Vì lực cắt và mô men uốn trong sàn là do tải trọng thẳng đứng tác dụng lên từng sàn nên có thể phân tích độc lập từng sàn. Phương pháp khung tương đương được dùng để xác định nội lực cho sàn, số nhịp bất kỳ, nhịp có thể là đều hoặc không đều nhau. Theo phương pháp này, tưởng tượng cắt toàn bộ sàn dọc theo đường tim của sàn, tạo thành khung theo cả 2 phương, gọi là khung tương đương
Khung tương đương có phần tử cột bao gồm 2 cột ở tầng trên và tầng dưới kế tiếp nhau của sàn và phần tử dầm có chiều rộng tính từ tâm 2 nhịp kế tiếp nhau chiều cao bằng chiều dày sàn. Cột được giả thiết là ngàm 2 đầu.
39
Hình 2.2 Sơ đồ khung tương đương [3] a. Mô men quán tính dầm bản
Mô men quán tính của dầm - bản thay đổi dọc theo trục dầm - bản do ảnh hưởng của kích thước các bộ phận kết cấu cột, mũ cột và bản mũ cột (nếu có). Độ cứng của bản sàn tại vị trí cột hoặc trong phạm vi mũ cột có thể xem như cứng tuyệt đối, tại gần vị trí với mũ cột hoặc cột, độ cứng của dầm - bản nhỏ hơn. Từ tim cột đến mặt cột hoặc mép mũ cột, mô men quán tính của dầm - bản lấy bằng mô men quán tính
tại mặt cột hoặc tại mặt mũ cột chia cho (1-c2/l2)2, trong đó c2là kích thước của cột, l2
kích thước nhịp theo phương đang xét. b. Cột tương đương
Trong khung tương đương, đối với sàn không dầm, toàn bộ phần mô men trong sàn giữa các cạnh cột và dầm - bản sẽ truyền thông qua lực xoắn. Để mô tả phản ứng của kết cấu đối với sự truyền mô men giữa sàn và cột do uốn và xoắn, giả thiết rằng cột có cánh tay đòn về 2 phía của cột. Cánh tay đòn này sẽ truyền mô men từ sàn vào cột thông qua xoắn. Cột phía trên và cột phía dưới sàn cùng với cánh tay đòn này được coi như một cấu kiện, được gọi là cột tương đương
Hình 2.3 Cột tương đương [3] Độ cứng của cột tương đương được tính như sau:
1/Kec=1/Kt+ 1/Kc
Trong đó: Kecđộ cứng của cột tương đương
Kc: Tổng độ cứng của cột ở phía trên và phía dưới sàn
lc : Chiều dài của cột được tính từ tâm sàn tầng dưới đến tâm sàn tầng trên Kt: Độ cứng chống xoắn của cánh tay đòn
Kt=9EcsC/l2(1-c2/l2)3
Ecs: Mô đun đàn hồi của bê tông sàn C2: Bề rộng cột
41
L2: Bề rộng dầm – bản
C: Mô men chống xoắn của cánh tay đòn Với tiết diện chữ nhật:
C =(1 – 0,63x/y)x3y/3
Với x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện hình chữ nhật thành phần trong tiết diện ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột.
Nếu dầm theo phương vuông góc với phương tính toán chạy qua cột thì kt nên
tăng lên Isb/Is là mô men quán tính của bản không kể đến thân dầm, Isb là mô men quán tính đồng thời của bản và dầm. Lúc đó công thức trở thành:
1/Kec=(1/Kt(Isb/Is) + 1/Kc) c. Tính toán mô men trong khung tương đương
Có thể sử dụng máy tính với các phần mềm chuyên tính kết cấu (Sap, Etab, Safe…)
để tính mô men trong khung tương đương. 2.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn
Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin và các phần mềm tính, toán theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), việc tính toán ngày càng trở nên thuận tiện và chính xác. Phương pháp PTHH là một công cụ có hiệu lực để giải các bài toán từ đơn giản đến phức tạp trong nhiều lĩnh vực. Thực chất của phương pháp này là chia vật thể biến dạng thành nhiều phần tử có kích thước hữu hạn gọi là phần tử hữu hạn. Các phần tử này được liên kết với nhau bằng các điểm gọi là nút. Các phần tử này vẫn là các phần tử liên tục trong phạm vi của nó, nhưng do có hình dạng đơn giản nên cho phép nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở của một số quy luật về sự phân bố chuyển vị và nội lực. Kết cấu liên tục được chia thành một số hữu hạn các miền hoặc các kết cấu con có kích thước càng nhỏ càng tốt nhưng phải hữu hạn. Các miền hoặc các kết cấu con được gọi là các PTHH, chúng có thể có dạng hình học và kích thước khác nhau, tính chất vật liệu được giả thiết không thay đổi trong mỗi phần tử nhưng có thể thay đổi từ phần tử này sang phần tử khác. Kích thước hình học và số lượng các phần tử không những phụ thuộc vào hình dáng hình học và tính chất chịu lực của kết cấu (bài toán phẳng hay bài toán không gian, hệ thanh hay hệ tấm vỏ...)
