Cách bố trí cáp dự ứng lực căng sau

     

2.1.Vật liệu cáp DUL

Đơn vị nhỏ nhất gọi là Tao cáp (Strand), được dùng phổ biến trong thiết kế xây dựng là loại gồm 7 sợi thép bện với nhau, đường kính 12,7mm, có cường độ cao 1860MPa. Loại này cũng sẵn có bán trên thị trường hiện nay, kể cả Made in China rẻ tiền lẫn hàng xuất xứ phương Tây của Freyssinet hay VSL. Lý do loại đường kính này được dùng phổ biến vì theo tiêu chuẩn được dùng nhiều nhất, ACI, quy định khoảng cách tối đa của cáp (8 lần chiều dày sàn) và ứng suất nén trung bình trong sàn tối thiểu là 0.85MPa. Dùng cáp sợi 12,7mm cho phép thoả mãn cả 2 tiêu chí trên để tiết kiệm nhất số lượng cáp. Một lý do nữa là Kích căng cho cáp đơn 12.7mm là loại cầm tay, nhẹ và dễ thi công. Cáp đường kính lớn hơn, 15,3mm, kỹ sư thiết kế thường dùng cho kết cấu lắp ghép căng trước hay cho cầu, gần đây là cho dầm DUL và sàn chuyển.

Bạn đang xem: Cách bố trí cáp dự ứng lực căng sau

Có hai loại cáp dùng cho kết cấu DUL căng sau là loại không bám dính và có bám dính.


*

Hình 2.1.1. Cáp không bám dính: Sợi đơn gồm 1 tao cáp

Sợi cáp (Tendon) không bám dính là sợi đơn gồm 1 tao cáp trong vỏ bọc nhựa. Mỗi sợi đơn có đầu neo riêng và được căng riêng từng sợi. Đặc điểm về thiết kế kết cấu là 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. Chức năng của vỏ bọc nhựa là (i) ngăn lực dính bám với bêtông, (ii) bảo vệ tao cáp trong quá trình thi công, (iii) bảo vệ ăn mòn bởi hơi ẩm và hoá chất từ ngoài. Lớp chống ăn mòn thường là mỡ có tác dụng (i) giảm ma sát giữa tao cáp và vỏ bọc, (ii) tăng thêm tác dụng chống ăn mòn.


*

Hình 2.1.2. Cáp bám dính

Loại có bám dính được dùng phổ biến hơn ở Việt Nam. Các ống ghen (Duct) dẹt thường được các kỹ sư thiết kế dùng cho sàn còn ống ghen tròn thường dùng cho dầm và cầu. Các tao cáp trong 1 bó chung 1 đầu neo ở mỗi đầu nhưng thường được căng bằng kích và cắt neo theo từng cao riêng biệt giống với cáp không bám dính. Vỏ ống ghen thông thường làm từ tôn mỏng.

Ý tưởng thiết kế xây dựng cho cáp bám dính là tạo ra 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. Khi vữa ninh kết, nó khoá chuyển dịch của tao cáp trong ống ghen, do đó lực căng trước trong cáp trở thành hàm số của biến dạng của bêtông xung quanh nó.

Vai trò của vữa bơm là: (i) tạo ra lực bám dính liên tục giữa tao cáp và ống ghen, (ii) chống ăn mòn, (iii) môi trường kiềm của vữa cách điện, chống ăn mòn điện hoá cho tao cáp. Vai trò của ống ghen: (i) tạo khoảng trống cho tao cáp trong bêtông trước và trong khi căng, (ii) truyền lực bám dính giữa vữa với bêtông xung quanh, (iii) tăng thêm tác dụng chống ăn mòn vào mặt trong ống ghen. Vai trò chính của các bộ đầu neo ở 2 đầu ống ghen là giữ lực căng cho đến khi vữa bơm ninh kết và làm việc.

