Thực hành thiết kế sàn BT ULT

Bên cạnh đó, sàn bêtông thông thường được mô hình và thiết kế theo các đường truyền tải quy ước, không như với Kính và Thép đường truyền tải được xác định rõ ràng từ phân tích tính toán.

Kết cấu bêtông ứng lực trước (ULT) giờ cũng không còn mới và đã phổ biến trên thịtrường Xin chia sẻ một vài kinh nghiệm và kiến thức cá nhân thu thập được trong quátrình làm việc để anh em Kết cấu sư có thể đẩy nhanh việc thiết kế sàn ULT một cáchđơn giản cũng như phục vụ thông tin cho người có nhu cầu tìm hiểu (chủ đầu tư và cácKTS).

Phần 1: TỔNG QUAN VỀ SÀN BÊTÔNG ULT

1.1 Đặc điểm Thiết kế Kết cấu sàn bêtông cốt thép

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 bìnhthường và hợp lý nhất về kinh tế An toàn được hiểu là khả năng chịu được tải trọng thiết

kế (tải trọng lớn nhất theo tiêu chuẩn thiết kế quy định) mà không bị hư hại vượt ngưỡngcho phép, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH1) Khả năng sử dụng đạt đượckhi Kết cấu làm việc bình thường trong suốt tuổi thọ của nó, còn gọi là trạng thái giới hạnthứ 2 (TTGH2) Tính kinh tế thể hiện tỷ lệ cao giữa giá trị đạt được khi áp dụng mộtphương án thiết kế so với chi phí bỏ ra

Ngoài ra tính pháp lý của hồ sơ thiết kế cũng là một yếu tố quan trọng Thiết kế phải đảmbảo các quy định do tiêu chuẩn Nhà nước đặt ra Tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hànhthường lạc hậu so với Kỹ thuật xây dựng thực tế, đặc biệt với kết cấu bêtông ứng lựctrước, các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam lỗi thời và không đủ Do đó việc áp dụngtiêu chuẩn nước ngoài là cần thiết, cũng phù hợp với đặc thù của vật liệu cáp ứng lựctrước hoàn toàn là nhập khẩu

1.1.2 Đặc điểm của Bêtông so với các vật liệu khác

Thử ví dụ so sánh 3 loại vật liệu: Bêtông, thép, kính để biết được những đặc trưng của vậtliệu bêtông Ví dụ về một ô sàn như hình 1.1.1 dưới đây

A Kính

Khả năng sử dụng bình thường (TTGH2) yêu cầu độ võng sàn không vượt quá ngưỡngcho phép Tính an toàn được đo bằng tải trọng gây ra nứt cho kính: vết nứt đầu tiên xuấthiện sẽ ngay lập tức lan rộng và phá hoại vật liệu Nứt xảy ra ở tải trọng phát sinh ứngsuất kéo trên bề mặt đạt đến giá trị đặc trưng cho vật liệu của kính, tại một điểm nào đó.Với kính, điều cần thiết khi thiết kế là xác định ứng suất chính xác tại các điểm trên bềmặt tấm sàn, do sự làm việc khác biệt của kính so với vật liệu khác khi tải trọng tăng dần

Do đó phải mô hình chính xác về hình học, gối tựa vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến kết quảphân tích ứng suất

B Thép

Nếu vùng sàn thiết kế bằng vật liệu thép, TTGH2 của sàn được quyết định bởi độ võng

do tải trọng dài hạn Tính an toàn được xác định bởi độ võng vượt quá giới hạn tại tảitrọng tức thời (có hệ số vượt tải)

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

Nội dung căn bản của thiết kế kết cấu thép là sau khi lựa chọn chiều dày sàn và vị trí gốitựa, sẽ tiến hành tính toán kiểm tra xem ứng suất tính toán có nhỏ hơn giá trị giới hạn của

vật liệu không Đây là khác biệt căn bản của thiết kế kết cấu thép so với kết cấu bêtôngnhư trình bày dưới đây.

Hình 1.1.1 - Mô hình của vùng sàn thiết kế

C Bêtông

Thiết kế tấm sàn bêtông gồm 2 mục cơ bản: (i) Về điều kiện làm việc (TTGH2), độ võng

và chiều rộng vết nứt nằm trong giới hạn cho phép (ii) Dưới tác dụng của tải trọng tứcthời (có hệ số vượt tải), tấm sàn không bị phá hoại

Việc xác định ứng suất cục bộ không có ý nghĩa trong việc tính toán độ võng và chiều

rộng vết nứt dưới tải trọng làm việc Sự không đồng nhất của vật liệu bêtông và một vàivết nứt nhỏ làm cho việc phân tích kết cấu theo mô hình đàn hồi thông thường là khôngchính xác Bên cạnh đó, sàn bêtông thông thường được mô hình và thiết kế theo các