mà còn phụ thuộc vào yêu cầu về mức độ chính xác của bài toán đặt ra. Lưới PTHH càng mau, nghĩa là số lượng phần tử càng nhiều hay kích thước của phần tử càng nhỏ thì mức độ chính xác của kết quả tính toán càng tăng, tỷ lệ thuận với số phương trình phải giải. Các đặc trưng của các PTHH được phối hợp với nhau để đưa đến một lời giải tổng thể cho toàn hệ. Phương trình cân bằng của toàn hệ kết cấu được suy ra bằng cách phối hợp các phương trình cân bằng của các PTHH riêng rẽ sao cho vẫn đảm bảo được tính liên tục của toàn bộ kết cấu. Cuối cùng, căn cứ vào điều kiện biên, giải hệ phương trình cân bằng tổng thể để xác định giá trị của các thành phần chuyển vị. Các thành phần này được dùng để tính ứng suất và biến dạng.
2.4 Tính toán thiết kế sàn bê tông ƯLT [4] 2.4.1 Giới thiệu chung
Hệ thống sàn bê tông ứng lực trước là phù hợp lý tưởng cho kết cấu nhà nhiều tầng cũng như sàn của nhà công nghiệp chịu tải trọng động lớn. Ưu điểm của hệ thống sàn bê tông ứng lực trước là tiết kiệm chi phí do giảm độ dày sàn, đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ, cho phép sử dụng nhịp lớn hơn và giảm thời gian xây dựng do tháo dỡ ván khuôn sớm. Ngoài ra, sử dụng hệ thống sàn bê tông ứng lực trước cũng hạn chế độ võng và nứt tại tải trọng làm việc. Thi công hệ sàn bê tông ứng lực trước bằng phương pháp căng sau được sử dụng khá phổ biến do phương pháp căng sau khá hiệu quả và đơn giản để truyền ứng lực trước. Các dạng khác nhau của sàn bê tông ứng lực trước căng sau bao gồm: Sàn một phương trên dầm. Sàn phẳng. Sàn với dầm bẹt rộng. Sàn phẳng với mũ cột. Sàn ô cờ.
Sàn hai phương trên dầm.
Trên quan điểm tính toán thiết kế, người ta phân ra các dạng tính toán sàn một phương, sàn hai phương và sàn phẳng.
43
Tính toán sàn phẳng ƯLT căng sau theo các tiêu chuẩn khác nhau có thể đưa ra các bước tính toán khác nhau nhưng đều dựa trên quan điểm thiết kế đã trình bày ở trên. Tuy nhiên việc đưa ra một qui trình tính toán hợp lý và khoa học sẽ giúp cho người thiết kế có thể thuận tiện, dễ dàng hơn trong thao tác, tránh được những nhầm lẫn và thiếu sót trong thiết kế. Dưới đây trình bày một qui trình thiết kế chung nhất cho sàn phẳng ƯLT căng sau .
Bước 1: Tính toán sơ bộ chiều dày sàn. Bước 2: Kiểm tra sơ bộ điều kiện chọc thủng. Bước 3: Xác định tải trọng cân bằng.
Bước 4: Cơ sở chọn hình dạng cáp. Bước 5: Xác định độ lệch tâm max. Bước 6: Xác định dạng cáp ƯLT.
Bước 7: Ước tính tổn hao ứng suất và tính toán độ dãn dài của cáp. Bước 8: Xác định số lượng và phân bố của cáp.
Bước 9: Xác định đặc trưng của khung tương đương.
Bước 10: Phân tích khung tương đương dưới các trường hợp tải trọng. Bước 11: Kiểm tra ứng suất dưới các trường hợp tải trọng.
Bước 12: Kiểm tra yêu cầu cường độ chịu uốn. Bước 13: Kiểm tra yêu cầu chịu cắt.
Bước 14: Tính toán độ võng.
