Tính toán cột chống tạm tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi trong thiết kế biện pháp thi công tầng hầm

Nội dung text: Tính toán cột chống tạm tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi trong thiết kế biện pháp thi công tầng hầm

1. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA TÍNH TOÁN CỘT CHỐNG TẠM TẠI VỊ TRÍ LIÊN KẾT VỚI CỌC KHOAN NHỒI TRONG THIẾT KẾ BIỆN PHÁP THI CÔNG TẦNG HẦM TS. HỒ NGỌC KHOA, KS. PHẠM QUANG CƯỜNG Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Tóm tắt: Bài báo giới thiệu nguyên tắc cơ bản thiết 2. Thiết kế kingpost tại vị trí liên kết với cọc kế cột chống tạm (kingpost) tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi khoan nhồi trong thi công tầng hầm nhà cao tầng theo 2.1 Hồ sơ, số liệu đầu vào phục vụ thiết kế phương pháp Top-down: theo lực bám dính khi kingpost kingpost không có đinh chống cắt; theo tiêu chuẩn Số liệu đầu vào phục vụ thiết kế hệ kingpost cho thiết kế BS 5950-1990 và Eurocode 4 khi kingpost có biện pháp thi công Top-down bao gồm: đinh chống cắt. Kết quả tính toán các phương án thiết kế kingpost cùng với các yếu tố kỹ thuật – công nghệ - Điều kiện thi công của công trình; khác như qui mô công trình, kích thước cọc khoan - Thiết kế bản vẽ thi công tầng hầm; nhồi, phương án lắp dựng kingpost, sự đáp ứng của - Phương án thi công Top-down tầng hầm thiết bị và kỹ thuật thi công là căn cứ để quyết định (phương án cơ bản); phương án thi công tầng hầm đảm bảo an toàn, ổn - Thiết kế bản vẽ thi công cọc khoan nhồi; định công trình và hiệu quả về mặt kinh tế. Từ khóa: thi công tầng hầm, Top-down, cột chống - Thông số tính toán của vật liệu bê tông cọc tạm, lực bám dính, đinh chống cắt, cọc khoan nhồi. nhồi; 1. Mở đầu - Tải trọng công trình và tải trọng thi công; Nhằm nâng cao hiệu quả đầu tư và phục vụ nhu - Hình dạng, chủng loại vật liệu kingpost; cầu của người sử dụng, các công trình cao tầng có - Thông số tính toán của vật liệu làm kingpost. nhiều tầng hầm đã và đang được xây dựng ngày 2.2 Các phương án tính toán liên kết kingpost với càng nhiều ở các đô thị lớn. Với mặt bằng thi công cọc khoan nhồi chật hẹp thì công nghệ thi công tầng hầm bằng 2.2.1 Thiết kế kingpost không có đinh chống cắt phương pháp Top-down ngày càng phổ biến. Đóng vai trò “xương sống” trong phương pháp Top-down là Khi hạ kingpost vào cọc khoan nhồi, phần hệ kingpost bằng thép hình tổ hợp hoặc thép đúc. Đó kingpost ngập trong bê tông sẽ chịu tác dụng của lực là hệ thống cột chịu lực tạm thời đỡ các sàn tầng hầm bám dính giữa bê tông cọc khoan nhồi và kingpost, và một số sàn tầng thân trong quá trình thi công, khi được tạo nên bởi các nhân tố chủ yếu là lực ma sát hệ cột vách chịu lực chính của công trình chưa thi (khi bê tông ninh kết, do ảnh hưởng của co ngót mà công hoặc chưa có khả năng chịu lực. bê tông ôm chặt lấy cốt thép tạo nên lực ma sát giữa Trong công tác lập biện pháp thi công tầng hầm chúng) và lực dán (keo xi măng có tác dụng như một thứ hồ dán dán cốt thép vào bê tông) [1]. theo phương pháp Top-down việc thiết kế tính toán kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi là quan Trị số của lực bám dính là: trọng, quyết định sự ổn định, an toàn của công trình, F1 t P L (N) (1) giá thành xây dựng và phương án thi công kingpost. Mục đích của việc thiết kế là giải quyết liên kết giữa trong đó: kingpost với cọc khoan nhồi, đảm bảo kingpost truyền P - chu vi của tiết diện kingpost, (mm); tải trọng từ các tầng