Chuyên đề: Kết cấu và trang thiết bị kỹ thuật công trình tiên tiến - PGS.TS.KTS Trần Văn Khải

Chuyên đề: Kết cấu và trang thiết bị kỹ thuật công trình tiên tiến cung cấp cho người học những kiến thức như: Những giải pháp công nghệ thi công và vật liệu xây dựng tiên tiến; Các hệ thống kết cấu nhà cao tầng tiền tiến; Giải pháp ngôi nhà thông minh.

CHUYÊN ĐỀ:

KẾT CẤU VÀ TRANG THIẾT BỊ

KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH TIÊN TIẾN

Biên soạn: PGS.TS.KTS Trần Văn Khải

CHUYÊN ĐỀ: KẾT CẤU VÀ TRANG THIẾT BỊ KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH TIÊN TIẾN

Ấn bản 2015

MỤC LỤC

MỤC LỤC I HƯỚNG DẪN II BÀI 1: NHỮNG GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ VẬT LIỆU XÂY DỰNG TIÊN TIẾN 1

1.1 SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP, BÓNG NHỰA BUBBLE DECK 1

1.1.1 Đặc tính sàn BubbleDeck 2

1.1.2 Những ưu điểm chính của Sàn BUBBLEDECK đươc tóm tắt như 3

1.1.3 Các phương án thi công chính cho sàn BubbleDeck gồm 6

1.2 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG TOP DOWN: (TOP-DOWN CONSTRUCTION METHOD) 8 1.3 CÔNG NGHỆ THI CÔNG LẮP GHÉP TẠI HIỆN TRƯỜNG 9

1.4 KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 9

1.5 CÔNG NGHỆ 3D-PANEL : 12

TÓM TẮT 14

CÂU HỎI ÔN TẬP 14

BÀI 2: CÁC HỆ THỐNG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG TIỀN TIẾN 15

2.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG 15

2.2 CÁC HỆ THỐNG KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 16

2.2.1 Hệ vách cứng (SHEAR WALL): 18

2.2.2 Hệ có lõi cứng (CORE STRUCTURE) 19

2.2.3 Hệ khung: FRAME STRUCTURE 23

2.2.4 Hệ hộp (hay còn gọi là ống: Tube structure) 25

2.2.5 Các hệ thống kết cấu liên hợp 29

2.2.6 Phân loại các hệ thống kết cấu của nhà cao tầng theo VLXD 30

TÓM TẮT 34

CÂU HỎI ÔN TẬP 34

BÀI 3: GIẢI PHÁP NGÔI NHÀ THÔNG MINH 35

3.1 ĐỊNH NGHĨA KHÁI NIỆM “NGÔI NHÀ THÔNG MINH” 35

3.1.1 Những yêu cầu về chức năng của ngôi nhà thông minh 36

3.2 CÁC HỆ THỐNG KỸ THUẬT CỦA NGÔI NHÀ THÔNG MINH 40

3.2.1 Hệ thống mạng cơ sở 40

3.2.2 Hệ thống giải trí 41

3.2.3 Hệ thống báo cháy có hiển thị nhiệt độ 42

3.2.4 Hệ thống đảm bảo ánh sáng 46

3.2.5 kHệ thống điều hòa nhiệt độ tiết kiệm năng lượng 48

3.2.6 Hệ thông bảo đảm an ninh 49

3.2.7 Hệ thống thiết bị chông trộm 52

TÓM TẮT 55

CÂU HỎI ÔN TẬP 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

MÔ TẢ MÔN HỌC

Môn học này giới thiệu một số hệ thống công nghệ tiên tiến xuất hiện trên thế giới

và trong nước ta

Sự phát triển của nền kinh tế và sự tiến bộ về mức sống đòi hỏi phải áp dụng những phương pháp thiết kế và xây dựng phù hợp với yêu cầu của xã hội phù hợp với

sự phát triển của công nghiệp, kỹ thuật XD và VLXD đang tiến bộ vượt bậc

Việc giới thiệu môn học này sẽ giúp Sinh viên có thể kết hợp những kiến thức này vào bài thiết kế công trình kiến trúc của mình Đó chính là những tiến bộ quan trong trong các hệ thống công nghệ xây dựng

NỘI DUNG MÔN HỌC

Môn này xin trình bày các hệ thống công nghệ xây dựng tiên tiến trong 3 lĩnh vực thể hiện trong 3 bài sau:

1 Những giải pháp công nghệ xây dựng tiên tiến như : Sàn Bê tông cốt thép, sàn bóng nhựa Bubble deck, phương pháp thi công Top Down, công nghệ thi công lắp ghép tại hiện trường , kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước , công nghệ 3D-panel

2 Các hệ thống kết cấu nhà cao tầng : Hệ vách cứng , Hệ có lõi cứng , Hệ khung: frame structure, Hệ hộp, Hệ thống kết cấu liên hợp

3 Các hệ thống kỹ thuật của ngôi nhà thông minh: Hệ thống mạng co sở Hệ thống giải trí, Hệ thống báo cháy có hiển thị nhiệt độ, Hệ thống đảm bảo ánh sang, Hệ thống điều hòa nhiệt độ - tiết kiệm năng lượng

KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ

Môn học đòi hỏi sinh viên có nền tảng về cấu tạo kiến trúc, kết cấu và thi công

YÊU CẦU MÔN HỌC

Người học phải dự học đầy đủ các buổi lên lớp và làm bài tập đầy đủ trên lớp cũng như ở nhà

CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC

Để học tốt môn này, người học cần ôn tập các bài đã học, trả lời các câu hỏi và làm đầy đủ bài tập; đọc trước bài mới và tìm thêm các thông tin liên quan đến bài học

đề làm báo cáo

Đối với mỗi bài học, người học đọc trước mục tiêu và tóm tắt bài học, sau đó đọc nội dung bài học Kết thúc mỗi ý của bài học, người đọc trả lời câu hỏi ôn tập và kết thúc toàn bộ bài học, người đọc làm các bài tập

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC

Môn học được đánh giá gồm:

− Điểm quá trình: 30% Hình thức và nội dung do GV quyết định, phù hợp với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập

− Điểm thi: 70% Hình thức bài thi tự luận trong 90 phút Nội dung gồm các bài tập thuộc bài thứ 1 đến bài thứ 9

BÀI 1: N HỮNG GIẢI PHÁP CÔNG

NGHỆ THI CÔNG VÀ VẬT LIỆU XÂY DỰNG TIÊN TIẾN

HƯỚNG DẪN:

Bài này giới thiệu một số công nghệ tiên tiến xuất hiện nhằm đáp ứng sự đòi hỏi phải có những phương pháp thiết kế và xây dựng phù hợp với yêu cầu hiện đại hóa công nghiệp, kỹ thuật XD và VLXD có nhiều tiến bộ vượt bậc Sinh viên học bài này xong có thể kết hợp những kiến thức này vào bài thiết kế công trình kiến trúc của mình Bài không có mục đích đi vào các hệ thống công nghệ có tính viễn tưởng hay của tương lai xa xôi

BUBBLE DECK

Một trong các công nghệ mang tính cách mạng là công nghệ sàn rỗng BubbleDeck

để công xưởng hóa quá trình thi công sàn toàn khối, giảm đến 50% trọng lượng bản thân công trình, giảm lượng tiêu thụ bê tông, giảm lao động, giảm rác thải… Đây là công nghệ được Bộ Xây dựng xem xét và khuyến khích phát triển tại Việt Nam Việt Nam là quốc gia đầu tiên của châu Á và quốc gia thứ 15 trên thế giới tiếp nhận công nghệ này của Đan Mạch

Sàn BubbleDeck là một loại sàn rỗng khi sử dụng các quả bóng bằng nhựa tái chế thay thế cho phần bê tông không tham gia chịu lực của bản sàn Qua đó tiết kiệm được thời gian thi công tạo được không gian rộng , giảm được đáng kể trọng lượng của kết cấu , từ sàn đến cột và móng công trình , thân thiện với môi trường và có khả năng vượt được nhịp lớn

Các công trình nổi tiếng thế giới từng ứng dụng công nghệ này có tòa nhà Le coie ( Anh ) – Giải thưởng Xây dựng Jersey 2005 (Tiết kiệm được hơn 400.000 bảng Anh khi

sử dụng 7800m2 sàn BubbleDeck) Tòa nhà Millenium Tower (Rotterdam, Hà lan)… Công nghệ này được đề cử giải Môi trường Châu Âu giành cho sự phát triển bền vững Dành giải thưởng sáng tạo Jersey 2005 ( Sản phẩm mới thiết thực nhất ) và rất nhiều giải thưởng lớn khác ở Châu Âu

Hình 1.1 : Công nghệ sàn dùng bóng rỗng làm cốt liệu BubbleDeck

Tại Việt Nam sàn BubbleDeck mới được đưa vào nhưng đã nhanh chóng được ứng dụng, phát triển tại Hải Phòng, Hà Nội, Hưng Yên, Bà Rịa - Vũng Tàu Các cao ốc và các trường học như:Trường Quốc tế Thăng Long (Khu bắc Linh Đàm Hà Nội ) , Khách sạn Phù Đổng (Thanh Hóa) , Chung cư + Văn phòng nhà 24 tầng tại Phườc Tỉnh, Long Điền

Đây là một công nghệ thi công sàn bê tông cốt thép mang tính cách mạng trong xây dựng khi sử dụng những quả bóng bằng nhựa tái chế để thay thế phần bê tông

không tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, làm giảm đáng kể trọng lượng bản thân kết cấu và tăng khả năng vượt nhịp lên khoảng 50%

Các cấu kiện rộng 2,4m tạo nên một phần bản sàn tổng thể được sản xuất dưới dạng cấu kiện đúc sẵn bán toàn khối bao gồm lưới thép dưới và lớp bê tông đúc sẵn dày 60mm, hình thành hệ ván khuôn vĩnh cửu cho bản sàn Các sườn tăng cứng có tác dụng cố định 2 lưới thép trên và dưới, định vị các quả bóng nhựa đúng vị trí cũng như tăng cường độ cứng dọc cho tấm sàn trong khi lắp dựng

Sau khi cấu kiện bán toàn khối được đặt vào vị trí và được đỡ tạm thời bằng hệ giáo thi công, các cấu kiện sẽ được liên kết lại với nhau bằng cốt thép rời đặt giữa các quả bóng nhựa trên lớp bê tông đúc sẵn và lưới thép trên

Quá trình đổ bê tông và dưỡng hộ tại công trường sẽ làm "biến mất" mối nối giữa các cấu kiện, do đó tạo ra được một sản phẩm hoàn thiện, đảm bảo độ ổn định và bền vững,

có khả năng chịu lửa, cách âm tốt và chống lại các tác động có hại của thời tiết

BubbleDeck là công nghệ thi công tấm sàn phẳng, rỗng theo hai phương không dầm, ít cột, thi công không cần ván khuôn và có khẩu độ vượt nhịp lớn Sàn BubbleDeck rất linh hoạt trong thiết kế kiến trúc, có tính cách âm, cách nhiệt tốt và khả năng chống cháy nổ, giảm tác dụng động đất vượt trội

Với công nghệ BubbleDeck, việc thi công tấm sàn có thể tiết kiệm tới 50% lượng

bê tông so với sàn truyền thống, giảm thời gian lắp dựng mỗi sàn xuống 5 đến 7 ngày, giảm tải trọng bản thân tấm sàn cũng như tải trọng lên phần móng công trình

và góp phần tích cực vào công tác bảo vệ môi trường Với những tiến bộ trên, công nghệ BubbleDeck đã được cấp chứng nhận đạt Tiêu chuẩn Xây dựng Châu Âu

tóm tắt như

- Vượt được nhịp lớn mà không cần hệ dầm đỡ như sàn truyền thống Qua đó tạo được không gian kiến trúc thoáng và thẩm mỹ

- Bản sàn BubbleDeck phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực,

có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế, cụ thể: Tạo tính linh hoạt cao trong thiết kế, có khả năng áp dụng cho nhiều loại mặt bằng công trình;

thân thiện với môi trường khi giảm lượng phát thải năng lượng và khí C02(khí nhà kính)

- Giảm tới 35% trọng lượng bản thân kết cấu, từ đó giảm kích thước hệ kết cấu cột, vách, móng; Tăng khoảng cách lưới cột, giảm hệ tường, vách chịu lực;

Từ đó giảm được trọng lượng bản thân của toàn công trình Nếu như trọng lượng bản thân của dầm sàn truyền thống bằng bê tông cốt thép đặc được tính 2500kg/m3 , thì với sàn bóng trọng lượng chỉ còn 1850kg/m3, dẫn đến các kết cấu khác như cột, móng cũng được giảm tải trọng theo và tiết diện cột, móng cũng giảm so với kết cấu truyền thống

- Trong thi công sàn BubbleDeck, các quả bóng và lưới thép được chế tạo sẵn trong nhà máy theo các tấm định hình rồi lắp ghép tại hiện trường sau đó đổ bê tông, do vậy thời gian thi công các sàn rất nhanh và rút ngắn tiến độ thi công công trình so với dầm sàn truyền thống

- Sàn BUBBLEDECK có độ cách âm , cách nhiệt và chống cháy rất cao do sàn có lớp rỗng ở giữa , đây là ưu điểm mà sàn truyền thống bị hạn chế mặt này

- Tiết kiệm được chi phí xây dựng so với dầm sàn truyền thống cụ thể :

1 Do các tấm sàn bóng được sản xuất trong nhà máy và lắp ghép tại hiện trường chỉ cần hệ thống cây chống do vậy không cần hệ thống ván khuôn tạo hình , tiết kiệm được chi phí này

2 Khối lượng bê tông giảm đáng kể so với dầm sàn truyền thống cùng nhịp Vì sàn BUBBLEDECK vượt nhịp lớn mà không cần hệ dầm đỡ , đồng thời số lượng cột cũng như tiết diện cột đều giảm do trọng lượng bản thân của sàn giảm so với dầm sàn truyền thống

3 Tiến độ thi công nhanh , tiết kiệm được chi phí nhân công

4 Rút ngắn được thời gian hoàn thành công trình Nhanh chóng đưa công trình vào

sử dụng và qua đó tạo hiệu quả kinh tế nhanh theo chức năng của công trình

Hình 1.2 : Thi công lắp ghép sàn BubbleDeck

Hình 1.3 : Thi công lắp đặt bằng tay sàn BubbleDeck

- Sàn BubbleDeck chỉ cần sử dụng 50% lượng bê tông so với một tấm sàn đặc có cùng khả năng chịu lực, hoặc cùng độ dày tấm sàn BubbleDeck có khả năng chịu

toán thường sử dụng hệ số 0.6 để thể hiện mối tương quan này Trong những vùng chịu lực phức tạp(khu vực quanh cột, vách, lõi), có thể bỏ bớt các quả bóng

để tăng khả năng chịu lực cắt cho bản sàn

- Khả năng chịu động đất cũng là một trong những ưu điểm của BubbleDeck Lực động đất tác động lên công trình có giá trị tỉ lệ với khối lượng toàn công trình và khối lượng tương ứng ở từng cao độ sàn BubbleDeck, tấm sàn phẳng chịu lực theo hai phương, với ưu điểm giảm nhẹ trọng lượng bản thân, khi kết hợp với hệ cột và vách chịu lực sẽ trở thành một giải pháp hiệu quả chống động đất cho các công trình cao tầng

Bên cạnh đó là khả năng vượt nhịp của BubbleDeck Quá trình xác định nhịp lớn nhất mà tấm sàn BubbleDeck có thể vượt qua dựa trên tiêu chuẩn British Standard

8110 và EuroCode 2, có bổ sung hệ số 1.5 để kể đến việc giảm nhẹ bản thân sàn so với sàn đặc truyền thống Tỉ số giữa nhịp/chiều cao tính toán của tấm sàn L/d ≤ 30 đối với sàn đơn, L/d ≤ 39 đối với sàn liên tục, L/d ≤ 10.5 đối với sàn ngàm một phương

Phương án A: lắp đặt tại chỗ

Phương án B: được lắp đặt sẵn theo khuôn mẫu

- Chuẩn bị các tấm sàn BubbleDeck theo kích cỡ mẫu

- Vận chuyển đến nơi cần lắp đặt

Phương án C: lắp đặt sàn BubbleDeck linh họat

Tại vị trí sàn:

- Kiểm tra sai lệch ( hoàn công ) đỉnh cột, đỉnh tường,

- Kiểm tra độ chặt của nền ( tránh lún giáo chống ván khung )

- Lắp đặt hệ thống giáo và giằng

- Lắp đặt hệ thống xà gồ đỡ đúng cao độ thiết kế ( sai lệch nhỏ hơn 5mm )

- Lập lưới định vị các cấu kiện sẽ lắp

Công tác sản xuất cấu kiện:

- Chuẩn bị mặt bằng khu vực lắp rắp đủ để tập kết lưới thép, gỗ ván và thi cụng lắp ráp, xếp sản phẩm cấu kiện sau lắp ráp

Hình 1.4 : Thi công tại nhà máy các cấu kiệnsàn BubbleDeck

Hiện nay nền xây dựng đất nước ta đang ngày càng công nghiệp hóa , hiện đại hóa

và hòa nhập rất nhanh vào việc áp dụng khoa học kỹ thuật mới trên thế giới trên tất

cả các lĩnh vực Không thể cứ chấp nhận hoài kết cấu xây dựng truyền thống Nhịp lớn thì dầm lớn, cột lớn Nhịp nhỏ thì dầm nhỏ , cột nhỏ mà chúng ta cần phải ứng dụng và phát triển công nghệ mới để đưa ngành xây dựng của Việt Nam phát triển và theo kịp với sự phát triển của thế giới

Hình 1.5: Chi tiết lắp đặt cấu kiện sàn BubbleDeck

thực tế thị trường xây dựng Việt nam

(TOP-DOWN CONSTRUCTION METHOD)

Là công nghệ thi công phần ngầm của công trình, theo phương pháp từ trên xuống, khác với phương pháp truyền thống: thi công từ dưới lên Trong công nghệ thi công Top-down người ta có thể đồng thời vừa thi công các tầng ngầm (bên dưới cốt ± 0,00 ( tức là cao độ mặt nền hòan thiện của tầng trệt ) và móng của cơng trình, vừa thi công một số hữu hạn các tầng nhà, thuộc phần thân nhà Phần này sẽ trình bày

kỹ trong môn thi công

Hình 1.6 : Minh họa phương pháp thi công Top-Down

1.3 C ÔNG NGHỆ THI CÔNG LẮP GHÉP TẠI HIỆN TRƯỜNG

Các cấu kiện được chế tạo sẵn ở nhà máy thành các kết cấu chịu lực của một công trình, sau đó được vận chuyển đến thi công tại công trường Các cấu kiện bằng kim loại thì thường được ráp mối bằng mối liên kết hàn hay liên kết cơ khí khác Các cấu kiện bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép đúc sẵn thì liên kết bằng mối liên có chất lượng tương đương với việc thi công bê tông tòan khối Các cấu kiện đúc sẵn có thể là dầm, cột, cầu thang, bản sàn tấm tường, dàn vì kèo, móng cốc, đoạn đường ống (tunnel), đốt cọc

Phần này sẽ trình bày kỹ trong môn thi công nên chỉ trình bày vắn tắt tại đây

Đó là bê tông dự ứng lực sử dụng kết hợp ứng lực căng rất cao của cốt thép ứng suất trước với sức chịu nén của bê tông để tạo nên trong kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải ngay trước khi chịu tải

Nhờ đó những kết cấu bê tông này có khả năng chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông thông thường, hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường Cốt thép trong bê tông, là cốt thép cường độ cao, được kéo căng ra bằng máy kéo ứng suất trước, đạt tới một gía trị ứng suất nhất định, nằm trong giới hạn đàn hồi của nó, trước khi các kết cấu bê tông cốt thép này chịu tải Trong công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, sàn nhà là bộ phận chiếm tỷ

lệ lớn, chịu lực phức tạp và có cấu tạo rất đa dạng

Đối với công trình ít tầng thì giá thành chi phí cho sàn chiếm một tỷ lệ lớn, còn với nhà nhiều tầng, do công trình chịu lực ngang cũng như tải trọng bản thân kết cấu lớn nên chi phí cho các bộ phận chịu lực ngang cũng như cột, tường sẽ tăng dẫn đến chi phí cho sàn chiếm tỷ lệ cao Với công trình cao khoảng 40 tầng, trọng lượng sàn chiếm đến 50% trọng lượng toàn công trình

Hình 1.6 : Sơ đồ minh họa hoạt động của bê tông cốt thép ứng suất trước Tại các công trình lớn thì việc thi công sàn bê tông ứng lực trước được sử dụng có nhiều tính năng ưu việt

Ứng dụng này phát huy nhiều ưu điểm như:

- Tạo được độ phẳng không gian trần đẹp;

- Sử dụng không gian linh hoạt

- Độ bền công trình cao

- Sàn bê tông ứng lực trước cần ít bê tông hơn, nhất là với 1 nhịp lớn

- Tiết giảm thời gian thi công Trong thi công, với 1 nhịp lớn, sàn bê tông ứng lực trước cần ít bê tông hơn, cho phép tháo cốp pha sớm hơn Sàn nhà xây dựng nhanh thì việc hoàn thiện có thể kết thúc sớm

- Tăng tương đối chiều cao thông tầng,

So với bê tông cốt thép thông thường, sàn phẳng ứng lực trước cho phép có tỷ lệ chiều cao lớn hơn Thường thì chiều cao của tầng nhà phụ thuộc vào hệ kết cấu có dầm hay không có dầm Nếu hệ kết cấu sàn không có dầm với bước cột lớn thì chiều cao tầng có thể giảm (hay cùng với một chiều cao nhà và cùng số tầng thì chiều cao thông tầng tăng) và tính linh hoạt của không gian ở trong các tòa nhà sẽ cao hơn nhiều so với nhà có bước cột bé hoặc nhà có bước cột lớn nhưng lại có dầm

Đặc biệt là những nhà có sử dụng hệ thống điều hoà không khí trung tâm thì giải pháp sàn không dầm lại rất tiện lợi Việc tổ chức không gian ở và làm việc linh hoạt vì

có thể thay đổi trong tương lai

Chính vì thế, tại các trung tâm thương mại, hay các tòa nhà đã thi công sàn bê tông ứng lực trước, thì việc bố trí không gian cũng tương đối thoải mái và thích hợp

do không vướng nhiều dầm và cũng không tốn kém trong việc làm trần nhà

- Giá thành phần kết cấu nhà cao tầng thường chiếm tới 28 - 32% giá thành xây dựng, mà trong phần kết cấu, riêng lõi và sàn nhà đã chiếm tới gần 80% giá thành Sử dụng sàn tiền chế ứng lực trước là biện pháp tối ưu để giảm thời gian thi công và tiết kiệm cốppha dàn giáo dẫn đến giảm đáng kể giá thành xây dựng

- Sàn ứng lực trước có khả năng vượt nhịp lên tới 20m, nhưng chỉ hiệu quả trong nhịp từ 8 - 12m, kinh tế nhất là nhịp 9m Với các kết cấu đòi hỏi vượt khẩu độ (nhịp lớn) thì việc ứng dụng công nghệ sàn ứng lực trước hiệu quả hơn, rẻ hơn giảm thiểu việc sử dụng vật liệu xây truyền thống mà thay vào đó là sử dụng vật liệu xanh, thân thiện với môi trường

Hinh 1.7: Lắp đặt cáp ứng lực trước

Hinh 1.8: Lắp đặt cáp ứng lực trước

Có mặt tại Việt Nam từ đầu những năm 90 Những tấm 3D-panel với kết cấu 3 chiều hình thành bởi lưới thép đan vào nhau, ở giữa là lớp mousse xốp vừa có tác dụng cách nhiệt vừa giúp làm giảm khối lượng so với tường gạch hay sàn bê tông truyền thống Mỗi mét vuông tường, sàn bằng tấm 3D-panel có khối lượng chỉ khoảng 60% so với tường gạch và sàn bê tông có cùng kích thước Nếu ứng dụng vào xây dựng nhà cao tầng thì giá thành phần thô của công trình sẽ có thể rẻ hơn 10-15%

Hình 1.9: tấm panel 3D và vị trí ứng dụng trong một ngôi nhà

Ưu điểm:

Tấm bê tông nhẹ đưược sản xuất trên nền vật liệu mới là vữa bê tông nhẹ có gia cường cốt sợi (Sợi xơ dừa hoặc sợi tổng hợp) để tạo ra những tấm tường lắp ghép được với nhau,

- Chi phí đầu tư thấp, toàn bộ thiết bị hoàn toàn được sản xuất trong nước

- Tổ chức sản xuất công nghiệp tại nhà máy, cũng có thể sản xuất ngay tại công trường xây dựng

- Với đặc tính cách âm, cách nhiệt của loại vật liệu mới làm cho nhà ở thông thoáng

là ưu thế hơn hẳn so với xây dựng cổ điển

- Phát huy ưu thế nhẹ khi thi công nhà ở trên nền đất yếu, không chân

TÓM TẮT

Những giải pháp công nghệ xây dựng tiên tiến gồm có : Sàn Bê tông cốt thép, sàn bóng nhựa Bubble deck, phương pháp thi công Top Down, công nghệ thi công lắp ghép tại hiện trường , kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước , công nghệ 3D-panel Các hệ thống này không quá đắt, không đòi hỏi thiết bị cao cấp nhưng tỏ ra hiệu quả hơn trong kiến trúc nhà cao tầng

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1: Hãy nêu tên và miêu tả nguyên tắc chính của những hệ thống công nghệ xây dựng tiên tiến

Câu 2: Hãy trình bày nguyên tắc cấu tạo và thi công của từng hệ thống: Sàn Bê tông cốt thép, Sàn bóng nhựa Bubble deck, Phương pháp thi công Top Down, Công nghệ thi công lắp ghép tại hiện trường , Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước , Công nghệ 3D-panel

Câu 3: Tại sao các hệ thống hệ thống công nghệ xây dựng tiên tiến đã nêu trong bài lại tỏ ra hiệu quả hơn trong kiến trúc nhà cao tầng

BÀI 2: CÁC HỆ THỐNG KẾT CẤU

NHÀ CAO TẦNG TIỀN TIẾN

Bài này cho thấy : Sự phát triển của nền công nghiệp, gồm cả các hệ thống công nghệ xây dựng, đã tác động không nhỏ đến việc lựa chọn các hình thức nhà trong đó vai trò hang đầu là hệ thống kết cấu xây dụng ở

Sau những biến dộng xã hội, nạn thiếu nhà ở trở nên trầm trọng, yêu cầu xây dựng hàng loạt đã đưa tới xu hướng áp dụng nhữn hệ thống kết cấu ưu việt để xây dựng nhà cao tầng

NHÀ CAO TẦNG

Vai trò việc phát minh ra thang máy của Otis:

Hình 2.1: E Otis biểu diễn thang máy và hệ thống an toàn

Với việc phát minh ra thang máy của Otis ngày xưa , nay kĩ thuật nhà cao tầng đã

có bước tiến xa với các loại thang cao tốc có giao thông tốc độ cao.

Hình 2.2: Bảng tổng sản lượng thép trên thế giới

Sản lượng thép gia tăng đưa tới sự phát trển của kết cấu nhà cao tầng Sản xuất thép dóng vai trò quan trọng, sản lượng thép châu Á ngày nay cao hơn các châu lục khác Kết quả là kỷ lục về số lượng, chiều cao nhà cao tầng chuyển về phía châu Á:

Hình 2.2 : Kỷ lục về số lượng, chiều cao nhà cao tầng chuyển về phía châu Á:

thấp tầng, những lực thẳng đứng nói trên là chủ yếu, còn tác động của tải trọng gió

có thể bỏ qua Tuy nhiên, khi công trình cao hơn và mảnh hơn, gió sẽ gây ra các tải trọng đáng kể theo chiều ngang và có xu hướng lật đổ công trình

Nếu phân loại theo lực tác động, hệ kết cấu cao tầng có thể phân loại như:

1 Hệ chịu tác động của tải trọng thẳng đứng: bao gồm dầm sàn có nhiệm vụ chịu toàn bộ tải trọng trên sàn, cột hay tường và truyền xuống nền móng

2 Hệ chịu tác động của tải trọng ngang: bao gồm hệ khung thẳng đứng (hoặc vách cứng), lõi cứng có tác dụng chống lại những tải trọng ngang

Việc lựa chọn hệ kết cấu công trình cao tầng phụ thuộc rất nhiều yếu tố

Có thể thống kê một số yếu tố quan trọng như sau:

- Tải trọng ngang thiết kế (chủ yếu là gió và động đất)

- Tiêu chuẩn thiết kế cấu tạo

- Tiêu chuẩn: giới hạn khả năng phục vụ (chuyển vị ngang, dao động giới hạn )

- Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng

- Phương thức sử dụng (ít người hay đông người)

- Trạng thái địa kỹ thuật và nền đất

- Cấp phòng hỏa và các yêu cầu liên quan khác

- Các loại vật liệu và điều kiện cung ứng cũng như đơn giá vật liệu

- Công nghệ thi công liên quan đến vật liệu, trang thiết bị và tiến độ

- Giá đất và vốn đầu tư cho công trình

- Hình thức và dạng loại công trình (hình hộp, hình trụ tròn, giật cấp )

- Thiết kế kiến trúc và sự nhất quán với kết cấu công trình

Trong các khu vực có động đất, còn phải chú ý đến các điểm sau đây:

A Tuân thủ các quan điểm thiết kế hiện đại:

- Động đất yếu, không được gây hư hại gì cho công trình

- Động đất vừa phải, không được gây hư hỏng đáng kể cho kết cấu

B Khả năng bảo dưỡng hoặc sửa chữa công trình sau động đất

Nhìn chung, có 4 hệ thống kết cấu cơ bản của nhà cao tầng:

Hệ Vách cứng (Shear wall structure);

Hệ Lõi cứng (Core structure);

Hệ Khung (frame structure);

Hệ Ống: (tube structure) còn gọi là hệ hộp

Tùy thuộc cách bố trí vách cứng trên mặt bằng, có thể chia thành 3 nhóm chính:

a Hệ vách cứng chịu lực theo chiếu ngang: các vách chịu lực cứng nằm vuông góc với chiều dài nhà

b Hệ vách cứng chịu lực theo chiều dọc: các vách chịu lực chính nằm song song với chiều ngôi nhà

c Hệ vách cứng chịu lực hỗn hợp: các vách chịu lực chính nằm theo cả phương ngang và dọc nhà

Hình : Một số dạng vách cứng thường dùng Tuy nhiên, đa số trường hợp các vách cứng thường có những khoảng trống để làm cửa đi và cửa sổ Số lượng, kích thước và cách bố trí các ô cửa ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của vách chịu lực

Hình : Vách cứng chịu lực xô ngang và tải trọng thẳng đứng Hệ vách cứng

làm việc theo tùng cặp

Nhìn chung hệ có vách cứng chịu lực được sử dụng cho nhiều thể loại công trình, nhất là các công trình bên trong ngăn chia thành nhiều không gian nhỏ như khách sạn

và chung cư cao tầng

Chiều cao thích hợp của hệ vách cứng là khoảng 10 – 20 tầng

Hình : Vách cứng chữ thập kết hợp lõi cứng kết hợp các vách ngăn bố trí vách

cứng hệ vách tạo thành khung

Đối với một số công trình cần có sự linh hoạt trong tổ chức mặt bằng, có chiều cao trung bình, có thể sử dụng loại kết cấu chịu lực có lõi cứng, có khả năng chịu được tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang, mô men uốn theo hai hướng chính cũng như mô men xoắn

Vị trí và số lượng lõi cứng có thể khác nhau Hình dạng lõi cứng có thể là hình vuông, hình tròn, hình chữ nhật, hình tam giác hoặc đa giác nếu là lõi kín, cũng có thể có dạng chữ X, Y, I hay U nếu là lõi hở

Lõi cứng thường kết hợp với những cấu kiện chịu lực ngang và dọc khác, tuỳ theo yêu cầu sử dụng và khả năng chịu lực Hệ lõi cứng có một số loại cơ bản như sau:

- Khung có lõi cứng, gồm lõi cứng ở giữa và các cột xung quanh

- Lõi cứng và hệ sàn consol, trong đó kết cấu sàn chịu lực độc lập hay kết hợp theo từng cặp

- Lõi cứng với hệ giàn đỡ dưới

- Lõi cứng với hệ sàn treo

- Kết cấu hỗn hợp: khung có lõi cứng và giàn mái

- Hệ có lõi kép (hộp trong hộp): ngoài lõi kín ở giữa còn có lõi ngoài tạo bởi kết cấu vách cứng ngoài

Hình : Các hình thức hệ lõi cứng kết hợp sàn, khung cột, dàn treo sàn Trong thực tế hệ kết cấu này có thể biến hóa linh hoạt trên những nguyên tắc nêu trên Ví dụ Ngân hàng Thượng Hải – Hong Kong của Norman Foster có bộ khung 8 cột kép với các dàn treo, trong đó mỗi dàn treo 5 tầng nhà, có thể nhận thấy rõ ngay

trên mặt tiền nhà nhưng lại không dùng lõi cứng mà dùng 4 cột tạo bộ khung đóng vai trị lõi cứng

Hình : Ngân hàng Thượng hải – Hongkong của Kts Norman Foster sử dụng

kết cấu kiểu mỗi dàn treo một số tầng

Nhìn chung trong số các hệ thống kết cấu nêu trên, khung có lõi cứng là giải pháp đơn giản và kinh tế nhất Thông thường, cột chỉ chịu tải trọng thẳng đứng; toàn bộ tải trọng ngang sẽ phân bổ cho lõi cứng Tuy nhiên, khi chiều cao công trình tăng lên, hệ thống kết cấu này có thể không bảo đảm độ cứng ngang cần thiết

Kết cấu lõi cứng với hệ sàn consol là giải pháp cần sử dụng nhiều thép hơn, đặc biệt là khi hệ sàn có độ hẫng lớn

Kết cấu lõi cứng với hệ giàn đỡ dưới cho phép giải phóng hoàn toàn sàn tầng trệt Kết cấu lõi cứng với hệ sàn treo mở ra triển vọng lý thú cho thiết kế kiến trúc

