Một số bài toán khi ứng dụng phương pháp bán lắp ghép cho những cấu kiện tấm, bản trong kết cấu xây dựng

một số bài toán khi ứng dụng ph−ơng pháp bán lắp ghép cho những cấu kiện tấm, bản trong kết cấu xây dựng PGS.TS Đinh Quang C−ờng Viện Xây dựng Công trình biển Tr−ờng Đại học Xây dựng Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu tóm tắt ph−ơng pháp tính toán thực hành để kiểm tra các liên kết đảm bảo sự làm việc toàn khối giữa tấm lắp ghép (dùng làm cốp pha bê tông) với phần bê tông đổ tại chỗ khi ứng dụng ph−ơng pháp bán lắp ghép cho những cấu kiện tấm hoặc bản trong kết cấu xây dựng bằng bê tông cốt thép. Summary: This paper deals breafly with the practical solution of some problems for checking joints between the precast concrete formwork and cast-in- situ concrete structures with plate shap. Some problems in applying the semi - assembling technology used for plate element of concrete structures. 1. Đặt vấn đề Các kết cấu bê tông nhịp lớn có độ dày lớn khi thi công có thể đ−ợc chia thành hai phần. Một phần đ−ợc chế tạo trong nhà máy, đem lắp ghép và sử dụng làm cốp pha để thi công (gọi là tấm bê tông lắp ghép). Phần còn lại đ−ợc đổ bê tông tại công tr−ờng. Việc làm nh− trên đ−ợc gọi là ph−ơng pháp bán lắp ghép [7]. Đối với ph−ơng pháp bán lắp ghép, việc cấu tạo kết cấu và tính toán kiểm tra để đảm bảo sự làm việc toàn khối giữa phần bê tông lắp ghép và phần bê tông đổ tại chỗ nh− một tiết diện liên hợp là quan trọng. 2. Những yêu cầu đối với tấm bê tông lắp ghép khi dùng làm cốp pha dùng trong ph−ơng pháp bán lắp ghép Tấm bê tông lắp ghép phải đ−ợc cấu tạo đáp ứng các yêu cầu sau: Yêu cầu 1: Kích th−ớc của tấm lắp ghép phải phù hợp với sức nâng của cần cẩu Yêu cầu 2: Đảm bảo độ bền của tấm lắp ghép trong quá trình thi công. Yêu cầu 3: Đảm bảo sự làm việc của tấm lắp ghép với phần bê tông đổ sau nh− một khối liên hợp. Để đạt đ−ợc các yêu cầu trên đây, cần giải quyết các vấn đề sau: Vấn đề 1: Tấm lắp ghép không bị gẫy khi cẩu cẩu lắp vào vị trí lắp ghép. Vấn đề 2: Tấm lắp ghép không bị gẫy khi chịu tải trong quá trình thi công (làm cốp pha). Vấn đề 3: Mặt tiếp giáp giữa mặt trên của tấm lắp ghép và phần bê tông đổ tại chỗ không bị tr−ợt qua nhau. Vấn đề 4: Mối nối −ớt giữa tấm lắp ghép và phần bê tông đổ tại chỗ không bị phá hoại. 2 3. Nguyên lý tính toán kết cấu tấm cốp pha bê tông sàn Việc đảm bảo yêu cầu 1 không khó khăn nếu biết loại cẩu sẽ sử dụng để lắp ghép và sơ đồ kết cấu chung của hệ dầm sàn, do vậy mục này chỉ trình bày ph−ơng pháp tính toán để đảm bảo yêu cầu 2 và 3 tức là nghiên cứu giải quyết bốn vấn đề nh− đã nêu ở mục 2 của bài báo này. Bốn vấn đề cần giải quyết sẽ đ−ợc thực hiện d−ới dạng các bài toán từ bài toán 1 đến bài toán 4 d−ới đây. 3.1 Bài toán 1: Tấm lắp ghép không bị gẫy khi cẩu vào vị trí lắp ghép (hình 1) Sơ đồ kết cấu: Tấm lắp ghép đ−ợc tính nh− một bản mỏng treo tại các điểm móc cẩu. Nếu độ dốc của dây móc cẩu so với ph−ơng ngang lớn hơn 60 độ, có thể coi các điểm treo là thẳng đứng và bỏ qua thành phần lực nén ngang tấm do dây cẩu tác