bài tìm hiểu sàn ứng lực trước

Bên cạnh đó, sàn bê tông thường được mô hình và thiết kế theo đường truyền tải trọng quy ước, không như với Kính và Thép đường truyền tải được xác định rõ ràng từ việc phân tích tính toá

-o0o -

THIẾT KẾ SÀN DỰ ỨNG LỰC TRONG CÔNG TRÌNH BTCT

BÀI TÌM HIỂU SÀN ỨNG LỰC TRƯỚC

NTH: NGUYỄN THANH VIỆT NGUỒN: KETCAU.COM

ĐÀ NẴNG, THÁNG 03 NĂM 2013

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ULT 3

1.1 Đặc điểm Thiết kế Kết cấu sàn BTCT 3

1.1.1 Yêu cầu tổng quát 3

1.1.2 Đặc điểm của BT so với các vật liệu khác 3

1.1.3 Đặc điểm của Thiết kế BTCT ULT 6

1.2 Các bước thiết kế 7

1.2.1 Mô hình tính toán 7

1.2.2 Chọn dải sàn – Đường truyền tải trọng 8

1.2.3 Tính toán phân tích 11

1.2.4 Thiết kế 13

1.2.5 Bố trí bản vẽ (Structural Detailing) 14

2 TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ULT 15

2.1 Vật liệu cáp ULT 15

2.2 Cáp bám dính và không bám dính 17

2.3 Các thông số đầu tiên 19

2.4 Phương pháp Cân bằng 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 khi 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 do ma sát 29

2.7.2 Tổn hao do biến dạng neo 30

2.7.3 Tổn hao do co ngắn đàn hồi (ES) 30

2.7.4 Tổn hao do từ biến (CR) 31

2.7.5 Tổn hao do chùng ứng suất (RE) 31

2.8 Mô hình cáp ULT trong pp PTHH 31

2.9 Sàn 2 phương và sàn một phương 33

2.9.1 Hệ dầm sàn 1 phương 36

2.9.2 Hệ dầm sàn 2 phương 36

2.9.3 Hệ dầm bẹt 1 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 trên 42

2.11.2 Thép lớp dưới 43

2.11.3 Thép cấu tạo 43

2.11.4 Thép chịu cắt 43

2.11.5 Thép cấu tạo tại neo 45

3 TỔNG KẾT 45

Sumary

Kết cấu bê tông Ứng lực trước (ULT) giờ không còn mới và đã phổ biến trên thị trường Bài viết dưới đây được tham khảo nhiều nguồn tài liệu Mong nhận được phản hồi tích cực đóng góp từ các bạn từ khắp phương xa để nội dung được tốt hơn

1 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 cơ bản cho hoạt động của người thiết kế kết cấu là An toàn, Sử dụng bình thường và Hợp lý nhất về kinh tế An toàn được hiểu là khả năng chịu được tải trọng thiết kế (là tải trọng lớn nhất theo tiêu chuẩn thiết kế quy định) mà không bị hư hại vượt ngưỡng cho phép, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH1) Khả năng sử dụng đạt được khi Kết cấu làm việc bình thường trong suốt tuổi thọ của nó, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ hai (TTGH2) Tính kinh tế thể hiện tỉ lệ cao giữa giá trị đạt được khi áp dụng một phương án thiết kế với chi phí bỏ ra

Ngoài ra tính pháp lý của hồ sơ cũng là một yếu tố cực kỳ quan trọng Thiết kế phải đảm bảo các quy định do tiêu chuẩn nhà nước đặt ra Tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành thường lạc hậu so với các kỹ thuật xây dựng thực tế, đặc biệt với kết cấu BTCT ULT, các quy định của Việt Nam lỗi thời và không đủ Do đó việc áp dụng các tiêu chuẩn nước ngoài là cần thiết, cũng phù hợp với đặc thù của vật liệu cáp dự ứng lực hoàn toàn do ta nhập khẩu

Ta làm phép so sánh 3 loại vật liệu cơ bản dùng trong xây dựng: BT, Thép, Kính để biết những đặc trưng của vật liệu BT Ví dụ về một ô sàn như trong hình 1.1.1 dưới đây

Hình 1.1.1 – Mô hình của vùng sàn thiết kế

Thép

Nếu vùng sàn được thiết kế bằng vật liệu Thép, TTGH thứ 2 của sàn được quyết định bởi độ võng do tải trọng dài hạn của sàn gây ra Tính an toàn được xác đinh bởi độ võng vượt quá giới hạn tại tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải)

Độ võng dài hạn dài hạn xảy ra khi có sự chảy dẻo của vật liệu thép tại vị trí cục bộ nào đó, khi ứng suất tại đó vượt quá giới hạn chảy của vật liệu Độ tin cậy của thiết kế phụ thuộc vào tính chính xác của ứng suất xác định tại các điểm

Nội dung căn bản của của thiết kế kết cấu thép là sau khi lựa chọn chiều dày sàn và vị trí gối tựa, sẽ tiến hành toán kiểm tra ứng suất tính toán có nhỏ hơn giá trị giới hạn của vật liệu hay không Đây là điểm khác biệt căn bản của kết cấu thép với kết cấu bê tong dưới đây

