Đánh giá mức độ ảnh hưởng các yếu tố ngoại cảnh đến khoảng cách các mối nối trong kết cấu sàn bê tông cốt thép trên nền đất

Ths. Nguyễn Thanh Tùng*

* Khoa Công trình - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Tóm tắt

Hiện nay, kết cấu sàn bê tông cốt thép trên nền đất vẫn là một phương án được lựa chọn tương đối phố biến trong các công trình nhà xưởng, kho, bãi… Trong quá trình tính toán thiết kế dạng kết cấu này, việc lựa chọn khoảng cách các mối nối hợp lý ảnh hưởng khá lớn đến chi phí thi công cũng như sự làm việc của kết cấu sau này. Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của điều kiện biên như nhiệt độ, độ co ngót của bê tông đến kết quả tính toán, bố trí các mối nối trong kết cấu sàn bê tông trên nền đất là cần thiết, để làm căn cứ hỗ trợ chủ đầu tư, các đơn vị thiết kế có cơ sở lựa chọn được phương án bố trí kết cấu phù hợp, đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Từ khóa: Sàn bê tông cốt thép, nền đất.

Abstract

Currently, reinforced concrete floor structure on the ground is still a relatively popular choice in factories, warehouses, yards, etc. In the process of calculating the design of this structure, the selection of a reasonable distance of joints greatly affects the construction cost as well as the work of the structure later. Therefore, it is necessary to evaluate the influence of boundary conditions such as temperature and shrinkage of concrete on the calculation results and the arrangement of joints in the concrete floor structure on the ground, supporting investors and design units to have the basis to choose an appropriate structural layout plan, bringing high economic efficiency.

Keywords: Reinforced concrete slab on the ground.

 

1. Tổng quan

Sàn bê tông trên nền đất là một loại sàn được đặt trực tiếp trên nền đất, toàn bộ tải trọng tác dụng lên sàn được phân phối đều xuống nền đất, tạo thành ứng suất cho kết cấu nền, để đảm bảo sự làm việc của kết cấu nền, ứng suất tạo thành không được vượt quá 50% khả năng chịu tải cho phép của nền tính toán theo lý thuyết.

Chiều dày sàn có thể giống nhau hoặc khác nhau và sàn có thể có cấu kiện gia cường như sườn hay dầm. Sàn bê tông có thể là sàn không có cốt thép, cốt thép hay sàn bê tông ứng suất trước. Cốt thép hay thép ứng lực trước được dùng để gia cường cho bê tông chịu ảnh hưởng của co ngót, nhiệt độ hay tải trọng công trình. 

Ứng suất trong sàn bê tông là kết quả của tải trọng tác dụng và sự thay đổi thể tích của bê tông. Độ lớn của ứng suất này phụ thuộc vào các nhân tố như là mức độ liên tục, cường độ đất nền và mức độ đồng nhất của đất nền, phương pháp thi công, chất lượng công trình, cường độ và vị trí của tải trọng. Trong hầu hết các trường hợp, ảnh hưởng của các yếu tố trên chỉ được tính toán bằng cách tổ hợp đơn giản bù lại tính chất của vật liệu và ảnh hưởng của kết cấu nền.

Có 5 phương pháp thiết kế cơ bản là: PCA, WRI, COE, PTI, ACI223

Ứng suất trong sàn bê tông là kết quả của tải trọng tác dụng và sự thay đổi thể tích của bê tông. Độ lớn của ứng suất này phụ thuộc vào các nhân tố như là mức độ liên tục, cường độ đất nền và mức độ đồng nhất của đất nền, phương pháp thi công, chất lượng công trình, cường độ và vị trí của tải trọng. Trong hầu hết các trường hợp tính toán, ảnh hưởng của các yếu tố kể trên chỉ được tính toán bằng cách đưa vào thêm các hệ số xét đến tính chất của vật liệu và ảnh hưởng của kết cấu nền.

Mục tiêu cơ bản của tất các các phương pháp tính toán trên là giảm tối thiểu sự xuất hiện vết nứt và kết cấu sàn phải trơn nhẵn, đảm bảo yêu cầu sử dụng. Người kỹ sư thiết kế có nhiều sự lựa chọn khi tính toán, thiết kế bản vẽ kết cấu sàn trên nền đất. Mỗi phương pháp tính có các kiến nghị về loại mối nối sử dụng và khoảng cách giữa các mối nối khác nhau. Tuy nhiên, điểm chung của các phương pháp thiết kế là hệ số nền và ma sát giữa sàn và nền là hai tham số quan trọng nhất khi tính toán.