dụng. Sơ đồ tải trọng: Tải trọng phân bố đều tác dụng lên tấm lắp ghép là trọng l−ợng bản thân của tấm, có kể tới hệ số động k = 1,5. γ= 2. . ( / )g h k kG m (1) Trong đó: γ: Trọng l−ợng riêng của vật liệu tấm bê tông cốt thép γ= 2500 kG/m3. h: Bề dày của tấm lắp ghép (m). Từ sơ đồ kết cấu và sơ đồ tải trọng, việc xác định nội lực trong tấm lắp ghép đ−ợc tiến hành theo ph−ơng pháp thông th−ờng - có thể dùng các ch−ơng trình tính kết cấu hoặc tra bảng để xác định nội lực trong tấm. Từ biểu đồ mô men (M) và biểu đồ lực cắt (Q) xác định nội lực tính toán Mmax, Mmin , Qmax (theo cả hai ph−ơng) dùng kiểm tra độ bền của tấm lắp ghép theo cấu kiện chịu uốn. C−ờng độ chịu nén và c−ờng độ chịu kéo của bê tông lúc này phải xác định theo tuổi của bê tông (t) ngày: = =( ) 28 28 lg( ) 0,7 lg( ) lg(28)t tR R R t (2) Trong đó: R(t): C−ờng độ bê tông ở tuổi t ngày (là c−ờng độ tiêu chuẩn); R(28): C−ờng độ tiêu chuẩn của bê tông ở tuổi 28 ngày; t: Tuổi của bê tông (ngày). Từ R(t) sẽ suy ra c−ờng độ tính toán theo quy định của quy phạm [6]. - Thông th−ờng lớp bê tông bảo vệ của l−ới thép là 20mm, do vậy cần chú ý tới chiều cao làm việc của tiết diện ho khi tính cấu kiện chịu uốn theo mô men âm hay d−ơng. Có thể xác định gần đúng ho nh− sau: Với mô men âm: = +0 (2 ) ( )h d cm (3) Với mô men d−ơng: = − +0 (2 ) ( )h h d cm (4) Trong đó: h: Bề dày của tấm; ho: Chiều cao làm việc của tiết diện; d: Đ−ờng kính cốt thép của l−ới. - Kiểm tra điều kiện chịu cắt của bê tông: <max ( ) 0t k tQ K R bh (5) Trong đó: Kt=0,8 (tính theo bản đặc); b: Bề rộng dải tính, b=100cm; R k(t): C−ờng độ chịu kéo tính toán của bê tông ở tuổi (t) ngày; hO: Xác định theo giá trị min của hO theo công thức (3), (4). Hình 1. Sơ đồ tính bài toán 1 3.2 Bài toán 2: Tấm lắp ghép không bị gẫy khi chịu tải trọng trong quá trình thi công thay cho tấm cốp pha sàn (hình 2). Sơ đồ kết cấu: Tấm lắp ghép đ−ợc tính nh− một dầm liên tục (cắt dải 1 mét) với gối tựa tại các vị trí gối đỡ (xà gồ đỡ và cột chống). Sơ đồ tải trọng: Tải trọng phân bố đều trên tấm lắp ghép bao gồm: - Trọng l−ợng bản thân của tấm lắp ghép. γ= 21 . . ( / )g h n kG m (6) Trong đó: γ: Trọng l−ợng riêng của bê tông cốt thép = 2500 kG/m3; h: Bề dày của tấm lắp ghép (m); n: Hệ số v−ợt tải, n = 1,1. - Trọng l−ợng của bê tông −ớt và cốt thép phân bố trên tấm lắp ghép: γ= 22 2. . ( / )g h n kG m (7) Trong đó: h2: Bề dày phần sàn còn lại, h2 = hs- h (m); hs: Bề dày tổng cộng của tiết diện liên hợp (m); n: Hệ số v−ợt tải, n = 1,3. - Hoạt tải ng−ời: phân bố theo hai tr−ờng hợp: xen kẽ cách một nhịp bỏ một nhịp và phân bố trên tấm lắp ghép, lựa chọn tính toán với tổ hợp nguy hiểm. = 23 . ( / )cg p n kG m (8) Trong đó: pC: Hoạt tải tiêu chuẩn, PC = 75 kG/m 2; n: Hệ số v−ợt tải, n = 1,3. Việc xác định nội lực trong tấm lắp ghép; xác định các nội lực tính toán Mmax, M min, Qmax; xác định c−ờng độ chịu nén, chịu kéo của bê tông; xác định chiều cao ho khi tính cấu kiện chịu uốn theo mô men âm hay d−ơng,... để kiểm tra điều kiện bền của tấm lắp ghép theo cấu kiện chịu uốn và chịu cắt đ−ợc