Lưu ý là cả 2 phương án sàn có bám dính và không bám dính đều có những ưu, nhược điểm bù trừ nhau và đều có thể làm việc tốt cho kết cấu sàn ở mọi mục đích sử dụng. Cáp không bám dính được dùng cho hầu hết các công trình dân dụng ở Bắc Mỹ, ở Việt Nam có lẽ do đặc điểm kỹ thuật của các nhà thầu và yếu tố thị trường làm cho việc sử dụng có bám dính trở nên phổ biến hơn trong tư vấn xây dựng.

2.2. Cáp bám dính vs Không bám dính

Về mặt tư vấn thiết kế không có sự khác biệt trong quy trình tính toán giữa 2 loại cáp này. Tuy nhiên hao ứng suất cho loại có bám dính nhiều hơn do ma sát lớn hơn giữa tao cáp và ống ghen.

Yêu cầu lớp bảo vệ cáp

Không có sự khác nhau về chiều dày lớp bê tông bảo vệ đối với 2 loại cáp, cả cho yêu cầu chống ăn mòn và yêu cầu chống cháy (thời gian 2h).

Ứng suất giới hạn

Cả 2 loại cáp đều có cùng giới hạn theo tiêu chuẩn thiết kế về ứng suất ban đầu khi căng và khi làm việc, cũng như mức độ căng trước tối thiểu và tối đa.

Ứng suất trong cáp ở TTGH 1

Ở cùng ứng suất căng ban đầu và quỹ đạo cáp, loại có bám dính cho ứng suất cao hơn trong cáp.

Hàm lượng cốt thép thường tối thiểu

Hiện chưa có tiêu chuẩn thiết kế xây dựng nào yêu cầu khống chế hàm lượng cốt thép thường tối thiểu để khống chế nứt cho cáp có bám dính, loại không bám dính có yêu cầu trong ACI.

Phân phối lại moment do tính đến khớp dẻo

Tiêu chuẩn thiết kế ACI cho phép tính đến khớp dẻo và yêu cầu hàm lượng cốt thép thường tối thiểu tại các tiết diện khớp dẻo. Tuy nhiên mới chỉ quy định cho cáp không bám dính.

Khả năng chị cắt của sàn 1 phương và dầm, chống chọc thủng của sàn 2 phương

Không có khác biệt giữa 2 loại cáp.

Sàn chịu tải trọng gió

Không có khác biệt.

Khoảng cách tối thiểu giữa các cáp

Theo ACI là 8 lần chiều dày sàn hoặc 1,5m. Do đó cáp bám dính với kích thước lớn hơn tỏ ra kém hiệu quả hơn loại không bám dính.

Ví dụ sàn dày 140mm, kỹ sư thiết kế với ứng suất nén trước 0.86MPa, dùng tao cáp 12.7mm với lực căng hữu hiệu (sau khi trừ tổn hao) là 116kN. Khoảng cách của mỗi tao cáp sẽ là:

116/(0.86*140)=960mm

Khoảng cách tối đa cho cáp là 8*140=1120mm. Như vậy dùng cáp không bám dính đơn 1 tao cáp thì có thể đặt ở khoảng cách 960mm như tính toán. Nếu dùng cáp bám dính ống ghen dẹt, ở khoảng cách 960mm chỉ cần một tao cáp trong ống ghen. Hoặc dùng 2 tao cáp trong 1 ống thì khoảng cách là 1120mm. Như vậy cáp có bám dính không hiệu quả bằng, vì 1 ống ghen cùng với các bộ neo thường chứa được 4 đến 5 tao cáp.

Thi công

Cáp không bám dính thi công dễ và nhanh chóng rải đúng quỹ đạo, hay bẻ trên mặt bằng để tránh lỗ mở hơn. Dùng cáp bám dính thì phải thêm công và thời gian bơm vữa cũng như nghiệm thu công tác này.