đường truyền tải quy ước, không như với Kính và Thép đường truyền tải được xác định

rõ ràng từ phân tích tính toán

Trong hình vẽ ví dụ, hai phương án cho đường truyền tải trọng như thể hiện trên hình vẽ.Hình thứ 2, sàn được mô hình như một dải với nhịp từ vách A đến vách B Kết cấu sư làngười chỉ định đường truyền tải trọng về 2 gối tựa này Với đường truyền tải này, cốt

thép bố trí đảm bảo an toàn sẽ là thép chủ lớp dưới như trong hình Vách C không thuộcđường truyền tải quy ước này nhưng thực tế nó tham gia chịu tải và sàn 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 không thể thiếu trong kết cấu bêtông cốt thép, được dùng với mục đíchcải thiện khả năng làm việc của kết cấu và phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm Kết cấu

sư, nhiệm vụ chính của nó là đảm bảo:

- Đường truyền tải trọng quy ước bởi Kết cấu sư trên thực tế có thể truyền được tải trọnglớn 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 chuẩnthiết kế quy định hàm lượng cốt thép cấu tạo tối thiểu trong mỗi tiết diện bêtông để đảmbảo tiết diện bêtông chỉ bị phá hoại dẻo Đó là khả năng tiết diện có một biến dạng nhấtđịnh trước và khi vượt quá cường độ của nó trước khi bị phá hoại Điều này giúp phân bốlại tải trọng trong sàn và huy động sự làm việc của dải sàn theo đường truyền tải trọng màngười thiết kế đã chọn

Hình 1.1.2 ví dụ các trường hợp thép cấu tạo cho việc triển khai đường truyền tải trọng.Ảnh hưởng của tải trọng tập trung được phân bố trên chiều rộng của đường truyền tải quyước thông qua cốt thép phân bố cấu tạo đặt dưới tải trọng tập trung đó Cốt thép này đảmbảo đường truyền tải giữa 2 vách A và B có thể cụ thể hoá như Kết cấu sư đã chọn Hình1.1.2 (b) minh hoạ 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 bêtông vì việc bố trí cốt thép sàn quyếtđịnh phương và độ lớn của khả năng chịu tải của sàn Thông thường có nhiều hơn 1đường truyền tải duy nhất, và đây là xương sống của hệ kết cấu của toàn công trình.Kết cấu bêtông không ứng xử nhạy với ứng suất cục bộ Hình 1.1.3(a) thể hiện phân bốmoment từ kết quả phân tích đàn hồi sàn (không kể đến hệ số nở ngang Poisson) Khithiết kế cốt thép thường tính toán để chịu moment tương đương đơn giản như trên hình1.1.3(b) Bố trí cốt thép trong vùng moment đó trên mặt bằng như thế nào không quantrọng miễn là đủ số lượng Lý do là sàn phá hoại theo các đường khớp dẻo và các đườngnày sẽ huy động toàn bộ cốt thép cắt qua nó làm việc

Hình 1.1.3 Moment tính toán

Đây là đặc điểm khác biệt của bêtông là thiết kế theo moment tổng Sự phân bố và giá trị

cục bộ tại từng điểm dọc chiều rộng dải là không quan trọng Khác với Kính và Thépmoment cần được kiểm tra theo từng điểm, kết cấu bêtông chỉ cần quan tâm tới giá trịmoment tổng trên tiết diện ngang chiều rộng dải Do đó khi tính sàn bằng Phần tử hữuhạn, dù chia nhỏ hơn thì kết quả quả moment tổng trên dải sàn cũng không khác gì Cácbạn có thể kiểm chứng bằng SAFE

Với kết cấu ứng lực trước, cũng như kính và thép, cần kiểm tra ứng suất ở tải trọng tiêuchuẩn Với kính việc kiểm tra ứng suất để tránh vết nứt, với thép để kiểm tra chảy dẻocục bộ và độ võng dài hạn Với bêtông là khống chế (có cho phép xuất hiện) vết nứt.Trong thực hành, ứng suất thiết kế trong bêtông là giả định vì được tính từ moment tổngtrên toàn tiết diện dải sàn Trong thực tế ứng suất tại vùng quanh gối tựa có giá trị lớnhơn rất nhiều và hầu hết là vượt giới hạn nứt của bêtông Ứng suất thiết kế do vậy mang ýnghĩa chỉ ra phạm vi vết nứt xuất hiện trong vùng đó hơn là giá trị ứng suất thực

1.1.3 Đặc điểm thiết kế Ứng lực trước

Như trên thì đặc trưng thiết kế kết cấu bêtông cốt thép là phải chỉ ra đường truyền tảitrọng hay dải sàn Kết cấu bêtông ứng lực trước phức tạp hơn vì thêm thông số đầu vào

và căn chỉnh trong tính toán

Thiết kế ứng lực trước theo TTGH1 và TTGH2 bao gồm khống chế các tham số: (i) Sốlượng cáp dự ứng lực, và (ii) quỹ đạo cao độ cáp Cốt thép thường bổ sung cho sàn sẽđược quyết định bởi 2 tham số này

Trong sàn thường, với mỗi dải sàn được chỉ ra sẽ chỉ có một kết quả cốt thép tính toán.Trong sàn ứng lực trước, mỗi kết cấu sư sẽ cho một thiết kế khác nhau vì 2 thông số là sốlượng và quỹ đạo cáp được lựa chọn đầu tiên thường khác nhau

