Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này phân tích 2 bài toán tính hệ thanh chống tạm cho công trình thi công bằng phương pháp đào mở và phương pháp top – down. Mô hình 3D của hệ thanh chống được thiết lập bằng phần mềm ETABS 7.4 và PLAXIS 8.5. Mỗi bài toán được tính toán theo trình tự các bước thi công tại công trường.
nNgày nhận bài: 20/4/2021 nNgày sửa bài: 21/5/2021 nNgày chấp nhận đăng: 08/6/2021 Các phương pháp tính tốn hệ chống tạm thi cơng tầng hầm cơng trình Caculation for the temporary strut system in the basement construction > NGUYỄN THANH HẢI Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung, Việt Nam Email: nguyenthanhhai@muce.edu.vn TÓM TẮT: Trong công tác thi công tầng hầm cho nhà cao tầng, hệ chống dùng để chống giữ ổn định cho tường chắn đất đóng vai trị quan trọng, phải đảm bảo độ bền, đảm bảo khả chịu lực mà cịn phải an tồn thi cơng Bài viết phân tích tốn tính hệ chống tạm cho cơng trình thi cơng phương pháp đào mở phương pháp top – down Mơ hình 3D hệ chống thiết lập phần mềm ETABS 7.4 PLAXIS 8.5 Mỗi tốn tính tốn theo trình tự bước thi cơng cơng trường Kết mơ hình cho thấy, ứng với phương pháp thi cơng khác vai trò chống đứng chống ngang thay đổi Theo đó, với phương pháp đào mở chống ngang đóng vai trị chịu lực chính, chống đứng có tác dụng định vị giữ ổn định cho kết cấu Ngược lại, theo phương pháp thi công top-down chống đứng có nhiệm vụ tiếp nhận toàn tải trọng sàn bên truyền xuống q trình thi cơng nên cần phải tính tốn cách chi tiết Từ khóa: Nhà cao tầng, tầng hầm, chống tạm, thi công đào mở, thi công top-dowm ABSTRACT: In the construction of basements for high-rise buildings, the temporary strut system plays an important role, not only to ensure durability, bearing capacity but also to be safe on the site This article analyzes the calculating temporary strut system for construction by open excavation method and top-down method The 3D model of the strut system was established using ETABS 7.4 and PLAXIS 8.5 software Each case is calculated according to the sequence of construction steps at the construction site The model results show that, for each different construction method, the role of vertical struts and horizontal struts changes Accordingly, with the open excavation method, the horizontal strut plays the main bearing role, and the vertical strut has the effect of positioning and stabilizing the structure In contrast, according to the top-down construction method, the vertical strut is responsible for receiving the entire load transmitted by the upper floor during construction, so it needs to be calculated in detail Keywords: High-rise buildings, basement, temporary strut, open excavation method, top-down method Giới thiệu Hiện nay, với tốc độ đô thị hóa nước ta, nhiều cơng trình cao tầng xây dựng nhằm đáp ứng với nhu cầu nhà không gian sử dụng ngày tăng Các cơng trình có từ đến tầng hầm thi công không gian đô thị chặt hẹp, khơng có nhiều khơng gian để thi cơng, mở rộng hố đào Do đó, lựa chọn giải pháp thi cơng cho cơng trình vừa đảm bảo khả chịu lực đảm bào tính an tồn cho nhà liền kề ln kỹ sư quan tâm Hệ thống chống đỡ vách hố đào đóng vai trị quan trọng q trình thi cơng cơng trình Hệ thống chủ yếu làm thép hình 1, chống theo phương ngang, phương đứng