Hướng dẫn thiết kế sàn dự ứng lực từ A-Z bằng PM Adapt Builder

Sàn dự ứng lực là một trong những loại sàn phẳng phổ biến nhất tại Việt Nam sau sàn dầm truyền thống và được thi công rất rộng rãi trong các công trình cao tầng vượt nhịp lớn hay các kết cấu dầm chuyển. Tuy nhiên, việc thiết kế sàn dự ứng lực lại không được nhắc tới nhiều trong các tài liệu sách giáo khoa và tiêu chuẩn khiến cho công tác thiết kế kiểm soát chất lượng còn nhiều khó khăn.

Trong bài viết dưới đây sẽ đi sâu vào hướng dẫn chi tiết thiết kế một dự án sàn dự ứng lực chi tiết từ A-Z sử dụng phần mềm Adapt builder và bảng tính để các bạn có thể nắm được  cách thiết kế.

Bê tông ứng suất trước (dự ứng lực) là gì

Bê tông ứng suất trước là những cấu kiện sử dụng các sợi cáp cường độ kéo căng để tạo ra lực nén và ứng suất nén trước trong bê tông, nhằm mục đích cân bằng với một phần tải trọng tác động bên ngoài gây ra.

Với các cấu kiện bê tông cốt thép, ngay từ những ứng suất kéo rất nhỏ bê tông đã có thể nứt do khả năng chịu kéo kém. Đó là lý do phải bổ sung thêm thép thường để chịu kéo. Với sự bổ sung cáp dự ứng lực kéo căng, đã góp phần phân bố lại ứng suất, tăng ứng suất nén cho bê tông và giảm ứng suất kéo.

Kết cấu bê tông ứng lực trước khác với kết cấu bê tông thép ở chỗ là sự tạo ra ứng suất nén trong bê tông một cách chủ động có chủ ý nhằm nâng cao khả năng chịu lực vượt nhịp lớn và tiết giảm vết nứt độ võng. Bê tông ứng lực trước là sự kết hợp lý tưởng giữa các loại vật liệu có cường độ cao.

Hình ảnh : Nguyên lý kéo căng cáp để phân bố lại ứng suất cho bê tông chịu nén trong dầm sàn

 Sàn dự ứng lực căng sau bám dính và không bám dính

Phương pháp sử dụng để tạo lực nén trước mà chúng ta thấy phổ biến là phương pháp kéo căng sau . Ở phương pháp này, kết cấu được đổ toàn khối tại chỗ. Khi bê tông đạt cường độ nhất định (thường là 70% cường độ ) thì tiến hành áp lực kéo vào cáp , sau khi căng cáp dự ứng lực được neo vào đầu các cấu kiện bằng các đế neo và nêm neo, thông qua đó truyền lực nén vào sàn.

Cáp dự ứng lực căng sau có bám dính : khi thi công sử dụng các sợi cáp đặt trong ống gen kẽm để đặt cáp, sau khi kéo căng sau thì bơm vữa kết hợp phụ gia hóa dẻo, tăng cường độ để lèn chặt ống ghen, bảo vệ sợi cáp. Sự truyền lực kéo thông qua lớp vữa cường độ cao kết hợp với đầu neo.

Cáp dự ứng lực căng sau không bám dính : khi thi công sử dụng các sợi cáp đặt trong ống nhựa và bôi mỡ để bảo vệ chống gỉ. Sau khi căng kéo không cần phải bơm vữa bảo vệ. Sự truyền lực kéo của cáp thông qua chỉ đầu neo.

Khi nào thì lựa chọn 1 trong 2 loại trên ?

Câu hỏi trên hiện nay vẫn là những vấn đề cần bàn luận nghiêm túc. Nhưng trong 1 số trường hợp sau có thể đưa ra phương án lựa chọn :

+ Các yếu tố để lựa chọn sàn căng sau không bám dính :

• Tăng tối đa độ lệch tâm của sợi cáp do đường kính cáp do sử dụng đường kính cáp bé hơn. Ngoài ra với sàn mỏng cũng nên sử dụng cáp bám dính
• yêu cầu đặc biệt về chống ăn mòn cáp trong 1 số công trình đặc thù như ven biển, công trình có tính chất quan trọng
• Cần thi công và đảy nhanh tiến độ lắp đặt tháo dỡ sàn
• Cần tăng tối đa hiệu quả kéo căng giảm bớt tổn thất ứng suất cáp
• Loại bỏ quá trình bơm vữa
• Cần phương án tiết kiệm hơn

+ Các yếu tố để lựa chọn sàn căng sau bám dính :

• Cần tăng khả năng chịu mô men uốn tới hạn
• Khi cần tránh rủi ro trong việc không kiểm soát được chất lượng cáp.
• Khi cần tránh các rủi ro do lửa, động đất cao.

Một số nước như Mỹ thì sử dụng cáp không bám dính là phổ biến tuy nhiên với 1 số nước khác như Úc, Việt nam thì mặc định sử dụng cáp bám dính.

Hình ảnh : so sánh độ lệch tâm của cáp trong 3 trường hợp

a. cáp bám dính ống ghen tròn

b. cáp bám dính ống ghen dẹt

c. cáp không bám dính.

