Tài liệu Nghiên cứu ứng xử của sàn rỗng vượt nhịp lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................................. 2 3. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................... 3 4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................. 3 5. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 3 6. Bố cục đề tài ............................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU SÀN PHẲNG TRONG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ............................................................................................................. …5 1.1. Khái niệm và vai trò của sàn phẳng trong công trình xây dựng ............................ 5 1.1.1. Khái niệm về sàn phẳng BTCT .................................................................... 5 1.1.2. Vai trò của sàn phẳng BTCT trong công trình xây dựng ............................. 5 1.2. Xu hƣớng sử dụng loại sàn phẳng hiện nay .......................................................... 6 1.2.1. Giới thiệu Sàn phẳng Bê tông cốt thép ULT (sàn nấm) .............................. 8 1.2.2. Giới thiệu Sàn hộp U-Boot Beton ................................................................ 9 1.3. Giới thiệu Sàn bóng BubbleDeck ........................................................................ 11 1.3.1. Nguồn gốc và khái niệm ............................................................................ 11 1.3.2. Đặc điểm .................................................................................................... 11 1.3.3. Ƣu nhƣợc điểm của hệ sàn BubbleDeck .................................................... 13 1.4. Đặc tính kỹ thuật và công nghệ thi công sàn BubbleDeck .................................. 14 1.4.1. Đặc tính kỹ thuật ........................................................................................ 14 1.4.2. Quy trình tóm tắt thi công sàn BubbleDeck............................................... 18 1.5. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................... 26 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN CỦA SÀN BUBBLEDECK ................................ 27 2.1. Tổng quan lý thuyết tính toán sàn BubbleDeck ................................................... 27 2.1.1. Đặc tính tiết diện BubbleDeck ................................................................... 27 2.1.2. Đặc tính tiết diện không nứt ...................................................................... 27 2.1.3. Đặc tính tiết diện nứt ................................................................................. 28 2.1.4 . Phân tích kết cấu ....................................................................................... 28 2.2. Tính toán sàn Bubbledeck theo Tiêu chuẩn EC2 ................................................ 29 2.2.1. Cơ sở tính toán theo Eurocode .................................................................. 29 2.2.2. Quan niệm tính toán sàn BubbleDeck [7] .................................................. 31 2.2.3. Các phƣơng pháp xác định nội lực của sàn............................................... 32 2.2.4 . Tính toán khả năng chịu uốn của sàn theo EC2 ........................................ 33 2.2.5 . Cắt thủng của sàn theo EC2 ...................................................................... 34 2.3. Phân tích ứng xử sàn BubbleDeck bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn ............. 40 2.3.1. Giới thiệu phần mềm Etabs ....................................................................... 41 2.3.2 . Sử dụng phần mềm Etabs 2017 để mô phỏng sàn BubbleDeck ............... 41 2.3.3. Các bƣớc mô phỏng sàn Bubbledeck trong Etabs .................................... 45 2.4. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................................ 52 CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA SÀN BUBBLEDECK 53 3.1. Phân tích ứng xử của sàn BubbleDeck bằng phần mềm Etabs ........................... 53 3.1.1. Số liệu đầu vào ........................................................................................... 53 3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của bề dày và chiều dài nhịp sàn BubbleDeck ......... 54 3.2. So sánh khả năng chịu lực của phƣơng án sàn BubbleDeck và phƣơng án sàn phẳng có dầm bẹt của công trình thực tế. ................................................................... 