Bê tông

Thiết kế sàn bê tông gồm có 2 mục căn bản là:

Về điều kiên làm việc (TTGH2), độ võng và chiều rộng vết nứt nằm trong giới hạn cho phép Dưới tác dụng của tải trọng tức thời (có hệ số vượt tải) thì tấm sàn không bị phá hoại

Việc xác định ứng suất cục bộ không có ý nghĩa trong việc xác định độ võng và vết nứt dưới tải trọng làm việc Sự không đồng nhất của vật liệu bê tông và một vài chi tiết nứt nhỏ và làm cho việc phân tích kết cấu theo mô hình đàn hồi thông thường là không chính xác Bên cạnh

đó, sàn bê tông thường được mô hình và thiết kế theo đường truyền tải trọng quy ước, không như với Kính và Thép đường truyền tải được xác định rõ ràng từ việc phân tích tính toán Trong hình vẽ ví dụ, hai phương án cho đường truyền tải tải trọng như thể hiện trong hình vẽ Hình thứ 2, sàn được mô hình như như một dải nhịp từ vách A đến vách B Kết cấu sư là người chỉ định đường truyền tải trọng về 2 gối tựa này Với đường truyền tải trọng này, cốt thép an toàn sẽ là thép chủ lớp dưới như trong hình Vách C không thuộc đường truyền tải trọng quy ước này, tuy nhiên thực tế vách C vẫn tham gia chịu tải và phát sinh ứng suất kéo tại mặt trên vách C Do đó người thiết kế phải đặt cốt thép cấu tạo lớp trên xung quanh vùng vách C để khống chế nứt dưới tải trọng làm việc (tải tiêu chuẩn)

Cốt thép cấu tạo là không thể thiếu trong cấu kiện bê tông cốt thép, được dùng với mục đích cải thiện khả năng làm việc của kết cấu, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của Kết cấu sư, nhiệm vụ chính của nó là đảm bảo:

Đường truyền tải quy ước bởi kết cấu sư trên thực tế có thể truyền tải lớn hơn so với giá trị giới hạn bởi tiêu chuẩn thiết kế

Chiều rộng vết nứt ở tải trọng làm việc trong giới hạn cho phép Thường các tiêu chuẩn thiết

kế quy định hàm lượng cốt thép cấu tạo tối thiểu trong mỗi tiết diện bê tông để đảm bảo tiết diện bê tông chỉ bị phá hoại dẻo Đó thực ra là khả năng tiết diện có một biến dạng nhất định trước và khi vượt quá cường độ của nó trước khi bị phá hoại

Điều này giúp phân phối lại tải trọng trong sàn và huy động sự làm việc theo đường truyền tải trọng mà người thiết kế đã chọn

Hình 1.1.2 dưới đây ví dụ các trường hợp thép cấu tạo cho việc triển khai đường tải trọng Ảnh hưởng của tải trọng tập trung được phân bố lại tải trọng trên sàn thông qua cốt thép cấu tạo đặt dưới tải trọng tập trung đó Cốt thép này đảm bảo đường truyền tải trọng giữa 2 vách

A và B có thể cụ thể hóa như Kết Cấu sư đã chọn Hình 1.1.2.b mô tả cốt thép cấu tạo chống nứt cho góc lõm của sàn

Hình 1.1.2 – Thép cấu tạo

Đường truyền tải quy ước là cần thiết cho sàn bê tong vì việc bố trí cốt thép sàn quyết định đến phương và độ lớn của khả năng chịu tải của sàn Thông thường có nhiều hơn môt đường tải trọng duy nhất, và đây là xương sống của hệ kết cấu toàn công trình

Kết cấu BTCT không ứng xử nhạy với tải trọng cục bộ Hình 1.1.3.(a) thể hiện phân bố moment từ kết quả phân tích đàn hồi sàn(Không kể đến nở hông Poisson) Khi thiết kế cốt thép thường tính toán để chịu momen tương đương đơn giản như trên hình 1.1.3(b) Bố trí cốt thép trong vùng mô men đó trên mặt bằng như thế nào không quan trọng mà quan trọng là phải đủ số lượng Lý dó là sàn sẽ bị phá hoại theo các đường khớp dẻo và các đường này sẽ huy động toàn bộ cốt thép cắt qua nó mà làm việc

Hình 1.1.3 – Mô men tính toán

Đây là điểm khác biệt của bê tông là thiết kế theo mô men tổng Sự phân bố và giá trị cục bộ

tại từng điêm dọc theo chiều rộng dải là không quan trọng Khác với tính THÉP và KÍNH momen cần được kiểm tra theo từng điểm, kết cấu bê tông chỉ cần quan tâm tới giá trị mô men tổng trên một tiết diện ngang chiều rộng dải Do đó khi tính sàn bằng phương pháp PTHH thì việc chúng ta chia nhỏ kích thước sàn càng nhỏ thì kết quả mô men tổng trên các dải không khác lắm Chúng ta có thể kiểm chứng bằng phần mềm SAFE

