Nghiên cứu tính khả thi của công nghệ sàn Bubbledeck trong xây dựng

Nguyễn Thị Thúy Hiên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 67 - 72 67 NGHIÊN CỨU TÍNH KHẢ THI CỦA CÔNG NGHỆ SÀN BUBBLEDECK TRONG XÂY DỰNG Nguyễn Thị Thúy Hiên*, Nguyễn Hoàng Sơn, Nguyễn Văn Tình Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Công nghệ kết cấu sàn Bubble deck là loại sàn rỗng chịu lực hai phương, là một hệ sàn phẳng có thể đáp ứng nhu cầu của ngành xây dựng về tính linh hoạt, độ bền vững và tiết kiệm vật liệu, làm giảm chi phí và thời gian xây dựng đáng kể nhờ loại bỏ hoàn toàn việc phải sử dụng dầm trong kết cấu bê tông, cũng như giảm được số lượng kết cấu tường và cột dẫn đến tiết kiệm rất nhiều bê tông, điều này đồng nghĩa với việc tiết kiệm được kích thước, kết cấu móng đồng thời giúp gia tăng tỷ số giữa cường độ và trọng lượng so với các kiểu sàn truyền thống. Từ khóa: Công nghệ thi công, sàn bóng, sàn bê tông cốt thép, thời gian, chi phí, chất lượng. TỔNG QUAN* Sàn BubbleDeck (BD) được Jorgen Breuning một kỹ sư người Đan Mạch sáng chế ra từ năm 1997 sau khi lấy cảm hứng sáng tạo từ cuộc thi thiết kế các kết cấu bền vững và linh hoạt do Bộ Nhà ở Đan Mạch tổ chức. Công nghệ này được du nhập vào Việt Nam từ những năm 90 của thế kỷ trước và tới nay nó được áp dụng trong nhiều công trình ở Việt Nam. Hệ sàn Bubbledeck có thể sử dụng như công nghệ thi công lắp ghép nên giảm đáng kể thời gian thi công, quá trình thi công chủ yếu vận chuyển cấu kiện chế tạo sẵn từ nhà máy đến công trình và tiến hành lắp ghép, có thể không dùng ván khuôn, có ván khuôn và ván khuôn tự mang tùy loại sàn ứng dụng loại A, B hay loại C. Các chi tiết được đúc sẵn này đã có thép gia cường, do đó giảm được công việc đặt và buộc thép tại công trường. Tất cả những đặc điểm trên khiến cho sàn bubbldeck trở nên đặc biệt thân thiện với hệ sinh thái địa phương, nhất là khi xem xét lượng CO2 thải ra từ quá trình sản xuất bê tông. Mặt khác bởi hệ sàn rỗng nên tăng khả năng cách âm cách nhiệt trong nhà, giảm tiếng ồn ngoài trời và ô nhiễm không khí do việc sản xuất được tiến hành tại nhà máy, quá trình vận chuyển bằng xe tải ít vì thời gian thi công ngắn. Tại Việt Nam nói chung và Thái Nguyên nói riêng, quá trính đô thị hóa đang diễn ra mạnh * Tel: 0982994286; nthien.tnut@gmail.com mẽ đặt ra nhu cầu cấp thiết về sử dụng những công trình có không gian kiến trúc rộng rãi với hiệu quả kinh tế cao, yêu cầu kĩ thuật và tính thẩm mỹ cao. Nhận thức được tầm quan trọng, đề tài “Nghiên cứu tính khả thi của công nghệ sàn BubbleDeck trong xây dựng” MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN SÀN BUBBLEDECK Sàn Bubbledeck là loại sàn rỗng chịu lực hai phương đầu tiên được thiết kế, công nghệ này có thể được mô tả một cách đơn giản là một hệ sàn phẳng cực kỳ hiệu quả, có thể đáp ứng nhu cầu của ngành xây dựng. Sàn Bubbledeck 3 lớp chính: lưới thép trên, quả bóng rỗng làm từ nhựa tái chế và lưới thép dưới (Hình 1). Hình 1. Cấu tạo sàn Bubbledeck Sàn Bubbledeck được sản xuất theo 