Thiết kế sàn bê tông ứng lực trước, những ưu điểm của sàn BT UWLT so với BTCT thường

Trong những năm 1928-1929 kỹ sư nổi tiếng người Pháp E.Freyssinet đã lần đầu tiên chứng minh có thể và cần sử dụng loại thép có cường độ cao để nâng lực gây ứng suất trước trong bê tông

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

“THIẾT KẾ SÀN BÊTÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA

SÀN BT ƯLT SO VỚI BTCT THƯỜNG”

Giảng Viên Hướng Dẫn : KS: NGUYỄN VĨNH SÁNG

Sinh Viên Thực Hiện : LÂM BÁ HOÀN - 1051012296 LÊ THỊ THÚY - 1051012642 Lớp : S13-K52C_XD

TP.HCM 12/2014

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp S13K52C-XD, Khoa xây dựng dân

dụng và công nghiệp, Trường Đại Học Thủy Lợi Cơ Sở 2, dưới sự giảng dạy của

các thầy giáo trong khoa, sự giúp đỡ tận tình của các thầy hướng dẫn trong nhóm

nghiên cứu đề tài khoa học sinh viên, cộng với sự nỗ lực của bản thân, chúng em đã

hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học với đề tài: “Thiết kế sàn bêtông ứng lực

trước, những ưu nhược điểm của sàn ứng lực trước so với sàn bêtông cốt thép

thường”

Chúng em xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Trường Đại Học Thủy

Lợi Cơ Sở 2 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên

cứu tại trường

Chúng em đặc biệt cảm ơn thầy giáo Th.s: Bùi Sĩ Mười và KS Nguyễn Vĩnh

Sáng – Người đã có công lớn trong việc hướng dẫn khoa học, tận tình chỉ bảo chúng

em để có thể hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học này

Trong việc tính toán và tìm hiểu vấn đề cũng không thể tránh khỏi sai sót

mong các thầy trong Bộ môn Xây dựng dân dụng và công nghiệp cho chúng em ý

kiến đóng góp để chúng em có cách nhìn tổng quan hơn, chính xác hơn vấn đề

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU 1

* Lý do nghiêncứu 1

* Mụcđíchnghiêncứu 1

* Phươngphápnghiêncứu 1

* Phạmvinghiêncứu 1

CHƯƠNG I: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN SÀN BÊTÔNG CỐT THÉP THƯỜNG 2

I.1 Kháiniệmvềsànbêtôngcốtthép (BTCT) thường 2

I.2 Phươngpháptínhsàn BTCT thường 2

I.2.1 Phânloạibảnsàn 2

I.2.2 Chọn sơ bộ kích thước bản sàn, dầm phụ, dầm chính 2

I.2.3 Tínhnộilựcsàn 3

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI SÀN BÊTÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 8

II.1 Tìmhiểuvềlịchsửhìnhthànhcủabêtôngứnglựctrước 8

II.2Giớithiệukháiquátvềviệcsửdụngbêtôngứngsuấttrước ở Việt Nam hiện nay Phântíchưunhượcđiểmvàứngdụngthựctiễn 9

II.2.1Giớithiệukháiquátvềviệcsửdụngbêtôngứngsuấttrước ở Việt Nam hiện nay 9

II.2.2Đánhgiávềưuđiểm, nhượcđiểmcủasànbêtôngứngsuấttrước 12

II.3.Tìmhiểuvềkếtcấubêtôngứngsuấttrướcbaogồmcáckháiniệm, cácphươngphápgâyứngsuấttrước, nhữngvậtliệusửdụngtrongbêtôngứngsuấttrướcvàcácthiếtbịsửdụngtạoứngsuấttrước 13

II.3.1Kháiniệmchungvềbêtôngứngsuấttrước 13

II.3.2Cácphươngphápgâyứngsuấttrước 13

II.3.3Nhữngvậtliệusửdụngtrongbêtôngứngsuấttrước 16

II.3.4Cácthiếtbịsửdụngtạoứngsuấttrước 19

II.3.4.1Phươngphápcăngtrước 19

II.4Cácphươngpháptínhtoánsànbêtôngứngsuấttrước 22

II.4.1Cácquanniệmphântíchkếtcấubêtôngứnglựctrước 22

II.4.2.Cácphươngpháptínhtoánnộilựctrongsànphẳng 25

II.4.2.1Phươngphápphânphốitrựctiếp: 25

II.4.2.2Phươngphápkhungtươngđương 27

II.4.2.3Phươngphápphầntửhữuhạn 30

II.4.3Thiếtkếbêtôngứngsuấttrướcvớilướicộtđềuđặnvàlướicộtngẫunhiên 31

II.4.3.1Thiếtkếbêtôngứngsuấttrướcvớilướicộtđềuđặn 31

II.4.3.2Thiếtkếbêtôngứngsuấttrướcvớilướicộtngẫunhiên 39

CHƯƠNG III: VÍ DỤ TÍNH TOÁN SO SÁNH 43

III.1 Tínhtoánsànbêtôngcốtthépthường 43

III.1.1Chọnsơbộkíchthướccáccấukiện 43

III.1.2Xácđịnhtĩnhtải, hoạttải 44

III.1.3Tínhtoáncụthểcho ô bảnđiểnhình 45

Tínhtoánmômen 45

Tínhtoáncốtthép 46

Tínhtoánvõng 47

III.2.Tínhtoánvàthiếtkếsànứnglựctrước 53

III.2.1Các quan niệm phân tích kết cấu BT ƯLT 54

III.2.1.1Quanniệmthứnhất 54

III.2.1.2Quanniệmthứhai 54

III.2.1.3Quanniệmthứba 54

III.2.2Thôngsốđầuvào 56

III.2.2.1Kích thước sàn 56

III.2.2.2Vật liệu 58

III.2.3Tải trọng cân bằng 58

III.2.3.1Tải trọng tác dụng 58

III.2.4Thiết kế ô sàn 59

III.2.4.2Thông số về ứng lực trước 59

III.2.4.3Tổn hao ứng suất trước 59

III.2.5Tính toán số lượng cáp cần bố trí 61

III.2.5.1Chọn đường cáp ứng lực trước 61

III.2.5.2Tải trọng cân bằng tính toán 63

III.2.6Phânphốicápứnglựctrước 65

III.2.7Xácđịnhđặctrưngcủakhungtươngđươngtheophương A’ – B – C – D’ 66

III.2.7.1Cột tương đương 67

III.2.7.2Xác định tiết diện cấu kiện khung tương đương 70

III.2.7.3Xác định nội lực khung 71

III.2.8Kiểmtraứngsuấttrongbêtông 71

III.2.8.1Kiểmtraứngsuấttảithờiđiểmbulông neo 71

III.2.8.2Kiểm tra ứng suất tải thời điểm sử dụng 74

III.2.8.3Kiểmtraứngđiềukiệnchịuuốn 77

III.2.9Lựccắtvàcườngđộmômentruyềntải ở cộtngoài 80

III.2.9.1Lựccắtvàmômentruyềntải ở cộtngoài 80

III.2.9.2 Lựccắtvàmô men truyềntải ở cộtgiữa 82

III.2.10Tínhđộvõngcủasàn 85

III.2.10.1Tínhđộvõngcủadảisàntrênhàngcộttheophươngngangnhà 85

III.2.10.2Độvõngcủa ô sàn 89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

MỘT SỐ KÝ HIỆU, VIẾT TẮT……… 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

Më ®Çu

* Lý do nghiên cứu

Trong tiến trình hội nhập và phát triển hiện nay, việc hiểu biết tiêu chuẩn thiết kế

của các nước tiên tiến đối với những người làm công tác kỹ thuật là cần thiết Tiêu chuẩn

ACI318 – 2008 của Mỹ đã được áp dụng nhiều trên thế giới về bê tông ứng lực trước

Hiện nay, sàn bê tông ứng lực trước căng sau được ứng dụng ngày càng phổ biến

trong các công trình xây dựng Trong tiêu chuẩn TCVN 5574 : 2012 đã ban hành chủ yếu