Với kết cấu Ứng lực trước, cũng như Kính và Thép, cần kiểm tra ứng suất ở tải trọng tiêu chuẩn Với kính thì việc kiểm tra ứng suất chính để tránh vết nứt, với thép để kiểm tra chảy dẻo cục bộ và độ võng dài hạn Với bê tông thì là khống chế (có cho phép xuất hiện) vết nứt Trong thực hành, ứng suất thiết kế trong bê tông là giả định vì được tính từ mô mên tổng trên toàn tiết diện dải sàn Trong thực tế ứng suất tại vòng quanh gối tựa có giá trị lớn hơn rất nhiều và hầu hết là vượt qua giới hạn nứt của bê tông Ứng suất thiết kế vì vậy chỉ ra phạm vi vết nứt xuất hiện trong vùng đó lớn hơn giá trị ứng suất thực

Như trên thì đặc trưng thiết kế kết cấu BTCT là phải chỉ ra đường tuyền tải trọng hay dải sàn Kết cấu BTCT ULT phức tạp vì thêm thông số đầu vào và căn chỉnh trong tính toán

Việc thiết kế UTL theo TTGH1 và TTGH2 bao gồm khống chế các tham số:

Số lượng các dự ứng lực

Quỹ đạo cáp

Cốt thép thường bổ sung cho sàn sẽ được quyết định bởi 2 tham số này

Trong sàn thường, với mỗi dải sàn được chỉ ra sẽ chỉ một kết quả tính toán Trong sàn dự ứng lực trước mỗi kết cấu sư sẽ cho một thiết kế khác nhau vì rằng mỗi người thiết kế chọn thông

số đầu vào như số lượng và quỹ đạo cáp thông thường là khác nhau

1.2 Các bước thiết kế

Nói chung thì sàn BTCT thiết kế theo quy trình sau:

Hình 1.1.3 –Quy trình thiết kế sàn ULT

Chọn phương pháp tính

Có 3 phương pháp tính sàn: “Khung đơn giản”, “Khung tương đương” và “Phần tử hữu hạn” (PTHH) Trong phương pháp Khung đơn giản (SFM), khung tính toán đến độ cứng cột và phần sàn

liên quan tính từ kích thước hình học chính xác các cấu kiện Trong tính toán không kể đến ảnh hưởng uốn 2 phương của sàn

Phương pháp khung tương đương (EFM) là cải tiến của phương pháp SFM trong đó độ cứng tương đối của cột và sàn được thể điều chỉnh để kể đến hiệu ứng uốn 2 phương Phương pháp này do

đó chính xác hơn so với SFM và được dùng để tính sàn cho đến nay

Thông tin yêu cầu đầu vào cho cả 2 phương pháp EFM và SFM về kích thước hình học, tải trọng, điều kiện biên của dải sàn thiết kế là như nhau Hai phương pháp này cho kết quả gần đúng và cho kết quả thiên về an toàn Độ chính xác của phương pháp giảm dần khi sàn có bề dày thay đổi( có dầm , mũ cột) và lưới cột theo 2 phương không thẳng hàng, vuông góc nhau

Phương pháp PTHH hiện tại được nhiều người dùng thông qua các phần mềm như SAFE, ADAPT Floor Pro, RAM Concept… Đây là phương pháp cho độ chính xác cao hơn do chia nhỏ sàn thành các thành tử nhỏ, mỗi phần tử ứng xử theo thuộc tính vật liệu, hình học, vị trí sàn, liên kết với phần tử xung quanh và do đó kể đến sự làm việc uốn theo 2 phương một cách chính xác

Đây là một bước cơ bản nhất trong quá trình mô hình tính sàn Hệ kết cấu nhà làm việc khi trọng lượng bản thân và các tải trọng khác lên sàn tại mọi điểm được truyền về các gối tựa (Cột, Vách) theo các đường truyền tải trọng

Với một hệ kết cấu sàn và lưới cột ngoằn ngèo như sau:

Hình 1.2.2 –Mặt bằng kết cấu sàn

Đường truyền tải trọng được vẽ đi qua các gối tựa cột, vách theo 2 phương X và Y như sau Đây là đường giả thiết sự truyền tải trọng sàn và các gối do người thiết kế lựa chọn ban đầu

Có thể được lựa chọn như trong các hình dưới đây!

