Xu hướng áp dụng kết cấu liên hợp bê tông cốt thép trong xây dựng

Ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới.

Ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới và Việt Nam

Khác với bê tông cốt thép thông thường, có cốt thép chịu lực là các thanh thép tròn, kết cấu liên hợp thép – bê tông là kết cấu mà thép chịu lực có dạng thép tấm, thép hình, thép ống. Nó có thể nằm ngoài bê tông (gọi là kết cấu thép nhồi bê tông), hay nằm bên trong bê tông (gọi là kết cấu thép bọc bê tông) hoặc được liên kết với nhau để cùng làm việc.

Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép. Việc hình thành các dạng kết cấu liên hợp này bắt nguồn từ hai nguyên nhân. Nguyên nhân thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn bằng các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng, khi hàm lượng quá lớn hình thành nên kết cấu liên hợp. Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bê tông để chống xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực, từ đó hình thành nên kết cấu liên hợp thép bê tông.

Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết cấu này đã được sử dụng từ hàng trăm năm nay và càng có nhiều ưu điểm cần thiết phải khai thác.

Hiện nay, kết cấu liên hợp thép - bê tông được sử dụng rất rộng rãi đặc biệt là các tòa nhà cao tầng. Điển hình như Tòa nhà Peachtree Tower, Tháp thiên nhiên kỷ Áo, Tòa nhà One Atlantic Center ở Mỹ, Trung tâm thương mại Thượng Hải ở Trung Quốc.

Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây, với yêu cầu phát triển xây dựng hiện nay, việc sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông để thiết kế và thi công cũng được sử dụng rộng rãi, như Tòa nhà Diamond Plaza (TP.HCM), Tòa nhà Vietinbank Tower, Tòa nhà Keangnam, Tòa nhà Lotte Center (Hà Nội).

Đặc điểm của kết cấu liên hợp thép – bê tông

Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường. Điều này càng có ý nghĩa đối với công trình có độ ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Khả năng chịu lửa tốt. Đối với cấu kiện được bọc bê tông, khả năng chịu lửa của thép đảm bảo tốt hơn là thép bọc ngoài. Khi kết cấu khung nhà hoàn toàn bằng thép thì khả năng chịu lửa kém. Ví dụ như tòa nhà tháp đôi của Mỹ, kết cấu khung hoàn toàn là thép hợp kim có tính dẫn nhiệt nên khi máy bay đâm vào gây cháy, gia nhiệt hệ kết cấu dẫn tới biến dạng chảy và đổ sụp.

Tăng độ cứng của kết cấu, điều này thấy rõ đối với cột liên hợp thép - bê tông. Dù là thép bọc nhồi bê tông hay bê tông bọc thép thì đều làm giảm độ mảnh của cột thép, làm tăng khả năng ổn định cục bộ và ổn định tổng thể của cấu kiện. Chỉ phù hợp với kết cấu vượt nhịp lớn, khi đó tận dụng được hết khả năng chịu lực của vật liệu. Đối với kết cấu vượt nhịp nhỏ thì không tối ưu được hết khả năng chịu lực của vật liệu. Kết cấu có dự trữ chịu lực lớn trong trường hợp này.

Tăng khả năng biến dạng hơn so với kết cấu bê tông cốt thép, đó là ưu điểm lớn trong việc chống tải trọng động đất.

Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng hiệu quả của việc sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ cao.

So với kết cấu bê tông thông thường, kích thước của kết cấu liên hợp bé hơn, do đó tăng được không gian sử dụng, nhất là đối với các cột tầng dưới của nhà cao tầng. Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao. Biện pháp thiết kế và thi công đòi hỏi có đơn vị thiết kế thi công có trình độ.

So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp lớn hơn, nhưng đôi khi không phải là đắt hơn. Ở những nước tiên tiến và đơn giá nhân công cao như ở Âu, Mỹ, Nhật thì bài toán kinh tế có thay đổi chút.

Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, tiết kiệm nhân công ngoài hiện trường, chi phí quản lý, sớm quay vòng vốn và đưa vào sử dụng sớm thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn.

Đối với các nước đang phát triển như Việt Nam thì kết cấu liên hợp mới được áp dụng hạn chế bởi độ an toàn, chi phí vật liệu cao và nhân công còn rẻ. Chính vì vậy nên tại Việt Nam kết cấu này mới đang trong giai đoạn đầu phát triển. Khi giá nhân công tăng và trình độ khoa học kỹ thuật tăng thì kết cấu liên hợp thép bê tông giảm được giá thành tương đối. Lúc đó là cơ hội phổ biến của kết cấu liên hợp tại Việt Nam như các nước tiên tiến.

