Thuyết minh tính toán sàn nấm chuẩn kỹ thuật từ A-Z

Sàn nấm một loại sàn không dầm được đánh giá cao nhờ khả năng chịu lực tốt, tiết kiệm vật liệu và tối ưu không gian. Việc tính toán sàn nấm đòi hỏi sự chính xác cao cùng sự hiểu biết sâu về các yếu tố kỹ thuật. Bài viết này sẽ cung cấp hướng dẫn chi tiết về thuyết minh tính toán sàn nấm, từ việc xác định chiều dày sàn, tính toán nội lực đến bố trí cốt thép, giúp các kỹ sư và chủ đầu tư có cái nhìn rõ ràng và chính xác hơn khi áp dụng giải pháp này vào thực tế.

Tài liệu bài viết được tham khảo dựa trên bài giảng của GS. Ngô Thế Phong về thiết kế sàn nấm. Dù hiện tại đã có những phần mềm thiết kế sàn chuyên dụng, những kiến thức cơ bản được nêu ra trong tài liệu này vẫn là cốt lõi để kỹ sư có được hiểu biết cần thiết khi thiết kế loại sàn này.

Tổng quan về sàn nấm

Sàn nấm là một dạng sàn bê tông cốt thép không có dầm, bản sàn dựa trực tiếp trên cột. Bê tông và thép được bố trí dày hơn tại các vị trí đầu cột, tạo thành các "nấm" chịu lực, hay còn gọi là mũ cột. Thiết kế này giúp truyền tải trọng từ sàn xuống các cột hiệu quả hơn, loại bỏ nhu cầu sử dụng hệ thống dầm phức tạp, đồng thời làm tăng không gian sử dụng bên trong công trình.

Nguyên lý chịu lực của sàn nấm dựa trên việc phân bổ tải trọng một cách đồng đều từ các vị trí sàn xuống cột thông qua mũ cột. Từ đó giúp tránh được hiện tượng uốn và giảm thiểu ứng suất cục bộ tại các vị trí giao thoa giữa cột và sàn.

Sàn nấm bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại và nhà xưởng có yêu cầu cao về không gian mở. Dùng sàn nấm sẽ giảm được chiều cao kết cấu, việc làm ván khuôn đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép. Sàn nấm có mặt dưới phẳng nên việc chiếu sáng và thông gió tốt hơn sàn có dầm truyền thống. Ngoài ra, việc ngăn chia các phòng trên mặt sàn cũng sẽ linh hoạt hơn, rất thích hợp với các bức tường ngăn di động.

Khi chịu tải trọng thẳng đứng, bản sàn có thể bị phá hoại vì cắt theo kiểu bị cột đâm thủng. Để tăng cường khả năng chịu cắt, có thể tạo ra mũ cột mũ cột hoặc bản đầu cột có chiều dày lớn hơn. Bản có chiều dày lớn hơn trên đầu cột còn có tác dụng tăng cường khả năng chịu momen, vì ở tiết diện sát đến cột, momen uốn trong bản đạt giá trị lớn nhất.

Mũ cột, hay bản đầu cột là phần kết nối giữa cột và sàn trong hệ thống sàn nấm, giúp phân tán lực đều từ sàn xuống cột, giảm ứng suất tập trung và tăng khả năng chịu lực. Mũ cột cũng tăng cường khả năng chịu cắt, ngăn ngừa nứt vỡ tại điểm tiếp xúc. Để chống thủng sàn, mũ cột thường có dạng loe theo góc 45 độ, rộng 0,2-0,3 bước cột, và phổ biến với hình vuông, chữ nhật hoặc tròn.

Tiêu chuẩn và quy định thiết kế sàn nấm

Việc tính toán sàn nấm cần tuân thủ yêu cầu về cốt thép, bê tông và tải trọng, theo quy định của các tiêu chuẩn thiết kế và xây dựng của Việt Nam hoặc quốc tế như:

• TCVN 5574-2018: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
• TCVN 5574:2012 về Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép
• ACI 318 (American Concrete Institute): Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của Mỹ, nếu tham chiếu tiêu chuẩn quốc tế. Tiêu chuẩn này cung cấp các quy định cụ thể về cách bố trí cốt thép và kiểm tra độ bền của bê tông, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong thiết kế.
• Eurocode 2: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông của châu Âu.