68 3.2.1. Giới thiệu về công trình: ............................................................................ 68 3.2.2. Xuất các giá nội lực của sàn....................................................................... 68 3.2.3. Thiết lập mô hình bằng phần mềm Etabs................................................... 69 3.2.4 . Kết quả so sánh, phân tích nội lực 02 phƣơng án sàn ............................... 80 3.3. Kết luận Chƣơng 3 ............................................................................................... 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 84 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 85 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO). BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH Đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN RỖNG VƢỢT NHỊP LỚN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Học viên: Dƣơng Phƣơng Khanh - Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 85 80 201 Khóa: K35 - TrV Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Sàn BubbleDeck là một trong những phƣơng án sàn rỗng nhẹ đáp ứng đƣợc khả năng vƣợt nhịp tạo tính linh hoạt cao trong thiết kế và giảm thời gian thi công trong các công trình xây dựng hiện nay. Ngoài ra, việc ứng dụng sàn rỗng trong thiết kế công trình giúp giảm nhẹ trọng lƣợng công trình, qua đó hạn chế tác động của tải trọng gió động và động đất. Nhằm làm rõ hơn về khả năng vƣợt nhịp và ứng xử của sàn BubbleDeck. Trong Luận văn, Tác giả tiến hành khảo sát chiều dày sàn thích hợp với kích thƣớc nhịp công trình, qua đó đề xuất chiều dày hợp lý cho công trình vƣợt nhịp lớn. Trên cơ sở chọn đƣợc chiều dày sàn rỗng hợp lý, tiếp tục so sánh và phân tích ứng xử của sàn BubbleDeck với sàn phẳng dầm bẹt trên một công trình thực tế bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Etabs phiên bản 2017 để mô phỏng. Cách thức mô phỏng sàn sẽ thực hiện theo mô hình khai báo dạng tấm nhiều lớp (Layered) và điều chỉnh một số thông số cần thiết để giải quyết đƣợc độ cứng và trọng lƣợng thực tế của sàn Bubbledeck khi khai báo. Từ khóa – Sàn BubbleDeck; Phần tử hữu hạn; trọng lượng bé; vượt nhịp lớn; Etabs phiên bản 2017. Topic: STUDYING BEHAVIOR OF HOLLOW SLAB CROSSING LARGE SPAN USING FINITE ELEMENT METHODS Abstract - Bubble deck slab is one of methods that uses slightly hollow floor in order to meet the ability of crossing span; to create design flexibility; and to reduce implement time in building construction nowadays. Applying the hollow slab in the design of structure contribute to reduce the weight of the building, thereby limiting the impact of dynamic wind loads and earthquakes and also significantly reduce the cost of the foundation of the building. To elaborate about the ability of crossing span and behavior of bubble deck slab; in this thesis, the authors realize a survey of the slab thickness appropriate to the slab span, thereby proposing a reasonable thickness for the large span slab. Based on thickness appropriate of the slab and analyze behavior of bubble deck slab to solid slab with beams in reality construction using finite element methods modeling in Etabs software version 2017. The way to model two kinds of slabs will carry out in layered shells and then adjust parameter if necessary to solve the hardness and weight in reality of Bubble deck slab when modeling. Key words – BubbleDeck slab; finite element method, lightweigh; Layered shells; large span; Etabs version 2017. TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT  THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU  Chữ cái la tinh viết hoa A Diện tích tiết diện ngang Ac As As,min Diện tích tiết diện ngang của bê tông Diện tích tiết diện ngang của cốt thép Diện tích tiết diện ngang tối thiểu của cốt thép Asw Diện tích tiết diện tối thiểu của cốt thép chịu cắt Ec Môđun đàn hồi tiếp tuyến của bê tông Es EI Giá trị mô đun đàn hồi tính toán của cốt thép Độ cứng uốn F Gk I Tác động Tác động thƣờng xuyên đặc trƣng Mô men quán tính của tiết diện L M N Chiều dài Mô men uốn Lực dọc Med Qk Giá trị tính toán của nội lực mô men uốn Tác động thay đổi đặc trƣng V Ved Lực cắt Giá trị tính toán của lực cắt  Chữ cái la tinh thường b Chiều rộng của tiết diện d Đƣờng kính, chiều cao f Độ võng fa Diện tích cốt thép fcd fck ft ftk fy fyd fyk h Cƣờng độ chịu nén tính toán của bê tông Cƣờng độ chịu nén đặc trƣng của mẫu trụ bê tông ở 28 ngày tuổi Cƣờng