Căn bản về thiết kế xây dựng sàn Dự ứng lực-Phần 1 – Kỹ năng Xây dựng

Kết cấu bêtông dự ứng lực (DUL) hiện tại đã trở nên phổ biến cho các công trình dân dụng và áp dụng trong thiết kế xây dựng ở nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nhà chung cư, văn phòng đến trung tâm thương mại hay các nhà để xe. Bài viết xin chia sẻ một vài kinh nghiệm và kiến thức cá nhân thu thập được trong quá trình làm việc giúp các kỹ sư thiết kế có thể đẩy nhanh việc thiết kế sàn DUL một cách đơn giản cũng như đưa ra cái nhìn tổng quan về loại kết cấu này cho các Chủ đầu tư và các Kiến trúc sư thiết kế công trình.

Phần 1 giới thiệu tổng quan về đặc điểm của kết cấu bêtông cốt thép dự ứng lực và các đặc trưng thiết kế công trình sử dụng kết cấu sàn DUL.

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 bình thường 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 ngưỡng cho phép, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGH1). Khả năng sử dụng đạt được khi Kết cấu làm việc bình thường trong suốt tuổi thọ của nó, còn gọi là trạng thái giới hạn thứ 2 (TTGH2). Tính kinh tế thể hiện tỷ lệ cao giữa giá trị đạt được khi áp dụng một phương 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. Tư vấn thiết kế phải đảm bảo các quy định do tiêu chuẩn Nhà nước đặt ra. Tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành thường lạc hậu so với Kỹ thuật xây dựng thực tế, đặc biệt với kết cấu bêtông dự ứng lực, các quy định của tiêu chuẩn Việt Nam lỗi thời và không đầy đủ. Do đó việc áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài là cần thiết, cũng phù hợp với đặc thù của vật liệu cáp ứng lực trước 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 vật liệu bêtông. Ví dụ về một ô sàn như hình 1.1.1 dưới đây

Khả năng sử dụng bình thường (TTGH2) yêu cầu độ võng sàn không vượt quá ngưỡng cho phép. Tính an toàn được đo bằng tải trọng gây ra nứt cho kính: vết nứt đầu tiên xuất hiện sẽ ngay lập tức lan rộng và phá hoại vật liệu. Nứt xảy ra ở tải trọng phát sinh ứng suất 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 bề mặt 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 quả phân tích ứng suất.

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

Nội dung căn bản của thiết kế kết cấu thép là sau khi lựa chọn chiều dày sàn và vị trí gối tựa, 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 bêtông như trình bày dưới đây.

hình 1.1.1

Thiết kế kết cấu 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 tức thời (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 vài vết nứt nhỏ làm cho việc phân tích kết cấu theo mô hình đàn hồi thông thường là không chính 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. kỹ sư kết cấu là người 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 thuộc đường 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 đích cải thiện khả năng làm việc của kết cấu và phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm kỹ sư thiết kế kết cấu, nhiệm vụ chính của nó là đảm bảo:

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

– Chiều rộng vết nứt ở tải trọng làm việc trong giới hạn cho phép. Thường các tiêu chuẩn thiết kế quy định hàm lượng cốt thép cấu tạo tối thiểu trong mỗi tiết diện bêtông để đảm bảo tiết diện bêtông chỉ bị phá hoại dẻo. Đó là khả năng tiết diện có một biến dạng nhất định trước và khi vượt quá cường độ của nó trước khi bị phá hoại. Điều này giúp phân bố lại tải trọng trong sàn và huy động sự làm việc của dải sàn theo đường truyền tải trọng mà người 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 quy ước thông qua cốt thép phân bố cấu tạo đặt dưới tải trọng tập trung đó. Cốt thép này đảm bảo đường truyền tải giữa 2 vách A và B có thể cụ thể hoá như kỹ sư thiết kế đã chọn. Hình 1.1.2 (b) minh hoạ cốt thép cấu tạo chống nứt cho góc lõm của sàn.

Hình 1.1.2 – Cốt thép cấu tạo

Đường truyền tải quy ước là cần thiết cho sàn bêtông vì việc bố trí cốt thép sàn quyết định phương và độ lớn của khả năng chịu tải của sàn. Thông thường có nhiều hơn 1 đường 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 bố moment từ kết quả phân tích đàn hồi sàn (không kể đến hệ số nở ngang Poisson). Khi thiết kế cốt thép thường tính toán để chịu moment tương đương đơn giản như trên hình 1.1.3(b). Bố trí cốt thép trong vùng moment đó trên mặt bằng như thế nào không quan trọng miễn là đủ số lượng. Lý do là sàn phá hoại theo các đường khớp dẻo và các đường này sẽ huy động toàn bộ cốt thép cắt qua nó làm việc.

