KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3D

CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3D

KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3D

Bản quyền của EVG Austria - 2001

 Phần lớn các khu dân cư trên toàn thế giới đều có nguy cơ động đất. Đặc biệt là trong những năm gần đây một số các khu vực được coi là ít có nguy cơ động đất lại xảy ra những cơn động đất rất nặng nề. Do thời gian sử dụng lâu dài của các toà nhà hiện đại nên vào thời điểm nào đó các toà nhà này sẽ phải đương đầu với nguy cơ động đất.   Vì vậy kết cấu xây dựng chống động đất là một yêu cầu tuyệt đối.

Để đạt các yêu cầu “chống động đất” kết cấu xây dựng phải đạt các điều kiện tiên quyết sau đây :

• Kết cấu phải nhẹ đến mức có thể nhằm giảm lực tác động đến mức thấp nhất.
• Kết cấu  công trình phải đảm bảo tất cả lực tác động đều phải chuyển tải xuống phần móng.
• Biến dạng và các vết nứt do tải trọng nặng không làm công trình sập đổ tức khắc.
• Cả thành phần không chịu lực cũng phải có cường độ nhất định, nếu không sự hư hại của các thành phần này có thể gây nguy hại cho con người mặc dù công trình không bị sụp đổ.

Công trình xây dựng bằng 3D Panel đạt các yêu cầu trên đây một cách lý tưởng, lớp cách ngăn EPS và hai lớp bê tông mỏng tạo thành cấu trúc đạt cả hai yêu cầu, cường độ cao và trọng luợng thấp. Luới gia cường trên hai mặt panel với những sợi thép kích cỡ nhỏ tạo thành bức tường 3D làm giảm khả năng nứt của công trình . Ngoài ra, không như tường gạch, tường cách ngăn 3D Panel không gây nguy hại cho người ở.

KẾT CẤU 3D

Cấu kiện 3D gồm hai lớp tường bê tông cốt thép mỏng có  lớp ngăn cách chủ yếu chuyển tải lực nén và  lực cắt đến bề mặt của bức tường. Công trình 3D là một kết cấu hình hộp, các thành phần 3D
liên kết với nhau, tuờng liên kết với sàn, tường liên kết với tường, chỉ chuyển tải phần nhỏ mô men
uốn.  

Lực tác  động ngang trên công trình 3D, như lực động đất, hầu hết được chuyển tải trên tường cắt 3D. Kết cấu hình hộp với các bức tường 3D Panels theo hứơng X và Y phải được ứng dụng, quy cách tấm sàn và tường được tính toán riêng và không lệ thuộc vào nhau. Cấu trúc khung dầm cho các công trình 3D với gia cường nặng nề là không cần thiết

Ở những vùng có nguy cơ động đất ta nên gia cường công trình 3D bằng các cột biên chìm tại các góc tường, rất dễ  thực hiện các cột biên này vì  chỉ cần gia cường rất ít, các cột chìm có tác dụng liên kết
chặt chẽ và chịu lực động đất, không giống như kết cấu khung, cột biên chìm không ảnh hưởng kiến trúc. Cấu trúc hình hộp là giải pháp tốt nhất cho các công trình chịu lực lớn đồng thời đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ của nhà thiết kế.

KHẢ NĂNG CHỊU TẢI

Để chứng minh cường lực của công nghệ xây dựng 3D Panel, nhiều công trình thử nghiệm đã được thực hiện tại các viện thử nghiệm trên khắp thế giới. Kết quả các công trình thử nghiệm cho thấy rõ là tấm 3D Panels được sử dụng làm tường cho các toà nhà cao tầng, làm tường và sàn cho khu cao ốc dân cư, văn phòng, nhà xưởng.

Hình bên phải là cuộc thử nghiệm của Công ty Insteel Construction System Inc. tại Brunswick, Ga., USA. Các bao xi măng nặng 4.000 kg, tổng tải trọng kể cả trọng tải tịnh của tấm sàn là trên 1.400 kgs/m2, ít nhất là gấp 2 lần tải trọng của các toà nhà dân cư.