Hệ khung Gubeam là xây nhà công nghệ châu Âu tại Việt Nam

Với một giải pháp sáng tạo độc đáo, Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển công nghệ GEC đã cho ra đời hệ khung kết cấu bê tông cốt thép liên hợp GuBeam phục vụ cho nhà cao tầng, đặc biệt là có thể sử dụng đại trà cho các nhà thấp tầng.

Các công trình đang được Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển công nghệ GEC xây dựng.

Hệ dầm cột GuBeam với thiết kế đặc biệt nên có kết cấu nhẹ hơn và khả năng chịu lực tốt hơn so với các loại dầm cột truyền thống. Tăng khả năng biến dạng hơn so với kết cấu bê tông cốt thép, đó là ưu điểm lớn trong việc chống tải trọng động đất.

GuBeam được làm bằng kết cấu thép có tiết diện hình chữ U, C tổ hợp lại tạo ra hệ thép bao tạo hình bê tông và chứa cốt thép xây dựng bên trong.

GuBeam kết hợp với bê tông thành một khối đồng nhất nằm chìm trong sàn nên có thể giảm thiểu được tối đa 50% chiều cao của dầm. Do vậy, dầm cột GuBeam làm tối đa không gian chiều cao mỗi tầng. Nên có thể tăng số tầng khai thác trên cùng một chiều cao quy định. Tạo bề mặt của trần phẳng tăng tính thẩm mỹ.

Với tính chất làm việc, sự tương tác giữa các loại vật liệu của kết cấu liên hợp có rất nhiều ưu điểm nên việc phát triển lý thuyết tính toán của kết cấu liên hợp phát triển song song với sự phát triển của công nghệ xây dựng nhà cao tầng. Với các công trình yêu cầu nhịp lớn hoặc cao tầng kết cấu bê tông cốt thép thông thường bộc lộ rõ những giới hạn của mình, đó là kích thước kết cấu chịu lực chính là cột, dầm rất lớn, tốn nhiều nhân công thủ công tại chỗ, tiến độ thi công chậm…

Do đó, việc áp dụng kết cấu liên hợp trong các công trình nhịp lớn, cao tầng là sự tất yếu của một dạng kết cấu mới với các tính năng ưu việt, phù hợp với sự phát triển của đất nước.

Để kết cấu liên hợp được phát triển nhanh, đại trà tại Việt Nam thì cần khắc phục nhược điểm lớn nhất là phải có giá thành phù hợp mới mức chi trả của đại đa số người dân.

Giải pháp là áp dụng khoa học công nghệ để giảm chi phí nhân công và áp dụng vào những công trình cần chất lượng cao và tiến độ nhanh. Khi chi phí nhân công chung toàn xã hội tăng lên thì kết cấu liên hợp thép bê tông cốt thép là tăng chậm hơn và thu ngắn khoảng cách giá thành với các công nghệ kết cấu bê tông thông thường khác.

Nhà sáng chế, Thạc sỹ Đỗ Đức Thắng (Phó Viện trưởng Viện Công nghệ GFS, Top 1 Ngôi sao Sáng chế IPSTAR 2021, giải Nhất VIFOTEC 2021) cho biết: GuBeam có ưu điểm vượt trội về công xưởng hóa khá cao đối với các cấu kiện cột, dầm đỡ sàn. Do vậy chất lượng ổn định, độ tin cậy cao hơn so với cách thi công truyền thống.

Về sơ đồ kết cấu GuBeam khá tiến bộ vì biện pháp thi công là lắp ghép nhưng các nút liên kết vẫn tạo được độ cứng cao sau khi toàn khối hóa tại công trình, điều này cải thiện độ cứng chung của hệ kết cấu và chống rung động tốt.

GuBeam đặc biệt phù hợp trong giai đoạn nhân lực ngành Xây dựng khan hiếm hiện nay. GuBeam cũng rất thuận tiện cho xây xen trong thành phố nơi điều kiện giao thông hạn chế khó áp dụng cơ giới hóa thi công.

GuBeam giảm nhẹ trọng lượng bản thân kết cấu, giảm tải truyền xuống móng, lại là kết cấu không nhạy lún, nên tạo ra điều kiện thuận lợi cho ứng dụng các dạng móng không cần cọc cho nhà đến 6-7 tầng trên đất yếu.

Công tác hoàn thiện công trình với GuBeam có nhiều thuận lợi do công xưởng hóa cao, các kích thước đạt độ chính xác cao. Nếu kết hợp thêm với panel tường, cabin WC và cầu thang bộ lắp ghép thì sẽ là lựa chọn tối ưu cho ngôi nhà mà bạn mong ước.

