Thiết kế dầm chuyển ứng lực trước theo giai đoạn thi công (luận văn thạc sĩ)

làm việc trong ví dụ lựa chọn tính toán theo tiêu chuẩn EC2 Hình 3.14 Các hệ số khống chế ứng suất, bề rộng vết nứt các hệ số này được khai báo tự động khi chọn tiêu chuẩn thiết kế 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ THỪA

THIẾT KẾ DẦM CHUYỂN ỨNG LỰC TRƯỚC

THEO GIAI ĐOẠN THI CÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ THỪA KHÓA: 2017-2019

THIẾT KẾ DẦM CHUYỂN ỨNG LỰC TRƯỚC

THEO GIAI ĐOẠN THI CÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Hà Nội - 2019

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại trường Đồng thời tôi cũng gửi lời cám ơn tới Đảng Ủy, Ban giám hiệu cùng các thầy cô khoa Sau đại học Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại Trường

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Vũ Hoàng Hiệp đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty cổ phần giải pháp xây dựng tối ưu ARES đã tạo điều kiện giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình, đầy đủ trong quá trình thu thập tư liệu cũng như những ý kiến sửa chữa phù hợp với yêu cầu thực tế nhằm phục vụ cho luận văn này

Vì thời gian nghiên cứu cũng như kiến thức có hạn, trong khi vấn đề nghiên cứu rộng và phức tạp chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được

sự góp ý chia sẻ của các quý thầy cô cũng như quý đồng nghiệp và những người quan tâm đến lĩnh vực đầu tư xây dựng để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Học viên

Nguyễn Chí Thừa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Chí Thừa

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục hình ảnh

Danh mục bảng, biểu

MỞ ĐẦU

* Lý do chọn đề tài 1

* Mục đích nghiên cứu 1

* Đối tượng, phạm vi và vấn đề nghiên cứu 2

* Phương pháp nghiên cứu 2

* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

* Cấu trúc của luận văn 2

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẦM CHUYỂN TRONG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 4

1.1 Khái niệm về dầm chuyển 4

1.1.1 Khái niệm về dầm chuyển và kết cấu dầm chuyển ứng lực trước 4

1.1.2 Tác dụng của dầm chuyển 4

1.2 Tình hình sử dụng dầm chuyển ứng lực trước trong kết cấu nhà cao tầng trên Thế giới và tại Việt Nam 4

1.2.1 Trên thế giới 4

1.2.2 Tại Việt Nam 8

1.3 Một số mô hình tính toán dầm chuyển 11

1.3.1 Tính toán theo tiêu chuẩn EC2 [11] 11

1.3.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo [8] 12

1.3.3 Tính toán nội lực theo phương pháp phần tử hữu hạn 13

1.4 Thi công dầm chuyển tại Việt Nam [7] 15

1.4.1 Thi công dầm chuyển bê tông cốt thép 15

1.4.2 Thi công dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước 15

1.5 Nhận xét 19

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ DẦM CHUYỂN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG LỰC TRƯỚC 20

2.1 Vật liệu 20

2.1.1 Bê tông 20

2.1.2 Cốt thép thường 21

2.1.3 Thép cường độ cao 21

2.1.4 Các loại vật liệu khác 22

2.2 Tính toán dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước theo cấu kiện chịu uốn 22

2.2.1 Tính toán khả năng chịu uốn của dầm [1] 22

2.2.2 Tính toán tiết diện [1] 27

2.3 Tính toán dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước theo mô hình giàn ảo 32

2.4 Tính toán dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước theo giai đoạn thi công 41

2.5 Nhận xét 46

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT, KIẾN NGHỊ QUY TRÌNH THIẾT KẾ DẦM

CHUYỂN ỨNG LỰC TRƯỚC THEO GIAI ĐOẠN THI CÔNG 48

3.1 Ví dụ tính toán dầm chuyển ứng lực trước theo giai đoạn thi công 50

3.1.1 Công trình giả định tính toán 50

3.1.2 Vật liệu sử dụng 55

3.1.3 Tải trọng tác dụng lên công trình 55

3.1.4 Bài toán 1 57

3.1.5 Bài toán 2 89

3.2 Kiến nghị quy trình thiết kế dầm chuyển ứng lực trước theo giai đoạn thi công 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

Kết luận 97

Kiến nghị 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Dầm chuyển của toà nhà – The Legacy at

7

35

Hình 2.6 Lực căng trong miền chịu nén với các nút tập

công trong ETABS 2016 dùng trong phân tích theo giai đoạn thi công

Hình 3.3 Mặt bằng kết cấu tầng 6 (tầng có kết cấu dầm

Hình 3.4 Mặt bằng kết cấu tầng 6 mô phỏng trong phần

Hình 3.8 Thi công xong dầm chuyển (kéo 25% Ptk các bó

Hình 3.8b Thi công xong tầng mái (kéo 100% Ptk các bó

69

Hình 3.13 Lựa chọn tiêu chuẩn thiết kế và các hệ số điều kiện 71

làm việc ( trong ví dụ lựa chọn tính toán theo tiêu chuẩn EC2)

Hình 3.14

Các hệ số khống chế ứng suất, bề rộng vết nứt ( các hệ số này được khai báo tự động khi chọn tiêu chuẩn thiết kế)