Cấu tạo sàn dự ứng lực căng sau:

Sàn dự ứng lực được cấu thành bởi các bộ phận chính :

+ Bê tông cường độ cao từ B25-B30 : Chịu ứng suất nén

+ Thép thường : Chịu uốn và ứng suất kéo

+ Cáp dự ứng lực : Tạo lực nén trước trong sàn

Cấu tạo cơ bản của các bộ phận cáp bao gồm theo hình ảnh:

 

Quy trình các bước thiết kế sàn dự ứng lực:

Xác định tải trọng tác động :

Các thành phần tác động :

• Tải trọng bản thân
• Hoạt tải
• Tải trọng tường xây
• Tải trọng kéo căng : Phụ thuộc loại cáp, số lượng cáp và lực kéo căng

Lựa chọn sơ bộ kích thước tiết diện, vật liệu

• Chiều cao dầm sơ bộ : L/20-L/30
• Chiều cao sàn sơ bộ : L/35- L/55
• Vật liệu sử dụng : Bê tông B30-B40 . Cáp kéo căng đường kính T12, T15. Thép thường CB400-CB500

Kiểm tra độ võng sàn

Kiểm tra ứng suất cho phép

Kiểm tra mô men uốn tới hạn

Kiểm tra khả năng chịu chọc thủng sàn

Tiêu chuẩn thiết kế sàn dự ứng lực:

Phổ biến ở Việt Nam sử dụng hiện nay là tiêu chuẩn EC2- 2004. Trước đây có sử dụng tiêu chuẩn BS 8110-1997 nhưng tiêu chuẩn này hiện nay đã bãi bỏ.

CASE STUDY thiết kế và thẩm tra công trình sử dụng sàn dự ứng lực :

Vật liệu sử dụng sàn dự ứng lực:

Bê tông sàn dầm : B30 (#400)

Cốt thép thường : – Thép đai đường kính d<10 CB240T có Ry=2400kg/cm2
– Thép đai đường kính d>=10 CB400V có Ry=3000kg/cm2

– Cốt thép chịu lực đường kính d>=10 CB500-V có Ry=5000kg/cm2

Cáp dự ứng lực

Loại cáp grade 270k (1860 MPa) theo ASTM A416, đường kính 15.24mm (T150).
Giới hạn chảy: fpy=1690 Mpa.
Giới hạn bền: fpu=1860 Mpa.
Tỷ lệ fpy/fpu = 1690/1860 = 0.908 >0.8
Độ chùng ứng suất thấp, ở lực kéo 80%fpu, sau 1000 h không quá
3.5%.
Mô đun đàn hồi E
ps=1.95*105 MPa.
Ma sát góc µ =0.2.
Ma sát lắc k=0.005 rad/m

CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG KHAI BÁO:

W: Tải trọng bản thân
DL: Tĩnh tải ( tải trọng tường, trát, ốp, lát)
LL: Hoạt tải
PT: Tải trọng do dự ứng lực
WL: Tải trọng gió
E: Tải trọng động đất

Tổ hợp thiết kế sàn dự ứng lực

Trạng thái sử dụng tại thời điểm căng kéo cáp ( t=0): tại thời điểm
này chỉ có trọng lượng bản thân của bê tông và tải trọng cáp dự ứng
lực:
1.SW + 1.15PT
– Trạng thái sử dụng lâu dài:
1. Tổ hợp tổng tải trọng đặc trưng (Characteristic Service):
1.SW + 1.DL + 1.LL + 1.PT
2. Tổ hợp thường xuyên (Frequent Combination) :
1.SW + 1.DL + 0,7.LL + 1.PT
3. Tổ hợp dài hạn (Quasi-Permanent Service):
1.SW + 1.DL + 0,6.LL + 1.PT
– Trạng thái giới hạn cường độ:
1,35.SW + 1,35.DL + 1,5.LL + 1.PT
1,35.SW + 1,35.DL + 1,5.LL + 1.PT±0,9WL
1,15SW + 1,15.DL + 1,5.LL + 1.PT±0,9WL
1,15.SW + 1,15.DL + 1,05.LL + 1.PT±1,5WL
1.SW + 1.DL + 1.PT±1,5WL
1.SW + 1.DL + 0,6.LL + 1.PT+1.E

Kiểm tra ứng suất tại trạng thái làm việc lâu dài

( theo mục 7.2 BS EN 1992-1-1:2004 và mục 5.8 TR43):

