Tính toán sàn Dự ứng lực với ETABS | Thiết kế xây dựng căn bản

Sàn Dự ứng lực (DƯL) tối ưu về chi phí 💵 hay không phụ thuộc phần lớn vào kỹ năng của Kỹ sư thiết kế xây dựng. Trăm hay không bằng tay quen, để nhanh chóng thành thạo, nâng cao năng suất nhanh tìm được phương án tối ưu, có thể dùng phần mềm thiết kế kết cấu ETABS từ phiên bản 2016, vốn quen thuộc với các Kỹ sư. Các kiến thức cơ bản có thể tìm trong chủ đề cũ về DUL. Dưới đây tóm tắt cách làm theo từng bước:

======================================= 

1️Sơ bộ kích thước sàn

Đầu tiên, kỹ sư thiết kế chọn chiều dày sàn, mũ cột, dầm, … theo kinh nghiệm. Ví dụ: Sàn nhà dân dụng thông thường

Hs=L/(36-42) ko mũ

Hs=L/(40-48) có mũ

Hmũ = 1,75.Hs

Dựng mô hình nhà nhiều tầng như bình thường.

 

2️Tạo dải sàn 2 phương

Trên mô hình Etabs đủ sàn các tầng, vẽ các dải sàn (Design Strip), lưu ý theo cả 2 phương vuông góc nhau. Chiều rộng các dải phủ kín diện tích sàn cần tính toán ULT.

Dải sàn dạng Column Strip, nối các điểm cột vách có chiều rộng ôm hết nửa lưới cột về mỗi bên. Dùng chức năng Edit> Add/Edit Design Strips> Add Design Strips và Edit Strip Width để tăng tốc độ vẽ.

 

3️Khai báo các thông số về DƯL trong Etabs

- Define> Material Properties> Material Type: Tendon 

- Define> Section Properties> Tendon Section 🗻Ảnh 3

- Define> Load Patterns> Prestress-Final, Prestress-Transfer 🗻Ảnh 4

- Define> Load Cases> Hyperstatic🗻Ảnh 5

🔍Các khái niệm cần nắm:

Tendon, Strand, Bonding Option, Prestress-Final, Prestress-Transfer, Hyperstatic,

 

4️Mô hình cáp cho mỗi dải sàn

Mô hình đơn giản cáp trong 1 dải bằng 1 đường Tendon duy nhất, số tao cáp (Strand) trong Tendon này bằng tổng số của các đường cáp dự kiến sẽ bố trí thực tế trong phạm vi chiều rộng của dải đó.

🔲Bài toán thẩm tra thiết kế:

Số lượng Strand đã biết, chỉ việc nhập vào Number of Strands trong thuộc tính của mỗi Tendon (🗻Ảnh 6)

🔲Bài toán thiết kế xây dựng:

Kỹ sư thiết kế cần xác định số lượng Strand cho Tendon trong mỗi dải sàn, theo phần trăm tải trọng cân bằng.

Dùng chức năng Edit> Add/Edit Tendons> Add Tendons in Strips (🗻Ảnh 7). 

Nhập các thông số:

Precompression Level (ứng suất nén trước),  Self Load Balancing Ratio (tỉ lệ cân bằng Tải trọng do trọng lượng bản thân kết cấu)

Ngoài ra khai báo các thông số:

- Quỹ đạo cáp 🗻Ảnh 8

- Jack from This Location

- Lực căng cáp: Tendon Jacking Stress

- Tổn hao ứng suất: Tendon Loss Data 🗻Ảnh 9

🔍Các khái niệm cần nắm:

Tải trọng cân bằng, Precompression Level, Self Load Balancing Ratio, Tendon Jacking Stress, Jack from one-End, Jack from Both Ends, Tendon Loss

 

5️⃣Thiết kế sàn

- Chọn tiêu chuẩn thiết kế: Design> Concrete Slab Design> Vew/Revise Preferences

- Tạo các tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn:

Define> Load Combinations> Add Default Design Combos> Concrete Slab Design

Design> Concrete Slab Design> Select Design Combinations

Lý do ETABS chính xác hơn SAFE: tác dụng của DUL, tải trọng ngang (gió, động đất,…) lên nhiều tầng cùng lúc.

- copy Cáp và dải sàn cho các tầng cần tính toán:

Edit> Replicate

Design> Concrete Slab Design> Select Stories for Design

- Chạy thôi! Start Design

Thiết kế theo TTGH 1: dùng Load case Hyperstatic cho DUL

- Tính toán bố trí cốt thép thường: Design> Concrete Slab Design> Display Flexural Design

- Kiểm tra chọc thủng mũ cột: Design> Concrete Slab Design> Display Punching Check

Thiết kế theo TTGH 2: dùng Load case Prestress-Final hay Prestress-Transfer cho DUL

- Kiểm tra điều kiện ứng suất trong: giai đoạn mới căng cáp, giai đoạn cuối cùng khi làm việc.