72

Hình 3.16 Mặt bằng kết cấu tầng 6 mô hình trong Adapt

Hình 3.19 Ứng suất tại mặt cắt thiết kế ở tổ hợp service

Hình 3.20 Ứng suất tại mặt cắt thiết kế ở tổ hợp initial (trạng

Hình 3.21 Kết quả tính toán độ võng ( trường hợp dầm

chuyển chịu toàn bộ tải trọng công trình phía trên) 79

Hình 3.22a Lượng thép thường của dầm chuyển do tải trọng

Hình 3.23 Ứng suất tại trạng thái căng kéo cáp (khi không có

Hình 3.24 Kết quả tính toán độ võng (khi không có tải trọng

Hình 3.27 Ứng suất tại trạng thái căng kéo trong lần kéo cáp

Hình 3.31 Biểu đồ nội lực của dầm chuyển trục 5 (phân tích

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 3.1 Tĩnh tải các lớp hoàn thiện sàn các phòng,

Bảng 3.7 Bảng kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện

chuyển trục 5 theo 2 phương pháp phân tích phi tuyến và phân tích theo giai đoạn thi công

Bảng 3.9

Bảng so sánh chênh lệch nội lực của chân vách trên dầm chuyển theo 2 phương pháp phân tích phi tuyến và phân tích theo giai đoạn thi công

91

Bảng 3.10

Bảng so sánh chênh lệch nội lực của chân vách trên dầm chuyển theo 2 phương pháp phân tích phi tuyến và phân tích theo giai đoạn thi công trong giai đoạn thi công đến hết tầng 16

92

Bảng 3.11 Chênh lệch chuyển vị của cột C44 theo 2

Bảng 3.12 Chênh lệch nội lực của cột C44 theo 2

MỞ ĐẦU

* Lý do chọn đề tài

Hiện nay, với sự mở cửa của nền kinh tế đất nước, ngành xây dựng ở Việt Nam hiện nay đang phát triển rất mạnh và đa dạng Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, tốc độ đô thị hóa ngày phải càng cao để đáp ứng được việc tăng dân số, mọi người đều đổ dồn về các đô thị, các thành phố lớn để sinh sống, học tập và làm việc nên các công trình nhiều tầng được xây dựng nhiều tại các thành phố lớn

Từ những nhu cầu thực tế đó, đòi hỏi các kỹ sư xây dựng phải nghiên cứu thiết kế các công trình có không gian lớn ở các tầng bên dưới để phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt công cộng như: siêu thị, bãi để xe, văn phòng đại diện Còn các tầng bên trên, các phòng có không gian nhỏ hơn phù hợp với nhu cầu về phòng ở khách sạn hay căn hộ gia đình

Một trong những giải pháp kết cấu có thể đáp ứng được yêu cầu thiết kế để tạo được không gian lớn ở các tầng bên dưới và không gian nhỏ hơn ở các tầng trên

đó là hệ kết cấu có sử dụng dầm chuyển Và hơn nữa, hệ kết cấu dầm chuyển ứng lực trước lại càng thể hiện rõ hơn như: mang lại hiệu quả kinh tế cao, tăng cường khả năng chịu lực,

Từ những lý do trên , đề tài “ Thiết kế dầm chuyển ứng lực trước theo giai đoạn thi công” được tôi chọn làm đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp

* Mục đích nghiên cứu

Do hiện nay ở nước ta chưa có tiêu chuẩn hay các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính thức nào về tính toán và thiết kế dầm chuyển ứng lực trước trong các công trình cao tầng dân dụng, việc thiết kế thường được tính toán với hệ số an toàn tổng thể lớn hoặc theo các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành của nước ngoài

Bên cạnh đó, các luận văn nghiên cứu trước đây đa số chỉ tính toán, thiết kế cho những công trình đã hoặc sắp đưa vào sử dụng Việc xét đến các giai đoạn thi công trong quá trình tính toán gần như chưa được đề cập

Vì vậy, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu và tính toán khả năng chịu lực của dầm chuyển ứng lực trước khi chịu tải trọng lớn theo giai đoạn thi công

* Đối tượng, phạm vi và vấn đề nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong phạm vi luận văn là dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước theo giai đoạn thi công Về mặt lý thuyết, tác giả thiết kế và tính toán các kết cấu dầm chuyển tiêu biểu đã được thiết kế và thi công, qua đó có cái nhìn đầy

đủ hơn về dầm chuyển, từ phạm vi sử dụng tới lựa chọn phương án kết cấu sao cho hiệu quả nhất

Phạm vi nghiên cứu: Các công trình trong nước có sử dụng kết cấu dầm chuyển ứng lực trước

* Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết với các hướng sau:

 Mô hình kết cấu để tìm nội lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm ETABS, Adapt builder

 Kết hợp nghiên cứu định tính với nghiên cứu định lượng qua việc sử dụng các thông tin, số liệu, tài liệu thu thập, tập hợp từ các nguồn khác nhau

Từ những phương pháp nêu trên tác giả kiến nghị chấp nhận áp dụng vào việc xây dựng ở Việt Nam

* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài là kết quả của quá trình nghiên cứu, thiết kế dầm chuyển ứng lực trước theo giai đoạn thi công Qua đó phần nào giúp người thiết kế và thi công có cái nhìn tổng quan hơn về dầm chuyển ứng lực trước – một loại cấu kiện được sử dụng khá nhiều trong việc giải quyết các bài toán về phương án kết cấu nhà cao tầng hiện nay

