NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG CỦA ỨNG LỰC TRƯỚC TRONG KẾT CẤU SÀN PHẲNG INVESTIGATION INTO THE EFFECT OF PRE-STRESS IN TWO-WAY FLAT-SLAB FLOORS
TRƯƠNG HOÀI CHÍNH Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT Bài báo trình bày ảnh hưởng của ứng lực trước (ƯLT) trong kết cấu sàn phẳng nhịp lớn nhà dân dụng. Thông qua việc tính toán so sánh sàn phẳng bê tông ƯLT và sàn phẳng bê tông cốt thép thường, có thể đưa ra các nhận xét về tính kinh tế trong việc lựa chọn giải pháp kết cấu sàn.
ABSTRACT This article presents the effect of the pre-stress in two-way flat-slab RC floors of housing. Through calculation and comparison of the two-way flat-slab RC floors and normal reinforce concrete, we provide some remarks on the economical aspect for the selecting slab structure solutions.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, với sự phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp tăng nhanh với đòi hỏi ngày càng cao về mỹ-kỹ thuật. Trong những năm gần đây, nhiều nhà cao tầng đã được xây dựng ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh... đặt ra cho người thiết kế không những đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật mà còn hiệu quả kinh tế, trong đó có việc tính toán thiết kế bản sàn phẳng bê tông ứng lực trước.
Ở các nước có nền xây dựng phát triển như Liên Xô (nay là Nga), Mỹ..., kết cấu sàn không dầm (còn gọi là sàn phẳng) được sử dụng khá rộng rãi. Ở nước ta, sàn nấm đã được biết tới từ lâu nhưng số lượng công trình chưa nhiều. Khi kết cấu sàn có nhịp lớn, việc sử dụng giải pháp sàn bê tông cốt thép thường có nhiều hạn chế, do bề dày lớn, trọng lượng bản thân tăng lên sẽ làm tăng đáng kể độ võng và bề rộng vết nứt, do vậy cần thiết phải sử dụng giải pháp bê tông ƯLT. Với những ưu thế như vậy, trong những năm tới có thể kết cấu dạng sàn phẳng sẽ được áp dụng rộng rãi hơn trong các công trình xây dựng dân dụng.
Bài báo nhằm phân tích hiệu quả kinh tế của sàn phẳng bê tông ƯLT thông qua việc đánh giá so sánh giải pháp kết cấu của sàn.
2. TÍNH TOÁN SO SÁNH KẾT CẤU SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ SÀN BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC
2.1. Khái niệm về sàn phẳng Sàn phẳng gồm có bản kê trực tiếp lên cột. Đầu cột có thể được làm loe ra thành mũ cột để bản liên kết với cột được chắc chắn, đảm bảo cường độ chống đâm thủng của bản, đồng thời làm giảm nhịp tính toán của bản và làm mômen được phân ra một cách đều đặn theo bề rộng bản. Ngày nay, người ta đã xây dựng được những phương pháp tính bằng số mạnh để giải quyết các bài toán về môi trường liên tục. Các phương pháp tính hiện đại này được sử dụng
một cách có hiệu quả để phân tích các kết cấu bằng cách sử dụng một mô hình rời rạc để mô hình hoá kết cấu thực. Trong số đó có thể kể đến phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử biên, lý thuyết tương đương năng lượng,... và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Các phương pháp này được phân biệt theo bản chất của cách rời rạc hoá kết cấu liên tục. Phương pháp PTHH thì xây dựng trên cơ sở rời rạc hoá về mặt vật lý.
2.2. Những vấn đề chung về bê tông ứng lực trước
Cường độ chịu kéo của bê tông không cốt thép là rất nhỏ so với cường độ chịu nén của nó. Do đó, để tăng khả năng chịu kéo cho bê tông nguời ta đã sử dụng hỗn hợp BTCT, trong đó kết hợp khả năng chịu kéo của cốt thép và khả năng chịu nén của bê tông. Tuy vậy, sự phát triển của những vết nứt ban đầu trong BTCT do biến dạng khác nhau của cốt thép và bê tông có lẽ là điểm khởi đầu cho sự ra đời của một loại vật liệu mới là bê tông ƯLT.