đề cập đến thiết kế cấu kiện dầm bêtông ứng lực trước

Đề tài “Thiết kế sàn bê tông ứng lực trước căng sau,những ưu nhược điểm của

sàn ứng lực trước so với sàn bê tông cốt thép thường” sẽ đề cập tổng quan về tiêu chuẩn

ACI318 – 2002 và trình tự thiết kế cụ thể cho sàn không dầm bêtông ứng lực trước

* Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu các quy định về vật liệu, tải trọng và nguyên lý cấu tạo đối với sàn bê

tông ứng suất trước

Nghiên cứu quy trình thiết kế sàn không dầm bê tông ứng lực trước theo tiêu

chuẩn ACI318 – 2002

Trên cơ sở đó để so sánh, đánh giá một cách tổng quan về sàn bê tông ứng lực

trước và sàn bê tông cốt thép thường

* Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tiêu chuẩn ACI318-2002, TCVN 5574-2012 và các tài liệu liên quan

* Phạm vi nghiên cứu

Sàn không dầm bê tông cốt thép ứng lực trước căng sau trong nhà cao tầng

CHƯƠNG I:

SƠ LƯỢC VỀ TÍNH TOÁN SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG

I.1 Khái niệm về sàn bê tông cốt thép (BTCT) thường:

Sàn là kết cấu chịu trực tiếp tải trọng sử dụng, hệ sàn được đỡ bởi hệ dầm, dầm truyền tải

lên cột và cột truyền xuống móng

Sàn BTCT được sử dụng rất phổ biến vì những ưu điểm của nó như: chịu lực lớn, chống

cháy tốt, độ ổn định lớn,… nhưng sàn BTCT vẫn có những khuyết điểm như cách âm

chưa thật tốt (cần phối hợp với các vật liệu cách âm), thi công phức tạp, trọng lượng bản

thân lớn

I.2 Phương pháp tính sàn BTCT thường:

I.2.1 Phân loại bản sàn:

Theo sơ đồ kết cấu ta chia thành các loại sàn như sau:

- Sàn loại bản – dầm: (hay còn gọi là sàn 1 phương) là dạng sàn chịu uốn theo 1

phương hoặc 2 phương nhưng phương còn lại chịu uốn rất nhỏ Liên kết có thể là

kê lên tường hoặc đổ liền khối với dầm, nhưng chỉ ở 1 hoặc 2 cạnh đối diện

- Sàn loại bản kê bốn cạnh (còn gọi là sàn 2 phương): là dạng sàn chịu uốn theo 2

phương, liên kết có thể là kê lên tường (gối) hoặc đổ liền khối với dầm (ngàm), các

liên kết với dầm có ở nhiều hơn 2 cạnh kề

Hay ta có bảng so sánh như sau để phân biệt rõ hơn về sàn 1 phương và sàn 2 phương:

Bảng I.1 Phân biệt sàn 1 phương và sàn 2 phương

Với ô bản liên kết 4 cạnh, chịu uốn hai phương m = 40  50

Với ô bản một phương dạng bản công xôn m = 10  15

Tính nội lực sàn theo sơ đồ đàn hồi

I.2.3.1 Nội lực của bản một phương:

I.2.3.1.1 Tính mômen

a Sơ đồ tính toán

Với bản một phương, để tính toán nội lực người ta thường lấy một dải bản rộng là b làm

đại diện, tính nội lực của dải bản như đối với dầm Thông thường b = 1m

Tải trọng toàn phần trên dải bản là q phân bố đều:

q = (g+p).b(kN/m)(I-2) Với ô bản tĩnh định chỉ dùng một sơ đồ để xác định nội lực, có thể tham khảo ở phụ lục 1

trang 151 sách “Sàn Sườn Bê Tông Toàn Khối” của GS.TS Nguyễn Đình Cống

Tải trọng: Tĩnh tải g (trọng lượng bản thân bản BTCT và các lớp cấu tạo )

Hoạt tải p (tải trọng sử dụng trên sàn) phân bố đều trên mặt sàn được quy

vềphân bố đều trên dải bản

Với bản siêu tĩnh, liên tục, có thể dùng sơ đồ đàn hồi hoặc sơ đồ dẻo.Ở đây ta sẽ tính với

sơ đồ đàn hồi

b Tính bản theo sơ đồ đàn hồiTính dải bản một phương, liên tục theo sơ đồ đàn hồi có

thể dùng các phương pháp của cơ học kết cấu về tính toán dầm liên tục Trong trường

hợp các nhịp lt bằng nhau, có thể dùng công thức sau:M = (αa.g + αb.p)𝑙𝑡2(I-3)

Với các hệ số αa, αb được tính sẵn như bảng I.2 bên dưới

Bảng I.2 Hệ số để tính toán mô men dải bản nhiều nhịp bằng nhau, chịu tải trọng phân bố

đều, theo sơ đồ đàn hồi

I.2.3.1 Nội lực của bản hai phương:

a Sơ đồ tính toán:

Xét ô bản có liên kết 4 cạnh với nhịp tính toán lt1 và lt2 trong đó lt2 là cạnh dài hơn Tính

toán ô bản chịu uốn hai phương khi 2

1

2

t t

l  với l1 và l2 là nhịp nguyên theo hai phương (nhịp nguyên là khoảng cách các trục

giữa gối tựa)

Hình 1-1 Sơ đồ tính toán ô bản hai phương

Khi tính toán ô bản theo phương pháp phần tử hữu hạn người ta chia bản thành các phần

tử tấm, tính toán mô men theo hai phương của mỗi phần tử

Khi tính toán bằng các công thức người ta lấy hai bản giao nhau ở giữa ô bản, tính toán

mô men cho hai dải đại diện đó Có thể tính toán theo sơ đồ dẻo hoặc sơ đồ đàn hồi

Ở đây ta cũng tính theo sơ đồ đàn hồi

b Tính bản theo sơ đồ đàn hồi

 Ô bản đơn có liên kết ngàm:

Hình 1-2 Mômen trong ô bản có cạnh ngàm

Công thức tính toán của các mômen là:

M1 = α1.q.lt1.lt2 ; M2 = α2.q.lt1.lt2,(I-4, I-5)

Trong đó hệ số α1, α2 tra bảng phụ lục 6, loại ô bản số 0 (α01 ; α02) trang 160 sách “Sàn

Sườn Bê Tông Toàn Khối” của GS.TS Nguyễn Đình Cống

MA1 và MB1 tính theo công thức:

MA1 = β1.q.lt1.lt2 ; MB1 = β2.q.lt1.lt2 (I-6, I-7)

MA2 và MB2 tính theo công thức:

MA2 = β1.q.lt1.lt2 ; MB2 = β2.q.lt1.lt2 (I-8, I-9)

 Tính toán bản liên tục theo sơ đồ đàn hồi:

Khi nhịp tính toán lt1, lt2 (hoặc nhịp nguyên l1, l2) gần bằng nhau theo mỗi phương cũng

có thể tách thành các ô bản đơn để tính toán Lúc này kể đến vị trí bất lợi của hoạt tải p

người ta xem xét các trường hợp hoạt tải cách ô và hoạt tải đặt trên toàn bản

Với mô men âm MA, MB trên các gối tựa lấy hoạt tải trên toàn bản, tính MA, MB theo

α 01 , α 02 Giá trị α1, α2 ứng với bản có bốn cạnh kê tự do

α 1 , α 2 Giá trị ứng với bản có các gối giữa ngàm

I.2.3.1.2 Tính lực cắt

Trong bản của sàn sườn thường không đặt cốt thép ngang chịu lực cắt do đó chiều dày

bản phải được chọn để cho riên bê tông đủ khả năng chống cắt Thông thường lực cắt

trong bản của sàn sườn là khá bé, điều kiện vừa nêu thường được thỏa mãn nên có thể bỏ

qua việc tính toán và kiểm tra theo lực cắt

Trường hợp bản chịu tải trọng khá lớn, nếu cần kiểm tra về lực cắt thì có thể tính theo

công thức sau đối với bản liên tục một phương theo sơ đồ đàn hồi

Q = (βa.g + βb.p).lt(I-14)

