Home / QUY HOẠCH - KIẾN TRÚC - XÂY DỰNG / Một số vấn đề kỹ thuật cần lưu ý trong tính toán thiết kế công trình cao tầng

Một số vấn đề kỹ thuật cần lưu ý trong tính toán thiết kế công trình cao tầng

  1. Mở đầu

     Trong một số năm trở lại đây, Đà Nẵng như một đại công trường. Nhiều công trình xây dựng với quy mô lớn diễn ra với tốc độ và mật độ cao ở khu vực ven biển các quận Sơn Trà, Ngũ Hành Sơn và kể cả trong khu vực nội thị là quận Hải Châu. Nhiều công trình xây dựng cao tầng, bước nhịp lớn đã và đang được triển khai thi công.

     Sự phát triển nhanh chóng của hạ tầng nếu được gắn liền với quy hoạch tổng thể và dựa trên một trình độ khoa học kỹ thuật tương ứng sẽ tạo ra được những sản phẩm chất lượng nhất, phù hợp với các yếu tố như giao thông, môi trường, trật tự an ninh xã hội. Tuy nhiên, nếu sự quản lý và quy hoạch chưa theo kịp với trình độ của công nghệ và quy mô công trình thì lại có thể để lại những hậu quả lớn.

     Việc xây dựng các công trình có quy mô lớn, phức tạp đặt ra nhiều vấn đề so với các công trình thấp tầng, có kiến trúc giản đơn. Công trình cao tầng thường có nhịp khá lớn, kiến trúc lại phức tạp vì thường hay phục vụ cho nhiều công năng khác nhau. Các chức năng có thể là tổ hợp khách sạn, thương mại, chung cư, văn phòng,… Đi liền với sự đa dạng của công năng trong cùng một công trình là sự đa dạng về chiều dài nhịp, chiều cao tầng cũng như sự đa dạng về hệ thống điện máy của công trình. Sự đa dạng và phức tạp này khiến cho việc thiết kế, thi công và quản lý, bảo dưỡng, vận hành công trình đặt ra nhiều vấn đề mới so với những công trình thông thường.

      Trong bài viết này, tác giả trình bày một số điểm lưu ý trong quá trình thiết kế, thi công, vận hành nhà cao tầng để từ đó có những dự phòng và chuẩn bị ngay từ đầu mà nếu không, sẽ có thể ảnh hưởng đến các vấn đề về tiến độ và kinh tế.

    1. Giải pháp vượt nhịp bằng công nghệ Ứng lực trước

     Ứng lực trước kết cấu bê tông cốt thép là một trong những giải pháp kỹ thuật hiệu quả cho phép công trình vượt nhịp lớn. Ứng lực trước là biện pháp tạo ra một tác dụng ngược với tác dụng của tải trọng ngoài để làm giảm ứng suất kéo trong bê tông. Kết cấu dầm hoặc sàn nhịp lớn (từ khoảng 9 mét trở lên) thường hay được sử dụng trên địa bàn Đà Nẵng hiện nay là loại bê tông Ứng lực trước căng sau có thể được thiết kế theo tiêu chuẩn châu Âu (Eurocode 2), tiêu chuẩn Anh hoặc tiêu chuẩn Mỹ (ACI). Khi thiết kế loại sàn này, kỹ sư thiết kế thường đưa ra các giải pháp sàn khá mỏng với tỉ lệ chiều dày sàn / chiều dài nhịp khoảng 1/30 đến 1/45, tùy thuộc vào loại sàn phẳng hay sàn một phương, sàn hai phương. Kết cấu mỏng manh sẽ rất ấn tượng nếu chỉ nhìn vào yếu tố tăng chiều cao thông thủy của tầng. Tuy nhiên việc sử dụng loại kết cấu này thường đặt ra một số vấn đề sau đây mà người thiết kế hoặc/và người thi công chưa để ý trong quá trình thiết kế/thi công:

     + Yếu tố mỏng của kết cấu sàn làm nảy sinh vấn đề về độ võng, đặc biệt là sự rung động. Sàn thiết kế quá mỏng sẽ khiến cho tần số dao động thấp, có thể cộng hưởng với tần số của các tác nhân gây rung động như: bước chân người đi bộ, âm thanh phát ra từ người hoặc từ loa đài, ti vi. Từ đó có thể làm cho sự cách âm giữa tầng trên và tầng dưới không tốt, làm giảm sự tiện nghi cho người sử dụng. Chính vì vậy, khi người kỹ sư thiết kế mà chỉ tính toán đến độ bền, không tính toán đến sự tiện nghi thì có thể sẽ làm giảm rất nhiều giá trị của công trình.

