Trong khoảng hai thập kỷ gần đây, sàn dự ứng lực đã trở thành một trong những giải pháp kết cấu phổ biến cho nhà cao tầng nhờ khả năng vượt nhịp lớn, giảm chiều dày sàn và tối ưu không gian sử dụng. Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều tài liệu chỉ tập trung vào việc tính toán tiết diện hoặc bố trí cáp mà chưa phân tích đầy đủ sự làm việc của kết cấu trong mô hình tổng thể cũng như theo từng giai đoạn thi công.
Đối với nhà cao tầng, tải trọng ngang do gió và động đất thường chiếm tỷ trọng lớn. Bên cạnh đó, mặt bằng công trình thường có tâm khối lượng và tâm đón gió cách xa tâm cứng, làm cho mômen xoắn tăng theo chiều cao công trình. Ngược lại, với các công trình thấp tầng có cùng mặt bằng, ảnh hưởng của xoắn thường không đáng kể. Mà trong thiết kế sàn dự ứng lực kỹ sư thường xem xét cục bộ một tầng. Điều này dẫn đến xem nhẹ hoặc bỏ sót tác động của xoắn trong tổng thể.
Ngoài ra, kết cấu không được xây dựng hoàn thành trong một lần mà được thi công theo từng tầng. Trong suốt quá trình đó, tải trọng, nội lực và điều kiện liên kết của kết cấu liên tục thay đổi. Nếu chỉ phân tích mô hình ở trạng thái công trình hoàn thiện, kết quả tính toán có thể không phản ánh đúng trạng thái làm việc thực tế của sàn dự ứng lực.
Chính vì vậy, ngoài các yêu cầu về cường độ và độ võng, kỹ sư cần quan tâm đến những vấn đề dưới đây.
Thiết kế sàn dự ứng lực trong nhà cao tầng phải gắn liến với ứng xử tổng thể nhà cao tầng
Thực tế thiết kế sàn dự ứng lực là một công việc đặc thù chuyên môn nên không phải đơn vị nào cũng thực hiện được, phần sàn dự ứng lực sẽ được giao cho nhà thầu riêng kết hợp với nhà nhà thầu chính thực hiện móng, cột, vách… Ví dụ, trong nhà cao tầng tổng thể công trình thường được mô hình bởi Etabs thực hiện bởi nhà nhà thầu chính, phần sàn dự ứng lực được mô phỏng từng tầng nhờ Ram concept hay Safe của đơn vị thiết kế sàn. Từ đây, trong mô hình tổng thể hệ thống dầm biên chống xoắn chính yếu nhưng phần sàn dự ứng lực được đơn giản hóa thậm chí bỏ qua vì xoắn không đáng kể.
Để tránh sai sót cần phải có kiến thức tổng hợp và phối hợp của cả hai đơn vị. Hoặc cần có một đơn vị có đủ năng lực thực hiện cả hai công việc này.
Việt Thành Công là đơn vị có đủ năng lực thiết kế kết cấu tổng thể nhà cao tầng cũng như cá nhân chuyên gia dự ứng lực Phạm Thành Công đem đến sự yên tâm nhất cho quí khách hàng bằng các minh chứng khoa học đã công bố.
Ảnh hưởng cáp dự ứng lực lên cột
Thông thường kỹ sư chỉ xem xét ảnh ảnh hưởng lên sàn hoặc dầm, bỏ qua cột. Các tiêu chuẩn như Mỹ ACI 318-19 , châu Âu EN 1992-1-1 hay Việt Nam TCVN 5574-2018 …cũng không đề cập đến ảnh hưởng của cáp DUL lên cột. Thực tế cáp dự ứng lực có tác động tích cực hoặc tiêu cực lên cột.
Kết quả khi có cáp trong dầm đã làm thay đổi lên tới 77% momen uốn cột. Điều này cho thấy việc bỏ qua ảnh hưởng này có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng.
Việt Thành Công là đơn vị đi đầu trong xét ảnh hưởng cáp dự ứng lực lên cột. Kết quả mô tả trong Bài báo khoa học 1 trên Tạp chí Phát triển khoa học và công nghệ.
Không phải lúc nào mô hình công trình hoàn thiện cũng phản ánh đúng nội lực
Đây là sai lầm khá phổ biến.
Trong nhiều dự án, toàn bộ tòa nhà được mô hình hóa ở trạng thái hoàn thiện, sau đó nội lực của sàn được dùng để bố trí cáp dự ứng lực.
Thực tế, khi tầng thứ 5 được kéo cáp thì:
- tầng 20 chưa tồn tại;
- tải trọng hoàn thiện chưa xuất hiện;
- cột và vách chưa chịu toàn bộ tải trọng thiết kế;
- độ cứng của công trình hoàn toàn khác so với khi bàn giao.
Điều đó có nghĩa là nội lực tại thời điểm kéo cáp không giống nội lực của mô hình hoàn thiện.
Nếu bỏ qua yếu tố này, lực dự ứng có thể được lựa chọn chưa tối ưu.
Trình tự thi công làm thay đổi phân phối nội lực
Trong nhà thấp tầng, ảnh hưởng của trình tự thi công thường không lớn.