1.2 Các bước thiết kế

Nói chung sàn bêtông cốt thép thiết kế theo quy trình sau

Hình 1.2.1 Quy trình thiết kế sàn BTCT

1.2.1 Mô hình tính toán

Chọn phương pháp tính

Có 3 phương pháp tính sàn: “Khung đơn giản”, “Khung tương đương” và “Phần tử hữuhạn” (PTHH) Trong phương pháp Khung đơn giản (SFM), khung tính toán đến độ cứngcột và phần sàn liên quan tính từ kích thước hình học chính xác của các cấu kiện Trongtính toán không kể đến ảnh hưởng uốn 2 phương của bản sàn

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

đó chính xác hơn so với SFM và được dùng phổ biến nhất để tính sàn cho đến nay.Thông tin yêu cầu đầu vào cho cả 2 pp EFM và SFM về kích thước hình học, tải trọng,điều kiện biên của dải sàn thiết kế là như nhau 2 pp này là gần đúng và cho kết quả thiên

về an toàn Độ chính xác của 2 pp này giảm dần khi sàn có bể dày thay đổi (có dầm, mũcột ) và lưới cột theo 2 phương không thẳng hàng, vuông góc nhau

Phương pháp PTHH hiện tại được anh em sử dụng nhiều nhất qua các phần mềm nhưSAFE, ADAPT Floor Pro, RAM Concept… Đây là phương pháp cho độ chính xác caohơn do chia nhỏ sàn thành các phần tử nhỏ, mỗi phần tử ứng xử theo thuộc tính vật liệu,hình học, vị trí trong sàn, liên kết với các phần tử xung quanh và do đó kể đến sự làmviệc uốn theo 2 một cách chính xác

1.2.2 Chọn dải sàn - Đường truyền tải trọng

Đây là bước cơ bản nhất trong quá trình mô hình tính sàn Hệ kết cấu nhà làm việc khitrọng lượng bản thân và các tải trọng khác lên sàn tại mọi điểm được truyền về các gốitựa (cột, vách) theo các đường truyền tải trọng Ví dụ cho một sàn với lưới cột khùngkhoằm 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, Y Đây làđường giả thiết sự truyền tải sàn về các gối tựa do người thiết kế lựa chọn ban đầu Cóthể lựa chọn như trong các hình sau:

Hình 1.2.3 Đường tải trọng theo phương X

Hình 1.2.4 Đường tải trọng theo phương Y

Sau đó mỗi đường tải trọng sẽ có một vùng truyền tải sàn về như các hình vẽ sau, vùngnày 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 1 phương X hoặc Y.Yêu cầu là tất cả các dải trên một phương phải phủ kín diện tích sàn Một số phần mềmnhư ADAPT Floor Pro tự động chia ranh giới các dải sau khi vẽ các đường tải trọng

Hình 1.2.5 Dải sàn theo phương X

Hình 1.2.6 Dải sàn theo phương Y

Giờ mỗi dải sàn sẽ coi như một dầm khung của phương pháp khung tương đương và cáctiết diện dầm đó (vuông góc với đường tải trọng) chính là tiết diện tính toán dùng chobước thiết kế sàn sau này Thông thường chọn các tiết diện nguy hiểm: ở giữa nhịp và 2mặt 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 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 sàntác dụng trên diện truyền tải thành một khung tương đương và tiến hành tính toán độc lậpkhung đó Hình 1.2.8 thể hiện ví dụ tách dải sàn B theo phương X, trong đó đã có cácbước đơn giản hoá mô hình để đưa về dầm tương đương với các tiết diện đơn giản: cáctiết diện thẳng và giật cấp Một số phần mềm như ADAPT-PT cho phép tự động đơn giảnhoá khung từ mặt bằng sàn phức tạp với độ chính xác cao

Hình 1.2.8 Quy dải sàn về khung tương đương

Hình 1.2.9 Khung tương đương sau khi tách ra tính toán

B Phương pháp Phần tử hữu hạn

PP này chỉ cần mô hình không gian một lần duy nhất, khác với pp Khung tương đương đểtính hết mặt bằng sàn phải tính tất cả các khung tương ứng với mỗi dải sàn Khi dùng cácphần mềm tính theo PTHH, người thiết kế vẫn vẽ các đường tải trọng giả thiết giống nhưtrình bày ở trên để lấy các giá trị moment tổng trên các tiết diện tính toán

Điểm lợi hại là có thể dùng pp PTHH để lựa chọn đường truyền tải trọng và dải sàn nhưthế nào cho chính xác nhất Hãy nhìn lại sơ đồ trên hình 1.2.1 về bước thiết kế tuỳ chọn.Hình 1.2.10 là kết quả từ phần mềm thể hiện các luồng truyền tải trọng về gối tựa Cácmũi tên vuông góc với mặt phẳng có lực cắt lớn nhất trong sàn, độ dài của mũi tên thểhiện độ lớn của lực cắt này