phía trên xuống cọc khoan nhồi L - chiều dài kingpost ngập trong bê tông cọc một cách an toàn, đồng thời không tính toán thừa gây khoan nhồi, (mm); lãng phí. Ở nước ta hiện nay chưa có các tiêu chuẩn chỉ dẫn cụ thể cho việc thiết kế và thi công kingpost, t - giá trị lực dính trung bình, xác định theo công do đó nghiên cứu về thiết kế kingpost tại vị trí liên kết thức (2): với cọc khoan nhồi có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn. t k ttc (N/mm²) (2) 52 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015
2. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA trong đó: Để đảm bảo kingpost truyền tải trọng từ các tầng thi công phía trên xuống cọc khoan nhồi một cách an k - hệ số an toàn, k = 0,7 ÷ 0,8; toàn mà không gây phá hoại cọc, tương quan giữa lực dọc tác dụng lên kingpost N và lực bám dính ttc - giá trị lực dính tiêu chuẩn giữa cốt thép và bê max tông, được lựa chọn trên cơ sở kết quả thí nghiệm giữa kingpost và cọc khoan nhồi F1 phải thỏa mãn điều kiện: xác định lực dính giữa cốt thép và bê tông, thể hiện trong bảng 1 [2]. NFmax 1 (N) (3) Bảng 1. Giá trị lực dính tiêu chuẩn giữa cốt thép và bê tông ttc theo kết quả thí nghiệm Kí hiệu Tải trọng tối đa Lực kéo căng trước Lực cắt trung bình/ Lực Khoảng trượt mẫu thí nghiệm (kN) cốt thép (kN) bám dính ttc (Mpa) lớn nhất (mm) S1000-1 1360 Không kéo 2,02 1 S1000-2 1350 Không kéo 2,0 1,25 S750-1 2503 1220 4,96 2,5 S750-2 3700 1000 7,33 24 S750-3 3445 Không kéo 6,83 11 S500-1 694 1000 2,06 2 S500-2 681 1000 2,02 1,5 2.2.2 Thiết kế kingpost có đinh chống cắt Để chống lại lực dọc Nmax, có thể bố trí hàn các đinh chống cắt (shear stud) trên thân kingpost ở vị trí liên kết với bê tông cọc khoan nhồi (hình 1): a) b) Hình 1. Đinh chống cắt bố trí trên kingpost ở vị trí liên kết với bê tông cọc khoan nhồi a) Cấu tạo đinh; b) Ảnh thực tế thi công Khả năng chịu cắt của đinh có thể tính toán theo Qtt k Q tc (N) (4) tiêu chuẩn BS 5950-1990 và Eurocode 4. trong đó: k là hệ số an toàn: k = 0,8. - Theo tiêu chuẩn thiết kế BS 5950-1990 [3]: Nếu số lượng đinh chống cắt là n, khả năng chịu Mục 3.1 của tiêu chuẩn này quy định khả năng lực của kingpost theo đinh chống cắt F2 là: chịu cắt của một đinh phụ thuộc vào chiều cao, F2 n Qtt (N) (5) đường kính của đinh và cường độ chịu nén ở 28 ngày Thiên về an toàn, trong trường hợp này không tuổi (cường độ chịu nén thiết kế) của bê tông (bảng tính lực dính giữa cốt thép và bê tông. Khi đó, điều 2). kiện để đảm bảo kingpost truyền tải trọng từ các tầng phía trên xuống cọc khoan nhồi một cách an toàn mà Từ trị số khả năng chịu cắt tiêu chuẩn Qtc của không gây phá hoại cọc là: một đinh theo bảng 2, xác định khả năng chịu cắt tính toán Qtt của một đinh như sau: NFmax 2 (N) (6) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 53
3. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bảng 2. Khả năng chịu cắt tiêu chuẩn của đinh theo BS 5950-1990 Kích thước của đinh chống cắt Cường độ đặc trưng của bê tông Đường kính N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² Chiều cao Chiều cao thân danh 25 30 35 40 danh nghĩa làm việc nghĩa Khả năng chịu cắt tiêu chuẩn của đinh Qtc mm mm mm kN kN kN kN 25 100 95 146 154 161 168 22 100 95 119 126 132 139 19 100 95 95 100 104 109 19 75 70 82 87 91 96 16 75 70 70 74 78 82 13 65 60 44 47 49 52 Ghi chú: - Khi cường độ đặc trưng của bê tông lớn hơn 40 N/mm² sử dụng các giá trị ứng với 40 N/mm²; - Khi chiều cao của đinh lớn hơn chiều cao lớn nhất trong