Nhưng với công trình 20–50 tầng, đây lại là yếu tố rất quan trọng. Đặc biệt là công trình có hệ sàn chuyển, dầm chuyển.
Ví dụ:
- tầng dưới phải chịu tải của nhiều tầng phía trên trong quá trình thi công;
- một số tầng còn chống đỡ bằng hệ chống tạm;
- các tầng trên chưa đủ cường độ bê tông;
- tải trọng được truyền theo từng giai đoạn.
Kết quả là:
- mô men trong sàn thay đổi theo thời gian;
- lực dọc trong cột tăng dần;
- phản lực gối không giống mô hình tính cuối cùng.
Nếu không phân tích theo trình tự thi công, kỹ sư có thể đánh giá chưa đúng khả năng chịu lực của kết cấu.
Trình tự kéo cáp cũng ảnh hưởng đến nội lực
Nhiều người cho rằng chỉ cần kéo đủ lực thiết kế là kết quả sẽ giống nhau.
Điều này chưa hoàn toàn đúng.
Trong thực tế, nội lực còn phụ thuộc vào:
- thứ tự kéo từng bó cáp;
- thời điểm kéo cáp;
- cường độ bê tông khi kéo;
- sự tương tác với các cấu kiện khác.
Ví dụ, nếu một phần cáp được kéo trước, kết cấu sẽ xuất hiện biến dạng ban đầu. Khi các bó cáp còn lại được kéo, trạng thái ứng suất của bản đã thay đổi.
Đối với các công trình có nhịp lớn hoặc hình dạng phức tạp, sự khác biệt này có thể không còn nhỏ.
Ví dụ, nếu một phần cáp được kéo trước, kết cấu sẽ xuất hiện biến dạng ban đầu. Khi các bó cáp còn lại được kéo, trạng thái ứng suất của bản đã thay đổi.
Đối với các công trình có nhịp lớn hoặc hình dạng phức tạp, sự khác biệt này có thể không còn nhỏ.
Co ngót và từ biến không chỉ làm mất lực dự ứng
Trong nhiều giáo trình, co ngót và từ biến thường chỉ được xem là nguyên nhân gây tổn hao lực dự ứng.
Thực tế, ảnh hưởng của chúng lớn hơn nhiều.
Theo thời gian:
- bê tông tiếp tục biến dạng;
- nội lực giữa sàn, cột và vách thay đổi;
- mô men trong bản có thể phân phối lại;
- độ võng tiếp tục phát triển ngay cả khi tải trọng không đổi.
Đối với nhà cao tầng, những biến dạng tích lũy này có thể ảnh hưởng đến độ bằng phẳng của sàn, vách kính và các cấu kiện hoàn thiện.
Cột và lõi cứng có thể làm thay đổi hiệu quả của lực dự ứng
Trong các ví dụ đơn giản, sàn thường được xem như một cấu kiện độc lập.
Nhưng trong nhà cao tầng:
- sàn liên kết cứng với cột;
- cột liên kết với vách;
- vách liên kết với lõi thang máy.
Toàn bộ công trình tạo thành một hệ kết cấu không gian.
Khi cáp dự ứng lực tạo lực nén trong sàn, phản lực sẽ truyền sang cột và lõi cứng. Vì vậy, hiệu quả của lực dự ứng không chỉ phụ thuộc vào bản thân sàn mà còn phụ thuộc vào độ cứng tương đối của toàn bộ hệ kết cấu.
Phân tích theo giai đoạn thi công đang trở thành xu hướng
Hiện nay, nhiều phần mềm kết cấu đã hỗ trợ Construction Stage Analysis (CSA).
Thay vì chỉ phân tích công trình hoàn thiện, CSA cho phép mô phỏng:
- quá trình đổ bê tông từng tầng;
- tháo hệ chống;
- kéo cáp dự ứng lực;
- bơm vữa;
- hoàn thiện công trình;
- khai thác sử dụng.
Nhờ đó, kỹ sư có thể đánh giá chính xác hơn sự phát triển của nội lực, chuyển vị và ứng suất trong từng giai đoạn.
Kết luận
Thiết kế sàn dự ứng lực trong nhà cao tầng không chỉ là bài toán xác định số lượng cáp hay chiều dày bản sàn. Cần lắm được ít nhất hai vấn đề. Một là, ứng xử của sàn dự ứng lực không thể tách rời sự làm việc của nhà cao tầng. Hai là, trình tự căng cáp ảnh hưởng đến nội lực cột.
Các yếu tố khác như co ngót, từ biến và sự tương tác giữa sàn với hệ cột – vách có thể làm thay đổi đáng kể nội lực và biến dạng của công trình. Do đó, việc phân tích theo giai đoạn thi công và lựa chọn phương pháp tính phù hợp là cơ sở để nâng cao độ tin cậy của thiết kế, đặc biệt đối với các công trình cao tầng có yêu cầu kỹ thuật cao.
Việt Thành Công là đơn vị thiết kế toàn diện từ sàn dự ứng lực đến kết cấu tổng thể. Bên cạnh đó, các giải pháp như sàn uboot cũng là thế mạnh của chúng tôi. Đặc biệt, thiết kế động đất trong nhà cao tầng sử dụng phân tích Pushover.
