Kiểm tra chọc thủng (Punching shear) là một trong những nội dung quan trọng khi thiết kế sàn phẳng không dầm, đặc biệt đối với sàn bê tông cốt thép dự ứng lực. Tuy nhiên, trong Eurocode 2 (EC2), việc tính toán ảnh hưởng của cáp dự ứng lực đến khả năng chống chọc thủng chưa được hướng dẫn rõ ràng.
Để đảm bảo tính toán chính xác và độ an toàn của kết cấu, việc tham khảo thêm Tài liệu hướng dẫn TR43 – Post-tensioned Concrete Floors cùng với kinh nghiệm thiết kế thực tế là hết sức cần thiết.
Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày chi tiết về phương pháp kiểm tra chọc thủng cho sàn căng cáp, dựa trên:
-
Tiêu chuẩn Eurocode 2 (EN 1992-1-1),
-
Tài liệu hướng dẫn TR43,
-
Và hướng dẫn thực hành kiểm tra chọc thủng bằng phần mềm SAFE.
Mục tiêu là giúp bạn hiểu rõ nguyên lý, cách tính toán và thực hành kiểm tra chọc thủng một cách đầy đủ, chính xác và an toàn cho các công trình sàn dự ứng lực.
I. Quy trình kiểm tra chọc thủng theo Eurocode 2
-
Eurocode 2 yêu cầu kiểm tra lực cắt tại mép cột và tại chu vi kiểm tra cách mép cột một khoảng 2d (trong đó d là chiều cao làm việc của cốt thép chịu kéo).
-
Khi cần bố trí thép chống cắt, việc kiểm tra chọc thủng sẽ được thực hiện kỹ lưỡng hơn để đánh giá mức độ cần thiết và phạm vi bố trí thép.
1. Kiểm tra ứng suất cắt tại chu vi u0 (tại mặt cột)
Ved = (βVEd) / (u0d) ≤ VRd,max = 0.5νfcd
ν = 0.6(1 - fck / 250)
fcd = αccfck / γc; αcc = 1.0; γc = 1.5
u0:
- Cột giữa: u0 = chiều dài chu vi cột (mm)
- Cột biên: u0 = c1 + 3d ≤ c2 + 2c1 (mm)
- Cột góc: u0 = 3d ≤ c1 + c2 (mm)
2. Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông tại chu vi u1 (cách mép cột 2d)
Cốt thép chống chọc thủng sẽ không cần bố trí nếu: VEd ≤ VRd,c
Nếu điều kiện ngược lại thì phải tính toán và bố trí cốt đai chống chọc thủng.
Khả năng chịu cắt của bê tông VRd,c
VRd,c = CRd,c k (100ρ1 fck)1/3 + k1 σcp ≥ (νmin + k1σcp)
νmin = 0.035k3/2fck1/2 (EC2 - 6.2.2 - 6.3N)
CRd,c = 0.18 / γc; k = 1 + √(200/d(mm)) ≤ 2.0
Trong đó:
-
fck: Cường độ nén đặc trưng của bê tông (MPa)
-
k = 1 + √(200 / d) ≤ 2.0, với d tính bằng mm
-
ρ1 = √(ρy × ρz) ≤ 0.02, với ρy và ρz là hàm lượng thép chịu kéo bám dính (có thể xét cả cáp DUL kết dính) tương ứng theo phương y và z. Chỉ kể đến thép chịu kéo trong bề rộng tính toán bằng chiều rộng cột + 3d về mỗi phía.
-
σcp: ứng suất nén trung bình trong bê tông do cáp dự ứng lực được tính theo:
σcp = (σcy + σcz) / 2
Trong đó:
σcy = NEd,y / Ay
σcz = NEd,z / Az
-
NEd,y, NEd,z: là các lực dọc cắt qua toàn bộ bước gian (Full bay) đối với các cột trong và lực dọc cắt qua tiết diện kiểm tra đối với cột góc. Lực dọc có thể do tác động của tải trọng hay ứng suất trước.