* Cấu trúc của luận văn

Ngoài các phần Mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan về dầm chuyển trong kết cấu nhà cao tầng

- Chương 2: Thiết kế dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước

- Chương 3: Khảo sát, kiến nghị quy trình thiết kế dầm chuyển ứng lực trước theo giai đoạn thi công

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẦM CHUYỂN TRONG KẾT CẤU NHÀ

CAO TẦNG 1.1 Khái niệm về dầm chuyển

1.1.1 Khái niệm về dầm chuyển và kết cấu dầm chuyển ứng lực trước

Dầm chuyển bê tông cốt thép là cấu kiện dầm có độ cứng và tiết diện hình học tương đối lớn, có tác dụng phân phối lại tác dụng của tải trọng thẳng đứng

Dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước là dầm chuyển có bố trí cáp ứng lực trước, trong đó các bó cáp ứng lực trước được đưa vào nhằm giảm chiều dày của dầm chuyển, giảm lượng cốt thép trong dầm chuyển mà vẫn đảm bảo yêu cầu chịu lực của kết cấu dầm chuyển

1.1.2 Tác dụng của dầm chuyển

Tác dụng của dầm chuyển là đỡ toàn bộ tải trọng kết cấu bên trên nó và phân bố xuống hệ cột bên dưới Do dầm chuyển phải nhận một lượng tải trọng rất lớn nên chúng thường có kích thước và độ cứng lớn

Ngoài khả năng chống lại moment uốn trực tiếp do tải trọng lớn bên trên, dầm chuyển còn có khả năng chống cắt lớn hơn so với dầm truyền thống do ảnh hưởng bởi tiết diện lớn của dầm

Trong kiến trúc nhà cao tầng dầm chuyển là giải pháp được lựa chọn khá nhiều

vì khả năng vượt nhịp lớn và khả năng thay đổi kiến trúc một cách linh hoạt

1.2 Tình hình sử dụng dầm chuyển ứng lực trước trong kết cấu nhà cao tầng trên Thế giới và tại Việt Nam

đó dầm chuyển ứng lực trước chiếm đa số

Và nhìn chung các nước trên thế giới đều sử dụng giải pháp dầm chuyển ứng lực trước trong các công trình phức hợp cao tầng với mục đích giảm giá thành xây dựng dầm chuyển

Dù dầm chuyển ứng lực trước đã và đang được áp dụng rộng rãi trong các công trình trên thế giới, tuy nhiên, do quá trình thiết kế và thi công có quá nhiều vấn đề phức tạp nen hiện nay, trên thế giới người ta vẫn đang tiếp tục hoàn thiện thêm về lý thuyết và quy trình thiết kế dầm chuyển ứng lực trước Đồng thời, hiện nay vẫn chưa

có một phần mềm nào có đủ sức để giải quyết một cách trọn ven bài toán thiết kế dầm chuyển ứng lực trước Nên thay bằng việc tính toán tổng thể, tại các công ty tư vấn quốc tế, người ta vẫn phải chia nhỏ bài toán thiết kế dầm chuyển ứng lực trước ra thành các bài toán nhỏ, giải quyết từng bài toán rồi dung kinh nghiệm của mình để kết nối các kết quả lại và đưa ra phương án thiết kế sử dụng vào xây dựng công trình

Hình 1.1 Dầm chuyển của toà nhà – The Legacy at Millennium Park - Chicago

– Mỹ [7]

Hình 1.2 Lắp dựng hệ thống dàn đỡ dầm chuyển – Toà nhà The Issara Ladpro –

Bangkok – Thái Lan [7]

Hình 1.3 Công nhân đang lắp đặt cốt thép dầm chuyển - Tòa nhà The

Issara Ladprao - Bangkok - Thái Lan [7]

Hình 1.4 Dầm chuyển của tòa nhà ideo MORPH 38

Bangkok - Thái Lan [7]

1.2.2 Tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đã có những công trình sử dụng kết cấu dầm chuyển ứng lực trước Tuy nhiên, việc thiết kế và trực tiếp thi công phần kết cấu dầm chuyển ứng lực trước ở đa số các công trình này đều

do các công ty quốc tế như VSL, Freysinet, Arup,… đảm nhiệm

Công trình: Toà nhà cao cấp WESTA cao 28 tầng và 3 tầng hầm; Địa điểm xây dựng: Khu đô thị Mỗ Lao Hà Đông Hà Nội; Chủ đầu tư: Công ty cổ phần cơ khí xây dựng số 18 ( COMA 18) được thiết kế năm 2009 (Đơn vị thiết kế: Trung tâm Tư vấn Kiến trúc và Đầu tư Xây dựng) Dầm chuyển có kích thước 1x1m, vượt nhịp 8,1m đặt ở tầng 2 (cao độ +3,550m), dầm này có tác dụng đỡ hệ vách tăng cứng cho khung biên của nhà

Công trình: Chung cư cao tầng 16B Nguyễn Thái Học, Hà Đông, Hà Nội cao

28 tầng và 2 tầng hầm; Chủ đầu tư: Công ty xây dựng 319 Bộ Quốc Phòng; (Đơn vị thiết kế: Công ty Cổ phần Tư vấn Đô thị Việt Nam -VINACITY) Hệ dầm chuyển có tiết diện 1x1m, vượt nhịp 10,7m được đặt ở tầng 03 (cao độ +10,800m)