tiến hành giống nh− đã trình bầy ở bài toán 1 trong bài báo này. 4 Hình 2. Sơ đồ tính bài toán 2 3.3 Bài toán 3: Mặt tiếp giáp giữa mặt trên của tấm lắp ghép và phần bê tông đổ tại chỗ không bị tr−ợt qua nhau (hình 3). Từ biểu đồ bao lực cắt Q khi giải theo sơ đồ kết cấu ban đầu, xác định đ−ợc lực cắt lớn nhất trong tấm lắp ghép Qmax. ứng suất tiếp τ do Qmax gây ra tại mặt tiếp xúc giữa tấm lắp ghép và phần bê tông đổ tại chỗ theo công thức: )/( 2max cmkG Jb SQ =τ (9) Trong đó: Qmax: Giá trị lực cắt max trong tấm lắp ghép (kG); S: Mô men tĩnh của tiết diện tấm lắp ghép lấy đối với trục trung hoà của tiết diện liên hợp. Với tiết diện chữ nhật có: = − 30.5 ( ), ( )sS bh h h cm (10) Trong đó: h - Bề dày tấm lắp ghép (cm); hS - Bề dầy tổng cộng của bản sàn là tiết diện liên hợp (cm); b - Bề rộng tiết diện (cm); J: Mô men quán tính của tiết diện liên hợp (cm4). = 3 4( ) 12 sbhJ cm (11) Công thức xác định τ có thể biến đổi rút gọn thành: τ − = 2max6 ( ) ( / )s s s Q h h h kG cm bh (12) Nếu bố trí thép chờ 3 với l−ới bố trí trên diện tích a1a2 (hình 3), để thiên về an toàn coi ứng suất tiếp τ là phân bố đều trên diện tích mặt a1a2 thì lực tr−ợt T - là hợp lực của τ trên diện tích đang xét - đ−ợc tính nh− sau: τ= 1 2 ( )T a a kG (13) Chống lực tr−ợt T này sẽ có ba thành phần: - Lực ma sát giữa mặt tấm lắp ghép và phần sàn đổ tại chỗ: T1 - Khả năng chịu cắt của các gờ bê tông tạo tr−ớc ở tấm lắp ghép: T2 - Khả năng chịu cắt của cốt thép chờ - thép số 3: T3 =3 ( )c c cT n f R kg (14) Trong đó: nC: Số nhánh của thép chờ, (đối với thép chờ cấu tạo nh− hình 3 có nC = 2); fC: Diện tích tiết diện ngang của một nhánh thép chờ, (cm 2); RC: C−ờng độ chịu cắt tính toán của thép chờ, (kG/cm2). Điều kiện của bài toán 3 là: T ≤ T1 + T2 + T3 (15) Thiên về an toàn, coi thành phần T3 chịu toàn bộ T sẽ rút ra điều kiện đảm bảo của bài toán 3 là: τ≤ ⇒ ≤3 1 2 c c cT T a a n f R (16) 3.4 Bài toán 4: Mối nối −ớt giữa tấm lắp ghép và phần bê tông đổ tại chỗ không bị phá hoại (hình 4). Mối nối giữa hai tấm lắp ghép và phần sàn đổ tại chỗ - có hai dạng: Dạng 1: Tại vị trí mà biểu đồ bao mô men không xuất hiện mô men d−ơng (mô men căng thớ d−ới). Hai tấm lắp ghép kề nhau sẽ đ−ợc ghép cách nhau một khoảng hở ∆ ~ 10mm là khoảng hở dung sai lắp ghép. Ngoài các cốt thép đã có ở tấm lắp ghép và thép lớp trên của sàn, tại khoảng hở sẽ đ−ợc bổ sung thêm l−ới thép theo cấu tạo đặt tại mặt trên của tấm lắp ghép; th−ờng dùng l−ới thép nhóm AI hoặc AII, d = 8 - 10mm, l−ới ô vuông a x a ~ 200x200mm, và bề rộng l−ới ~ 600mm đặt đối xứng qua khoảng hở giữa hai tấm lắp ghép. Dạng 2: Tại vị trí mà biểu đồ bao mô men có xuất hiện mô men d−ơng (mô men căng thớ d−ới), nh−ng giá trị mô men d−ơng không lớn. Hai tấm lắp ghép kề nhau sẽ đ−ợc ghép cách nhau một khoảng hở ∆ ~ 300 - 500mm là khoảng hở để đảm bảo chứa đ−ợc neo thép chờ giữa hai tấm. Thép chờ của hai tấm sẽ đ−ợc neo vào vùng hở ∆ với chiều dài neo ln ≥ 40d (d là đ−ờng kính của thanh thép cần neo), thép chờ phải đ−ợc tính toán để chịu đ−ợc mô men d−ơng tại vị trí đặt thép. Ngoài