2.5 Yêu cầu kỹ thuật khi thi công sàn bê tông ứng lực trước căng sau có bám dínhThi công sàn ứng lực trước căng sau thường được tiến hành theo các bước sau [13] Thi công sàn ứng lực trước căng sau thường được tiến hành theo các bước sau [13]
1. Lắp đặt cốp pha sàn 2. Lắp đặt cốp pha thành
3. Lắp đặt đầu neo vào cốp pha thành 4. Lắp đặt cốt thép lớp dưới
5. Lắp đặt cốt thép gia cường
6. Lắp đặt cốt thép ứng lực trước (ống gen) 7. Lắp đặt cốt thép lớp trên
8. Đổ và bảo dưỡng bê tông
9. Tháo cốp pha thành và hộp tạo hốc neo
10. Thí nghiệm mẫu bê tông để kiểm tra cường độ bê tông yêu cầu trước khi kéo căng
11. Luồn thép ứng lực trước (Nếu bước 6 chỉ lắp đặt ống gen) 12. Kéo căng thép ứng lực trước
13. Tháo dỡ cốp pha và chống lại nếu yêu cầu. 14. Cắt bỏ đầu cáp thừa
15. Thực hiện công tác chông gỉ đầu neo, lắp đặt đầu chụp bôi mỡ 16. Bịt đầu neo
17. Bơm vữa
Trong thi công sàn ứng lực trước căng sau phải tuân thủ tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu kết cấu bê tông ứng lực trước. Ngoài ra các vấn đề sau cần đặc biệt quan tâm:
2.5.1 Bảo quản vật liệu
Tất cả vật liệu ứng lực trước phải được vận chuyển và lưu giữ cẩn thận trong kho có mái che tránh xa những chất hóa học có thể ăn mòn cũng như tránh độ ẩm quá cao. Đặc biệt quan tâm bảo vệ lớp vỏ bọc trong trường hợp dùng cáp không bám dính.
Nêm neo và đế neo phải được bảo quản tránh gỉ sét, bẩn hoặc dính dầu. Gỉ sét trên răng của nêm neo hoặc trên đế neo sẽ làm giảm độ bám của neo trên cáp.
Thép ứng lực trước phải được bảo vệ khỏi gỉ sét, và các hóa chất như Clo, Nitrate, sul phát, axít và những chất sinh ra hydro. Lớp dầu mỡ trong thép ứng lực trước có vỏ bọc giúp bảo vệ khỏi các tác nhân ăn mòn, vì vậy phải cẩn thận trong quá trình vận chuyển tránh làm hỏng lớp vỏ bảo vệ. Lớp vỏ bảo vệ cũng có thể bị hỏng trong quá trình đầm bê tông. Lớp vỏ bọc ở đầu neo phải được cắt bỏ để lắp nêm neo. Thép
45
ứng lực trước trong vùng này không được bảo vệ như những phần khác vì vậy phần đầu neo phải được bảo vệ khỏi gỉ sét bằng đầu chụp.
Thép ứng lực trước khi gia công được đánh dấu về chủng loại, số lượng, vị trí sẽ được lắp đặt trên công trường.
Thép ứng lực trước thường được chuyển đến công trường trong các cuộn. Phải đặc biệt lưu ý trong khi tháo dỡ tránh bung ra không kiểm soát được dễ gây tai nạn.
Ống gen dùng trong thép ứng lực trước có bám dính thường không được cứng và
dễ bị hư hại do tác động cơ học. Ống gen bị thủng hoặc rách phải được bịt kín khi lắp đặt, nếu để cho vữa xi măng chảy vào ống gen trong quá trình đổ bê tông sẽ gây trở ngại cho việc kéo căng. Ống gen di chuyển nhiều dễ gây ra hư hỏng. Đầu hở của ống gen phải được che đậy tránh việc nước mưa hay những chất khác chảy vào ống gen. Nước trong ống gen và các chất khác làm giảm hiệu quả của vữa bơm làm ảnh hưởng đến thép ứng lực trước.
Đầu neo, neo, thép ứng lực trước và ống gen nên được cất giữ theo thứ tự sử dụng tránh việc phải di chuyển nhiều các vật liệu này dễ gây ra hư hỏng .
Tất cả thiết bị kéo căng phải được vệ sinh sạch sẽ và để ở nơi khô giáo khi vận hành. Độ chính xác của thiết bị có thể ảnh hưởng nếu bảo dưỡng và sửa chữa trên công trường.
2.5.2 Lắp đặt cáp ứng lực trước
Để tránh việc phân bổ trách nhiệm và chậm tiến độ, chỉ một đội thi công chịu trách nhiệm lắp đặt thép ứng lực trước và neo. Những công việc lắp đặt, kéo căng, cắt đầu thừa thép ứng lực trước và bơm vữa phải được giám sát chặt chẽ.