Hình 1.2.3 –Đường truyền tải trọng theo phương X

Hình 1.2.4 –Đường truyền tải trọng theo phương Y

Sau đó mỗi đường tải trọng sẽ có một vùng truyền tải sàn về như các hình vẽ sau, vùng này sẽ tạo nên dải sàn, cái này đã quen thuộc trong SAFE Ranh giới của 2 dải sàn chính là các đường trung bình giữa các đường tải trọng liền kề trên cùng một phương X hoặc Y Yêu cầu là tất cả các dải trên một phương phải phủ kín diên tích sàn Một số phần mềm như ADAPT Floor Pro tự động chia rãnh giới các dải sau khi vẽ các đường tải trọng

Hình 1.2.5 –Dải sàn phương X

Hình 1.2.6 –Dải sàn phương Y

Giờ thì mỗi dải sàn được xem như một dầm khung của phương pháp khung tương đương và các tiết diện dầm đó (vuông góc với các đường tải trọng) chính là các tiết diện tính toán dùng cho bước thiết kế sàn sau này Thông thường chọn những tiết diện nguy hiểm là : ở giữa nhịp và 2 mặt bên gối tựa như hình 1.2.7

Hình 1.2.7 –Tiết diện tính toán của dải sàn theo phương X

1.2.3 Tính toán phân tích

Sau khi chia sàn thành các dải, tiến hành phân tích tính theo một trong 3 phương pháp trên

A Phương pháp Khung tương đương

Phương pháp này quy bài toán không gian về bài toán khung phẳng Tách riêng từng dải sàn, cùng với các điều kiện biên về gối tựa (Cột, vách), tải trọng sàn tác dụng trên diện truyền tải trọng thành một khung tương đương và tiến hành tính toán khung đó Hình 1.2.8 thể hiện ví dụ tách dải sàn B theo phương X, trong đó đã có các bước đơn giản hóa

mô hình để đưa về dầm tương đương cùng với các tiets diện đơn giản: các tiết diện thẳng

và giật cấp Một số phần mềm như ADAPT-PT cho phép tự động giản đơn khung từ mặt bằng sàn phức tạp với độ chính xác cao

B Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp nàu chỉ cần mô hình không gian một lần duy nhất, khác với phương pháp Khung tương đương để tính toàn công trình phải tính tất cả các khung tương đương của sàn Khi dùng phần mềm tính toán theo PTHH, người thiết kế vẫn vẽ các đường truyền tải giả thiết giống như trình bày ở trên để lấy các giá trị mô mên các tiết diện tính toán Điểm lợi hại là có thể dùng PP PTHH để lựa chọn được đường truyền tải sao cho chính xác nhất Hãy nhìn lại sơ đồ trên hình 1.2.1 về các bước thiết kế tùy chọn Hình 1.2.10 là kết quả từ phần mềm thể hiện các luồng tải trọng về gối tựa Các mũi tên vuông góc với mặt phẳng có lực cắt lớn nhất trong sàn, độ dài của mũi tên thể hiện độ lớn của lực cắt này

Hình 1.2.9 –Khung tương đương sau khi tách ra tính toán

Hình 1.2.10 –Luồn truyền tải trọng về gối tựa

Các đường zero này chính là ranh giới thực tế của các dải sàn và đường truyền tải trọng theo phương X, chia được dải sàn theo các đường này thì lý tưởng nhất và có tính kinh tế nhất và sử dụng vật liệu với mặt bằng ngoằn ngèo như thế này Nhìn lại hình 1.2.5 ta thấy đường truyền tải trọng như ban đầu là tương đối sát với thực tế và do đó là tương đối hợp lý

1.2.4 Thiết kế

Lợi ích của việc chia dải sàn là chỉ cần quan tâm đến giá trị momen tổng tại mỗi tiết diện tính toán của dải nó để tính toán cốt thép cho cả chiều rộng tiết diện đó Lưu ý là trong chiều rộng của tiết diện này việc bố trí cốt thép như thế nào là không quan trọng miễn là tổng diện thích cốt thép đủ chịu momen tổng như đã trình bày ở phần đầu Hình 1.2.12 là ví dụ về biểu đồ momen cho dải sàn B, tại các tiết diện tính toán ở gối tựa và giữa nhịp 1-2 Trong hình thấy moment phân bố biến đổi dọc theo chiều rộng của tiết diện tính toán Giá trị momen thiết kế lấy là tổng moomen phân bố trên một tiết diện(Diện tích của biểu đồ moment), ví dụ ở gối tựa 2 là giá trị moement tổng để tính thép sẽ là 281kNm

Hình 1.2.11 –Biểu đồ thể hiện các đường truyền lực cắt bằng 0 phương Y

Hình 1.2.12 –Biểu đồ Momen phân bố trên tiết diện tính toán

Sau khi tính toán cốt thép cho các dải sàn, cần bố trí cốt thép một cách hợp lý để đảm bảo sự làm việc của sàn như giả định thiết kế đã chọn

A Sàn thường

Nhiều tiêu chuẩn thiết kế ACI, BS vẫn có những quy định về bố trí cốt thép theo dải giữa cột

và dải đầu nhịp Với mặt bằng sàn có hình dáng lưới cột phức tạp thì cách này tỏ ra không ổn Sau đây là một vài gợi ý bố trí để hợp lý nhất:

- Cố gắng bố trí cốt thép theo chiều rộng dải như biểu đồ momen phân bố trong hình 1.2.12 Ví dụ cốt thép âm tại gối cột trục 2 sẽ bố trí phần quanh vùng cột là vùng có biểu