các cốt thép đã có ở tấm lắp ghép và thép lớp trên của sàn, cần phải bổ sung thêm cốt thép dọc theo mạch ghép giữa hai tấm lắp ghép, thép này dùng để liên kết với thép chờ từ tấm lắp ghép thành một l−ới thép. Thép dọc bổ sung cần có cùng mác thép với thép chờ và đ−ợc tính toán theo mô men d−ơng theo ph−ơng của mạch ghép hai tấm lắp ghép. Hình 4. Sơ đồ tính bài toán 4 Hình 3. Sơ đồ tính bài toán 3 6 Nh− vậy cốt thép chờ trong tấm lắp ghép phải đ−ợc tính toán để chịu đ−ợc thành phần mô men d−ơng Mmax xuất hiện ở trong vùng tấm đó (dạng 2), chiều cao tiết diện kết cấu là bề dày của bản sàn liên hợp. Bài toán 4 chỉ đặt vấn đề tính mối nối mà tại đó xuất hiện thành phần mô men d−ơng trong vùng mối nối −ớt. Gọi MO là mô men d−ơng lớn nhất trong vùng mối nối −ớt, việc phân chia tấm lắp ghép trong hệ sàn th−ờng chọn để đảm bảo yêu cầu 1, do vậy ta có: Mo < max ( M max1, Mmax2 ) (17) Trong đó M max1, Mmax2 là mô men d−ơng lớn nhất xuất hiện ở trong hai tấm lắp ghép sẽ đ−ợc nối, việc giải bài toán 4 là kiểm tra thép theo điều kiện chịu uốn với MO và thép chờ từ hai tấm lắp ghép sẽ nối, đồng thời kiểm tra bổ sung việc neo thép tại vùng có mối nối. 4. Kết luận Việc đặt và nêu ph−ơng pháp giải bốn vấn đề thông qua việc giải bốn bài toán nh− trên đây là cách tính gần đúng mà các kỹ s− thiết kế có thể áp dụng để kiểm tra các cấu kiện bán lắp ghép. Việc xác định nội lực của các cấu kiện có thể thực hiện theo cách thông th−ờng hoặc sử dụng nội lực từ kết quả tính của các ch−ơng trình tính kết cấu thông dụng. - Các kết quả tính toán của các bài toán nêu trong bài báo này đã đ−ợc nhóm tác giả [7] ứng dụng để thiết kế thi công cho toà nhà văn phòng 13 tầng tại Thanh Đa, Thành phố Hồ Chí Minh bằng ph−ơng pháp bán lắp ghép. Công trình đã đ−ợc thi công và đã bàn giao đ−a vào sử dụng. - Để có thể chủ động tính toán thiết kế ứng dụng rộng rãi cách đặt vấn đề nh− các bài toán nêu trên đây, cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm để khẳng định về độ bền của các mối nối. Tài liệu tham khảo 1. Australia Standard - AS - 2327.1-1980; 2. Brististh Standard - BS449; 3. C. DALE BUCKNER and IVAN M. VIEST - Composite Construction in Steel and Concrete - Engineering Foundation Conference held on Campus of New England College in Henniker, June 7-12/1987; 4. LLOYD. C. P. YAM - Design of Composite Steel-Concrete Structures - Head of Structural Design Division Building Research Station Garston - UK-1981; 5. P.R.KNOWLES - Lecture in Civil Engineering University of Sersey - Composite Steel and Concrete Construction - London -1973; 6. Tiêu chuẩn thiết kế 5574-91 - Kết cấu bê tông cốt thép; 7. Hoàng Thiện Toàn (chủ trì), Đinh Quang C−ờng, Hán Đình út, D−ơng Thanh Quỳnh - Nghiên cứu ứng dụng tấm cốp pha bê tông cho những cấu kiện tấm hoặc bản trong kết cấu xây dựng - Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Bộ - Mã số B2001-34-14, 2001; 8. Đinh Quang C−ờng - ứng dụng tấm cốp pha bê tông và ph−ớng pháp bán lắp ghép cho cấu kiện tấm hoặc bản trong kết cấu xây dựng, Tạp chí Xây dựng số 9 năm 2005.