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

ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 52 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 kế cột chống tạm (kingpost) tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi trong thi công tầng hầm nhà cao tầng theo phương pháp Top-down: theo lực bám dính khi kingpost không có đinh chống cắt; theo tiêu chuẩn thiết kế BS 5950-1990 và Eurocode 4 khi kingpost có đinh chống cắt. Kết quả tính toán các phương án thiết kế kingpost cùng với các yếu tố kỹ thuật – công nghệ khác như qui mô công trình, kích thước cọc khoan nhồi, phương án lắp dựng kingpost, sự đáp ứng của thiết bị và kỹ thuật thi công là căn cứ để quyết định phương án thi công tầng hầm đảm bảo an toàn, ổn định công trình và hiệu quả về mặt kinh tế. Từ khóa: thi công tầng hầm, Top-down, cột chống tạm, lực bám dính, đinh chống cắt, cọc khoan nhồi. 1. Mở đầu Nhằm nâng cao hiệu quả đầu tư và phục vụ nhu cầu của người sử dụng, các công trình cao tầng có nhiều tầng hầm đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều ở các đô thị lớn. Với mặt bằng thi công chật hẹp thì công nghệ thi công tầng hầm bằng phương pháp Top-down ngày càng phổ biến. Đóng vai trò “xương sống” trong phương pháp Top-down là hệ kingpost bằng thép hình tổ hợp hoặc thép đúc. Đó là hệ thống cột chịu lực tạm thời đỡ các sàn tầng hầm và một số sàn tầng thân trong quá trình thi công, khi hệ cột vách chịu lực chính của công trình chưa thi công hoặc chưa có khả năng chịu lực. Trong công tác lập biện pháp thi công tầng hầm theo phương pháp Top-down việc thiết kế tính toán kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi là quan trọng, quyết định sự ổn định, an toàn của công trình, giá thành xây dựng và phương án thi công kingpost. Mục đích của việc thiết kế là giải quyết liên kết giữa kingpost với cọc khoan nhồi, đảm bảo kingpost truyền tải trọng từ các tầng phía trên xuống cọc khoan nhồi một cách an toàn, đồng thời không tính toán thừa gây lãng phí. Ở nước ta hiện nay chưa có các tiêu chuẩn chỉ dẫn cụ thể cho việc thiết kế và thi công kingpost, do đó nghiên cứu về thiết kế kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn. 2. Thiết kế kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi 2.1 Hồ sơ, số liệu đầu vào phục vụ thiết kế kingpost Số liệu đầu vào phục vụ thiết kế hệ kingpost cho biện pháp thi công Top-down bao gồm: - Điều kiện thi công của công trình; - Thiết kế bản vẽ thi công tầng hầm; - Phương án thi công Top-down tầng hầm (phương án cơ bản); - Thiết kế bản vẽ thi công cọc khoan nhồi; - Thông số tính toán của vật liệu bê tông cọc nhồi; - Tải trọng công trình và tải trọng thi công; - Hình dạng, chủng loại vật liệu kingpost; - Thông số tính toán của vật liệu làm kingpost. 2.2 Các phương án tính toán liên kết kingpost với cọc khoan nhồi 2.2.1 Thiết kế kingpost không có đinh chống cắt Khi hạ kingpost vào cọc khoan nhồi, phần kingpost ngập trong bê tông sẽ chịu tác dụng của lực bám dính giữa bê tông cọc khoan nhồi và kingpost, được tạo nên bởi các nhân tố chủ yếu là lực ma sát (khi bê tông ninh kết, do ảnh hưởng của co ngót mà bê tông ôm chặt lấy cốt thép tạo nên lực ma sát giữa chúng) và lực dán (keo xi măng có tác dụng như một thứ hồ dán dán cốt thép vào bê tông) [1]. Trị số của lực bám dính là: 1F t P L   (N) (1) trong đó: P - chu vi của tiết diện kingpost, (mm); L - chiều dài kingpost ngập trong bê tông cọc khoan nhồi, (mm); t - giá trị lực dính trung bình, xác định theo công thức (2): tct k t  (N/mm²) (2) ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 53 trong đó: k - hệ số an toàn, k = 0,7 ÷ 0,8; ttc - giá trị lực dính tiêu chuẩn giữa cốt thép và bê tông, được lựa chọn trên cơ sở kết quả thí nghiệm xác định lực dính giữa cốt thép và