5 SÀN BÊTÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC
5.7Phương pháp tính toán sàn bêtông ứng lực trước
5.7.1 Các quan niệm phân tích kết cấu bê tông ứng lực trước
Hiện nay, việc phân tích cấu kiện bê tông ứng lực trước dựa trên ba quan niệm cơ bản sau: Quan niệm thứ nhất:
Quan niệm này coi bê tông ứng lực trước như vật liệu đàn hồi, tính toán theo ứng suất cho phép. Bê tông là vật liệu chịu nén tốt, chịu kéo kém. Nếu không phải chịu ứng suất kéo do đã được nén trước thông qua việc kéo trước cốt thép, trong bê tông sẽ không bị xuất hiện vết nứt, như vậy có thể xem như bê tông ứng lực trước là vật liệu đàn hồi. Với quan niệm này, khi bê tông đặt vào trạng thái chịu lực thì ứng suất kéo gây ra do tải trọng ngoại sẽ bị triệt tiêu bởi ứng suất nén trước, nhờ vậy sẽ hạn chế được bề rộng vết nứt và khi vết nứt chưa xuất hiện thì có thể sử dụng các phương pháp của lý thuyết đàn hồi để tính toán.
Quan niệm thứ hai:
Quan niệm này coi bê tông ứng lực trước làm việc như BTCT thường với sự kết hợp giữa bê tông và thép cường độ cao, bê tông chịu nén và thép chịu kéo và gây ra một cặp ngẫu lực kháng lại mô men do tải trọng ngoài gây ra. Nếu sử dụng thép cường độ cao đơn thuần như thép thường thì khi bê tông xuất hiện vết nứt, thép vẫn chưa đạt đến cường độ. Nếu thép được kéo trước và neo vào bê tông thì sẽ có được sự biến dạng và ứng suất phù hợp với cả hai loại vật liệu.
Quan niệm thứ ba:
Quan niệm này coi ứng lực trước như là một thành phần cân bằng với một phần tải trọng tác dụng lên cấu kiện trong qua trình sử dụng, tính toán theo phương pháp cân bằng tải trong. Đây là phương pháp khá đơn giản và dễ sử dụng để tính toán, phân tích cấu kiện BTứng lực trước. Cáp ứng lực trước được thay thế bằng các lực tương đương tác dụng vào bê tông. Cáp tạo ra một tải trọng ngược lên, nếu chọn hình dạng cáp và lực ứng lực trước phù hợp sẽ cân bặng được các tải trong tác dụng lên sàn, do đó độ võng của sàn tại mọi điểm đều bằng 0. Thông thường, hệ kết cấu chịu lực là hệ sàn không dầm kết hợp với cột, vách cứng bố trí tại các vị trí thang máy chịu tải trọng đứng do trọng lực của kết cấu, hoạt tải gồm đồ đạc, người sử dụng và tải trọng ngang do gió hoặc động đất gây ra.
Sàn bê tông cốt thép ứng lực trước thường được thiết kế theo phương pháp cân bằng tải trọng với giả thiết lực kéo căng trong cáp (bố trí hình parabol) sẽ cân bằng với tải trọng bản thân cấu kiện, sau đó kiểm tra khả năng chịu tải của sàn trong giai đoạn thi công và sử dụng. [5]
5.7.2 Các giai đoạn tính toán
Có 2 giai đoạn tính toán : giai đoạn đầu và giai đoạn cuối. Giai đoạn đầu:
Giai đoạn đầu chỉ có tải bản thân: sau khi dựng ván khuôn, thi công công tác thép , công tác định vị mặt đường quỹ đạo cáp(tendon profile) và cuối cùng là thi công đổ bê tông toàn khối. Thời điểm kéo cáp là sau khi bê tông đạt tới 80 % về cường độ, cường độ này là f'ci = 80%f'c hoặc f'ci=t/(α+β.t)*f'c (khoảng 15 ngày). Có thể dùng phụ gia để khoảng 3 ngày là đạt cường độ có thể tiến hành căng cáp. Như vậy cần phải kiểm tra chỉ cho tải trọng bản thân và tải cân băng của cáp theo phương pháp cộng tác dụng.