đồ momen đạt giá trị đỉnh Trong khi đó ở giữa nhịp, cốt thép lớp dưới bố trí đều

- Bố trí toàn bộ cốt thép tính toán trong vùng sàn quanh cột với cột biên Với các cột giữa đặt phần lớn lượng cốt thép yêu cầu trong vùng sàn quanh cột Chiều rộng vùng sàn quanh cột tùy thuộc vào lựa chọn của kết cấu sư theo như trên, có thể chấp nhận chiều rộng này bằng ½ chiều rộng của dải sàn

- Tại các vùng khác phải đặt lượng cốt thép tối thiểu cấu tạo, thường được các tiêu chuẩn quy định về khoảng cách về đường kính và khoảng cách Điều này để hạn chế nứt do co ngót và do thay đổi nhiệt độ

- Bố trí tự do cáp ULT thuận tiện nhất cho thi công và đảm bảo tối thiểu có 2 tao cáp đi qua cột theo 2 phương Khoảng cách tối đa của 2 tao cáp là 8 lần chiều dày sàn

- Tại các vùng sàn có ứng suất nén trung bình nhỏ hơn 0.7Mpa theo tính toán cần bổ sung thêm thép thường cấu tạo để chống nứt do co ngót và nhiệt độ

2 TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ULT

2.1 Vật liệu cáp ULT

Đơn vị nhỏ nhất gọi là Tao cáp (Strand), được dùng phổ biến là loại gồm 7 sợi thép bên trong bện với nhau, đường kính 12.7mm, có cường độ cao 1860Mpa Loại này cũng sẵn có bán trên thị trường hiện nay, tại Trung Quốc giá thấp lẫn bên Tây của Freyssinet hay VSL Lí do loại đường kinh này được dùng nhiều vì theo tiêu chuẩn thiết kế được dùng nhiều nhất là ACI, quy định khoảng cách tối

đa của cáp (8 lần chiều dày sàn) và Ứng suất nén trung bình trong sàn tối thiểu là 0.85Mpa Dùng sợi cáp 12.7mm cho phép thỏa mãn được 2 tiêu chí trên để tiết kiệm nhất số lượng cáp Một lý do nữa là Kích căng cho cáp đơn 12.7mm là loại cầm tay và dễ thi công Cáp đường kính lớn hơn, 15.3mm, thường dùng cho kết cấu lắp ghép căng trước hay cho cầu, gần đây là cho dầm ULT và Dầm, Sàn chuyển

Có 2 loại cáp dùng cho kết cấu ULT căng sau là loại bám dính và không bám dính

Hình 2.1.1 –Cáp không bám dính: Sợi đơn gồm 1 tao cáp

Sợi cáp (Tendon) không bám dính là sợi đơn gồm 1 tao cáp trong vỏ bọc nhựa Mỡi sợi đơn có đầu neo riêng và được căng riêng từng sợi Đặc điểm về thiết kế là không có lực bám dính giữa tao cáp

và bê tông dọc chiều dài cáp Lực căng cáp truyền vào sàn chỉ thông qua 2 đầu neo thành lực nén trước vào bê tông ở đó Chức năng của vỏ bọc nhựa là:

i Ngăn lực bám dính với bê tông

ii Bảo vệ tao cáp trong quá trình thi công

iii Bảo vệ ăn mòn bởi hơi ẩm và hóa chất từ ngoài vỏ bọc

Lớp chống ăn mòn thường làm bằng mỡ có tác dụng

i Có tác dụng giảm ma sát giữa tao cáp và vỏ bọc

ii Tăng thêm tác dụng chống ăn mòn

Hình 2.1.2 –Cáp bám dính

Loại có bám dính được dùng phổ biến hơn ở Việt Nam Các ống gen (Duct) dẹt thường dùng cho sàn còn ống ghen tròn thường dùng cho dầm cáp trong 1 bó chung 1 đầu neo ở mỗi đầu thường được căng bằng kích và cắt theo từng cao riêng biệt giống với cáp không bám dính Với ống gen thông thường làm từ tôn mỏng

Ý tưởng thiết kế cáp bám dính là tạo ra lực bám dính với bê tông dọc theo chiều dài sợi cáp bằng cách bơm vữa lấp đầy ống ghen sau khi căng và cắt các tao cáp Khi vữa ninh kết, nó khóa chuyển dịch của tao cáp trong ống ghen, do đó lực căng cáp trở thành hàm số của biến dạng của bê tông xung quanh nó

Vai trò của vữa bơm :

i Tạo ra lực bám dính liên tục giữa tao cáp và ống ghen

ii Chống ăn mòn

iii Môi trường Kiềm cho vữa cách điện, chống ăn mòn điện hóa cho tao cáp

Vai trò của Ống ghen

i Tạo khoảng trống cho tao cáp trong bê tông trước và trong khi căng

ii Truyền lực bám dính giữa vữa với bê tông xung quanh

iii Tăng thêm tác dụng chống ăn mòn vào mặt trong ống ghen

Vai trò chính của bộ neo 2 đầu ống ghen

i Giữ lực căng cho đến khi vữa bơm ninh kết và làm việc

Lưu ý là cả 2 phương án sàn có bám dính và không bám dính đều có những ưu nhược điểm

bù trừ cho nhau và đều có thể làm việc tốt cho kết cấu sàn ở mọi mục đích sử dụng Cáp không bám dính được dùng cho hầu hết các công trình dân dụng ở Bắc Mỹ, ở Việt Nam có lẽ do đặc điểm kỹ thuật các nhà thầu và yếu tố thị trường làm cho việc sử dụng có bám dính trở nên phổ biến hơn

