Chọn hệ sàn: sàn phẳng, dầm sàn hay sàn ô cờ

Đến lúc người kỹ sư kết cấu ngồi tính cốt thép cho sàn thì những quyết định tốn kém nhất đã được chốt từ trước. Việc chọn hệ sàn đã ấn định chiều cao tầng, quyết định hệ thống kỹ thuật có chạy được theo đường thẳng hay không, đặt ra chu kỳ cốp pha, và giới hạn chỗ nào chủ đầu tư được và không được đặt cột trong hai mươi năm tới.

Việc đó đáng để dành thời gian thực sự, và cũng đáng hiểu rằng quyết định này hiếm khi nằm ở chỗ hệ nào tốn ít bê tông nhất.

Bài viết này bàn về việc chọn giữa các hệ sàn. Còn một sàn cụ thể làm việc một phương hay hai phương là câu hỏi khác, đã có bài riêng về sàn một phương và sàn hai phương.

Điểm xuất phát: tiêu chuẩn cho phép tới đâu

EN 1992-1-1 Bảng 7.4N cho các tỷ số nhịp trên chiều cao làm việc cơ bản mà nếu thỏa mãn thì phép kiểm tra độ võng sẽ đạt mà không cần tính thêm. Với cấu kiện chịu ứng suất thấp, tức hàm lượng cốt thép khoảng 0,5 phần trăm, là mức mà phần lớn sàn nằm ở đó:

Có hai điều nổi lên ngay lập tức.

Tính liên tục đáng giá hơn mọi thứ khác trong bảng. Đi từ kê đơn giản sang nhịp giữa liên tục đưa tỷ số cho phép từ 20 lên 30, tức tăng 50 phần trăm nhịp với cùng chiều cao. Bất kỳ hệ nào tạo được tính liên tục qua gối đều đã có lợi thế ngay từ đầu.

Sàn phẳng bị phạt. Ở mức 24 so với 30, sàn phẳng cần chiều cao lớn hơn khoảng 25 phần trăm so với sàn liên tục một phương cùng nhịp. Đó là cái giá của việc bỏ dầm, và nó được thu bằng milimét chiều dày sàn.

Các tỷ số này là công cụ thiết kế sơ bộ. Chúng mã hóa một phép tính độ võng cho trường hợp điển hình, và lý do chúng có thể gây hiểu lầm, cùng với những gì một phép tính độ võng đầy đủ thực sự bao gồm, đã có bài riêng về độ võng của tiết diện đã nứt.

Sàn phẳng

Bản sàn dày đều kê trực tiếp lên cột, hoàn toàn không có dầm.

Mạnh ở đâu. Mặt dưới phẳng nên cốp pha rẻ nhất và nhanh nhất trong các phương án, và chu kỳ thi công mỗi tầng ngắn nhất trong các hệ đổ tại chỗ. Hệ thống kỹ thuật chạy theo mọi hướng bên dưới sàn mà không cần một lỗ xuyên hay một đoạn hạ trần nào, đó là lý do hệ này chiếm ưu thế ở văn phòng, bệnh viện và bãi đỗ xe, nơi bố trí kỹ thuật phải luôn linh hoạt. Và chiều cao kết cấu mỏng: chỉ bằng chiều dày sàn, không thêm gì.

Hỏng ở đâu. Cắt thủng tại vị trí cột. Toàn bộ tải trọng của một ô sàn lớn phải dồn vào cột qua một diện tích sàn nhỏ, và ứng suất cắt sinh ra rất lớn. Đó là phép kiểm tra chi phối, nó quyết định chiều dày sàn thường xuyên không kém gì phép tính uốn, và là lý do sàn phẳng phải có mũ cột, bản đầu cột hoặc cốt thép chống cắt chuyên dụng khi nhịp tăng lên.

Giới hạn còn lại là độ võng. Sàn phẳng bị độ võng chi phối thường xuyên hơn nhiều so với bị cường độ chi phối, nghĩa là thêm cốt thép không giúp được bao nhiêu và tăng chiều dày mới là cách khắc phục thực sự.

Phạm vi thực dụng. Sàn phẳng bê tông cốt thép làm việc thoải mái tới khoảng 7 tới 9 m. Vượt qua đó thì hoặc dùng ứng suất trước, hoặc đổi hệ.