Trong cấu kiện bê tông ƯLT, người ta đặt vào một lực nén trước bởi sự kéo cốt thép. Nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại và sẽ tạo nên lực nén trước. Lực nén trước này sẽ gây ra ứng suất nén trước trong bê tông. Ứng suất nén trước sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra. Do vậy, khả năng chịu kéo của bê tông sẽ được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt cho kết cấu.
Tóm lại, có thể nói rằng bê tông ƯLT về cơ bản là loại bê tông mà ứng suất bên trong với sự phân bố và giá trị phù hợp được đưa vào nên ứng suất do ngoại lực sẽ bị kháng lại đến một mức độ mong muốn.
2.3. Thiết kế sàn phẳng bê tông ƯLT căng sau
Tính toán sàn phẳng ƯLT căng sau theo các tiêu chuẩn khác nhau có thể đưa ra các bước tính toán khác nhau. Tuy nhiên, việc đưa ra một quy trình tính toán hợp lý và khoa học sẽ giúp cho người thiết kế có thể thuận tiện, dễ dàng hơn trong thao tác, tránh được những nhầm lẫn và thiếu sót trong thiết kế.
2.4. Ví dụ tính toán
Xét hệ sàn phẳng với nhịp là 8.5 m theo 2 phương. Tính toán và so sánh 2 giải pháp là sàn BTCT thường và sàn BT ULT. Việc chọn chiều dày sàn nhằm thoả mãn yêu cầu về chống chọc thủng. 2.4.1. Sàn phẳng BTCT (thường) Dựa vào quy trình tính toán sàn hai phương, sử dụng phần mềm tính toán SAFE.
Số liệu đầu vào:
- Kích thước ô bản sàn: (8.5m x 8.5m) gồm 3 nhịp, 5 bước. - Chọn bề dày bản ở gối 300mm, ở nhịp 200mm. - Tải trọng tác dụng: - Hoạt tải: 400kG/m2
Sơ đồ tính toán, kết quả số liệu tính toán (mômen, độ võng) được thể hiện trên các
hình vẽ dưới đây:
H.1- Sơ đồ tính toán sàn
H.2a- Biểu đồ nội lực Mômen trên gối (T.m/m)
H.2b- Biểu đồ nội lực Mômen dãy trên gối (T.m/m) (bỏ các phần tử sát mép gối)
H.2c- Biểu đồ nội lực Mômen dãy ở nhịp (T.m/m)
H.4- Sơ đồ không gian Giá trị độ võng của toàn bộ sàn
H.6- Sơ đồ độ võng trên nhịp biên
H.5- Sơ đồ độ võng trên toàn bộ sàn
H.3- Sơ đồ võng của sàn
Hình 7: BẢNG GIÁ TRỊ ĐỘ VÕNG LỚN NHẤT TẠI GIỮA NHỊP BIÊN
(UZ: Độ võng tính theo biến dạng đàn hồi của BT UZ Cracked: Độ võng tính theo biến dạng dẻo và nứt của BT với hệ số của tải trọng dài hạn lấy =3, tải trọng ngắn hạn lấy =1).
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN & BỐ TRÍ THÉP
Thép gối: M- ≈ 14T.m/m -> Bố trí ø 16/ a 100. Thép nhịp: M+ ≈ 6T.m/m -> Bố trí ø 14/ a 150.
2.4.2. Sàn phẳng bê tông ƯLT căng sau (Sử dụng phần mềm ADAPT- PT7.10) Dựa vào quy trình tính toán sàn hai phương theo Tiêu chuẩn ACI, sử dụng phần mềm
tính toán ADAPT- PT7.10 (Lập trình tính toán dựa trên phương pháp khung tương đương). Mục tiêu của bài toán là sử dụng các giá trị tính toán (độ dày, độ võng ...) để so sánh sự khác nhau giữa hai giải pháp kết cấu sàn không dầm BTCT thường và BT ƯLT, để thấy rõ nét tác dụng của ứng lực trước trong hệ kết cấu chịu lực nói chung và kết cấu sàn nói riêng, đặc biệt là những ô sàn có kích thước trên (8.00 x 8.00m) trong nhà nhiều tầng. Số liệu đầu vào: (tương tự như phương án sàn phẳng BTCT thường)
H.8- Khai b¸o tªn vµ d¹ng bµi to¸n
H.9- Khai b¸o tªn ph¬ng ph¸p tÝnh
H.10- Khai b¸o kÝch thíc h×nh häc cña sµn, cÊu t¹o sµn, sè lîng nhÞp...
