Hiện nay, kết cấu bê tông cốt thép toàn khối vẫn được sử dụng rộng rãi tại nước ta với nhiều ưu điểm về cường độ, độ ổn định cũng như biện pháp thi công khá đơn giản. Tuy nhiên, loại kết cấu này cũng tồn tại một số hạn chế như tải trọng bản thân kết cấu lớn, khó vượt nhịp lớn, thời gian thi công kéo dài… Thế nhưng với công nghệ bê tông lắp ghép có thể khắc phục nhiều hạn chế của kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.
Mặc dù đã được sử dụng từ khá lâu và hiện nay đã trở nên phổ biến, nhưng ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều tài liệu hướng dẫn thiết kế riêng cho bê tông lắp ghép, đặc biệt thiết kế theo tiêu chuẩn châu Âu. Vì vậy, việc nghiên cứu các tiêu chuẩn các nước tiên tiến như châu Âu hay Vương quốc Anh (BS EN 1992-1-1:2004; Precast Eurocode 2: Design Manual; British Precast.2008; BS EN 13225.2013; BS EN 206.2013; BS EN 1994-1-1.2004) để xây dựng các tài liệu hướng dẫn thiết kế là thực sự cần thiết. Trên cơ sở đó, Trường Đại học Thủy lợi đã thực hiện nhiệm vụ “Nghiên cứu xây dựng hướng dẫn thiết kế kết cấu khung và sàn bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1” (Mã số: RD 24-24) do PGS.TS. Nguyễn Anh Dũng chủ nhiệm. Nghiên cứu tập trung vào các quy định chung về thiết kế kết cấu bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1; khung bê tông lắp ghép; sàn bê tông lắp ghép; mối nối và liên kết trong kết cấu bê tông lắp ghép.
Các quy định về thiết kế kết cấu bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1
Trong các tiêu chuẩn kết cấu châu Âu, các cấu kiện được thiết kế theo các phương pháp trạng thái giới hạn, gồm trạng thái giới hạn thứ nhất (ULS) và trạng thái giới hạn khả năng sử dụng (SLS), đồng thời đề cập đến yêu cầu về độ bền, khả năng chịu lửa và các yêu cầu sử dụng đối với công trình.
Đối với trạng thái giới hạn thứ nhất, dầm và bản là các cấu kiện chủ yếu chịu uốn, trong khi cột chịu sự kết hợp giữa lực uốn và lực dọc trục. Dầm được xác định là một bộ phận có nhịp không nhỏ hơn ba lần chiều cao tiết diện tổng thể của nó. Trường hợp cấu kiện được xác định là dầm cao thì cần áp dụng phương pháp thiết kế phù hợp. Cột được xác định là cấu kiện có kích thước tiết diện lớn hơn không vượt quá bốn lần kích thước tiết diện nhỏ hơn; nếu không, cấu kiện được coi là tường, việc uốn cong trên mặt phẳng của tường được xử lý theo một cách khác.
Đối với trạng thái giới hạn khả năng sử dụng (SLS), đề cập chủ yếu đến việc kiểm tra độ võng và nứt. Ứng xử của dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng có thể được chia thành hai giai đoạn cơ bản: trước và sau khi nứt. Trong giai đoạn không bị nứt, cấu kiện hoạt động đàn hồi như một vật liệu đồng nhất. Giai đoạn này kết thúc khi tải trọng đạt tới giá trị mà tại đó vết nứt uốn đầu tiên hình thành. Các vết nứt dẫn đến độ cứng giảm dần khi tải trọng tăng dần trong giai đoạn nứt. Bê tông giữa các vết nứt tiếp tục cung cấp một số khả năng chịu kéo mặc dù đường thép hơn cường độ kéo của bê tông. Như vậy, cấu kiện này có độ cứng cao hơn giá trị được tính toán dựa trên giả thiết bê tông không chịu lực kéo. Để hạn chế hiện tượng nứt, cần đảm bảo khả năng chịu kéo của cốt thép khi chảy dẻo không nhỏ hơn lực kéo trong bê tông ngay trước khi nứt. Do đó, cần có lượng cốt thép tối thiểu tùy theo cường độ của thép và cường độ kéo của bê tông tại điểm các vết nứt có khả năng hình thành. Nứt do tác dụng nhiệt ban đầu bị hạn chế có thể xảy ra trên các bức tường và tấm liên tục trong vòng vài ngày kể từ khi đổ bê tông. Trong các trường hợp khác, có thể phải mất vài tuần trước khi tải trọng tác dụng đạt đến mức xảy ra nứt. Ngoài ra, nghiên cứu còn đề cập đến các yêu cầu về giằng trong kết cấu lắp ghép, các quy định về liên kết và gối đỡ.