bê tông, thể hiện trong bảng 1 [2]. Để đảm bảo kingpost truyền tải trọng từ các tầng thi công phía trên xuống cọc khoan nhồi một cách an toàn mà không gây phá hoại cọc, tương quan giữa lực dọc tác dụng lên kingpost Nmax và lực bám dính giữa kingpost và cọc khoan nhồi F1 phải thỏa mãn điều kiện: 1maxN F (N) (3) Bảng 1. Giá trị lực dính tiêu chuẩn giữa cốt thép và bê tông ttc theo kết quả thí nghiệm Kí hiệu mẫu thí nghiệm Tải trọng tối đa (kN) Lực kéo căng trước cốt thép (kN) Lực cắt trung bình/ Lực bám dính ttc (Mpa) Khoảng trượt 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 tiêu chuẩn BS 5950-1990 và Eurocode 4. - Theo tiêu chuẩn thiết kế BS 5950-1990 [3]: Mục 3.1 của tiêu chuẩn này quy định khả năng chịu cắt của một đinh phụ thuộc vào chiều cao, đường kính của đinh và cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi (cường độ chịu nén thiết kế) của bê tông (bảng 2). Từ trị số khả năng chịu cắt tiêu chuẩn Qtc của một đinh theo bảng 2, xác định khả năng chịu cắt tính toán Qtt của một đinh như sau: tt tcQ k Q  (N) (4) trong đó: k là hệ số an toàn: k = 0,8. Nếu số lượng đinh chống cắt là n, khả năng chịu lực của kingpost theo đinh chống cắt F2 là: 2 ttF n Q  (N) (5) Thiên về an toàn, trong trường hợp này không tính lực dính giữa cốt thép và bê tông. Khi đó, điều kiện để đảm bảo kingpost truyền tải trọng từ các tầng phía trên xuống cọc khoan nhồi một cách an toàn mà không gây phá hoại cọc là: 2maxN F (N) (6) ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 54 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 N/mm² 25 N/mm² 30 N/mm² 35 N/mm² 40 Đường kính thân danh nghĩa Chiều cao danh nghĩa Chiều cao làm việc 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]: Mục 1-1 của tiêu chuẩn này quy định, khả năng chịu cắt PRd của một đinh được lấy theo giá trị nhỏ hơn trong 2 giá trị sau: 2 (1) 0,8 / 4 Rd u V f dP    (N) (7) 2 (2) 0, 29 ck cm R V d d f E P    (N) (8) trong đó: d - đường kính thân đinh, 16 25mm d mm  ; uf - sức bền kéo đứt của vật liệu làm đinh, nhưng không lớn hơn 500 N/mm²; ckf - sức bền chịu nén của bê tông theo mẫu trụ, không nhỏ hơn 1750 N/mm²; cmE - giá trị trung bình môđun đàn hồi của bê tông; V - hệ số an toàn, lấy 1, 25V  ;  - hệ số điều chỉnh. 0, 2 1sc h d          khi 3 4sch d   (9) 1  khi 4sc h d  (10) Với sch là chiều cao danh nghĩa của đinh, được tính từ mũ đinh tới chân đinh chống cắt. Nếu số lượng đinh chống cắt là n, khả năng chịu lực của kingpost theo đinh chống cắt F3 theo Eurocode 4 là: 3 dRF n P  (N) (11) Khi đó, điều kiện để đảm bảo kingpost truyền tải trọng từ các tầng phía trên xuống cọc khoan nhồi một cách an toàn mà không gây phá hoại cọc là: 3maxN F (N) (12) Như vậy, trên cơ sở thiết kế cho cả 2 trường hợp sử dụng và không sử dụng đinh chống cắt có thể tính toán lựa chọn kích thước, chiều dài kingpost cũng như quy cách, số lượng đinh chống cắt ở vị trí liên kết với cọc khoan nhồi. 3. Quy trình cơ bản thiết kế hệ kingpost - Thiết kế phương án thi công cọc khoan nhồi và tường vây; - Quyết định biện pháp thi công Top-down và các thông số thi công cơ bản; - Xác định mặt bằng vị trí bố trí kingpost; - Xác định tải trọng đứng (tĩnh tải và hoạt tải thi công) tác dụng lên một kingpost; - Lựa chọn sơ bộ hình dạng, vật liệu, kích thước thiết diện của kingpost; - Thiết lập sơ đồ tính, xác định tải trọng tác dụng lên hệ kết cấu: tải trọng đứng (tĩnh tải từ các tầng thi công, hoạt tải thi công) và tải trọng ngang (áp lực đất truyền vào tường vây, tải trọng gió truyền vào các tầng thân,); - Phân tích hệ kết cấu (Sap, Etab,) nhằm xác định nội lực tác dụng lên hệ kingpost; - Kiểm tra tiết diện kingpost theo điều kiện về độ mảnh, bền, ổn định tổng thể và cục bộ (theo các tiêu chuẩn khác nhau); ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 55 - So sánh hiệu quả kinh tế các phương án. - 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 tầng 4,5m, bước cột 8,5mx8x5m. Tầng hầm được thi công theo phương pháp Top-down, các tầng trên cốt ±0,000 thi công sau khi tầng hầm được thi công xong. Sau khi nghiên cứu số liệu ban đầu, chọn kingpost thép tổ hợp chữ H400x400x13x21mm (hình 2), tiến hành thiết lập sơ đồ tính, tổ hợp tải trọng, phân tích hệ kết cấu (sử dụng phần mềm Etap), xác định được lực dọc truyền từ cột xuống đầu cọc khoan nhồi là 7000m xaN kN (cấp độ bền của bê tông làm cọc khoan nhồi là B30). Hình 2. Mặt cắt kingpost H 400 x 400 x 13 x 21mm 4.1 Phương án 1: Kingpost không bố trí đinh chống cắt Gọi L là chiều dài kingpost ngập trong bê tông cọc khoan nhồi. Tra bảng 1, căn cứ theo kết quả thí nghiệm lực bám dính giữa bê tông và cốt thép và khoảng trượt lớn nhất, chọn 2tct MPa . Theo công thức (2), giá trị lực dính trung bình là: 20,7 2 1,4 1, 4 /tct k t MPa N mm      Chu vi của tiết diện kingpost: 400 2 21 4 193,5 4 358 2 2374P mm         Diện tích tiết diện kingpost: 2 22 400 21 13 358 21454 0,021454S mm m       Theo công thức (1), trị số của lực bám dính F1 là: 1 1, 4 2374 3323,6F t P L L L       (N) Điều kiện thỏa mãn theo công thức (3): 1maxN F (N). 37000 10 3323,6L  (N) 2106L mm  Chọn L = 2200 mm = 2,2 m. Khối lượng của đoạn kingpost ngập trong bê tông cọc khoan nhồi: 1 2,2 0,021454 7850 370,51M kg    4.2 Phương án 2: Kingpost được bố trí đinh chống cắt Căn cứ bảng 2, với cấp độ bền của bê tông cọc khoan nhồi là B30, lựa chọn đường kính đinh d=19mm, chiều cao danh nghĩa 100sch mm , chiều cao làm việc h=95mm, thép đinh có cường độ là 450uf  N/mm². Khoảng cách tối thiểu giữa 2 đinh gần nhau nhất tính từ tâm đến tâm là 4d: min 4 76l d mm  . Chọn min 5 95l d mm  . Bố trí n hàng đinh theo thiết diện kingpost, mỗi hàng có 10 đinh (hình 3a). Chọn khoảng cách từ hàng đinh đầu tiên tới bề mặt cọc khoan nhồi (bề mặt sau khi đập bỏ bê tông xốp) và khoảng cách từ hàng đinh dưới cùng tới mép kingpost bằng 6 115d mm . Với n hàng đinh, tổng số đinh là 10n, chiều dài kingpost ngậm trong bê tông cọc khoan nhồi là: ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 56 2 115 95( 1) 95n 135L n      (mm) - Tính toán khả năng chịu cắt của đinh theo tiêu chuẩn BS 5950-1990: Tra bảng 2, với thông số của đinh và bê tông cọc khoan nhồi, xác định khả năng chịu cắt tiêu chuẩn của đinh Qtc = 100kN. Theo công thức (4), khả năng chịu cắt tính toán của một đinh: 100 0.8 80tt tcQ Q k     (kN) Số lượng đinh n1 cần bố trí cho kingpost đảm bảo khả năng chịu cắt: 1 7000 87,5 80tt xmaNn Q    (đinh) Bố trí 9 hàng đinh (n = 9), với tổng số đinh n1 = 90 (hình 3b). Chiều dài kingpost ngậm trong bê tông cọc khoan nhồi: 95n 135 990 0,99L mm m    Khối lượng của đoạn kingpost ngập trong bê tông cọc khoan nhồi: 2 0,99 0,021454 7850 166,73M 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: Khả năng chịu cắt dRP của một đinh: (1) (2)min( , )R Rd d RdP P P (N). Theo công thức (7) và (8): 2 2 (1) 0,8 / 4 0,8 450 19 / 4 81656 81,656 1, 25 u Rd V f dP N kN          Bê tông cấp độ bền B30 ứng với bê tông C25/30 theo Eurocode, cường độ chịu nén đặc trưng 225 /ckf N mm , mô đun đàn hồi 230500 /cmE N mm . Do 100 5, 26 4 19 sch d    nên hệ số điều chỉnh 1  . 