bảng sử dụng các giá trị ứng với chiều cao lớn nhất đó. - Theo tiêu chuẩn thiết kế Eurocode 4 [4]: F3 n PRd (N) (11) Mục 1-1 của tiêu chuẩn này quy định, khả năng Khi đó, điều kiện để đảm bảo kingpost truyền tải trọng từ các tầng phía trên xuống cọc khoan nhồi một chịu cắt PRd của một đinh được lấy theo giá trị nhỏ hơn trong 2 giá trị sau: cách an toàn mà không gây phá hoại cọc là: 2 (N) (12) 0,8f d / 4 NFmax 3 P(1) u (N) (7) Rd Như vậy, trên cơ sở thiết kế cho cả 2 trường hợp  V sử dụng và không sử dụng đinh chống cắt có thể tính 0, 29 d2 f E (2) ck cm toán lựa chọn kích thước, chiều dài kingpost cũng PRd (N) (8)  V như quy cách, số lượng đinh chống cắt ở vị trí liên kết trong đó: với cọc khoan nhồi. d - đường kính thân đinh, 16mm d 25 mm ; 3. Quy trình cơ bản thiết kế hệ kingpost - Thiết kế phương án thi công cọc khoan nhồi và f - sức bền kéo đứt của vật liệu làm đinh, u tường vây; nhưng không lớn hơn 500 N/mm²; - Quyết định biện pháp thi công Top-down và các fck - sức bền chịu nén của bê tông theo mẫu trụ, thông số thi công cơ bản; không nhỏ hơn 1750 N/mm²; - Xác định mặt bằng vị trí bố trí kingpost; Ecm - giá trị trung bình môđun đàn hồi của bê - Xác định tải trọng đứng (tĩnh tải và hoạt tải thi tông; công) tác dụng lên một kingpost; - Lựa chọn sơ bộ hình dạng, vật liệu, kích thước  V - hệ số an toàn, lấy V 1,25 ; thiết diện của kingpost; - hệ số điều chỉnh. - Thiết lập sơ đồ tính, xác định tải trọng tác dụng hsc hsc lên hệ kết cấu: tải trọng đứng (tĩnh tải từ các tầng thi 0,2 1 khi 3 4 (9) d d công, hoạt tải thi công) và tải trọng ngang (áp lực đất h truyền vào tường vây, tải trọng gió truyền vào các 1 khi sc 4 (10) d tầng thân, ); Với hsc là chiều cao danh nghĩa của đinh, được - Phân tích hệ kết cấu (Sap, Etab, ) nhằm xác tính từ mũ đinh tới chân đinh chống cắt. định nội lực tác dụng lên hệ kingpost; Nếu số lượng đinh chống cắt là n, khả năng chịu - Kiểm tra tiết diện kingpost theo điều kiện về độ lực của kingpost theo đinh chống cắt F3 theo mảnh, bền, ổn định tổng thể và cục bộ (theo các tiêu Eurocode 4 là: chuẩn khác nhau); 54 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015
4. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA - So sánh hiệu quả kinh tế các phương án. nhồi là Nmax 7000 kN (cấp độ bền của bê tông làm cọc khoan nhồi là B30). - Lựa chọn chính thức thiết diện và kích thước kingpost. - Xác lập biện pháp thi công kingpost (trong tổng thể biện pháp thi công tầng hầm). 4. Ví dụ thiết kế kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi Ví dụ tính toán dựa trên cơ sở thực tế thi công công trình "Mở rộng Trụ sở Cục tần số" tại 115 Trần Duy Hưng, Cầu Giấy, Hà Nội. Tầng hầm công trình có diện tích sàn 2000 m² bao gồm 3 tầng, chiều cao mỗi Hình 2. Mặt cắt kingpost H 400 x 400 x 13 x 21mm tầng 4,5m, bước cột 8,5mx8x5m. Tầng hầm được thi 4.1 Phương án 1: Kingpost không bố trí đinh công theo phương pháp Top-down, các tầng trên cốt chống cắt ±0,000 thi công sau khi tầng hầm được thi công xong. Gọi L là chiều dài kingpost ngập trong bê tông Sau khi nghiên cứu số liệu ban đầu, chọn cọc khoan nhồi. Tra bảng 1, căn cứ theo kết quả thí kingpost thép tổ hợp chữ H400x400x13x21mm (hình nghiệm lực bám dính giữa bê tông và cốt thép và 2), tiến hành thiết lập sơ đồ tính, tổ hợp tải trọng, khoảng trượt lớn nhất, chọn t 2 MPa . phân tích hệ kết cấu (sử dụng phần mềm Etap), xác tc định được lực dọc truyền từ cột xuống đầu cọc khoan Theo công thức (2), giá trị lực dính trung bình là: 2 t k ttc 0,7 2 1,4 MPa 1,4 N / mm Chu vi của tiết diện kingpost: P 400 2 21 4 193,5 4 358 2 2374 mm Diện tích tiết diện kingpost: S 2 400 21 13 358 21454 mm2 0,021454 m 2 Theo công thức (1), trị số của lực bám dính F1 là: F1 t P L 1,4 2374 L 3323,6 L (N) Điều kiện thỏa mãn theo công thức (3): NFmax 1 (N). 