Hình bên trái là một trong những toà nhà 4 tầng tại Venezuela, các bức tường của những toà nhà này không những chỉ chịu tải trọng của các tầng trong toà nhà mà còn được thiết kế để chịu đựng được động đất nặng, đây là vùng ven biển được xem là vùng có nguy cơ động đất rất cao. Mặc dù những yêu cầu vô cùng khắt khe, công nghệ xây dựng EVG 3D Panel đã đáp ứng bằng những công trình với kết cấu vững chắc chịu đựng được cả tải trọng ngang và tải trọng đứng, như ta thấy trong hình ảnh, toàn bộ công trình không có cột kết hợp với 3D Panels.

Trong điều kiện bình thường, có thể sử dụng tấm EVG 3D Panel để xây dựng các toà nhà từ 5 đến 8 tầng (không có cột). Trong điều kiện rất khắc nghiệt có thể thêm một ít sắt gia cố cho cấu trúc 3D.   Một toà nhà 4 tầng xây dựng tại vùng có nguy cơ động đất cao là điều rất bình thường trong khả năng của công nghệ xây dựng EVG 3D Panel.

CẤU TRÚC MỞ KHÔNG CỘT TRUNG GIAN

Nhờ khả năng chịu lực mặt phẳng của tấm 3D panel, nhiều công trình mở được xây dựng, những công trình như thế không thể sử dụng vật liệu xây dựng truyền thống.

Tấm mái của toà nhà trong hình bên trái là công trình xây dựng tại Malaysia, không có cột trung gian chống đỡ, khẩu độ tấm mái không đều nhau, ở trung tâm toà nhà khẩu độ tấm mái từ 8 đến 10m. Ngoài tường bao, chỉ có vài bức tường ngăn bố trí song song với panel mái , nhờ khả năng chịu tải đặc  biệt của EVG 3D Panel, không cần đến một bức tường chịu lực nào khác.

Một công trình đặc biệt nũa là mái nhà trong hình dưới đây, chiều dài bên trong (như đường kính) là khoảng 11 mét, chỉ cần có các bức tường bao. Nhà ở xây dựng tại St.Croix, US Virgin Islands. Yêu cầu thiết kế cho các ngôi nhà này là phải đứng vững trong bão tố, chịu được sức gió xấp xỉ 400km/giờ.

Trong cả hai trường hợp trên đây, kết cấu  hình hộp  tạo ra cường lực cho các ngôi nhà với khẩu độ mái từ 8 đến 11 mét không có cột trung gian.

3D - BIỂU TRƯNG CỦA CƯỜNG LỰC

Tháng 10 năm 1996, một cái đập gần câu lạc bộ Country Club và Sân Golf tại Cabo San Lucas thuộc Mexico bị vỡ trong trận cuồng phong, nuớc cuốn trôi cả đất dưới nền nhà trong khu vực.

Dưới đây là phóng sự của báo Cabo Life :

Đập giữ nước tại hồ phía sau Câu lạc bô và sân golf 15   lỗ bị vỡ, dòng nuớc hung hãn cuồn cuộn tuôn ra biển, thế nhưng ngoài cái đập vỡ, thiệt hại không đáng kể.

Bên kia đường là hai toà nhà xây dựng bằng 3D Panels, dòng nuớc hung hãn lại chọn cách chui qua gầm toà nhà,

Toà nhà đứng vững sừng sửng, khô ráo, bên dưới không có gì chống đỡ nhưng không mảy may hư hại (như thấy trong hình). Công Ty xây dựng 3D Pete & Ed chỉ cần đổ thêm bê tông vào gầm toà nhà thế là chủ nhà an tâm là nhà của họ sẽ an toàn trước mọi thiên tai có thể xảy ra trong tương lai.

Nhà xây dựng bằng 3D Panel, công nghệ được cho là công nghệ xây dựng nguyên khối, một lần nữa chứng tỏ  khả năng đứng vững trước sức gió trên 250m/giờ, và như đã thấy qua trận vỡ đập trên đây, công nghệ xây dựng 3D Panel còn mạnh hơn cả cơn bão Fausto.

Qua bão, các toà nhà xây dựng bằng 3D Panel đứng vững, không nứt nẻ, không biến dạng cả bên trong lẫn bên ngoài, hãy để ý đến ban công 4.3 mét tại tầng hai toà nhà. Công nghệ xây dựng nguyên khối vững chắc đến nỗi kết cấu mái nhà đỡ đến cả nền móng ngôi nhà.  