Khung bê tông lắp ghép
Các loại khung bê tông lắp ghép và phương pháp tính
Thiết kế kết cấu sơ bộ trong giai đoạn nghiên cứu khả thi chỉ yếu nhằm lựa chọn loại hình kết cấu phù hợp với hình thức kiến trúc và công năng của công trình, hơn là đi sâu vào thiết kế chi tiết. Đối với công trình có yêu cầu “mặt bằng mở”, cần tạo không gian sử dụng rộng và linh hoạt, do đó hệ kết cấu thường gồm cột và sàn, kết hợp các vách ngăn có thể bố trí theo nhu cầu sử dụng. Loại kết cấu này thường được gọi là kết cấu khung xương, gồm các cấu kiện chính như cột, dầm, sàn, cầu thang và trong một số trường hợp có tường chịu lực. Kết cấu khung xương có thể được thiết kế bằng bê tông đổ tại chỗ hoặc thép; tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ xem xét kết cấu bê tông lắp ghép.
Các liên kết giữa dầm và sàn thường được thiết kế, thi công dưới dạng liên kết khớp; do đó, các cấu kiện nằm ngang như tấm sàn, cầu thang và dầm được tính toán theo sơ đồ gối tựa đơn giản. Trong khu vực có động đất, các liên kết có thể được thiết kế cứng và có độ dẻo cao hơn, nhưng để đơn giản hóa thiết kế và thi công, liên kết khớp vẫn thường được ưu tiên.
Các cấu kiện đứng như tường và cột có thể được thiết kế liên kết tụy. Tuy nhiên, do liên kết dầm và sàn là liên kết khớp nên hiệu ứng khung tổng thể không đáng kể và thông thường không cần phân tích độ cứng của toàn bộ khung, ngoài việc xem xét mômen trong cột phát sinh do phản lực lệch tâm của dầm. Các cấu kiện giằng cũng như tường có thể được thiết kế theo toàn tường hoặc liên tục theo chiều cao công trình, làm việc như một công xôn đứng đơn đỉnh các sàn. Trong các công trình văn phòng hoặc thương mại, khoảng cách giữa các cột và dầm thường từ 6-12m, tùy thuộc vào tải trọng sàn, giải pháp ổn định kết cấu và công năng sử dụng.
Liên kết trong khung bê tông lắp ghép
Đặc điểm quan trọng của khung bê tông lắp ghép là các cấu kiện được chế tạo riêng biệt và liên kết với nhau tại công trường thông qua các mối nối. Khả năng làm việc của hệ khung phụ thuộc đáng kể vào đặc điểm của các liên kết, đặc biệt là khả năng truyền lực giữa các cấu kiện và mức độ bảo đảm ổn định của kết cấu trong quá trình chịu tải.
Trong thiết kế, liên kết cần được xem xét phù hợp với sơ đồ làm việc của khung và yêu cầu truyền lực giữa các cấu kiện. Đồng thời, các yếu tố như dung sai chế tạo, phương pháp lắp dựng và chất lượng thi công cũng cần được tính đến do có ảnh hưởng trực tiếp đến ứng xử của liên kết và khả năng làm việc tổng thể của hệ khung.
Sàn bê tông lắp ghép
Sàn bê tông đúc sẵn cung cấp một giải pháp kinh tế và linh hoạt cho sàn tầng trên và sàn tầng trong các loại công trình xây dựng. Loại sàn này đã được sử dụng rộng rãi trong các công trình thương mại, công nghiệp và dân dụng, mang lại lợi thế về thiết kế và chi phí so với các phương pháp truyền thống như sàn bê tông tại chỗ, sàn liên hợp thép – bê tông và sàn gỗ.
