GIỚI THIỆU, PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ SÀN NHẸ UBOOT VÀ PANEL 3D TRONG XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG

GIỚI THIỆU, PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ SÀN NHẸ UBOOT VÀ PANEL 3D TRONG XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG Trần Quốc Phong Tóm tắt Bài báo cáo giới thiệu cơng nghệ sàn nhẹ thơng qua việc phân tích cấu tạo, so sánh công nghệ sàn nhẹ dựa số tiêu chí khả chịu lực, biện pháp thi cơng phạm vi ứng dụng Có nhiều cơng nghệ sàn nhẹ khuôn khổ báo cáo xin giới thiệu đánh giá hai loại sàn Uboot Panel 3D, công nghệ áp dụng phổ biến số khu vực đặc trưng nước ta Từ khóa: Cơng nghệ sàn nhẹ, Uboot – Beton, Panel 3D ĐẶT VẤN ĐỀ Xu hướng xây dựng đại dần thay loại vật liệu truyền thống bê tông, gạch nung nhằm giảm trọng lượng cho kết cấu cơng trình giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm việc khai thác tài nguyên đất, đá tận dụng nguyên liệu từ phế phẩm ngành công nghiệp khác Sàn kết cấu cơng trình, giải pháp kết cấu sàn ưu tiên việc giảm chi phí thời gian thi cơng Hướng nghiên cứu công nghệ sàn nhẹ đáp ứng yêu cầu mặt kỹ thuật vượt nhịp lớn, nhẹ hơn, giảm chiều cao tầng, tạo trần phẳng giảm trọng lượng thân, giảm số lượng cột chống, chống rung chống ồn… Trong công nghệ sàn nhẹ có nhiều hướng nghiên cứu đưa nhằm khắc phục yêu cầu kỹ thuật: độ võng lớn, chịu tải trọng ngang (gió, động đất) thời gian thi công biện pháp thi công phức tạp, vận chuyển cồng kềnh cẩu lắp khó, tốn dây neo buộc, khó cố định q trình thi cơng (sự đẩy q trình thi cơng) chất lượng bê tông sau thi công, để lại vết thủng, vết lở Thời gian gần đây, với điều kiện thi cơng Việt Nam hai cơng nghệ sàn nhẹ sàn Uboot sàn Panel 3D dần áp dụng rộng rãi có định hướng nghiên cứu sâu để khắc phục nhược điểm mà công nghệ sàn nhẹ khác mắc phải Việc giới thiệu công nghệ, đánh giá so sánh làm việc, hướng phát triển cho hai loại sàn nhẹ điều cần thiết, tạo tiền đề cho quan quan niệm kết cấu sàn, thay quan niệm sàn bê tơng cốt thép tồn khối cũ, tối ưu hóa làm việc vật liệu CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sàn Uboot: công nghệ sàn nhẹ sản phẩm tập đoàn Daliform Group (Italy) Peikko Group (Phần Lan), sử dụng nhựa polypropylene tái chế để thay phần bê tông không tham gia chịu lực sàn Sàn Uboot (xem Hình 1) loại kết cấu rỗng, phẳng không dầm, liên kết trực tiếp với cột nên có nhiều ưu điểm kỹ thuật kinh tế [8] Hình Sàn Uboot Nguyên tắc tính tốn: Xác định thơng số đầu vào (khoảng cách cột, tải trọng…), sơ kích thước vật liệu Ví dụ thơng số sàn Uboot minh họa Hình 2.Trong b Uboot, hUboot bề rộng chiều cao hộp Uboot; c,d chiều dày lớp bê tơng phía phía sàn Uboot; t bề rộng dầm chìm chữ I Hình Mặt