Công trình: Toà nhà Donphin Plaza gồm 4 toà tháp cao 28 tầng, chia thành 2

khối, được nối với nhau bởi khối đế 3 tầng; Địa điểm xây dựng: 28 Trần Bình, Mỹ Đình, Từ Liêm, Hà Nội; Chủ đầu tư: Công ty cổ phần TID được thiết kế bởi Công ty

tư vấn DP Architects - DPA (Singapore) và Công ty Tư vấn Đại học Xây dựng Hà Nội Dầm chuyển ứng lực trước có chiều cao 3m vượt nhịp lớn nhất là 28,4 m đặt ở sàn tầng 4 (cao độ +32,125m)

Hình 1.5 Dầm chuyển toà nhà Dolphin Plaza

Hình 1.6 Thi công dầm chuyển toà nhà Dolphin Plaza

Hình 1.7 Thi công dầm chuyển toà nhà Dolphin Plaza

Công trình: Dự án khu nhà ở cao cấp Vinhomes Time City Park Hill, được xây dựng tại khu đô thị Time City, đường Minh Khai, Hai Bà Trưng Hà Nội; Chủ đầu tư: Công ty Cổ phần Phát triển Đô thị Nam Hà Nội được thiết kế bởi Tổng công ty Tư vấn Xây dựng Việt Nam Với các dầm chuyển có kích thước bxh là 1600x1500, 1000x1000, 3000x2100

Hình 1.8 Thi công dầm chuyển dự án Vinhomes Time City Park Hill

1.3 Một số mô hình tính toán dầm chuyển

1.3.1 Tính toán theo tiêu chuẩn EC2 [11]

Đối với các dầm BTCT thông thường đều dựa trên lý thuyết đàn hồi và sử dụng các giả thiết vật liệu là đồng chất và đẳng hướng Nhưng điều đó trở nên không hợp

lý đối với kết cấu bê tông đặc biệt như dầm chuyển sau khi xuất hiện các vết nứt, những kết quả thu được đã làm rõ sự khác biệt sự làm việc của dầm thông thường và dầm chuyển Có thể thấy rằng sự phân bố ứng suất trên tiết diện và khả năng chịu lực của loại dầm này khác so với dầm thông thường

Phân tích đàn hồi đã cho thấy những đặc điểm quan trọng sau đây của sự phân

bố ứng suất trong dầm chuyển:

 Các giả thiết tiết diện phẳng cho dầm không thỏa mãn đối với dầm chuyển

 Có một vùng chịu ứng suất lớn tại vị trí gối tựa và đặc biệt là ở mặt gối tựa

 Biến dạng dọc do lực cắt gây ra trong dẩm chuyển là lớn hơn nhiều so với biến dạng uốn, do đó đóng vai trò nhiều hơn so với tổng biến dạng

Dầm chuyển thường có vết nứt xuất hiện khá sớm, thông thường khe nứt xuất hiện theo phương của ứng suất nén chính, tức là vuông góc với phương của ứng suất kéo Trong nhiều trường hợp, khe nứt xuất hiện thẳng đứng hoặc nghiêng khi dầm bị phá hoại do lực cắt

Khả năng chịu lực của dầm chuyển BTCT được xác định căn cứ vào các dạng phá hoại của dầm gồm có các khả năng sau: Khả năng chịu uốn, khả năng chịu cắt, khả năng chịu lực của gối tựa

Có 2 dạng phá hoại chính được xác định gồm: Phá hoại do uốn và phá hoại do lực cắt

 Phá hoại do uốn:

Phá hoại do uốn của dầm chuyển BTCT là dạng phá hoại dẻo, sự phát triển các vết nứt theo chiều dọc xuất phát từ bụng dầm và dần lên phía trên, cùng với sự gia tăng tải trọng, sự phá hoại thông thường xảy ra do cốt thép bị kéo đứt hoặc bị chảy dẻo, rất hiếm trường hợp bê tông vùng nén bị phá hoại

 Phá hoại do lực cắt:

Ứng suất cắt trong dầm chuyển có ý nghĩa rất lớn đối với trạng thái ứng suất nên không được bỏ qua như trong dầm chịu uốn thuần túy Biểu đồ ứng suất trong bê tông vùng chịu nén không còn như giả thiết vẫn hay sử dụng, ngay cả trong trạng thái đàn hồi Khi đạt trạng thái giới hạn, biểu đồ ứng suất không còn theo dạng parabol như các dầm thông thường nữa

1.3.2 Tính toán theo mô hình giàn ảo [8]

Trạng thái làm việc của các dầm trong giai đoạn giới hạn cực hạn phải được tính theo mô hình toán cơ, là mô hình tốt nhất đối với dầm bê tông cốt thép có bố trí cốt thép sườn dầm, gọi là mô hình “chống và giằng” (Strut and tied model) hay còn gọi

là mô hình giàn ảo

Thiết kế dầm bê tông theo trạng thái ứng suất tới hạn bằng mô hình giàn ảo là

xét đến các điều kiện làm việc của hai vùng B và D trong kết cấu Phương pháp mô hình giàn ảo sử dụng một số nguyên tắc của cơ học kết cấu hệ thanh, nguyên tắc này

sẽ không ảnh hưởng gì hoặc tác động nào đến việc phân tích ảnh hưởng của mặt cắt bằng các hệ tĩnh học cổ truyền