Hình 1.2.10 Luồng truyền tải trọng về gối tựa

Hình 1.2.11 Biểu đồ thể hiện các đường truyền lực cắt bằng 0 (lực cắt theo phương Y)

(Các biểu đồ trên là kết quả của phân tích đàn hồi)

Các đường zero này chính là ranh giới thực tế của các dải sàn và đường truyền tải trọngtheo phương X, chia dải sàn theo đường này thì là lý tưởng nhất về mặt kinh tế và sửdụng vật liệu với mặt bằng khùng khoằm thế này Nếu so sánh với hình 1.2.5 thì thấyđường truyền tải chọn như ban đầu là sát với thực tế và do đó tương đối hợp lý

1.2.4 Thiết kế

Lợi ích của việc chia dải sàn là chỉ cần quan tâm đến giá trị moment tổng tại mỗi tiết diệntính toán của dải đó để tính toán cốt thép cho cả chiều rộng tiết diện đó Lưu ý là trongchiều rộng này cốt thép bố trí thế nào không quan trọng miễn là tổng diện tích cốt thép đủchịu moment tổng như đã trình bày ở phần đầu Hình 1.2.12 là ví dụ về biểu đồ momentcho dải sàn B, tại các tiết diện tính toán ở gối tựa và giữa nhịp 1-2 Trong hình thấymoment phân bố biến đổi dọc theo chiều rộng của tiết diện tính toán Giá trị moment thiết

kế lấy là tổng của các moment phân bố trên 1 tiết diện (diện tích của biểu đồ moment) Ví

dụ ở gối tựa trục 2 giá trị moment tổng để tính thép sẽ là 281kNm

Hình 1.2.12 Biểu đồ moment phân bố trên tiết diện tính toán

1.2.5 Bố trí bản vẽ thiết kế (Structural Detailing)

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 như ACI, AS vẫn có những quy định về bố trí cốt thép theo dảigiữa cột và dải đầu nhịp Với mặt bằng sàn có hình dáng và 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 moment phân bố trong hình1.2.12 Ví dụ cốt thép âm tại gối cột trục 2 sẽ bố trí phần lớn tập trung quanh vùng cột làvùng có biểu đồ 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 giữađặt phần lớn lượng cốt thép yêu cầu trong vùng sàn quanh cột Chiều rộng vùng sànquanh cột tuỳ thuộc vào lựa chọn của Kết cấu sư theo như trên, có thể chấp nhận chiềurộng này bằng 1/2 chiều rộng của dải sàn

- Tại các điểm khác phải bố trí lượng cốt thép tối thiểu cấu tạo, thường được các tiêuchuẩn quy định về đường kính và khoảng cách Điều này để hạn chế nứt do co ngót và dothay đổi nhiệt độ

B Sàn ULT

Bố trí cốt thép thường và cáp ULT trong mặt cắt tính toán của sàn ULT tương đối tự dohơn sàn thường Một số gợi ý bố trí ban đầu có thể tham khảo như sau:

- Bố trí cốt thép lớp trên cả 2 phương tập trung theo dải đầu cột Chiều rộng dải này đốivới sàn ULT nhỏ hơn đối với sàn thường như quy định ở trên.

- Bố trí tự do cốt thép lớp dưới sao cho thuận tiện nhất cho thi công

- Bố trí tự do cáp ULT thuận tiện nhất cho thi công và đảm bảo tối thiểu có 2 tao cáp điqua cột theo 2 phương Khoảng cách tối đa của 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 sungcốt thép thường cấu tạo để hạn chế nứt do co ngót và nhiệt độ

C Cốt thép cấu tạo

Ngoài vai trò hạn chế nứt còn có vai trò đảm bảo sự làm việc thực tế giống như đã lựachọn của các đường truyền tải trọng (như đã nói trong phần 1.1.2) Một số cốt cấu tạonhư quanh lỗ mở có thể trình bày dưới dạng chi tiết điển hình Tuy nhiên phần lớn cốtcấu tạo là do KCS chỉ định, do đó kinh nghiệm và trình độ của KCS được yêu cầu cao ởđây để phản ánh đúng ứng xử của kết cấu sàn dưới tác dụng của tải trọng.Thông thường bố trí cốt thép cấu tạo trên các gối tựa không kể đến trong các đườngtruyền tải giả thiết, như là cốt thép dưới tải tập trung trong ví dụ nêu ở phần đầu Trongsàn ULT, cốt cấu tạo cần phải bố trí ở vùng do hình học hoặc do điều kiện thi công không

bố trí đủ cáp đảm bảo lực nén tối thiểu

Phần 2: TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO SÀN 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 bệnvới nhau, đường kính 12.7mm, có cường độ cao 1860MPa Loại này cũng sẵn có bán trênthị trường hiện nay, kể cả Made in Tàu rẻ tiền lẫn hàng Tây xịn của Freyssinet hay VSL

