phương nên sàn làm việc theo 2 phương và như 1 sàn có chiều dày tương đương (giống thiết kế các loại sàn rỗng khác như sàn 3D hay sàn bóng).
Cáp sàn 2 phương có thể đi trong vùng sườn. Tại vùng cột vẫn cấu tạo mũ cột hoặc dải băng sàn dày và được tính toán như mũ cột hay dầm khi tính như sàn thường với chiều dày tương đương.
Hình 2.9.7. Sàn ô cờ ULT
Đa số sàn trong thực tế làm việc theo 2 phương. Tuy nhiên sự làm việc 1 phương hay 2 phương liên quan chặt chẽ đến khái niệm đường truyền tải trọng, đây là đường mà tải trọng được kết cấu tiếp nhận và truyền về gối tựa. Người thiết kế là người chọn đường truyền tải và do đó có thể có nhiều đường truyền tải khác nhau cho kết cấu.
Xem ví dụ trên hình 2.9.1 (a), dầm đơn giản truyền tải trọng F về gối tựa A và B qua moment và lực cắt trên các tiết diện dầm. Hệ kết cấu làm việc theo 1 phương, dọc AB.
Hình 2.9.1
Trên hình 2.9.1(b) có hệ 2 dầm vuông góc nhau chịu tải trọng F. Trên mặt cắt của hệ dầm theo cả 2 phương AB, CD đều có moment và lực cắt làm phương tiện truyền tải. Hệ này làm việc theo hai phương. Chia sẻ giữa 2 phương trong thực tế để truyền lực F phụ thuộc vào: độ cứng 2 dầm trước khi xuất hiện vết nứt, hàm lượng cốt thép làm việc sau khi nứt. Vấn đề chính sẽ là chọn đường truyền tải phù hợp trên cơ sở xem xét các đường truyền khả dĩ có thể áp dụng trong phạm vi độ lớn của tải trọng F. Người thiết kế hoàn toàn có thể chọn và cấu tạo cốt thép theo đường truyền tải trên chỉ một phương CD, và coi phương đó truyền toàn bộ tải trọng F. Tất nhiên phương án đó là không hợp lý. Đường truyền tải nên là 2 phương theo một số phương án như trên hình 2.9.2.
Hình 2.9.2
Bây giờ xét một sàn truyền tải trọng P ở giữa ô bản về 4 gối tựa ở góc như trên hình 2.9.3. Có 2 cách để gán đường truyền tải. Trong mô hình băng sàn, tải P được truyền từ băng CD-AB về 2 băng AB và CD. Nhìn theo mặt đứng, băng theo từng phương đều phải chịu full tải P. Tương tự như vậy suy ra cho phương pháp dải sàn. Mỗi dải theo một phương phải truyền được ½ tải P như hình vẽ.
Như vậy khi chia dải cho sàn 2 phương, phải chia đủ theo 2 phương vuông góc và mỗi phương dồn đủ tải chứ không phải là mỗi phương chịu 1 phần tải sàn như tự nhiên chúng ta nghĩ.
Hình 2.9.3
Đối với kết cấu bêtông, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đường truyền tải: hình học, việc đặt cốt thép, cáp ULT, phân bố và độ lớn của tải trọng. Đường truyền tải áp dụng cho kết cấu có thể thay đổi sau khi nứt và huy động cốt thép làm việc. Và thông thường đường truyền tải thực tế của sàn khác với đường truyền thải gán bởi KCS cũng như có vài đường truyền tải khả dĩ về các gối tựa. Do đó sự làm việc 1 phương hay 2 phương nhiều khi là do quan niệm thiết kế hơn là bản chất tự nhiên của sàn.
Hãy xét ảnh hưởng của hệ dầm tới sự truyền tải của sàn. Dầm xem như một phần sàn được làm dày lên giữa các gối tựa (cột, vách), đóng vai trò gối tựa cho sàn thông qua độ cứng chống uốn lớn của nó. Trong sàn ULT dầm còn đóng vai trò cung cấp thêm không gian để đặt cáp.