Hệ dầm sàn

Bản sàn mỏng hơn kê lên các dầm hạ, và dầm kê lên cột.

Mạnh ở đâu. Hiệu quả vật liệu. Dầm đặt chiều cao vào đúng nơi có mô men và để phần sàn còn lại mỏng, nên khối lượng bê tông cho một nhịp lớn thấp hơn rõ rệt so với sàn phẳng cùng khả năng chịu lực. Nhịp lớn xử lý dễ dàng. Và hệ dầm tạo ra làm việc khung cho ổn định ngang, thứ mà kết cấu sàn phẳng phải tìm ở nơi khác, thường là lõi cứng hoặc vách.

Hỏng ở đâu. Chiều cao kết cấu bằng sàn cộng chiều cao dầm, và hệ thống kỹ thuật khi đó phải hoặc xuyên qua dầm, việc này cần lỗ chờ được phối hợp và thống nhất từ sớm rồi cấu tạo cho đúng, hoặc chạy bên dưới dầm, tức cộng thêm chiều cao của chúng một lần nữa. Với công trình lặp lại nhiều tầng, đây chính là quyết định âm thầm cộng thêm vài trăm milimét mỗi tầng.

Cốp pha cũng chậm và đắt hơn: thành và đáy dầm là công mộc riêng cho từng cấu kiện, so với cốp pha bàn phẳng.

Sàn ô cờ và sàn sườn

Sàn đổ với một lưới sườn và các hốc rỗng ở mặt dưới.

Mạnh ở đâu. Loại bỏ bê tông khỏi vùng chịu kéo, nơi nó không làm gì ngoài việc thêm trọng lượng, trong khi vẫn giữ nguyên chiều cao kết cấu. Điều này cho tỷ số độ cứng trên trọng lượng rất tốt, nên sàn ô cờ phù hợp với nhịp lớn và tải nặng, nơi một sàn đặc cùng chiều dày sẽ bị chính trọng lượng bản thân đè bẹp. Việc giảm trọng lượng bản thân lan tỏa theo dây chuyền: sàn nhẹ hơn nghĩa là cột nhỏ hơn, móng nhỏ hơn và khối lượng tham gia dao động động đất thấp hơn.

Hỏng ở đâu. Cốp pha. Các khuôn tạo hốc là một khoản chi phí thật và một hạng mục tiến độ thật, và bài toán kinh tế chỉ có lời khi mức lặp lại cao trên nhiều ô giống hệt nhau. Hệ thống kỹ thuật khó bố trí, vì mặt dưới có sườn không cho phép một đường ống chạy chéo. Và vẫn phải tạo một vùng đặc quanh mỗi cột để xử lý cắt thủng, làm gián đoạn lưới sườn.

Phạm vi thực dụng. Nhịp lớn, khoảng 9 tới 14 m, nơi phần tiết kiệm trọng lượng bản thân bù lại được chi phí cốp pha.

Dầm bẹt và các phương án ứng suất trước

Hai hệ lai đáng biết.

Dầm bẹt là dầm rộng và thấp theo một phương, với sàn kê giữa các dầm đó. Dầm đủ rộng để chịu tải nhưng đủ thấp để tổng chiều cao kết cấu vẫn gần với sàn phẳng, và hệ thống kỹ thuật có thể vượt qua phía trên dầm theo phương còn lại. Đây là phương án dung hòa phổ biến trong nhà ở và công trình thương mại.

Sàn phẳng ứng suất trước tạo lực nén trước để cân bằng bớt tải trọng, tấn công trực tiếp vào hai thứ giới hạn sàn phẳng: độ võng và nứt. Nhịp vượt xa phạm vi của bê tông cốt thép thường và chiều dày giảm đáng kể. Cái giá là phải có nhà thầu chuyên ngành, thiết kế ít dung sai hơn, và một ràng buộc vĩnh viễn lên công trình, vì sau này không ai được khoan xuyên sàn ứng suất trước mà chưa dò vị trí cáp. Với một tòa nhà mà phần hoàn thiện sẽ thay đổi vài năm một lần, ràng buộc đó đáng được cân nhắc nghiêm túc.