 

 Lắp dựng cốt thép sàn là một công đoạn khá quan trọng trước khi đổ bê tông, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng công trình

2. Mối nối trong sàn bê tông cốt thép

Mối nối trong sàn bê tông được thi công để cho phép sàn bê tông xê dịch và tạo ra bề mặt không nứt cho sàn. Sự xê dịch của sàn gây ra bởi: Sự co ngót của bê tông, sự thay đổi thể tích trong khi đông cứng, sự thay đổi nhiệt độ, tác dụng trực tiếp hay ứng suất uốn của tải trọng, độ lún của sàn.

Nếu sự xê dịch của sàn bị ngăn cản, sàn sẽ bị nứt khi ứng suất kéo trong bê tông lớn hơn mức cho phép. Vết nứt có thể xuất hiện tại bất kỳ thời điểm nào hay thời gian nào. Mối nối được dùng để vết nứt có thể được tạo ra tại vị trí xác định trước. 

Kiểm soát vết nứt là mục đích cơ bản của mối nối và về cơ bản là mối nối phải truyền tải trọng từ sàn này sang sàn khác. Sự truyền tải trọng là đặc biệt quan trọng với tải trọng do xe cộ để ngăn cản sự bảo trì vượt mức cũng như việc ngăn cản vết nứt do tải trọng tác dụng. Sự truyền tải trọng hay sự truyền lực cắt thường được tính toán bởi sự liên kết của cấp phối, liên kết sàn…

Mối nối sàn được chia làm hai phương pháp chủ yếu là:

Phân loại theo công dụng của mối nối: Mối nối độc lập, mối nối công trình, khe giãn…

Phân loại theo phương pháp thi công mối nối: Nút sàn, khe co…

Khe nhiệt độ: Co khô trong bê tông là hiện tượng bình thường ngay cả khi trong bê tông bù co ngót. Khoảng cách các mối nối là một cách hiệu quả để kiểm soát được vết nứt do co ngót của bê tông, nhưng thực tế là để chống lại sự co ngót gây ra lực kéo gây ra nứt. Bất kỳ một cấu kiện nào của công trình tạo ra sự chịu lực bất thường cũng gây ra nhiều vết nứt hơn. Các nguyên nhân như cột nhà, móng đơn cho mục đích sử dụng đặc biệt, khung đế giá xếp hàng, rãnh thoát nước, móng chân tường tại cốt nền và các nguyên nhân tương tự có thể gây ra vết nứt. Tất cả những yếu tố trên có thể là độc lập so với sàn.

Mối nối độc lập để chia sàn thành các ô bản sát nhau. Mối nối không chỉ chuyền tải trọng đứng mà còn truyền cả tải trọng ngang. Phụ thuộc vào bề rộng của mối nối hay khoảng hở giữa sàn mà mối nối độc lập hoạt động như là một khe giãn.

Khe co giãn: Khe co giãn thường được bố trí trong sàn, có thể bố trí tại mép sàn hay trong sàn trong trường hợp diện tích sàn lớn. Khe co giãn thường là vị trí dừng thi công.

Khe co ngót: Chủ yếu dùng cho sàn bê tông cốt thép trên nền đất để ngăn cản vết nứt do sự co ngót của bê tông. Khe co ngót có thể thi công bằng máy thủ công, bằng cách đặt dải co giãn hoặc bằng cách cắt bê tông. Khe co ngót được thi công bằng cách cắt trên bê tông, được thực hiện khi bê tông đã ninh kết và đạt cường độ  hoặc cũng có thể thi công trước khi bê tông đạt cường độ cao. Tất các khe co ngót dùng để giảm ứng suất kéo gây ra bởi sự ngăn cản chuyển động của sàn. Khoảng cách giữa các khe co giãn là rất quan trọng đến chức năng của khe co ngót.

Khe biến dạng: Chủ yếu trong sàn ngoài trời, không phổ biến ở sàn trong nhà. Khe co giãn cho phép sàn bê tông giãn liên quan đến sàn bên cạnh hay bộ phận của công trình. Nguyên nhân thông thường để sử dụng khe biến dạng là nhiệt độ. Khe biến dạng đóng vai trò quan trọng khi kết cấu sàn bê tông trương nở mạnh trước khi nó co ngót.

3. Khoảng cách các mối nối

Sự lựa chọn khoảng cách giữa các mối nối là một trong những quyết định quan trọng nhất trong việc tính toán giá thành và sự làm việc của sàn. Khoảng cách rất gần giữa các mối nối gần như sẽ loại trừ tất cả vết nứt do sự co ngót khi đông cứng của bê tông. Khoảng cách quá gần tuy nhiên sẽ không hiệu quả về kinh tế do giá thành của chính các mối nối, sự xử lý tại các mối nối và sự bảo trì các mối nối đó.

