Sàn trên nền đất | Kỹ năng thiết kế xây dựng

Khác với các sàn tầng (sàn trên trời), sàn nền tiếp xúc trực tiếp với nền đất như sàn tầng trệt hay tầng hầm. Sàn này nhà nào cũng có nhưng thường được thiết kế kiểu “bốc thuốc” cấu tạo theo kinh nghiệm. Vấn đề là ae trẻ chưa kinh nghiệm gì cũng bốc thuốc mà chưa hiểu 🤣. Nhiều trường hợp đáng tiếc đã xảy ra do không được tính toán chịu lực đúng mức, như nền đất yếu bên dưới lún sụt dẫn tới sàn bị nứt, bong gạch lát… gây mất mỹ quan, ảnh hưởng tiêu cực đến tâm lý, thậm chí nguy hiểm cho cư dân. Xin chia sẻ một cách thực hành đơn giản về vấn đề thiết kế xây dựng này

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

💎Cấu tạo sàn nền

Kinh nghiệm xây nhà bao đời, đơn giản nhất là nền nhà ở thông thường cấu tạo như 🗻Ảnh 1:

Kết cấu chịu lực của sàn nền (dưới lớp gạch lát và vữa lát) là bêtông không cốt thép, thậm chí dùng bêtông gạch vỡ hay vữa ximăng cát. Dưới lớp chịu lực là lớp nền nhân tạo (sub-grade) đất pha cát, rồi mới đến nền đất tự nhiên. Kết cấu sàn nền độc lập và không truyền tải trọng về móng (dưới chân cột hoặc tường chịu lực).

🗻Ảnh 2: Sàn nền nhà công nghiệp

Tải trọng sử dụng lớn hơn nhà ở, thông thường làm sàn bêtông cốt thép 1 lớp trên hoặc 2 lớp. Bên dưới là các lớp nền nhân tạo (sub-grade) gồm cát - đá base đầm chặt với chiều dày tối thiểu nào đó, rồi mới đến nền đất tự nhiên. Cấu tạo này khá giống nền đường.

Do bêtông dễ bị nứt khi diện tích sàn lớn nên cần phải chia sàn thành các khe co (contraction joint) và khe giãn (expansion joint) để kiểm soát nứt bề mặt do co ngót và giãn nở vì nhiệt gây ra. Thông thường kỹ sư thiết kế bố trí khoảng cách các khe co không quá 9m, khe giãn không quá 50m. Cấu tạo các khe này có thể tham khảo như phần dưới của 🗻Ảnh 2

💎Trường hợp nền đất quá yếu

phải sử dụng cọc thì thiết kế kết cấu sàn nền như sàn tầng trên, cọc như là cột đỡ sàn, bỏ qua sự làm việc của đất (do quá yếu). Vì chi phí thi công cọc lớn nên tư vấn thiết kế cần xem xét kỹ, chỉ khi tính toán sàn trên nền đất tự nhiên dẫn tới:

- Độ lún vượt giới hạn tiêu chuẩn: về giá trị độ lún tuyệt đối, lún lệch

- Nội lực sàn (do tải trọng, do lún không đều) gây nứt sàn quá giới hạn cho phép.

 

💎Tiêu chuẩn áp dụng

TCVN 9362:2012 “Nền nhà và công trình – Tiêu chuẩn thiết kế”.

Giá trị độ lún giới hạn, thông thường thuộc trường hợp 1.3 bảng 16 của Tiêu chuẩn

- Độ lún tuyệt đối: 80mm

- Độ lún tương đối: 0,001; nghĩa là chênh lệch độ lún giữa 2 điểm bất kỳ cácb nhau 1m không được vượt quá 1mm. Nếu không đạt tiêu chí này, tư vấn thiết kế cần kiểm tra kỹ sàn không bị nứt hoặc lún quá ảnh hưởng đến vận hành của người và máy móc công nghệ.

 

💎Tính lún

Tính lún sàn nền giống hệt tính lún móng trên nền đàn hồi, là cách làm đơn giản cho hầu hết trường hợp thiết kế kết cấu: nền đất còn làm việc trong giới hạn đàn hồi, chưa xuất hiện biến dạng dẻo.

Cách làm theo mục 4.6.8 và phụ lục C của TCVN 9362:2012, sơ đồ tính toán nền đất quen thuộc là Bán không gian biến dạng tuyến tính (phương pháp cộng lớp 🗻Ảnh 3), Phụ lục C.1.2 của Tiêu chuẩn.

Sơ đồ tính toán lún nền thứ 2 là Lớp biến dạng tuyến tính có chiều dày hữu hạn, theo mục 4.6.8.b) và phụ lục C.1.8 của Tiêu chuẩn, áp dụng khi nền đất khá khoẻ đó là khi:

- Trong phạm vi chưa tắt lún, có lớp đất tốt với module biến dạng E≥100MPa

- Sàn có kích thước lớn (rộng >10m) VÀ module biến dạng của các lớp đất E≥10MPa

Chiều dày tính toán của lớp biến dạng hữu hạn này xác định theo phụ lục C.1.9 của Tiêu chuẩn.

