tuy nhiên khi được học thầy, em lại có cái nhìn khác về kết cấu công trình khi rõ ràng trong lĩnh vực kiến trúc hiện đại, các loại kết cấu mới đã và đang ngày càng phát triển với nhiều l
KẾT CẤU GỖ CÔNG NGHIỆP TRONG KIẾN TRÚC HIỆN ĐẠI
Định nghĩa
Kết cấu gỗ là thuật ngữ chỉ các cấu trúc chịu lực trong xây dựng, được làm từ gỗ nguyên khối hoặc sản phẩm gỗ công nghiệp Ngoài vai trò chính là chịu tải trọng, kết cấu gỗ còn được sử dụng để tạo ra các cấu trúc bao che, hoặc thực hiện đồng thời chức năng chịu lực và bao che.
B KẾT CẤU GỖ CÔNG NGHIỆP TRONG KIẾN TRÚC HIỆN ĐẠI
Gỗ công nghiệp là vật liệu bao gồm các sản phẩm gỗ phái sinh được tạo ra bằng cách liên kết các sợi, hạt, lớp phủ hoặc ván gỗ với chất kết dính Loại gỗ này chủ yếu được sử dụng để thay thế kết cấu bê tông trong các công trình yêu cầu tải trọng lớn.
Hình 2 Kết cấu gỗ công nghiệp trong nhà của Kariouk Associates, Quebec, Canada (4)
Hình 3 Một kết cấu gỗ công nghiệp quy mô lớn được xây dựng cho Triễn lãm Expo 2000 tại
Đặc điểm
Kết cấu gỗ công nghiệp là loại kết cấu nhẹ, phản ánh những cải tiến quan trọng trong vật liệu và thiết kế gỗ hiện đại, giúp nâng cao hiệu quả và rút ngắn thời gian xây dựng Các thành phần của kết cấu này bao gồm các cấu kiện như thanh gỗ tiết diện vuông, chữ nhật, tròn và tấm, được liên kết để tạo ra các hình dạng như vòm, giàn, khung và hệ mái nhà, từ đó đáp ứng nhu cầu sử dụng của công trình.
Kết cấu gỗ công nghiệp có khả năng kết hợp linh hoạt với nhiều vật liệu khác như gạch, thép, bê tông cốt thép và chất dẻo Các sản phẩm này được thiết kế với các thông số kỹ thuật chính xác và đã trải qua quá trình thử nghiệm để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về tính đồng nhất cũng như hiệu suất cấu trúc.
Kết cấu gỗ công nghiệp mang lại nhiều lợi ích cho môi trường, với nghiên cứu từ tạp chí Cleaner Production cho thấy có khả năng loại bỏ khoảng 50 megaton CO2 vào năm 2050 khi áp dụng trong kiến trúc hiện đại Mặc dù tiềm năng này còn hạn chế, gỗ công nghiệp vẫn nổi bật trong các vật liệu xây dựng về khả năng bảo vệ môi trường Ngoài ra, gỗ công nghiệp còn có giá thành rẻ, mẫu mã đa dạng và khả năng gia công linh hoạt, giúp rút ngắn thời gian thi công cho các công trình.
Mặc dù gỗ công nghiệp có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm đáng lưu ý Tuổi thọ của gỗ công nghiệp phụ thuộc vào điều kiện môi trường như độ ẩm, mối mọt và nguy cơ cháy nổ Bên cạnh đó, vật liệu này có độ giãn nở và co ngót cao hơn so với các loại vật liệu xây dựng khác, dẫn đến biến dạng kết cấu Hơn nữa, nếu không được quản lý chặt chẽ, việc khai thác gỗ công nghiệp có thể gây hại cho nền lâm nghiệp do tình trạng khai thác không bền vững.