* Tổ hợp tổng tải trọng đặc trưng (Characteristic Servie)
 Ứng suất nén cho phép trong bê tông dưới tác dụng của tổ hợp tải
trọng tiêu chuẩn (Characteristic Combination) là: 0.6fck
 Ứng suất kéo cho phép của thép và cáp:
Thép fy = 390: 0.8xfy = 0.8×390 = 312 Mpa
Thép fy = 500: 0.8xfy = 0.8×500 = 400 Mpa
Cáp fpk=1670: 0.75xfyk = 0.75×1670 = 1252.5 Mpa
 * Tổ hợp thường xuyên (Frequent service)
 Ứng suất nén cho trong bê tông: 0.6fck
* Tổ hợp dài hạn (Quasi-Permanent service)
 Ứng suất nén cho trong bê tông: 0.45fck
Theo tài liệu “TR43: Post-tension concrete floors design Handbook”,mục 5.8 khi thép được đặt vào thớ chịu kéo ngoài cùng của mặt cắt thì khả năng chịu kéo của mặt cắt sẽ tăng lên dựa trên diện tích thép được
tăng cường, với diện tích thép được tăng cường bằng 1% diện tích vùng chịu kéo của mặt cắt ứng suất kéo sẽ tăng thêm 4Mpa. Tuy nhiên giới hạn về ứng suất kéo mà mặt cắt phải chịu không được vượt quá 0.3fck.

Kiểm tra trạng thái giới hạn cường độ

Các tính toán theo trạng thái giới hạn cường độ tuân theo các giả thiết nêu trong tiêu chuẩn BS EN 1992-1-1:2004. Theo phương pháp tính của
tiêu chuẩn thiết kế, cáp dự ứng tham gia tạo ra sức kháng cho các tiết diện, hiệu ứng thứ cấp do ứng lực trước gây ra tác động. Sau khi đã lựa
chọn tiết diện cấu kiện phù hợp, phần sức kháng còn thiếu sẽ được bổ sung bằng cốt thép thường.
Các cấu kiện được kiểm tra dựa vào nội lực bất lợi nhất theo các tổ hợp tải trọng của trạng thái giới hạn cường độ.
Khả năng chống chọc thủng được kiểm tra với tổ hợp bất lợi nhất theo các tổ hợp tải trọng của trạng thái giới hạn cường độ.
Thép dầm được tính toán chịu được tải trọng đứng và tải trọng ngang.

Kiểm tra chuyển  vị Theo tiêu chuẩn EN 1992 – 2004

Độ võng có kể đến nứt. Mọi kiểm tra võng được xem xét theo võng tương đối từ vị trí kiểm tra đến hai đầu của nhịp kiểm tra. Độ vồng tạo
trước không được tính trong các kiểm tra giới hạn đối với kết cấu. Giới hạn theo quy định tại mục 7.4 tiêu chuẩn EN 1992 – 2004:
– Độ võng dài hạn: W <= L/250
– Độ võng ban đầu: W0 <= L/500
Trong đó:
L: nhịp kiểm tra võng
W0: độ võng ban đầu ngay sau khi xây tường hay hoàn thiện
Tổ hợp tính toán:
– Võng ban đầu do tải dài hạn:
1.00 (SW) + 1.00 (DL) + 0.30 (LL) + 1.00 Ứng suất trước

Kiểm tra bề rộng vết nứt

Đối với công trình này, kết cấu dầm sàn dự ứng lực ở trong nhà có trần treo hoặc có lớp sơn, trát bề mặt ngoài. Vì vậy bề rộng vết nứt cho phép
lấy theo bảng 7.1N tiêu chuẩn EN 1992 – 2004 với môi trường được xem là X0, XC1. Theo đó đối với kết cấu dự ứng lực có bám dính dưới tác
dụng của tổ hợp tải trọng Frequent bề rộng vết nứt cho phép là 0.2mm.

PHẦN MỀM ADAPT BUILDER 2016 :

Thiết kế sàn dự ứng lực có rất nhiều phần mềm như Cubus , Ramconcept, Safe CSI hay thậm chí cả ETabs từ 2016 cũng có thể thiết kế được nhưng đây là một trong những phần mềm thông dụng, trực quan nhất và hỗ trợ tính toán xuất bản vẽ cũng như các thông tin đầy đủ nhất.

Mời bạn xem qua review của hãng ADAPT:

Links tải phần mềm :

Hướng dẫn cài đặt :

HƯỚNG DẪN MÔ HÌNH MẶT BẰNG KẾT CẤU SÀN :

HƯỚNG DẪN KHAI BÁO VẬT LIỆU VÀ CÁC TỔ HỢP TẢI TRỌNG :

HƯỚNG DẪN VẼ ĐƯỜNG CÁP VÀ CHIA DẢI SUPPORT LINE:

HƯỚNG DẪN KIỂM TRA ĐỘ VÕNG

HƯỚNG DẪN KIỂM TRA ỨNG SUẤT CHO PHÉP

HƯỚNG DẪN KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN MÔ MEN UỐN TỚI HẠN

HƯỚNG DẪN XUẤT BÁO CÁO VÀ ĐƯỜNG CÁP

CÁC ĐIỀU KIỆN CẤU TẠO SÀN CÁP

 

1. Phần mềm Adapt Builder 2016
2. Mô hình sàn trong ADAPT Builder
3. Kiểm tra các điều kiện về ứng suất cho phép sàn cáp
4. Kiểm tra các điều kiện về chịu uốn mô men tới hạn sàn.
5. Kiểm tra độ võng sàn
6. Kiểm tra chọc thủng sàn
7. Kiểm tra các điều kiện cấu tạo sàn cáp
8. Kiểm tra profile của cáp