- Chiều rộng vết nứt: Design> Concrete Slab Design> Display Flexural Design

 

6️⃣Bố trí cốt thép trên bản vẽ thiết kế

Thiết kế xây dựng sàn dự ứng lực cần lưu ý các yêu cầu cấu tạo về cốt thép, dù tính toán không cần nhưng vẫn phải bố trí đủ:

🔲Cáp

Bố trí cáp 2 phương đảm bảo tổng số lượng Strand trong mỗi dải sàn như đã tính toán. Có một số cách bố trí như 🗻Ảnh 10.

- Cáp tập trung theo băng trên chiều rộng thường là 1.2m nối dọc qua các cột, vách

- Cách bố trí theo băng 1 phương và phân bố theo phương còn lại có lợi nhất về mặt thiết kế, vì cả 2 phương đều có được độ chênh cao độ cáp lớn nhất, do đó tải trọng cân bằng là lớn nhất, mà cũng ít bị đụng nhau nhất do quỹ đạo cáp là Parabol.

🔲Thép thường – Lớp trên

Bố trí ít nhất 4 thanh thép trong vùng quanh cột vách, với chiều dài tối thiểu như trong 🗻Ảnh 11

Nên chọn đường kính thép nhỏ vì phải bố trí 2 lớp theo 2 phương trên mỗi gối tựa. Đường kính nhỏ cũng hiệu quả hơn trong việc khống chế nứt.

🔲Thép thường – Lớp dưới

Có thể thiết kế kết cấu sàn 2 phương không có cốt thép thường lớp dưới miễn là cáp đã đảm bảo chịu lực. Nếu ứng suất kéo trong bêtông lớn hơn giá trị quy định trong tiêu chuẩn thì cần bố trí hàm lượng thép dưới tối thiểu khống chế nứt, chiều dài tối thiểu như trong 🗻Ảnh 11.

- Cốt thép lớp dưới ở phương bố trí cáp theo băng được đặt trong phạm vi chiều rộng băng cáp đảm bảo khoảng cách tối thiểu. Theo phương cáp phân bố đều cốt thép lớp dưới cũng phân bố đều. Cốt thép theo phương phân bố đặt chồng lên cốt thép theo phương băng cáp.

- Nếu kỹ sư thiết kế tính toán ra phải bố trí cốt thép lớp dưới thì cần kéo dài tối thiểu 1 số thanh vào cột vách:

 + Kéo 1/3 số thanh ở nhịp biên neo vào cột

 + Kéo 1/4 số thanh ở nhịp giữa neo vào cột

🔲Thép chịu cắt, chọc thủng

Thép chịu cắt cho sàn phẳng, theo tính toán chọc chủng khi bêtông không đủ chịu. Có thể dùng thép chữ J khá kinh tế.

🔲Thép cấu tạo tại đầu neo cáp

Các chi tiết này điển hình và cho vào bản vẽ Ghi chú chung

 

7️Xử lý các tình huống thi công hay gặp

Trong thiết kế xây dựng, các tình huống sau là thường gặp khi thi công kết cấu sàn Dự ứng lực:

🔲Độ giãn dài cáp (Elongation) không đạt

Không đủ độ giãn dài: khi kéo 100% lực thì giá trị giãn dài của bó cáp không dạt theo thiết kế. Dù thiết bị đo đã nghiệm thu đạt độ chính xác yêu cầu.

 Các nguyên nhân có thể và khắc phục:

 - Do ma sát giữa cáp và ống gen tăng do để lâu ngày hoặc do ống bị bể khi đầm beton nên nước xi măng ngấm vào. Biện pháp khắc phục là kéo quá lực lên 1.05 Ptk hoặc kéo không tải 3->5 lần sợi cáp để làm giảm ma sát.

- Do cáp không đúng quy cách thiết kế.

Thông thường độ giãn dài trung bình khoảng 6.5 phần ngàn (với cáp 12.7mm). Độ giãn dài đạt cao nhất với cáp dài trong khoảng 15m trở lại (1 đầu neo chủ động), càng dài thì sẽ khó đạt độ giãn dài, cáp dài hơn 30m sẽ phải sử dụng 2 đầu neo chủ động. Sau khi kéo căng cáp, trị số độ giãn dài của cáp đạt 0.95 đến 1.1 độ giãn dài của cáp khi tính toán là thuộc giới hạn cho phép.

🔲Tuột cáp dự ứng lực khi kéo

Khi kéo lực đạt 100%Po sau đó hồi kích thì xẩy ra hiện tượng tụt móng neo (chốt neo) và không giữ được sợi cáp.