Lí do loại đường kính này được dùng phổ biến vì theo tiêu chuẩn được dùng nhiều nhất,ACI, quy định khoảng cách tối đa của cáp (8 lần chiều dày sàn) và ứng suất nén trungbình trong sàn tối thiểu là 0.85MPa Dùng cáp sợi 12.7mm cho phép thoả mãn cả 2 tiêuchí trên để tiết kiệm nhất số lượng cáp Một lý do nữa là Kích căng cho cáp đơn 12.7mm

là loại cầm tay, nhẹ và dễ thi công Cáp đường kính lớn hơn, 15.3mm, thường dùng chokết cấu lắp ghép căng trước hay cho cầu, gần đây là cho dầm ULT và sàn chuyển

Có hai loại cáp dùng cho kết cấu ULT căng sau là loại không bám dính và có 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 Mỗi sợiđơn có đầu neo riêng và được căng riêng từng sợi Đặc điểm về thiết kế là không có lựcdính bám giữa tao cáp và bêtông dọc chiều dài cáp Lực căng cáp truyền vào sàn chỉ qua

2 đầu neo thành lực nén trước vào bêtông ở đó Chức năng của vỏ bọc nhựa là (i) ngănlực dính bám với bêtông, (ii) bảo vệ tao cáp trong quá trình thi công, (iii) bảo vệ ăn mònbởi hơi ẩm và hoá chất từ ngoài Lớp chống ăn mòn thường là mỡ có tác dụng (i) 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 ghen (Duct) dẹt thườngdùng cho sàn còn ống ghen tròn thường dùng cho dầm và cầu Các tao cáp trong 1 bóchung 1 đầu neo ở mỗi đầu nhưng thường được căng bằng kích và cắt neo theo từng caoriêng biệt giống với cáp không bám dính Vỏ ống ghen thông thường làm từ tôn mỏng

Ý tưởng thiết kế cho cáp bám dính là tạo ra lực dính bám với bêtông dọc theo chiều dàisợi cáp bằng cách bơm vữa lấp đầy ống ghen sau khi căng và cắt neo các tao cáp Khi vữaninh kết, nó khoá chuyển dịch của tao cáp trong ống ghen, do đó lực căng trước trong cáptrở thành hàm số của biến dạng của bêtông xung quanh nó

Vai trò của vữa bơm là: (i) tạo ra lực bám dính liên tục giữa tao cáp và ống ghen, (ii)chống ăn mòn, (iii) môi trường kiềm của vữa cách điện, chống ăn mòn điện hoá cho taocáp Vai trò của ống ghen: (i) tạo khoảng trống cho tao cáp trong bêtông trước và trongkhi căng, (ii) truyền lực bám dính giữa vữa với bêtông xung quanh, (iii) tăng thêm tác

dụng chống ăn mòn vào mặt trong ống ghen Vai trò chính của các bộ đầu neo ở 2 đầuống ghen là 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, nhượcđiểm bù trừ nhau và đều có thể làm việc tốt cho kết cấu sàn ở mọi mục đích sử dụng Cápkhông 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 của các nhà thầu và yếu tố thị trường làm cho việc sử dụng cóbám dính trở nên phổ biến hơn

2.2 Cáp bám dính vs Không bám dính

Về mặt tính toán thiết kế không có sự khác biệt trong quy trình tính giữa 2 loại cáp này.Tuy nhiên 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 vàyêu cầu chống cháy (thời gian 2h)

Hàm lượng cốt thép thường tối thiểu

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

Phân phối lại moment do tính đến khớp dẻo

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

Khả năng chị cắt của sàn 1 phương và dầm, chống chọc thủng của sàn 2 phương

Không có khác biệt giữa 2 loại cáp

Sàn chịu tải trọng gió

Không có khác biệt

Tải trọng động đất

ACI và UBC đều không yêu cầu tính sàn ULT với tải trọng động đất do tác dụng củađộng đất là ngắn hạn trong khi tác dụng ứng lực trước là dài hạn

Khoảng cách tối thiểu giữa các cáp

Theo ACI là 8 lần chiều 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 với ứng suất nén trước 0.86MPa, dùng tao cáp 12.7mmvới lực căng hữu hiệu (sau khi trừ tổn hao) là 116kN Khoảng cách của mỗi tao cáp sẽ là:116/(0.86*140)=960mm

Khoảng cách tối đa cho cáp là 8*140=1120mm Như vậy dùng cáp không bám dính đơn

1 tao cáp thì có thể đặt ở khoảng cách 960mm như tính toán Nếu dùng cáp bám dính ốngghen dẹt, ở khoảng cách 960mm chỉ cần một tao cáp trong ống ghen Hoặc dùng 2 taocáp trong 1 ống thì khoảng cách là 1120mm Như vậy là trên phương diện này, cáp cóbám dính không hiệu quả bằng, vì 1 ống ghen cùng với các bộ neo thường chứa được 4đến 5 tao cáp

Thi công

Cáp không bám dính thi công dễ và nhanh chóng rải đúng quỹ đạo, hay bẻ trên mặt bằng

để tránh lỗ mở hơn Dùng cáp bám dính thì phải thêm công và thời gian bơm vữa cũngnhư nghiệm thu công tác này