Hình 4 Một kết cấu gỗ công nghiệp kết hợp với khung chịu lực thép (9)
Với sự tiến bộ của khoa học công nghiệp, các kết cấu gỗ công nghiệp đã được phát triển đa dạng Hiện tại, chưa có nghiên cứu hoặc quy định chính thức nào về hệ thống phân loại kết cấu gỗ công nghiệp Do đó, tiểu luận này sẽ tiến hành phân loại các kết cấu này dựa trên loại vật liệu gỗ công nghiệp được sử dụng.
1) Kết cấu gỗ ghép thanh bằng keo (Glulam)
Gỗ ghép thanh bằng keo, hay còn gọi là Glulam (Glued laminated timber), là một loại vật liệu gỗ phổ biến trong xây dựng kết cấu gỗ công nghiệp hiện đại Glulam được sản xuất từ nhiều lớp thanh gỗ kết cấu được liên kết với nhau bằng chất kết dính theo trục dọc, tạo ra một khối gỗ lớn có độ bền cao và khả năng chịu lực mạnh mẽ.
Hình 5 Kết cấu gỗ Glulam được xây dựng bên trong thánh đường Nhà thờ Chính tòa
Gỗ Glulam, với quy trình thi công linh hoạt, cho phép sản xuất các thanh gỗ đa dạng về kiểu mẫu, rất phù hợp cho nhiều loại kết cấu khác nhau Sản phẩm này đáp ứng các yêu cầu về hình dáng cấu kiện như dầm thẳng, cong, oval và có khả năng kết hợp tốt với nhiều vật liệu xây dựng khác.
Hình 6 Kết cấu gỗ Glulam ứng dụng cho thiết kế cầu Accoya Glulam, Hà Lan (15)
Kết cấu gỗ Glulam thường được sử dụng cho các công trình nhịp lớn và có yêu cầu chịu lực cao, như sân vận động và các công trình tôn giáo Glulam nổi bật với độ bền vượt trội so với trọng lượng và khả năng kháng uốn xoắn cong, vượt xa cả sắt và thép.
2) Kết cấu gỗ ghép chéo (CLT)
Gỗ ghép chéo (CLT - Cross-laminated timber) là một loại vật liệu gỗ công nghiệp được sản xuất từ nhiều thanh gỗ khác nhau, nhưng có phương pháp chế tạo khác biệt so với Glulam Các thanh gỗ được ghép vuông góc với nhau bằng máy ép thủy lực, thường bao gồm từ 3 đến 7 lớp gỗ được xẻ từ một khúc gỗ nguyên khối, nhằm tạo ra sự đồng nhất trong sản phẩm.
Hình 7 Kết cấu gỗ Glulam tạo thành mái vòm nhịp lớn với chiều dài lên đến 85m cho sân vận động PostFinance-Arena, Thụy Sĩ (16)
Kết cấu gỗ CLT được ưa chuộng trong nhiều loại công trình như Pavilion, cao tầng, cầu đường và xây dựng module Các lớp vuông góc của thanh CLT mang lại cường độ nén cao, nhưng cũng ảnh hưởng đến độ chịu uốn và khả năng chịu tải của vật liệu Để đạt được các tính chất cơ học tối ưu, việc cân nhắc số lớp và hình dạng của các lỗ mở trong thiết kế và thi công tấm CLT là rất quan trọng.
Hình 8 Kết cấu gỗ CLT là bộ khung cho chung cư Stadthaus, Anh Quốc (20)
3) Kết cấu gỗ dán nhiều lớp (LVL)
Gỗ dán nhiều lớp (LVL - Laminated veneer lumber) là một loại gỗ công nghiệp được sản xuất tương tự như Glulam, nhưng với sự khác biệt là LVL sử dụng các lớp gỗ mỏng dán song song với phôi gỗ Điều này mang lại cho LVL khả năng chịu lực cao hơn và kiểm soát tải trọng tốt hơn mà không vượt quá giới hạn đàn hồi Vật liệu này nổi bật với độ đồng đều cao nhờ vào quy trình giám sát kỹ thuật chặt chẽ, giúp hạn chế tình trạng cong, vênh và co ngót so với gỗ tự nhiên, đồng thời vẫn giữ được các tính chất cơ học của gỗ.