cắt sàn Uboot Sự làm việc sàn dựa làm việc dầm chìm chữ I đan vng góc vào nhau, xét làm việc dầm I theo giải Phân tích tiết diện: Phân tích vùng làm việc cấu kiện (xem hình Hình Hình 3) xác định thơng số hình học tiết diện (mơ men qn tính, mơn men kháng uốn…)[4,5] b.h3 hUboot (b  t )3 I  , 12 12 đó: Hình Tiết diện quy đổi (1) I – Mơmen qn tính trung tâm b – Khoảng cách dầm chìm chữ I t – Chiều dày tương đương dầm chìm chữ I hUboot – Chiều cao hộp nhựa Uboot h – Chiều cao thực tế sàn Uboot 3 Tính tốn chiều cao làm việc tương đương quy đổi dải dầm chữ I tính cơng thức [6] b.hvitual 12.I I  hvitual  12 b (2) Sử dụng phần mềm SAFE SAP2000 để phân tích (phần tử sàn vào số liệu phải giá trị chiều cao làm việc, sử dụng chiều cao thực sàn Uboot phải trừ phần tiết diện hộp Uboot chiếm chỗ) Kết phân tích đưa giá trị ứng suất sàn, từ dùng để thiết kế, cấu tạo cốt thép cho sàn Sàn Panel 3D (xem Hình 4): cơng nghệ sàn nhẹ công ty trách nhiệm hữu hạn 3D nhập công nghệ Ý (năm 1995) công ty Thế kỷ nhập công nghệ Áo (năm 2003) ứng dụng cho số cơng trình Việt Nam [2] Tấm kết cấu Panel 3D sản phẩm nhẹ, sản xuất từ sắt mút xốp polysterene chế phẩm dầu mỏ phủ bê tông Khung sườn kết cấu sợi thép tròn nhỏ xếp mặt xốp đan lẫn kết hợp với bê tông cốt liệu nhỏ, cấp phối cát, đá, phun bao phủ hai mặt với độ dày xác định Hình Sàn Panel 3D Ngun tắc tính tốn: Sàn Panel 3D tính tốn làm việc theo phương, gác lên kết cấu chịu lực nhịp nhà Việc bố trí vật liệu xa trục trung hịa, coi phần lõi xốp khơng tham gia làm việc Khi tính tốn thường dùng phương pháp quy đổi tiết diện tương đương Cắt dải sàn 1m, xác dịnh thông số sàn (nhịp, cấu tạo, tải trọng…), minh họa Hình [7] Hình Quy đổi chiều dày sàn Panel 3D chiều dày sàn tương đương Các thông số Panel 3D: H chiều cao thực tế sàn Panel 3D; a, b chiều dày lớp bê tông sàn; T, D khoảng cách từ mép mép sàn đến trục mơ men qn tính trung tâm Cơng thức tính [4] giá trị T, D a b.( H  b)  ) a  bH  b 2 T T  ( a  b) ab ( (3) D  H T Mơ men qn tính trung tâm [4] a3 a b3 b I  ((  a.(T  ) )  (  b.( D  )2 ) 12 12 (4) Chiều dày sàn quy đổi tương đương [4] H td  I 12 (5) Sử dụng phần mềm SAFE SAP 2000 để phân tích theo thơng số đầu vào Chú ý khai báo phương làm việc sàn Kết phân tích đưa giá trị ứng suất sàn, từ dùng để thiết kế lựa chọn thông số đầu vào để sản xuất Panel 3D nhà máy NỘI DUNG 3.1 Phân tích mặt cấu tạo vật liệu Cấu tạo sàn công nghệ dựa nguyên tắc tối ưu hóa vùng làm việc vật liệu Sàn Uboot: Uboot có cấu tạo gồm lớp thép trên, lớp thép khoảng hở thép gia cường, minh họa Hình Hộp Uboot có cấu tạo đặc biệt với bốn chân hình phụ kiện liên kết giúp tạo hệ thống dầm vng góc nằm lớp sàn bê tơng Các chân côn tạo tiết diện phẳng, bê tơng chui lọt nâng cao phạm