Hệ số βa và βb cho ở bảng I.3 dưới đây:

Bảng I.3 Hệ số lực cắt dải bản nhiều nhịp bằng nhau, tải trọng phân bố đều,

theo sơ đồ đàn hồi

CHƯƠNG II

CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN SÀN BÊTÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

II.1 Tìm hiểu về lịch sử hình thành của bê tông ứng lực trước:

Một trong những phát minh lớn trong kỹ thuật xây dựng ở thế kỷ 20 chính là bê tông

ứng lực trước Nó được ứng dụng rộng rãi tại hầu hết các nước tiến tiến trên thế giới từ

hơn 50 năm nay

Trong những năm 1928-1929 kỹ sư nổi tiếng người Pháp E.Freyssinet đã lần đầu tiên

chứng minh có thể và cần sử dụng loại thép có cường độ cao để nâng lực gây ứng suất

trước trong bê tông lên tới trên 4000 kg/cm2 mới có thể triệt tiêu được tòan bộ các tổn

hao ứng suất do các nguyên nhân xảy ra trong quá trình thi công và sủ dụng kết cấu Đến

năm 1933 ông đã phát minh ra công nghệ dự ứng lực trước

Thành công trong việc gây ứng lực trước bằng việc sử dụng cốt thép cường độ cao đã

nhanh chóng đưa kết cấu bê tông ứng lực trước vào các công trình xây dựng Đến năm

1939 E.Freyssinet đã sáng chế ra công cụ căng thép bằng loại kích rỗng 2 thì và bộ neo

hình côn có độ tin cậy cao trong việc giữ 2 hoặc 1 đầu cốt thép được căng không bị tuột

bảo đảm cho sự truyền lực căng vào kết cấu trong quá trình đang thi công và sử dụng

Ở châu Âu kết cấu bê tông ULT phát triển nhanh chóng ở Pháp, Bỉ, rồi đến Anh, Đức,

Thụy Sỹ, Hà Lan Trong gần 500 cầu được xây dựng ở Đức từ năm 1949 đến 1953 đã có

350 cầu bê tông ứng lực trước Ở Liên Xô trước đây và CH Liên bang Nga hiện nay các

cấu kiện bê tông đúc sẵn như tấm sàn từ 6m, dầm, dàn khẩu độ từ 18m trở lên đều quy

định dùng bê tông ULT Trong các nhà máy bê tông đúc sẵn thường sử dụng các bệ đúc

có chiều dài từ 30m đến 180m rất tiện lợi cho chế tạo hàng loạt các cấu kiện bê tông ULT

theo công nghệ căng trước

Những cấu kiện có khẩu độ lớn tới 100m tỏ ra rất có hiệu quả khi dùng bê tông ULT

Tại Mỹ chú trọng ứng dụng bê tông ULT vào xây dựng các bể chứa nhiên liệu có dung

tích từ 10 000 m3 trở lên

Trong lĩnh vực xây dựng nhà cao tầng, sử dụng bê tông ULT cho phép tăng kích thước

lưới cột, hoặc giảm chiều dày sàn, khối lượng thép cũng được giảm đáng kể Các ô sàn

phẳng không dầm khẩu độ lớn tới 15,6 m mà chiều dày bê tông ULT không quá 15cm

dầm đã sớm được ứng dụng ở Mỹ Trong các phương pháp thi công bằng hệ kích nâng

sàn bê tông ULT đúc sẵn, mỗi tấm sàn phẳng có trọng lượng từ 300 tấn đến 800 tấn cũng

được áp dụng phổ biến ở châu Âu

Ở châu Á, nhất là các nước trong khu vực, các kết cấu bê tông ứng lực trước được áp

dụng phổ biến một phần nhờ đã sản xuất được các loại thép cường độ cao, các loại cáp

ứng lực trước, các loại neo và phụ kiện kèm theo phù hợp với các tiêu chuẩn tiên tiến có

giá thành hợp lý như Trung Quốc, Singapore, Inđôneia, Thái Lan… Chẳng hạn ở

Inđônexia có tới 80% khối lượng kết cấu các ngôi nhà cao tầng được sử dụng bê tông ứng

lực trước Nhiều ngôi nhà cao 30-40 tầng xây dựng ở Thái Lan được sử dụng hệ sàn

phẳng không dầm bê tông ứng lực trước

Tại Singapore ngoài các chung cư, khách sạn, trụ sở cao tầng còn dùng sàn bê tông ứng

lực trước trong công trình bệnh viện, trường học với lưới cột thông dụng 8m x 8m

Năm 2003 công ty Pryssinet đã được thành lập tại Việt Nam

Ta thấy cho đến nay tại Việt Nam vẫn chưa có một tiêu chuẩn , quy phạm chính

thức nào được biên soạn để đảm bảo thống nhất trong việc thiết kế, thi công, nghiệm thu

kết cấu bê tông ứng lực trước Trong xây dựng dân dụng do gặp nhiều khó khăn trong

thiết kế , thi công kết cấu bê tông ứng lực trước nên nhiều công trình lớn chỉ dùng giải

pháp truyền thống là bê tông cốt thép thông thường đặc biệt đối với sàn phẳng nên không

đem lại hiệu quả cao về thẩm mỹ và kinh tế Sàn phẳng bê tông ứng lực trước được

nghiên cứu để thiết kế cho những ô sàn khẩu độ lớn dùng nhiều trong nhà cao tầng và các

công trình văn hoá thể thao hiện đại như nhà hát lớn , các khu hội chợ triển lãm, siêu thị,

bảo tàng, sân vân động …

II 2 Giới thiệu khái quát về việc sử dụng bê tông ứng suất trước ở Việt Nam hiện

nay Phân tích ưu nhược điểm và ứng dụng thực tiễn

II.2.1 Giới thiệu khái quát về việc sử dụng bê tông ứng suất trước ở Việt Nam hiện

nay

Từ đầu những năm 1990 trở lại đây, trước yêu cầu xây dựng nhà nhiều tầng, nhà

nhịp lớn tăng mạnh và do công nghệ nước ngoài được đưa vào nhiều theo cùng với vốn

đầu tư nước ngoài, công nghệ ứng lực trước đã bắt đầu được dùng trong kết cấu nhà cửa

ở Việt Nam chủ yếu là trong kết cấu sàn, và có xu hướng trở nên phổ biến hơn

Tại Hà Nội, TP.HCM và các TP khác của nước ta trong những năm qua đã có

những bước đột phá trong việc xây dựng các khu chung cư cao tầng, nhà làm việc, văn

phòng cho thuê hay các khu tổ hợp đa chức năng Trong những năm vừa qua (tính đến

thời điểm Tổng điều tra dân số và nhà ở năm 2009) tổng diện tích nhà ở tăng thêm 706

triệu m2, tăng gần gấp đôi so với năm 1999 Chất lượng nhà ở ngày được nâng cao, tỷ lệ

nhà ở kiên cố tăng từ 12,8% (năm 1999) lên 46,77% (năm 2009)

Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ bê tông ứng lực trước đã được thực hiện từ

những năm 70, 80 Tuy nhiên phạm vi áp dụng còn hạn hẹp Chỉ trong những năm gần

đây, với chủ trương công nghiệp hoá, hiện đại hoá các doanh nghiệp trong

ngành bê tông đã mạnh dạn ứng dụng công nghệ dự ứng lực trong việc sản xuất các cấu

kiện bê tông dự ứng lực như: Dầm cầu của Bê tông Châu Thới, cột điện

của Bê tông Thịnh Liệt, cọc dự ứng lựccủa cty Phan Vũ, ống cấp nước của Bê tông Tân