      + Kết cấu Ứng lực trước là loại kết cấu cần được thiết kế và thi công phù hợp với nhau vì các điều kiện ràng buộc về ứng suất trong bê tông cũng như trong cáp căng ở thời điểm căng cáp và trong quá trình sử dụng cần phải được tuân thủ chặt chẽ. Kết cấu càng mỏng thì sự sai khác giữa thi công và thiết kế càng cần phải được giảm thiểu vì khi đó bài toán thiết kế có thể ở dạng nghiệm duy nhất (tức là chỉ có duy nhất một giá trị lực căng cho một tình huống đặt cáp). Tuy nhiên, qua quan sát thực tế tại một số công trường hiện nay, một số vấn đề đã phát sinh như: kết cấu bị nứt trong quá trình căng cáp hoặc/ và sử dụng, cáp bị đứt trong quá trình căng kéo. Có thể thấy một số nguyên nhân sau:

      • Không đồng bộ về nhà thầu, giữa nhà thầu làm kết cấu chính và nhà thầu thi công cáp ứng lực trước khiến việc quản lý công trường không đồng bộ. Công nhân của các nhà thầu khác không ý thức được tầm quan trọng của việc tuân thủ nghiêm ngặt vị trí của cáp, hình dạng đường ống, vị trí khớp nối, quy trình đầm, đổ bê tông, … khiến cho hình dạng của quỹ đạo đường cáp không được như thiết kế.
      • Công tác thiết kế kết cấu ứng lực trước sử dụng khá nhiều giả thiết khó kiểm chứng. Ví dụ như giả thiết về hệ số ma sát giữa cáp và đường ống, thông số từ biến, co ngót để tính toán mất mát ứng suất dài hạn. Việc sử dụng các giả thiết này khiến việc thiết kế không được chính xác.

     Như vậy có thể thấy, ngay đối với kết cấu sàn nhịp lớn sử dụng công nghệ bê tông Ứng lực trước, việc nghiên cứu kỹ cũng như đào tạo đội ngũ thi công, đội ngũ thiết kế, giám sát và thẩm tra về quy trình thiết kế, tính toán, và thi công là cần thiết để đảm bảo chất lượng công trình và giảm thiểu sự cố.

        1. TMK_7882_zing_c Tính toán kết cấu chính

  Khi tính toán các bài toán nhà cao tầng bê tông cốt thép, các kỹ sư thường mô hình hóa, sử dụng phần mềm để tính toán nội lực, từ đó thiết kế thép cho các cấu kiện. Đối với các công trình nhỏ, tải trọng ít thì việc tính toán thiết kế thông thường không đặt ra nhiều vấn đề phức tạp. Tuy nhiên đối với các công trình cao tầng, việc tính toán sẽ phức tạp hơn khá nhiều. Nhiều vấn đề cần phải được xem xét và tính toán chi tiết cũng như phải tối ưu trên tổng thể các vấn đề gồm: kiến trúc, kết cấu, hệ thống điện nước, thi công, bảo trì bảo dưỡng và vận hành công trình. Trong thực tế, nhiều chủ đầu tư thường xây dựng dự án mà không sử dụng hoặc có ý định vận hành sau này, chính vì vậy mà họ chỉ quan tâm tới giá thành đầu tư xây lắp ban đầu, do đó các phương án thiết kế thường phải dẫn đến một giải pháp xây lắp rẻ nhất mà không tính toán và chi phí vận hành, bảo trì, bảo dưỡng vốn chiếm đến 70% tổng chi phí trong vòng đời công trình. Mặt khác, định mức chi phí thiết kế công trình vốn khá thấp khiến cho các đơn vị thiết kế không thể dành nhiều thời gian nghiên cứu kỹ lưỡng các phương án và các bài toán đặc thù của công trình cao tầng, ví dụ:

  + Tác động của từ biến và co ngót trong kết cấu nhà cao tầng BTCT: Ta biết từ biến là hiện tượng bê tông bị biến dạng theo thời gian dưới tác dụng nén của tải trọng dài hạn. Ứng suất trong cấu kiện cột càng lớn thì từ biến càng cao. Khi thiết kế, nếu không xét đến vấn đề này, các cấu kiện chịu nén như cột, vách được thiết kế mà ứng suất nén chênh lệch nhau quá lớn sẽ dẫn đến biến dạng từ biến trong chúng là khác nhau. Do vậy sau vài năm sử dụng, công trình có thể bị nghiêng do biến dạng không đều, hoặc các bộ phận phi kết cấu (vách ngăn, cửa kính,…) nằm giữa hai cấu kiện chịu nén có chuyển vị chênh lệch có thể bị nứt, vỡ. Đặc biệt trong những tình huống mà sàn sử dụng cho các máy móc nhạy cảm với sự nghiêng lệch thì có thể dẫn đến những vấn đề về độ chính xác của máy móc sau một thời gian sử dụng công trình.

   + Kiểm soát tần số dao động của các kết cấu nhịp lớn. Đối với các công trình đặc thù có chiều rộng khá lớn, chịu các hoạt động lớn như hội trường, sân khấu,… thì các sàn nếu có tần số dao động riêng gần giống với tần số của lực tác động (như tần số của vũ đoàn, tần số của người bước đồng thời hay tần số hoạt động của máy móc trên sàn,…) sẽ ảnh hưởng không tốt đến kết cấu. Do đó việc kiểm soát trong tính toán thiết kế cần phải được thực hiện. Tuy nhiên, hiện nay các công trình ít thấy có các tính toán cụ thể liên quan đến vấn đề này.

    + Các bộ phận phi kết cấu. Các bộ phận phi kết cấu trong công trình như hệ thống cửa sổ, vách kính, tường ngăn,… mặc dù không chịu lực chính nhưng lại rất nhạy cảm với các tác động như: gió bão, chênh lún, nhiệt độ. Thực tế xảy ra ở một số công trình cao tầng cho thấy, khi chịu tác dụng của gió bão, các vách kính ở tầng thấp, các cửa sổ ở các khu vực góc nhà đã bị gió làm vỡ mặc dù cũng kết cấu này ở khu vực giữa nhà không bị vấn đề lớn. Điều đó cho thấy các kỹ sư tính toán đã “quên” mất lưu ý rằng, đối với các công trình cao tầng thì các khu vực góc nhà, biên nhà bị tác động gió mạnh hơn rất nhiều so với những khu vực khác do hiệu ứng gió quẩn.

   + Đánh giá tác động môi trường. Việc đánh giá tác động môi trường đối với công trình nhà cao tầng phức tạp hơn rất nhiều so với các công trình quy mô nhỏ. Xây dựng nhà cao tầng có nghĩa là tập trung lượng lớn dân cư vào một khu vực và từ đó tăng mật độ giao thông, có thể dẫn đến tắc đường và làm trầm trọng thêm mức độ ô nhiễm môi trường. Việc xây dựng nếu không tính đến năng lực giao thông của khu vực sẽ ảnh hưởng đến chất lượng môi trường và cuộc sống của dân cư xung quanh. Ngoài ra, một công trình cao tầng nằm giữa một khu dân cư thấp tầng có thể sẽ tác động tiêu cực như gây nên những cơn gió lớn, làm ảnh hưởng đến công trình và người dân xung quanh. Có những trường hợp, cần phải xét đến sự tác động của công trình đến khu vực, kể cả trong quá trình thi công cũng như lúc khai thác, sử dụng công trình. Ví dụ một công trình ven bờ biển thì việc khai thác, bơm hút nước ngầm trong quá trình thi công và trong quá trình sử dụng với lưu lượng lớn sẽ có thể làm mất cân bằng giữa phần nước mặn và phần nước ngọt, có thể gây xâm thực bờ biển.

     Kết luận

     Trong bài viết này, tác giả điểm qua một số điểm lưu ý căn bản mà các kỹ sư tính toán, đơn vị thi công, thẩm tra, thẩm định có thể gặp phải khi thiết kế, thi công công trình nhà cao tầng. Những điểm nói trên chỉ mang tính gợi mở, định hướng. Các nội dung chi tiết cần phải tham khảo các quy trình, quy phạm và các tài liệu hướng dẫn.

                                                                                       TS. Nguyễn Thế Dương

ĐTPT số 67/2017

 

Check Also

ket qua

Kết quả Hội nghị tổng kết các quan chức cao cấp APEC

       Trưa ngày 07 tháng 11, tại Đà Nẵng, Hội nghị tổng kết …