2.9.1. Hệ dầm sàn 1 phương
Như trong hình 2.9.4, nhịp dầm bằng 3-4 lần nhịp sàn. Sàn làm việc 1 phương nên phương cáp chính là phương dầm, có thể đặt cáp cho phương còn lại để khống chết nứt do co ngót và nhiệt độ. Dầm cũng là hệ 1 phương, chịu tải từ diện truyền tải sàn về nó nhưng cánh chữ T kể vào chịu uốn có chiều rộng nhỏ hơn.
Hình 2.9.4. Hệ dầm sàn 1 phương
2.9.2. Hệ dầm sàn 2 phương
Đây là hệ làm việc 2 phương và thường dùng phổ biến cho sàn thường hơn là sàn ULT. (hình 2.9.5)
Dầm được tính độc lập theo 1 trong 2 mô hình như trong hình với diện truyền tải là cùng tô gạch chéo trên sàn. Dầm chịu tải hình thang hoặc tam giác truyền về và có kể đến cánh chữ T chịu uốn với chiều rộng nhỏ hơn hoặc bằng chiều rộng truyền tải lớn nhất. Nếu tính theo pp Khung tương đương, mô hình dầm và sàn cùng làm việc với nhau trong diện truyền tải, chiều rộng cánh chữ T hữu hiệu bằng và có thể lớn hơn diện truyền tải. Tất nhiên tính dầm theo trường hợp thứ 2 sẽ ra thép nhiều hơn.
Hình 2.9.5. Hệ dầm sàn 2 phương
2.9.3. Dầm bẹt 1 phương
Đây là phương án kinh tế hơn cho sàn ULT với lưới cột 2 phương có tỉ lệ 1.5-2.5 (hình 2.9.6)
Dầm bẹt coi như 1 băng sàn với chiều dày lớn hơn đi qua cột theo phương nhịp lớn. Chiều dày của bản sàn chỉ cần chọn theo nhịp bé. Chú ý đây là hệ làm việc 2 phương trong cả TTGH1 (sau nứt) và TTGH2. Thường được tính toán bằng pp khung tương đương.
Hình 2.9.6. Dầm bẹt 1 phương (banded beam)
2.9.4. Sàn ô cờ
Gần đây đã có đơn vị giới thiệu phương án sàn này ở Việt Nam với các ván khuôn nhựa chế tạo sẵn, ví dụ như trên hình 2.9.7. Do cấu tạo đều nhau của gân sàn theo 2 phương nên sàn làm việc theo 2 phương và như 1 sàn có chiều dày tương đương (giống thiết kế các loại sàn rỗng khác như sàn 3D hay sàn bóng).
Cáp sàn 2 phương có thể đi trong vùng sườn. Tại vùng cột vẫn cấu tạo mũ cột hoặc dải băng sàn dày và được tính toán như mũ cột hay dầm khi tính như sàn thường với chiều dày tương đương.
Hình 2.9.7. Sàn ô cờ ULT
2.10. Bố trí cáp sàn
Có vài cách bố trí cáp trên mặt bằng được áp dụng hiệu quả trong thực tế như trên hình 2.10.1. Cáp theo mỗi phương có thể bố trí phân bố đều, tập trung theo băng hoặc hỗn hợp 2 cách.
Hình 2.10.1. Một số cách bố trí cáp chính trên mặt bằng
Cáp tập trung theo băng trên 1 chiều rộng thường là 1.2m dọc theo đường truyền tải trọng qua các gối tựa. Theo phương phân bố cáp được rải đều.
Do với kết cấu ULT chỉ quan trọng số lượng cáp trên dải còn phân bố của nó thế nào trong dải sàn không ảnh hưởng đến chịu lực. Việc bố trí theo cách nào là để thuận tiện nhất cho thi công, để cáp 2 phương ít bị đụng nhau nhất do trùng cao độ quỹ đạo.