-
Ay, Az: diện tích tiết diện chịu lực tương ứng NEd
Bước 3: Nếu bê tông không đủ khả năng chịu cắt thì tính cốt đai chịu cắt
Khi sử dụng thép chống cắt, sức kháng chọc thủng được tính như sau:
vRd,s = 0.75 × vRdc + 1.5 × [(d / sr) × Asw × fywd] / [1 + (u1 / d)] × sin(α)
- Asw: tổng diện tích thép chống cắt bố trí quanh cột
- sr: khoảng cách giữa các vòng thép chống cắt
- α: góc nghiêng của thép chống cắt với mặt phẳng sàn (thường = 90°)
Bước 4: Tìm chu vi uout (vị trí không yêu cầu cốt thép chịu cắt)
xem công thức (6.54)
Để tìm phạm vi mà ở đó ứng suất cắt do ngoại lực vEd bằng ứng suất chịu cắt của bê tông vRd,c thì cho:
vEd = vRd,c = βVEd / (uout,ef · d)
⇒ uout,ef = βVEd / (vRd,c · d)
Bước 5: Bố trí cốt thép chống cắt thủng
Xem bài viết chi tiết bố trí cốt thép chịu chọc thủng
Chu vi của vòng đai chống chọc thủng cách mép cột xa nhất phải cách uout,ef với khoảng cách không được vượt quá K · d với K = 1.5 để tránh trường hợp ở lân cận vòng uout,ef thiếu cốt thép đai.
Có 2 cách bố trí cốt thép chịu cắt: bố trí hướng tâm hoặc tập trung chữ thập qua đầu cột.
II. Một số lưu ý khi tính toán chọc thủng sàn dự ứng lực theo TR43
Khi kiểm tra chọc thủng đối với sàn bê tông cốt thép dự ứng lực, ảnh hưởng của cáp dự ứng lực đến khả năng chịu chọc thủng bao gồm 3 thành phần chính sau:
1. Hàm lượng cốt thép ρ₁ (Mục 6.4.4(1) EC2)
-
Cáp dự ứng lực dạng kết dính (bonded tendons) có thể được tính vào hàm lượng cốt thép ρ₁ trong vùng kiểm tra chọc thủng.
-
Việc tăng ρ₁ → làm tăng khả năng chống chọc thủng của sàn.
2. Ứng suất nén trước σcp trong bê tông (Mục 6.4.4(1) EC2)
-
Ứng suất nén trước σcp do hiệu ứng dự ứng lực trong bê tông làm tăng khả năng chịu chọc thủng của bản sàn.
3. Thành phần tải trọng cân bằng Vp (tải đứng) (Mục 6.4.3(9))
-
Lực thẳng đứng Vp được sinh ra từ thành phần thẳng đứng của hệ thống cáp căng → có tác dụng giảm tải trọng gây chọc thủng lên bản sàn.
Tuy nhiên, Eurocode 2 (EC2) chưa đưa ra hướng dẫn chi tiết về cách tính toán cụ thể 3 thành phần này trong kiểm tra chọc thủng đối với sàn dự ứng lực. Vì vậy, kỹ sư thiết kế cần tham khảo thêm các tài liệu hướng dẫn chuyên sâu như TR43 – Post-tensioned Concrete Floors để thực hiện tính toán chính xác.
Dưới đây là một số gợi ý bổ sung về phương pháp tính toán theo TR43:
1. Hàm lượng thép ρ1 tính có kể đến cáp dự ứng lực như thế nào?
Khi có cáp dự ứng lực, có thể đưa vào tính toán ρ1, nhưng phức tạp khi có nhiều loại cốt thép → thường bỏ qua phần cáp ứng suất dính cho các tính toán thông thường.
Trích dẫn phần dịch theo TR43 như sau:
Các giá trị ρly và ρlz cần được tính toán dưới dạng giá trị trung bình, với bề rộng bản sàn bằng chiều rộng cột cộng thêm 3d mỗi bên, hoặc bằng kích thước thực nếu nhỏ hơn. Phần cốt thép này phải được neo vượt ra ngoài chu vi kiểm tra đang được xét đến.
Khi có cáp dự ứng lực dạng dính bám, chúng có thể được tính vào trong quá trình xác định ρl. Nếu phép tính vRd,c có xét đến sự tham gia của cáp dính bám trong tiết diện, thì VRd,c cần được tính toán dựa trên trị số trung bình có trọng số của d.
Do đó:
VRd,c = vRd,c × u × d'
Trong đó:
d' = chiều sâu hữu hiệu trung bình (có trọng số theo diện tích thép) của cốt thép chịu lực và cáp dự ứng lực dính bám.