Sàn ULT bám dính thường dùng cáp dẹt với bộ neo 4-5 tao cáp, nhưng mỗi tao cáp vẫnđược căng riêng lẻ Với dầm lại hay dùng ống ghen tròn 5-12 tao cáp và dùng kích thuỷlực căng nhiều tao cáp 1 lúc Nhược điểm là kích này to, nặng cần nhiều hơn 1 công nhânthao tác và phải có cẩu tháp cẩu vào vị trí

Ưu điểm rõ ràng của cáp bám dính là thời gian thi công do các tao cáp được cắt từ cuộncáp và chế neo luôn trên công trường Với cáp không bám dính tất cả công đoạn này phảigia công trong nhà máy nên không chủ động và mất 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 nhàthầu và vật liệu kém chất lượng gây ra hư hại với số lượng công trình nhiều hơn Với cáccông trình ngoài trời như bãi đỗ xe, móng bè, ở khu vực có khí hậu dễ ăn mòn hơn hay

ẩm ướt như ở Việt Nam thường dùng cáp có bám dính hơn Cáp không bám dính chonhững môi trường này đòi hỏi chất lượng cao của vật liệu chống ăn mòn cáp, vỏ cáp vàthi công kỹ thuật cao Dùng có bám dính thì độ bền phụ thuộc nhiều hơn vào chất lượng

và kỹ thuật thi công bơm vữa

Chất lượng cáp không bám dính phải kể đến suốt chiều dài đường cáp và 2 đầu neo Chỉ

1 điểm bị mất ứng suất là cả đường cáp không làm việc Cáp bị hỏng càng dài thì ảnhhưởng lên kết cấu càng nhiều

Cáp bám dính có khả năng truyền và phát triển lực căng từ 1 điểm đi xa khoảng 50 lầnđường kính tao cáp 1 điểm nào bị hỏng trên cáp sẽ chỉ là cục bộ Cách đoạn 50d này ứngsuất trong cáp vẫn giữ nguyên, cáp vẫn làm việc Do đó độ tin cậy của cáp có bám dínhcao hơn

Thay đổi, sửa chữa

Cáp không bám dính linh hoạt hơn cho sửa chữa Một đường cáp bị hỏng có thể dễ dàngrút tao cáp ra, thay thế và căng lại Việc thay thế cũng lợi hơn về ứng suất, do tổn hao nhỏhơn so với cáp thi công từ đầu Ngược lại, cáp có bám dính không thể thay thế do vữabơm dính chặt trong ống ghen

Trong trường hợp muốn thay đổi công năng, ví dụ đập thêm lỗ mở lớn Truyền thống vẫnquan niệm không thể đục cắt qua cáp, nhưng với kỹ thuật thi công hiện tại thì điều này là

có thể và thậm chí còn dễ hơn cho cáp có bám dính

Với cáp không bám dính, khi cắt lỗ mở sẽ cắt cáp, căng lại và neo tại mép lỗ mở mớidùng kỹ thuật thi công đặc biệt Cáp có bám dính thì không cần căng và neo lại vì vữabơm trong vùng không bị cắt sẽ giữ vị trí tao cáp

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 đến những kếtquả khác nhau về bố trí thép, không như với sàn thường chỉ có 1 đáp án duy nhất cho bàitoán Đó là:

- 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 KCS nhiều kinh nghiệm sẽ nhanh chóng chọn đượcphương án đảm bảo về kỹ thuật và tiết kiệm nhất Tiết kiệm ở đây là cân đối giữa sốlượng cáp sàn (thông qua lực căng) và cốt thép thường ở mức nhỏ nhất, nhớ là giá cápbao giờ cũng đắt hơn nhiều so với cốt thép thường

Ứng suất nén trước (Average precompression)

Thông số rất quan trọng này được định nghĩa bằng tổng lực căng chia cho diện tích tiếtdiện vuông góc với phương lực căng ACI 318-02 yêu cầu ứng suất nén trước hữu hiệutối thiểu 0.85MPa (sau khi trừ tổn hao ưs)

Trong đa số trường hợp nhà dân dụng, giá trị 0.85MPa được chọn để xuất phát cho bàitoán chọn cáp Với sàn mái hay gara thường bằng 1.0-1.4MPa do yêu cầu cao về khốngchế nứt chống thấm Nhưng nhớ là việc tăng ứng suất nén trước không có nghĩa đảm bảokhông xuất hiện vết nứt Trong sàn 1 phương hoặc dầm, ứng suất nén trước được tínhtrên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang

Giá trị ứng suất nén trước lớn nhất nên là 2.0MPa cho sàn và 2.5MPa cho dầm Dù ACIquy định giá trị lớn hơn nhưng khi đó không còn kinh tế nữa

Phần trăm tải trọng cân bằng

Vỡ lòng về kết cấu ứng suất trước là tạo ra một tác dụng ngược lại với phương của tảitrọng tác dụng mà phần lớn là trọng lượng, thông qua tỉ lệ phần trăm của tĩnh tải đượccân bằng