Cách bố trí theo băng 1 phương và phân bố theo phương còn lại như hình 2.10.1(a) là có lợi nhất về mặt thiết kế, vì cả 2 phương đều có được độ chênh cao độ cáp lớn nhất, do đó tải trọng cân bằng là lớn nhất, mà cũng ít bị đụng nhau nhất. (hình 2.10.2)
Hình 2.10.2. Mặt cắt qua phương cáp phân bố đều
Khoảng cách cáp
Nhắc lại, khoảng cách tối đa của cáp là 8 lần chiều dày sàn hoặc 1.5m, không áp dụng cho bố trí theo băng cáp.
Khoảng cách tối thiểu cho trên hình 2.10.3
Số lượng cáp tối thiểu
ACI 318 yêu cầu có tối thiểu 2 cáp mỗi phương đi trực tiếp qua cột, bất kể số lượng bao nhiêu tao cáp trong mỗi đường cáp đó.
Tiêu chuẩn khác có vẻ hợp lý hơn. Ví dụ tiêu chuẩn Canada yêu cầu hàm lượng thép thường tối thiểu đi trên cột.
Hình 2.10.3
Bẻ cong cáp trên mặt bằng
Trường hợp phải bẻ cong như trên hình 2.10.4 có một vài khống chế. Cáp uốn khi lưới cột không thẳng hàng hoặc để tránh lỗ mở sàn. Việc này gây ra nguy cơ cáp bị bung ra khi căng, do đó phải khống chế độ cong như trên hình. Nếu muốn độ cong lớn hơn cần cấu tạo các nẹp cáp như hình 2.10.4(c). Hình vẽ này cho tao cáp 12.7mm và ứng suất theo phương ngang do bẻ cong thép lên bêtông không vượt quá 3 MPa. Bán kính cong tối thiểu là 3m.
Điểm nữa là bẻ cong cáp có thể phát sinh uốn trong cáp. Với cáp không bám dính khống chế bán kính cong nhỏ nhất là 20 lần đường kính tao cáp.
Hình 2.10.4. Bẻ cong cáp trên mặt bằng
Con kê cáp
Con kê có tác dụng đảm bảo cao độ cáp theo đúng quỹ đạo thiết kế. Thường dùng thép Φ12a1200. Không nên dùng khoảng cách vượt quá a1500.
Sai số thi công cáp
Theo phương đứng là 6mm cho sàn dày ≤200mm, 10mm cho sàn từ 200 đến 600mm và 12mm cho chiều dày lớn hơn 600mm.
Trong mặt phẳng sàn, độ dốc do sai số không quá 1/12.
Hình 2.10.5. Ngắt cáp trên sàn
2.11. Bố trí cốt thép thường
Cốt thép thường trong sàn ULT có tác dụng:
- Góp phần chịu tải trọng cùng với cáp
- Theo quy định về hàm lượng thép thường tối thiểu để khống chế nứt.
2.11.1. Thép lớp trên
Số lượng
Với cáp không bám dính, bố trí ít nhất 4 thanh thép lớp trên tại gối tựa sàn phẳng.
Vị trí
Thép trên phải đặt trên mỗi gối tựa cột trong chiều rộng bằng 1.5 lần chiều dày sàn như trên hình 2.11.1
Hình 2.11.1
Chồng chéo cốt thép
Đây là vấn đề cần quan tâm đặc biệt cho cốt thép tại gối tựa. Việc dùng đường kính thép bé làm tăng cánh tay đòn chịu uốn cho sàn mỏng và tránh làm giảm chiều cao hữu hiệu của cáp ở phương vuông góc đi dưới cốt thép lớp trên. Tổng diện tích cốt thép lớp trên tại cột theo mỗi phương không nên vượt quá 4200mm2, để bêtông ninh kết hiệu quả và dễ thi công hơn. Con số này tương đương với thép tối đa là 21Φ16 cho băng cốt thép trên cột.