2.2 Cáp bám dính và không bám dính

Về mặt tính toán thiết kế thì không có sự khác biệt lớn trong quy trình tính giữa 2 loại cáp này Tuy nhiên tổn hao ứng suất cho loại có bám dính nhiều hơn do ma sát lớn hơn giữa tao cáp và ống ghen

Yêu cầu lớp bảo vệ cáp

Không có sự khác nhau về lớp bảo vệ đối với 2 loại cáp, cả cho yêu cầu chống ăn mòn và yêu cầu chống cháy (Thời gian 24h)

Hàm lượng cốt thép thường tối thiếu

Hiện chưa có tiêu chuẩn yêu cầu khống chế hàm lượng cốt thép thường tối thiểu đế khống chế nứt cho cáp có bám dính, loại không bám dính có yêu cầu trong ACI

Phân phối lại momen do tính đến khớp dẻo

Tiêu chuẩn ACI cho phép tính đến khớp dẻo và yêu cầu hàm lượng cốt thép thường tối thiểu tại các tiết diện các khớp dẻo Tuy nhiên mới chỉ cho cáp không bám dính

Khả năng chịu cắt của sàn một phương và dâm, chống chọc thủng của sàn 2 phương

Không có khác biệt giữa 2 loại cáp

Tải trọng động đất

ACI và UBC đều không yêu cầu tính toán sàn ULT với tải trọng động đất do tác động của động đất là ngắn hạn, trong khi tác dụng của ULT là dài hạn

Khoảng cách tối thiểu giữa các cáp

Theo ACI là 8 lần bề dày sàn hoặc 1.5m Do đó cáp bám dính với kích thước lớn hơn tỏ ra kém hiệu quả hơn loại không bám dính

Ví dụ sàn dày 140mm, thiết kế ứng suất nén trước là 0.86Mpa, dùng tao cáp 12.7mm với lực căng hữu hiệu (sau khi trừ tổn hao) là 116KN, khoảng cách mỗi tao cáp sẽ là: 116/(0.86*140) = 960mm

Khoảng cách tối đa cho cáp là 8*140=1120 mm Như vậy dùng cáp không bám dính đơn một tao cáp thì có thể dặt ở khoẳng cách 960mm như tính toán Nếu dùng cáp bám dính ổng ghen dẹt ở khoẳng cách 960mm chỉ cần một tao cáp trong ống ghen Hoặc dùng 2 tao cáp trong 1 ống thì

khoảng cách là 1120mm, như vậy trên phương diện này cáp có bám dính không hiệu quả bằng vì trong một ống ghen thong thường chứa được 4-5 tao cáp

Ưu điểm rõ ràng của cáp không bám dính là thời gian thi công do các tao cáp được cắt ra từ cuộn cáp và chế neo luôn trên công trường Với cáp không bám dính tất cả các công đoạn này phải gia công trong nhà máy nên không chủ động và mất một thời gian hơn đáng kể

Độ bền kết cấu

Cả 2 loại cáp đều cho độ tin cậy kết cấu cao Với cáp không bám dính , kinh nghiệm nhà thầu

và vật liệu kém chất lượng gây ra hư hại với số lượng công trình nhiều hơn Với các công trình ngoài trời như bãi đỗ xe, móng bè, ở khu vực có khu vực khí hậu dễ ăn mòn hơn hay ẩm ướt như ở Việt Nam thường dùng cáp bám dính hơn Cáp không bám dính cho những môi trường này đòi hỏi chất lượng cao của vật liệu chống ăn mòn cáp, vỏ cáp và thi công kỹ thuật cao Dùng có bám dính thì

độ bền phụ thuộc vào chất lượng và kỹ thuật thi công bơm vữa

Chất lượng của cáp không bám dính phải kể đến suốt chiều dài đường cáp và 2 đầu neo Chỉ một điểm mất ứng suất thì cả đường cáp không làm việc Cáp bị hỏng càng dài thì ảnh hưởng lên két cấu càng nhiều

Cáp bám dính có khả năng truyền và phát triển lực căng từ 1 điểm đi xa 50 lần đường kính tao cáp Một điểm nào bị hỏng trên cáp sẽ chỉ là cục bộ Cách điểm này một đoạn 50 lần đường kính cáp thì ứng suất vẫn giữ nguyên, cáp vẫn làm việc Do đó độ tin cậy của cáp bám dính là cao hơn

Thay đổi sửa chữa

Cáp không bám dính linh hoạt hơn cho việc sữa chữa MỘt đường cáp bị hỏng có thể dễ dàng tháo ra, thay thế và căng lại Việc thay thế cũng lợi hơn về ứng suất, do tổn hao nhỏ hơn so với cáp thi công từ đầu Ngược lại, cáp có bám dính không thể thay thế vì rằng vữa bơm dính chặt cáp với ống ghen