Các bước thuyết minh tính toán sàn nấm

Sàn nấm gồm có bản kê trực tiếp lên cột. Đầu cột được tạo mũ cột để bản liên kết với cột được chắc chắn, đảm bảo cường độ chống đâm thủng bản theo chu vi cột, đồng thời làm giảm nhịp tính toán của bản và làm mô men được phân ra một cách đều đặn theo bề rộng.

Quy trình thiết kế sàn nấm được thực hiện theo các bước sau:

1. Chọn loại bản sử dụng (sàn sườn hay sàn nấm). Sự lựa chọn này bị ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố về kiến trúc, thi công, công năng sử dụng.
2. Chọn chiều dày bản sàn. Khi chọn chiều dày sàn cần chú ý đến độ võng của sàn và thỏa mãn điều kiện chịu cắt tại các đầu cột.
3. Chọn phương pháp thiết kế sàn nấm.
4. Tính toán nội lực trong bản (tính toán mô men dương và mô men âm trong bản).
5. Xác định sự phân bố mô men trên mặt cắt ngang qua chiều rộng.
6. Nếu hệ sàn có nấm, một phần mô men phải được phân chia cho các dầm.
7. Cốt thép được thiết kế cho các mô men từ các bước 5 và 6
8. Kiểm tra độ bền cắt tại các cột.

Tính toán chiều dày bản sàn nấm

Chiều dày bản sàn nấm không ứng lực trước

Chiều dày các bản sàn nấm không có ứng lực trước, có thể lấy khoảng 1/30 nhịp hoặc tính sơ bộ theo công thức:

Chiều dày sàn nấm có mũ cột

Đối với sàn có mũ cột thì chiều dày sàn được xác định như sau:

Mũ cột phải có bề dày được tăng thêm ít nhất bằng 1/4 chiều dày của bản ở giữa ô và bề rộng của mũ cột thường không nhỏ hơn 1/3 khoảng cách giữa hai trục tim cột (hai trục của mũ cột trùng với trục của tim cột)

Chiều dày sàn nấm có cốt thép ứng lực trước

Chiều rộng nhịp thích hợp với sàn nấm thường là 4 đến 8 mét đối với bê tông cốt thép thường, khi nhịp của bản từ 7m trở lên nên có cốt thép ứng lực trước để có thể giảm chiều dày bản và giảm độ võng.

Chiều dày của bản có thể sơ bộ giả thiết không nhỏ hơn 1/40 cạnh lớn của bước cột đối với bản sàn có không dưới hai nhịp. Chiều dày của bản hoặc chiều dày của mũ cột phải được tính toán kiểm tra để loại trừ khả năng bản bị đâm thủng.

Theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574:1991, điều kiện để đảm bảo không bị đâm thủng thỏa mãn:

Lưu ý: Độc giả có thể tra cứu thêm cách tính toán nén thủng tại mục 6.2.5.4 của TCVN 5574:2012. Bên cạnh đó, việc tính toán kiểm tra chọc thủng cho sàn không dầm cũng nên tham khảo thêm tiêu chuẩn nước ngoài (ví dụ EuroCode 2), để thêm ảnh hưởng của cốt thép sàn và cốt thép chống cắt.

Tính toán cấu tạo bản sàn nấm

Trong tính toán và cấu tạo bản sàn nấm, người ta thường chia bản ra thành dải bản trên đầu cột và giải giữa nhịp, hai giải này đều có chiều rộng bằng 1/2 bước cột như hình sau:

Giả sử tải trọng trên bản là phân bố đều, xem xét biến dạng của dải trên đầu cột A-1-B ta thấy tại vị trí đầu cột (A, B) độ võng của bản bằng không, tại vị trí giữa nhịp (1) độ võng là lớn nhất.