 - Nếu không thi công bổ sung lại được, tư vấn thiết kế cần tính lại khả năng chịu lực của kết cấu với cáp đã căng.

- Nếu trong cấu kiện đó 1 sợi cáp đứt chiếm 1-2% thì phải bỏ.

 Có thể xử lý như sau:

- Luồn sợi cáp khác.

- Đục ra neo lại.

=======================================

🎁Các khái niệm trong thiết kế kết cấu cáp dự ứng lực (theo thứ tự ABC):

💎Bonding Option	Đặc tính bám dính, gồm 2 loại: - Bám dính (bonded) có lực dính bám với bêtông dọc theo chiều dài sợi cáp bằng cách bơm vữa lấp đầy ống ghen sau khi căng và cắt neo các tao cáp. Đây là loại phổ biến ở thị trường Việt Nam hiện nay cho nhà dân dụng, thường được tư vấn thiết kế sử dụng. - Không bám dính (unbonded) không có lực dính 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. Tổn hao ứng suất cho loại có bám dính nhiều hơn do ma sát lớn hơn giữa tao cáp và ống ghen (Duct)
💎Dải sàn (Design Strip)	Là dầm ảo để lấy nội lực và tính toán thiết kế kết cấu sàn như 1 dầm với chiều rộng bằng chiều rộng dải, các gối tựa chính là cột vách.
💎Độ giãn dài (Elongation)	Là biến dạng của cáp do lực căng cáp gây ra, đã trừ tổn hao, trên mỗi sợi cáp.   Khi thi công đo đếm được giá trị này làm căn cứ nghiệm thu
💎Eurocode – Một số giới hạn cần lưu ý khi thiết kế sàn theo EC2	- Ứng suất nén trong bêtông không vượt 0,6fck (0,45fck ở tổ hợp dài hạn) - Ứng suất kéo trong cáp không vượt 0,75fyk -
💎Hyperstatic	Hiệu ứng siêu tĩnh, đặc trưng của thiết kế kết cấu DƯL do kết quả tác dụng của các gối tựa của sàn (cột, vách). Việc căng cáp sau khi đổ bêtông gây ra các phản lực phụ thêm lên gối tựa do tác dụng ngăn lại chuyển vị tự do gây ra bởi lực nén trước của các gối tựa. Các phản lực này gây ra nội lực phụ thêm vào sàn do đó cần xét đến trong giai đoạn làm việc (xem thêm post Căn bản về thiết kế xây dựng sàn Dự ứng lực) nếu bạn thấy khó hiểu cũng Yên tâm cái này Etabs tự tính cho mình
💎Jack from Both Ends	Cáp căng cả 2 đầu neo chủ động, bằng kích. Áp dụng cho các đường cáp dài hơn 30m
💎Jack from one-End	Cáp chỉ căng tại 1 đầu, tại vị trí neo chủ động, bằng kích. Áp dụng cho các đường cáp ngắn hơn 30m
💎Precompression Level (ứng suất nén trước)	1 tham số quan trọng khi thiết kế kết cấu sàn DUL. Bằng tổng lực căng chia cho diện tích tiết diện vuông góc với phương lực căng. Một số tiêu chuẩn quy định giá trị tối thiểu bằng 0,85MPa (ACI) Giá trị ứng suất nén trước lớn nhất nên là 2.0MPa cho sàn và 2.5MPa cho dầm. Giá trị lớn hơn, nghĩa là nhiều cáp hơn làm mất tính kinh tế của thiết kế.
💎Prestress-Final	Tải trọng do cáp tác động lên công trình. ở giai đoạn làm việc, đã trừ toàn bộ tổn hao ứng suất trong cáp
💎Prestress-Transfer	Tải trọng do cáp tác động lên công trình, ở giai đoạn mới căng cáp, bắt đầu truyền tải trọng vào bêtông, đã trừ tổn hao ứng suất ngắn hạn. Nguyên lý chung là lực căng cáp sau khi neo truyền thành phản lực nén vào bêtông theo định luật 3 Newton.
💎Profile (Quỹ đạo cáp)	Dạng đường cong cáp trên mặt cắt ngang sàn. Mỗi dạng quỹ đạo cho 1 loại tải trọng cân bằng tương ứng. Phổ biến nhất là quỹ đạo Parabol cho tải trọng cân bằng phân bố đều. 🗻Ảnh 13
💎PT	Post Tension: Dự ứng lực căng sau, đổ bêtông toàn khối trước khi tiến hành căng cáp. Phân biệt với căng trước (prestress), căng và neo cáp trước khi đổ bêtông, thường gặp kết cấu lắp ghép.
💎Strand (tao cáp)	🗻Ảnh 12 Đơn vị nhỏ nhất sợi cáp, phổ biến là loại gồm 7 sợi thép cường độ cao bện với nhau như dây thừng, đường kính 12.7mm. Strand đường kính lớn hơn, 15.3mm, thường dùng cho kết cấu lắp ghép căng trước hay cho cầu, cho dầm DUL và sàn chuyển.
💎Tải trọng cân bằng (Balanced Load)	Tải trọng theo phương ngược lại trọng lượng sàn. Sơ đồ tính sàn lúc này bỏ cáp và thay bằng tải trọng cân bằng. Tải trọng lên Kết cấu bằng tải trọng sàn trừ đi tải trọng cân bằng này. 🗻Ảnh 13 Kinh nghiệm khi thiết kế kết cấu sàn nhà dân dụng, con số hợp lý là cân bằng 60-80% tĩnh tải. Với dầm là 80-110%. Đây là thông số quyết định số lượng cáp.
💎Tendon	🗻Ảnh 12 Đơn vị đường cáp dùng trong sơ đồ tính toán, gồm nhiều Strand. Lực căng lên Tendon bằng lực căng 1 strand nhân số lượng strand trong Tendon
💎Tendon Jacking Stress	Ứng suất bằng lực căng cáp tại đầu neo chia diện tích cáp
💎Tendon Loss (Tổn hao ứng suất)	Thiết kế kết cấu DUL luôn phải xét đến cái này. Tổn hao bao gồm 2 phần: - Phần ngắn hạn (Stressing Losses), gồm (i) tổn hao do ma sát, (ii) tổn hao do biến dạng neo, (iii) do co ngắn đàn hồi của bêtông. - Phần dài hạn (Long Term Losses), gồm (i) tổn hao do co ngót, (ii) do từ biến của bêtông, (ii) do chùng ứng suất. 🗻Ảnh 14 Lực căng trong cáp phải trừ đi tổn hao để tính toán tải trọng cân bằng. Nên để Etabs tính tự động. Các thông số nhập vào phần mềm: - Curvature Coefficient, Wobble Coefficient: để tính tổn hao do ma sát, lấy theo Catalogue loại cáp sử dụng. - Anchorage Set Slip: để tính tổn hao do biến dạng neo, thường bằng 6mm - Elastic Shortening Stress: tổn hao ứng suất do co ngắn đàn hồi của bêtông - Creep Stress: tổn hao ứng suất do từ biến - Shrinkage Stress: tổn hao ứng suất do co ngót - Steel Relaxation Stress: tổn hao ứng suất do chùng ứng suất Có thể dùng phần mềm độc lập như ADAPT FELT để tính toán chính xác các tổn hao ứng suất và độ giãn dài của cáp. Ở bước đầu tiên chọn số lượng cáp thì giả định theo kinh nghiệm tổng tổn hao ứng suất chiếm 15-20%, trong đó phần dài hạn khoảng 10%. Làm nhiều sẽ giả định con số này chuẩn hơn.

