Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng lực trước

Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phương án kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước thường người thiết kế hay dùng một cấp bền cho kết cấu cột và sàn, điều nà

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trương Hoài Chính

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Chính

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 11 tháng 03 năm 2018

Có thể tìm hiểu Luận văn tại:

Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, việc sử dụng sàn bê tông ứng lực trước trong nhà nhiều tầng đem lại nhiều thuận lợi hơn so với sàn bê tông cốt thép thông thường Hệ thống sàn bê tông ứng lực trước rất phù hợp cho sàn nhà nhiều tầng với tải trọng động và cần không gian lớn, cũng như các kết cấu cần vượt nhịp lớn

Đối với các công trình xây dựng có quy mô và số tầng lớn, với phương án kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước thường người thiết kế hay dùng một cấp bền cho kết cấu cột và sàn, điều này dẫn đến sự bất hợp lý trong việc tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu Cần lựa chọn sử dụng cấp độ bền khác nhau giữa cột và sàn phẳng bê tông ứng lực trước đảm bảo điều kiện cường độ và khả năng biến dạng đảm bảo độ bền tối thiểu theo yêu cầu của tiêu chuẩn ACI 318

Trong kết cấu nhà nhiều tầng hiện nay sử dụng sàn phẳng ứng lực trước, thường cấp bền trong cột bê tông cốt thép lớn hơn cấp bền của sàn ứng lực trước, và sự bất hợp lý trong liên kết cột với sàn như chọc thủng, tăng cáp, tăng thép thường, …Vì vậy, cần chọn một cấp bền nén trong sàn hợp lý để thỏa mãn điều kiện liên kết và kinh tế

Việc nghiên cứu đề tài “Lựa chọn cấp bền nén hợp lý cho sàn bê tông ứng lực trước” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Tính toán, lựa chọn cấp bền nén hợp lý của bê tông sàn phẳng ứng lực trước trong nhà nhiều tầng và từ đó đưa ra nhận xét và kiến nghị

3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu:

Thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trước trong nhà nhiều tầng

- Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu sử dụng cấp bền chịu nén hợp lý trong việc thiết

kế sàn phẳng bê tông ứng lực trước (xét tại vị trí liên kết với cột nhà nhiều tầng)

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán sàn phẳng bê tông ứng lực trước;

- Thí dụ bằng số để kiểm chứng kết quả

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Sàn phẳng bê tông ƯLT với nhiều ưu điểm nên đã được sử dụng nhiều trong công trình nhà cao tầng và công trình công cộng Dựa vào kết quả nghiên cứu sẽ giúp người thiết kế có cái nhìn tổng quan về cấp bền chịu nén của bê tông sàn phẳng bê tông ƯLT so với cấp bền chịu nén của bê tông cột trong kết cấu nhà nhiều tầng Từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị khi thiết kế kết cấu sàn phẳng bê tông ƯLT

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn gồm có 3 Chương:

Chương 1, Tổng quan về sàn bê tông ứng lực trước

Chương 2, Cơ sở lý thuyết về tính toán sàn bê tông ứng lực trước

Chương 3, Ví dụ tính toán

Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1 GIỚI THIỆU KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

1.1.1 Giới thiệu về kết cấu bê tông ứng lực trước

Cấu kiện bê tông cốt thép là sự kết hợp khả năng chịu kéo của cốt thép và chịu nén của bê tông Tuy nhiên, BTCT là sự kết hợp đơn thuần giữa bê tông và cốt thép để chúng cùng làm việc một cách bị động.Việc xuất hiện sớm các vết nứt trong kết cấu BTCT do sự biến dạng không tương thích giữa thép và bê tông là một trong những lý

do ứng dụng loại vật liệu mới là bê tông ứng lực trước

Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước, còn gọi là kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước, hay bê tông tiền áp, hoặc bê tông dự ứng lực (tên gọi Hán Việt) là kết cấu bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp tích cực,có chủ ý giữa bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ cao Trong cấu kiện bê tông ƯLT, người ta đặt vào một lực nén trước bằng việc kéo các sợi cáp bằng thép cường độ cao đặt trong lòng các cấu kiện bê tông một cách phù hợp Lực nén này gây ra ứng suất nén trước trong bê tông và sẽ làm triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng tác dụng lên

Do vậy, sử dụng bê tông ƯLT sẽ làm tăng khả năng làm việc của cấu kiện cũng như tăng độ ổn định Nhờ hạn chế được độ võng, giảm kích thước tiết diện nên các kết cấu vượt nhịp lớn hơn hay khẩu

độ lớn hơn, làm tăng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật so với bê tông cốt thép thường