Gỗ LVL được sử dụng làm khung kết cấu chịu lực chính cho công trình, đáp ứng yêu cầu chịu tải nặng với trọng lượng tối thiểu Ngoài ra, gỗ LVL còn là thành phần cấu kiện quan trọng trong các kết cấu gỗ công nghiệp khác như cột, dầm chính và dầm sàn.
Ngoài gỗ LVL, thị trường còn có nhiều loại kết cấu gỗ công nghiệp khác Tiểu luận này tập trung vào những loại tiêu biểu, nhấn mạnh sự khác biệt về phương pháp chế tạo và tính chất kết cấu, từ đó phản ánh sự đa dạng của kết cấu gỗ công nghiệp hiện đại.
Hình 9 Kết cấu gỗ LVL trở thành khung phẳng cho một nhà mái nhịp lớn tại Nga (23).
Phân loại
Đội ngũ kiến trúc sư: Acton Ostry Architects Đội ngũ kỹ sư: Fast + Epp
Năm xây dựng: Khởi công năm 2015, hoàn thành năm 2016
Ký túc xá Brock Commons Tallwood, thuộc Đại học British Columbia tại Canada, nổi bật với chiều cao 53m và diện tích sàn 15.000 m2, gồm 18 tầng với nhiều không gian chức năng đa dạng Từng là tòa nhà có kết cấu gỗ công nghiệp cao nhất thế giới khi hoàn thành, Brock Commons Tallwood đã tạo ra ảnh hưởng tiên phong cho các tòa nhà chọc trời sử dụng kết cấu gỗ sau này.
MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TIÊU BIỂU
Hình 10 Ký túc xá Brock Commons Tallwood (24)
Hình 11 Mặt bằng tầng điển hình của Brock Commons Tallwood (25)
Brock Commons Tallwood là tòa nhà có kết cấu gỗ công nghiệp hỗn hợp.
Bộ khung kết cấu chịu lực chính của tòa nhà được làm từ gỗ công nghiệp, kết hợp với các vật liệu đúc sẵn như nền bê tông và móng bê tông cốt thép Phần mái bao gồm khung gỗ nhẹ, dầm thép đúc sẵn và tấm lợp kim loại, trong khi phần lõi giao thông đứng gồm thang máy và cầu thang bộ thoát hiểm được thi công bằng bê tông, giúp đảm bảo sự ổn định cho kết cấu gỗ cao 53m nhờ vào cân bằng lực ngang Ý tưởng xây dựng tòa nhà này không chỉ hỗ trợ kinh tế địa phương và tận dụng nguồn tài nguyên gỗ phong phú của British Columbia, mà còn thể hiện sự đổi mới trong kiến trúc bền vững, kết hợp gỗ với bê tông để tạo ra một công trình thân thiện với môi trường, đáp ứng các yêu cầu về tính thích dụng, hiệu quả và an toàn.
Khung mái gỗ nhẹ kết hợp dầm thép
Khung kết cấu gỗ công nghiệp
Nền bê tông và móng bê tông cốt thép
Hình 12 Mô hình 3D hệ khung kết cấu của Brock Commons Tallwood từ đội kiến trúc sư
Trong quá trình phát triển ý tưởng táo bạo, đội ngũ xây dựng đã tạo ra một mô hình 3D hai tầng kích thước 8 x 12 m Mô hình này bao gồm các thử nghiệm với nhiều loại gỗ công nghiệp và hai lõi bê tông được neo theo độ cao của mô hình nhằm kiểm tra độ ổn định của kết cấu.