 

💎Các bước thực hành thiết kế xây dựng

1️Xác định hệ số đàn hồi của nền K:

Tải trọng tính lún p coi như phân bố đều trên sàn, bao gồm cả trọng lượng bản thân sàn và các lớp Sub grade. (Xem Ví dụ)

Độ lún s tính theo 1 trong 2 phương pháp Cộng lớp hay Lớp biến dạng tuyến tính có chiều dày hữu hạn

K = p/s

Để kiểm chứng số liệu ngoài hiện trường cho giá trị K, dùng thí nghiệm bàn nén trên nền Sub grade đúng thứ tự các lớp như thiết kế.

2️Mô hình tính toán sàn nền

Sơ đồ tính toán là bản trên nền đàn hồi, dùng các phần mềm thiết kế kết cấu theo phần tử hữu hạn, như Etabs, Safe..

Hệ số nền K có thể lấy không đổi hay thay đổi phân bố theo vùng trên diện tích sàn. Sơ đồ hệ số nền K thay đổi chính xác hơn với sự làm việc thực tế của sàn nền do giá trị độ lún có sự thay đổi: lớn nhất tại tâm nền và giảm dần ra biên. Các kỹ sư thiết kế có thể tham khảo cách chia vùng hệ số K như trong 🗻Ảnh 4, trong từng vùng K lấy theo độ lún tại điểm chấm của vùng đó.

3️Tải trọng phân bố trên sàn các trường hợp: toàn sàn và lệch nhịp

Nếu sơ đồ tính toán hệ số nền có giá trị không đổi trên cả diện tích sàn, tải trọng chất toàn sàn sẽ không gây ra nội lực. Thực tế không bao giờ tải trọng (người, kho hàng, xe cộ…) tác động đều lên sàn cùng 1 giá trị. Để đơn giản trong sơ đồ tính toán thiết kế kết cấu, có thể chất tải (hoạt tải) lệch nhịp theo lưới cột.

Theo các trường hợp: ô cờ và dải theo mỗi phương như 🗻Ảnh 5.

4️Thiết kế kết cấu sàn nền

🔲Theo cường độ: phần mềm tính toán nội lực trong kết cấu bản, dùng để thiết kế bêtông cốt thép sàn nền. Sàn nền nhà ở thường thiết kế theo cấu kiện bêtông không cốt thép.

Sàn nền nhà công nghiệp thường có chiều dày bêtông, cốt thép và các lớp Subgrade bố trí theo kinh nghiệm tuỳ theo tải trọng sử dụng là bao nhiêu T/m2. Lúc đó thực hiện bài toán kiểm tra dựa trên nội lực sàn từ sơ đồ tính toán.

🔲Theo sử dụng: lún, nứt của sàn.

Lưu ý kiểm tra điều kiện độ chênh lún giữa 2 điểm bất kỳ.

 

🎁Ví dụ tính toán thực tế:

Nền nhà công nghiệp, tải trọng sử dụng 5T/m2. Kích thước 15x30m.

Kết quả khảo sát địa chất nền đất như 🗻Ảnh 6

Sơ đồ tính toán sàn trên nền đàn hồi với tải trọng sử dụng (hoạt tải) chất theo 6 trường hợp lệch ô và chất trên toàn diện tích sàn.

Nền đất yếu các lớp đất có module biến dạng E<10MPa nên tính lún theo sơ đồ Cộng lớp.

🔲Trường hợp 1, hệ số nền không đổi là Ko = 150T/m3 tại tâm móng với độ lún lớn nhất là 44mm. Tổ hợp tải trọng phân bố đều toàn sàn không gây ra nội lực, các tổ hợp khác cho yêu cầu sàn dày 300mm với cốt thép Φ14a150 để đảm bảo khống chế chiều rộng vết nứt.

(Xem các file tính đính kèm như 🗻Ảnh 7)

🔲Trường hợp 2, hệ số nền thay đổi với giá trị lớn nhất Kg=850T/m3 ở góc sàn, ứng với độ lún nhỏ nhất 15mm. Tổ hợp tải trọng phân bố đều toàn sàn gây ra độ lún không đều, lớn nhất 37mm ở tâm móng (🗻Ảnh 8). Điều này phù hợp với thực tế làm việc của kết cấu sàn nền hơn. Nội lực nhỏ hơn dẫn tới cốt thép chỉ cần Φ12a50.

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

Quy trình thiết kế sàn nền có thể áp dụng cho móng bè trên nền tự nhiên, cách làm việc cũng giống hệt nhau. Chỉ khác chút về tải trọng: Móng bè chủ yếu chịu tải trọng chân cột tập trung lên mặt. Vậy là dùng 1 kỹ năng được nhiều ứng dụng thiết kế xây dựng nhé.