1.1.2 Nguyên lý làm việc

Bê tông thường có cường độ chịu kéo rất nhỏ so với cường độ chịu nén Đó là nhân tố dẫn đến việc xuất hiện một loại vật liệu hỗn hợp là “bê tông cốt thép”

Việc xuất hiện sớm của các vết nứt trong bê tông cốt thép do biến dạng không tương thích giữa thép và bê tông là điểm khởi đầu cho việc xuất hiện một loại vật liệu mới là “bê tông ứng lực trước” Việc tạo ra một ứng suất nén cố định cho một vật liệu chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém như bê tông sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu kéo vì ứng suất kéo xảy ra sau khi ứng suất nén đã bị vô hiệu

1 Kết cấu chịu lực phân bố đều ;

2 Biến dạng của kết cấu bê tông cốt thép thường ;

3 Kéo căng cốt thép cường độ cao;

4 Buông cốt thép ứng lực trước ;

5 Biến dạng của bê tông cốt thép ứng lực trước;

6 Tải trọng tác dụng vào bê tông cốt thép ứng lực trước

Hình 1.1 Bê tông cốt thép ứng lực trước

Hình 1.2 Sơ đồ gây ứng lực trước trong cấu kiện bê tông chịu

nén bằng cốt thép cường độ cao

1.1.3 Sự hình thành, phát triển của kết tông ứng lực trước trên thế giới

1.1.4 Tình hình sử dụng bê tông ứng lực ở Việt Nam

Hình 1.3.Tòa nhà Keangnam, Hà Nội

Hình 1.4 Tòa nhà F.HOME, Đà Nẵng

1.2 PHÂN LOẠI KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

1.2.1 Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trước

a Bê tông ứng lực trước căng trước

- Trước khi buông cốt thép ứng lực trước

- Sau khi buông cốt thép ứng lực trước

Hình 1.5 Sơ đồ phương pháp căng trước

b Bê tông ứng lực trước căng sau

Trong quá trình căng Sau khi căng

1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

1.3.1 Ưu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thường

Hình 1.7 Dầm sàn bê tông cốt thép thông thường và sàn bê

Chương 2 sẽ tiếp tục nghiên cứu về cơ sở lý thuyết tính toán sàn phẳng bê tông ƯLT

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN SÀN BÊ TÔNG

ỨNG LỰC TRƯỚC 2.1 VẬT LIỆU TRONG BÊ TÔNG ỨNG LỰC

2.1.1 Bê tông cường độ cao

a Đặc tính yêu cầu của bê tông ứng lực trước

b Ứng suất cho phép trong bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318M - 08

c Mô đun đàn hồi của bê tông

2.1.2 Thép ứng lực trước

a Phân loại thép ứng lực trước

b Đặc tính yêu cầu của thép ứng lực trước

c Ứng suất cho phép trong thép ƯLT theo ACI 318M-08 2.1.3 Các vật liệu khác

2.2 CÁC QUAN NIỆM PHÂN TÍCH KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

2.2.1 Quan niệm thứ nhất

2.2.2 Quan niệm thứ hai

2.2.3 Quan niệm thứ ba

a Phân tích theo phương pháp ứng suất cho phép

b Phân tích theo phương pháp cân bằng tải trọng

c Quy trình tính toán theo phương pháp cân bằng tải trọng

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỘI LỰC

TRONG SÀN PHẲNG

2.3.1 Phương pháp phân phối trực tiếp

2.3.2 Phương pháp khung tương đương

a Mô men quán tính của dầm - bản

Mô men quán tính của dầm - bản thay đổi dọc theo trục do ảnh hưởng của kích thước các bộ phận kết cấu cột, mũ cột và bản mũ cột (nếu có) Độ cứng của dầm tương đương được xác định theo công thức:

2

4

1 1

c L

I E

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

Việc phân phối mô men của các bộ phận khung (dầm tương đương và cột) được căn cứ vào độ cứng chống uốn của chúng

Độ cứng của cột tương đương được tính như sau:

trong đó:

- K : Độ cứng của cột tương đương;

- Kc: Tổng các độ cứng uốn của cột ở phía trên và phía dưới của bản đang xét

4 2

c c c

c

E l K

9

cs t

E C K

c

l l l







Nếu dầm biên theo phương vuông góc với khung đang xét thì

Kt được tăng lên Isb/Is, với 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, ta có:







c s

sb t

I

I K K

1 1

sử dụng có thể kiểm soát được các giá trị tính toán khi có sự thay đổi các thông số đầu vào Từ đó dễ dàng kiểm tra, xử lý các số liệu nhanh chóng giúp bài toán thiết kế sàn bê tông ƯLT trở nên đơn giản hơn và cho ra kết quả đáng tin cậy hơn