Kết cấu gỗ công nghiệp của Brock Commons Tallwood được coi là tiên tiến, vì đây là một trong những công trình đầu tiên áp dụng kết cấu gỗ theo kiểu module Các cấu kiện như bản sàn, dầm và cột đều được lắp đặt sẵn trước khi đưa vào công trường, giúp tiết kiệm thời gian thi công và nâng cao hiệu quả xây dựng.
Hình 13 Mô hình 3D hai tầng thử nghiệm được lắp đặt tại xưởng chế tạo Abbotsford (31)
Module của kết cấu gỗ bao gồm hệ thống liên kết giữa cột và bản sàn, được đo đạc chính xác bằng phần mềm trước khi triển khai thi công thực tế.
Kết cấu gỗ công nghiệp của Brock Commons Tallwood sử dụng mô-đun với các giá đỡ sàn bao gồm cột gỗ Glulam và dầm dán có kích thước 26 x 26 cm Bố trí trên sơ đồ mặt bằng kích thước 15 x 56 m với lưới cột 2,85 x 4 m, các tấm bản sàn làm bằng gỗ CLT gồm 5 lớp, tổng độ dày 16,6 cm, được đặt trên các giá đỡ Các tấm bản sàn này được bố trí so le theo các chiều vuông góc, tạo ra hỗn hợp chịu lực theo hai phương, giúp hình thành một trần nhà hoàn toàn không cần dầm.
Hình 15 Minh họa từ mô hình 3D và thực tế công trình của hệ khung kết cấu gỗ công nghiệp của Brock Commons Tallwood (35)
Bước 1: Lắp các module giá đỡ gồm cột gỗ Glulam và phần dầm dán 26 x 26 cm sau khi đã xây xong hai lõi bê tông của bộ khung.
Bước 2: Lắp các tấm bản sàn bằng gỗ CLT theo từng lớp lên phần giá đỡ của module.
Bước 3: Hoàn thiện phần khung của một tầng và tiếp tục lắp ở các tầng kế tiếp.Bản sản ghép từ gỗ CLT
Liên kết cắt giữa các tấm bản sàn CLT được tạo ra bằng tấm thép 3 lớp, giúp tạo ra mặt phẳng chịu lực uốn cho các tấm sàn Nguyên tắc chịu lực của khung kết cấu gỗ tại Brock Commons Tallwood cho thấy rằng tất cả các lực xô ngang như gió và động đất được truyền qua các liên kết cắt vào lõi thang bê tông, trong khi các giá đỡ bằng gỗ của module chịu tải trọng thẳng đứng và chuyển chúng xuống nền bê tông cốt thép ở tầng trệt.
Hình 16 Phần liên kết cắt các tấm sàn CLT cùng lớp vỏ thạch cao bọc ngoài kết cấu gỗ công nghiệp của công trình (37)
Hình 18 Lớp vỏ bao che cũng được lắp đặt song song theo từng tầng hoàn thiện (41)
Thời gian hoàn thiện công trình cũng là một điểm đáng kinh ngạc, cho thấy tiềm năng vô hạn của kết cấu gỗ công nghiệp.
Brock Commons Tallwood đã hoàn thành phần bê tông, bao gồm nền, móng và tháp lõi cứng trong 7 tháng đầu tiên Sau đó, chỉ mất 8 tuần để dựng xong bộ khung gỗ kết cấu cho toàn bộ tòa nhà Đặc biệt, mỗi tuần tòa nhà lại cao thêm 2 tầng nhờ vào quy trình lắp ráp các phần gỗ "như thể lắp lego".
Tòa nhà đã hoàn thành sớm hơn dự kiến 9 tuần rưỡi, nhanh hơn 9 tuần so với tốc độ thi công của một công trình bê tông có quy mô tương đương.
Phần vỏ bao che của công trình bao gồm tấm thạch cao chống cháy, gỗ CLT và cửa kính khung thép, tạo điểm nhấn và đảm bảo độ bền An toàn trong sử dụng công trình kiến trúc được đặc biệt chú trọng, với đội ngũ xây dựng đã thuyết phục chính quyền thông qua nhiều nghiên cứu và thí nghiệm Công trình đáp ứng đầy đủ các yêu cầu quy định xây dựng hiện hành, với trọng lượng nhẹ hơn so với tòa nhà bê tông tương đương, nhờ sự kết hợp của lõi bê tông, kết cấu thượng tầng bằng gỗ nhẹ và khung thép Brock Commons Tallwood được đảm bảo sẽ đứng vững ngay cả khi xảy ra rung chấn động đất.
Trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy, các thanh gỗ Glulam và bản sàn CLT đã được xử lý bằng lớp chống cháy một cách nghiêm ngặt Khi cháy, các cấu kiện gỗ sẽ tạo thành than mà không làm lan lửa ra môi trường xung quanh Bên cạnh đó, tòa nhà cũng được trang bị đầy đủ các thiết bị phòng cháy chữa cháy hiện đại theo quy định xây dựng.
So với các tòa nhà xây dựng theo phương pháp truyền thống, Brock Commons tiết kiệm 25% năng lượng xám và giảm mức tiêu thụ năng lượng hoạt động Với khung kết cấu gỗ công nghiệp, tòa nhà đã tiết kiệm được 2.650m3 bê tông, tương đương khoảng 500 tấn CO2 Theo các nhà quy hoạch từ Acton Ostry Architects, mặc dù sử dụng một lượng gỗ lớn, tòa nhà có diện tích 2.233 m3 này đã hấp thụ 1.753 tấn CO2 và ngăn chặn việc phát thải 679 tấn khí thải.
Hình 19 Nghiên cứu từ Springer cho thấy chỉ số hiệu suất xây dựng của Brock Commons đạt mức tốt so với các tòa nhà kết cấu gỗ khác (45)
II Tòa nhà giáo dục The Pa: Đội ngũ kiến trúc sư: Architectus New Zealand Đội ngũ kỹ sư: Jasmax, Design Tribe and Wraight & Associates
Vị trí: Kirikiriroa Hamilton, New Zealand
The Pa Education Building is a multifunctional educational center constructed with industrial wood by the University of Waikato, showcasing a strong influence of indigenous Maori culture in New Zealand It has been honored with the 2024 Te Kāhui Whaihanga NZIA Waikato & Bay of Plenty Architecture Award for Educational Projects, as well as the 2024 PCNZ Property Industry Best in Category and Excellence Award in Education Property.
Hình 20 Tòa nhà The Pa, nằm tại khuôn viên cơ sở Hamilton thuộc Đại học Waikato (48)
Hình 21 Mô hình concept và mặt cắt trích đoạn của The Pa được Architectus New Zealand thực hiện (50)
The Pa được xây dựng với kết cấu gỗ Glulam, sử dụng những mảnh gỗ Glulam dài nhất từng được sản xuất tại Aotearoa, tạo ra một khung kết cấu chịu lực lớn và mang tính thẩm mỹ độc đáo Đội ngũ kỹ sư phụ trách kết cấu gỗ Glulam của The Pa cho biết đây là một trong những dự án Glulam lớn nhất và phức tạp nhất tại New Zealand cho đến thời điểm hiện tại.
Hình dáng kết cấu gỗ công nghiệp của The Pa được lấy cảm hứng từ Wharenui, nhà cộng đồng truyền thống của người Maori, thể hiện sự sáng tạo và tín ngưỡng văn hóa Phần heke (xà gỗ) giao nhau ở giữa biểu trưng cho sự kết nối, trong khi tāhūhū (dầm đỉnh) có các thanh xa nhô ra ngoài đỡ phần mái nhà hình cánh bướm, tượng trưng cho sự bảo vệ những gì bên trong.