Chiều dài
Cốt thép trên kéo dài khỏi cột một đoạn tối thiểu bằng 1/6 chiều dài nhịp thông thuỷ mỗi phương, như hình 2.11.2. Ghi chú trong hình Ld là chiều dài neo tối thiểu (đúng hơn là chiều dài truyền ứng suất vào bêtông thông qua lực dính - development length).
Hình 2.11.2
Đường kính thép
Nên chọn đường kính thép nhỏ vì phải bố trí 2 lớp theo 2 phương trên mỗi gối tựa. Đường kính nhỏ cũng hiệu quả hơn trong việc khống chế nứt.
2.11.2. Thép lớp dưới
Số lượng tối thiểu
Có thể thiết kế sàn 2 phương không có cốt thép thường lớp dưới miễn là cáp đã đảm bảo chịu lực. Trường hợp ứng suất kéo trong bêtông lớn hơn giá trị quy định trong tiêu chuẩn thì cần bố trí hàm lượng thép dưới tối thiểu khống chế nứt. Có thể dùng lưới thép hàn 120x120x3mm nếu muốn yên tâm hơn.
Vị trí
Cốt thép lớp dưới theo tính toán được đặt trong phạm vi từng dải sàn, và phân bố thế nào không quan trọng. Tuy nhiên để thuận lợi cho thi công, thép dưới ở phương bố trí cáp theo băng được đặt trong phạm vi chiều rộng băng cáp đảm bảo khoảng cách tối thiểu. Theo phương cáp phân bố đều cốt thép lớp dưới cũng phân bố đều. Cốt thép theo phương phân bố đặt chồng lên cốt thép theo phương băng cáp.
Chiếu dài
Trong trường hợp cần đặt cốt cấu tạo lớp dưới do ứng suất kéo lớn, chiều dài tối thiểu là 1/3 nhịp thông thuỷ như trên hình 2.11.2, không cần kéo vào gối tựa.
Cốt thép theo tính toán cũng khống chế chiều dài tối thiểu như vậy, và thêm quy định về kéo dài một số thanh vào gối tựa như sau:
- Kéo 1/3 số thanh ở nhịp biên neo vào cột
- Kéo 1/4 số thanh ở nhịp giữa neo vào cột
2.11.3. Thép cấu tạo
Cần đặt thép cấu tạo chống nứt do co ngót và nhiệt độ khi ứng suất nén trước (average precompression) nhỏ hơn 0.7MPa. Hầu hết tình huống thiết kế ULT đều chọn ứng suất nén trước tối thiểu 0.85MPa nên ở phương có cáp không cần đặt thép cấu tạo.
Nếu đặt cáp theo băng cần cấu tạo thép thường cho vùng giữa 2 băng cáp thành hình tam giác như trên hình 2.11.3.
Hình 2.11.3. Cốt thép cấu tạo giữa 2 băng cáp
2.11.4. Thép chịu cắt
Thép chịu cắt cho sàn phẳng là thép chống chọc thủng đặt quanh cột. Do trong sàn không đặt được cốt đai như dầm nên dùng đinh hàn (shear stud) như hình 2.11.4 là tương đối phù hợp.
Hình 2.11.4. Bố trí đinh hàn chịu cắt quanh cột
Hình 2.11.5. Một số phương án chịu cắt cho sàn
Số lượng đinh hàn trên một chu vi chọc thủng được tính toán. Mũ đinh đóng vai trò development length để phát triển được ứng suất lớn nhất tại dọc thân đinh.
Nếu dùng miếng đệm như hình 2.11.4(a), diện tích miếng đệm tối thiểu bằng 10 lần diện tích thân đinh.
2.11.5. Thép cấu tạo tại neo
Có thể tham khảo chi tiết của hãng VSL về cốt thép thường cấu tạo tại đầu neo chủ động và neo bị động. Các thép này thường cho vào bản ghi chú chung và sẽ triển khai Shop drawing ngoài công trường.