xiên Dựa vào tải trọng cơng trình áp lực đất tác dụng lên hệ chống, tính tốn xác định biến dạng nội lực cấu kiện, từ lựa chọn tiết diện phù hợp cho hệ Nội lực biến dạng hệ thay đổi tùy theo phương pháp giai đoạn thi cơng Việc vận chuyển đất ngồi hố đào thi công tầng hầm làm thay đổi ứng suất đất phía bên bên cạnh hố đào, dễ gây tượng biến dạng đất xảy tượng lún cho cơng trình liền kề Do đó, kết cấu chống đỡ thiết kế hợp lý giảm đáng kể thay đổi áp lực ngang vùng đất liền kề hố móng, nên giảm độ lún tới giá trị cho phép [1] Hiện nay, chưa có tiêu chuẩn hướng dẫn tính tốn cho hệ chống thi cơng tầng hầm cơng trình, việc đưa biện pháp tính tốn hợp lý cần thiết Bài báo trình bày phương pháp tính tốn hệ chống, cách xây dựng mơ hình mơ hệ tùy thuộc vào điều kiện loại hình thi cơng áp dụng cơng trình cụ thể ISSN 2734-9888 06.2021 131 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC chắn chống ngang chống đứng, giá trị thay đổi phụ thuộc vào q trình thi cơng Thanh chống ngang lắp đặt từ xuống theo đợt thi công đào đất, thay dầm sàn BTCT thi công phương pháp topdown Thanh chống đứng thi công top - down thường chống tạm cốt cứng cột BTCT, giá trị tải trọng xác định từ tải tác dụng lên sàn BTCT tầng hầm sàn mặt đất thi công xong truyền xuống Số tầng sàn đưa vào tính tốn mơ hình tương ứng với số tầng sàn thực tế thi công Khi thiết lập mơ hình tính lưu ý chống đứng có chiều dài lớn tính từ đỉnh cọc nhồi đến đáy sàn tầng thi công, chiều dài giảm dần thi công tầng sàn từ xuống, chiều dài ngang khoảng cách cột chống khoảng cách cột chống với tường chắn Nội lực biến dạng hệ chống thay đổi theo tiến triển thi cơng nên việc tính tốn thiết kế cần phải tiến hành giai đoạn đặc trưng nhất, đồng thời cần xem xét ảnh hưởng giai đoạn thi công trước đến giai đoạn thi công sau tính tốn nội lực biến dạng [3] Hình Thanh chống cho tầng hầm cơng trình Cơ sở lý thuyết Thanh chống tầng hầm cơng trình hệ gồm nhiều ngang, đứng có nhiều tầng tùy thuộc vào chiều sâu hố đào Số lượng, chiều sâu, vị trí số tầng chống phụ thuộc vào phương pháp thi công Việc xác định nội lực chống phải dựa vào phần mềm phân tích kết cấu tiến hành phân tích tốn ứng với tổ hợp tải trọng gây bất lợi Hiện nay, phương pháp thi cơng tầng hầm cơng trình thi cơng theo phương pháp theo hướng từ lên (còn gọi phương pháp đào mở ) thi công từ xuống (còn gọi phương phápTop-down) Thanh chống thép hình sử dụng cơng trình tính tốn chịu nén uốn Phương pháp tính nội lực chuyển vị sử dụng với sơ đồ tính nhịp liên tục nhiều nhịp thể hình [2] a Thanh nén uốn nhịp b Thanh nén uốn nhiều nhịp Hình Sơ đồ tính chống [2] Trong đó: q – tải phân bố tải trọng thân l – nhịp Ma, Mb, Mi-1, Mi+1– mô men uốn đầu nén P – lực dọc trục nén y(x) – độ võng x a, b -góc xoay tại gối tựa A, B; - góc xoay tại gối i nhịp i-1; ’-góc xoay tại gối i nhịp i Giá trị tải trọng xác định từ áp lực đất, nước, tải phân bố mặt đất tác dụng vào tường chắn, sau truyền từ tường 132 06.2021 ISSN 2734-9888 Các phương pháp tính tốn 3.1 Phạm vi áp dụng Hiện chưa có tiêu chuẩn hướng dẫn tính tốn cụ thể cho hệ chống tầng hầm Trong viết này, tác giả lựa chọn sử dụng phương pháp tính tốn cột chống cho cơng trình có tầng hầm sử dụng phương pháp thi công đào mở top – down Mô hình 3D thiết lập phần mềm ETABS PLAXIS, từ giá trị nội