Giai đoạn cuối:
Là giai đoạn sử dụng, xem như bê tông đạt 28 ngày , tháo ván khuôn và đưa vào sử dụng. Lúc này có LIVE LOAD và SUP LOAD và kiểm tra với f'c ( 28 ngày ) điều này có xét đến tổn hao ứng suất (loss stress) và chú ý rằng Pjack >Pi >Pf (có thể tưởng tượng lực kéo cáp do jack là lực ép cọc Pmax => Ptk = Pmax/2.5 giống coc).
Nếu sử dụng phần mềm SAFE, phai nhap tải trọng cân bằng của cáp và mômen thứ cấp. Giai đoạn giới hạn là giai đoạn U-Stage lúc đó Mtotal = 1.4 (deal+sub) +1.7 live+ Msc(momen phụ) + Mearthquake (trường hợp lấy theo ACI).
5.7.3 Mô hình tính toán sàn chịu tải trọng ngang
Ở 1 số nước mà đã phát triển lâu và rộng (như australia) khi tính toán thì giả thiết rằng khi sàn chịu tải trọng ngang do gió hoặc động đất truyền vào (các tải trọng ngắn hạn) thì khi thiết kế họ coi sàn là tuyệt đối cứng (Vách cứng sàn) không chịu ảnh hưởng của tải trọng ngang khi chu kỳ dao động của toàn nhà T 3s (hoặc 5s) thì họ có xu hướng bổ sung dầm vào trong hệ kết cấu để tăng độ cứng cho tòa nhà, có thể là dầm thường hoặc dầm bẹt (có hoặc không
có ứng lực trước). còn đối với tải trọng ngang dài hạn (ví dụ như sàn tầng hầm, sàn tầng bán hầm có một mặt tiếp xúc với tường chắn đất...) thì khác hoàn toàn, bất kể chu kỳ như thế nào thì cũng không thấy đề cập đến việc tải trọng ngang ảnh hưởng gì đến sàn, mà họ thường có các biện pháp thi công sao cho không xuất hiện ứng suất phụ tác động trực tiếp và sàn.
5.7.4 Mô hình tính toán sàn chịu tải trọng đứng
Sàn ứng lực trước có thể tách riêng ra để tính với tải trọng đứng. Có hai phương pháp mô hình hóa sàn khi chịu tải trọng đứng là phương pháp phân phối trực tiếp ( DDM ) và phương pháp Khung tương đương ( EFM ).
Nếu công trình có nhịp đều nhau và đảm bảo yêu cầu để tính khung tương đương thì chỉ cần chọn dải trên cột có chiều dài bằng chiều dài nhịp để tính và kiểm tra theo khung tương đương. Nếu mặt bằng phức tạp thì có thể dùng phần mềm (ví dụ như SAFE, Adapt PT - thường dùng để tính toán sàn phẳng + ứng suất trước là ADAPT PT, cho kết quả nhanh và dễ kiểm soát)để tính ra nội lực sàn và chia dải tính theo biểu đồ moment, hoặc chia dải theo mặt bằng sàn. Sau đó tính toán và kiểm tra cho từng dải theo nội lực đã tính toán.
Sự phân phối Moment uốn của sàn phẳng khác sàn dầm:không phải đồng đều trên toàn sàn mà tập trung phần lớn ở dải trên cột. (một số tiêu chuẩn nước ngoài quy định điều này, ví dụ như BS8110 Section 3, mục 3.7).
Khi tính toán thì có chia ra column strip (dải đầu cột) và middle strip (dải ở nhịp). Bề rộng column strip thường là 1/2 nhịp ngắn. 2/3 moment tại column strip lại tập trung ở giữa, rộng = 1/2 column strip.
Dự kiến khoảng ( 65-75 ) % Moment theo mỗi phương được truyển bởi các dải trên cột . Bề rộng của dải trên cột được lấy sao cho một nữa bề rộng của dải trên cột ở về mỗi phía của cột lấy bằng ¼ nhịp ngắn của Sàn .
Theo ACI 318 quy định : Chọn khoảng cách giữa các cáp ứng lực trước trong dải trên cột vào khoảng ( 3 - 4 ) chiều dày bản ; và khoảng cách tối đa giữa các cáp ứng lực trước ở dải giữa nhịp không vượt quá 6 lần chiều dày bản .