5 dạng tiêu chuẩn theo độ dày tấm sàn theo bảng 1. Sàn bóng Bubbledeck được chia ra làm 3 loại: sàn A, sàn B và sàn C. + Sàn BubbleDeck loại A. Module cốt thép, dạng cấu kiện “lưới bóng” chế tạo sẵn được đặt trên ván khuôn truyền thống và đổ bêtông trực tiếp tại công trường. Nguyễn Thị Thúy Hiên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 67 - 72 68 Hình 2. Cấu tạo sàn BubbleDeck loại A + Sàn BubbleDeck loại B. Cấu kiện bán toàn khối, đáy của lưới bóng được cấu tạo một lớp bê tông đúc sẵn, dày 60mm thay cho ván khuôn tại công trường. Hình 3. Cấu tạo sàn BubbleDeck loại B + Sàn BD loại C. Tấm sàn thành phẩm, sản phẩm phân phối tới chân công trình dưới dạng tấm bê tông hoàn chỉnh. Hình 4. Cấu tạo sàn BubbleDeck loại C ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA SÀN BUBBLEDECK - Khả năng chịu lực: Sàn BD đã giảm 35% lượng bê tông trong tấm sàn nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực tương ứng. Do đó với một khoảng cách lưới cột, sàn BubbleDeck chỉ cần sử dụng khoảng 50% lượng bê tông so với tấm sàn đặc không dầm. So sánh khả năng chịu uốn và chịu cắt của sàn Bubbledeck và sàn thông thường khác cho kết quả ở bảng 1 và hình 4. Khả năng chịu cắt được xác định theo tỷ số a/d (a là khoảng cách từ vị trí đặt lực đến gối đỡ, d là chiều cao tính toán của bản sàn). Kết quả thử nghiệm được tóm tắt trong đồ thị trên hình 5. Sàn BubbleDeck có khả năng chịu lực cắt xấp xỉ 65% khả năng của sàn đặc với cùng chiều cao. Trong những vùng chịu lực phức tạp (khu vực quanh cột, vách, lõi), có thể bỏ bớt các quả bóng để tăng khả năng chịu lực cắt cho bản sàn. Hình 5 So sánh khả năng chịu cắt của sàn bóng và sàn thường Bảng 1. Tiêu chuẩn bóng sàn Bubbledeck Loại Độ dày (mm) Bóng (mm) Nhịp (m) Trọng lượng (Kg/m2) Thể tích bê tông (m3/m2) BD230 230 Ø 180 7-10 370 0,1 BD280 280 Ø 225 8-12 460 0,14 BD340 340 Ø 270 9-14 550 0,18 BD390 390 Ø 315 10-16 640 0,21 BD450 450 Ø 360 11-18 730 0,25 Bảng 2. So sánh khả năng chịu uốn của Bubbledeck và sàn thường Theo % sàn đặc Khi cùng khả năng chịu lực Khi cùng độ cứng chống uốn Khi cùng lượng bê tông Khả năng chịu lực 100 105 150 Độ cứng chống uốn 87 100 300 Thể tích bê tông 66 69 100 Nguyễn Thị Thúy Hiên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 67 - 72 69 - Khả năng chịu động đất: Lực động đất tác dụng lên công trình có giá trị tỷ lệ với khối lượng toàn công trình và khối lượng tương ứng ở từng cao độ sàn. - Khả năng vượt nhịp: Quá trình xác định nhịp lớn nhất mà tấm sàn BubbleDeck có thể vượt qua dựa trên tiêu chuẩn British Standard 8110 và Eurocode2, có bổ sung hệ số 1,5 để kể đến việc giảm nhẹ trọng lượng bản thân sàn so với sàn đặc truyền thống. Hình 6. Khả năng vượt nhịp – dày sàn Đồ thị mô tả mối quan hệ khả năng vượt nhịp - chiều dày sàn tương ứng với khả năng chịu mômen cho từng dạng tấm sàn. - Kết hợp giải pháp căng sau: Khi cần vượt nhịp lớn (trên 15m) có thể dùng giải pháp sàn BubbleDeck kết hợp ứng lực trước, thực hiện căng sau. Khi vượt nhịp lớn, sàn BubbleDeck thông thường sẽ không gặp khó khăn về khả năng chịu lực nhưng cần hạn chế độ võng lớn, vì vậy phải kết hợp với giải pháp căng sau. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA SÀN BUBBLEDECK - Khả năng chịu lửa: Sàn BD là sản phẩm không bắt cháy, có khả năng ngăn khói cao và không chứa khí độc hại. Khả năng chịu lửa phụ thuộc vào lớp bê tông bảo vệ lưới thép gia cường dưới (bảng 3). - Khả năng cách âm: Thử nghiệm trên tấm sàn BD280 cấu tạo cùng với lớp cách âm Ethafoam 222E dày 5mm, lớp láng bề mặt dày 85mm và tấm trần rỗng Casoline MF tiêu chuẩn với chiều dày khoảng rỗng 230mm đã khẳng định sàn BubbleDeck vượt tiêu chuẩn về khả năng cách âm vì phần bê tông đổ tại công trường sẽ lấp đầy các mối nối giữa các cấu kiện. Bảng 3. Khả năng chịu lửa của sàn bóng Độ dày lớp bảo vệ (mm) 15 20 25 30 35 Thời gian chịu lửa phút) 30 60 90 120 180 - An toàn cháy nổ: Sàn BubbleDeck là hệ sàn phẳng chịu lực theo hai phương, có khả năng chống cháy nổ rất hiệu quả. Sàn BubbleDeck tránh được dạng kết cấu nặng nề, loại bỏ các tấm tường đặc, tránh được ảnh hưởng của áp suất không khí. Đó đều là những nguyên nhân bất lợi nhất dẫn đến tình trạng phá hủy công trình. - Đặc tính cách nhiệt: Kết quả nghiên cứu cho thấy sàn BubbleDeck có thể chịu nhiệt cao hơn 39% so với tấm sàn đặc tương đương có cùng độ dày. - Hệ thống sưởi/làm mát: Sàn bóng là một giải pháp tiết kiệm năng lượng để sưởi ấm hoặc thông gió cho ngôi nhà. Các ống thông khí được đặt trong các phần cấu kiện của sàn và có thể được đúc sẵn hoặc lắp trực tiếp tại công trường. - Bảo vệ môi trường: Việc loại bỏ lượng bê tông ở thớ giữa bản sàn, sàn BubbleDeck đã góp phần lớn vào việc hạn chế các tác động không có lợi tới môi trường. SO SÁNH HIỆU QUẢ GIỮA SÀN BUBBLEDECK VỚI SÀN TRUYỀN THỐNG Hiệu quả giảm trọng lượng của bê tông và cốt thép Tiến hành so sánh trọng lượng của 2 phương án được xét trên một ô sàn điển hình với nhịp điển hình 9x9m. Tải trọng được lấy giống nhau cho cả 2 phương án. Phân tích một ô sàn có kích thước lưới cột 9x9 m thiết kế theo phương án sàn bóng và sàn dầm truyền thống. Theo sàn dầm truyền thống thì ô sàn điển hình được thiết kế gồm dầm chính có kích thước tiết diện 0,3x0,65m, dầm phụ 0,3x0,45m, bản sàn dày 0,15m. Theo phương án sàn bóng,với nhịp điển hình 9x9m ô sàn được thiết kế với bóng sàn có đường kính Ø270, bản sàn dày 340mm. Nguyễn Thị Thúy Hiên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 67 - 72 70 - Trọng lượng của bê tông: Khối lượng bê tông của ô sàn được tính trên cơ sở bê tông sàn phẳng dày 340mm và sàn bê tong dầm chính, bê tông dầm phụ và bê tông sàn bóng theo ba phương án. Kết quả tính toán ở bảng 4 và hình 7 thể hiện khối lượng của hệ sàn nhẹ thấp hơn so với sàn phẳng thường là 35%. Bảng 4. So sánh trọng lượng bê tông giữa sàn bóng và sàn khác Sàn đặc không dầm Sàn truyền thống D150 Sàn BD D340 Trọng lượng (kg/m2) 850 666,67 550 Tỷ lệ % 100% 78% 65% Hình 7. So sánh trọng lượng bê tông giữa sàn bóng và sàn khác - So sánh hàm lượng cốt thép: Với mặt bằng và tải