Hình 22 Mặt bằng trệt tổng thể và diagram cắt lớp của công trình (51)
Hình 23 Nhà Wharenui truyền thống của người Maori (55) và công trình The Pa (56)
Dầm phụ Cột ngoài Cột trong
Kết cấu gỗ Glulam của The Pa được thiết kế bao gồm các khung cổng lớn kết hợp với các bức tường bê tông chịu lực, tạo thành lối vào tòa nhà ở tầng trệt Các thanh xà mái Glulam dài vươn ra từ đỉnh của cấu trúc cổng Wharenui theo nhiều hướng, tạo nên cấu trúc mái độc đáo Hệ thống cột Glulam hỗ trợ chịu trách nhiệm đỡ phần mái, tải lực theo phương đứng, đảm bảo sự vững chãi cho toàn bộ công trình Để đáp ứng các yêu cầu về thực tiễn xây dựng và thẩm mỹ, kết cấu gỗ công nghiệp của The Pa phải có các thành phần gỗ Glulam tạo nên một bộ khung vững chãi, chịu được tải trọng nặng và các thách thức của thời tiết, biến bộ khung Glulam trở thành một phần trang trí của mặt tiền hai tầng kết hợp với kính và tường bê tông nhẹ.
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU GỖ CÔNG NGHIỆP
Nội lực N được tạo ra từ tải trọng tính toán, đây là tải trọng tối đa có thể xuất hiện trong suốt thời gian sử dụng Tải trọng tính toán P được xác định bằng cách nhân tải trọng tiêu chuẩn Pẽ với hệ số độ tin cậy về tải trọng ɣQ.
Khi nhiều tải trọng (Pi) tác động đồng thời, cần tính toán tổ hợp bất lợi nhất của các tải trọng Xác suất xuất hiện đồng thời các tải trọng lớn nhất được xác định bằng cách nhân tải trọng hoặc nội lực với hệ số tổ hợp (90).
Như vậy, nội lực N có thể viết dưới dạng:
Trong đó: là nội lực do = 1
Khả năng chịu lực S là giới hạn nội lực mà một cấu kiện có thể chịu đựng, và nó phụ thuộc vào các đặc trưng hình học của tiết diện cấu kiện cũng như các đặc điểm cơ học của vật liệu.
N là nội lực mà cấu kiện đang xét;
S là nội lực mà cấu kiện có thể chịu được.
II Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán:
Khi tính toán kết cấu gỗ công nghiệp, cần xác định cường độ tính toán cho từng loại vật liệu, bao gồm cường độ tiêu chuẩn, hệ số đồng nhất và hệ số điều kiện làm việc Những thông số này là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và độ bền của kết cấu.
Theo đó, giá trị cường độ tiêu chuẩn của vật liệu Rn được xác định như sau:
Trong đó: là giá trị độ bền tức thời trung bình của vật liệu
Cường độ tức thời và cường độ tiêu chuẩn được xác định từ thí nghiệm với việc chất tải tăng tuyến tính ở điều kiện độ ẩm 12% (91)
Về hệ số điều kiện làm việc, với các điều kiện sử dụng công trình khác nhau, lấy hệ số điều kiện làm việc theo bảng sau:
Ngoài ra, có một số bảng tra khác liên quan đến cường độ tính toán các vật liệu gỗ Trong đó, v là hệ số xác suất sai số của dụng cụ đo độ bền trong thí nghiệm.
Bảng tra hệ số điều kiện làm việc (92)
Bảng tra cường độ tính toán các vật liệu gỗ (93)
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8574-8578:2010 quy định các thông tin quan trọng về đặc trưng cơ học của gỗ công nghiệp như Glulam và LVL Tiêu chuẩn này cụ thể hóa các chỉ tiêu như độ bền uốn tĩnh (UT), độ bền nén dọc (ND) và độ bền tự nhiên (BTN) Ngoài ra, các đặc trưng cơ lý khác của gỗ công nghiệp cũng được đề cập, bao gồm chất lượng chất dán dính và mối ghép ngón, đảm bảo tính đồng nhất và độ bền của sản phẩm.