Bình, Bê tông Chèm, dầm cầu, dầm sàn nhà dân dựng và công nghiệp của công ty cổ

phần BT & XD Vinaconex Xuân Mai

Năm 1991 Preyssinet Group đã mở văn phòng đại diện tại Việt Nam

Năm 1997, Tổng công ty VINACONEX đã nhập công nghệ bê tông ứng lực trước tiền

chế của nước Cộng Hoà Pháp để sản xuất dầm sàn nhẹ cho xây dựng nhà ở (hệ PPB) tại

công ty cổ phần BT & XD Vinaconex Xuân mai Sản phẩm này hiện nay đã được áp

dụng rộng rãi cho các công trình nhà công nghiệp và nhà ở dân dụng tại Hà Nội và đặc

biệt đã phát triển để xây dựng trên 10.000 căn nhà sàn vượt lũ tại các tỉnh ĐBSCL

và dự án nhà ở tái định cư công trình Thuỷ điện Sơn La

Năm 1999, Liên doanh VINAROSE (hợp tác giữa VINACONEX và Hãng RONVEAUX

- Vương quốc Bỉ) đã hợp tác triển khai công nghệ bê tông ứng lực trước tại công ty cổ

phần bê tông và xây dựng Xuân Mai để sản xuất các cấu kiện vượt khẩu độ lớn bằng

phương pháp căng kéo trước phục vụ cho xây dựng nhà ở dân dụng, nhà công nghiệp, sân

vận động và đặc biệt sản xuất dầm cầu phục vụ cho giao thông Phạm vi áp dụng rất

rộng rãi, giải quyết hầu hết các phương án xây dựng hiện đại mang tính công nghiệp cao

Năm 2003 công ty Pryssinet đã được thành lập tại Việt Nam

Công nghệ này được áp dụng xây dựng các nhà chung cư cao tầng tại khu đô thị mới

Trung Hoà - Nhân Chính, khu chung cư cao cấp Mỹ Đình - Sông Đà (Hà Nội) đã đem lại

hiệu quả to lớn về: Giá thành hạ, thời gian thi công nhanh và chất lượng công trình đảm

bảo

Hình 2.1 Tòa nhà Keangnam ở Hà Nội

Hình 2.2 Tòa nhà 165 Đội Cấn ở Hà Nội

Hình 2.3 Công trình khách sạn Senla Boutique số 64 Lê Thánh Tôn, phường Bến Nghé,

Quận 1, Tp.HCM

(nhà thầu ECI Saigon đã tiến hành đổ bê tông sàn lửng áp dụng công nghệ “Bê tông ứng

suất trước căng sau dạng liên kết”)

II.2.2 Đánh giá về ưu điểm, nhược điểm của sàn bê tông ứng suất trước:

 Ưu điểm:

- Làm tăng độ cứng của kết cấu, do vậy cho phép giảm được kích thước tiết diện,

giảm được trọng lượng bản thân kết cấu và vượt được các khẩu độ lớn;

- Có khả năng khống chế sự hình thành vết nứt và độ võng;

- Tiết kiệm được vật liệu bêtông và cốt thép do việc sử dụng vật liệu cường độ cao

- Trong kết cấu công trình dân dụng, hệ thống sàn được quan tâm nhiều nhất khi áp

dụng công nghệ ứng lực trước là do: sàn là bộ phận kết cấu có chi phí đáng kể nhất,

chiếm phần lớn khối lượng BTCT so với các cấu kiện khác

- Trọng lượng bản thân sàn được giảm nhẹ Bề dày sàn ứng lực trước giảm xuống

còn khoảng 50 – 80% bề dày của sàn bê tông cốt thép bình thường với cùng kích

thước nhịp và điều kiện tải trọng Khối lượng cốt thép cũng được giảm mạnh tuy

nhiên giá thành thép cường độ cao rất lớn (gấp 3-4 lần thép xây dựng bình thường)

nên chi phí về cốt thép không thay đổi bao nhiêu Tuy vậy, việc giảm trọng lượng

bản thân sàn sẽ kéo theo việc giảm khối lượng vật tư cho nhiều kết cấu khác như

cột, tường móng, …và đảm bảo có lợi cho kết cấu nhà ở vùng chịu động đất do lực

ngang quán tính giảm cùng với khối lượng sàn

- Tiến độ thi công sàn tăng nhanh, do sử dụng bê tông mác cao kết hợp với phụ gia

Một số công trình đã được xây dựng cho thấy tiến độ thi công trung bình 7-10

ngày/ tầng cho diện tích xây dựng 400-500m2/sàn Công tác và khuôn khá đơn giản

nhất là với loại sàn không dầm, được sử dụng chủ yếu trong nhà cao tầng có sàn

ứng lực trước

- Ngoài ra việc mở rộng lưới cột, giảm chiều cao tầng nhà và các thiết bị, phụ kiện

phục vụ cho việc gây ứng lực trước ngày càng được hoàn thiện, gọn nhẹ và hiệu

quả, cũng đóng góp nhiều phần quan trọng vào sự thành công của sàn bê bê tông

ứng lực trước

Tuy nhiên sử dụng kết cấu bê tông ứng lực trước nói chung và công nghệ căng sau

nói riêng đều đòi hỏi các nhà tư vấn thiết kế, tư vấn giám sát, nhà thầu xây dựng cần có

những kiến thức và kinh nghiệm nhất định mới đem lại hiệu quả mong muốn

Đặc biệt với thiết kế chịu động đất, hệ sàn đóng vai trò rất quan trọng trong sự làm

việc tổng thể của kết cấu chịu động đất Chúng làm việc như những tấm cứng ngang, tiếp

nhận các lực quán tính sang hệ kết cấu thẳng đứng và bảo đảm cho các hệ kết cấu này

cùng nhau làm việc khi chịu tác động của động đất theo phương ngang

 Nhược điểm:

- Việc gây ứng suất nén trong bê tông tại một số vùng có thể gây ứng suất kéo tại

một số vùng khác của kết cấu ( cần tính toán để loại trừ khả năng nứt bê tông do

các ứng suất kéo này gây ra)

- Kết cấu bê tông ứng suất trước sử dụng bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ

cao, do đó giá thành sẽ cao

- Kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau, ngoài các vật liệu bê tông và cốt thép, còn

phải có các vật liệu khác như neo, ống gen, vữa bơm…

- Thi công kết cấu bê tông ứng suất trước phải sử dụng các thiết bị chuyên dụng như

kích, neo công cụ, bệ căng (trường hợp căng trước)…

- So với kết cấu bê tông cốt thép thì thi công kết cấu bê tông ứng suất trước đòi hỏi

nhiều chi phí nhân công hơn, yêu cầu tay nghề thi công cao

- Công tác kiểm soát chất lượng đối với các kết cấu bê tông ứng suất trước đòi hỏi

cao hơn so với kết cấu bê tông cốt thép

II.3 Tìm hiểu về kết cấu bê tông ứng suất trước bao gồm các khái niệm, các phương

pháp gây ứng suất trước, những vật liệu sử dụng trong bê tông ứng suất trước và

các thiết bị sử dụng tạo ứng suất trước

II.3.1 Khái niệm chung về bê tông ứng suất trước:

Bê tông ứng lực trước(BT ƯLT) là bê tông, trong đó thông qua lực nén trước để tạo ra và

phân bố một lượng ứng suất bên trong phù hợp nhằm cân bằng với một lượng mong

muốn ứng suất do tải trọng ngoài gây ra Với các cấu kiện BT ƯLT, ứng suất thường

được tạo ra bằng cách kéo thép cường độ cao

II.3.2 Các phương pháp gây ứng suất trước:

 Phương pháp căng trước:

Phương pháp này thường được sử dụng cho quy trình sản xuất các cấu kiện đúc

sẵn Cốt thép ƯLT được neo một đầu cố địnhvào bệ còn đầu kia được kéo ra với

lực kéo N Dưới tác dụng của lực N, cốt thép được kéo trong giới hạn đàn hồi và

sẽ giãn ra một đoạn, tương ứng với các ứng suất xuất hiện trong cốt thép Khi đó,

đầu còn lại của cốt thép được cố định nốt vào bệ Đổ bê tông, đợi cho bê tông

đông cứng và đạt cường độ cần thiết thì buông cốt thép Như một lò xo bị kéo

căng, các cốt thép này có xu hướng co ngắn lại và thông qua lực dính giữa thép và

bê tông, cấu kiện sẽ bị nén với giá trị bằng lực N đã dùng khi kéo cốt thép Ưu

điểm của phương pháp căng trước là có thể phân bố lực nén đều đặn trong cấu

kiện Nhược điểm của phương pháp này là phải lắp đặt bệ tỳ phức tạp

Hình 2.4 Sơ đồ phương pháp căng trước

a Trước khi buông cốt thép ƯLT

b Sau khi buông cốt thép ƯLT

1_ Cốt thép ULT;2_Bệ căng;3_Ván khuôn;4_Thiết bị kéo thép;5_Thiết bị cố định thép

 Phương pháp căng sau:

Phương pháp này thường được sử dụng cho kết cấu bê tông đổ tại chỗ Trước hết đặt thép

ƯLT và cốt thép thường và đổ bê tông Khi bê tông đạt đến cường độ nhất định thì tiến

hành căng cốt thép với ứng suất quy định Sau khi căng xong, cốt thép ƯLT được neo

chặt vào đầu cấu kiện, thông qua các neo đó, cấu kiện sẽ bị nén bằng lực đã dùng khi kéo

căng cốt thép Trong phương pháp căng sau, kết cấu BTCT ƯLT được chia làm 2 loại:

kết cấu bê tông ƯLT dùng cáp dính kết và kết cấu bê tông ƯLT dùng cáp không dính kết

Loại kết cấu bê tông ƯLT dùng cáp dính kết khi thi công phải đặt sẵn ống gen để luồn

cáp, sau khi kéo căng cốt thép, tiến hành bơm phụt vữa xi măng mác cao để chèn lấp khe

hở giữa cáp thép và ống gen Đầu cáp thép được neo chặt bằng nêm vào bê tông và trở

thành các điểm tựa truyền lực nén vào bê tông

Ưu điểm của phương pháp căng sau là không cần bệ tỳ riêng, có thể dễ dàng thi công kéo

căng thép tại vị trí kết cấu tại công trình như thân xi lô, ống khói, dầm sàn…

Hình 2.5 Sơ đồ phương pháp căng sau

a_Trong quá trình căng; b_Sau khi căng

1_Cốt thép ULT; 2_Cấu kiện BTCT; 3_Ống rãnh; 4_Thiết bị kích; 5_Neo

 Một số công nghệ khác tạo ứng suất trước:

Ngoài 2 phương pháp căng trước và căng sau, trong BTCT ứng suất trước còn sử

dụng một số phương pháp sau:

+ Sử dụng xi măng nở tạo ứng suất trước trong bê tông:

Theo phương pháp này, trong quá trình ninh kết và phát triển cường độ, xi măng

nở làm tăng thể tích, các cốt thép trong bê tôngsẽ ngăn cản sự giãn nở của xi

măng, kết quả là trong bê tông có một lực nén khoảng 600-700 Mpa

Người ta có thể sử dụng loại xi măng đặc biệt cho sự nở trương này Song,

thực tế cũng có thể biến xi măng Pooclang thông thường thành loại xi măng đặc

biệt này bằng cách trộn thêm phụ gia aluminat và thạnh cao Loại xi măng trương

nở tự tạo ứng suất trước này có thể chế tạo các kết cấu như bể chứa, cầu tàu, cọc,

dầm, panel mái che nhà công nghiệp Phương pháp này còn gọi là phương pháp

hóa học để tạo ƯLT

+ Dùng kích ép ngoài để tạo ứng suất trước:

Khác với 2 phương pháp căng trước và căng sau, kích đặt ở 2 đầu kết cấu

không dùng để kéo căng cốt thép ra mà dùng để ép chặt cấu kiện bê tông lại, cáp

hoặc cốt thép được neo vào các gối tựa Sau đó bỏ kích ra, tạo ra trường ƯLT luôn

được duy trì trong kết cấu

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo ULT bằng kích ép ngoài

1_ Cấu kiện BTCT ULT; 2_ Kích; 3_Bệ tỳ

II.3.3 Những vật liệu sử dụng trong bê tông ứng suất trước:

 Bê tông cường độ cao:

Bê tông ứng suất trước yêu cầu sử dụng bê tông đạt cường độ chịu nén cao trong

thời gian ngắn với cường độ chịu kéo tương đối cao hơn so với bê tông thông thường, độ

co ngót thấp, tính từ biến thấp nhất và giá trị mô đun đàn hồi lớn Theo tiêu chuẩn ấn Độ

IS:1343-1980, cường độ chịu nén của khối lập phương tại 28 ngày tuổi là 40Mpa đối với

cấu kiện căng trước và 30Mpa đối với cấu kiện căng sau Theo tiêu chuẩn ACI318, bê

tông đạt cường độ chịu nén tại 28 ngày tuổi từ 27.58 đến 68.95 Mpa

- Ứng suất cho phép trong bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318-2002: ứng suất cho phép

trong bê tông được quy định và khống chế tuỳ theo từng tiêu chuẩn Theo tiêu

chuẩn ACI 318-2002 được quy định như sau:Ứng suất trong bê tông ngay sau khi

truyền lực ứng suất trước (trước khi xảy ra tổn hao ứng suất) không được vượt quá

các giá trị sau:

+ Ứng suất nén lớn nhất: 0,60𝑓𝑐𝑖′

+ Ứng suất kéo tại 2 đầu mút của cấu kiện có gối tựa đơn giản: 0,5 𝑓𝑐𝑖′

+ Ứng suất kéo tại các vị trí khác: : 0,25 𝑓𝑐𝑖′

Nếu ứng suất kéo vượt quá các giá trị trên thì cần bố trí thêm thép chịu kéo (thép thường

hoặc thép ứng suất trước) vào vùng chịu kéo để chịu tổng lực kéo trong bê tông được tính

toán với giả thiết tiết diện không bị nứt

- Ứng suất ứng với tải trọng làm việc (sau khi đã xảy ra tổn hao ứng suất):

+ Ứng suất nén lớn nhất do tải trọng dài hạn: 0,45𝑓𝑐′

+ Ứng suất nén lớn nhất do tổng tải trọng: 0,60𝑓𝑐′

+ Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện không cho phép nứt: 0,5 𝑓𝑐′

+ Ứng suất kéo lớn nhất với tiết diện cho phép nứt: 𝑓𝑐′

Ứng suất có thể vượt quá ứng suất cho phép nếu phân tích và kiểm tra chứng tỏ được kết

cấu không bị hư hỏng

- Mô đun đàn hồi của bê tông:

Đặc trưng ứng suất - biến dạng của bê tông khi chịu nén không phải là tuyếntính nhưng

với tải trọng không vượt quá 30% cường độ phá hoại thì có thể giả thiếtbiến dạng là

tuyến tính Cần xác định đặc tính biến dạng của bê tông dưới tác dụngcủa tải trọng ngắn

hạn và tải trọng dài hạn để xác định cường độ chịu uốn và mô đunđàn hồi, từ đó tính toán

độ võng của cấu kiện ứng suất trước

Mô đun đàn hồi của bêtông tăng lên cùng với cường độ chịu nén trung bình của bê tông

nhưng với tốc độchậm hơn Theo tiêu chuẩn ACI 318-2002, mô đun đàn hồi của bê

tông:Ec=4730 𝑓𝑐′(Mpa)

 Thép cường độ cao:

Thép ứng suất trước có thể là sợi, cáp hoặc thanh thép hợp kim.Thép sợi sử dụng cho

bêtông ƯLT nói chung tuân theo tiêu chuẩn ASTM A-421 Sợi thép được quấn thành

cuộn và được cắt và lắp ở nhà máy hay tại hiện trường Trước khi thi công, sợi thép cần