Thông thường, trong quá trình tính toán thiết kế, các cấu kiện bê tông cốt thép được phân loại thành các dạng cơ bản như cột, thanh, dầm, bản, và hệ kết cấu khung, dàn, theo các đặc điểm chịu lực và hình thức kết cấu của chúng

Đối với từng cấu kiện cụ thể thì trạng thái ứng suất, biến dạng của các tiết diện cũng thay đổi tùy theo vị trí và phương thức chịu tải Tùy theo tỷ lệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao, dầm bê tông cốt thép chịu uốn có thể phân chia thành các vùng ứng suất B và D như sau:

 Vùng B (Beam) là các vùng có trạng thái ứng suất tuân theo các giả thiết của dầm về tiết diện chịu uốn, chủ yếu phần giữa nhịp chịu tác dụng của moment uốn, lực cắt nhỏ hoặc bằng không Tại các vùng này vẫn có thể tính toán thiết kế như với cấu kiện chịu uốn theo các tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê tông cốt thép hiện hành

 Vùng D (Discontinuity zone) là vùng có trạng thái ứng suất phức tạp, thường xuất hiện tại các vùng mối nối, thay đổi tiết diện đột ngột, có lỗ khoét, gấp khúc hoặc tại các liên kết gối tựa và điểm đặt lực tập trung tên cấu kiện Các vai cột, các mố đỡ

và công xôn ngắn cũng thuộc các dạng kết cấu có vùng D

Mô hình giàn ảo đã được nhiều tác giả nghiên cứu từ những năm 1920 Một trong những ưu điểm của mô hình này là thể hiện được những bộ phận chịu lực nén, kéo chủ yếu của kết cấu và người thiết kế có thể hình dung ra một cách cụ thể cơ cấu chịu lực của sơ đồ dùng trong tính toán Các bộ phận chịu nén được thể hiện bằng những thanh chống, khu vực chịu kéo được thay bằng các thanh giằng và các mối nối của thanh đó sẽ được xem là vùng nút của giàn ảo

1.3.3 Tính toán nội lực theo phương pháp phần tử hữu hạn

a) Khái niệm phương pháp

Phương pháp PTHH dựa trên cở sở của phép tính biến phân tìm hàm làm cực tiểu một phiếm hàm xác định trong không gian vô hạn chiều bằng bài toán không gian con hữu hạn chiều, dẫn tới một hệ phương trình đại số

Phương pháp PTHH giải chính xác nhất bằng toán học một môi trường liên tục được xấp xỉ bởi một tập hợp hữu hạn các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút b) Sử dụng phần mềm ETABS để phân tích nội lực của kết cấu dầm chuyền

Phần mềm ETABS là phần mềm phân tích kết cấu tổng thể được khá nhiều kỹ

sư sử dụng trong công việc Trong phạm vi của luận văn tác giả sử dụng phần mềm ETABS để mô hình toàn bộ kết cấu của công trình, từ đó xác định được nội lực của dầm chuyển kết hợp với lý thuyết tính toán theo cấu kiện chịu uốn, theo giàn ảo để tính toán khả năng chịu lực của dầm chuyển Ngoài ra, còn để xác định nội lực do cột vách của các tầng phía trên truyền xuống dầm chuyển kết hợp với phần mềm Adapt builder để tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của dầm chuyển

c) Sử dụng phần mềm Adapt builder để phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng của dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước

Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi tuyến tính là áp dụng đầu tiên có kết quả rõ rệt của phương pháp phần tử hữu hạn

Để giải bài toán này đã có các phương pháp giải tích cổ điển hoặc các phương pháp sai phân hữu hạn, sai biến phân, nhưng gặp nhiều khó khăn hạn chế khi kết cấu

có điều kiện biên phức tạp, có hình dạng hình học khác nhau và nhất là khi kết cấu

có lỗ Hơn nữa khi thực hiện trên máy tính điện tử, các phương pháp này hoặc không phù hợp hoặc không phát huy hết khả năng của máy tính Phương pháp PTHH là phương pháp tối ưu để giải quyết các vấn đề trên Với sự ra đời của các phần mềm chuyên dụng thiết kế kết cấu áp dụng phương pháp PTHH đã giúp cho công việc tính toán trở nên nhẹ nhàng, thuận tiện và chính xác hơn Phần mềm Adapt Builder được xây dựng trên cơ sở của phương pháp PTHH là một trong các chương trình như vậy

1.4 Thi công dầm chuyển tại Việt Nam [7]

1.4.1 Thi công dầm chuyển bê tông cốt thép

Công tác thi công dầm chuyển bê tông cốt thép thường bao gồm những bước chính như sau:

 Bước 1: Lắp đặt cốp pha, cốt thép dầm chuyển; kiểm tra nghiệm thu trước khi đổ bê tông;

 Bước 2: Đổ bê tông đợt 1 tới chiều dày tính toán hợp lý;

 Bước 3: Đổ bê tông đợt 2 tới chiều dày thiết kế;

 Bước 4: Bảo dưỡng bê tông;

