Thực hành thiết kế sàn BT ULT

Kết cấu bêtông ứng lực trước (ULT) không phổ biến thị trường Xin chia sẻ vài kinh nghiệm kiến thức cá nhân thu thập trình làm việc để anh em Kết cấu sư đẩy nhanh việc thiết kế sàn ULT cách đơn giản phục vụ thơng tin cho người có nhu cầu tìm hiểu (chủ đầu tư 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 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 (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 (TTGH2) Tính kinh tế thể tỷ lệ cao giá trị đạt áp dụng phương án thiết kế so với chi phí bỏ Ngồi tính pháp lý hồ sơ thiết kế 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 bêtông ứng lực trước, quy định tiêu chuẩn Việt Nam lỗi thời không đủ Do việc áp dụng tiêu chuẩn nước ngồi cần thiết, phù hợp với đặc thù vật liệu cáp ứng lực trước hoàn toàn nhập 1.1.2 Đặc điểm Bêtông so với vật liệu khác Thử ví dụ so sánh loại vật liệu: Bêtơng, thép, kính để biết đặc trưng vật liệu bêtơng Ví dụ sàn hình 1.1.1 A Kính Khả sử dụng bình thường (TTGH2) yêu cầu độ võng sàn không vượt ngưỡng cho phép Tính an tồn 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 xác điểm bề mặt sàn, làm việc khác biệt kính so với vật liệu khác tải trọng tăng dần Do phải mơ hình xác hình học, gối tựa ảnh hưởng trực tiếp đến kết phân tích ứng suất B Thép Nếu vùng sàn thiết kế vật liệu thép, TTGH2 sàn định độ võng tải trọng dài hạn Tính an tồn xác định độ võng vượt giới hạn tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải) Độ võng 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 thiết kế kết cấu thép sau lựa chọn chiều dày sàn vị trí gối tựa, tiến hành tính tốn kiểm tra xem ứng suất tính tốn có nhỏ giá trị giới hạn vật liệu không Đây khác biệt thiết kế kết cấu thép so với kết cấu bêtơng trình bày Hình 1.1.1 - Mơ hình vùng sàn thiết kế C Bêtông Thiết kế sàn bêtông gồm mục bản: (i) Về điều kiện làm việc (TTGH2), độ võng chiều rộng vết nứt nằm giới hạn cho phép (ii) Dưới tác dụng tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải), sàn khơng bị phá hoại Việc xác định ứng suất cục ý nghĩa việc tính tốn độ võng chiều rộng vết nứt tải trọng làm việc Sự không đồng vật liệu bêtông vài vết nứt nhỏ làm cho việc phân tích kết cấu theo mơ hình đàn hồi thơng thường khơng xác Bên cạnh đó, sàn bêtơng thơng thường mơ hình thiết kế theo đường truyền tải quy ước, khơng với Kính Thép đường truyền tải xác định rõ ràng từ phân tích tính tốn Trong hình vẽ ví dụ, hai phương án cho đường truyền tải trọng thể hình vẽ Hình thứ 2, sàn mơ dải với nhịp từ vách A đến vách B Kết cấu sư người định đường truyền tải trọng gối tựa Với đường truyền tải này, cốt thép bố trí đảm bảo an tồn thép chủ lớp hình Vách C khơng thuộc đường truyền tải quy ước thực tế tham gia chịu tải sàn 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 kết cấu bêtông 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: - Đường truyền tải trọng quy ước Kết cấu sư thực tế truyền tải trọng 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 bêtông để đảm bảo tiết diện bêtông bị phá hoại dẻo Đó khả tiết diện có biến dạng định trước vượt cường độ trước bị phá hoại Điều giúp phân bố lại tải trọng sàn huy động làm việc dải sàn 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 truyền tải trọng Ảnh hưởng tải trọng tập trung phân bố chiều rộng đường truyền tải quy ước thông qua cốt thép phân bố cấu tạo đặt tải trọng tập trung Cốt thép đảm bảo đường truyền tải vách A B cụ thể hố Kết cấu sư chọn Hình 1.1.2 (b) minh hoạ 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 bêtơng việc bố trí cốt thép sàn định phương độ lớn khả chịu tải sàn Thông thường có nhiều đường truyền tải nhất, xương sống hệ kết cấu toàn cơng trình Kết cấu bêtơng khơng ứng xử nhạy với ứng suất cục Hình 1.1.3(a) thể phân bố moment từ kết phân tích đàn hồi sàn (khơng kể đến hệ số nở ngang Poisson) Khi thiết kế cốt thép thường tính tốn để chịu