Hình 1.1.3 – Moment thiết kế

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 Thép moment cần được kiểm tra theo từng điểm, kết cấu bêtông chỉ cần quan tâm tới giá trị moment tổng trên tiết diện ngang chiều rộng dải. Do đó khi tính sàn bằng Phần tử hữu hạn, dù chia nhỏ hơn thì kết quả quả moment tổng trên dải sàn cũng không khác gì. Các bạn có thể kiểm chứng bằng phần mềm SAFE.

Với thiết kế xây dựng kết cấu DUL, cũng như kính và thép, cần kiểm tra ứng suất ở tải trọng tiêu chuẩn. Với kính việc kiểm tra ứng suất để tránh vết nứt, với thép để kiểm tra chảy dẻo cục 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 tổng trên toàn tiết diện dải sàn. Trong thực tế ứng suất tại vùng quanh gối tựa có giá trị lớn hơn rất nhiều và hầu hết là vượt giới hạn nứt của bêtông. Ứng suất thiết kế do vậy mang ý nghĩa 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 DUL

Như trên thì đặc trưng thiết kế kết cấu bêtông cốt thép là phải chỉ ra đường truyền tải trọng hay dải sàn. Kết cấu bêtông dự ứng lực phức tạp hơn vì thêm thông số đầu vào và căn chỉnh trong tính toán.

Thiết kế kết cấu dự ứng lực theo TTGH1 và TTGH2 bao gồm khống chế các tham số: (i) Số lượng cáp dự ứng lực, và (ii) quỹ đạo cao độ cáp. Cốt thép thường bổ sung cho sàn sẽ được quyết định bởi 2 tham số này.

Trong sàn thường, với mỗi dải sàn được chỉ ra sẽ chỉ có một kết quả cốt thép tính toán. Trong sàn ứng lực trước, mỗi kỹ sư thiết kế sẽ cho một kết quả khác nhau vì 2 thông số là số lượng 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 xây dựng sàn DUL

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 hữu hạn” (PTHH). Trong phương pháp Khung đơn giản (SFM), khung tính toán đến độ cứng cột và phần sàn liên quan tính từ kích thước hình học chính xác của các cấu kiện. Trong tính 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 đối của 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, mũ cột..) và lưới cột theo 2 phương không thẳng hàng, vuông góc nhau.

Phương pháp PTHH hiện tại được các kỹ sư thiết kế sử dụng nhiều nhất qua các phần mềm như SAFE, ADAPT Floor Pro, RAM Concept… Đây là phương pháp cho độ chính xác cao hơn do chia 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 làm việc 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 thiết kế kết cấu sàn. Hệ kết cấu nhà làm việc khi trọng lượng bản thân và các tải trọng khác lên sàn tại mọi điểm được truyền về các gối tựa (cột, vách) theo các đường truyền tải trọng. Ví dụ cho một sàn với lưới cột phức tạp 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 là đường giả thiết sự truyền tải sàn về các gối tựa do người thiết kế xây dựng lựa chọn ban đầu. Có thể lựa chọn như trong các hình sau:

Hình 1.2.3 – Đường truyền tải trọng theo phương XHình 1.2.4 – Đường truyền tải trọng theo phương Y

Sau đó mỗi đường tải trọng sẽ có một vùng truyền tải sàn về như các hình vẽ sau, vùng này sẽ tạo nên dải sàn, cái này đã quen thuộc trong SAFE. Ranh giới của 2 dải sàn chính là các đường trung bình giữa các đường tải trọng liền kề trên cùng 1 phương X hoặc Y. Yêu cầu là tất cả các dải trên một phương phải phủ kín diện tích sàn. Một số phần mềm thiết kế xây dựng như 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 XHình 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 các tiết diện dầm đó (vuông góc với đường tải trọng) chính là tiết diện tính toán dùng cho bước thiết kế sàn sau này. Thông thường chọn các tiết diện nguy hiểm: ở giữa nhịp và 2 mặt bên gối tựa như hình 1.2.7.

Hình 1.2.7 – Tiết diện tính toán của các 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.

Phương pháp Khung tương đương

Phương pháp thiết kế xây dựng này quy bài toán không gian về bài toán khung phẳng.