lực có toán, tiết diện chống lựa chọn kiểm tra độ bền theo TCVN 5575:2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế [4] Việc mơ tính tốn chống thực tùy thuộc vào biện pháp thi cơng Các số liệu tải trọng mơ hình lấy từ cơng trình thực tế 3.2 Các dạng tốn 3.2.1 Dạng tốn số – Tính tốn theo phương pháp đào mở Phương pháp thi cơng đào mở phương pháp cổ điển áp dụng chiều sâu hố đào không lớn Theo phương pháp tồn hố đào đào lên độ sâu đặt móng, dùng thủ cơng hay giới tùy thuộc vào độ sâu hố đào, điều kiện địa chất thủy văn, khối lượng đất cần đào khả cung cấp máy đơn vị thi công Sau đào xong, người ta tiến hành thi cơng cơng trình theo trình tự thơng thường từ lên [2] Thi công theo phương pháp dễ gây ổn định thành hố đào người ta phải sử dụng tường cừ hệ chống đỡ để giữ ồn định thành hố trình thi cơng Việc tính tốn, lựa chọn tiết diện chống đánh giá độ ổn định hệ chống cần thiết, đảm bảo khả chịu lực điều kiện an tồn thi cơng a Khai báo mơ hình Cơng trình có tầng hầm, sử dụng biện pháp thi công đào đất phương pháp đào mở, thành vách đất chống đỡ tường Barrette tường chống đỡ chống thép hình (hình 3a) Số liệu địa chất chiều sâu hố đào thể hình 3b với chiều sâu hố đào 11m, mực nước ngầm cách mặt đất 3,0m Cơng trình sử dụng tầng chống thép hình cách 4m, tường Barrette dày 600mm, sâu 25m Hệ chống mơ hình phần mềm ETABS hình 4, theo hệ chống mơ hình thành đợt dựa theo qui trình thi cơng Số liệu tải trọng tính tốn lấy theo giá trị thực tế cơng trình a Mặt cơng trình b Số liệu tốn Hình Cơng trình sử dụng phương pháp thi cơng đào mở a Mặt bố trí chống b Mơ hình phần tử hữu hạn ETABS Hình Hệ chống theo phương pháp đào mở Từ kết tính tốn nội lực có mơ hình, tiến hành tính tốn lựa chọn tiết diện kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ổn định cục hệ Theo đó, chọn tiết diện chống ngang thép hình chữ H (400x250x25)mm chống đứng tiết diện H(250x250x25)mm để chống giữ tường Tiết diện lựa chọn trước sau kiểm tra lại khả chịu lực với nội lực tính a Nội lực hệ chống b Sơ đồ chống khai báo PLAXIS Hình Nội lực hệ chống ETABS khai báo chống PLAXIS Với kết bảng 1, thấy lực tác dụng vào chống đứng q trình thi cơng tương đối nhỏ, tải trọng tác dụng chủ yếu vào đứng trọng lượng thân, chống đứng đóng vai trị định vị ngang, giữ ổn định cho hệ Tính tốn theo phương pháp đào mở thấy lực tác dụng vào ngang lớn nhiều so với đứng Thanh ngang có tác dụng chống giữ cho tường ổn định, khống chế chuyển vị ngang tường không vượt giới hạn cho phép, xem ngang chịu nén uốn Trong trình tính tốn, cần lưu ý đến việc kiểm tra khả chịu lực ngang Việc tính tốn độ bền thực theo qui định tiêu chuẩn hành b Kết tính tốn Nội lực hệ chống tính tốn phần mềm ETABS hiển thị hình 5a, giá trị nhập vào mơ hình Plaxis hình 5b Thanh chống ngang số đặt cao độ -3m tính từ mặt đất, chống ngang số đặt cao độ -7m tính từ mặt đất, giá trị nội lực ứng với độ sâu đào 3m, 7m 11m thể hình kết nội lực tổng hợp bảng Bảng Tổng hợp kết nội lực chống theo giai đoạn thi công Thanh chống ngang số Thanh chống ngang số Giai đoạn đào đất N (KN) M (KN.m) N (KN) M (KN.m) Giai đoạn đào 3.0m 0.29 Giai đoạn đào 7.0m -108.8 160 -0.24 Giai đoạn đào 11.0m -1.8 20.5 -265.6 36.4 a Độ sâu 3m Thanh chống đứng N (KN) M (KN.m) -63.2 12.6 -90.4 53.4 b Độ sâu 7m c Độ sâu 11m Hình