bài tìm hiểu sàn ứng lực trước

HỘI QUÁN KIẾN TRÚC – XÂY DỰNG WWW.HOIQUANYOUNG.COM -o0o - THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC TRONG CƠNG TRÌNH BTCT BÀI TÌM HIỂU SÀN ỨNG LỰC TRƯỚC NTH: NGUYỄN THANH VIỆT NGUỒN: KETCAU.COM ĐÀ NẴNG, THÁNG 03 NĂM 2013 i THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ULT 1.1 1.1.1 Yêu cầu tổng quát 1.1.2 Đặc điểm BT so với vật liệu khác 1.1.3 Đặc điểm Thiết kế BTCT ULT 1.2 Đặc điểm Thiết kế Kết cấu sàn BTCT Các bước thiết kế 1.2.1 Mơ hình tính tốn 1.2.2 Chọn dải sàn – Đường truyền tải trọng 1.2.3 Tính tốn phân tích 11 1.2.4 Thiết kế 13 1.2.5 Bố trí vẽ (Structural Detailing) 14 TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ULT 15 2.1 Vật liệu cáp ULT 15 2.2 Cáp bám dính khơng bám dính 17 2.3 Các thông số 19 2.4 Phương pháp Cân tải trọng 20 2.4.1 Momen sơ cấp 20 2.4.2 Momen thứ cấp (Hyperstatic) 21 2.4.3 Tính TTGH2 theo tổ hợp nào? 23 2.4.4 Chú ý thay đổi tiết diện 24 2.5 Chọn quỹ đạo cáp 24 2.6 Lực căng cáp tính toán 28 2.7 Tổn hao ứng suất 28 2.7.1 Tổn hao ma sát 29 2.7.2 Tổn hao biến dạng neo 30 2.7.3 Tổn hao co ngắn đàn hồi (ES) 30 THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT 2.7.4 Tổn hao từ biến (CR) 31 2.7.5 Tổn hao chùng ứng suất (RE) 31 2.8 Mơ hình cáp ULT pp PTHH 31 2.9 Sàn phương sàn phương 33 2.9.1 Hệ dầm sàn phương 36 2.9.2 Hệ dầm sàn phương 36 2.9.3 Hệ dầm bẹt phương (banded beam) 37 2.9.4 Sàn ô cờ 37 2.10 Bố trí cáp sàn 38 2.11 Bố trí cốt thép thường 42 2.11.1 Thép lớp 42 2.11.2 Thép lớp 43 2.11.3 Thép cấu tạo 43 2.11.4 Thép chịu cắt 43 2.11.5 Thép cấu tạo neo 45 TỔNG KẾT 45 THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Sumary Kết cấu bê tông Ứng lực trước (ULT) khơng phổ biến thị trường Bài viết tham khảo nhiều nguồn tài liệu Mong nhận phản hồi tích cực đóng góp từ bạn từ khắp phương xa để nội dung tốt TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ULT 1.1 Đặc điểm Thiết kế Kết cấu sàn BTCT 1.1.1 Yêu cầu tổng quát Mục tiêu cho hoạt động người thiết kế kết cấu An tồn, Sử dụng bình thường Hợp lý kinh tế An toàn hiểu khả chịu tải trọng thiết kế (là tải trọng lớn theo tiêu chuẩn thiết kế quy định) mà không bị hư hại vượt ngưỡng cho phép, gọi trạng thái giới hạn thứ (TTGH1) Khả sử dụng đạt Kết cấu làm việc bình thường suốt tuổi thọ nó, gọi trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH2) Tính kinh tế thể tỉ lệ cao giá trị đạt áp dụng phương án thiết kế với chi phí bỏ Ngồi tính pháp lý hồ sơ yếu tố quan trọng Thiết kế phải đảm bảo quy định tiêu chuẩn nhà nước đặt Tuy nhiên tiêu chuẩn hành thường lạc hậu so với kỹ thuật xây dựng thực tế, đặc biệt với kết cấu BTCT ULT, quy định Việt Nam lỗi thời khơng đủ Do việc áp dụng tiêu chuẩn nước cần thiết, phù hợp với đặc thù vật liệu cáp dự ứng lực hoàn toàn ta nhập 1.1.2 Đặc điểm BT so với vật liệu khác Ta làm phép so sánh loại vật liệu dùng xây dựng: BT, Thép, Kính để biết đặc trưng vật liệu BT Ví dụ sàn hình 1.1.1 Hình 1.1.1 – Mơ hình vùng sàn thiết kế THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Kính Khả sử dụng bình thường (TTGH2) yêu cầu độ võng sàn khơng vượt q ngưỡng cho phép Tính an toàn đo tải trọng gây nứt cho kính: vết nứt xuất lan rộng phá hoại vật liệu Nứt xảy tải trọng phát sinh ứng suất kéo bề mặt đạt đến giá trị đặc