Từ đường đàn hồi (độ võng) ta suy ra dạng của biểu đồ momen uốn ở dải trên đầu cột như Hình b, trong đó MA và MB là momen âm, M1 là momen dương. Đối với dải giữa nhịp 3-2-4 độ võng tại vị trí 3 là f3 sẽ nhỏ hơn độ võng tại vị trí 2 là f2. Có thể tưởng tượng rằng dải giữa nhịp 3-2-4 giống như một dầm liên tục kê lên các gối tựa là các dải trên đầu cột A-3-D, B-4-C, v.v...

Từ đó suy ra dạng của biểu đồ momen uốn như trên Hình c, trong đó M2 là momen dương và M3, M4 là momen âm. Hoàn toàn tương tự, có thể suy ra hình ảnh biến dạng và momen uốn của dải trên đầu cột và dải giữa nhịp của phương vuông góc.

Tính toán nội lực sàn nấm

Sàn nấm là sàn không dầm, bản sàn không dầm làm việc khá giống với bản sàn dầm nhưng có khác là: Đối với bản dầm thì bản chịu uốn theo một phương còn dầm chịu uốn theo phương còn lại, trong khi đó thì ở bản sàn không dầm bản sàn chịu uốn theo cả hai phương. Vấn đề đặt ra là cần phải tính được các giá trị momen uốn trong các dải bản trên đầu cột và dải bản giữa nhịp theo cả hai phương của hệ lưới cột.

Để tính được các giá trị nội lực ở một tiết diện nào đó của bản sàn có thể dùng nhiều cách khác nhau dựa trên lý thuyết đàn hồi hoặc cân bằng giới hạn. Trong phạm vi bài viết này chỉ trình bày cách tính hay được dùng trong thiết kế sàn nấm.

Thiết kế sàn nấm thường sử dụng một trong các phương pháp sau: phương pháp phân phối trực tiếp, phương pháp khung tương đương, phương pháp phần tử hữu hạn. Các phương pháp này đều có thể được hỗ trợ bởi các chương trình máy tính trong công việc tính toán.

Phương pháp phân phối trực tiếp

Phương pháp này xác định trực tiếp giá trị nội lực tại các dải giữa nhịp và dải trên đầu cột. Mỗi quốc gia có cách phân phối và hệ số khác nhau, dựa trên quan điểm về sự phân phối lại nội lực trong kết cấu và tính chất đàn hồi dẻo của vật liệu. Dưới đây là một phương pháp tính toán đơn giản từ Anh. Theo đó, phương pháp phân phối trực tiếp chỉ được áp dụng khi:

• Sự ổn định ngang của hệ kết cấu không phụ thuộc vào bản sàn và liên kết giữa cột và bản sàn.
• Hoạt tải không vượt quá 5 T/m² và không lớn hơn 1,25 lần so với tĩnh tải.
• Sàn phải có ít nhất ba nhịp với chiều dài xấp xỉ nhau theo phương đang xét.

Các giá trị momen và lực cắt được phân phối cho bản và cho cột trong Bảng momen uốn và lực cắt của sàn nấm sau đây:

Bảng 1: Mô men uốn và lực cắt của sàn nấm

Giá trị momen uốn của bản được phân phối cho các dải bản trên đầu cột và giữa nhịp theo tỷ lệ:

Bảng 2: Phân phối mô men lên các giải bản

	Dải trên đầu cột	Dải giữa nhịp
Momen âm	75%	25%
Momen dương	55%	45%

Khi không có mũ cột, việc chia dải giữa nhịp và dải trên đầu cột được thực hiện theo Hình 4.

Nếu mũ cột có cạnh nhỏ nhỏ hơn 1/3 cạnh nhỏ của ô bản (tính theo trục tim cột), thì bỏ qua sự hiện diện của bản đầu cột. Ngược lại, nếu cạnh nhỏ của mũ cột lớn hơn hoặc bằng 1/3 cạnh nhỏ của ô bản, bề rộng của dải trên đầu cột sẽ được lấy bằng bề rộng của mũ cột.