Tách riêng từng dải sàn, cùng với các điều kiện biên về gối tựa (cột, vách), tải trọng sàn tác dụng trên diện truyền tải thành một khung tương đương và tiến hành tính toán độc lập khung đó. Hình 1.2.8 thể hiện ví dụ tách dải sàn B theo phương X, trong đó đã có các bước đơn giản hoá mô hình để đưa về dầm tương đương với các tiết diện đơn giản: các tiết diện thẳng và giật cấp. Một số phần mềm thiết kế kết cấu như ADAPT-PT cho phép tự động đơn giản hoá khung từ mặt bằng sàn phức tạp với độ chính xác cao.

Hình 1.2.8 – Quy dải sàn về khung tương đươngHình 1.2.9 – Khung tương đương sau khi tách ra tính toán

Phương pháp Phần tử hữu hạn

PP này chỉ cần mô hình không gian một lần duy nhất, khác với pp Khung tương đương để tính hết mặt bằng sàn phải tính tất cả các khung tương ứng với mỗi dải sàn. Khi dùng các phần mềm tính theo PTHH, người kỹ sư thiết kế vẫn vẽ các đường tải trọng giả thiết giống như trình 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 như thế 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. Các mũi tên vuông góc với mặt phẳng có lực cắt lớn nhất trong sàn, độ dài của mũi tên thể hiện độ lớn của lực cắt này.

Hình 1.2.10 – Luồng truyền tải trọng về gối tựaHình 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 trọng theo phương X, chia dải sàn theo đường này thì là lý tưởng nhất về mặt kinh tế và sử dụng vật liệu với mặt bằng khùng khoằm thế này. Nếu so sánh với hình 1.2.5 thì thấy đường 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 diện tính toán của dải đó để tính toán cốt thép cho cả chiều rộng tiết diện đó. Lưu ý là trong chiều rộng này cốt thép bố trí thế nào không quan trọng miễn là tổng diện tích cốt thép đủ chịu moment tổng như đã trình bày ở phần đầu. Hình 1.2.12 là ví dụ về biểu đồ moment cho dải sàn B, tại các tiết diện tính toán ở gối tựa và giữa nhịp 1-2. Trong hình thấy moment phân bố biến đổi dọc theo chiều rộng của tiết diện tính toán. Giá trị 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, kỹ sư thiết kế cần bố trí cốt thép một cách hợp lý để đảm bảo sự làm việc của sàn như giả định thiết kế đã chọn.

Sàn thường

Nhiều tiêu chuẩn thiết kế xây dựng như ACI, AS vẫn có những quy định về bố trí cốt thép theo dải giữa cột và dải đầu nhịp. Với mặt bằng sàn có hình dáng 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 hình 1.2.12. Ví dụ cốt thép âm tại gối cột trục 2 sẽ bố trí phần lớn tập trung quanh vùng cột là vùng 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 giữa đặt phần lớn lượng cốt thép yêu cầu trong vùng sàn quanh cột. Chiều rộng vùng sàn quanh cột tuỳ thuộc vào lựa chọn của kỹ sư thiết kế theo như trên, có thể chấp nhận chiều rộng 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 tiêu chuẩn quy định về đường kính và khoảng cách. Điều này để hạn chế nứt do co ngót và do thay đổi nhiệt độ.

Sàn DUL

Bố trí cốt thép thường và cáp DUL trong mặt cắt tính toán của sàn DUL tương đối tự do hơn 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 đối với sàn DUL 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 DUL thuận tiện nhất cho thi công và đảm bảo tối thiểu có 2 tao cáp đi qua cột theo 2 phương. Khoảng cách tối đa của tao cáp là 8 lần chiều dày sàn.

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

Cốt thép cấu tạo

Ngoài vai trò hạn chế nứt còn có vai trò đảm bảo sự làm việc thực tế giống như đã lựa chọn của các đường truyền tải trọng (như đã nói trong phần 1.1.2). Một số cốt thép cấu tạo như quanh lỗ mở có thể trình bày dưới dạng chi tiết điển hình. Tuy nhiên phần lớn cốt cấu tạo là do kỹ sư thiết kế chỉ định, do đó kinh nghiệm và trình độ của họ được yêu cầu cao ở đây 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 đường truyền tải giả thiết, như là cốt thép dưới tải tập trung trong ví dụ nêu ở phần đầu. Trong thiết kế xây dựng sàn DUL, 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.

Hết phần 1