Phép tính thường quyết định cuộc chơi

Với nhà thấp tầng, chiều cao kết cấu là chuyện nhỏ. Với nhà cao tầng, nó là toàn bộ cuộc tranh luận.

Lấy một chung cư 30 tầng, chiều cao tầng 3,6 m. Giả sử việc chọn hệ kết cấu làm thay đổi chiều cao kết cấu 200 mm mỗi tầng. Trên 30 tầng, đó là 6 m chiều cao công trình.

Sáu mét đó có thể tiêu theo hai cách. Hoặc tòa nhà giữ nguyên 30 tầng và thấp đi 6 m, hoặc, ở nơi mà giới hạn chiều cao quy hoạch là thứ chặn dự án lại, 6 m đó trở thành 1,7 tầng diện tích bán được tăng thêm trong cùng một khối tích.

Và nếu tòa nhà chỉ đơn giản là thấp đi, phần tiết kiệm không chỉ nằm ở kết cấu. Với mặt bằng 40 x 30 m, chu vi là 140 m, nên 6 m chiều cao tương đương 840 m² mặt đứng không phải mua, không phải lắp, không phải chèn khe và không phải lau chùi, cộng với 6 m ít hơn của mọi hộp kỹ thuật, giếng thang, cầu thang và tuyến kỹ thuật đứng trong công trình.

Đó là lý do quyết định về sàn của kỹ sư kết cấu là một quyết định thương mại, và là lý do nó nên được đưa ra cùng kiến trúc sư và kỹ sư cơ điện trong cùng một phòng, thay vì thông báo cho họ sau đó.

Một trình tự ra quyết định dùng được

• Chốt lưới cột và tải trọng trước. Nhịp chi phối gần như mọi thứ còn lại, và một lưới cột mà chủ đầu tư chấp nhận được thì đáng giá hơn một hệ sàn thông minh.

• Hỏi ngân sách chiều cao tầng là bao nhiêu, và giới hạn chiều cao quy hoạch có đang chặn hay không. Nếu có, chiều cao chính là đồng tiền.

• Hỏi hệ thống kỹ thuật sẽ chạy thế nào, và công năng công trình có thay đổi không. Hoàn thiện linh hoạt ưu tiên mạnh cho mặt dưới phẳng.

• Hỏi có bao nhiêu ô giống hệt nhau. Lặp lại nhiều thì biện minh được cho cốp pha đắt. Lặp lại ít thì giết chết bài toán kinh tế của sàn ô cờ.

• Kiểm tra hệ chịu lực ngang. Nếu không có dầm, ổn định đến từ lõi và vách, và vị trí của chúng bị cố định từ rất sớm.

• Chỉ sau đó mới so sánh khối lượng bê tông. Vật liệu hiếm khi là chi phí quyết định.

Điểm rút ra

• Tỷ số nhịp trên chiều cao cơ bản của EC2 cho sàn phẳng là 24 so với 30 của sàn liên tục. Mức phạt 25 phần trăm chiều cao đó là cái giá của việc bỏ dầm.

• Tính liên tục là bước đi kết cấu đáng giá nhất, đổi được mức tăng nhịp 50 phần trăm so với kê đơn giản.

• Sàn phẳng bị giới hạn bởi cắt thủng và độ võng, không phải bởi uốn, nên thêm cốt thép thường là cách sửa sai.

• Hệ dầm sàn hiệu quả về vật liệu nhưng trả giá bằng chiều cao kết cấu và thời gian cốp pha.

• Sàn ô cờ thắng về độ cứng trên trọng lượng với nhịp lớn, và thua về chi phí cốp pha và bố trí kỹ thuật.

• Ứng suất trước mua được nhịp và chiều cao nhưng ràng buộc vĩnh viễn việc cải tạo về sau.

• Với 30 tầng, 200 mm mỗi tầng là 6 m: hoặc 1,7 tầng tăng thêm, hoặc 840 m² mặt đứng ít đi.

• Hệ sàn là quyết định thương mại được đưa ra chung, không phải quyết định kết cấu đưa ra một mình.

#betong #thietkesan #ec2 #thicong #thietkesobo