Nội lực chống ngang ứng với chiều sâu hố đào khác ISSN 2734-9888 06.2021 133 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.2.2 Dạng tốn số – Tính tốn theo phương pháp top - down Phương pháp thi công top–down ứng dụng nhiều thi cơng cơng trình có tầng hầm, với phương pháp vừa thi công tầng hầm từ xuống vừa làm phần thân nhà từ lên, lấy mặt đất làm mốc khởi hành [2] Theo phương pháp tường đất cọc khoan nhồi thi cơng trước, chống đứng thép hình lắp đặt q trình thi cơng cọc nhồi Chiều dài tính từ đầu cọc lên đến mặt đất, sàn tầng đổ bê tông mặt đất tự nhiên, lúc sàn tầng tỳ lên tường đất cột tầng hầm Đối với phương pháp thi công này, chống đứng chịu lực toàn tải trọng sàn bên truyền xuống q trình thi cơng tầng hầm Ở viết này, tốn áp dụng tính tốn cho cơng trình có tầng hầm thi cơng theo phương pháp top-down Thời điểm bắt đầu thi công sàn BTCT vị trí mặt đất, chống chịu tải trọng sàn, chiều dài tính tốn chống đứng tính từ đầu cọc nhồi lên đến mặt đất Khi thi công sàn hầm thứ đồng thời thi công sàn tầng 1, chống chịu tải trọng sàn truyền xuống, chiều dài tính tốn tính từ đầu cọc nhồi đến sàn hầm Sau đó, tiếp tục thi công sàn hầm sàn tầng 2, chống chịu tải sàn truyền xuống, chiều dài tính tốn tính từ đầu cọc nhồi đến sàn hầm Cuối cùng, thi công sàn hầm (sàn đáy) kết hợp với đài móng mặt đất thi công sàn tầng 3, chống chịu tải sàn truyền xuống, chiều dài tính tốn ngắn tính từ đầu cọc nhồi đến sàn đáy a Khai báo mơ hình Cơng trình thi cơng theo phương pháp top-down lập phần mềm ETABS với tổng tầng nổi, tầng chìm Theo đó, thời điểm thi cơng đến đáy sàn hầm mặt đất thi công đồng thời lên đến sàn tầng (hình 7b) Cơng trình dùng tường Barrette chống đỡ vách đất, chiều sâu hố đào 11m, mực nước ngầm cách mặt đất 3,0m Cơng trình đặt đất gồm có lớp đất từ xuống gồm có: cát hạt trung, cát hạt thơ, cát sỏi, cát mịn, cát pha sét Sàn mặt đất sàn tầng hầm có chiều dày 200mm, kết hợp dầm BTCT GĐ Thi công tường vây hệ Kinpost GĐ Đào đất tầng hầm thứ thi công cột tầng 134 06.2021 GĐ Thi công sàn mặt đất (800x450)mm Sàn hầm cách mặt đất 3.5m, sàn hầm cách mặt đất 7.0m, sàn hầm cách mặt đất 11.0m Tường Barrette dày 600mm, sâu 40m Thanh chống đứng dùng thép hình chữ H(500x400x25)mm, đặt từ tầng hầm đến mặt đất, từ tầng lên tầng cột BTCT Mơ hình lập phần mềm ETABS với số tầng thi công bên mặt đất cộng với tầng hầm theo giai đoạn thi cơng hình 7b Kết nội lực chống đứng cơng trình truyền xuống thể bảng Với giá trị nội lực vừa tìm được, tiến hành lập mơ hình Plaxis, kết hợp với tải trọng áp lực đất, áp lực nước tải mặt đất để xác định nội lực chống đứng, chống ngang tường barrette trình thi cơng hình a Mặt bố trí chống đứng b Mơ hình phần tử hữu hạn Hình Cơng trình thi cơng phương pháp top - down Bảng Tải trọng sàn tầng truyền xuống cột chống theo giai đoạn thi công Thanh số Thanh số Giai Thanh số Thanh số (kN) (kN) đoạn 1(kN) (kN) GĐ2 -192.25 -594.1 -754.44 -219.2 GĐ4 -1076.28 -1300.26 -1919.97 -919.09 GĐ6 -1694.07 -2240.94 -3102.24 -1542.23 GĐ8 -2023.60 -2641.93 -3598.61 -1841.71 GĐ Đào đất tầng hầm thứ thi công tầng GĐ Thi công sàn tầng hầm thứ sàn tầng GĐ Thi công sàn tầng hầm thứ sàn GĐ Đào đất tầng hầm thứ thi công tầng cột tầng Hình Mơ hình cột chống ứng với giai đoạn thi công GĐ Đào đất tầng hầm thứ , đài móng sàn tầng ISSN 