2 2 (2) 0,29 0,29 1 19 25 30500 73133 73,133 1, 25 ck cm R V d d f E P N kN          Từ hai giá trị trên, chọn 73,133dRP kN . Số lượng đinh n2 cần bố trí cho kingpost đảm bảo khả năng chịu cắt: 2 7000 95,7 73,133 x d ma R Nn P    (đinh) Bố trí 10 hàng đinh (n = 10), với tổng số đinh n2 = 100 (hình 3c). Chiều dài kingpost ngậm trong bê tông cọc khoan nhồi: 95n 135 1085 1,085L mm m    ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 57 Khối lượng của đoạn kingpost ngập trong bê tông cọc khoan nhồi: 3 1,085 0,021454 7850 182,73M kg    Như vậy, cách tính đinh chống cắt cho kingpost khi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế BS 5950-1990 và Eurocode 4 cho kết quả xấp xỉ nhau. 4.3 So sánh lựa chọn phương án thiết kế Giá thành thi công là một tiêu chí quan trọng để quyết định phương án thi công. Giá thành thi công bao gồm chi phí vật liệu, chi phí máy thi công và chi phí nhân công. Chi phí chế tạo và thi công kingpost có 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 STT Tên phương án Tên cấu kiện Đơn vị tính Khối lượng Đơn giá (VNĐ) Thành tiền Tổng giá trị 1 Không sử dụng đinh chống cắt Kingpost tấn 0,371 26.000.000 9.633.260 9.633.260 2 Kingpost tấn 0,167 26.000.000 4.334.980 3 Sử dụng đinh chống cắt, tính theo BS 5950-1990 Đinh chống cắt bộ 90,000 12.000 1.080.000 5.414.980 4 Kingpost tấn 0,183 26.000.000 4.750.980 5 Sử dụng đinh chống cắt, tính theo Eurocode 4 Đinh chống cắt bộ 100,000 12.000 1.200.000 5.950.980 Như vậy, việc sử dụng đinh chống cắt cho kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi giảm được gần một nửa chi phí chế tạo và thi công kingpost so với phương án không sử dụng đinh. Tuy nhiên đây chỉ là một yếu tố cần xem xét, để có thể đưa ra quyết định phương án thi công kingpost cần xem xét một cách tổng thể các yếu tố sau: - Thiết bị và trình độ thi công liên kết đinh với kingpost; - Yếu tố đảm bảo quá trình đổ bê tông cọc khoan nhồi do sự có mặt của đinh chống cắt ảnh hưởng đến không gian di chuyển ống đổ bê tông; - Phương án lắp dựng kingpost vào cọc khoan nhồi: trước hay sau khi đổ bê tông; yêu cầu về thiết bị thi công; dụng cụ và phương pháp định vị, căn chỉnh kingpost; các yếu tố kỹ thuật khác; - Khối lượng kingpost cho toàn bộ công trình; - Giá thành tổng thể của các phương án. 5. Kết luận - Thiết kế kingpost tại vị trí liên kết với cọc khoan nhồi trong thi công tầng hầm bằng phương pháp Top- down là một nội dung quan trọng của thiết kế biện pháp thi công phần ngầm, quyết định đến an toàn, ổn định công trình và hiệu quả kinh tế của phương án; - Thiết kế kingpost không có đinh chống cắt trên cơ sở lực bám dính giữa kingpost và bê tông, xác định theo phương pháp thực nghiệm với hệ số an toàn bằng 0,7÷0,8. Trong trường hợp có đinh chống cắt, áp dụng tiêu chuẩn thiết kế BS 5950-1990 hoặc Eurocode 4, kết quả tính toán theo hai tiêu chuẩn không có sự khác biệt lớn; - Phương án kingpost có đinh chống cắt giảm được 40÷47% khối lượng thép cho chế tạo kingpost (tính trong đoạn ngàm trong cọc khoan nhồi) so với phương án kingpost không có đinh; - Phương án thi công kingpost cần xem xét một cách tổng thể nhiều yếu tố: quy mô công trình, kích thước cọc khoan nhồi, phương án lắp dựng kingpost, sự đáp ứng của thiết bị và kỹ thuật thi công; - Đối với cọc đường kính nhỏ (D < 1000mm) nên chọn phương án kingpost không có đinh chống cắt. Khi sử dụng đinh chống cắt, nên ưu tiên phương án lắp dựng kingpost trước khi đổ bê tông. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PHAN QUANG MINH, NGÔ THẾ PHONG, NGUYÊN ĐÌNH CỐNG (2006), “Kết cấu bê tông cốt thép - Phần cấu kiện cơ bản”. NXB KHKT, Hà Nội. 2. A.NEZAMIAN, R.AL-MAHAIDI, P.GRUNDY, B. O’LOUGHLIN (2002). “Push-out strength of concrete plugs in tubular steel piles”, Department of Civil Engineering, Monash University, Melbourne, VIC, Australia, 3800. 3. BS5950-1990: Structural use of steelwork in building – Part 3: Design in composite construction – Section 3.1: Code of practice for design of simple and continuous composite beams, British Standards Institution, 1990. 4. Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures – Part 1-1: General rules for buildings, UK, 2005. Ngày nhận bài: Ngày nhận bài sửa lần cuối: 23/3/2015.