Trong trường hợp này, bề rộng của dải trên đầu cột và dải giữa nhịp có thể không bằng nhau. Việc phân phối mômen cho hai dải này phải tuân theo Bảng 2 và đồng thời tỷ lệ với bề rộng của từng dải. Mômen phân phối cho cột cũng cần chia theo tỷ lệ độ cứng giữa cột trên và cột dưới.

Phương pháp khung tương đương

Phương pháp này được sử dụng để xác định nội lực (momen uốn và lực cắt) cho bản sàn và cột khi chịu tác động của tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang, dù nhịp của bản sàn có thể đều hoặc không đều.

Trong tính toán, sàn được xem như hai hệ khung phẳng vuông góc với nhau, mỗi hệ khung được tính toán nội lực riêng biệt. Cột khung là cột của tòa nhà, trong khi dầm khung được coi là bản sàn với chiều rộng bằng khoảng cách giữa hai trục của hai ô bản lân cận với cột.

Tải trọng tác động lên mỗi khung thay thế là toàn bộ tải trọng tác dụng lên sàn. Momen uốn trong ô bản và cột được xác định theo các phương pháp cơ học kết cấu.

Phương pháp phần tử hữu hạn

Chia bản sàn thành các phần tử giới hạn bởi các nút để tính toán. Ứng dụng phần mềm SAFE trong tính toán nội lực sàn nấm.

Tính toán cốt thép dọc trong bản sàn

Tính toán lượng cốt thép cần thiết để đảm bảo độ bền của sàn. Cốt thép được lựa chọn phải đáp ứng yêu cầu chịu lực cho các vùng có ứng suất kéo lớn. Thông thường, cốt thép được bố trí dày hơn tại các vị trí gần cột và giảm dần về phía giữa sàn.

Từ các giá trị momen trong các dải bản trên đầu cột và dải bản giữa nhịp có thể xác định được diện tích cốt thép dọc trong bản sàn theo các công thức như cấu kiện chịu uốn.

Để xét đến những sai lệch thiên về an toàn trong tính toán nội lực và tính toán tiết diện, có thể giảm bớt cốt thép dọc trong bản theo công thức:

Có thể lấy gần đúng ૪ = 0.9

Khi có bản mũ cột, chiều cao ho lấy theo chiều dày của bản và bản mũ cột. Cốt thép chịu momen âm của dải trên đầu cột sẽ được đặt 2/3 trên băng chạy qua đỉnh cột có chiều rộng bằng 1/2 chiều rộng của dải trên đầu cột, 1/3 còn lại đặt sang hai bên.

>> Xem ngay: Bật mí cách tính thép sàn đơn giản, chính xác

Các phần mềm hỗ trợ tính toán sàn nấm

Trong quá trình thuyết minh tính toán sàn nấm có nhiều công cụ phần mềm hỗ trợ các kiến trúc sư, kỹ sư như:

• Phần mềm ETABS trong thiết kế sàn nấm

ETABS là một phần mềm chuyên dụng giúp phân tích kết cấu công trình, bao gồm sàn nấm. Nó có khả năng mô phỏng và tính toán mô men, độ võng, và cốt thép một cách chi tiết.

• Sử dụng Safe để kiểm tra độ võng và cường độ sàn nấm

Safe là một công cụ mạnh mẽ trong việc kiểm tra độ võng và cường độ của sàn nấm, đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng được các yêu cầu về độ bền và ổn định.

• Các công cụ hỗ trợ khác trong tính toán sàn nấm

Ngoài ETABS và Safe, có nhiều công cụ khác như SAP2000 và Robot Structural Analysis, giúp hỗ trợ trong quá trình tính toán và phân tích chi tiết hơn.

Những lưu ý khi thực hiện tính toán thiết kế sàn nấm

Khi thực hiện thuyết minh tính toán sàn nấm (sàn phẳng không dầm), cần chú ý một số yếu tố quan trọng để đảm bảo sự an toàn và hiệu quả của hệ thống kết cấu. Dưới đây là một số lưu ý cụ thể:

Xác định tải trọng chính xác

• Tải trọng tĩnh: Bao gồm tải trọng của sàn, tường, hệ thống nội thất và vật liệu cố định.
• Tải trọng hoạt tải: Bao gồm tải trọng sử dụng như người, đồ đạc, phương tiện trong công trình.
• Tải trọng động: Các yếu tố như động đất, gió hoặc các tác động từ môi trường cần được xem xét trong thiết kế.