Có nhiều loại sàn phù hợp với các trường hợp tải trọng và nhịp khác nhau, mang lại hiệu quả kết cấu cao với trọng lượng tối thiểu. Sàn có thể được sử dụng có hoặc không có lớp đính kết cấu đổ tại chỗ, lớp hoàn thiện không chịu lực như gạch, lớp láng đá granite hoặc kết hợp với sàn gỗ nâng. Ở châu Âu, khoảng một nửa số sàn được sử dụng trong các tòa nhà thương mại và nhà ở, cũng hơn 3/4 số sàn trong bãi đỗ xe, là sàn bê tông đúc sẵn.
Mối nối và liên kết trong kết cấu bê tông lắp ghép
Việc thiết kế và thi công các mối nối, liên kết là một trong những vấn đề quan trọng của kết cấu bê tông đúc sẵn. Mục đích của chúng là truyền lực giữa các bộ phận kết cấu, đồng thời bảo đảm sự ổn định và chắc chắn của công trình. Liên kết có thể được hình thành bằng nhiều phương pháp như bắt vít, hàn hoặc phun vữa; dù sử dụng phương pháp nào, cấu tạo liên kết cũng cần đơn giản, rõ ràng, dễ hiểu và thuận lợi cho thi công tại công trường. Các mối nối không chỉ phải bảo đảm khả năng chịu tải trọng sử dụng và tải trọng cực hạn mà còn cần đáp ứng các trường hợp tải trọng bất thường do cháy, va đập, nổ, sụt lún… Hư hỏng tại mối nối không được dẫn đến phá hoại giòn và gây mất ổn định kết cấu; vì vậy cần bảo đảm độ dẻo và khả năng duy trì trạng thái cân bằng của kết cấu khi xuất hiện tải trọng bất thường hoặc mất khả năng liên kết, gối đỡ. Một trong những giải pháp là bố trí các thanh giằng cốt và sàn liên tục, trong nhiều trường hợp đi qua các vị trí mối nối.
Trong một liên kết có thể có nhiều mối nối truyền tải, do đó cần phân biệt giữa mối nối và liên kết. Mối nối là vị trí tiếp giáp giữa hai hoặc nhiều cấu kiện kết cấu, nơi truyền các lực như kéo, cắt và nén; giữa các cấu kiện có thể có vật liệu trung gian như cao su, thép, nỉ, vữa xi măng hoặc vữa epoxy. Đặc tính của các vật liệu này có ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế mối nối. Liên kết có phạm vi rộng hơn, bao gồm một hoặc nhiều mối tiếp xúc, có nhiệm vụ truyền các lực kéo, cắt, nén và/hoặc mômen uốn, xoắn. Vì vậy, thiết kế liên kết phải xem xét đồng thời đặc điểm của các cấu kiện và các mối nối giữa chúng.
Kết luận và kiến nghị
Các giải pháp công nghệ hiện đại trong xây dựng luôn cần được nghiên cứu và từng bước áp dụng, đặc biệt là các giải pháp thân thiện với môi trường, nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công. Trong đó, công nghệ bê tông lắp ghép là một trong những giải pháp có nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế.
Eurocodes (EC) là hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kết cấu công trình được áp dụng tại các nước thuộc Liên minh châu Âu và hiện đã được nhiều quốc gia trên thế giới sử dụng.
Trong quá trình hội nhập, việc soát xét và biên soạn hệ thống tiêu chuẩn xây dựng theo hướng đồng bộ, hiện đại, hài hòa và tiệm cận với tiêu chuẩn quốc tế là một trong những nhiệm vụ quan trọng của ngành Xây dựng.
Trên cơ sở nghiên cứu tiêu chuẩn châu Âu, nhóm tác giả đã nghiên cứu phương pháp tính toán khung và sàn bê tông lắp ghép, trong đó xem xét các cấu kiện dầm, cột, sàn và các chi tiết liên kết. Các phương pháp phân tích khung, tính toán cấu kiện và mối nối cơ bản đã được tổng hợp, làm cơ sở cho việc áp dụng trong thiết kế thực tế công trình.
Kết quả nghiên cứu có thể là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư trong nghiên cứu và thực hành thiết kế công trình bê tông lắp ghép, đồng thời góp phần phục vụ quá trình tiếp cận hệ thống tiêu chuẩn thiết kế hiện đại, tiên tiến.
T.V