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

Chọn quỹ đạo cáp

Có vài chú ý về chọn quỹ đạo cáp cho hợp lý nhưng trước hết hãy nói về Phương phápCân bằng tải trọng để hiểu cho rõ vì quỹ đạo cáp quyết định % Tải trọng cân bằng

2.4 Phương pháp Cân bằng tải trọng

Nói đến ULT là nói đến pp này Đôi chút về lịch sử thì nó được T.Y Lin giới thiệu từnăm 1961 và đến năm 1963 được đăng trên tạp chí ACI PP này là 1 công cụ quá mạnh

và làm đơn giản hoá lý thuyết ULT để anh em Kỹ sư không cần phải học lên cao quá

Hãy bắt đầu từ hình 2.4.1 ví dụ một dầm liên tục được ứng lực trước với lực căng Pkhông đổi Cáp sàn có quỹ đạo parabol quen thuộc với 2 điểm uốn ở nhịp giữa và 1 điểmuốn cho nhịp biên, điểm thấp nhất ở giữa nhịp Các làm của ppCBTT như sau: tách cáp rakhỏi kết cấu và thay thế bởi các tải trọng như trên hình 2.4.2 gọi là “Tải trọng cân bằng”.Tải trọng cân bằng gồm các phần hướng lên và hướng xuống sinh ra từ các phần parabolcủa quỹ đạo cáp (như hình 2.4.3) và lực nén trước P Tải trọng trên hình 2.4.2 và 2.4.3 làcân bằng ngược chiều nhau.

Hình 2.4.1 Dầm liên tục 3 nhịp ULT

Hình 2.4.2 Tải trọng cân bằng lên dầm (không thể hiện gối tựa ở đây)

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 (B)

Cáp tách ra bản thân cũng là một hệ tĩnh định và chỉ chịu kéo Dầm thì vẫn là hệ siêu tĩnhvới bậc siêu tĩnh tuỳ thuộc vào số gối tựa (ôn lại Cơ học KC một tý)

2.4.1 Moment sơ cấp

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

Thành phần đứng của lực lên cáp VA được tính từ đoạn cáp đầu tiên giữa neo trái vàđiểm thấp nhất của quỹ đạo như trên hình 2.4.4

Hình 2.4.5 Cân bằng của phần dầm cắt ra

Hình 2.4.6 Cân bằng của cáp trong đoạn này

Nhìn từ hình 2.4.5 và 2.4.6 suy ra Mp=Pe Ghi nhớ rằng moment sơ cấp này không phụthuộc vào điều kiện biên về gối tựa hay các tải trọng tác dụng lên dầm

2.4.2 Moment thứ cấp (Hyperstatic)

Còn gọi là moment siêu tĩnh - Hyperstatic Đây là hiệu ứng đặc trưng trong kết cấu ULT

do kết quả tác dụng của các gối tựa Hãy xem xét ví dụ trên hình 2.4.7 về một dầm ULTcăng trước Lực căng trước gây ra độ vồng cho dầm như trên hình 2.4.7 (b) và đó là dotác dụng uốn của moment sơ cấp Mp Cần phải có tác nén xuống thắng độ vồng này trước

khi chốt chặt dầm vào các gối tựa theo đường thẳng định trước Do đó tại gối tựa phátsinh các phản lực như trên hình 2.4.8 (a) để giữ độ vồng này và được gọi là tác dụng thứcấp (Hyperstatic) Phản lực thứ cấp này gây ra moment trên dầm như biểu đồ trên hình2.4.8 (b) gọi là moment thứ cấp.

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 đổbêtông Việc căng cáp sau khi đổ bêtông gây ra các phản lực phụ thêm lên gối tựa do tácdụng ngăn lại chuyển vị tự do gây ra bởi lực nén trước của các gối tựa lên kết cấu bêtông.Các phản lực này cũng chính là phản lực thứ cấp

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

Hãy quay lại với ví dụ trước, xét mặt cắt bất kỳ trên dầm như trên hình 2.4.9 Tại đó cómoment Msec=ΣRsec = 0.RiXi và lực cắt thứ cấp Vsec=ΣRsec = 0.Ri

Các lực này được chịu bởi nội lực trong bêtông và cáp như hình 2.4.9(b)

Câu hỏi đặt ra là TTGH2 tính theo tổ hợp nào? Xin xem phần tiếp theo

2.4.3 Tính TTGH2 theo tổ hợp nào?

Trong hình 2.4.9, cáp ULT vẫn được giữ trong sơ đồ tính Trong pp Cân bằng tải trọngthì cáp được tách ra và thay thể bở tải trọng cân bằng Hình 2.4.10 thể hiện hình 2.4.9 saukhi tách cáp Như vậy lực tác dụng lên dầm gồm có tải trọng cân bằng và các phản lựcthứ cấp Tại tiết diện cách đoan a từ gối tựa trái, các lực tác dụng là moment cân bằng