được vệ sinh bề mặt để tăng lực dính kết với bê tông

Cáp ứng suất trước phổ biến nhất là loại cáp 7 sợi, có cường độ chịu kéo tới hạn

fpu là 1720Mpa và 1860Mpa, kết dính hoặc không kết dính

Hiện nay, ngoài loại cáp đơn 7 sợi còn có loại cáp bao gồm nhiều cáp đơn kết

hợp với nhau Loại cáp này có ưu điểm là mỏng, nhẹ và dẻo

Thép thanh sử dụngcho bê tông ƯLT tuân theotiêu chuẩn ASTM A-322 và A-29, với yêu

cầu có ứng suất phá hoại đạt tới 90% cường độ giới hạn Mặc dù cường độ giới hạn thực

tế thường đạt tới 1100 MPa, nhưng giá trị tiêu chuẩn nhỏ nhất thường lấy là 1000 MPa

Hầu hết các tiêu chuẩn thường đưa ra giới hạn chảy nhỏ nhất là 896 MPa mặc dù giá trị

thực tế còn cao hơn Độ giãn dài nhỏ nhất tại lúc phá hoại ở vị trí chiều dài bằng 20 lần

đường kính là 4%, với độ giảm nhỏ nhất của tiết diện tại lúc phá hoại là 25%

Thép cường độ cao được sản xuất từ hợp kim bao gồm mangan, silic, cacbon,…bằng

phương pháp cán nguội hoặc bằng phương pháp cán nóng và được tôi, làm cho cứng

Hình 2.7 Các loại cáp ứng suất trước

a_Cáp 7 sợi (cáp đơn) b_Cáp dẹp c_ Cáp nhiều sợi

Ứng suất kéo cho phép trong thép theo ACI:

+ Ứng suất lớn nhất do căng thép (trước khi truyền ứng suất) không được vượt quá số

nhỏ hơn của: 0.80fpu và 0.94fpy

+ Ứng suất kéo lớn nhất ngay sau khi truyền lực ứng suất trước không được vượt quá số

nhỏ hơn của: 0.74fpu và 0.82fpy

+ Ứng suất lớn nhất trong thép căng sau tại vùng neo ngay sau khi neo thép: 0.70fpu

Bảng II.1 Một số đặc tính của cáp ứng suất trước:

Loại cáp

EN318 hoặc

BS 5896 super

ASTM A416 Grade 270

EN318 hoặc

BS 5896 super

ASTM A416 Grade 270

o Ống gen:

Đối với bê tông ULT căng sau dính kết thì cần đặt sẵn ống gen trong bê tông Có 2 loại

ống gen thường dùng:

- Loại bằng tôn mỏng 0.2 - 0.3mm có pha chì để làm giảm masát cuộn mép và

cuốn theo kiểu xoắn ruột gà

- Ống gen bằng các loại ống kim loại, ống tròn trơn có bề dày 2 - 4mm Yêu cầu ống gen

là phải chống thấm tốt để giữ cho nước xi măng không thấm vào ống trong quá trình đổ

bê tông vàbảo vệ cáp, ống phải bền không bị hư hỏng biến dạng trong quá trình thi công

Tuy nhiên, ống lại phải mềm để đặt cong theo thiết kế và ma sát giữa ống gen với cáp

không được quá lớn

Hình 2.8 Cấu tạo ống gen

1_Ống gen; 2_Bó cáp; 3_Lỗ phụt vữa

o Vữa phụt

Sau khi căng cáp và neo, cần lấp đầy kẽ hở trong ống gen bằng vữa xi măng Vữa được

phụt vào ống gen dưới áp lực khoảng 6atm Cường độ của vữa sau 7 ngày ít nhất phải đạt

2000Mpa

II.3.4 Các thiết bị sử dụng tạo ứng suất trước:

II.3.4 1 Phương pháp căng trước:

Hệ thống tạo ƯLT bao gồm hai khối neo đặt cách nhau một khoảng cách nào đó, thép

ƯLT được căng giữa hai khối neo này trước khi đổ bê tông, lực căng được tạo bởi các

kích thuỷ lực hoặc kích vít lớn

II.3.4 2 Phương pháp căng sau:

Các thiết bị cần thiết đối với phương pháp căng sau bao gồm:

- Bơm và kích tạo ƯLT

- Neo

- Máy luồn cáp

Hình 2.12Máy kéo ứng suất trước loại đơn cáp

Máy luồn cáp và thiết bị để bơm vữa chỉ cần thiết đối với cấu kiện bê tông ƯLT sử

dụng cáp dính kết Cáp có thể được luồn vào ống dẫn trước khi đặt ống dẫn vào vị trí

hoặc sau khi đặt ống dẫn vào vị trí Nếu cáp ngắn thì không cần sử dụng máy luồn cáp

Neo được thiết kế để cố định cáp ở cả hai đầu cáp Đối với cáp không dài lắm (dưới

30m), có thể bố trí một đầu neo cố địnhvà một đầu neo công tác Khi cáp quá dài thì bố

trí neo công tác tạo ƯLT ở cả hai đầu để tránh tổn hao ứng suất do ma sát Cấu tạo neo

đơn giản, cáp cần phải dài quá đầu neo một đoạn và sẽ được cắt ngắn sau khi truyền lực

ứng suất Hiện nay neo công tác được sử dụng phổ biến nhất là hệ neo Freyssinet dùng

nêm hình côn để kẹp chặt sợi cáp Neo bao gồm bản đệm bằng thép có lỗ để cáp luồn

qua, nêm hình côn vàlò xo để tránh ứng suất cục bộ trong bê tông vùng neo Nêm hình

côn sẽ tự động dịch chuyển về phía bản đệm để khoá cáp và có tác dụng như một bộ phận

truyền ứng suất tự động Neo đựợc chế tạo để thuận lợi cho việc đo độ dãn dài của cáp và

gia tải ƯLT

Có 4 dạng thiết bị căng thép

- Căng bằng thiết bị cơ khí: thiết bị này thường bao gồm các khối nặng có hoặc không có

bộ truyền lực đòn bẩy, bộ truyền lực bánh răng kết hợp với khối ròng rọc có hoặc không

có bánh răng và máy cuốn sợi Thiết bị này được sử dụng chủ yếu đểsản xuất các thành

phẩm bê tông ƯLT trong nhà máy với quy mô lớn

- Căng bằng thiết bị thuỷ lực: đây là thiết bị đơn giản nhất để tạo ra lực ULT lớn, được

sử dụng rộng rãi Các kích thuỷ lực thông dụng có lực căng từ 5-100 tấn Các kích thuỷ

lực lớn có lực căng từ 200-600 tấn.Khi sử dụng kích thuỷ lực, quan trọng nhất là phải đo

chính xác lực căng trong suốt quá trình căng

- Căng bằng nguyên lý điện học: phương pháp này tạo lực ƯLT bằng cách nung nóng

cáp bằng dòng điện, cáp được neo trước khi đổ bê tông Thép được nung nóng ở nhiệt độ

300-4000C trong vòng 3-5 phút Thép sẽ giãn dài ra khoảng 0.4-0.5% Sau khi nguội,thép

sẽ co ngắn lại nhưng bị neo cản trở Thời gian thép nguội khoảng 12-15 phút Phương

pháp này có thể tạo ra ứng suất căng ban đầu từ 500-600 Mpa

- Căng bằng phương pháp hoá học: sử dụng xi măng trương nở để tạo ULT, độ

giãn nở được điều chỉnh bằng phượng pháp bảo dưỡng

Hình 2.13 Cấu tạo neo

a_neo công tác: b_Neo cấu tạo

1_Cáp:2_Đai xoắn;3_Bản thép đệm;4_Neo;5_Vữa xi măng bịt lỗ neo;6_Cấu kiện bê tông

II.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SÀN BÊTÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