trưng cho vật liệu kính, điểm Với Kính, điều cần thiết thiết kế xác định ứng suất bề mặt sàn, làm việc khác biệt Kính tải trọng tăng dần Do phải mơ hình xác hình học, gối tựa ảnh hưởng trực tiếp đến kết phân tích ứng suất Thép Nếu vùng sàn thiết kế vật liệu Thép, TTGH thứ sàn định độ võng tải trọng dài hạn sàn gây Tính an tồn xác đinh độ võng vượt giới hạn tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải) Độ võng dài hạn dài hạn xảy có chảy dẻo vật liệu thép vị trí cục đó, ứng suất vượt giới hạn chảy vật liệu Độ tin cậy thiết kế phụ thuộc vào tính xác ứng suất xác định điểm Nội dung của thiết kế kết cấu thép sau lựa chọn chiều dày sàn vị trí gối tựa, tiến hành tốn kiểm tra ứng suất tính tốn có nhỏ giá trị giới hạn vật liệu hay không Đây điểm khác biệt kết cấu thép với kết cấu bê tong Bê tơng Thiết kế sàn bê tơng gồm có mục là: Về điều kiên làm việc (TTGH2), độ võng chiều rộng vết nứt nằm giới hạn cho phép Dưới tác dụng tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải) sàn khơng bị phá hoại Việc xác định ứng suất cục khơng có ý nghĩa việc xác định độ võng vết nứt tải trọng làm việc Sự không đồng vật liệu bê tông vài chi tiết nứt nhỏ làm cho việc phân tích kết cấu theo mơ hình đàn hồi thơng thường khơng xác Bên cạnh đó, sàn bê tơng thường mơ hình thiết kế theo đường truyền tải trọng quy ước, khơng với Kính Thép đường truyền tải xác định rõ ràng từ việc phân tích tính tốn Trong hình vẽ ví dụ, hai phương án cho đường truyền tải tải trọng thể hình vẽ Hình thứ 2, sàn mơ dải nhịp từ vách A đến vách B Kết cấu sư người định đường truyền tải trọng gối tựa Với đường truyền tải trọng này, cốt thép an toàn thép chủ lớp hình Vách C khơng thuộc đường truyền tải trọng quy ước này, nhiên thực tế vách C tham gia chịu tải phát sinh ứng suất kéo mặt vách C Do người thiết kế phải đặt cốt thép cấu tạo lớp xung quanh vùng vách C để khống chế nứt tải trọng làm việc (tải tiêu chuẩn) Cốt thép cấu tạo thiếu cấu kiện bê tơng cốt thép, dùng với mục đích cải thiện khả làm việc kết cấu, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm Kết cấu sư, nhiệm vụ đảm bảo: THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Đường truyền tải quy ước kết cấu sư thực tế truyền tải lớn so với giá trị giới hạn tiêu chuẩn thiết kế Chiều rộng vết nứt tải trọng làm việc giới hạn cho phép Thường tiêu chuẩn thiết kế quy định hàm lượng cốt thép cấu tạo tối thiểu tiết diện bê tông để đảm bảo tiết diện bê tông bị phá hoại dẻo Đó thực khả tiết diện có biến dạng định trước vượt cường độ trước bị phá hoại Điều giúp phân phối lại tải trọng sàn huy động làm việc theo đường truyền tải trọng mà người thiết kế chọn Hình 1.1.2 ví dụ trường hợp thép cấu tạo cho việc triển khai đường tải trọng Ảnh hưởng tải trọng tập trung phân bố lại tải trọng sàn thông qua cốt thép cấu tạo đặt tải trọng tập trung Cốt thép đảm bảo đường truyền tải trọng vách A B cụ thể hóa Kết Cấu sư chọn Hình 1.1.2.b mơ tả cốt thép cấu tạo chống nứt cho góc lõm sàn Hình 1.1.2 – Thép cấu tạo Đường truyền tải quy ước cần thiết cho sàn bê tong việc bố trí cốt thép sàn định đến phương độ lớn khả chịu tải sàn Thơng thường có nhiều môt đường tải trọng nhất, xương sống hệ kết cấu tồn cơng trình Kết cấu BTCT không ứng xử nhạy với tải trọng cục Hình 1.1.3.