Theo đề nghị của Hiệp hội xi măng Portland, khoảng cách giữa các mối nối tính theo đơn vị feet là hợp lý là trong khoảng từ 2 đến 3 lần chiều dày của kết cấu sàn bê tông thông thường được tính theo đơn vị là inch. Khoảng cách giữa các mối nối cũng phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế và đặc thù của từng công trình riêng biệt. Thêm nữa là khoảng cách từ tâm cột đến tâm cột cũng sẽ ảnh hưởng đến khoảng cách các mối nối.

Thông thường, vị trí khe co giãn được đặt dọc theo trục cột nhưng các mối nối cần được bố trí thêm. Mối nối được đặt để chia sàn thành các ô bản có diện tích nhỏ hơn. Cần xem xét đến yếu tố về diện tích nhưng cũng cần phải dự đoán về địa chất dưới sàn. Thông thường, thường chọn tỉ lệ cạnh dài trên cạnh ngắn là 1,25 đến 1,5. Theo tiêu chuẩn ACI 302.1R có thể lấy giá trị lớn hơn 1,5. Sự phân tích chi tiết hay sử dụng vật liệu địa phương, vật liệu đặc biệt có thể đưa ra một khoảng cách lớn hơn hay nhỏ hơn.

4. Tính toán và đánh giá ảnh hưởng của co ngót và nhiệt độ đến khoảng cách mối nối trong sàn bê tông cốt thép

Tiến hành tính toán và kiểm tra khả năng chịu lực của sàn đồng thời kiểm tra và xác định lượng cốt thép cần thiết chống lại ứng suất trong sàn gây ra do bê tông co ngót. Trong quá trình tính cũng xét đến khả năng co ngót của sàn do sự thay đổi nhiệt độ gây ra, qua đó xác định độ lớn khe co giãn để tránh gây ứng suất bẻ trong sàn gây phá hoại sàn, thông qua đó tập trung phân tích sự ảnh hưởng của chiều dày sàn, nhiệt độ, co ngót đến khoảng cách giữa các mối nối trong sàn bê tông cốt thép. Kết quá tính toán được thể hiện trong biểu đồ hình 2 và hình 3.

5. So sánh, nhận xét và đánh giá

Dựa vào các biểu đồ hình 2 và hình 3 có thể rút ra một số nhận xét như sau:

Khoảng cách giữa các mối nối trong sàn bê tông trên nền đất phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và dưới của sàn cũng như biến dạng co ngót của bê tông. Khoảng cách này có thể chọn từ 6m đến 9m với chiều dày sàn 25cm, tuy nhiên cần được tính toán kiểm tra điều kiện hạn chế nứt. 

Diện tích cốt thép tính toán cho sàn chịu tác dụng của sự thay đổi nhiệt độ lớn hơn nhiều lần so với diện tích cốt thép tính toán kể đến ảnh hưởng của ma sát sàn và nền. Để kiểm soát vết nứt xảy ra trong sàn với một mức độ chấp nhận được, hàm lượng cốt thép trong sàn lớn hơn hoặc bằng 0,6%.

Khi sự chênh lệch nhiệt độ lớn, việc giảm khoảng giữa các khe nối và lượng cốt thép tăng lên làm tăng giá thành công trình, do đó nên sử dụng bê tông bù co ngót cho sàn bê tông trên nền đất.

Trên cơ sở các kết luận đã có, tác giả kiến nghị với các ô sàn bê tông chịu tải trọng lớn và giảm khoảng cách giữa các khe nối, có thể nghiên cứu sử dụng sàn bê tông ứng lực.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] GS.TS. Phan Quang Minh, GS.TS. Ngô Thế Phong, GS.TS. Nguyễn Đình Cống, “Kết cấu bê tông cốt thép - phần Cấu kiện cơ bản”, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

[2] Nguyễn Đình Cống, Nguyễn Xuân Liên, Nguyễn Phấn Tấn, “Kết cấu bê tông cốt thép”, nhà xuất bản Xây dựng.

[3] GS.TS. Phan Quang Minh, “Sàn phẳng bê tông ứng lực trước căng sau”, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

[4] Boyd C.Ringo and Robert B.Anderson, “Designing floor slabs on grade, Second edition”.

[5] American Committee 360 (ACI360R-92), “Design of slabs on Grade”.

[6] American Committee 224 (ACI224.3R-9), “Joints in Concrete Construction”.

[7] University of Minnesota, Department of Civil Engineering, “Load Testing of Instumented Pavement Sections - Improved Techniques for Appling the Finite Element Method to Strain Predition in PCC Pavement Structures” .

[8] Max L.Porter, “Dowel Bar Opimization: Phases I and II - Final Report” .

[9] Robert G. Packard, “Slab Thickness Design for Industrial Concrete Floors on Grade” .