Nhiều tài liệu đã hướng dẫn tính toán các cốt thép này chịu ứng suất nén cục bộ tại vị trí neo, có thể làm theo phương pháp dàn ảo. Ở đây xin không trình bày.
Có vài cách bố trí cáp trên mặt bằng được áp dụng hiệu quả trong thực tế như trên hình 2.10.1. Cáp theo mỗi phương có thể bố trí phân bố đều, tập trung theo băng hoặc hỗn hợp 2 cách.
Hình 2.10.1. Một số cách bố trí cáp chính trên mặt bằng
Cáp tập trung theo băng trên 1 chiều rộng thường là 1.2m dọc theo đường truyền tải trọng qua các gối tựa. Theo phương phân bố cáp được rải đều.
Do với kết cấu ULT chỉ quan trọng số lượng cáp trên dải còn phân bố của nó thế nào trong dải sàn không ảnh hưởng đến chịu lực. Việc bố trí theo cách nào là để thuận tiện nhất cho thi công, để cáp 2 phương ít bị đụng nhau nhất do trùng cao độ quỹ đạo.
Cách bố trí theo băng 1 phương và phân bố theo phương còn lại như hình 2.10.1(a) là có lợi nhất về mặt thiết kế, vì cả 2 phương đều có được độ chênh cao độ cáp lớn nhất, do đó tải trọng cân bằng là lớn nhất, mà cũng ít bị đụng nhau nhất. (hình 2.10.2)
Hình 2.10.2. Mặt cắt qua phương cáp phân bố đều
Khoảng cách cáp
Nhắc lại, khoảng cách tối đa của cáp là 8 lần chiều dày sàn hoặc 1.5m, không áp dụng cho bố trí theo băng cáp.
Khoảng cách tối thiểu cho trên hình 2.10.3
Số lượng cáp tối thiểu
ACI 318 yêu cầu có tối thiểu 2 cáp mỗi phương đi trực tiếp qua cột, bất kể số lượng bao nhiêu tao cáp trong mỗi đường cáp đó.
Tiêu chuẩn khác có vẻ hợp lý hơn. Ví dụ tiêu chuẩn Canada yêu cầu hàm lượng thép thường tối thiểu đi trên cột.
Hình 2.10.3
Bẻ cong cáp trên mặt bằng
Trường hợp phải bẻ cong như trên hình 2.10.4 có một vài khống chế. Cáp uốn khi lưới cột không thẳng hàng hoặc để tránh lỗ mở sàn. Việc này gây ra nguy cơ cáp bị bung ra khi căng, do đó phải khống chế độ cong như trên hình. Nếu muốn độ cong lớn hơn cần cấu tạo các nẹp cáp như hình 2.10.4(c). Hình vẽ này cho tao cáp 12.7mm và ứng suất theo phương ngang do bẻ cong thép lên bêtông không vượt quá 3 MPa. Bán kính cong tối thiểu là 3m.
Điểm nữa là bẻ cong cáp có thể phát sinh uốn trong cáp. Với cáp không bám dính khống chế bán kính cong nhỏ nhất là 20 lần đường kính tao cáp.
Hình 2.10.4. Bẻ cong cáp trên mặt bằng
Con kê cáp
Con kê có tác dụng đảm bảo cao độ cáp theo đúng quỹ đạo thiết kế. Thường dùng thép Φ12a1200. Không nên dùng khoảng cách vượt quá a1500.
Sai số thi công cáp
Theo phương đứng là 6mm cho sàn dày ≤200mm, 10mm cho sàn từ 200 đến 600mm và 12mm cho chiều dày lớn hơn 600mm.
Trong mặt phẳng sàn, độ dốc do sai số không quá 1/12.
Hình 2.10.5. Ngắt cáp trên sàn
2.11. Bố trí cốt thép thường
Cốt thép thường trong sàn ULT có tác dụng:
- Góp phần chịu tải trọng cùng với cáp
- Theo quy định về hàm lượng thép thường tối thiểu để khống chế nứt.