(a) thể phân bố moment từ kết phân tích đàn hồi sàn(Khơng kể đến nở hơng Poisson) Khi thiết kế cốt thép thường tính tốn để chịu momen tương đương đơn giản hình 1.1.3(b) Bố trí cốt thép vùng mơ men mặt không quan trọng mà quan trọng phải đủ số lượng Lý dó sàn bị phá hoại theo đường khớp dẻo đường huy động toàn cốt thép cắt qua mà làm việc THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Hình 1.1.3 – Mơ men tính tốn Đây điểm khác biệt bê tông thiết kế theo mô men tổng Sự phân bố giá trị cục điêm dọc theo chiều rộng dải không quan trọng Khác với tính THÉP KÍNH momen cần kiểm tra theo điểm, kết cấu bê tông cần quan tâm tới giá trị mô men tổng tiết diện ngang chiều rộng dải Do tính sàn phương pháp PTHH việc chia nhỏ kích thước sàn nhỏ kết mơ men tổng dải khơng khác Chúng ta kiểm chứng phần mềm SAFE Với kết cấu Ứng lực trước, Kính Thép, cần kiểm tra ứng suất tải trọng tiêu chuẩn Với kính việc kiểm tra ứng suất để tránh vết nứt, với thép để kiểm tra chảy dẻo cục độ võng dài hạn Với bê tơng khống chế (có cho phép xuất hiện) vết nứt Trong thực hành, ứng suất thiết kế bê tông giả định tính từ mơ mên tổng toàn tiết diện dải sàn Trong thực tế ứng suất vòng quanh gối tựa có giá trị lớn nhiều hầu hết vượt qua giới hạn nứt bê tơng Ứng suất thiết kế phạm vi vết nứt xuất vùng lớn giá trị ứng suất thực 1.1.3 Đặc điểm Thiết kế BTCT ULT THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Như đặc trưng thiết kế kết cấu BTCT phải đường tuyền tải trọng hay dải sàn Kết cấu BTCT ULT phức tạp thêm thơng số đầu vào chỉnh tính tốn Việc thiết kế UTL theo TTGH1 TTGH2 bao gồm khống chế tham số: Số lượng dự ứng lực Quỹ đạo cáp Cốt thép thường bổ sung cho sàn định tham số Trong sàn thường, với dải sàn kết tính tốn Trong sàn dự ứng lực trước kết cấu sư cho thiết kế khác người thiết kế chọn thơng số đầu vào số lượng quỹ đạo cáp thông thường khác 1.2 Các bước thiết kế Nói chung sàn BTCT thiết kế theo quy trình sau: Hình 1.1.3 –Quy trình thiết kế sàn ULT 1.2.1 Mơ hình tính tốn Chọn phương pháp tính Có phương pháp tính sàn: “Khung đơn giản”, “Khung tương đương” “Phần tử hữu hạn” (PTHH) Trong phương pháp Khung đơn giản (SFM), khung tính tốn đến độ cứng cột phần sàn THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT liên quan tính từ kích thước hình học xác cấu kiện Trong tính tốn khơng kể đến ảnh hưởng uốn phương sàn Phương pháp khung tương đương (EFM) cải tiến phương pháp SFM độ cứng tương đối cột sàn thể điều chỉnh để kể đến hiệu ứng uốn phương Phương pháp xác so với SFM dùng để tính sàn Thông tin yêu cầu đầu vào cho phương pháp EFM SFM kích thước hình học, tải trọng, điều kiện biên dải sàn thiết kế Hai phương pháp cho kết gần cho kết thiên an tồn Độ xác phương pháp giảm dần sàn có bề dày thay đổi( có dầm , mũ cột) lưới cột theo phương không thẳng hàng, vng góc Phương pháp PTHH nhiều người dùng thông qua phần mềm SAFE, ADAPT Floor Pro, RAM Concept… Đây phương pháp cho độ xác cao chia nhỏ sàn thành thành tử nhỏ, phần tử ứng xử theo thuộc tính vật liệu, hình học, vị trí sàn, liên kết với phần tử xung quanh kể đến làm việc uốn theo phương cách xác 1.2.2 Chọn dải sàn – Đường truyền tải trọng Đây bước trình mơ hình tính sàn Hệ kết cấu nhà làm việc trọng lượng thân tải trọng khác lên sàn điểm truyền gối tựa (Cột, Vách) theo đường truyền tải