độ chịu kéo của cốt thép Cƣờng độ chịu kéo đặc trƣng của cốt thép Cƣờng độ chảy dẻo của cốt thép Cƣờng độ chảy dẻo tính toán của cốt thép Cƣờng độ chảy dẻo đặc trƣng của cốt thép Chiều cao k l Hệ số Chiều dài, nhịp u vEd vRd,c Chu vi tiết diện ngang Ứng suất cắt lớn nhất Giá trị tính toán khả năng chịu cắt thủng của bản sàn khi không có cốt thép chịu cắt vRd,cs Giá trị tính toán khả năng chịu cắt thủng của bản sàn khi có cốt thép chịu vRd,max cắt Giá trị tính toán khả năng chịu cắt thủng lớn nhất của bản sàn dọc theo tiết diện kiểm tra đang xét  Chữ cái Hy lạp thường α Góc β Hệ số γ Hệ số riêng, khối lƣợng riêng γc Hệ số riêng cho bê tông γF γG γQ Hệ số riêng cho tác động Hệ số riêng cho tác động thƣờng xuyên Hệ số riêng cho tác động thay đổi ρ σc Hàm lƣợng cốt thép dọc Ứng suất nén trong bê tông Ø Đƣờng kính cốt thép  THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM  Chữ cái la tinh viết hoa L Chiều dài nhịp M Mô men F Tổng tải trọng tác dụng Fa Diện tích cốt thép V Thể tích Rb Rbt Rs Rcs Cƣờng độ chịu nén của bê tông Cƣờng độ chịu kéo của bê tông Cƣờng độ chịu nén của cốt thép Cƣờng độ chịu kéo của cốt thép  Chữ cái la tinh viết thường a Lớp bê tông bảo vệ Chu vi trung bình của mặt đâm thủng c hb Kích thƣớc mũ cột Chiều dày bản sàn ho l k Chiều dày hữu ích của bản tại đầu cột Chiều dài Hệ số q Tải trọng toàn phần p Hoạt tải tác dụng g Tĩnh tải tác dụng  Chữ cái Hy lạp thường γ Hệ số, khối lƣợng riêng  CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN BTCT Bê tông cốt thép BD BubbleDeck EC 2 Eurocode 2 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TTGH 1 TTGH 2 Trạng thái giới hạn 1 Trạng thái giới hạn 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Bảng so sánh một số tiêu chí giữa sàn BD và sàn đặc [9] .............................16 Bảng 1-2: So sánh khả năng chịu cắt giữa sàn BubbleDeck và sàn đặc [9] ...................17 Bảng 1-3: Khả năng chịu lửa phụ thuộc bề dày sàn ......................................................18 Bảng 2-1: Hệ số riêng với tải trọng khi tính theo TTGH thứ nhất [3] ............................29 Bảng 2-2: Hệ số riêng của tải trọng khi tính theo trạng thái giới hạn thứ hai [4] ...........30 Bảng 2-3 Giá trị α6 [2] .....................................................................................................31 Bảng 2-4: Phân chia đơn giản mô men uốn cho sàn phẳng [2] ......................................32 Bảng 2-5: Thông số miền đàn hồi của bê tông ..............................................................44 Bảng 3-1: Bảng kết quả khảo sát sàn BubbleDeck 230mm ..........................................55 Bảng 3-2: Bảng kết quả khảo sát sàn BubbleDeck 280mm ..........................................57 Bảng 3-3: Bảng kết quả khảo sát sàn BubbleDeck 340mm ..........................................59 Bảng 3-4: Bảng kết quả khảo sát sàn BubbleDeck 390mm ..........................................61 Bảng 3-5: Bảng kết quả khảo sát sàn BubbleDeck 450 mm .........................................64 Bảng 3-6: Bảng thống kê kết quả khảo sát nhịp đáp ứng theo bề dày sàn BD .............66 Bảng 3-7: Bảng nội lực sàn Bubbledeck tƣơng ứng theo chiều dày sàn .......................70 Bảng 3-8: Khối lƣợng thép sàn BubbleDeck 280mm ...................................................73 Bảng 3-9: Khối lƣợng thép sàn BubbleDeck 230 mm ..................................................74 Bảng 3-10: Khối lƣợng thép sàn BubbleDeck 340 mm ................................................74 Bảng 3-11: Bảng kết quả nội lực sàn phẳng dầm bẹt ....................................................76 Bảng 3-12: Bảng thống kê thép sàn phẳng dầm bẹt ......................................................79 Bảng 3-13: Bảng kết quả so sánh độ võng, nội lực và khối lƣợng của sàn BubbleDeck so với sàn phẳng dầm bẹt.........................................................................80 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Sàn bóng BubbleDeck ........................................................................................1 Hình 2: Sàn hộp U-Boot Beton .......................................................................................1 Hình 3: Chung cƣ 249A Thụy Khuê Hà Nội ...................................................................2 Hình 4: Tòa nhà CDC Hà Nội .........................................................................................2 Hình 1-1: Mô hình sàn