II.4.1 Các quan niệm phân tích kết cấu bê tông ứng lực trước

Hiện nay, việc phân tích cấu kiện bê tông ULT dựa trên ba quan niệm cơ bản sau:

- Quan niệm thứ nhất:

Quan niệm này coi bê tông ƯLT 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 ƯLT 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 ngoài 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 ƯLT 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 ƯLT như một thành phần cân bằngvới một phần tải trọng tác dụng lên

cấu kiện trong quá trình sử dụng, tính toán theo phương pháp cân bằng tải trọng Đây là

phương pháp khá đơn giản và dễ sử dụng để tính toán, phân tích cấu kiện BT ƯLT Cáp

ULT 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 ƯLT phù hợp sẽ cân bằng được các tải

trọng tác dụng lên sàn, do đó độ võng của sàn tại mọi điểm đều bằng 0

Bảng II.2 Các hình dạng cáp và tải trọng cân bằng

Một số nhận xét

Việc thiết kế sàn bê tông ULT đều có thể sử dụng các quan niệm phân tích ở trên

Mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm riêng Vì vậy, vấn đề đặt ra đối với người

thiết kế là lựa chọn quan niệm nào để đơn giản hoá việc phân tích và tính toán, phù hợp

với công cụ thiết kế hiện có

Kết cấu BTCT nói chung và kết cấu bê tông ULT nói riêng được tính toán theo hai trạng

thái giới hạn:

- Trạng thái giới hạn thứ nhất: về khả năng chịu lực

- Trạng thái giới hạn thứ hai: về điều kiện sử dụng bình thường (điều kiện về biến dạng

võng và nứt)

Khi tính toán kết cấu bê tông ULT, tuỳ theo từng quan niệm tính toán có thể xuất phát từ

trạng thái giới hạn thứ nhất hoặc thứ hai rồi kiểm tra kết cấu với trạng thái còn lại

Quan niệm thứ nhất và thứ ba dễ dàng đánh giá sự là việc của cấu kiện trong giai đoạn

sử dụng nhưng không tính toán được trực tiếp khả năng chịu lực Với quan niệm thứ hai

thì việc kiểm tra trạng thái giới hạn thứ 2 phức tạp hơn

Phương pháp cân bằng tải trọng cho phép người thiết kế dự đoán được dễ dàng độ võng

của cấu kiện ngay từ khi chọn tải trọng cân bằng, nhất là đối với hệ kết cấu siêu tĩnh Ứng

với các giai đoạn làm việc của sàn có các trường hợp kiểm tra như sau:

- Kiểm tra lúc buông neo:

Lúc buông neo, sàn chịu tác dụng của các lực: lực ULT, trọng lượng bản thân sàn

- Kiểm tra trong giai đoạn sử dụng:

Vói các tải trọng: lực ULT, tĩnh tải tiêu chuẩn và hoạt tải tiêu chuẩn

- Kiểm tra khả năng chịu lực của sàn:

Khả năng chịu tải của sàn bao gồm khả năng chịu cắt và chịu uốn Lúc này, cấu kiện làm

việc cấu kiện chịu uốn BTCT thường Tải trọng tính toán bao gồm tĩnh tải tính toán và

hoạt tải tính toán

- Kiểm tra độ võng, nứt:

Độ võng của sàn bao gồm độ võng tức thời do hoạt tải và độ võng tổng cộng do tải

trọng thường xuyên Do lực ULT sẽ gây ra độ vồng trong cấu kiện nên một phần độ võng

do tải trọng bản thân của sàn được kháng lại bởi độ võng do lực ULT

Độ võng từ biến do tải trọng dài hạn được tính gần đúng bằng cách lấy độ võng do

tải trọng dài hạn nhân với hệ số từ biến

II.4.2 Các phương pháp tính toán nội lực trong sàn phẳng

Để phân tích sàn, tính toán nội lực, ứng suất trong sàn có thể sử dụng nhiều cách khác

nhau Dưới đây giới thiệu 3 phương pháp thông dụng hiện nay

II.4.2.1 Phương pháp phân phối trực tiếp:

Trong tính toán bản sàn theo phương pháp phân phối trực tiếp, mômen uốn M0của từng ô

bản được phân phối cho các miền mômen âm và mômen dương dựa trên bảng tra các hệ

số được lập sẵn Phương pháp phân phối trực tiếp mang tính ứng dụng cao, dễ sử dụng và

đơn giản Tuy nhiên phạm vi sử dụnghơi bị hạn chế

Phương pháp phân phối trực tiếp theo tiêu chuẩn ACI:

Để đảm bảo khả năng chịu uốn của sàn ở trạng thái giới hạn đủ để chịu được mômen âm

và mômen dương do tải trọng bất lợi nhất gây ra, tiêu chuẩn ACI đưa ra các điều kiện

sau:

- Phải có ít nhất 3 nhịp liên tục theo mỗi phương

- Các nhịp phải đều nhau Theo từng phương, các nhịp kề nhau không được chênh nhau

quá 1/3 chiều dài nhịp lớn hơn

- Tất cả các tải trọng đều là tải trọng đứng, hoạt tải phải là tải trọng phân bố đều và nhỏ

hơn 2 lần tĩnh tải

- Các ô sàn phải là hình chữ nhật, tỷlệ nhịp dài và nhịp ngắn không được vượt quá 2

- Cột không được lệch vị trí quá 10% khoảng cách giữa các đường tim cột của các cột kế

tiếp nhau theo mỗi phương

Quy trình tính toán theo phương pháp phân phối trực tiếp

 Xác định mômen tổng cộng

Mô men tổng cộng do tải trọng tính toán M0:

2 2 0

w8

ln: chiều dài thông thuỷ của nhịp, được tính là khoảng cách giữa 2 mặt trong của

gối tựa (cột, mũ cột, hoặc vách) nhưng không được nhỏ hơn 0,65l11(l1là khoảng

cách tâm 2 gối tựa)

 Phân phối mômen cho các ô bản:

Đối với các nhịp trong, mô men M0 được phân phối 65% cho mô men âm và 35%

cho mômen dương Giá trị này xấp xỉ như dầm ngàm 2 đầu chịu tải trọng phân bố dựa

trên giả thiết góc xoay của các điểm liên kết phía trong là không đáng kể Tiết diện tới

hạn đối với mô men âm là tiết diện tại vị trí mặt gối tựa (cột, tường, mũ cột) của bản sàn

Với cột tròn, tiết diện tới hạn đối với mô men âm nằm tại vị trí cạnh hình vuông tương

đương

Đối với các cột biên, lực chỉ tác dụng lên cột ở một phía nên sẽ gây ra mômen

không cân bằng Góc xoay sẽ làm giảm mômen âm và tăng mômen dương ở giữa nhịp và

ở gối trong đầu tiên Độ lớn góc xoay của cột biên phụ thuộc vào độ cứng của cột tương

đương Nếu độ cứng của cột lớn so với độ cứng của dầm - bản, cột sẽ ngăn cản góc xoay

của biên ngoài của sàn và đóng vai trò như một liên kết ngàm, tỷ lệ phân phối mô men

M0 sẽ tương tự như các nhịp trong (65% tại gối và 35% tại nhịp) Ngược lại, nếu độ cứng

của cột không đủ lớn, cột đóng vai trò như một gối cố định Lúc này, mômen tại gối

ngoài sẽ bằng 0, mômen giữa nhịp là 0,63M0, mômen tại gối trong đầu tiên bằng 0,75M0

Nếu sàn không có dầm biên, tỷ lệ phân phối lần lượt cho các tiết diện trên sẽ là

0,26M0;0,50M0; 0,70M0 Nếu sàn có dầm biên: 0,30M0; 0,50M0; 0,70M0

 Phân phối mô men cho các dải nhịp và dải cột:

Sau khi phân phối mô men cho các ô bản, cần phân phối mô men cho các dải nhịp và dải

cột của ô bản

Hình 2.14 Sơ đồ dải cột và dải nhịp

Sự phân phối mô men âm và mô men dương cho các dải cột phụ thuộc vào tỷ số l2/l1 và