Tuy nhiên, do việc mô hình hóa cáp trong phương pháp PTHH

là rất khó khăn, nhất là việc tính toán, phân tích phải trải qua các giai đoạn làm việc khác nhau của kết cấu nên ở đây sử dụng phương pháp cân bằng tải trọng và khung tương đương để phân phối momen do ứng lực trước tác dụng lên sàn

Bên cạnh đó, công trình chịu tác dụng của tải trọng ngang gây

ra lực nén và momen trên sàn Đối với sàn dầm ta cũng có thể bỏ qua thành phần momen do tải trọng ngang gây ra với cách hiểu là tại nút khung momen cột cân bằng với momen dầm Đối với trường hợp sàn không dầm do không có được điều này để cân bằng tại nút khung, trong sàn phải xuất hiện giá trị momen.Việc xác định momen trên sàn có thể sử dụng phương pháp giải tích bằng các phương trình cân bằng tại nút khung khi đã biết các giá trị momen trên cột

Trong Chương 3, sẽ trình bày phương pháp khung tương đương với sự trợ giúp của phần mềm SAP2000 để xác định nội lực trong dầm cột của khung, đồng thời ứng dụng phần mềm SAFE để tính toán kiểm tra nội lực trong sàn khi thay đổi cấp bền nén trong

sàn để từ đó đưa ra nhận xét, kiến nghị về sự "lựa chọn cấp bền nén hợp lí cho sàn phẳng bê tông ứng lực trước"

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3.1 SƠ ĐỒ - CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN

3.1.1 Sơ đồ mặt bằng

Xét một công trình nhà 15 tầng sử dụng sàn phẳng bê tông ứng lực trước Chiều cao các tầng hc = 3,9m Chọn vật liệu bê tông cột có cấp độ bền chịu nén B40 từ móng đến mái với các thông số tính toán thể hiện ở bảng 9, kích thước cột sơ bộ được tính qua bảng

10

Mặt bằng sàn bố trí như hình 3.1, trong mặt bằng sàn có thiết

kế lỗ mở cho cầu thang máy ở giữa

Sàn theo phương X gồm 3 nhịp, mỗi nhịp rộng 11m;

Sàn theo phương Y gồm 3 nhịp, mỗi nhịp rộng 11m;

Áp dụng tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2008

- Cáp ƯLT sử dụng cáp T15 không dính kết có các đặc trưng sau:

+ Cáp đơn 7 sợi, đường kính danh nghĩa 15,2mm với diện tích tiết diện 140mm2, đặt trong ống nhựa Ø20mm

+ Giới hạn bền fpu = 1860 MPa;

+ Giới hạn chảy fpy = 1690 MPa;

+ Mô đun đàn hồi Eps = 2.105 MPa;

- Thiết bị tạo ứng lực trước với độ chuyển dịch neo cho phép

Cấp độ bền chịu nén của bê tông sàn Cấp độ bền chịu

nén của bê tông cột Loại 1 Loại 2 Loại 3

(M350) (M400) (M450) (M500) Trọng lượng riêng kN/m 3

Vậy ta có được các giá trị tải trọng sau:

- Trọng lượng bản thân sàn: 5,5 (kN/m2)

- Tổng tĩnh tải tiêu chuẩn: wD = 8,7 (kN/m2)

- Hoạt tải tiêu chuẩn: wL = 2 (kN/m2)

- Tổng tải trọng tiêu chuẩn : ww = wD + wL = 8,7 + 2 = 10,7 (kN/m2)

- Tổng tải trọng tính toán toàn phần :

wu = 1,2wD + 1,6wL = 1,2x8,7 + 1,6x2 = 13,64(kN/m2)

e Tải trọng gió tác dụng lên bản sàn

3.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG (KHUNG TRỤC B)

Tổng tĩnh tải w D 8.7

- Độ cứng xoắn của bản được tính theo công thức

K L I

E



Cột vuông tương đương có cạnh: hcc 412 Icc

*Xác định cột tương đương tại sàn tầng 10 tương ứng tiết diện cột là 700x700mm.