TẠI TÂM BÃO

Hàng năm, tại các vùng phía nam nuớc Mỹ mất đi một khối lượng nhà ở do bão tố. Hung hãn nhất của thế kỷ 20 là bão Andrew, cũng trong trận bão này một số ngôi nhà xây dựng bằng 3D Panel đã đứng vững

Dưới đây là bài viết đăng trên báo Washington Post, trong ảnh là các căn nhà gỗ bị sụp đổ hoàn toàn trong khi các nhà xây dựng bằng 3D Panel không bị hư hại.

“ Sau trận bão Andrew, một cuộc tranh luận sôi nổi chung quanh sự kiện tại sao tại South Florida rất nhiều nhà cửa bị hư hại trong khi tiêu chuẩn xây dựng Dade County yêu cầu các công trình xây dựng phải chịu được sức gió 190km/giờ. Các phân tích sơ khởi cho thấy các khối nhà xây dựng trong thập niên 1980 hầu hết là kiểu đóng hộp bằng gỗ.

Trong khi đó, một khối nhà mới được xây dựng vào năm 1991 do tổ chức Habitat for Humanity của cựu Tổng thống Hoa kỳ Jimmy Carter, ứng dụng công nghệ sử dụng các tấm Panel có lõi EPS ( Expanded Polystyrene System) phun bê tông ở hai mặt , tất cả 14 ngôi nhà kiểu này tại Liberty City vùng North Miami đều không hề hấn gì trong trận bão.

Toà nhà một tầng tại Irma Cordeo of Homestead đứng vững trong cơn bão cũng được xây dựng bằng tấm panel có lõi ngăn cách bằng EPS do công ty Insteel Construction System Inc tại Brunswick, Ga, USA sản xuất, đây là công nghệ của Cộng Hoà Áo, là tấm panel nhẹ, sử dụng rất ít nhân công khi lắp đặt, tấm panel gồm hai lưới thép, kết nối bằng các thanh thép chéo xuyên qua lõi ngăn cách EPS bề dày từ 40 đến 100mm, các tấm panel được gắn kết trên nền nhà và nối kết với nhau bằng dụng cụ đặc biệt.

KẾT CẤU CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CHỐNG BÃO

Ngoài Florida, các khu vực vùng Caribean cũng thường xuyên chịu các tổn thất nặng nề do bão, đặc biệt trong các thập niên vừa qua, các thiệt hại do bão ngày càng gia tăng một cách đáng kể.

Hãy quan sát hai bức hình dưới đây là hai ngôi nhà sau cơn bão Marilyn vào tháng 9 năm 1995 tại St. Thomas, US Virgin Islands :

Hình ảnh thứ nhất là ngôi nhà gạch bê tông mái gỗ, toàn bộ mái bị tốc do cơn bão, vài bức tường bên ngoài cũng bị sụp đổ, toàn bộ tầng trên phải xây dựng lại.

Hình ảnh thứ hai được xây dựng bằng công nghệ 3D Panel, ngôi nhà còn nguyên vẹn sau cơn bão trong khi cây cối quanh toà nhà đều bị gãy đổ.

Hình dưới đây là toà nhà xây dựng chỉ bằng EVG 3D Panel vào năm 1992 (Nhà máy EVG 3D Panel tại Mỹ do Công Ty 3D Insteel Inc, đầu tư). Toà nhà đã hoàn toàn không bị hư hại trong trận bão Luis tháng 9 năm 1995.

CÔNG TRÌNH TẠI GRANITE MOUTAIN RESERVE, CALIFORNIA, U.S.A

Tháng giêng năm 1992, Công nghệ Insteel 3D Panels được chọn để xây dựng các bức tường bao chịu lực của bốn toà nhà tại Mojave vDesert, Granite Moutain Reserve, California.

Toà nhà độc  đáo này ứng dụng công nghệ 3D Panel để có được độ cách nhiệt nhằm thu gom 96% năng lượng độc lập, là nơi Viện Đại Học California đặt chuyên khoa nghiên cứu về các vùng khô cằn. Dự án được tài trợ bởi Hiệp hội  Khoa Học Quốc Gia, Southern California Edison Inc., và Đại học California.

Ngày 28/6/1992, vùng California này chịu hai trận động đất 6.5 và 6.9 độ richter (trận thứ hai được ghi nhận là trận động đất nặng nhất trong 40 năm qua). Tâm động đất nằm cách các toà nhà nói trên chỉ từ 80~110 km, theo Tiến sỹ Phillippe Cohen, nguời sống trong toà nhà, thì toà nhà liên tục bị rung động tại một điểm trong suốt một phút.