vi ảnh hưởng đầm dùi Có hai dạng hộp đơn hộp đơi, hộp cịn có phụ kiện liên kết với theo hai phương vng góc Trọng lượng nhẹ, tính động tạo nên nhiều mơ đun đa dạng giúp người thiết kế thay đổi thông số kỹ thuật phù hợp với tính tốn thiết kế u cầu kiến trúc [8] Khoảng hở hộp bố trí thép gia cường, q trình đổ bê tơng lấp đầy khoảng hở đó, cốt thép kết hợp hồn tồn với bê tơng tạo thành dầm chìm chữ I sàn tăng khả chịu lực Hình Chi tiết Uboot hộp đơn hộp đôi Sàn Panel 3D: Khung sườn kết cấu tạo thành cấu trúc không gian chiều khuyếch tán sợi thép tròn nhỏ xếp mặt lưới đan lẫn (200 đường chéo 1m2) tạo nên độ cứng rắn, vững chắc, ổn định phát huy hết tính chịu lực mối hàn xác, xem Hình Dùng bê tơng cốt liệu nhỏ, cấp phối cát, đá, phun bao phủ hai mặt Đặc tính kết cấu thay đổi, sau phủ bê tơng vào hai mặt, kết cấu trở thành bê tông cốt thép chịu lực chiều (ngang thẳng đứng) Hình Cấu tạo sàn Panel 3D Lớp phân cách polysterene kết cấu kết hợp với hai lớp bê tông nâng cao khả cách âm, cách nhiệt vật liệu Thép gia cường hai thớ căng làm việc xuyên qua lớp xốp Polystriren Cốt thép phải mạ kẽm, khơng có lớp bê tơng bảo vệ, ảnh hưởng mơi trường lớn, gây bong tróc lớp kẽm mạ tượng ăn mòn cốt thép Giữa mút xốp hai khung thép ln có khoảng hở xác định để bê tông chiếm chỗ Cần đảm bảo chiều dày thiết kế hai lớp bê tơng lớp mút xốp 3.2 Phân tích hiệu giảm trọng lượng bê tông hàm lượng cốt thép Sàn Uboot: So sánh trọng lượng sàn Uboot với sàn bê tông cốt thép truyền thống, minh họa Hình Trong báo cáo này, xét ô sàn điển hình 8x8m, tải trọng lấy giống cho hai phương án sàn Theo phương án sàn truyền thống có dầm, sàn điển hình thiết kế gồm dầm có kích thước 0,4x0,6m ; dầm phụ 0,3x0,5m sàn dày 0,15m [1] Hình Phương án sàn truyền thống (trái) sàn Uboot (phải) (đơn vị:mm) Kết phân tích khối lượng bê tơng hàm lượng thép cho Bảng Bảng Bảng Khối lượng bê tông Bảng Hàm lượng thép Cấu kiện Khối lượng thép (kg/m2) Tỷ lệ giảm thép (kg/m2) 100 Sàn bê tông truyền thống 26.1 100 70 Sàn Uboot 26cm 21.2 87 Cấu kiện Thể tích (m3/m2) Khối lượng (kg/m2) Tỷ lệ (%) Sàn bê tông truyền thống 0.25 625 Sàn Uboot 26cm 0.17 425 Hình Biểu đồ thể chênh lệch trọng lượng bê tông(trái) hàm lượng thép (phải) Nhận xét: Kết phân tích Hình 9, với thơng số đầu vào cho phương án kết giảm trọng lượng bê tông sàn Uboot 70% giảm hàm lượng cốt thép 87% mà thỏa mãn điều kiện chịu lực Giá trị giảm trọng lượng, hàm lượng thay đổi theo nhịp tải trọng tác dụng lên cơng trình Với nhà nhịp lớn, tải trọng lớn giá trị giảm trọng lượng, hàm lượng bé Do thường chọn phương án sàn nhẹ làm phương án cho cơng trình nhịp lớn Sàn Panel 3D: Cơng nghệ sàn Panel 3D thường áp dụng kết hợp với hệ thống tường Panel 3D tạo đồng vật liệu biện