- Cáp uốn cách tâm cột 0,1L = 0,1 x 11000 = 1100 mm

- Cáp lệch tâm lớn nhất tại giữa nhịp

- Cáp đặt theo 2 phương X và Y, cáp theo phương X nằm dưới, cáp theo phương Y nằm trên

- Đối với dải bản theo phương X:

+ Độ lệch tâm của cáp tại nhịp:

s   e e 120 mm

- Đối với dải bản theo phương Y:

+ Độ lệch tâm của cáp tại nhịp:

Lấy fpi = 0,8fpu =0,8 x 1860 = 1488(MPa)

b Tổn hao ứng suất lúc căng cáp

c Tổn hao ứng suất dài hạn

e cap

F n P

Theo tiêu chuẩn ACI318-02, mục 11.12.6 quy định:

Điều kiện chịu cắt cho cột biên:

u c

c

J

c Vg M A

V

Điều kiện chịu cắt cho cột giữa:

u c

c

J

Mc A

- Mô men tổng cộng tại trục cột: M = 760880,3N/m2

Hình 3.2 Tiết diện chịu cắt của cột biên 1000x1000mm

- Ứng suất cắt tác dụng theo chu vi tính toán quy ước:

Vậy điều kiện chịu cắt được đảm bảo, sàn phẳng bê tông

ƯLT không bị chọc thủng tại vị trí cột góc

b Lực cắt tại cột giữa

- Lực cắt tổng cộng tại cột góc: V = 960865N

- Mô men tổng cộng tại trục cột: M = 1799055,3N/m2

Hình 3.3 Tiết diện chịu cắt của cột giữa 1000x1000mm

- Ứng suất cắt tác dụng theo chu vi tính toán quy ước:

Vậy điều kiện chịu cắt được đảm bảo, sàn phẳng bê tông

ƯLT không bị chọc thủng tại vị trí cột giữa

c Xét cấp bền nén của bê tông sàn B30 và B25

Tương tự tính toán như trên Ta có được bảng kết quả sau:

Bảng 3.3 Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 2

Nhận xét:

- Kết quả tính toán khả năng chịu cắt của bê tông cột tầng 2 với kích thước cột 1000x1000 đều cho kết quả đảm bảo, sàn không bị chọc thủng tại vị trí cột biên và cột giữa

- Tiếp tục tính toán kiểm tra khả năng chịu cắt của sàn tầng 10 với kích thước cột 700x700mm

3.4.3 Tính toán kiểm tra tại sàn tầng 10 tương ứng với kích thước cột 700x700mm

* Chọn cấp bền bê tông cột B40, bê tông sàn là B35

a Lực cắt tại cột biên

- Lực cắt tổng cộng tại cột góc: V = 756137 N

- Mô men tổng cộng tại trục cột: M = 599666,7 N/m2

- Ta có c/u = 1,3 / 1,63 = 0,8 <1

Vậy điều kiện chịu cắt được đảm bảo, sàn phẳng bê tông

ƯLT không bị chọc thủng tại vị trí cột góc

b Lực cắt tại cột giữa

- Lực cắt tổng cộng tại cột góc: V = 976834 N

- Mô men tổng cộng tại trục cột: M = 1813499,9 N/m2

- Ta có c/u = 1,3 / 2,17 = 0,8 <1

Vậy điều kiện chịu cắt được đảm bảo, sàn phẳng bê tông

ƯLT không bị chọc thủng tại vị trí cột giữa

c Xét cấp bền nén của cấp bền bê tông B30 và B25

Tương tự tính toán như trên Ta có được bảng kết quả sau:

Bảng 3.4 Kết quả phân tích khả năng chịu cắt của sàn tầng 10

Nhận xét:

- Kết quả tính toán khả năng chịu cắt của bê tông sàn tầng 10 với kích thước cột 700x700mm với cấp bền chịu nén B35 cho kết quả đảm bảo, sàn không bị chọc thủng tại cột giữa và cột biên; với cấp bền chịu nén B30, B25 thì cho kết quả không thỏa mãn điều kiện chọc thủng cả hai vị trí cột giữa và cột biên

3.5 KIỂM TRA ĐỘ VÕNG CỦA SÀN

Hình 3.4 Bảng chuyển vị của sàn tương ứng cấp bền nén B35 Bảng 3.5 Kết quả phân tích độ võng tương ứng với từng cấp

độ bền chịu nén của bê tông

Nhận xét:

- Qua bảng phân tích độ võng trên, nhận thấy chỉ có cấp độ bền chịu nén B35 đảm bảo độ võng cho phép so với B30 và B25

3.6 LẬP BẢNG SO SÁNH

Sau khi thực hiện thiết kế sàn phẳng bê tông ứng lực trước cho

hệ sàn phẳng không dầm với mỗi phương có ba nhịp, chiều rộng mỗi nhịp đều là 11 mét Với chiều dày sàn chọn ban đầu là hs=220mm Khảo sát các trường hợp cấp độ bền chịu nén của sàn là B35, B30, B25

- Qua kết quả của ví dụ tính toán trên, với chiều dày sàn hs=220mm, khi ta thay đổi cấp bền nén trong sàn phẳng bê tông ƯLT cho các kết quả về điều kiện chọc thủng và độ võng là khác