phẳng không dầm .......................................................................5 Hình 1-2:Văn phòng số 63 Lý Thái Tổ ...........................................................................7 Hình 1-3:Trung tâm sự kiện và tiệc cƣới Adora Center – Hồ Chí Minh ........................7 Hình 1-4: Cao ốc Văn phòng E-Town .............................................................................7 Hình 1-5: Tháp đôi Vincom ............................................................................................7 Hình 1-6: Mô hình sàn nấm .............................................................................................8 Hình 1-7: Công trình Thƣ viện Điện tử Bách khoa Hà Nội ............................................9 Hình 1-8: Công trình tòa nhà của công ty Đầu tƣ và phát triển hạ tầng đô thị - HNội ...9 Hình 1-9: Hệ sàn U – Boot Beton ...................................................................................9 Hình 1-10: Chung cƣ GLORY PALACE tại thành phố Vinh .......................................11 Hình 1-11: Cao ốc văn phòng Châu Tuấn - Hà Tĩnh ....................................................11 Hình 1-12: Hình ảnh cấu tạo sàn BubbleDeck ..............................................................12 Hình 1-13: Khả năng chịu momen của sàn BubbleDeck theo chiều dày ......................15 Hình 1-14: So sánh khả năng chịu cắt của sàn BubbleDeck .........................................17 Hình 1-15: Lắp dựng hệ giáo chống, xà gồ, cầu phong ................................................19 Hình 1-16: Ghép ván khuôn sàn BubbleDeck ...............................................................19 Hình 1-17: Cấu kiện đƣợc chế tạo sẵn tại nhà xƣởng ...................................................20 Hình 1-18: Cấu kiện đƣợc lắp ghép tại công trƣờng .....................................................20 Hình 1-19: Lắp đặt cốt thép mũ cột ...............................................................................21 Hình 1-20: Đổ bê tông sàn.............................................................................................22 Hình 1-21: Đầm và làm phẳng mặt bê tông ..................................................................22 Hình 1-22: Tháo dỡ hệ chống đỡ, ván khuôn sàn .........................................................23 Hình 1-23: Lắp dựng hệ cột chống tạm thời .................................................................23 Hình 1-24: Ghép các cấu kiện BubbleDeck bán toàn khối đúc sẵn ..............................24 Hình 1-25: Ghép cốt thép liên kết .................................................................................24 Hình 1-26: Đổ bê tông, dầm và làm phẳng mặt bê tông ...............................................25 Hình 1-27: Tháo dỡ hệ cột chống tạm thời ...................................................................26 Hình 2-1: Cấu tạo sàn BubbleDeck ...............................................................................27 Hình 2-2: Mô hình kiểm tra cắt thủng ...........................................................................35 Hình 2-3: Vùng chu vi giới hạn cơ bản theo Eurocode 2 ..............................................35 Hình 2-4: Chu tuyến kiểm tra gần lỗ mở .......................................................................36 Hình 2-5: Chu vi kiểm tra cơ bản đối với vùng chất tải gần mép hay góc....................36 Hình 2-6: Hệ số khuếch đại tại vị trí các cột trong sàn .................................................38 Hình 2-7: Nội lực trong phần tử tấm vỏ sử dụng trong phần mềm Etabs .....................43 Hình 2-8: Thành phần ứng suất trong hệ tọa độ vật liệu ...............................................44 Hình 2-9: Khai báo vật liệu bê tông ..............................................................................45 Hình 2-10: Mối quan hệ biến dạng - ứng suất của vật liệu bê tông ..............................46 Hình 2-11: Khai báo vật liệu bóng nhựa (HDPE) .........................................................46 Hình 2-12: Mối quan hệ biến dạng - ứng suất của vật liệu HDPE ................................47 Hình 2-13: Khai báo đặc tính tiết diện sàn BubbleDeck ...............................................47 Hình 2-14: Khai báo giá trị sàn theo bề dày thiết kế .....................................................48 Hình 2-15: Thành phần tải trọng trong Etabs ................................................................48 