pháp thi cơng Vì xét đến tiêu chí hiệu quả, ta xét sàn Panel 3D tổng thể phương án kết cấu sàn kết hợp tường Trọng lượng trung bình sàn sau trát hoàn thiện khoảng 130 – 200kg/m2 Khi sàn kết hợp với tường Panel 3D, tính trung bình tải trọng tác dụng lên m2 sàn (cả tĩnh tải lẫn hoạt tải sử dụng) dùng vật liệu gạch nung bê tông cốt thép nặng gấp 1,7 đến 2,6 lần so với sàn tường 3D Dùng Panel 3D cho cơng trình cao giảm tải trọng động đất (khoảng 30 – 40%), giảm tải trọng động gió Giảm tải trọng truyền xuống móng khoảng lần Như xây dựng cơng trình cao tầng, giảm chi phí cho biện pháp móng phức tạp, tốn kém: móng cọc ly tâm, móng cọc khoan nhồi… Chi phí móng ước tính cơng trình 25 – 30% sử dụng cơng nghệ Panel 3D giảm 10% chi phí cơng trình [2] Nhận xét: Sử dụng sàn Panel 3D giảm tiết diện cột, dầm, giảm chi phí thép cho hệ chịu lực giảm tải trọng đứng sàn, áp dụng cho cơng trình nhà cao tầng cơng trình xây địa chất yếu 3.3 Phân tích khả chịu lực không gian kiến trúc sàn nhẹ so với sàn truyền thống Sàn Uboot: Nhờ vào hiệu giảm chiều cao sàn nhẹ mà cơng trình tăng số tầng chức Việc giảm trọng lượng thân kết cấu cho phép kết cấu sử dụng sàn phẳng vượt nhịp lớn Nhịp lớn mà sàn nhẹ đạt 20m Sàn phẳng không dầm thuận tiện cho việc bố trí hệ thống kỹ thuật, kiến trúc thơng thống Giảm tải trọng đứng xuống móng tải trọng gió, động đất Linh động vấn đề giật cấp sàn cách sử dụng modun hộp Uboot khác Liên kết giữ cột sàn cần xem xét tính toán cụ thể, cần cấu tạo dầm bo nhịp nhà lớn Sàn Panel 3D: Qua kết thí nghiệm EVG (công ty kỷ mới) kết thí nghiệm nhóm nghiên cứu tiến hành Phịng thí nghiệm cơng trình Trường Đại học Xây dựng Hà Nội cho thấy khả chịu lực cao tường 3D (kết nén tường 2,4m, rộng 1m, dày 12cm, bê tông dày 3+3cm đạt tải gây nứt 70 tấn, tải trọng phá hoại 110 tấn) Với sức chịu tải xây dựng nhà hệ tường cao đến – tầng không cần dùng đến kết cấu khung [3] Do khả liền khối có độ cứng lớn nên khả chịu tải trọng ngang nhà cao (theo thử nghiệm Hoa Kỳ chịu động đất lên độ Richter, gió bão 300km/giờ) Tại bang Florida, tỉnh Homestead, trận bão Andrew năm 1991 với gió lốc 300km/giờ làm sập 100% nhà của dân chúng xây dựng loại vật liệu cổ điển, có ngơi nhà chương trình nhân đạo Habitat cựu Tổng thống Jimmy Carter xây dựng Panel 3D đứng vững 3.4 Phân tích biện pháp thi cơng kèm theo công nghệ sàn nhẹ so với sàn truyền thống Sàn Uboot: Giảm toàn hệ thống cốp pha dầm dầm phụ Thi cơng đơn giản hơn, nhanh lắp dựng cấu tạo cốp pha cho sàn phẳng so với thi cơng sàn có dầm Với ưu giảm lượng thép dùng sàn nhờ vào việc giảm tải trọng thân sàn nên công tác lắp đặt cốt thép tiết kiệm thời gian nhân lực Công nghệ thi công Uboot công nghệ thi công đơn giản, nhanh gọn ổn định Sau lắp đặt thép