2734-9888 b Kết tính tốn Kết nội lực phương pháp top-down thể hình Tại thời điểm cuối thi công đến sàn đáy lực dọc đạt -3950 KN, mô men lớn đạt 374.13 KN.m giá trị lực cắt lớn đạt 201.39 KN a Chuyển vị hệ b Biểu đồ lực dọc c Biểu đồ lực cắt Hình Nội lực hệ cột chống 3.2.3 Nhận xét Với kết nội lực tốn, thấy chống đứng có lực dọc tăng dần theo trình thi cơng, so sánh với phương pháp thi cơng đào mở phương pháp top-down có lực dọc truyền đứng cao gấp 43.8 lần, mô men cao gấp 2.45 lần lực cắt cao gấp 3.28 lần so với phương pháp đào mở Tính tốn theo phương pháp top-down phức tạp, việc xác định tải từ sàn tầng truyền xuống cột chống theo giai đoạn thi cơng khó xác Do vậy, chống đứng yêu cầu có tiết diện lớn nhiều so với chống đứng phương pháp đào mở, phải đủ khả chịu tải nhiều tầng sàn bên cột chưa đổ bê tơng Bên cạnh đó, sàn tầng hầm có chiều dày lớn từ 200-400 mm đảm bảo đủ khả chống giữ tường barrette liên kết chống đứng thép hình với dầm sàn BTCT phức tạp d Biểu đồ mô men khả chịu lực độ ổn định tất giai đoạn thi công TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Uyên, Thiết kế xử lý hố móng, Hà Nội, Nhà xuất Xây dựng, 2008 [2] PGS TS Nguyễn Bá Kế, Thiết kế thi cơng móng sâu, Nhà xuất xây dựng, 2002 [3] PGS TS Nguyễn Bá Kế, Xây dựng cơng trình ngầm thị theo phương pháp đào mở, Hà Nội, Nhà xuất Xây dựng, 2006 [4] TCVN 5575:2012 - Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Hà Nội, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng, 2012 [5] PGS TS Nguyễn Đức Ngn, Thiết kế thi cơng cơng trình ngầm đô thị, 2009 [6] PGS TS Ngô Văn Quỳ, Các phương pháp thi công xây dựng, Hà Nội, Nhà xuất Xây dựng, 2010 Kết luận Thi công tầng hầm giai đoạn triển khai dự án thực địa, phương pháp thi cơng định đến chất lượng, tiến độ, an tồn giá thành cơng trình Lựa chọn phương pháp thi cơng cịn phụ thuộc vào lực đơn vị thi cơng, lựa chọn phương pháp thi công đào mở, top-down hay phương pháp khác cần đơn vị thiết kế định hướng lựa chọn phương pháp phải phù hợp với đặc điểm kết cấu cơng trình Trong cơng tác thi công tầng hầm, phải sử dụng hệ chống để chống đỡ tường chắn đất tải trọng cơng trình truyền xuống Do đó, cần lựa chọn chống đủ khả chịu lực đảm bảo an tồn lao động, đơn vị thi cơng cần tính tốn cụ thể chi tiết cho chống lựa chọn phương án thi công tốt Ở viết tác giả tính tốn cho cơng trình thi công theo phương pháp khác nhau: phương pháp đào mở top-down, phương pháp thể bước tính tốn riêng, có ưu nhược điểm khác Theo đó, phương pháp đào mở lưu ý cần kiểm tra tính tốn chống ngang lực từ tường chắn truyền chống ngang chủ yếu Ngược lại, phương pháp top-down lực truyền chống đứng lớn, nên cần kiểm tra ISSN 2734-9888 06.2021 135 ... tầng hầm thứ thi công tầng GĐ Thi công sàn tầng hầm thứ sàn tầng GĐ Thi công sàn tầng hầm thứ sàn GĐ Đào đất tầng hầm thứ thi công tầng cột tầng Hình Mơ hình cột chống ứng với giai đoạn thi công. .. HỌC 3.2.2 Dạng tốn số – Tính tốn theo phương pháp top - down Phương pháp thi công top–down ứng dụng nhiều thi cơng cơng trình có tầng hầm, với phương pháp vừa thi công tầng hầm từ xuống vừa làm... lợi Hiện nay, phương pháp thi cơng tầng hầm cơng trình thi cơng theo phương pháp theo hướng từ lên (còn gọi phương pháp đào mở ) thi công từ xuống (còn gọi phương phápTop-down) Thanh chống thép