Phương pháp này phù hợp với cách tiếp cận đối với dầm có nhiều lớp cốt thép. Việc tính toán d cho từng cáp khi chúng đi qua chu vi kiểm tra là một công việc mất thời gian, và khi cáp dự ứng lực nằm dưới một mức nhất định thì sự đóng góp của nó vào cường độ chịu lực của bê tông gần như không đáng kể. Vì lý do đó, đơn giản hơn là bỏ qua sự đóng góp của cáp dính bám khi thiết kế thông thường, nhưng nếu xét đến thì việc tính toán chính xác giá trị d' là cần thiết.
2. Ứng suất nén trung bình σcp tính toán như thế nào?
-
Tại chu vi đầu tiên (2d): cần xét đầy đủ σcp để tận dụng khả năng chịu lực của bê tông.
-
Tại các chu vi tiếp theo: bỏ qua σcp, chỉ xét lực cắt thuần.
-
Đối với các cột biên, cần xét đến vị trí neo cáp dự ứng lực vì có thể tạo ra các khu vực biên có ứng suất thấp hoặc không có cáp dự ứng lực.
Trích dẫn phần dịch theo TR43 như sau:
σcp đại diện cho ứng suất nén trong bê tông và có tác dụng làm tăng khả năng chịu cắt VRd,c. Vì VRd,c được nhân với chu vi kiểm tra và chiều sâu hữu hiệu để cho ra tổng lực kháng cắt, nên đóng góp của σcp sẽ tăng lên khi xét đến các chu vi ngoài. Điều này ngụ ý rằng ở các chu vi ngoài, hiệu ứng của ứng suất nén sẽ chiếm tỷ trọng lớn hơn trong khả năng kháng cắt.
Đóng góp của ứng suất nén σcp có thể được coi là giúp truyền một phần lực cắt về cột. Tuy nhiên, rất khó hình dung rằng các bản sàn phẳng lại có thể truyền một lượng lớn lực cắt xa khỏi cột, nơi chu vi kiểm tra có dạng phẳng hơn so với gần cột, nơi chu vi có dạng dốc hơn.
Giá trị của σcp được tính như giá trị trung bình của hai phương vuông góc khi chiều dài chu vi kiểm tra theo hai phương có sự khác biệt đáng kể và giá trị của ứng suất dự ứng lực cũng khác nhau theo hai phương. Trong trường hợp này, thích hợp hơn khi xét đến:
σcp·u = (σcz·uz + σcy·uy)
Trong đó:
- uz = tổng chiều dài chu vi theo phương song song trục Z
- uy = tổng chiều dài chu vi theo phương song song trục Y (xem Hình 43)
- NEd,y, NEd,z = lực dọc toàn bộ nhịp đối với cột giữa và lực dọc qua tiết diện kiểm tra đối với cột biên. Lực này có thể từ tải trọng hoặc từ lực dự ứng lực
- Ac = diện tích tiết diện bê tông theo định nghĩa của N₍Ed₎
- d = chiều sâu hữu hiệu trung bình của cốt thép sàn theo hai phương (mm)
Khi tính toán lực dọc (longitudinal forces), điều quan trọng là phải xem xét vị trí của các đầu neo đối với cột biên, vì có thể giả định rằng góc lan truyền là 45°, nhưng trong một số trường hợp, điều này có thể dẫn đến một phần của chu vi kiểm tra không được chịu lực, hoặc một số phần bị chịu ứng suất cao hơn bình thường. Do đó, hợp lý nhất là lấy trung bình phần lực dự ứng lực tác động lên toàn bộ chu vi kiểm tra.
3. Vp thành phần thẳng đứng của lực nén trước tính toán như thế nào?
-
Chỉ tính toán đóng góp của cáp dự ứng lực trong phạm vi 0.5h từ mặt cột. Các cáp dự ứng lực ngoài phạm vi này được bỏ qua vì hiệu quả kém.
-
Đối với chu vi kiểm tra ngoài chu vi có cốt thép chống cắt, cần điều chỉnh lực cắt thiết kế bằng cách trừ đi thành phần cân bằng của cáp dự ứng lực trong phạm vi 0.5h.