trọng đã cho, đề tài chiết tính hàm lượng thép để làm cơ sở so sánh với giải pháp kết cấu mới. Kết quả cho thấy, phương án đưa ra nhờ ưu thế về giảm trọng lượng bê tông và tăng chiều dày sàn so với phương án sàn bê tông cốt thép thường nên hàm lượng thép thấp hơn nhiều. Lợi thế của một sàn BubbleDeck là sử dụng ít hơn 30-50% so với bê tông so với sàn dầm truyền thống tấm rắn thông thường. Các quả bóng HDPE thay thế bê tông không hiệu quả trong các trung tâm của phần này, do đó làm giảm tĩnh tải của kết cấu bằng cách loại bỏ không sử dụng vật liệu nặng. Vật liệu bê tông giảm và trọng lượng cũng dẫn đến cấu trúc thép ít từ sự cần thiết phải tăng cường độ bê tông cho sàn. Nhìn chung, do các tấm sàn nhẹ hơn, một số thành phần hạ lưu có thể được thiết kế cho tải thấp hơn và vì thế sẽ rất tiết kiệm. Bảng 5. So sánh hàm lượng cốt thép giữa sàn bóng và sàn khác Sàn bê tông đặc không dầm Sàn bê tông truyền thống 150 Sàn BD 340 Khối lượng sử dụng bê tông (m3/m2) 0,34 0,267 0,18 Tỷ lệ % 100% 79% 53% Hình 8. Biểu đồ so sánh hàm lượng cốt thép giữa sàn bóng và sàn khác Ưu thế chính của các quả bóng là giảm trọng lượng của tấm sàn. Tải trọng bản thân của sàn BD chỉ bằng 1/3 lần tấm sàn đặc có cùng độ dày và không có ảnh hưởng cường độ uốn và độ võng của tấm sàn. So với tấm sàn đặc, một tấm sàn BubbleDeck có khả năng chịu lực gấp đôi với 65% lượng bêtông và có cùng khả năng chịu lực với 50% lượng bêtông. Hiệu quả kinh tế Sàn BubbleDeck khi được sử dụng cho công trình sẽ đem lại nhiều hiệu quả kinh tế ( kể cả tối ưu chi phí bảo trì), như: tạo tính linh hoạt cao trong thiết kế, có khả năng thích nghi với nhiều loại mặt bằng; tiết kiệm khối lượng bê tông 2,3kg nhựa tái chế thay thế 230kg bê tông/m3 (BD280); giảm trọng lượng bản thân kết cấu tới 35%, từ đó giảm kích thước hệ kết cấu móng; tăng khoảng cách lưới cột, giảm hệ tường, vách chịu lực; giảm thời gian thi công và các chi phí dịch vụ kèm theo; thân thiện với môi trường khi giảm lượng phát thải năng lượng và CO2. Việc loại bỏ được dầm trong kết cấu đã giảm được đáng kể chiều cao tầng đồng thời mở rộng không gian sử dụng cho công trình. Nguyễn Thị Thúy Hiên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 67 - 72 71 Hiệu quả của công tác thi công Ưu điểm thi công của sàn bóng so với sàn bê tông truyền thống: giảm toàn bộ hệ thống coppha dầm chính và dầm phụ; thi công đơn giản hơn, nhanh hơn do chỉ phải lắp dựng coppha cho sàn phẳng; việc giảm được lượng thép dùng trong sàn nhờ vào việc giảm tải trọng bản thân của sàn nên công tác gia công lắp dựng cốt thép cũng sẽ tiết kiệm được thời gian và nhân lực; tạo tính linh hoạt cao trong thiết kế, có khả năng thích nghi với nhiều loại mặt bằng; việc loại bỏ được dầm trong kết cấu đã giảm được đáng kể chiều cao tầng đồng thời mở rộng thêm không gian sử dụng. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TIÊU BIỂU CHO THẤY NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ BUBBLEDECK Công trình tòa nhà Le Coie (Anh): Giải thưởng Xây dựng Jersey 2005 (tiết kiệm được hơn 400,000 bảng Anh khi sử dụng 7.800m2 sàn BubbleDeck); Chung cư LICOGI 13 (Đường Khuất Duy Tiến - Thanh Xuân - Hà Nội). Công trình tăng thêm 3 tầng nổi (từ 25 lên 27 tầng). Do không thể thay đổi được kết cấu móng nên phải tính đến bài toán giảm tải trọng của công trình. Công trình đã sử dụng những quả bóng nhựa tái chế thay thế phần bê tông không tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, cho phép tiết kiệm từ 30-40% lượng bê tông so với sàn truyền thống, giảm 25-30% trọng lượng kết cấu và tăng khả năng vượt khẩu độ nhịp lên khoảng 2 lần so với sàn truyền thống và giảm thời gian thi công mỗi sàn xuống 5-7 ngày. Nhờ áp dụng các giải pháp công nghệ mới, LICOGI 13 không chỉ nâng tầng thành công, có thêm lợi nhuận mà chủ đầu tư còn được ghi nhận là có tư tưởng tiên phong ứng dụng các công nghệ mới thân thiện với môi trường; Giảng đường chùa Lân - Thiền viện trúc lâm Yên Tử - Quảng Ninh. Đây là một dự án lớn với ưu điểm giá thành rẻ, thời gian thi công nhanh gấp 2 lần so với phương pháp thông thường, trung bình đạt 1000m2/7 ngày trong điều kiện thi công tốt và được đánh giá là dễ thi công. Khả năng vượt nhịp lớn đó là khoảng cách giữa hai cột lớn nhất hiện nay là 21,6m do đơn vị VITEC thiết kế và thi công. KẾT LUẬN Việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ sàn BubbleDeck sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, chất lượng cao cho công trình. Đây là một yêu cầu quan trọng luôn được đặt ra trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt đối với công trình nhà cao tầng. Việc rút ngắn được thời gian thi công sẽ mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho dự án. Vì vậy công nghệ sàn BubbleDeck cần được sử dụng rộng rãi trong toàn ngành xây dựng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. [2].t [3]. [4]. [5].lib.lhu.edu.vn Nguyễn Thị Thúy Hiên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 67 - 72 72 SUMMARY STUDY FEASIBILITY OF A BUBBLEDECK TECHNOLOGY IN CONSTRUCTION Nguyen Thi Thuy Hien*, Nguyen Hoang Son, Nguyen Van Tinh College of Technology – TNU Bubbledeck floor Technology is hollow floor, bearing two modes. Bubbledeck a flat floor system can meet the needs of the construction industry in terms of flexibility, durability and material savings, reduce costs and construction time dramatically by eliminating entirely the need beams used in concrete structures, as well as reduce the number of structural walls and column structures lead to saving a lot of concrete, this means saving size , foundation structure. At the same time helps to increase significantly the ratio of the intensity and weight compared to traditional flooring types. Keywords: Modern construction technology, floor ball, concrete floor, time, cost, quality. Ngày nhận bài:04/10/2013; Ngày phản biện: 20/10/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 Phản biện khoa học: ThS. Hàn Thị Thúy Hằng – Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN * Tel: 0982994286; nthien.tnut@gmail.com