- Kích thước ô bản sàn: (8.5m x 8.5m) - Bề dày bản 200mm - Tải trọng tác dụng: * Hoạt tải: 400kG/m2 Các kết quả tính toán cụ thể được trình bày theo các hình dưới đây:
H.11- C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n (s¬ ®å bè trÝ c¸p, lùc c¨ng sau, biÓu ®å m«men, s¬ ®å vâng)
BẢNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN & BỐ TRÍ THÉP TRONG SÀN ƯLT
Bố trí cốt thép thường (cho 1 ô bản), ở nhịp ø 12/ a 200, trên gối ø 12/ a 90 (dài 3m). Chọn loại cáp ƯLT T15 (cáp 7 sợi): bố trí 04 bó cáp- loại 5cáp /bó
BẢNG SO SÁNH KẾT QUẢ Dựa vào kết quả tính toán của 2 giải pháp sàn, tiến hành so sánh một số các chỉ tiêu cơ bản, (tính trung bình cho một ô bản sàn có kích thước như số liệu thiết kế).
STT
CÁC CHỈ TIÊU
SÀN BTCT THƯỜNG
SÀN BT ỨNG LỰC TRƯỚC
Đơn vị
01 Bê tông
8,50 x 8,50 x 0,30= 21,675
8,50 x 8,50 x 0,20 = 14,45
m3
02 Cốt thép thường
(ø14: 1170+ ø16: 2253)= 3423
ø12: 1650
kg
0
sợi
03 Cốt thép sợi (ƯLT)
04 bó cáp, 5cáp/bó =20 cáp Sử dụng cáp T15 (cáp7 sợi)
21,653
~ 2,000
mm
04 Độ võng
3. NHẬN XÉT, KẾT LUẬN
Dựa trên kết quả so sánh của 2 ví dụ tính toán trên, có thể rút ra một số nhận xét sau:
1. Cấu kiện bê tông ƯLT có khả năng chống nứt cao hơn dưới tác dụng của tải trọng làm việc so với cấu kiện BTCT có cùng nhịp, do đó có thể hạn chế đáng kể độ võng của sàn khi có nhịp lớn.
2. Sử dụng bê tông ƯLT có thể tiết kiệm được khối lượng bê tông và khối lượng cốt thép so với cấu kiện BTCT nhưng lại phải tăng chi phí cho bê tông cường độ cao, thép cường độ cao, neo và các thiết bị khác. Do vậy, đối với cấu kiện nhịp lớn thì sử dụng bê tông ƯLT nói chung kinh tế hơn so với cấu kiện BTCT và thép.
3. Việc sử dụng bê tông và thép cường độ cao trong cấu kiện bê tông ƯLT cho phép cấu kiện có thể mảnh và nhẹ hơn so với cấu kiện BTCT. Do sự giảm tĩnh tải sẽ giảm bớt tải trọng thiết kế và chi phí cho móng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[2] [3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9] [10]
[1]
TCVN 356-2005. Kết cấu bê tông- bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế. NXB Xây dựng 2005. TCVN 2737-95. Tải trọng và tác động. Tiêu chuẩn thiết kế. ACI Committee 318. Building Code Requirement for Structural Concrecte (ACI 318- 02) and Commentary (ACI 318R-02), american Concrecte Institute, Farmington Hills, MI, 2000, pp.446. Nawy, E. G., and Chackrabarti, P. “Deflection of Prestressed Concrete Flat Plates” Journal of the Prestressed Concrecte Institute, 21 (1976): 86-102. ACI Committee 435(1974) Deflection of Two-Way Reinforced Concrete Floor Systems; State-of-the-Art Report, Report No. ACI 435.6R-74, (Reapproved 1989), American Concrete Institude, Detroit. ACI Committee 435(1991) State-of-the-Art Report on Control of Two-Way Slab Deflections, Report No. ACI 435.9R-91, American Concrete Institude, Detroit. R. Chaussin, Calcul du Beton Precontraint (Elements Beton Precontraint), Centre des Hautes Etudes de la Construction, France 1990. R. Chaussin, Calcul du Beton Precontraint (Precontraint Exterieure), Centre des Hautes Etudes de la Construction, France 1990. Les Eurocodes, J. A. Calgaro, France 1999. Sami Khan, Martin Williams, Post-tensioned Concrete Floors, Butterword- Heinemann Ltd 1995.