Thật khó tin, cả bốn toà nhà  với các bức tường cao hơn 7.3 mét đều không hư hại mặc dù có những cửa kính rất lớn.

 Bức (hình) văn bản trên đây phân tách về yêu cầu kết cấu của toà nhà và sự chịu lực và độ vững chắc của công nghệ xây dựng Insteel 3D Panel, văn bản nêu rõ “Không có dấu hiệu của bất cứ vết nứt hoặc hư hại nào đối với siêu kết cấu và nền móng.

MÔ HÌNH TOÀ NHÀ 6 TẦNG

Để đảm bảo khả năng chịu lực động đất, nhiều cuộc thử nghiệm được tiến hành, một trong các cuộc thử nghiệm đó là thử nghiệm chống động đất tại Đại Học Tongji University Shanghai Trung Quốc trên một mô hình toà nhà 6 tầng 3D Panel tỷ lệ 1:6 .

Mô hình gồm panel 400 x 200 x 30 cm, luới phủ độ bền oằn 210N/mm2, độ bền khối của bê tông là 10N/mm2.

Mô hình phải chịu lực tại tâm động đất, bắt đầu từ 7 độ richter, theo báo cáo thử nghiệm thì mô hình bị phá hủy kết cấu tại lực động đất 9 độ richter, mô hình không chịu được lực ngang ở lực động đất này, dù vậy vẫn chưa bị sụp đổ, nếu là toà nhà dân cư, thì người ở vẫn không bị thương tổn do sự sụp đổ của các bức tường hoặc tấm sàn.

• Tại lực động đất 7 độ richter , không có vết nứt nẻ nhờ khả năng đàn hồi.

• Tại lực động đất 8 độ richter, có vết nứt trên đầu dầm tầng một, vết nứt lớn dần.

• Tại lực động đất 9 độ richter, mô hình không chịu được lực ngang, nhưng không sụp đổ.

LỰC ĐỘNG ĐẤT

Động đất tạo ra các lực đứng và lức ngang, hầu hết các bức tường và khung có khả năng chuyển tải xuống nền móng một cách an toàn, nhưng không có khả năng chịu các lực ngang.

Lực ngang tác động trên toà nhà tùy theo trọng lượng của toà nhà và sự phát triển tối đa của lực ngang trong động đất, do đó lực ngang tác động chủ yếu ở tấm sàn tầng trệt, vì sự rung chuyển của lực ngang  không phân phối đều trên tấm sàn. Lực ngang tác động nhiều hơn ở các tầng cao hơn. Sự phân lực tùy thuộc vào chiều cao và kết cấu công trình. Lực đứng cũng tùy thuộc vào kết cấu công trình. Trong xây dựng đàn hồi như khung, biến dạng của kết cấu dẫn đến việc thu hút các lực ngang. Ngược lại với khung, xây dựng không đàn hồi với tường cắt chỉ có những biến dạng nhỏ. Do vậy toàn thể lực ngang được ứng dụng cho phương pháp xây dựng này.

Nội lực lớn nhất tạo ra do các lực ngang tại tầng thứ nhất của toà nhà. Ở các tầng cao hơn, nội lực nhỏ hơn, do vậy cần gia cố ở tầng thứ nhất của toà nhà.

NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU KHUNG

Kiểu kết cấu này thường thấy ở tầng thứ nhất các toà nhà cao tầng, chúng thường là chỗ đậu xe, cửa hàng hoặc văn phòng. Để chống chọi với động đất, sự kết nối giữa cột với khung hoặc giữa cột với cột phải thật vững chắc, thường các kết nối này sử dụng thép dễ uốn, nếu không sẽ dễ bị gãy trong động đất.

Đặc biệt trong trường hợp tầng hầm xây dựng theo kết cấu khung với các tầng trên bằng kết cấu tường thì sẽ có vấn đề do trọng lượng của các tầng trên, hơn nữa nó lại quá cứng (không dễ uốn) để triệt tiêu lực ngang, ngay cả các công trình được xây dựng một cách cẩn trọng thì khả năng chịu lực động đất cũng bị hạn chế.

Trong quá trình động đất, công trình xây dựng bằng kết cấu khung phải chịu  các mô men tăng cường và lực cắt. Mô men lớn nhất tác động tại các mối nối giữa cột và nền móng, giũa cột và dầm, do đó các mối nối không đủ mạnh sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của lực.

NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU TƯỜNG

Cường lực của các bức tường phải đủ để được coi là các bức tường chịu lực. Các bức tường gạch khó có khả năng chịu tác động của tải trọng ngang, vì vậy trong quá trình động đất các bức tường gạch sẽ bị hư hại. Ngay cả các cơn dư chấn sau động đất cũng làm sụp đổ thêm các bức tường đã bị hư hại trước đó.  Không như tường gạch, tường bê tông cốt thép có khả năng chịu các lực ngang, ngay cả các bức tường bê tông cốt thép có thể bị những hư hại nhất định nhưng chúng có thể chịu lực trong cơn chấn động, điều rất cần thiết là phải có những sợi thép gia cường ở cự ly nhỏ, nếu không các vết nứt rộng sẽ làm hư hại công trình.

Cũng phải đảm bảo là các bức tường được neo chặt vào nền móng. Thường thi các bức tường gạch đều không nối kết với nền móng, do giá rẻ nên thường sử dụng bê tông trộn sẵn nên bức tường không đủ lực nối kết tăng lực với nền. Các bức tường chịu lực kết nối với tầng trên cũng quá nhỏ.

TƯỜNG CẮT

Thông thường, các bức tường cắt cần có các thành phần biên có gia cố, gia cố này để chịu lực căng và phải kết nối với nền móng và tấm sàn hoặc với bức tường cắt tầng trên.

BỨC TƯỜNG VÀ TẤM SÀN 3D

Độ bền chắc của kết cấu 3D chủ yếu tùy thuộc vào tác động qua lại giữa các bức tường cắt 3D và các thành phần biên, vì vậy sự gia cố tại các thành phần biên quyết định lực chung của cấu trúc.

TƯỜNG 3D VỚI CÁC THÀNH PHẦN BIÊN

Yêu cầu gia cố này chỉ cần cho một vài bức tường và sự gia cố cũng vừa phải thôi nhưng sức chịu tải của toàn bộ cấu trúc thì gia tăng thấy rõ.

TẠO THÊM ĐỘ BỀN CHẮC VỚI 3D PANELS

3D Panels được sử dụng để không những xây dựng các công trình mới mà còn có thể gia cố độ bền vững của các công trình có sẵn. Trong cả hai trường hợp các yêu cầu cơ bản là như nhau. Các phần chịu tải của công trình mới và gia cố phần cứng cáp cho các công trình có sẵn đều phải đạt được các yêu cầu sau đây :

• Trọng lượng của công trình có thể gia tăng nhưng phải rất ít.

Một mặt là lực đứng của công trình có sẵn là bị hạn chế, mặt khác trong quá trình động đất, bức tường nặng sẽ tạo ra lực ngang lớn hơn

• Độ cứng uốn của cấu trúc gia cố phải bằng hoặc cao hơn độ cứng của công trình hiện hữu.

Không thể sử dụng kết cấu khung để gia cố công trình với các bức tường. Khung cần thay đổi hình dạng nhiều để có thể chịu lực ngang, vì vậy kết cầu tường sẽ bị sụp đổ trước khi khung có tác dụng chịu lực động đất của công trình.

• Kết nối với cấu trúc có sẵn phải đảm bảo là khoan neo và nên xử dụng nhựa thông epoxy.
• Tường cắt chủ yếu chịu lực nén chéo. Để giảm thiểu hiểm hoạ nung cháy các bức tường không quá mỏng, nhưng phải lưu ý đến trọng lượng của bức tường dày. Tất nhiên là bức tường cần có gia cố lien tục bằng thép sợi với đường kính và cư ly nhỏ, nếu không bức tường có thể bị nứt và bức tường sẽ gãy đổ.

Sau cùng thì những bức tường cắt phải được bố trí để tạo ra cấu trúc vững chắc ở tất cả các hướng, thường thì ở hai hướng chính của công trình, có thể các bức tường không chịu lực cũng được thay thế bằng tấm 3D Panel.

Nhờ trọng lượng nhẹ và khả năng chịu lực nén cao, tấm 3D Panel là vật liệu lý tưởng để xây dựng các bức tường cắt.

Với các công trình có sẵn rất khó thực hiện theo cách thi công dạng khuôn thì 3D Panel rất dễ lắp dựng và phun bê tông.

Tại các công trình có sẵn nên khoan lỗ để neo tường với nền và tram bằng nhựa thông eposy để gia cuờng sự kết nối.