moment tương đương đơn giản hình 1.1.3(b) Bố trí cốt thép vùng moment mặt không quan trọng miễn đủ số lượng Lý sàn phá hoại theo đường khớp dẻo đường huy động toàn cốt thép cắt qua làm việc Hình 1.1.3 Moment tính tốn Đây đặc điểm khác biệt bêtơng thiết kế theo moment tổng Sự phân bố giá trị cục điểm dọc chiều rộng dải khơng quan trọng Khác với Kính Thép moment cần kiểm tra theo điểm, kết cấu bêtông cần quan tâm tới giá trị moment tổng tiết diện ngang chiều rộng dải Do tính sàn Phần tử hữu hạn, dù chia nhỏ kết quả moment tổng dải sàn khơng khác Các bạn kiểm chứng 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 bêtông khống chế (có cho phép xuất hiện) vết nứt Trong thực hành, ứng suất thiết kế bêtông giả định tính từ moment tổng tồn tiết diện dải sàn Trong thực tế ứng suất vùng quanh gối tựa có giá trị lớn nhiều hầu hết vượt giới hạn nứt bêtông Ứng suất thiết kế mang ý nghĩa phạm vi vết nứt xuất vùng giá trị ứng suất thực 1.1.3 Đặc điểm thiết kế Ứng lực trước Như đặc trưng thiết kế kết cấu bêtông cốt thép phải đường truyền tải trọng hay dải sàn Kết cấu bêtơng ứng lực trước phức tạp thêm thơng số đầu vào chỉnh tính tốn Thiết kế ứng lực trước theo TTGH1 TTGH2 bao gồm khống chế tham số: (i) Số lượng cáp dự ứng lực, (ii) quỹ đạo cao độ cáp Cốt thép thường bổ sung cho sàn định tham số Trong sàn thường, với dải sàn có kết cốt thép tính tốn Trong sàn ứng lực trước, kết cấu sư cho thiết kế khác thơng số số lượng quỹ đạo cáp lựa chọn thường khác 1.2 Các bước thiết kế Nói chung sàn bêtơng cốt thép thiết kế theo quy trình sau Hình 1.2.1 Quy trình thiết kế sàn BTCT 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 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 SFM độ cứng tương đối cột sàn điều chỉnh để kể đến hiệu ứng uống phương Phương pháp xác so với SFM dùng phổ biến để tính sàn Thông tin yêu cầu đầu vào cho pp EFM SFM kích thước hình học, tải trọng, điều kiện biên dải sàn thiết kế pp gần cho kết thiên an toàn Độ xác pp giảm dần sàn có bể dày thay đổi (có dầm, mũ cột ) lưới cột theo phương không thẳng hàng, vuông góc Phương pháp PTHH anh em sử dụng nhiều qua phần mềm SAFE, ADAPT Floor Pro, RAM Concept… Đây phương pháp cho độ xác cao chia nhỏ sàn thành phần 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 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 Ví dụ cho sàn với lưới cột khùng khoằm sau: Hình 1.2.2 Mặt kết cấu sàn Đường truyền tải trọng vẽ qua gối tựa cột, vách theo phương X, Y Đây đường giả thiết truyền tải sàn gối tựa người thiết kế lựa chọn ban đầu Có thể lựa chọn hình sau: Hình 1.2.3 Đường tải trọng theo phương X Hình 1.2.4 Đường 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 diện tích sàn Một số phần mềm ADAPT Floor Pro tự động chia ranh giới dải sau vẽ đường tải trọng Hình 1.2.5 Dải sàn theo phương X 10 Hình 2.10.4 Bẻ cong cáp mặt Con kê cáp Con kê có tác dụng đảm bảo cao độ cáp theo quỹ đạo thiết kế Thường dùng thép Φ12a1200 Không nên dùng khoảng cách vượt a1500 Sai số thi công cáp Theo phương đứng 6mm cho sàn dày ≤200mm, 10mm cho sàn từ 200 đến 600mm 12mm cho chiều dày lớn 600mm Trong mặt phẳng sàn, độ dốc sai số không 1/12 49 Hình 2.10.5 Ngắt cáp sàn 2.11 Bố trí cốt thép thường Cốt thép thường sàn ULT có tác dụng: - Góp phần chịu tải trọng với cáp - Theo quy định hàm lượng thép thường tối thiểu để khống chế nứt 2.11.1 Thép lớp Số lượng Với cáp khơng bám dính, bố trí thép lớp gối tựa sàn phẳng Vị trí Thép phải đặt gối tựa cột chiều rộng 1.5 lần chiều dày sàn hình 2.11.1 50 Hình 2.11.1 Chồng chéo cốt thép Đây vấn đề cần quan tâm đặc biệt cho cốt thép gối tựa Việc dùng đường kính thép bé làm tăng cánh tay địn chịu uốn cho sàn mỏng tránh làm giảm chiều cao hữu hiệu cáp phương vng góc cốt thép lớp Tổng diện tích cốt thép lớp cột theo phương không nên vượt 4200mm2, để bêtông ninh kết hiệu dễ thi công Con số tương đương với thép tối đa 21Φ16 cho