Xem thêm: Skip To Content Vi Giới Thiệu Cổng Tt Sơ Đồ, Tài Chính Việt

Thiết kế kết cấu sàn DUL bám dính thường dùng cáp dẹt với bộ neo 4-5 tao cáp, nhưng mỗi tao cáp vẫn được căng riêng lẻ. Với dầm lại hay dùng ống ghen tròn 5-12 tao cáp và dùng kích thuỷ lực căng nhiều tao cáp 1 lúc. Nhược điểm là kích này to, nặng cần nhiều hơn 1 công nhân thao tác và phải có cẩu tháp cẩu vào vị trí.

Ưu điểm rõ ràng của cáp bám dính là thời gian thi công do các tao cáp được cắt từ cuộn cáp và chế neo luôn trên công trường. Với cáp không bám dính tất cả công đoạn này phải gia công trong nhà máy nên không chủ động và mất thời gian hơn đáng kể.

Độ bền kết cấu

Cả 2 loại cáp đều cho độ tin cậy trong thiết kế kết cấu cao. Với cáp không bám dính, kinh nghiệm nhà thầu và vật liệu kém chất lượng gây ra hư hại với số lượng công trình nhiều hơn. Với các công trình ngoài trời như bãi đỗ xe, móng bè, ở khu vực có khí hậu dễ ăn mòn hơn hay ẩm ướt như ở Việt Nam các kỹ sư thiết kế thường dùng cáp có bám dính hơn. Cáp không bám dính cho những môi trường này đòi hỏi chất lượng cao của vật liệu chống ăn mòn cáp, vỏ cáp và thi công kỹ thuật cao. Dùng có bám dính thì độ bền phụ thuộc nhiều hơn vào chất lượng và kỹ thuật thi công bơm vữa.

Chất lượng cáp không bám dính phải kể đến suốt chiều dài đường cáp và 2 đầu neo. Chỉ 1 điểm bị mất ứng suất là cả đường cáp không làm việc. Cáp bị hỏng càng dài thì ảnh hưởng lên kết cấu càng nhiều.

Cáp bám dính có khả năng truyền và phát triển lực căng từ 1 điểm đi xa khoảng 50 lần đường kính tao cáp. 1 điểm nào bị hỏng trên cáp sẽ chỉ là cục bộ. Cách đoạn 50d này ứng suất trong cáp vẫn giữ nguyên, cáp vẫn làm việc. Do đó độ tin cậy của cáp có bám dính cao hơn trong thiết kế xây dựng.

Thay đổi, sửa chữa

Cáp không bám dính linh hoạt hơn cho sửa chữa. Một đường cáp bị hỏng có thể dễ dàng rút tao cáp ra, thay thế và căng lại. Việc thay thế cũng lợi hơn về ứng suất, do tổn hao nhỏ hơn so với cáp thi công từ đầu. Ngược lại, cáp có bám dính không thể thay thế do vữa bơm dính chặt trong ống ghen.

Trong trường hợp tư vấn thiết kế thay đổi công năng, ví dụ đập thêm lỗ mở lớn. Truyền thống vẫn quan niệm không thể đục cắt qua cáp, nhưng với kỹ thuật thi công hiện tại thì điều này là có thể và thậm chí còn dễ hơn cho cáp có bám dính.

Với cáp không bám dính, khi cắt lỗ mở sẽ cắt cáp, căng lại và neo tại mép lỗ mở mới dùng kỹ thuật thi công đặc biệt. Cáp có bám dính thì không cần căng và neo lại vì vữa bơm trong vùng không bị cắt sẽ giữ vị trí tao cáp.