2.11.1. Thép lớp trên
Số lượng
Với cáp không bám dính, bố trí ít nhất 4 thanh thép lớp trên tại gối tựa sàn phẳng.
Vị trí
Thép trên phải đặt trên mỗi gối tựa cột trong chiều rộng bằng 1.5 lần chiều dày sàn như trên hình 2.11.1
Hình 2.11.1
Chồng chéo cốt thép
Đây là vấn đề cần quan tâm đặc biệt cho cốt thép tại gối tựa. Việc dùng đường kính thép bé làm tăng cánh tay đòn chịu uốn cho sàn mỏng và tránh làm giảm chiều cao hữu hiệu của cáp ở phương vuông góc đi dưới cốt thép lớp trên. Tổng diện tích cốt thép lớp trên tại cột theo mỗi phương không nên vượt quá 4200mm2, để bêtông ninh kết hiệu quả và dễ thi công hơn. Con số này tương đương với thép tối đa là 21Φ16 cho băng cốt thép trên cột.
Chiều dài
Cốt thép trên kéo dài khỏi cột một đoạn tối thiểu bằng 1/6 chiều dài nhịp thông thuỷ mỗi phương, như hình 2.11.2. Ghi chú trong hình Ld là chiều dài neo tối thiểu (đúng hơn là chiều dài truyền ứng suất vào bêtông thông qua lực dính - development length).
Hình 2.11.2
Đường kính thép
Nên chọn đường kính thép nhỏ vì phải bố trí 2 lớp theo 2 phương trên mỗi gối tựa. Đường kính nhỏ cũng hiệu quả hơn trong việc khống chế nứt.
2.11.2. Thép lớp dưới
Số lượng tối thiểu
Có thể thiết kế sàn 2 phương không có cốt thép thường lớp dưới miễn là cáp đã đảm bảo chịu lực. Trường hợp ứng suất kéo trong bêtông lớn hơn giá trị quy định trong tiêu chuẩn thì cần bố trí hàm lượng thép dưới tối thiểu khống chế nứt. Có thể dùng lưới thép hàn 120x120x3mm nếu muốn yên tâm hơn.
Vị trí
Cốt thép lớp dưới theo tính toán được đặt trong phạm vi từng dải sàn, và phân bố thế nào không quan trọng. Tuy nhiên để thuận lợi cho thi công, thép dưới ở phương bố trí cáp theo băng được đặt trong phạm vi chiều rộng băng cáp đảm bảo khoảng cách tối thiểu. Theo phương cáp phân bố đều cốt thép lớp dưới cũng phân bố đều. Cốt thép theo phương phân bố đặt chồng lên cốt thép theo phương băng cáp.
Chiếu dài
Trong trường hợp cần đặt cốt cấu tạo lớp dưới do ứng suất kéo lớn, chiều dài tối thiểu là 1/3 nhịp thông thuỷ như trên hình 2.11.2, không cần kéo vào gối tựa.
Cốt thép theo tính toán cũng khống chế chiều dài tối thiểu như vậy, và thêm quy định về kéo dài một số thanh vào gối tựa như sau:
- Kéo 1/3 số thanh ở nhịp biên neo vào cột
- Kéo 1/4 số thanh ở nhịp giữa neo vào cột
2.11.3. Thép cấu tạo
Cần đặt thép cấu tạo chống nứt do co ngót và nhiệt độ khi ứng suất nén trước (average precompression) nhỏ hơn 0.7MPa. Hầu hết tình huống thiết kế ULT đều chọn ứng suất nén trước tối thiểu 0.85MPa nên ở phương có cáp không cần đặt thép cấu tạo.
Nếu đặt cáp theo băng cần cấu tạo thép thường cho vùng giữa 2 băng cáp thành hình tam giác như trên hình 2.11.3.
Hình 2.11.3. Cốt thép cấu tạo giữa 2 băng cáp
2.11.4. Thép chịu cắt
Thép chịu cắt cho sàn phẳng là thép chống chọc thủng đặt quanh cột. Do trong sàn không đặt được cốt đai như dầm nên dùng đinh hàn (shear stud) như hình 2.11.4 là tương đối phù hợp.