αl2/l1, với sàn không dầm α=0 Sau khi phân phối mô men cho dải cột, lượng mômen còn

lại sẽ phân phối cho dải nhịp

- Đối với mô men dương, 60% sẽ phân phối cho dải cột

- Đối với mô men âm:

Đối với nhịp giữa, 75% mô men âm phân phối cho dải cột

Đối với nhịp biên, sự phân phối mô men phụ thuộc l2/l1,αl2/l1, độ cứng chống

xoắn của dầm biên βt

2

cb t

cs s

E I

   (II-2) Trong đó: Ecb và Ecs : mô đun đàn hồi của bê tông dầm và bê tông sàn

Is : mô men quán tính của dầm bản

C: hằng số liên quan đến độ cứng chống xoắn của dầm biên

𝐶 = (1 − 0,63𝑥

𝑦)𝑥3𝑦

3 (II-3) Với x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện chữ nhật thành phần trong tiết diện

ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột

Nếu βtrất nhỏ, gần bằng 0, 100% mômen âmsẽ phân phối cho dải cột Nếu

βt ≥2.5 thì 75% mô men âm sẽ phân bố cho dải cột

II.4.2.2 Phương pháp khung tương đương:

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

Hình 2.15 Sơ đồ khung tương đương

 Mô men quán tính của 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

mômen quán tính tại mặt cột hoặc tại mặt mũ cột chia cho (1 - c2/l2)2, trong đó c2 là kích

thước của cột hoặc mũ cột, l2 là kích thước nhịp theo phương đang xét

 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

Trong đó: Kec : độ cứng của cột tương đương

𝐾𝑐 : tổng độ cứng của cột phía trên và phía dưới sàn

Độ cứng của cột : Kc = kcEI/lc , với cột tiết diện không đổi thì kc = 4

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

3 2 2 2

9 1

cs t

K

c l l

C: mô men chống xoắn của cánh tay đòn

Với tiết diện hình chữ nhật:

3

1 0.63

3

x x y C

Trong đó x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện chữ nhật thành phần trong tiết diện

ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột

Nếu có dầm theo phương vuông góc với phương tính toán chạy qua cột thì Kt nên tăng

lên Isb/Isvới Is là mô men quán tính của bản không kể đến thân dầm, Isblà mô men quán

tính đồng thời của bản và dầm

 Tính toán mô men trong khung tương đương:

Có thể sử dụng máy tính với các chương trình tính toán theo phương pháp phần tử hữu

hạn để xác định mô men trong khung tương đương

II.4.2.3 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 Phuơng 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 phuơng pháp này là chia vật thể

biến dạng thành nhiều phần tử có kích thuớc hữu hạn gọi là phần tử hữu hạn Các phần tử

này đuợc 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, nhung 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 đuợc 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

II.4.3 Thiết kế bê tông ứng suất trước với lưới cột đều đặn và lưới cột ngẫu nhiên

II.4.3.1 Thiết kế bê tông ứng suất trước với lưới cột đều đặn:

Các phương pháp thiết kế: phân phối trực tiếp, khung tương đương và PTHH đều có

thể sử dụng trong thiết kế sàn bê tông ULT và đều dựa trên quan niệm bê tông ULT là vật

liệu đàn hồi Phương pháp phân phối trực tiếp có phạm vi áp dụng hẹp hơn 2 phương

pháp còn lại và khó khăn trong việc tính toán bản sàn theo trạng thái giới hạn thứ 2 (kiểm

tra võng và nứt) Phương pháp khung tương đương có phạm vi áp dụng rộng rãi hơn, có

thể xác định được tải trọng ở các giai đoạn làm việc và cho phép người thiết kế đánh giá

được độ võng của sàn một cách trực quan thông qua việc áp dụng các chương trình máy

tính

Hiện nay, phương pháp phổ biến và hiệu quả để thiết kế sàn bê tông ULT là phương

pháp cân bằng tải trọng, sử dụng khung tương đương để phân phối mô men do lực ULT

và do các tải trọng tác dụng lên sàn

II.4.3.1.1 Quy trình thiết kế

1- Chọn sơ bộ chiều dày sàn

Bảng II.3 Độ dày tối thiểu của sàn BT ULT

Trong tỷ lệ nhịp/chiều dày sàn thì nhịp là nhịp dài của ô sàn

2- Xác định tải trọng cân bằng w

3- Chọn hình dạng cáp và tính toán ULT yêu cầu

Hình dạng cáp càng gần với biểu đồ mô men do tải trọng ngoài gây ra càng tốt

- Đối với sàn liên tục chịu tải phânbố đều, cáp có thể bố trí như sau:

Hình 2.17 Sơ đồ cáp với sàn liên tục

Lực ULT yêu cầu:

2

wL8

yc

P

s

 (II-8)

Độ võng s trong công thức trên có thể là s1 hoặc s2

- Đối với bản công xôn:

Hình 2.18 Sơ đồ cáp đối với bản công xôn

Lực ULT yêu cầu:

2

wL2

yc

P

s

 (II-9)

s là khoảng cách từ trọng tâm ô bản đến trọng tâm bó cáp ƯLT

4- Tính toán các tổn hao ƯLT

Chọn ứng suất căng ban đầu: f pl ≤ 0.8f pu(II-1UWLT

fpu là giới hạn bền của thép ƯLT

Tính các hao ƯLT:

- Hao do ma sát

- Hao do biến dạng neo

- Hao do các nguyên nhân khác: do co ngót của bê tông, do từ biến của bê tông, do

Lực ULT của một cáp: P1cap = fse x A1(II-12)

Lực căng yêu cầu cho dầm – bản rộng 1m: P = Pyc x l(II-13)

Số lượng cáp cần thiết: n = P/P1cap (II-14)

Cáp ULT qua cột hoặc xung quanh mép cột góp phần lớn hơn vào khả năng chịu tải so

với thép ULT ở xa cột Vì vậy nên bố trí khoảng 65-75% cáp cho dải cột, còn lại bố trí

cho dải giữa

6- Kiểm tra các giai đoạn làm việc của sàn, khả năng chịu lực, võng, nứt

Sử dụng khung tương đương để tính toán, kiểm tra sàn

- Kiểm tra các giai đoạn làm việc của sàn: Sàn được kiểm tra lúc buông neo và trong giai

đoạn sửdụng Trong các giai đoạn làm việc của sàn, ứng suất trong bê tông không được

vượt quá giá trị cho phép trong phần II.3.3

Ứng suất trong bê tông: f P M

- Kiểm tra khả năng chịu lực của sàn:

+ Khả năng chịu uốn:

Coi vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, mô men do tải trọng tính toán gây ra không

được vượt quá mô men giới hạn Mf ≤ Mu (II-17)

Hình 2.20 Khả năng chịu uốn của tiết diện chữ nhật

γP: hệ số phụ thuộc vào loại cáp ƯLT, có các giá trị

= 0,55 nếu (fpy/fpu) ≥ 0,80

= 0,40 nếu (fpy/fpu) ≥ 0,85

d d

Nếu

'

' 1

 ứng suất trong thép chịu nén nhỏ

hơn fy, có thể bỏ qua hiệu quả của thép chịu nén và có thể xác định momen nứt theo công

thức II.19

Đối với cáp không dính kết:

Nếu tỷ lệ (nhịp/chiều cao tiết diện) 35, ứng suất phá hoại trong cáp:

' 70 100.

Nếu tỷ lệ (nhịp/chiều cao tiết diện) 35, ứng suất phá hoại trong cáp:

' 70 300.

Nếu hàm lượng thép vượt quá 0,36β1, momen giới hạn:

Ac: Diện tích tiết diện giới hạn bao quanh cột

Jc: momen quán tính của tiết diện giới hạn bao quanh cột

M: Tổng momen truyền vào cột

α: hệ số truyền momen do ứng suất cắt