 Bước 5: Kiểm tra nghiệm thu

Phân tích rủi ro khi đổ bê tông khối lớn bao gồm: theo dõi chuyển vị cốp pha và

có phương án gia cố khi đổ bê tông và tiếp tục đổ sau khoảng 12 giờ Lưu ý chất lượng bê tông tại các vị trí mật độ thép dày đặc Thời gian đổ bê tông dài do yếu tố khách quan nên phải chuẩn bị đầy đủ về nhân công thiết bị Căn cứ thời tiết để chọn ngày và thời gian đổ bê tông thích hợp

1.4.2 Thi công dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước

a) Trình tự thi công

Công tác thi công dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước, ngoài các bước thi công như dầm chuyển thông thường, còn thêm các bước như: lắp đặt cáp ứng lực trước, căng kéo cáp ứng lực trước, bơm vữa ống ghen cáp ứng lực trước,…

Trình tự thi công dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước thường sẽ bao gồm các bước sau:

 Bước 1: Lắp đặt cốp pha, cốt thép dầm chuyển, cáp ứng lực trước kiểm tra nghiệm thu trước khi đổ bê tông;

 Bước 2: Đổ bê tông đợt 1 tới chiều dày tính toán hợp lý;

 Bước 3: Căng kéo cáp ứng lực trước lớp dưới của dầm chuyển;

 Bước 4: Đổ bê tông đợt 2 tới chiều dày thiết kế;

 Bước 5: Căng kéo cáp ứng lực trước lớp giữa, lớp trên của dầm chuyển (nếu có);

 Bước 6: Bảo dưỡng bê tông;

 Bước 7: Bơm vữa ống ghen, bịt đầu neo kéo

 Bước 8: Kiểm tra nghiệm thu

b) Công tác chuẩn bị trước khi thi công

*) Chuẩn bị hồ sơ

Hồ sơ bắt buộc phải có trước khi thi công là những bản vẽ và thuyết minh thiết

kế công trình Trên bản vẽ thiết kế thi công cần thể hiện chi tiết vị trí, số lượng các

bó cáp và các cấu tạo liên quan khác

Các quy chuẩn và tiêu chuẩn liên quan đến kết cấu bê tông ứng lực trước để sử dụng và tham khảo trong quá trình thi công, chỉ dẫn kỹ thuật của công trình về cường

độ đảm bảo với yêu cầu thiết kế đưa ra

*) Chuẩn bị thiết bị căng kéo cáp ứng lực trước

Trước khi thi công, tất cả các thiết bị căng kéo cáp ứng lực trước cần phải mang

đi kiểm định đúng với lực căng kéo cáp trong thiết kế Các thiết bị đảm bảo yêu cầu

để căng kéo phải là những thiết bị có dán tem kiểm định

Ngoài ra, để đảm bảo an toàn cho thiết bị, an toàn lao động ta cần phải chuẩn

bị, kiểm tra lần cuối trước khi đưa thiết bị vào thi công, đảm bảo rằng hệ thống thiết

bị không có một sự cố bất thường nào Ta có thể tiến hành kiểm tra từng thành phần thiết bị như sau:

 Bộ nguồn thuỷ lực: Bộ nguồn thuỷ lực cần phải được kiểm tra các thành phần sau:

+) Nguồn động lực (thường là bằng động cơ điện) phải đảm bảo phát huy tác

 Kích thuỷ lực: Kiểm tra sơ bộ xem kích thuỷ lực có bị chảy dầu ở hai đầu, ở chỗ cút nối; cút nối có đảm bảo làm việc tốt hay không

 Nêm, neo công tác và nêm, neo công cụ: Trên một bộ neo công cụ hay công tác, phải sử dụng cùng một loại nêm công cụ (hoặc công tác) Không được sử dụng các nêm công cụ của các hãng khác nhau trên một bộ neo công cụ (hoặc bộ neo công tác) Đồng thời phải kiểm tra xem các nêm, neo có bị nứt, vỡ, biến dạng hay có dấu hiệu bất thường gì không; các răng của nêm có còn đảm bảo không

 Khi kiểm tra, nếu thiết bị có sự cố hoặc hư hỏng nghiêm trọng thì bắt buộc phải mang sửa chữa, kiểm định lại; nếu có hư hỏng hay sự cố nhỏ có thể khắc phục, sửa chữa tại chỗ thì phải tiến hành sửa chữa kịp thời Khi hệ thống thiết bị đảm bảokhả năng làm việc an toàn mới được đưa vào thi công

*) Chuẩn bị nguồn điện

Đối với những bộ nguồn thuỷ lực có nguồn động lực là động cơ điện hoặc bộ phân phối điều khiển bằng điện, ta cần phải chuẩn bị sẵn sàng nguồn điện cho bộ nguồn thuỷ lực Nguồn điện cung cấp thường là nguồn điện ba pha

c) Ảnh hưởng của giai đoạn thi công

Trong quá trình thi công các tầng phía trên của kết cấu dầm chuyển thì tải trọng

của các tầng phía trên truyền vào dầm chuyển sẽ thay đổi, liên tục tăng lên trong quá trình thi công, cho đến khi thi công xong toàn bộ công trình Chính sự thay đổi này làm cho nội lực trong dầm chuyển cũng thay đổi

Ngoài ra, trong quá trình thi công ảnh hưởng của hiệu ứng co ngắn cột cũng làm phân bố lại nội lực trong kết cấu, từ đó cũng làm thay đổi nội lực trong dầm chuyển Trong quá trình thi công dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước việc căng kéo cáp ứng lực trước có thể dẫn đến độ vồng của dầm vượt quá mức cho phép dẫn đến sự phá hoại kết cấu là hoàn toàn có thể xảy ra nếu việc căng kéo cáp ứng lực trước không được tính toán một cách chính xác