trọng Với hệ kết cấu sàn lưới cột ngoằn ngèo sau: Hình 1.2.2 –Mặt kết cấu sàn Đường truyền tải trọng vẽ qua gối tựa cột, vách theo phương X Y sau Đây đường giả thiết truyền tải trọng sàn gối người thiết kế lựa chọn ban đầu THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Có thể lựa chọn hình đây! Hình 1.2.3 –Đường truyền tải trọng theo phương X Hình 1.2.4 –Đường truyền tải trọng theo phương Y Sau đường tải trọng có vùng truyền tải sàn hình vẽ sau, vùng tạo nên dải sàn, quen thuộc SAFE Ranh giới dải sàn đường trung bình đường tải trọng liền kề phương X Y Yêu cầu tất dải phương phải phủ kín diên tích sàn Một số phần mềm ADAPT Floor Pro tự động chia rãnh giới dải sau vẽ đường tải trọng THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT phương sàn có chiều dày tương đương (giống thiết kế loại sàn rỗng khác sàn 3D hay sàn bóng) Cáp sàn phương vùng sườn Tại vùng cột cấu tạo mũ cột dải băng sàn dày tính tốn mũ cột hay dầm tính sàn thường với chiều dày tương đương Cáp sàn phương vùng sườn Tại vùng cột cấu tạo mũ cột dải băng sàn dày Hình 2.9.7 – Sàn cờ ULT Đến tính tốn ULT tương đối đầy đủ Dù việc tính tốn hầu hết có phần mềm lo kiến thức không thừa cho kết cấu sư muốn làm hệ kết cấu khó sàn, dầm chuyển Việc tính tốn độ võng hồn tồn áp dụng sàn thường theo topic tring bày Xong tính tốn đến bước cấu tạo Có nhiều điều cần ý để vẽ thiết kế hồn chỉnh 2.10 Bố trí cáp sàn Có vài cách bố trí cáp mặt áp dụng hiệu thực tế hình 2.10.1 Cáp theo phương bố trí phân bố đều, tập trung theo băng hỗn hợp cách Cáp tập trung theo băng chiều rộng thường 1.2 m dọc theo đường truyền tải trọng qua gối tựa Theo phương phân bố cáp rải Do với kết cấu ULT quan trọng số lượng cáp dải phân bố dải sàn không ảnh hưởng đến chịu lực Việc bố trí theo cách để thuận tiện cho thi cơng, để cáp phương bị đụng trung cao độ quỹ đạo cáp Cách bố trí theo băng phương phân bố theo phương lại hình 2.10.1(a) có lợi (hình 2.10.2) Khoảng cách cáp Nhắc lại, khoảng cách tối đa cáp cáp lần chiều dày sàn 1.5m, khơng áp dụng cho bố trí theo băng cáp Khoảng cách tối thiểu cho hình 2.10.3 Số lượng cáp tối thiều 38 THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT ACI 318 yêu cầu tối thiểu cáp phương trực tiếp qua cột, số lượng tao cáp đường cáp Tiêu chuẩn khác hợp lý Ví dụ tiêu chuẩn Canada yêu cầu hàm lượng thép thường tối thiểu cột Hình 2.10.1 –Một số cách bố tríc cáp mặt Hình 2.10.2 –Mặt cắt qua phương cáp phân bố 39 THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Hình 2.10.3 Bẻ cong mặt Trường hợp phải bẻ cong hình 2.10.4 có vài khống chế Cáp uốn lưới cột không thẳng hàng để tránh lỗ mở sàn Việc gây nguy cáp bị bụng căng, phải khống chế độ cong hình Nếu muốn độ cong lớn cần cấu tạo nẹp cáp hình 2.10.4 (c) Hình vẽ cho tao cáp 12.7mm ứng suất theo phương ngang bẻ cong thép lên bê tông không vượt 3Mpa Bán kinh cong tối thiểu 3m Điểm bẻ cong áp phát sinh uốn cáp với cáp không bám dính khơng chế bán kinh cong nhỏ 20 lần đường kính tao cáp 40 THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC KS: NGUYỄN THANH VIỆT Hình 2.10.4 - Bẻ cong cáp mặt Con kê cáp Con kê cáp có tác dụng đảm bảo cao độ cáp theo quỹ đạo thiết kế Thường dùng thép Φ12a1200 Không nên dùng khoảng cách 1500 Sai số thi công cáp Theo phương đứng 6mm cho sàn dày