lớp dưới, hệ thống Uboot với trọng lượng nhẹ vận chuyển thẳng đứng bố trí lắp đặt mặt sàn thủ công Thời gian lắp đặt hộp 0,05h/m bố trí thi cơng chiếu (rải Uboot đến đâu lắp đặt thép đến đấy) thời gian lắp dựng Uboot hồn tồn khơng ảnh hưởng đến tiến độ thi công sàn Việc cố định vị trí Uboot nhanh chóng phụ kiện (spacer joint) Uboot cấu tạo loại nhựa đặc biệt tính tốn hồn tồn chịu tải trọng thân bê tơng, tải trọng q trình thi công nên hộp không bị dập vỡ, đảm bảo chất lượng thi công theo tiêu chuẩn thiết kế (sức chịu tải 150kg).Uboot cấu tạo để dễ dàng xếp đặt vận chuyển, không tốn mặt để bố trí kho lưu trữ Vì cơng nghệ đổ bê tơng tồn khối nên giảm thiểu việc cẩu lắp cấu kiện, sử dụng thép móc cẩu, thép gia cường vật liệu làm rỗng, thép gia cường cẩu lắp Đặc biệt sàn Uboot công nghệ gồm nhiều dầm chữ I chìm sàn đảm bảo làm việc sàn truyền tải trọng ngang cho cấu kiện chịu lực, mà thi công nhanh gọn thuận tiện, không yêu cầu nhân lực cao phức tạp, dễ dàng kiểm soát chất lượng theo tiêu chuẩn thi công Việt Nam hành Sàn Panel 3D: Thi công nhanh nhờ áp dụng công nghệ lắp ghép công nghệ phun bê tông cốt mịn lớp đổ bê tơng cốt mịn tồn khối lớp sàn Việc phun bê tơng địi hỏi máy móc chuyên dụng kèm theo yêu cầu kỹ thuật, an toàn lao động phun [6] Đồng thời chất lượng bê tông cốt mịn phải kiểm tra kỹ để phù hợp với loại máy phun bê tơng Khơng địi hỏi phương tiện thi cơng lớn, không tốn nhiều công lắp dựng dàn giáo cốp pha Giảm chi phí vận chuyển (khi xây nhà vùng cao, hải đảo, nhà ngõ…) Panel 3D sản xuất vận chuyển theo tấm, theo mô đun lớn, cần có kho sân bãi đủ rộng để chứa bảo quản 3.5 Phân tích phạm vi áp dụng điều kiện hạn chế công nghệ sàn nhẹ Sàn Uboot: Áp dụng cho công trình có khơng gian mở, kiến trúc thơng thống dễ dàng thay đổi cơng q trình sử dụng như: bệnh viện, phòng hội họp, trung tâm hội nghị… Áp dụng cho cơng trình u cầu cách âm, cách nhiệt tốt Hạn chế việc xử lý khu vực có ứng suất cục bộ: tải trọng cơng trình truyền sàn qua cột xuống móng Tại vị trí liên kết sàn với cột xuất ứng suất cục lớn Việc xây tường ngăn sàn phẳng gây vùng ứng suất cục sàn.Vị trí liên kết sàn với cột, cần tính tốn cấu tạo cốt thép chi tiết, đảm bảo quy trình tính tốn Cần tiến hành nghiên cứu tính tốn chi tiết cấu tạo cho vùng có ứng suất cục Có thể áp dụng lý thuyết tính tốn theo mơ hình chống – giằng kết hợp với kết phân tích nội lực phần mềm phần tử hữu hạn Sàn Panel 3D: Áp dụng cho cơng trình cần khơng gian lớn, cơng trình có mơ đun giống nhau: trường học, nhà tập thể, nhà chung cư, nhà cho người thu nhập thấp, nhà xã hội… Sử dụng công nghệ sàn tường Panel 3D việc giảm tải trọng truyền xuống móng khu vực xây dựng có địa chất yếu Dùng sàn Panel 3D để cải tạo nhà dân dụng, cơi