 

=======================================

🎁Tóm lại:

- Việc thiết kế kết cấu sàn DƯL đã trở nên đơn giản vì phần mềm tính toán tự động hết rồi. Chỉ khác là có nhiều thông số hơn bêtông cốt thép thường để người kỹ sư cần để tâm.

- Chọn tiêu chuẩn thiết kế nào, ACI, Eurocode, … thì tải trọng, cường độ vật liệu, giới hạn cho phép, .. đồng bộ theo tiêu chuẩn đó

- Nếu thấy bài viết quá dài, khó hiểu thì làm đến bước nào đọc đến đó. Lúc khác tĩnh tâm, thư giãn hơn thì đọc Blog, tài liệu, để hiểu rõ bản chất các tham số, tạo sự tự tin khi ra ngoài giao tiếp, bảo vệ sản phẩm của mình.

- Khác với bêtông cốt thép thường, bài toán DUL có nhiều đáp án về cốt thép trên cùng 1 phương án kích thước bêtông. Chọn nhiều cáp (tải trọng cân bằng nhiều) thì ít thép thường và ngược lại. Kỹ năng càng quen thì càng dễ tìm được bài toán tối ưu về khối lượng cáp, thép, tiết kiệm cho Xã hội.

Ví dụ sàn nhà ở, tính cho 1m2 sàn, thiết kế hợp lý khoảng 5kg, thép thường 15kg. Tính ra nhiều hơn cố gắng làm đi làm lại nhiều lần để tối ưu dần.

Chúc anh chị em kỹ sư áp dụng thành công, nhanh chóng nâng cao năng lực, có nhiều công trình thiết kế xây dựng giúp ích cho đời 🎉

Nguồn tham khảo: gs. Alaami – sáng lập ADAPT corporation