TS. Nguyễn Ngọc Thắng (Giảng viên Khoa Công trình Đại học Thủy lợi Chuyên gia kết cấu Viện kỹ thuật công trình – Trường Đại học Thủy lợi) cho biết: Trong những năm gần đây, phát triển công nghệ xanh, sạch, thân thiện với môi trường vào lĩnh vực xây dựng đang trở thành một xu thế tất yếu tại Việt Nam. Trong xu thế đó, kết cấu liên hợp thép - bê tông với công nghệ sản xuất và lắp ghép cấu kiện tỏ ra chiếm ưu thế hơn cả nhờ vào khả năng chịu lực của cấu kiện được nâng lên và nhất là tạo dựng được hệ kết cấu thân thiện với môi trường. Công nghệ chế tạo cấu kiện cốp pha đúc sẵn dùng một lần ở đây không chỉ giúp kiểm soát chất lượng vật liệu và rút ngắn tiến độ thi công xây lắp mà còn hạn chế tối đa mức độ ảnh hưởng ô nhiễm tới môi trường do việc thi công bê tông cốt thép toàn khối tại công trường như hiện nay.

Kết cấu khung thép tổ hợp với tên gọi GuBeam với những ưu điểm nổi trội về khả năng chịu lực, tăng cường độ cứng cho hệ kết cấu liên hợp thép - bê tông có thể nói là một giải pháp sáng tạo độc đáo mà Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển công nghệ GEC đã phát triển, khởi đầu cho xu hướng công nghệ xây dựng nhà tại Việt Nam trong những năm tới đây.

Nhờ kết hợp được hai loại vật liệu là bê tông cường độ cao và thép bọc mạ kẽm cùng cộng tác chịu lực, hệ dầm cột GuBeam đã giảm nhẹ đáng kể trọng lượng kết cấu, tiết kiệm chi phí móng. Liên kết nút khung linh hoạt là ưu điểm lớn trong thiết kế kháng chấn.

Bên cạnh đó, nhờ vào giải pháp cấu tạo dầm GuBeam chìm trong sàn nên đã tăng được không gian chiều cao mỗi tầng, tăng hiệu quả khai thác và tính thẩm mỹ cho công trình.

Do vậy có thể nhận định rằng, kết cấu Gubeam là giải pháp công nghệ xây nhà hiện đại, thân thiện, hiệu quả và là xu thế trong tương lai gần.

Tương tự, TS. Trần Việt Tâm (Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp, Đại học Xây dựng Hà Nội) cho rằng: Kết cấu liên hợp thép - bê tông với công nghệ sản xuất và lắp ghép cấu kiện tỏ ra chiếm ưu thế hơn cả nhờ vào khả năng chịu lực của cấu kiện được nâng lên và nhất là tạo dựng được hệ kết cấu thân thiện với môi trường.

Công nghệ chế tạo cốp pha bê tông đúc sẵn thay thế cốp pha luân chuyển ở đây không chỉ giúp kiểm soát chất lượng vật liệu và rút ngắn tiến độ thi công xây lắp mà còn hạn chế tối đa mức độ ảnh hưởng ô nhiễm tới môi trường do việc thi công bê tông cốt thép toàn khối tại công trường như hiện nay.

Kết cấu khung thép tổ hợp với tên gọi GuBeam do Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển công nghệ GEC đã phát triển với những ưu điểm nổi trội về, khả năng chịu lực, chịu biến dạng cho hệ kết cấu liên hợp thép - bê tông là một giải giải pháp sáng tạo độc đáo, khởi đầu cho xu hướng công nghệ xây dựng nhà tiền chế tại Việt Nam.

Kết cấu khung thép tổ hợp với tên gọi GuBeam được Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển công nghệ GEC đã phát triển, khởi đầu cho xu hướng công nghệ xây dựng nhà tại Việt Nam trong những năm tới đây.

Nhờ kết hợp được hai loại vật liệu là bê tông cường độ cao và thép bọc mạ kẽm cùng cộng tác chịu lực, hệ dầm cột GuBeam đã giảm nhẹ đáng kể trọng lượng kết cấu, tiết kiệm chi phí móng, giảm tác động của tải trọng động đất…

Ngoài ra, giải pháp cấu tạo dầm GuBeam chìm trong sàn toàn khối hoặc lắp ghép nên đã tăng được chiều cao thông thủy, tăng hiệu quả khai thác và tính thẩm mỹ cho công trình.

Kết cấu Gubeam là giải pháp công nghệ xây dựng công trình hiện đại, có chi phí hợp lý cần được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển tại Việt Nam.

Hạ Ly