nới, nâng tầng tăng không gian công sử dụng mà khơng cần gia cố móng Hạn chế thi công xây dựng nhà liền kề: Việc bơm, phun lớp bê tơng cốt mịn lên Panel 3D cần có khoảng không gian định, nhà liền kề, khơng gian bị bó hẹp khó đưa máy móc vào để thao tác phun, bơm bê tông Hạn chế xử lý chống thấm khu vệ sinh, việc dùng sàn Panel 3D cho khu vệ sinh cần tuân thủ quy trình thi cơng chặt chẽ Cần có hướng nghiên cứu cho công nghệ, cải tiến máy bơm bê tơng đưa bê tơng vào khơng gian bó hẹp Chọn phương án sàn phù hợp thi công sàn khu vệ sinh: trộn phụ gia chống thấm nâng cao chất lượng bê tông Xử lý chống thấm góc tiếp giáp sàn tường cách thay Panel 3D sàn truyền thống vật liệu có tính chống thấm cao khác KẾT LUẬN Công nghệ sàn nhẹ Uboot Panel 3D cơng nghệ mới, áp dụng cho cơng trình vượt nhịp lớp, chịu tải trọng ngang lớn Đây cơng nghệ có cấu tạo lớp vật liệu dựa nguyên tắc tối ưu hóa vùng làm việc vật liệu, bố trí vật liệu chịu lực xa trục trung hịa Đặc biệt, sàn Uboot có cấu tạo gồm dầm chữ I chìm sàn làm tăng khả chịu lực vượt nhịp cho sàn Hiện nay, công nghệ sàn nhẹ Uboot Panel 3D giải pháp mang lại hiệu kinh tế, không gian kiến trúc thời gian thi cơng cơng trình dân dụng Trong tương lại, hướng phát triển sàn Uboot áp dụng cho cơng trình cao tầng, cần khơng gian rộng lớn Sàn Panel 3D phát triển mang lại hiệu kinh tế cho cơng trình có khơng gian kiến trúc theo mô đun định, đồng Sàn Uboot Panel 3D ngày hoàn thiện áp dụng giúp cho người thiết kế có lựa chọn phương án kết cấu thích hợp cho cơng trình cụ thể, phát huy hết ưu điểm hai loại công nghệ sàn nhẹ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Lam Pham Construction Company (2011), Báo cáo kỹ thuật sàn công nghệ Uboot beton – 497 Quang Trung, Hà Đông, Hà Nội Lê Bá Huế, Nguyễn Thanh Long, Nguyễn Thọ Hồng Ngọc (2008), Công nghệ 3D - hiệu triển vọng xây dựng, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây Dựng số 3, Trường Đại học Xây dựng Công ty cổ phần kỷ (2004), Báo cáo kết thí nghiệm thử tải tường sàn EVG 3D, (http://3ddbh.blogspot.com/2014/08/bao-cao-ket-qua.html) Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Lê Ninh (2011), Kết cấu bê tông cốt thép – Phần cấu kiện Nhà xuất khoa học – kỹ thuật, Hà Nội Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Lê Ninh (2011), Kết cấu bê tông cốt thép – Phần cấu kiện nhà cửa Nhà xuất khoa học – kỹ thuật, Hà Nội Bộ Khoa học công nghệ (2007), Tiêu chuẩn Việt Nam 7575-2007, Nhà xuất Xây dựng Trần Mạnh Tuấn (2003), Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép theo thiêu chuẩn ACI 318 – 2002, Nhà xuất Xây dựng Lamar Hanford (01/2006), Uboot Porting Guide MPC5200B, (http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/app_note/AN3220.pdf)