Do đó, trong quá trình thiết kế dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước để tránh sự phá hoại trong quá trình thi công do độ vồng quá mực của dầm khi kéo căng cáp, cần phải xét đến khả năng chịu lực của dầm tương ứng với số lượng cáp cần căng kéo trong từng giai đoạn thi công công trình

Ảnh hưởng của giai đoạn thi công, cũng như việc tính toán số lượng cáp cần căng kéo sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2 và chương 3 của luận văn

d) Nghiệm thu kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

Công nghệ bê tông ứng lực trước đòi hỏi những kỹ thuật thi công, giám sát kiểm tra chất lượng riêng, ngoài những yêu cầu đối với bê tông thường Công tác thi công kết cấu bê tông ứng lực trước có hai phần riêng biệt là công tác thi công cáp ứng lực trước và các công tác khác như đối với bê tông thường như: công tác ván khuôn, công tác cốt thép, công tác đổ bê tông, bảo dưỡng bê tông …

Việc thi công dầm chuyển bê tông cốt thép cũng như dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước cần tuân theo TCVN 4453:1995 về Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối - Quy phạm thi công và nghiệm thu, TCXDVN 305:2004 về Bê tông khối lớn - Quy phạm thi công và nghiệm thu

Các phần việc về thi công bê tông ứng lực trước được nghiệm thu theo đúng các trình tự như đối với các kết cấu bê tông thường, ngoài ra còn phải đảm bảo sự chính xác như sau:

 Các chứng chỉ hợp chuẩn về chất lượng của vật liệu (cáp ứng lực trước, neo.),

về độ chính xác và độ tin cậy, an toàn của thiết bị

 Các kết quả kiểm định thiết bị căng kéo

 Các bản ghi kết quả kéo căng cáp ứng lực trước có xác nhận của thiết kế

 Các bản vẽ hoàn công và biên bản xử lý kỹ thuật hoặc các sự cố nếu có tại hiện trường

Công tác nghiệm thu kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước nhằm kiểm tra tính đúng đắn của các công tác trước và sau khi công có đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật

và bản vẽ thiết kế hay không Tuy nhiên, đối với dầm chuyển ứng lực trước việc kiểm tra được độ vồng của dầm chuyển trong quá trình căng kéo cáp là rất khó khăn hơn nữa trong quá trình thi công tải trọng tác dụng lên dầm chuyển lên tục tăng làm cho nội lực dầm chuyển có sự thay đổi do đó, việc tính toán lực căng kéo cáp ứng lực trước trong quá trình thi công là cần thiết nhằm đảm bảo khả năng chiu lực cho công trình và an toàn trong thi công

1.5 Nhận xét

Dầm chuyển có kích thước hình học và độ cứng lớn, trong quá trình thi công các cấu kiện của hệ kết cấu công trình tải trọng tác dụng lên dầm chuyển tăng dần dẫn tới có sự thay đổi về nội lực trong dầm chuyển, việc thay đổi nội lực của dầm chuyển này có ảnh hưởng lớn tới kết quả tính toán

Mặt khác, quá trình căng kéo cáp ứng lực trước tạo ra một ứng suất trước rất lớn khi chưa có lượng tải trọng cân bằng lại ứng suất trước tạo ra này rất có thể gây phá hoại kết cấu dầm chuyển và gây nguy hiểm trong quá trình thi công

Như vậy, trong quá trình thiết kế dầm chuyển ứng lực trước ta cần đề cập tới ảnh hưởng của quá trình thi công diễn biến tuần tự thực tế theo tiến độ thi công và trình tự căng kéo các bó cáp ứng lực trước trong dầm chuyển, hai vấn đề này sẽ được trình bày và làm rõ trong nội dung của chương 2 và chương 3 của luận văn

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ DẦM CHUYỂN BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG

LỰC TRƯỚC 2.1 Vật liệu

Theo tiêu chuẩn ACI (Mỹ), bê trông dùng trong kết cấu ứng lực trước phải có cường độ chịu nén tối thiểu là 28~55 MPa cho mẫu lăng trụ ở tuổi 28 ngày [6] Theo tiêu chuẩn châu Âu, bê tông dùng trong kết cấu ứng lực trước phải có cường

độ chịu nén tối thiểu là 35MPa cho mẫu lập phương ở tuổi 28 ngày [6]

Theo TCVN 5574:2012, cấp độ bền tối thiểu của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước được quy định trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Qui định sử dụng cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực

- Đối với kết cấu thông thường cần sử dụng thép thanh nhóm: C-IV, A-IV, A-V, A- VI, AT-VII, thép sợi nhóm: B-II, Bp-II, thép cáp K-7 và K-19 [10]

- Để làm kết cấu chịu áp lực hơi, chất lỏng nên dùng loại thép sợi nhóm: B-II,

Bp-I và thép cáp K-7, K-19, thép thanh nhóm A-V, A-VI, CIV, A-IV [10]