Trong trường hợp muốn thay đổi công năng, ví dụ đập them lỗ mở lớn Truyền thống vẫn quan niệm không thể cắt qua đường cáp, nhưng với kỹ thuật thi công hiện tại thì điều này có thể và thậm chí là dễ dàng hơn cho cho cáp có bám dính Với cáp không bám dính cắt qua lỗ mở sẽ cắt cáp, căng lại và neo tại lỗ mép mới đúng kỹ thuật đặc biệt là được Cáp có bám dính thì không cần căng

và neo lại vì vữa bơm trong vùng không bị cắt sẽ giữ cáp lại

2.3 Các thông số đầu tiên

Khi thiết kế sàn ULT, có 3 thông số cần quyết định ngay từ đầu và sẽ đưa ra những kết quả khác nhau về bố trí thép, không như với sàn thường chỉ có một đáp án cho bài toán:

3 thông số bao gồm:

- Ứng suất nén trước (Thông qua lực căng cáp)

- Phần trăm tải trọng cân bằng

- Quỹ đạo cáp: Hình dạng và cao độ

Do có nhiều đáp án cho bài toán nên Kết cấu sư nhiều kinh nghiệm sẽ nhanh chóng chọn được phương án đảm bảo về kỹ thuật và kinh tế tiết kiệm nhất Tiết kiệm ở đây được hiểu là

tỉ lệ giữa số lượng cáp sàn (Thông qua lực căng) và cốt thép thường ở mức nhỏ nhất, vì rằng giá cáp bao giờ cũng đắt hơn thép thường rất nhiều

a Ưng suất nén trước (Average precompression)

Thông số rất quan trọng này được định nghĩa bằng tổng lực căng chia cho tiết diện vuông góc với phương lực căng ACI 318-02 yêu cầu giá trị này hữu hiệu tối thiểu là 0.85Mpa (sau khi đã trừ

đi ứng suất tổn hao)

Trong đa số trường hợp nhà dân dụng giá trị 0.85Mpa được chọn để xuất phát cho bài toán chọn cáp Với sàn mái hay Gara thường bằng 1-1.4 Mpa do yêu cầu cao về khống chế chống nứt chống thấm Nhưng thực ra việc tăng ứng suất nén trước không đồng nghĩa với việc đảm bảo không

có vết nứt xuất hiện Trong sàn một phương hay dầm, ứng suất nén trước được tính toán trên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang

Giá trị ứng suất nén trước là nên là 2.0Mpa cho dán và 2.5Mpa cho dầm Dù ACI quy định giá trị lớn hơn nhưng khi đó không còn kinh tế nữa

b Phần trăm tải trọng cân bằng

Vỡ lòng về kết cấu ULT là tạo ra một lực tác dụng ngược lại với phương của của tải trong tác dụng mà phần lớn là trọng lượng, thông qua tỉ lệ phần trăm của tĩnh tải được cân bằng

Với sàn, con số hợp lý trong khoảng 60-80% tĩnh tải Với dầm là 80-110%, lý do độ võng của dầm ảnh hưởng nhiều hơn đến sự làm việc của hệ sàn

c Chọn quỹ đạo cáp

Có vài chú ý đến vấn đề chọn quỹ đạo cáp cho hợp lý nhưng trước hết hãy nói về phương pháp cân bằng tải trọng để hiểu cho rõ vì quỹ đạo cáp quyết địn % tải trọng cân bằng

2.4 Phương pháp Cân bằng tải trọng

Nói đén ULT là nói đến phương pháp này Đôi chút về lịch sử của nó được T.Y Lin giới thiệu từ năm 1961 nhưng đến 1963 mới được đăng trên tạp chí của ACI Phương pháp này thực sự là một công cụ quá mạnh và làm đơn giản hóa lý thuyết ULT để anh em kỹ sư không cần phải học lên quá cao

Hình 2.4.1 –Dầm liên tục 3 nhịp ULT

Hãy bắt đầu với hình 2.4.1 ví dụ về một dầm liên tục được ứng lực trước với một lực P không đổi Cáp sàn có quỹ đạo Parabol quen thuộc với 2 điểm uống ở nhịp giữa và 1 điểm uống cho nhịp biên, điêm thấp nhất ở giữa nhịp Cách làm của phương pháp cân bằng tải trọng là như sau:

Tách cáp ra khỏi kết cấu và thay vào đó một tải trọng cân bằng như trên hình 2.4.2 gọi là “tải trọng cân bằng” Tải trọng cân bằng bao gồm các phần hướng lên trên và hướng xuống sinh ra các phần Parabol của quỹ đạo cáp (Như hình 2.4.3) và lực nén trước P Tải trọng trên hình 2.4.2 và 2.4.3

là cân bằng ngược chiều nhau

Hình 2.4.2 –Tải trọng cân bằng lên dầm (Không thể hiện ở gối tựa)