Hình 2-16: Loại tải trọng trong Etabs............................................................................49 Hình 2-17: Tổ hợp nội lực trong Etabs ..........................................................................49 Hình 2-18: Tổ hợp nội lực trong Etabs ..........................................................................50 Hình 2-19: Mô hình sàn BubbleDeck 280mm ..............................................................51 Hình 2-20: Kết quả chuyển vị sàn .................................................................................51 Hình 3-1: Sơ đồ mặt bằng sàn điển hình .......................................................................54 Hình 3-2: Mô hình sàn BD230 ......................................................................................55 Hình 3-3: Độ võng sàn BD230 ......................................................................................55 Hình 3-4: Biểu đồ biến thiên độ võng của sàn BD230 theo chiều dài nhịp ..................56 Hình 3-5: Biểu đồ biến thiên ứng suất của sàn BD230 theo chiều dài nhịp .................56 Hình 3-6: Mô hình sàn BD280 ......................................................................................57 Hình 3-7: Độ võng sàn BD280 ......................................................................................57 Hình 3-8: Biểu đồ biến thiên độ võng của sàn BD280 theo chiều dài nhịp ..................58 Hình 3-9: Biểu đồ biến thiên ứng suất của sàn BD280 theo chiều dài nhịp .................58 Hình 3-10: Mô hình sàn BD340 ....................................................................................59 Hình 3-11: Độ võng sàn BD340 ....................................................................................59 Hình 3-12: Biểu đồ biến thiên độ võng của sàn BD340 theo chiều dài nhịp ................60 Hình 3-13: Biểu đồ biến thiên ứng suất của sàn BD340 theo chiều dài nhịp ...............60 Hình 3-14: Mô hình sàn BD390 ....................................................................................61 Hình 3-15: Độ võng sàn BD390 ....................................................................................61 Hình 3-16: Biểu đồ biến thiên độ võng của sàn BD390 theo chiều dài nhịp ................62 Hình 3-17: Biểu đồ biến thiên ứng suất của sàn BD390 theo chiều dài nhịp ...............63 Hình 3-18: Mô hình sàn BD450 ....................................................................................63 Hình 3-19: Độ võng sàn BD450 ....................................................................................63 Hình 3-20: Biểu đồ biến thiên độ võng của sàn BD450 theo chiều dài nhịp ................65 Hình 3-21: Biểu đồ biến thiên ứng suất của sàn BD450 theo chiều dài nhịp ...............65 Hình 3-22: Biểu đồ biến thiên độ võng của các sàn theo chiều dài nhịp đáp ứng ........66 Hình 3-23: Biểu đồ biến thiên ứng suất của các sàn theo chiều dài nhịp ......................67 Hình 3-24: Mặt bằng sàn điển hình ...............................................................................68 Hình 3-25: Mô hình sàn BubbleDeck ............................................................................70 Hình 3-26: Nội lực dải strip theo phƣơng X .................................................................70 Hình 3-27: Nội lực dải strip theo phƣơng Y .................................................................70 Hình 3-28: Mặt bằng bố trí thép lớp dƣới cho sàn điển hình 280mm ...........................72 Hình 3-29: Mặt bằng bố trí thép lớp trên cho sàn điển hình 280mm ............................72 Hình 3-30: Mô hình mặt cắt bố trí thép trong sàn có bóng ...........................................73 Hình 3-31: Mô hình sàn phẳng dầm bẹt bề dày 200mm ...............................................75 Hình 3-32: Nội lực dải strip theo phƣơng X .................................................................76 Hình 3-33: Nội lực dải strip theo phƣơng Y .................................................................76 Hình 3-34: Ứng suất lớp trên của sàn phẳng dầm bẹt ...................................................77 Hình 3-35: Ứng suất lớp dƣới của sàn phẳng dầm bẹt ..................................................77 Hình 3-36: Bố trí thép sàn phẳng dầm bẹt .....................................................................78 Hình 3-37: Biểu đồ so sánh độ võng, nội lực và khối