Kiểm tra ứng suất sàn

• Sàn nấm là kết cấu phân bố đều, vì vậy việc tính toán và kiểm tra ứng suất (moment uốn, cắt, và xoắn) trên sàn phải đảm bảo sàn không bị phá hoại do các ứng suất quá lớn.
• Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) hoặc các phần mềm mô phỏng chuyên dụng để phân tích chi tiết kết cấu sàn nấm.

Chú ý đến độ võng của sàn

Độ võng của sàn nấm phải được tính toán để đảm bảo không gây ra các vấn đề về thẩm mỹ hay kết cấu trong quá trình sử dụng. Thông thường, độ võng của sàn được kiểm soát thông qua việc tính toán chính xác chiều dày sàn và bố trí thép.

Tính toán chiều dày sàn phù hợp

Chiều dày sàn nấm cần phải đủ để đảm bảo khả năng chịu lực và chống võng. Đối với sàn nấm thông thường, chiều dày thường vào khoảng từ 180 mm đến 250 mm tùy vào quy mô công trình và yêu cầu chịu tải.

Bố trí cốt thép hợp lý

• Cốt thép sàn: Cốt thép cần được bố trí dày đặc hơn ở các khu vực chịu lực lớn như khu vực gần cột hoặc các vị trí chịu tải trọng tập trung.
• Lưới thép chịu lực: Cần đảm bảo lưới thép chịu lực được bố trí đủ và chính xác để phân phối tải trọng hiệu quả.
• Cốt thép chịu cắt: Đối với các khu vực chịu lực cắt lớn (như gần cột), cần phải bố trí thép chống cắt phù hợp.

> Tham khảo Bản vẽ thép sàn nấm và cách bố trí thép trong sàn nấm chuẩn kỹ thuật

Câu hỏi thường gặp về tính toán sàn nấm bê tông cốt thép

- Sàn nấm có phù hợp cho mọi loại công trình không?

Sàn nấm phù hợp cho nhiều loại công trình, nhưng đặc biệt hiệu quả trong các công trình cao tầng và khu vực có không gian mở lớn.

- Thời gian tính toán và thiết kế sàn nấm trung bình là bao lâu?

Thời gian tính toán và thiết kế sàn nấm phụ thuộc vào quy mô và độ phức tạp của công trình, thường kéo dài từ 2 đến 4 tuần.

- Lợi ích của sàn nấm so với các loại sàn khác là gì?

Sàn nấm tiết kiệm chi phí nguyên vật liệu, giảm thiểu khối lượng công trình và đẩy nhanh tiến độ thi công.

- Tính toán sàn nấm có cần phần mềm chuyên dụng không?

Có. Sử dụng phần mềm chuyên dụng như ETABS và Safe sẽ giúp quá trình tính toán nhanh chóng và chính xác hơn.

- Có thể thay đổi kích thước cốt thép sau khi tính toán không?

Nếu muốn thay đổi kích thước cốt thép, cần phải kiểm tra lại toàn bộ các thông số tính toán để đảm bảo sàn vẫn đáp ứng yêu cầu an toàn.

- Các yếu tố cần kiểm tra sau khi tính toán sàn nấm là gì?

Sau khi tính toán, cần kiểm tra kỹ các yếu tố như tải trọng, độ võng, ứng suất của cốt thép và cường độ của bê tông.

Có thể thấy, việc tính toán sàn nấm chính xác là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình thiết kế và thi công. Điều này không chỉ đảm bảo an toàn cho công trình mà còn giúp tối ưu hóa chi phí và thời gian thi công. Hy vọng rằng với các thông tin về thuyết minh tính toán sàn nấm trong bài viết này đã phần nào giúp bạn đọc hình dung rõ hơn quá trình thiết kế loại sàn này. Cám ơn bạn đã theo dõi và hẹn gặp lại tại các bài viết tiếp theo!