2.3. Các thông số đầu tiên

Khi kỹ sư thiết kế sàn DUL, có 3 thông số cần quyết định ngay từ đầu và sẽ đưa đến những kết quả khác nhau về bố trí thép, không như với sàn thường chỉ có 1 đáp án duy nhất cho bài toán. Đó là:

- Ứng suất nén trước (thông qua lực căng cáp)

- Phần trăm tải trọng cân bằng

- Quỹ đạo cáp: Hình dạng và cao độ

Do có nhiều đáp án cho bài toán nên kỹ sư thiết kế kết cấu nhiều kinh nghiệm sẽ nhanh chóng chọn được phương án đảm bảo về kỹ thuật và tiết kiệm nhất. Tiết kiệm ở đây là cân đối giữa số lượng cáp sàn (thông qua lực căng) và cốt thép thường ở mức nhỏ nhất, vì giá thành cáp bao giờ cũng đắt hơn nhiều so với cốt thép thường.

Ứng suất nén trước (Average precompression)

Thông số rất quan trọng này được định nghĩa bằng tổng lực căng chia cho diện tích tiết diện vuông góc với phương lực căng. Tiêu chuẩn thiết kế ACI 318-02 yêu cầu ứng suất nén trước hữu hiệu tối thiểu 0.85MPa (sau khi trừ tổn hao ưs).

Trong đa số trường hợp thiết kế xây dựng nhà dân dụng, giá trị 0.85MPa được chọn để xuất phát cho bài toán chọn cáp. Với sàn mái hay gara thường bằng 1.0-1.4MPa do yêu cầu cao về khống chế nứt chống thấm. Nhưng nhớ là việc tăng ứng suất nén trước không có nghĩa đảm bảo không xuất hiện vết nứt. Trong sàn 1 phương hoặc dầm, ứng suất nén trước được tính trên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang.

Giá trị ứng suất nén trước lớn nhất nên là 2.0MPa cho sàn và 2.5MPa cho dầm. Dù ACI quy định giá trị lớn hơn nhưng khi đó không còn kinh tế nữa.

Phần trăm tải trọng cân bằng

Vỡ lòng về thiết kế kết cấu ứng suất trước là tạo ra một tác dụng ngược lại với phương của tải trọng tác dụng mà phần lớn là trọng lượng, thông qua tỉ lệ phần trăm của tĩnh tải được cân bằng.

Với sàn, con số hợp lý trong khoảng 60-80% tĩnh tải. Với dầm là 80-110%, lý do độ võng của dầm ảnh hưởng nhiều hơn đến làm việc của hệ sàn.

Chọn quỹ đạo cáp

Có vài chú ý để người kỹ sư thiết kế chọn quỹ đạo cáp cho hợp lý nhưng trước hết hãy nói về Phương pháp Cân bằng tải trọng để hiểu cho rõ vì quỹ đạo cáp quyết định tỷ lệ % Tải trọng cân bằng.

2.4. Phương pháp Cân bằng tải trọng

Nói đến DUL là nói đến phương pháp này. Đôi chút về lịch sử thì nó được T.Y. Lin giới thiệu từ năm 1961 và đến năm 1963 được đăng trên tạp chí ACI. Phương pháp này là 1 công cụ quá mạnh và làm đơn giản hoá lý thuyết thiết kế DULđể các kỹ sư kết cấu có thể áp dụng thực hành vào trong các bài toán thực tế.

Hình 2.4.1 ví dụ một dầm liên tục được ứng lực trước với lực căng P không đổi. Cáp sàn có quỹ đạo parabol quen thuộc với 2 điểm uốn ở nhịp giữa và 1 điểm uốn cho nhịp biên, điểm thấp nhất ở giữa nhịp. Các làm của ppCBTT như sau: tách cáp ra khỏi kết cấu và thay thế bởi các tải trọng như trên hình 2.4.2 gọi là “Tải trọng cân bằng”. Tải trọng cân bằng gồm các phần hướng lên và hướng xuống sinh ra từ các phần parabol của quỹ đạo cáp (như hình 2.4.3) và lực nén trước P. Tải trọng trên hình 2.4.2 và 2.4.3 là cân bằng ngược chiều nhau.


Chuyên mục: