BÀN VỀ VIỆC KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG KẾT CẤU BAO CHE NHÀ CAO TẦNG PGS., TS. TRẦN CHỦNG Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Tóm tắt: Nội dung bài viết bàn về công tác quản lý chất lượng hệ kết cấu bao che nhẹ (Lightweight Facades) tạo thành từ kính và khung kim loại trong nhà cao tầng trên thế giới và ở Việt Nam; những vấn đề đang tồn tại và những kiến nghị cần quan tâm. 1. Mở đầu Đối với mỗi đô thị, công trình nhà cao tầng có vị trí đặc biệt quan trọng. Nhà cao tầng không chỉ là sự đòi hỏi tất nhiên về nơi ở, nơi làm việc trong bối cảnh đất chật người đông mà công trình nhà cao tầng còn là sự phản chiếu trung thực nhất trình độ phát triển kinh tế - xã hội, trình độ phát triển cộng đồng. Mặc dù chưa có sự thống nhất về định nghĩa nhà cao tầng nhưng có một ranh giới được đa số các kỹ sư kết cấu chấp nhận, đó là từ nhà thấp tầng đến nhà cao tầng có một sự chuyển tiếp từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học [3]. Hay nói một cách khác, về mặt kết cấu, đối với công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang có thể dưới dạng tải trọng gió bão hoặc động đất. Thách thức đối với các kỹ sư kết cấu hiện nay là các công trình cao tầng sẽ ngày càng cao hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn so với nhà cao tầng trong quá khứ. Rõ ràng, những vấn đề liên quan tới bộ phận kết cấu bao che đang trở nên quan trọng hơn bao giờ hết vì chính nó có nhiệm vụ tiếp nhận toàn bộ tải trọng ngang để truyền vào công trình và cũng chính nó phải ứng xử trước các loại tải trọng và tác động hết sức phức tạp. Song cho tới nay, chúng ta chưa thực sự quan tâm tới việc kiểm soát chất lượng đối với các loại vật liệu cùng giải pháp kết cấu bao che trong các tòa nhà cao tầng mà nhất là loại kết cấu khung kim loại và kính. 2. Vai trò của kết cấu bao che trong tòa nhà cao tầng Trong vòng hai mươi năm trở lại đây, hệ thống bao che trong các dự án nhà cao tầng trở nên ngày càng quan trọng hơn xét trên các mặt như: công năng, thẩm mỹ, giá thành. Riêng về mặt kinh tế, giá thành của hệ thống bao che có thể lên tới 30% tổng giá thành xây dựng của một công trình cao tầng [3]. Khi trao đổi chuyên môn với một nhóm chuyên gia có kinh nghiệm của Việt Nam về nhà cao tầng tôi có đặt câu hỏi: Nếu một sự cố xảy ra đối với kết cấu bao che như một mảng tường kính bị rơi thì ai là người chịu trách nhiệm? Người kỹ sư kết cấu cho rằng lỗi thuộc về người kiến trúc sư vì họ thiết kế phần bao che của tòa nhà. Trong khi đó, người kiến trúc sư thì cho rằng, đó là lỗi của nhà thầu thi công xây dựng. Nhà thầu thi công xây dựng thì khẳng định đã làm đúng như bản vẽ kỹ thuật yêu cầu. Mọi người đều có lý bởi vấn đề quản lý chất lượng từ thiết kế đến thi công của bộ phận công trình quan trọng này hiện nay đang bị bỏ trống dẫn đến nhiều rủi ro tiềm ẩn. Theo các tài liệu quốc tế [3], thời gian sử dụng trung bình của kết cấu bao che là khoảng 20 năm, trong một số trường hợp chỉ khoảng 10 năm. Chính vì thẩm mỹ bên ngoài của công trình chủ yếu dựa vào hình thức của kết cấu bao che nên việc thường xuyên thay đổi, bổ xung, sửa chữa bộ phận này đang và sẽ trở nên hết sức phổ biến đối với nhà cao tầng. Về mặt kỹ thuật thì việc tính đến các thay đổi trong tương lai của kết cấu bao che cần được xem xét ngay trong giai đoạn thiết kế. Ví dụ: hệ tường gạch bao che đã được thay bởi các tấm kết cấu bao che tiền chế được liên kết với kết cấu chịu lực của tòa nhà như các mảng tường kính sao cho có thể sửa đổi dễ dàng hiện đang được sử dụng phổ biến trong các công trình nhà cao tầng. Nhìn vào thực tế, các nhà cao tầng xây dựng đầu thế kỷ 20 thường sử dụng tường bao là các khối xây gạch rất nặng nề. Nhưng trong vòng hai thập kỷ trở lại đây, các công trình cao tầng trở nên mảnh hơn và nhẹ hơn để đảm bảo các yêu cầu về thẩm mỹ và hiệu quả kinh tế thì kết cấu bao che đã được thay đổi rất cơ bản. Tòa tháp Empire State Building, New York (hình 1) và tháp Bank of China, Hongkong (hình 2) là hai ví dụ tiêu biểu đại diện cho phong cách thiết kế cũ và mới. Hai phong cách thiết kế này cũng đặt ra những yêu cầu về sự hợp tác chặt chẽ giữa kiến trúc sư và kỹ sư kết cấu. Hay nói cách khác, xu hướng này sẽ tiếp tục phát triển và đòi hỏi sự tham gia của kỹ sư kết cấu cùng với kiến trúc sư ngay trong giai đoạn đầu tiên của quá trình thiết kế các tòa nhà cao tầng. Chỉ có sự phối hợp như vậy mới đưa tới một giải pháp thiết kế vừa an toàn vừa kinh tế trong thiết kế nhà cao tầng đang ngày càng trở nên phổ biến hơn trong thế giới hiện đại. 3. Tải trọng và tác động lên kết cấu bao che Trong tính toán thiết kế nhà cao tầng, tải trọng ngang do gió bão hoặc động đất có ảnh hưởng nhiều hơn đến hệ kết cấu so với tải trọng đứng và ảnh hưởng này càng nhiều đối với các công trình có chiều cao càng lớn.Xác định tải trọng gió theo phương pháp tựa tĩnh được sử dụng phổ biến trên thế giới cho các công trình thấp tầng. Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp này cho nhà siêu cao tầng thì thiết kế sẽ thiên quá về an toàn và không kinh tế. Thêm vào đó phương pháp tính tải trọng gió tĩnh còn có nhược điểm là chỉ cần một sai sót nhỏ trong tính toán có thể dẫn tới sai số lớn về kết quả, thậm chí mất an toàn nghiêm trọng. Nguyên nhân chính là do phương pháp tính gió tĩnh không thể kể tới các hiệu ứng động học của nhà cao tầng trong điều kiện gió bão, ví dụ như các hiện tượng cộng hưởng, gia tốc chuyển động, hệ số cản, tương tác với các công trình xung quanh [2], chuyển động của công trình vuông góc với hướng gió… Các yếu tố trên có ảnh hưởng lớn đến phản ứng của công trình khi chịu tải trọng gió lớn. Hình 1. Empire State Building ,New York Hình 2. Bank of China ,HongKong Trên thế giới, ít có công trình cao tầng bị sập đổ do gió bão nhưng những hư hỏng công trình mà trước hết hệ kết cấu bao che thực sự là một hiểm họa. Các cửa kính bị gió báo cuốn đi (hình 3) hoặc bị các vật rắn va chạm trong gió gây vỡ kính. 4. Vấn đề quản lý chất lượng kết cấu bao che nhà cao tầng Trong tính toán, thiết kế nhà cao tầng phải thỏa mãn các điều kiện về khả năng chịu lực, về an toàn sử dụng (độ võng, chuyển vị) và độ ổn định. Tải trọng ngang (gió bão, động đất) là tác nhân có ảnh hưởng lớn nhất đến các điều kiện trên. Ở đây chúng ta bàn về tải trọng ngang do gió trong đó việc xác định độ lớn của giá trị tải trọng gió để đưa vào thiết kế và ảnh hưởng của nó tới các bộ phận không chịu lực (kết cấu tự mang như kết cấu bao che) nhà cao tầng đang có nhiều nội dung mới mà không phải người thiết kế nhà cao tầng nào cũng am hiểu tường tận. Hình 3. Các cửa kính bị bóc, vỡ từng mảng do gió bão[1] Ứng xử của công trình trước tác động của tải trọng gió phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về sự phân bố áp lực gió lên từng vị trí của công trình. Những quy định về tải trọng gió trong các tiêu chuẩn hiện hành là không “bao” được các tòa nhà siêu cao tầng. Các tham số về Profil tải trọng gió và sự phân phối áp lực gió chỉ có được thông qua thử nghiệm trên ống thổi khí động. Trong tiêu chuẩn của nhiều nước đều có quy định về sự cần thiết phải thực hiện các thử nghiệm này. Thí dụ Quy chuẩn của Châu Âu [4] quy định những tòa nhà cao trên 200m hoặc có lõi cứng và gây hiệu ứng xoắn bắt buộc phải thử nghiệm trong ống thổi khí động trừ khi đã có kết quả thử nghiệm từ một công trình tương tự. Ở Mỹ, các tài liệu cũng khuyến cáo về việc nên thử nghiệm trên mô hình trong ống thổi khí động trước khi thiết kế các tòa nhà có chiều cao trên 40 tầng [5]. Ở Nhật Bản việc thử nghiệm trong ống thổi khí động là bắt buộc đối với công trình cao tầng xây mới trong đô thị. Kết quả thử nghiệm không chỉ là các số liệu liên quan đến giá trị áp lực gió và sự phân bố tải trọng gió lên bề mặt công trình mà còn là sự thay đổi luồng gió khi công trình xuất hiện có ảnh hưởng đến sự an toàn tính mạng cho người đi bộ gần tòa nhà. Như vậy, trên thế giới, nghiên cứu thử nghiệm mô hình trong ống thổi khí động là cần thiết để phục vụ thiết kế. Không chỉ phản ánh đúng sự làm việc của kết cấu mà có thể tiết kiệm chi phí do phương án thiết kế là tối ưu và phù hợp với trạng thái làm việc thực của kết cấu. Ngoài ra, quy hoạch của một đô thị cũng được hình thành và hoàn chỉnh từ những dữ liệu thử nghiệm mô hình trong ống thổi khí động. Ở nước ta, ví tầm nhìn về xu thế phát triển xây dựng, Chính phủ đã đầu tư cho năng lực nghiên cứu của ngành nhằm giải quyết các vấn đề phức tạp về mặt kỹ thuật trên thông qua các phòng nghiên cứu thực nghiệm cấp Quốc gia về gió bão. Phòng thí nghiệm này đang được đặt tại Viện Khoa học công nghệ xây dựng thuộc Bộ Xây dựng (hình 4, hình 5) sẽ là nơi các nhà khoa học nghiên cứu để đưa ra những giải pháp phòng chống thiên tai hiệu quả, là nơi thực hiện kiểm chứng những dạng công trình mới, giải pháp kết cấu mới và cả những giải pháp gia cường cho những công trình nằm trong vùng gió bão mà chưa thoả mãn yêu cầu chống bão. Nhưng thực sự các phòng thí nghiệm này vẫn chưa có đơn hàng. Chúng ta chưa có sự hiểu biết cần thiết về vai trò của thử nghiệm hay chưa có các quy định của pháp luật? Có lẽ cả hai yếu tố này đang là sự cản trở tiến trình tiếp cận cách làm chuyên nghiệp trong hoạt động xây dựng của thế giới. Các công trình siêu cao tầng như tòa nhà Keangnam (cao 70 tầng), Bitexco Finacial Tower (cao 68 tầng), cầu Bãi Cháy(cầu dây văng một mặt phẳng dây có khẩu độ lớn nhất Thế giới) do người nước ngoài thiết kế khi tính toán với tải trọng gió đều dựa trên các kết quả thử nghiệm trên mô hình trong ống thổi khí động. Đó là yêu cầu của thử nghiệm trên công trình. Còn những thử nghiệm vật liệu và cấu kiện cụ thể của kết cấu bao che mà chủ yếu là kính và khung kim loại thì ở nước ta hầu như cũng chưa được các cơ quan quản lý, các chủ đầu tư và các tổ chức tư vấn thiết kế quan tâm. Chúng ta có thể kiểm tra các công trình đang sử dụng kết cấu bao che bằng kính ở nước ta hiện nay thì có bao nhiêu công trình đã thực hiện các phép thử sau: - Thử nghiệm lọt khí; - Thử nghiệm lọt nước tĩnh; - Thử nghiệm lọt nước động hoặc tuần hoàn; - Thử nghiệm các tính năng kết cấu; - Thử nghiệm khả năng chịu va đập; - Thử nghiệm các tính năng liên quan đến sự thân thiện với môi trường; - Thử nghiệm mức độ lão hóa của vật liệu… Hình 5. Mô hình thí nghiệm về quy hoạch trong ống thổi khí động tại Viện Khoa học công nghệ xây dựng 5. Kết luận Hình 4. Sơ đồ ống thổi khí động Với tư cách là một nhà chuyên môn, tôi có đôi điều suy nghĩ thậm chí lo lắng về một đối tượng rất cần được quan tâm là vấn đề kiểm soát chất lượng kết cấu bao che nhẹ được hình thành từ kính và khung kim loại trong các công trình nhà cao tầng. Không thể không lo lắng khi các trận báo lớn xuất hiện ngày một nhiều. Đặc biệt trong bối cảnh Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề do biến đổi khí hậu trong khi các tòa nhà cao tầng, siêu cao tầng đang mọc lên hàng ngày ở Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và hàng loạt thành phố lớn ven biển Việt Nam như: Hải Phòng, Đà Nẵng, Nha Trang, Vũng Tàu. Bỏ qua những yêu cầu về chất lượng kết cấu bao che sẽ là những thiếu sót nghiêm trọng. Tôi hy vọng, những băn khoăn của tôi sớm có câu trả lời trước sự an toàn của những công trình và của cả xã hội. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ahsan Kareem and Rachel Bashor: Performance of Glass/Cladding of High-Rise Buildings in Hurricane Katrina. 2. P. Brewick, L. Divel, K. Butler, R. Bashorand A: Consequences of Urban Aerodynamics and Debris Impact in Extreme Wind Events. Proceedings of the 11th Americas Conference on Wind Engineering. 3. Tập đoàn dầu khí Quốc gia Việt Nam và Trường Đại học Tổng hợp Melbourne, Australia phối hợp tổ chức.Hội thảo về nhà siêu cao tầng và tháp Dầu khí, Hà Nội tháng 8/2010. 4. Eurocode 1: Actions on structures- Part 1-4: General actions – Wind actions, BS EN 1991-1-4: 2005. 5. BUNGALE S. Taranath: Steel, Concrete & Composite Design of Tall Buildings – Second Edition, McGraw – Hill, New York – 1997. Ngày nhận bài: 4/11/2010. . VỀ VIỆC KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG KẾT CẤU BAO CHE NHÀ CAO TẦNG PGS., TS. TRẦN CHỦNG Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Tóm tắt: Nội dung bài viết bàn về công tác quản lý chất lượng hệ kết cấu. tới việc kiểm soát chất lượng đối với các loại vật liệu cùng giải pháp kết cấu bao che trong các tòa nhà cao tầng mà nhất là loại kết cấu khung kim loại và kính. 2. Vai trò của kết cấu bao che. gây vỡ kính. 4. Vấn đề quản lý chất lượng kết cấu bao che nhà cao tầng Trong tính toán, thiết kế nhà cao tầng phải thỏa mãn các điều kiện về khả năng chịu lực, về an toàn sử dụng (độ võng, chuyển