Trong kết cấu ứng lực trước cần dung thép cường độ cao để tạo ra lực căng trước lớn do một phần ứng suất căng ban đầu bị mất đi Tốt nhất là dùng sợi thép cường độ cao với đường kính 3 ~ 8mm Khi số lượng sợi thép cường độ cao quá nhiều nên sử dụng dạng cáp Cáp 7 sợi được sử dụng phổ biến nhất và được chế tạo từ 6 sợi thép quấn quanh một sợi thép thẳng ở giữa Cáp 7 sợi thường được chết tạo từ sợi thép d5 hoặc d6 Khi cần một lực căng lớn hơn có thể kết hợp nhiều các bó cáp sợi này với nhau

Tại Việt Nam, thường sử dụng cáp 7 sợi sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM A- 416 với cường độ giới hạn nhỏ nhất cho sẵn là 1860 MPa Tiêu chuẩn này được sử dụng cho cả cấu kiện căng trước và căng sau, dính kết hay không dính kết

Hiện nay, cáp ứng lực trước thường được sử dụng có 2 loại là cáp T13 ( 12,7mm)

Với loại cáp ứng lực trước không bám dính, cáp được bọc bởi vỏ bọc chất dẻo tổng hợp hoặc lớp giấy đặc biệt Lớp vỏ bọc phải đảm bảo tính năng cơ học, phải đủ

độ bền cần thiết khi chuyên chở và khi thi công, có khả năng chống thấm tốt và không gây ăn mòn cho bê tông, cốt thép và các loại vật liệu chèn khác

2.2 Tính toán dầm chuyển bê tông cốt thép ứng lực trước theo cấu kiện chịu uốn

2.2.1 Tính toán khả năng chịu uốn của dầm [1]

Xét cấu kiện bê tông ứng lực trước chịu uốn có sơ đồ tiết diện hình chữ nhật như hình 2.1 Cần xác định cường độ chịu uốn của cấu kiện tại tiết diện Trong sơ đồ tiết diện này thể hiện toàn bộ cốt thép căng và cốt thép thường trong vùng chịu nén và chịu kéo Khi không có một loại cốt thép nào đó thì diện tích của nó bằng không

Hình 2.1 Tiết diện dầm chịu uốn

Để xác định cường độ chịu uốn của cấu kiện , ta cần phải xác định các trường hợp phá hoại, cơ sở để xác định các trường hợp phá hoại tại tiết diện là 1 được xác định bằng công thức:

sR

sc u

x h

: hệ số được lấy giá trị   0,85 đối với bê tông nặng

R (Mpa): cường độ chịu nén tính toán của bê tông

sR: ứng suất giới hạn trong cốt thép ở vùng chịu kéo, được xác định như sau:

 : giá trị ứng suất, được tính như sau:

- Khi gây ứng suất trước bằng phương pháp cơ học, nhiệt – điện tự động hoặc hoặc cơ học kết hợp nhiệt – điện tự động cho các loại cốt thép CIV, A-IV, A-V, A-VI, AT-VII:

1

1500 sp 1200 0

sp

s R

 được lấy với sp 1

- Khi gây ứng suất trước cho các loại cốt thép CIV, A-IV, A-V, A-VI,

AT-VII bằng phương pháp khác và cho các loại cốt thép B-II, Bp-II, K-7, K-19 bằng bất kỳ phương pháp nào thì splấy giá trị sp 0

Để cấu kiện không bị phá hoại giòn, điều kiện sau cần thoả mãn 1R Trong trường hợp này cốt thép căng làm việc trong điều kiện ứng suất cao hơn giới hạn chảy quy ước Phương trình trạng thái giới hạn của tiết diện trong trường hợp này có dạng:

: hệ số đối với nhóm cốt thép

1, 2 đối với cốt thép nhóm CIV, A-IV

 1,15 đối với cốt thép nhóm A-V, B-II, Bp-II, K-7, K-19

Để tính toán cường độ của tiết diện ta cần phải xác định được ứng suất trong cốt thép tại vùng chịu kéo Bài toán này có thể giải quyết theo phương pháp tính lặp Momen giới hạn được xác định theo công thức:

Thông thường việc tính toán cường độ chịu uốn của tiết diện nhằm mục đích kiểm tra khả năng chịu lực của cấu kiện Bài toán tính toán kiểm tra cường độ chịu

uốn của tiết diện cấu kiện được tóm tắt như sau:

+ Bước 3: Kiểm tra điều kiện 1R

+ Bước 4: Tính Mu theo các trường hợp

- Nếu 1R Mu tính theo công thức [2.4] hoặc [2.9]

- Nếu 1R Mu tính theo công thức [2.10]

+ Bước 5: Kiểm tra cường độ chịu uốn M u M

2.2.2 Tính toán tiết diện [1]

Cấu kiện nên được thiết kế sao cho chiều cao vùng nén nhỏ hơn chiều cao vùng nén giới hạn ( R), như vậy vừa tiết kiệm được cốt thép, vừa tránh được phá hoại giòn đối với kết cấu

Để đơn giản trong tính toán ta sử dụng đại lượng:

Trường hợp không bố trí cốt thép dọc trong vùng chịu nén Điều kiện đảm bảo cường độ chịu lực của cấu kiện tại tiết diện tính toán:

M M u  R bx h b ( 00,5 )x m bh R02 b [2.14] Khi tiết diện cấu kiện đạt trạng thái giới hạn chịu uốn thì momen do ngoại lực gây ra có giá trị băng momen giới hạn (M M u) Ứng với trạng thái giới hạn này,

từ [2.14] có thể rút ra các công thức sau:

0

m b

M h