Mb, lực cắt cân bằng Vb và lực căng P

Hình 2.4.10 Tính moment cân bằng Mb

Từ hình trên ta thấy moment cân bằng bằng tổng của 2 hiệu ứng sơ cấp và thứ cấp

Theo TTGH2, cần kiểm tra ứng suất trong bêtông để khống chế võng và nứt Sơ đồ tínhtrên hình 2.4.10 được dùng để tính toán theo TTGH2: tách không xét đến cáp sàn nữa,moment Mb và lực căng P được chịu bởi ứng suất trong bêtông và cốt thép thường thêmvào

Đó là công dụng của pp Cân bằng tải trọng trong việc làm đơn giản mô hình tính về sơ đồkhông ứng lực trước, việc tính toán còn lại tiến hành như với kết cấu BTCT bình thường.Việc mô hình này là chấp nhận được vì ảnh hưởng của cáp lên độ cứng của kết cấu là cóthể 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 vềtrục trung hoà của cấu kiện như hình 2.4.11(a) Việc này cần xem xét đến khi tính Tảitrọng cân bằng

Hình 2.4.11 Cân bằng tải trọng khi thay đổi chiều dày

Trong ví dụ này, cáp được rải liên tục và neo tại trục trung hoà 2 đầu (N.A.) Tải trọng cânbằng 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 moment như hình (c) Như vậy tải trọng cân bằng ở hình (b) phải gồm 2 thành phần gây lực dọc như hình2.4.11(d) và thành phần gây uốn dầm 2.4.11(e)

2.5 Chọn quỹ đạo cáp

Giờ chúng ta đã hiểu rõ về pp Cân bằng tải trọng và đã có thể nói tiếp về thông số thứ 3khi lựa chọn ban đầu cho sàn ULT: Lựa chọn quỹ đạo cáp (Profile)Quỹ đạo phổ biến là dạn parabol như trên hình 2.5.1 với điểm uốn ở khoảng 1/10 chiềudài nhịp Quỹ đạo này cho tải trọng cân bằng phân bố đều như hình 2.5.3 và được khuyên

là nên dùng cho dầm và cáp sàn theo phương đặt cáp phân bố đều Với phương đặt cáptập trung trên dải cột nên dùng quỹ đạo như hình 2.5.2 với đoạn thẳng đi trên gối tựakhoảng 1.2m, với mục đích để có không gian chạy thép thường theo phương vuông góc

Hình 2.5.1 Quỹ đạo parabol

Hình 2.5.2 Quỹ đạo parabol một phần với đoạn thẳng trên gối tựa

Hình 2.5.3 Tải trọng cân bằng với quỹ đạo parabol

Điểm thấp nhất của parabol thường đặt ở chính giữa nhịp và điều này thuận lợi hơn chođịnh vị thi công Nếu để có lợi về lực ULT nhất thì điểm này ở nhịp biên nên ở khoảng0.4L vì sẽ cho tải trọng phân bố đều hơn Cao độ càng thấp sẽ cho lực cân bằng càng lớn Điểm cao nhất của quỹ đạo cáp nên cố đặt càng sát mặt trên sàn càng tốt để có chỗ chocốt thép thường theo phương vuông góc

Trường hợp dầm sàn liên tục có các nhịp khác nhau về chiều dài hay tải trọng Bố trí cao

độ cáp như trên cho nhịp nguy hiểm hơn, với nhịp nhỏ hơn có thể giảm lực căng bằngcách ngắt bớt cáp hoặc tốt hơn là nâng cao độ điểm thấp nhất để giảm tải trọng cân bằng.Hãy nói đến cao độ neo Dầm đơn (không có sàn) sẽ neo ở trục trung hoà, còn dầm chữ T(dầm sàn) thì ở trục trung hoà của tiết diện gồm thân dầm và chiều rộng truyền tải sànnhư hình 2.5.4 Lưu ý là chiều rộng này khác với chiều rộng hữu hiệu khi chịu uốn nhé

Hình 2.5.4 Diện truyền tải về dầm Cũng tính ứng suất nén trước trên diện tích này

Hình 2.5.5 Kết quả phân tích PTHH cho thấy với hệ sàn dầm 1 phương, sự phân tán lựccăng cáp từ neo đến vị trí đạt ứng suất nén phân bố đều dọc theo diện truyền tải ở 1

khoảng bằng khoảng cách các dầm

2.6 Lực căng cáp tính toán

Lực căng hữu hiệu được dùng để tính, là lực sau khi trừ toàn bộ tổn hao ứng suất Sốlượng cáp yêu cầu sẽ tính theo lực căng hữu hiệu này Trong đa số trường hợp, lực cănghữu hiệu cho 1 tao cáp 12.7mm là 120kN, với điều kiện:

- Chiều dài cáp nhỏ hơn 72m

- Nếu chiều dài cáp lớn hơn 36m thì phải căng từ cả 2 đầu neo

Nếu do điều kiện đặc biệt, cáp dài mà chỉ căng được 1 đầu thì lực căng hữu hiệu đượcxác định sau khi tính được tổn hao ứng suất cụ thể

Phần tiếp theo sẽ trình bày về các loại tổn hao ứng suất