7000 103 3323,6L (N) L 2106 mm Chọn L = 2200 mm = 2,2 m. Khối lượng của đoạn kingpost ngập trong bê tông cọc khoan nhồi: M1 2,2 0,021454 7850 370,51 kg 4.2 Phương án 2: Kingpost được bố trí đinh chống cắt lmin 5 d 95 mm . Bố trí n hàng đinh theo thiết diện kingpost, mỗi hàng có 10 đinh (hình 3a). Căn cứ bảng 2, với cấp độ bền của bê tông cọc khoan nhồi là B30, lựa chọn đường kính đinh Chọn khoảng cách từ hàng đinh đầu tiên tới bề d=19mm, chiều cao danh nghĩa hsc 100 mm , chiều mặt cọc khoan nhồi (bề mặt sau khi đập bỏ bê tông cao làm việc h=95mm, thép đinh có cường độ là xốp) và khoảng cách từ hàng đinh dưới cùng tới mép fu 450 N/mm². kingpost bằng 6d 115 mm . Khoảng cách tối thiểu giữa 2 đinh gần nhau nhất Với n hàng đinh, tổng số đinh là 10n, chiều dài tính từ tâm đến tâm là 4d: lmin 4 d 76 mm . Chọn kingpost ngậm trong bê tông cọc khoan nhồi là: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 55
5. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA L 2 115 95( n 1) 95n 135 (mm) Nmax 7000 n1 87,5 (đinh) - Tính toán khả năng chịu cắt của đinh theo tiêu Qtt 80 chuẩn BS 5950-1990: Bố trí 9 hàng đinh (n = 9), với tổng số đinh n1 = Tra bảng 2, với thông số của đinh và bê tông cọc 90 (hình 3b). khoan nhồi, xác định khả năng chịu cắt tiêu chuẩn của Chiều dài kingpost ngậm trong bê tông cọc đinh Q = 100kN. tc khoan nhồi: Theo công thức (4), khả năng chịu cắt tính toán của một đinh: L 95n 135 990 mm 0,99 m Khối lượng của đoạn kingpost ngập trong bê Qtt Q tc k 100 0.8 80 (kN) tông cọc khoan nhồi: Số lượng đinh n1 cần bố trí cho kingpost đảm bảo khả năng chịu cắt: M2 0,99 0,021454 7850 166,73 kg a) b) c) Hình 3. Sơ đồ bố trí đinh chống cắt trên kingpost a) Theo tiết diện ngang; b) Theo chiều dài, tính theo BS 5950-1990; c) Theo chiều dài, tính theo Eurocode - Tính toán khả năng chịu cắt của đinh theo tiêu chuẩn Eurocode 4: (1) (2) Khả năng chịu cắt PRd của một đinh: PPPRRd min( d ,Rd ) (N). Theo công thức (7) và (8): 2 2 (1) 0,8fu d / 4 0,8 450 19 / 4 PRd 81656 N 81,656 kN  V 1,25 Bê tông cấp độ bền B30 ứng với bê tông C25/30 theo Eurocode, cường độ chịu nén đặc trưng 2 2 fck 25 N / mm , mô đun đàn hồi Ecm 30500 N / mm . h 100 Do sc 5, 26 4 nên hệ số điều chỉnh 1. d 19 2 2 (2) 0,29 d fck E cm 0,29 1 19 25 30500 PRd 73133 N 73,133 kN  V 1,25 Từ hai giá trị trên, chọn PRd 73,133 kN . Bố trí 10 hàng đinh (n = 10), với tổng số đinh n2 = 100 (hình 3c). Số lượng đinh n2 cần bố trí cho kingpost đảm bảo khả năng chịu cắt: Chiều dài kingpost ngậm trong bê tông cọc N 7000 khoan nhồi: n max 95,7 (đinh) 2 PRd 73,133 L95n 135 1085 mm 1,085 m 56 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015
6. ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Khối lượng của đoạn kingpost ngập trong bê 4.3 So sánh lựa chọn phương án thiết kế tông cọc khoan nhồi: Giá thành thi công là một tiêu chí quan trọng để M3 1,085 0,021454 7850 182,73 kg quyết định phương án thi công. Giá thành thi công Như vậy, cách tính đinh chống cắt cho kingpost bao gồm chi phí vật liệu, chi phí máy thi công và chi khi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế BS 5950-1990 và phí nhân công. Chi phí chế tạo và thi công kingpost có Eurocode 4 cho kết quả xấp xỉ nhau. thể tham khảo ở bảng 3. Bảng 3. So sánh chi phí chế tạo và thi công kingpost (phần ngậm trong bê tông cọc khoan nhồi) theo các phương án thiết kế Đơn vị Khối Đơn giá STT Tên phương án Tên cấu kiện Thành tiền Tổng giá trị tính lượng (VNĐ) Không sử dụng đinh 1 Kingpost tấn 0,371 26.000.000 9.633.260 9.633.260 chống cắt 2 Sử dụng đinh chống Kingpost tấn 0,167 26.000.000 4.334.980 cắt, tính theo BS 5.414.980 3 5950-1990 Đinh chống cắt bộ 90,000 12.000 1.080.000 4 Sử dụng đinh chống Kingpost tấn 0,183 26.000.000 4.750.980 cắt, tính theo 5.950.980 5 Eurocode 4 Đinh chống cắt bộ 100,000 12.000 1.200.000 Như vậy, việc sử dụng đinh chống cắt cho - Phương án kingpost có đinh chống cắt giảm kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi giảm được 40÷47% khối lượng thép cho chế tạo kingpost được gần một nửa chi phí chế tạo và thi công (tính trong đoạn ngàm trong cọc khoan nhồi) so với kingpost so với phương án không sử dụng đinh. Tuy phương án kingpost không có đinh; nhiên đây chỉ là một yếu tố cần xem xét, để có thể - Phương án thi công kingpost cần xem xét một đưa ra quyết định phương án thi công kingpost cần cách tổng thể nhiều yếu tố: quy mô công trình, kích xem xét một cách tổng thể các yếu tố sau: thước cọc khoan nhồi, phương án lắp dựng kingpost, - Thiết bị và trình độ thi công liên kết đinh với sự đáp ứng của thiết bị và kỹ thuật thi công; kingpost; - Yếu tố đảm bảo quá trình đổ bê tông cọc khoan nhồi - Đối với cọc đường kính nhỏ (D < 1000mm) nên do sự có mặt của đinh chống cắt ảnh hưởng đến chọn phương án kingpost không có đinh chống cắt. không gian di chuyển ống đổ bê tông; Khi sử dụng đinh chống cắt, nên ưu tiên phương án - Phương án lắp dựng kingpost vào cọc khoan lắp dựng kingpost trước khi đổ bê tông. nhồi: trước hay sau khi đổ bê tông; yêu cầu về TÀI LIỆU THAM KHẢO thiết bị thi công; dụng cụ và phương pháp định vị, căn chỉnh kingpost; các yếu tố kỹ thuật khác; 1. PHAN QUANG MINH, NGÔ THẾ PHONG, NGUYÊN - Khối lượng kingpost cho toàn bộ công trình; ĐÌNH CỐNG (2006), “Kết cấu bê tông cốt thép - Phần cấu kiện cơ bản”. NXB KHKT, Hà Nội. - Giá thành tổng thể của các phương án. 5. Kết luận 2. A.NEZAMIAN, R.AL-MAHAIDI, P.GRUNDY, B. O’LOUGHLIN (2002). “Push-out strength of concrete - Thiết kế kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan plugs in tubular steel piles”, Department of Civil nhồi trong thi công tầng hầm bằng phương pháp Top- Engineering, Monash University, Melbourne, VIC, down là một nội dung quan trọng của thiết kế biện Australia, 3800. pháp thi công phần ngầm, quyết định đến an toàn, ổn định công trình và hiệu quả kinh tế của phương án; 3. BS5950-1990: Structural use of steelwork in building – Part 3: Design in composite construction – Section 3.1: - Thiết kế kingpost không có đinh chống cắt trên Code of practice for design of simple and continuous cơ sở lực bám dính giữa kingpost và bê tông, xác composite beams, British Standards Institution, 1990. định theo phương pháp thực nghiệm với hệ số an 4. Eurocode 4: Design of composite steel and concrete toàn bằng 0,7÷0,8. Trong trường hợp có đinh chống structures – Part 1-1: General rules for buildings, UK, 2005. cắt, áp dụng tiêu chuẩn thiết kế BS 5950-1990 hoặc Eurocode 4, kết quả tính toán theo hai tiêu chuẩn Ngày nhận bài: không có sự khác biệt lớn; Ngày nhận bài sửa lần cuối: 23/3/2015. Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 57