Trích dẫn phần dịch theo TR43 như sau:
Các thành phần thẳng đứng của cáp dự ứng lực cũng cần được xét đến bằng cách giảm hoặc tăng lực cắt tác dụng bởi thành phần thẳng đứng của cáp dự ứng lực, có nhân thêm hệ số γp phù hợp.
Tại các cột, nơi ảnh hưởng này thường có lợi, điều quan trọng là phải xét đến sự neo cáp trong phạm vi chu vi kiểm tra. Hình 44 cho thấy ảnh hưởng của việc các đầu neo cáp nằm ngoài vùng lõi cột, và vì vậy những đoạn cáp này không thể truyền lực dọc ngược trở lại cột. Do đó, chỉ những đoạn cáp nằm trong phạm vi 0,5h từ mặt cột mới nên được xét đến, và ảnh hưởng của chúng được coi như giúp giảm lực cắt tác dụng. Về cơ bản, nếu dùng phương pháp cân bằng tải, tổng lực cắt tác dụng lên cột có thể giảm bởi tải trọng do cáp tạo ra trong phạm vi 0,5h tính từ mặt cột. Giá trị này nên được coi là không đổi cho các chu vi kiểm tra bên ngoài.
5. Khuyến nghị của Vietcons khi tính toán chọc thủng sàn dự ứng lực
Khi kiểm tra chọc thủng, cần xem xét ảnh hưởng của ứng suất nén trước σcp như sau:
-
Đối với cột giữa:
-
Tại chu vi đầu tiên (2d): Nên tính đầy đủ σcp để tận dụng hiệu quả khả năng chịu lực của bê tông.
-
Tại các chu vi tiếp theo: Bỏ qua σcp , chỉ xét lực cắt thuần.
-
-
Đối với cột biên: Bỏ qua σcp, chỉ xét lực cắt thuần.
-
Nếu muốn thiên về an toàn và đơn giản hóa tính toán: Bỏ qua hoàn toàn thành phần lực nén trước (Vp) và lượng cáp dự ứng lực khi tính toán ρ₁, chỉ sử dụng cốt thép thường.
III. Lưu ý khi kiểm tra chọc thủng sàn căng cáp trong phần mềm CSI SAFE
-
Khi sử dụng SAFE để kiểm tra chọc thủng cho sàn căng cáp, cần lưu ý rằng phần mềm thiết kế theo xu hướng an toàn, bỏ qua hoàn toàn ảnh hưởng của cáp dự ứng lực trong tính toán khả năng kháng chọc thủng.
-
Hàm lượng cốt thép chịu kéo ρ₁ trong tính toán được xác định là giá trị trung bình của hàm lượng cốt thép chịu kéo trong các dải thiết kế Strip A và Strip B, khi các dải thiết kế lớp A và lớp B vuông góc với nhau. Điều này đảm bảo phản ánh hợp lý sự phân bố cốt thép chịu kéo trong hai phương chính của sàn.
-
Trường hợp không có dải thiết kế (Design Strip) theo cả hai phương vuông góc, phần mềm sẽ tự động lấy hàm lượng cốt thép chịu kéo bằng 0 tại vị trí đó để thực hiện kiểm tra chọc thủng.
➡ Kết luận: SAFE đưa ra kết quả kiểm tra chọc thủng bảo thủ và về phía an toàn, vì không xét đến đóng góp của ứng suất nén từ cáp căng trước đối với khả năng chịu chọc thủng. Kỹ sư thiết kế cần hiểu rõ nguyên tắc này để cân nhắc khi đánh giá kết quả, đặc biệt trong các trường hợp có bố trí cáp phân bố đều và lực nén từ cáp có ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng kháng chọc thủng thực tế.
Tài liệu tham khảo:
- TR43 – Post-tensioned Concrete Floors: Design Handbook
- EN 1992-1-1 (Eurocode 2)
- CSI SAFE User Manual
CÁM ƠN QUÝ ĐỘC GIẢ ĐÃ QUAN TÂM VÀ THEO DÕI BÀI VIẾT CỦA VIETCONS.EDU.VN !
Các bạn có thể liên hệ trực tiếp Fanpage (https://www.facebook.com/VietConsEducation) của trung tâm để đặt câu hỏi. Chúng tôi sẽ giải đáp thêm cho bạn.
Quét mã QR