Có thể sử dụng kết cấu này khi nền đất có khả năng chịu tải tốt, nhất là trường hợp móng công trình thiết kế nằm sát móng các công trình lân cận Việc thi công công trình được bắt đầu từ giàn mái ở phía trên Các phần tử kết cấu khác được treo lên giàn mái từ đỉnh xuống chân công trình Kết cấu sàn trong trường hợp này cần độ cứng ngang thích hợp

Kết cấu hỗn hợp đặc trưng bởi giàn mái liên kết với tất cả , tạo ra kết cấu rất cứng

và hiệu quả các phần tử thẳng đứng trong một hệ thống nhất

Hệ có lõi kép: Kết cấu này đặc biệt phù hợp đối với các công trình có chiều cao tương đối lớn

Hình : Hệ kết cấu Lõi trong lõi (lõi kép)

Khối lõi giao thông làm lõi cứng trong

Trong hệ có lõi kép, tải trọng ngang và tải trọng thẳng đứng không những được

truyền vào lõi trong mà còn phân bổ cho lõi ngoài Hệ thống này rất phù hợp với các

công trình siêu cao hoặc có độ thanh mảnh khá lớn Độ cứng ngang của công trình có

thể được tăng lên khá nhiều nếu bổ sung thêm các giàn đai Nếu công trình có lõi cứng bằng thép, tường của lõi có thể được thiết kế như các

khung cứng, giàn dưới (khung giằng) hay hỗn hợp Ưu điểm của lõi thép là các chi tiết

cấu kiện thường được gia công sản xuất hàng loạt trong nhà máy, tạo điều kiện thuận

lợi cho thi công đơn giản, đồng thời giảm đáng kể thời gian thi công lắp dựng

Hình : Hệ lõi cứng là lõi giao thông Hình : Hệ lõi cứng kép

Lõi bê tông cốt thép có đặc điểm là chịu được cường độ nén cao Do vậy rất phù hợp với các hệ thống chịu tải trọng thẳng đứng rất lớn, chẳng hạn như hệ có sàn treo

Ưu điểm chính của lõi bê tông cốt thép là độ cứng lớn và khả năng chống cháy cao

Hình : Lõi cứng kiểu dàn Hình : Lõi cứng kết hợp cột – vách

cứng chịu lực

- Hệ khung có nút cứng (còn gọi là hệ khung mô men)

Kết cấu khung thuần túy là kết cấu chịu tải bao gồm các dầm và cột nối với nhau bằng các nút cứng tạo thành kết cấu khung không gian

Hình : Hệ khung có nút cứng (dùng đà kép và cột kép, cột chùm tạo độ cứng)

êlíp, hoặc đa giác… Do không có tường chịu lực nên bố cục mặt bằng khá linh hoạt, vì vậy hệ khung nút cứng có khả năng tạo ra các không gian tương đối lớn

Kết cấu khung thuần túy có khả năng chịu tải thẳng đứng khá cao, nhưng khả năng chịu tải trọng ngang tương đối thấp Trên thế giới, người ta thường sử dụng hệ khung có nút cứng kết hợp với các loại khung giằng, vách chịu lực hoặc lõi cứng để tăng cường khả năng chịu tải trọng ngang cho nhà cao tầng

- Hệ khung giằng (còn gọi là vách kiểu giàn thẳng đứng)

Cũng như hệ khung có nút cứng, hệ khung giằng là hệ thống kết cấu chịu tải trọng ngang cơ bản của nhà cao tầng

Hình: Hệ khung có nút

cứng Hình: Hệ khung giằng (vách giàn thẳng đứng)

Hệ thống này đã được sử dụng ngay trong thời kỳ xây dựng các nhà cao tầng đầu tiên của thế kỷ 20 Đến nay, hệ khung giằng vẫn được áp dụng rộng rãi cho các công trình có chiều cao không có 40 – 50 tầng

Theo dạng hình học, hệ khung giằng được phân thành giàn có các thanh đồng quy (đồng tâm) và lệch tâm Khi cần bố trí các ô cửa đi hoặc cửa sổ, tốt nhất là sử dụng các loại khung giằng lệch tâm

Hình : Các dạng khung chịu lực

Hình : Các dạng khung giằng không đồng quy Các giàn thép thẳng đứng thường được bố trí xung quanh lõi thang máy và các đường ống kỹ thuật của nhà cao tầng, vì các thanh chéo của giàn thép có thể dễ dàng

bị che lấp bởi các bức tường lõi

Hệ khung giằng có thể cùng chịu đựng với hệ khung có nút cứng, tạo thành một hệ thống nhất, áp dụng cho các công trình có chiều cao khá lớn

Hình : Cao ốc với hệ khung giằng, mở lỗ cửa phải tránh vị trí giằng

Bất hợp lí cơ bản của hệ kết cấu khung bê tông cốt thép trong các công trình có chiều cao hơn 15 tầng là các cấu kiện chịu lực có kích thước lớn, nặng nề, ảnh hưởng tới kết cấu nền mỏng, khối lượng vật liệu lớn, và do vậy không kinh tế