Đội lắp đặt thép ứng lực trước phải đọc bản vẽ và các tài liệu liên quan trước khi tiến hành công việc trên công trường. Cần chuẩn bị quy trình thi công và tổ chức phối hợp với các đơn vị thi công khác.
Lỗ chờ trên ván khuôn thành phải chính xác để cho đầu neo kéo được lắp đặt đúng vị trí cần đặt. Đầu neo kéo nên để thành hình vuông trừ phi có yêu cầu khác. Đầu neo kéo phải được lắp đặt chắc chắn tránh chuyển dịch trong quá trình đổ bê tông. Không được để bê tông chảy vào trong đầu neo trong quá trình đổ. Đầu neo
chết phải được buộc chặt trên con kê đảm bảo chiều dày bảo vệ và không được nối vào cốp pha thành.
Cốp pha tạo lỗ phải chắc chắn, không tạo lỗ hở và không bị xê dịch trong quá trình đổ bê tông. Cốp pha nhựa giãn nở thường khó khi tháo dỡ sau đổ bê tông. Đốt hoặc dùng hóa chất để vệ sinh sẽ tạo ra vết bẩn ở bê tông và gây khó khăn cho việc bịt đầu neo.
Lắp giàn giáo phải tránh đầu neo kéo căng sao cho có thể tiến hành các bước kế tiếp (lắp nêm neo, kéo căng…) một cách dễ dàng.
Đối với cáp bám dính, cáp có thể được luồn vào ống gen trước hoặc sau khi đổ bê tông, tuy nhiên phải đảm bảo là trong ống gen không bị tắc nghẽn và chuyển vị trong quá trình đổ bê tông.
Điều quan trong là chỗ nối giữa các ống gen phải kín khít. Nếu để nước lọt vào ống gen sẽ gây gỉ sét cáp và còn nghiêm trọng hơn nếu vữa xi măng chảy vào trong quá trình đổ bê tông sẽ gây ra tắc ống và không kéo căng được. Việc sửa chữa trong trường hợp này chỉ có thể là đục phá bê tông ở vị trí này và đổ lại bê tông rất mất thời gian và tốn kém.
Đầu cáp kéo căng phải đủ dài và phù hợp với thiết bị để kéo căng.
Sau khi lắp đặt cáp có vỏ bọc vào vị trí, lớp vỏ nhựa ở cuối phải được tháo bỏ và luồn qua đầu neo. Phần cáp không vỏ bọc sau đầu neo không được lớn hơn 25mm. ống cách nước phải được bọc ở vị trí này để đảm bảo không có phần cáp đã bị tháo bỏ vỏ bọc phía sau đầu neo. Việc này tránh bám dính của cáp vào bê tông sau khi đổ.
Các bó cáp được đỡ bằng những con kê hoặc thanh thép và được cố định chặt theo cao độ của thiết kế tránh di chuyển trong khi đổ bê tông. Khoảng cách trung bình của các con kê là 1mét. Lưu ý các con kê phải vững vàng và tránh làm lớp vỏ bọc bị hư hại trong quá trình lắp đặt.
Sự sai lệch của bó cáp theo phương ngang phải nhỏ nhất vì sai lệch theo phương ngang sẽ gây ra mất lực kéo do tăng ma sát giữa ống gen và cáp. Việc này sẽ tạo ra phá hoại cục bộ nếu thép gia cường đầu neo không được đặt đúng .
47
Để đảm bảo cáp có lực kéo và làm việc theo như ý định của thiết kế, cao độ cao nhất và thấp nhất phải được đặt chính xác. Sự sai lệch giữa cao độ max và min của tuyến cáp phải nằm trong giới hạn cho phép. Nếu không có quy định nào khác trong thiết kế thì sai lệch cho phép theo phương thẳng đứng của tuyến cáp kéo căng so với vị trí thiết kế có thể tham khảo bảng 1.
Bảng 2.1 Giới hạn sai số theo phương thẳng đứng của tuyến cáp [13]
Chiều dày sàn Sai số cho phép
Đến 200 mm ±6mm
200mm- 600mm ±10mm
2.5.3 Đổ bê tông
Quá trình đổ bê tông ứng lực trước được tiến hành như việc đổ bê tông thường tuy nhiên phải lưu ý các điều sau:
Ống gen hoặc lớp vỏ bọc cáp có thể bị hư hại trong quá trình đổ bê tông sẽ tạo ra