lƣợng giữa 02 phƣơng án sàn ...81 Hình 3-38: Biểu đồ so sánh trọng lƣợng thép bố trí giữa các sàn .................................81 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng về mọi mặt của đời sống, ngành xây dựng cũng đã trở mình và từng bƣớc cuốn theo sự hội nhập quốc tế. Yêu cầu cho từng công trình ngày càng khắt khe, do đó để tìm đƣợc lợi nhuận trong tình hình mới này, các nhà đầu tƣ không thể dựa mãi vào công nghệ xây dựng truyền thống đã tồn tại ở nƣớc ta nhiều thập kỉ. Chính vì vậy những nỗ lực tìm kiếm các công nghệ xây dựng hiện đại đang đƣợc triển khai tại nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam theo 02 xu hƣớng sau: Cho phép công nghiệp hóa quá trình xây dựng, rút ngắn thời gian thi công, nhờ đó giảm đƣợc chi phí xây dựng và các chi phí dịch vụ kèm theo, đồng thời công trình sớm đƣa vào sử dụng giúp chủ đầu tƣ sớm thu hồi nguồn vốn. Giảm thiểu trọng lƣợng công trình, nhờ đó giảm tiêu hao vật liệu, nhân công xây lắp, vận chuyển, cải thiện điều kiện chống động đất, gió bão,… Trên cơ sở này, hiện nay ở nƣớc ta đã và đang áp dụng một số công nghệ xây dựng mới, đặc biệt hiệu quả trong thiết kế kết cấu sàn nhƣ: sàn bóng BubbleDeck và sàn hộp U-Boot Beton. Hình 1: Sàn bóng BubbleDeck Hình 2: Sàn hộp U-Boot Beton Một đặc điểm chung của hầu hết các lại sàn kể trên là sử dụng chính phần bê tông đúc sẵn của tấm sàn làm cốp pha chứ không sử dụng cốp pha thép hay gỗ để đỡ sàn trong khi thi công. Với công trình cao tầng, khối lƣợng bê tông đổ tại chỗ lớn nên công tác ván khuôn đóng một vai trò khá quan trọng trong quy trình kĩ thuật thi công công trình. Giá thành ván khuôn cho một công trình cũng chiếm phần đáng kể trong 2 giá thành xây dựng chung. Mặt khác công tác thi công ván khuôn còn quyết định một phần tiến độ thi công. Chính vì vậy, khi sử dụng tấm cốp pha bê tông, các công nghệ sàn mới thƣờng rất tiết kiệm và rút ngắn thời gian thi công. Một số công trình đã sử dụng phƣơng án sàn rỗng nhƣ tòa nhà 249A Thụy Khuê – Hà Nội và CDC Building đều đã đƣợc sử dụng phƣơng án sàn này và thể hiện các ƣu điểm so với hệ sàn đặc thông thƣờng. Hình 3: Chung cƣ 249A Thụy Khuê Hà Nội Hình 4: Tòa nhà CDC Hà Nội Đã có nhiều nghiên cứu về ứng xử của sàn rỗng, cũng nhƣ hiệu quả kinh tế kỹ thuật của việc ứng dụng hệ sàn này trong thực tiễn. Tuy nhiên, chƣa có nghiên cứu về ảnh hƣởng của hệ sàn rỗng đến ứng xử tổng thể của công trình cao tầng bê tông cốt thép. Do đó đề tài: “Nghiên cứu ứng xử của sàn rỗng vượt nhịp lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn” có ý nghĩa khoa học cũng nhƣ thực tiễn cao, giúp hiểu rõ hơn ứng xử tổng quát của các công trình cao tầng bê tông cốt thép, đã và đang đƣợc thiết kế và xây dựng nhiều. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài a) Mục tiêu tổng quát: Phân tích đƣợc ứng xử của sàn rỗng BTCT vƣợt nhịp lớn. b) Mục tiêu cụ thể: Tìm hiểu cấu tạo và sự làm việc của hệ sàn BubbleDeck; Mô phỏng đƣợc các hệ sàn này trong phần mềm Etabs 2017, nhằm mục tiêu 3 phân tích ứng xử của hệ sàn rỗng bê tông cốt thép vƣợt nhịp lớn. So sánh đƣợc ƣu nhƣợc điểm của hệ sàn này so với hệ sàn phẳng dầm bẹt trên 01 công trình thực tế. 3. Đối tượng nghiên cứu Sàn BubbleDeck. 4. Phạm vi nghiên cứu Ứng xử của sàn BubbleDeck (độ võng, nội lực, khối lƣợng) 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng ứng xử kết cấu bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn: Nghiên cứu tổng quan các phƣơng án sàn bê tông cốt thép; Tìm hiểu ƣu nhƣợc điểm của phƣơng án sàn rỗng; Mô phỏng hệ sàn rỗng và sàn phẳng dầm bẹt bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Etabs; Phân tích ứng xử của sàn rỗng so với phƣơng án sàn phẳng dầm bẹt (độ võng, nội lực và khối lƣợng). 6. Bố cục đề tài Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU SÀN PHẲNG TRONG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.1 Khái niệm và vai trò của sàn phẳng trong công trình xây dựng 1.2 Xu hƣớng sử dụng loại sàn phẳng hiện nay 1.3 Giới thiệu Sàn bóng BubbleDeck 1.4 Đặc tính kỹ thuật và công nghệ thi công sàn BubbleDeck 1.5 Kết luận chƣơng 1 Chƣơng 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN CỦA SÀN BUBBLEDECK 2.1 Tổng quan lý thuyết tính toán sàn BubbleDeck 2.2 Tính toán sàn BubbleDeck theo Tiêu chuẩn EC2 4 2.3 Phân tích ứng xử sàn BubbleDeck bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.4 Kết luận chƣơng 2 Chƣơng 3 MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA SÀN BUBBLEDECK 3.1 Phân tích ứng xử của sàn BubbleDeck bằng phần mềm Etabs 3.2 So sánh khả năng chịu lực của phƣơng án sàn BubbleDeck và phƣơng án sàn phẳng có dầm bẹt của công trình thực tế 3.1. Kết luận Chƣơng 3 Kết luận và kiến nghị 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU SÀN PHẲNG TRONG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG Trong Chƣơng này, Tác giả đề cập đến vai trò của hệ sàn phẳng BTCT trong công trình xây dựng vƣợt nhịp và xu hƣớng phát triển của loại sàn. Bên cạnh đó, Tác giả giới thiệu về ƣu nhƣợc điểm của một số loại sàn phẳng đƣợc sử dụng phổ biến theo xu hƣớng hiện nay tại Việt Nam, trong đó Tác giả quan tâm giới thiệu chi tiết hơn về công nghệ sàn nhẹ mới là sàn BubbleDeck. 1.1 Khái niệm và vai trò của sàn phẳng trong công trình xây dựng 1.1.1 Khái niệm về sàn phẳng BTCT Sàn phẳng là hệ sàn chịu lực theo một phƣơng hoặc hai phƣơng đƣợc đặt trực tiếp lên các cột và tƣờng, không có dầm đỡ. Sàn phẳng có thể có hoặc không có mũ cột. Nó là một trong những dạng kết cấu sàn phổ biến nhất trong công trình dân dụng vì những ƣu điểm vƣợt trội hơn so với hệ sàn dầm [1] nhƣ: giảm chiều cao một tầng dẫn đến giảm chiều cao của công trình; tính thẩm mỹ cao; dễ dàng trang trí và tạo sự linh hoạt trong việc bố trí không gian sử dụng; công nghệ thi công cốp pha, cốt thép đơn giản; giảm thời gian thi công và giá thành xây dựng công trình. Hình 1-1: Mô hình sàn phẳng không dầm 1.1.2 Vai trò của sàn phẳng BTCT trong công trình xây dựng Nhƣ đã biết trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, hệ sàn có ảnh hƣởng rất lớn tới sự làm việc không gian của kết cấu do sàn có tác động trực tiếp đến các bộ phận chịu lực nhƣ dầm, tƣờng, cột và móng công trình. Do vậy, việc lựa chọn phƣơng án sàn hợp lý rất là quan trọng. Đối với công trình ít tầng thì giá thành 6 chi phí cho sàn chiếm một tỷ lệ lớn, còn với nhà nhiều tầng, do công trình chịu lực ngang cũng nhƣ tải trọng bản thân kết cấu lớn nên chi phí cho các bộ phận chịu lực ngang cũng nhƣ cột, tƣờng sẽ tăng dẫn đến chi phí cho sàn càng chiếm tỷ lệ cao hơn. Theo tính toán của một số nghiên cứu thì với công trình cao khoảng 40 tầng, trọng lƣợng sàn chiếm đến 50% trọng lƣợng toàn công trình. Nhƣ vậy, để tiết kiệm chi phí cho công trình xây dựng dân dụng, giảm thời gian thi công… thì một trong những giải pháp kết cấu đƣợc các nhà thiết kế và chủ đầu tƣ quan tâm là ứng dụng sàn phẳng trong kết cấu của tòa nhà. Sàn phẳng giúp các tòa nhà vƣợt nhịp lớn, tính ƣu việt nhất của sàn phẳng là chiều dày không đổi hoặc gần nhƣ không đổi tạo ra mặt phẳng phía dƣới của sàn khiến cho việc làm cốt pha. Tính năng nổi bật nhất về sàn phẳng là thi công rất đơn giản và nhanh chóng. Sàn phẳng giúp tƣờng hoặc vách ngăn xây linh hoạt, đặc biệt hơn có thể sử dụng trần mộc và không cần phải sử dụng trần giả. Với công năng sử dụng khi vƣợt nhịp lớn và trần phẳng sẽ nâng cao đƣợc thiết kế kiến trúc, với chiều cao thông thủy sẽ đƣợc sử dụng tối đa mang lại không gian nhiều hơn, không phụ thuộc vào dầm. 1.2 Xu hướng sử dụng loại sàn phẳng hiện nay Cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu tiên tiến thay thế các loại vật liệu truyền thống nhƣ bê tông, gạch nung nhằm giảm trọng lƣợng cho kết cấu công trình và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, giảm đƣợc việc khai thác tài nguyên đất, đá tận dụng đƣợc nguyên liệu từ phế phẩm của các ngành công nghiệp khác và quan niệm tính toán cũng nhƣ quan niệm thiết kế kiến trúc phù hợp xu hƣớng tăng chiều dài sàn vƣợt nhịp hiện nay, việc phát triển nhằm thay đổi những hình thức kết cấu cơ bản cột dầm sàn bằng những loại kết cấu cải tiến hơn kế thừa phƣơng thức tính toán sàn theo lý thuyết cổ điển thay thế những phần, vùng sàn không chịu lực bằng các loại vật liệu tái chế, xem xét tải trọng tác dụng lên sàn để có phƣơng án làm giảm nhẹ những tác dụng đó.… Từ đó, giải pháp kết cấu sàn nhẹ vƣợt nhịp lớn đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhằm khắc phục những nhƣợc điểm này, trong đó đáng kể đến là công nghệ sàn phẳng không dầm BubbleDeck bắt nguồn từ Đan Mạch (do Jorgen Breuning sáng chế) đã đƣợc áp dụng ở Châu Âu và nhiều nƣớc trên thế giới từ những năm 1997. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây một số công trình đã ứng dụng công nghệ sàn phẳng không dầm (BubbleDeck), tiêu biển nhƣ: Công trình Văn phòng số 63 Lý Thái Tổ: Dự án cung cấp 7,000 m2 khu văn phòng và khu mua sắm tại vị trí quan trọng, bao gồm 09 tầng nổi và 01 tầng hầm, với 7 nhịp dài 11m. Công trình Trung tâm sự kiện và tiệc cưới Adora Center – thành phố Hồ Chí Minh: quy mô diện tích sử dụng 43.000 m2, bao gồm 4 tầng và 2 tầng hầm, sức chứa hơn 10.000 khách. Đặc biệt, đại sảnh Grand Ballroom có diện tích 4,000 m2, trần cao 9m, sức chứa đạt hơn 4.000 khách cùng lúc trong diện tích rộng lớn thông thoáng nhƣ không gian ngoài trời và phòng Hội nghị với nhịp dài nhất là 38,5m. Công trình Cao ốc văn phòng E-Town: Với tổng diện tích sàn sử dụng > 27.000 m2, bao gồm 18 tầng cao và 03 tầng hầm, với nhịp dài 13,2 m. Công trình Tháp đôi Vincom: quy mô tòa A, B cao 23 tầng và tòa C cao 25 tầng, với chiều dài nhịp là 10m. Hình 1-2:Văn phòng số 63 Lý Thái Tổ Hình 1-3:Trung tâm sự kiện và tiệc cƣới Adora Center – Hồ Chí Minh Hình 1-4: Cao ốc Văn phòng E-Town Hình 1-5: Tháp đôi Vincom 8 1.2.1 Giới thiệu Sàn phẳng Bê tông cốt thép ULT (sàn nấm) Sàn nấm là sàn không dầm, làm việc theo một phƣơng hoặc hai phƣơng với một bản dày hơn ở vị trí cột và tƣờng chịu lực đƣợc gọi là mũ cột. Mũ cột đóng vai trò nhƣ dầm chữ T ở các vị trí gối đỡ. Để tăng cƣờng khả năng chịu cắt, có thể tạo ra mũ cột (hình a) hoặc tạo bản đứng cột có chiều dày lớn hơn (hình b). Hình 1-6: Mô hình sàn nấm Trong những năm gần đây, dạng kết cấu sàn này ít phổ biến vì bị giới hạn bởi tính kinh tế của nhịp, trong khoảng 9,5m với sàn bê tông và 12m sàn ứng suất trƣớc. Kích thƣớc mặt bằng của mũ cột nhỏ nhất là 1/3 nhịp và thƣờng đƣợc làm tròn ở mức 100mm. Bề dày của mũ cột thƣờng 1.75 tới 2 lần chiều dày của sàn, đƣợc làm trong để phù hợp với ván khuôn hoặc ở mức 25mm. Điểm đặc biệt của sàn nấm là mặt phẳng bên dƣới, dễ chế tạo cốp pha và dễ thi công. Chiều dài nhịp kinh tế (L) của sàn phẳng bê tông cốt xấp xỉ 28*D đối với nhịp đơn, 32*D đối với nhịp biên và 36*D đối với các nhịp bên trong. Sàn có UST thì có thể tăng lên lần lƣợt là 35*D, 40*D và 45*D. Trong đó D là chiều dày chƣa bao gồm mũ cột.  Ưu điểm: Không dầm, khoảng thông lớn ở khoảng giữa các mũ cột. Độ dày kết cấu nhỏ. Thƣờng không yêu cầu cốt thép chống chọc thủng ở đầu cột. Ván khuôn thi công đơn giản.  Nhược điểm: Mũ cột có thể gây cản trở đối với các hệ thống cơ điện có kích thƣớc lớn. 9 Cần tránh các hệ thống kỹ thuật theo phƣơng đứng tại các vị trí xung quanh cột. Độ võng ở giữa sàn tƣơng đối lớn. Nhịp trung bình.  Phạm vi ứng dụng: Hình 1-7: Công trình Thƣ viện Điện tử Bách khoa Hà Nội Hình 1-8: Công trình tòa nhà của công ty Đầu tƣ và phát triển hạ tầng đô thị - Hà Nội 1.2.2 Giới thiệu Sàn hộp U-Boot Beton U-Boot Beton là công nghệ sàn nhẹ sản phẩm công nghệ của hai tập đoàn Daliform Group (Italy) và Peikko Group (Phần Lan), sử dụng các bằng nhựa polypropylen tái chế để thay thế phần bê tông không tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, giúp giảm trọng lƣợng kết cấu, giảm kích thƣớc hệ cột, vách, móng, tƣờng, vách chịu lực và tăng khoảng cách lƣới cột. Bản sàn U-Boot Beton là loại kết cấu rỗng, phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực nên có nhiều ƣu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế. Ngoài ra, bản sàn U-Boot Beton còn là một sản phẩm cải tiến của Bubble Deck. Hình 1-9: Hệ sàn U – Boot Beton 10  Ưu điểm: Việc giảm trọng lƣợng bản thân kết cấu cho phép kết cấu sử dụng sàn phẳng và vƣợt đƣợc nhịp lớn. Nhịp lớn nhất mà sàn nhẹ có thể đạt đƣợc là 20m. Nhờ vào hiệu quả giảm chiều cao của sàn nhẹ mà công trình có thể tăng thêm số tầng chức năng. Sàn phẳng không dầm thuận tiện cho việc bố trí hệ thống kỹ thuật, kiến trúc thông thoáng. Giảm tải trọng đứng xuống móng và tải trọng gió, động đất Tiết kiệm nguyên vật liệu và tài nguyên môi trƣờng. Thi công đơn giản không phụ thuộc nhà thầu cung cấp.  Nhược điểm: Sàn U-Boot Beton là sàn phẳng, rỗng không dầm nên khả năng truyền tải trọng ngang kém hơn so với các loại sàn dầm. Là một sản phẩm mới nên đòi hỏi quy trình thi công nghiêm ngặt, đội ngũ tay nghề cao.  Phạm vi ứng dụng: Sử dụng U-Boot Beton trong kết cấu sàn rất phù hợp với những công trình có yêu cầu kết cấu sàn nhẹ, tiết kiệm vật liệu. U-Boot Beton là giải pháp lý tƣởng để tạo sàn với nhịp lớn và khả năng chịu tải cao, đặc biệt phù hợp với những kết cấu có yêu cầu về không gian mở, nhƣ trung tâm thƣơng mại, nhà công nghiệp, bệnh viện, trƣờng học cũng nhƣ các công trình công cộng và nhà ở. Khi sử dụng U-Boot Beton cho móng bè thì móng có thể có độ dày lớn hơn mà vẫn giảm lƣợng bê tông sử dụng.