Hình 2.11.4. Bố trí đinh hàn chịu cắt quanh cột
Hình 2.11.5. Một số phương án chịu cắt cho sàn
Số lượng đinh hàn trên một chu vi chọc thủng được tính toán. Mũ đinh đóng vai trò development length để phát triển được ứng suất lớn nhất tại dọc thân đinh.
Nếu dùng miếng đệm như hình 2.11.4(a), diện tích miếng đệm tối thiểu bằng 10 lần diện tích thân đinh.
2.11.5. Thép cấu tạo tại neo
Có thể tham khảo chi tiết của hãng VSL về cốt thép thường cấu tạo tại đầu neo chủ động và neo bị động. Các thép này thường cho vào bản ghi chú chung và sẽ triển khai Shop drawing ngoài công trường.
Nhiều tài liệu đã hướng dẫn tính toán các cốt thép này chịu ứng suất nén cục bộ tại vị trí neo, có thể làm theo phương pháp dàn ảo. Ở đây xin không trình bày.
Phần 3. TỔNG KẾT
Cũng đã tương đối đầy đủ về cơ sở mà người thiết kế cần nắm được khi làm sàn ULT. Tôi xin được tổng kết lại các bước thực hành để anh em làm thiết kế như sau:
1- Mô hình sàn bằng phần mềm, vào tải trọng
2-Vẽ đường truyền tải trọng về gối tựa theo 2 phương
3-Vẽ dải sàn ứng với các đường truyền tải (auto by phần mềm)
4-Tính từng dải theo pp Khung tương đương
5- Chọn ra số lượng cáp tối ưu cho từng dải
6-Vẽ cáp theo số lượng đã chọn lên mô hình 3D
7-Dùng pp Phần tử hữu hạn tính bài toán 3D cả sàn
8-Tính và kiểm tra võng
9-Thiết kế các dải sàn theo pp PTHH tìm ra moment trên các tiết diện tính toán
10- Dùng moment đó để tính ra thép thường.
11- Bố trí bản vẽ thiết kế theo các nguyên tắc cấu tạo đã nêu.
Với sự trợ giúp của phần mềm và một quy trình rõ ràng như trên, cùng với hiểu biết cơ bản về kết cấu ULT như đã trình bày, đảm bảo bạn sẽ có 1 phương án an toàn và kinh tế nhất !
Cũng đã tương đối đầy đủ về cơ sở mà người thiết kế cần nắm được khi làm sàn ULT. Tôi xin được tổng kết lại các bước thực hành để anh em làm thiết kế như sau:
1- Mô hình sàn bằng phần mềm, vào tải trọng
2-Vẽ đường truyền tải trọng về gối tựa theo 2 phương
3-Vẽ dải sàn ứng với các đường truyền tải (auto by phần mềm)
4-Tính từng dải theo pp Khung tương đương
5- Chọn ra số lượng cáp tối ưu cho từng dải
6-Vẽ cáp theo số lượng đã chọn lên mô hình 3D
7-Dùng pp Phần tử hữu hạn tính bài toán 3D cả sàn
8-Tính và kiểm tra võng
9-Thiết kế các dải sàn theo pp PTHH tìm ra moment trên các tiết diện tính toán
10- Dùng moment đó để tính ra thép thường.
11- Bố trí bản vẽ thiết kế theo các nguyên tắc cấu tạo đã nêu.
Với sự trợ giúp của phần mềm và một quy trình rõ ràng như trên, cùng với hiểu biết cơ bản về kết cấu ULT như đã trình bày, đảm bảo bạn sẽ có 1 phương án an toàn và kinh tế nhất !
>>>>> Download Now
Trả lờiXóa>>>>> Download Full
>>>>> Download LINK
>>>>> Download Now
>>>>> Download Full
>>>>> Download LINK