Hình 2.4.3 –Tải trọng cân bằng trên cáp

Hình 2.4.4 – 1 phần cáp giữa điểm thấp nhất (A) và điểm uốn của parabol

Cáp tách ra bản thân cũng là một hệ tĩnh định và chỉ chịu kéo Dầm thì vẫn là hệ siêu tĩnh với bậc siêu tĩnh tùy thuộc vào số gối tựa

2.4.1 Momen sơ cấp

Hình 2.4.5 dưới đây xét cân bằng của phần dầm cắt ở một đoạn bằng a cách gối tựa trái Tại mặt cắt này có tác dụng là lực nén đúng tâm P, momen Mp và lực cắt Vx sinh ra bởi tải trọng cân bằng như trên hình 2.4.2 Mp được định nghĩa là momen sơ cấp, có vai trò duy trì cân bằng cho hệ tải trọng cân bằng ở đây

Hình 2.4.5 Cân bằng của phần dầm cắt ra

Hình 2.4.6 Cân bằng của cáp trong đoạn này

Như vậy ta thấy rằng Mp=P.e Ghi nhớ rằng momen sơ cấp này không phụ thuộc về điều kiện biên hay các tải trọng tác dụng lên dầm

2.4.2 Momen thứ cấp (Hyperstatic)

Còn gọi là moment siêu tĩnh – Hyperstatic Đây là hiệu ứng đặc biệt trong kết cấu ứng lực trước do kết quả tác dụng của các gối tựa Hãy xem xét ví dụ trên hình 2.4.7 về một dầm ULT căng trước Lực căng trước gây ra độ vồng cho dầm như trên hình 2.4.7b và do tác dụng uốn của moment sơ cấp Mp Cần phải có tác dụng nén xuống thắng độ vồng này trước khi chốt chặt dầm vào các gối tựa theo đường thẳng định trước Do đó tại các gối tựa phát sinh các phản lực như trên hình 2.4.8a để giữ độ vồng này và được gọi là tác dụng thứ cấp

(Hyperstatic)

Hình 2.4.7 Dầm chịu lực căng trước

Hình 2.4.8 Phản lực và moment thứ cấp lên dầm

Ở kết cấu ULT căng sau, quy trình là ngược lại: Dầm được cố định trên các gối tựa khi đổ bê tông Việc căng cáp sau khi đổ bê tông gây ra các phản lực thêm lên gối tựa do tác dụng ngăn lại chuyển vị tự do gây ra lực nén trước của các gối tựa lên kết cấu bê tông Các phản lực này cũng chính là phản lực thứ cấp

Các phản lực thứ cấp này phải tự cân bằng nhau : ∑Rsec = 0

Hãy quay lại với ví dụ trước, xét mặt cắt bất kỳ trên dầm như trên hình 2.4.9 Tại đó có moment Msec = ∑RiXi và lực cắt thứ cấp là Vsec = ∑Ri

Hình 2.4.7 Dầm chịu lực căng trước

Câu hỏi đặt ra là TTGH2 tính theo tổ hợp nào?

2.4.3 Tính TTGH2 theo tổ hợp nào?

Trong hình 2.4.9 cáp ULT vẫn được giữ trong sơ đồ tính Trong phương pháp Cân bằng tải trọng thì cáp được tách ra và thay thế bởi tải trọng cân bằng Hình 2.4.10 thể hiện hình 2.4.9 sau khi tách cáp Như vậy lực tác dụng lên dầm gồm có tải trọng cân bằng và các phản lực thứ cấp Tại tiết diện cách đoạn a từ gối tựa trái, các lực tác dụng là momen cân bằng Mb

Đó là công dụng của pp cân bằng tải trọng trong việc làm giản đơn mô hình tính về sơ đồ không ứng lực trước, việc tính toán còn lại tiến hành như với kết cấu btct thường Việc mô hình là chấp nhận được ảnh hưởng của của cáp lên độ cứng kết cấu là có thể bỏ qua

2.4.4 Chú ý khi thay đổi tiết diện

Trường hợp hay gặp là tiết diện thay đổi chiều cao hay chiều dày, tạo ra bước nhảy m về trục trung hòa của cấu kiện như hình 2.4.11 (a) Việc này cần xem xét đến khi tính tải trọng cân bằng

Trong ví dụ này, cáp được rải liên tục và neo tại trục trung hòa 2 đầu ((N.A) Tải trọng cân bằng như trên hình 2.4.11 (b), với lực căng P ở 2 đầu không thẳng hàng nhau Lực P này có thể thay thế bằng các cặp lực và momen như hình (c) Như vậy tải trọng cân bằng ở hình (b) phải gồm 2 thành phần gây lực dọc như hình 2.4.11(d) và thành phần gây uốn dầm 2.4.11(e)

cột nên dùng quỹ đạo cáp như hình 2.5.2 với đoạn thẳng đi trên gối tựa khoảng 1.2m, với mục đích để có không gian chạy thép thường theo phương vuông góc

Hình 2.4.11 Cân bằng tải trọng khi thay đổi chiều dày

Hình 2.5.1 Quỹ đạo Parabol