băng cốt thép cột Chiều dài Cốt thép kéo dài khỏi cột đoạn tối thiểu 1/6 chiều dài nhịp thông thuỷ phương, hình 2.11.2 Ghi hình Ld chiều dài neo tối thiểu (đúng chiều dài truyền ứng suất vào bêtơng thơng qua lực dính - development length) 51 Hình 2.11.2 Đường kính thép Nên chọn đường kính thép nhỏ phải bố trí lớp theo phương gối tựa Đường kính nhỏ hiệu việc khống chế nứt 2.11.2 Thép lớp Số lượng tối thiểu Có thể thiết kế sàn phương khơng có cốt thép thường lớp miễn cáp đảm bảo chịu lực Trường hợp ứng suất kéo bêtông lớn giá trị quy định tiêu chuẩn cần bố trí hàm lượng thép tối thiểu khống chế nứt Có thể dùng lưới thép hàn 120x120x3mm muốn yên tâm Vị trí Cốt thép lớp theo tính tốn đặt phạm vi dải sàn, phân bố không quan trọng Tuy nhiên để thuận lợi cho thi cơng, thép phương bố trí cáp theo băng đặt phạm vi chiều rộng băng cáp đảm bảo khoảng cách tối thiểu Theo phương cáp phân bố cốt thép lớp phân bố 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 ứng suất kéo lớn, chiều dài tối thiểu 1/3 nhịp thơng thuỷ hình 2.11.2, khơng cần kéo vào gối tựa Cốt thép theo tính tốn khống chế chiều dài tối thiểu vậy, thêm quy định kéo dài số vào gối tựa sau: - Kéo 1/3 số nhịp biên neo vào cột - Kéo 1/4 số nhịp neo vào cột 2.11.3 Thép cấu tạo Cần đặt thép cấu tạo chống nứt co ngót nhiệt độ ứng suất nén trước (average precompression) nhỏ 0.7MPa Hầu hết tình thiết kế ULT chọn ứng suất nén trước tối thiểu 0.85MPa nên phương có cáp không cần đặt thép cấu tạo Nếu đặt cáp theo băng cần cấu tạo thép thường cho vùng băng cáp thành hình tam giác hình 2.11.3 52 Hình 2.11.3 Cốt thép cấu tạo băng cáp 2.11.4 Thép chịu cắt Thép chịu cắt cho sàn phẳng thép chống chọc thủng đặt quanh cột Do sàn không đặt cốt đai dầm nên dùng đinh hàn (shear stud) hình 2.11.4 tương đối phù hợp 53 Hình 2.11.4 Bố trí đinh hàn chịu cắt quanh cột 54 Hình 2.11.5 Một số phương án chịu cắt cho sàn Số lượng đinh hàn chu vi chọc thủng tính tốn Mũ đinh đóng vai trị development length để phát triển ứng suất lớn dọc thân đinh Nếu dùng miếng đệm hình 2.11.4(a), diện tích miếng đệm tối thiểu 10 lần diện tích thân đinh 2.11.5 Thép cấu tạo neo Có thể tham khảo chi tiết hãng VSL cốt thép thường cấu tạo đầu neo chủ động neo bị động Các thép thường cho vào ghi chung triển khai Shop drawing ngồi cơng trường Nhiều tài liệu hướng dẫn tính tốn cốt thép chịu ứng suất nén cục vị trí neo, làm theo phương pháp dàn ảo Ở xin khơng trình bày 55 Phần TỔNG KẾT Cũng tương đối đầy đủ sở mà người thiết kế cần nắm làm sàn ULT Tôi xin tổng kết lại bước thực hành để anh em làm thiết kế sau: 1- Mơ hình sàn phần mềm, vào tải trọng 56 2-Vẽ đường truyền tải trọng gối tựa theo phương 57 3-Vẽ dải sàn ứng với đường truyền tải (auto by phần mềm) 4-Tính dải theo pp Khung tương đương 58 5- Chọn số lượng cáp tối ưu cho dải 59 6-Vẽ cáp theo số lượng chọn lên mơ hình 3D 7-Dùng pp Phần tử hữu hạn tính tốn 3D sàn 60 8-Tính kiểm tra võng 61 9-Thiết kế dải sàn theo pp PTHH tìm moment tiết diện tính tốn 10- Dùng moment để tính thép thường 11- Bố trí vẽ thiết kế theo nguyên tắc cấu tạo nêu 62 Với trợ giúp phần mềm quy trình rõ ràng trên, với hiểu biết kết cấu ULT trình bày, đảm bảo bạn có phương án an toàn kinh tế ! Cuối xin chúc anh em Kết cấu sư có nhiều tác phẩm sàn ULT Đẹp tiết kiệm chúc năm kiếm nhiều tiền 63 ...vật liệu không Đây khác biệt thiết kế kết cấu thép so với kết cấu bêtông trình bày Hình 1.1.1 - Mơ hình vùng sàn thiết kế C Bêtông Thiết kế sàn bêtông gồm mục bản: (i) Về điều kiện... 1.2 Các bước thiết kế Nói chung sàn bêtơng cốt thép thiết kế theo quy trình sau Hình 1.2.1 Quy trình thiết kế sàn BTCT 1.2.1 Mơ hình tính tốn Chọn phương pháp tính Có phương pháp tính sàn: “Khung... trí vẽ thiết kế (Structural Detailing) Sau tính tốn cốt thép cho dải sàn, cần bố trí cốt thép cách hợp lý để đảm bảo làm việc sàn giả định thiết kế chọn A Sàn thường Nhiều tiêu chuẩn thiết kế ACI,