Tổng quan về Bê tông cốt thép ứng lực trước

Bê tông cốt thép là một sản phẩm không thể thiếu được của kỹ thuật xây dựng. Một trong những phát minh lớn trong kỹ thuật xây dựng ở thế kỷ 20 chính là bê tông ứng lực trước. Nó được ứng dụng rộng rãi tại hầu hết các nước tiến tiến trên thế giới từ hơn 50 năm nay và cũng ứng dụng công nghệ này cho chung cư Xuân Mai Complex.

Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ bê tông ứng lực trước đã được thực hiện từ những năm 70, 80. Tuy nhiên phạm vi áp dụng còn hạn hẹp. Chỉ trong những năm gần đây, với chủ trương công nghiệp hoá, hiện đại hoá các doanh nghiệp trong ngành bê tông đã mạnh dạn ứng dụng công nghệ dự ứng lực trong việc sản xuất các cấu kiện bê tông dự ứng lực như: Dầm cầu của Bê tông Châu Thới; cột điện của Bê tông Thịnh Liệt; cọc dự ứng lực của Công ty Phan Vũ; ống cấp nước của Bê tông Tân Bình, Bê tông Chèm; dầm cầu, dầm sàn nhà dân dựng và công nghiệp của Bê tông Xuân Mai...

Năm 1998, Tổng công ty VINACONEX đã nhập công nghệ bê tông ứng lực trước tiền chế của nước Cộng Hoà Pháp để sản xuất dầm sàn nhẹ cho xây dựng nhà ở (hệ PPB) tại Nhà máy bê tông Xuân mai. Sản phẩm này hiện nay đã được áp dụng rộng rãi tại Hà Nội và đặc biệt đã phát triển để xây dựng trên 10.000 căn nhà sàn vượt lũ tại các tỉnh ĐBSCL. Tương lai sẽ phát triển tại dự án nhà ở tái định cư công trình Thuỷ điện Sơn La.
Năm 1999, Liên doanh VINAROSE (hợp tác giữa VINACONEX và Hãng RONVEAUX - Vương quốc Bỉ) đã hợp tác triển khai công nghệ bê tông ứng lực trước tại Nhà máy bê tông và xây dựng Xuân Mai để sản xuất các cấu kiện vượt khẩu độ lớn bằng phương pháp căng kéo trước phục vụ cho xây dựng nhà ở dân dụng, nhà công nghiệp, sân vận động và đặc biệt sản xuất dầm cầu phục vụ cho giao thông.... Phạm vi áp dụng rất rộng rãi, giải quyết hầu hết các phương án xây dựng hiện đại mang tính công nghiệp cao.
Công nghệ này được áp dụng xây dựng các nhà chung cư cao tầng tại khu đô thị mới Trung Hoà - Nhân Chính, khu chung cư cao cấp Mỹ Đình - Sông Đà (Hà Nội) đã đem lại hiệu quả to lớn về: Giá thành hạ, thời gian thi công nhanh và chất lượng công trình đảm bảo.

Hiện nay bê tông ứng lực trước tiền chế được sản xuất theo 2 phương pháp:
Kéo căng trước trên bệ đúc cố định thực hiện tại nhà máy có thể dài tới 120m: Các sợi cáp được tạo lực căng trước khi đổ bê tông. Sau khi bê tông đông kết và được dưỡng hộ hơi nước nóng đạt tới cường độ 70% R28 thì tiến hành cắt các sợi cáp trên, lực kéo trong dây cáp sẽ chuyển thành lực nén trong cấu kiện bê tông.
Kéo căng sau : Cấu kiện bê tông được chế tạo đặt sẵn các ống dẫn để luồn các sợi cáp hoặc các thanh thép cường độ cao, được gọi là thanh căng. Các thanh căng này sẽ được kéo căng sau khi bê tông đã đạt tới cường độ 70% của R 28 ngày. Ứng suất trước căng sau thường được sử dụng cho các kết cấu chế tạo tại công trường có khối lượng lớn như si lô, dàn kèo, dầm cầu hộp đúc hẫng v.v....
Việc sử dụng công nghệ căng trước hoặc căng sau tuỳ thuộc vào điều kiện thi công tại công trường. Nhưng nói chung nếu điều kiện cho phép, theo chúng tôi nên sử dụng công nghệ kéo căng trước vì tiết kiệm vật liệu hơn.

* Cấu kiện dùng cho nhà cao tầng:

Sử dụng kết cấu bê tông ứng lực trước tiền chế trong các công trình có thể mang lại những hiệu quả to lớn như: Các cấu kiện được sản xuất trong nhà máy đạt hiệu quả kinh tế cao và giảm thời gian xây dựng. Do vậy thiết kế nên hướng tới một kết cấu đơn giản với sự điển hình hoá cao nhất trong quá trình sản xuất, lắp dựng, liên kết và hoàn thiện kết cấu.
Cột: Toàn bộ các cột có thể nằm trong tường, và chúng ta sử dụng cùng chiều dầy với tường.
Dầm: Dầm ứng lực trước tiết diện chữ nhật nằm trong tường, với dầm bao xung quanh chúng ta nên chọn chiều cao sao cho đáy dầm cùng cao trình với lanh tô cửa.
Dầm dẹt: Đây là một thế mạnh của kết cấu bê tông tiền chế vì có thể tạo ra được những dầm dẹt ứng lực trước có khẩu độ lớn.
Bản sàn: Với nhịp nhỏ hơn 3.6 m ta dùng sàn đặc ứng lực trước với tiết diện chữ nhật, với nhịp khoảng 8m dùng sàn sườn hoặc có lỗ rỗng bằng bọt xốp ở giữa, có chiều dầy đúc sẵn 150 mm và 50 mm bê tông lưới thép trên mặt đổ tại công trường, tổng chiều dầy 200 mm.
Cầu thang: Sử dụng cầu thang ứng lực trước đúc sẵn trong nhà máy.
Ban công: Bằng bê tông cốt thép thường được thiết kế với mô đun đặc biệt để có thể sử dụng với số lượng lớn.

* Quy trình sản xuất bê tông dự ứng lực căng trước :

Kéo căng thép cường độ cao bằng máy kéo thép PAUL - CHLB Đức.
Buộc cốt thép thường.
Lắp khuôn thép định hình.
Đổ bê tông sử dụng cầu trục và phễu.
Phủ bạt dưỡng hộ nhiệt bằng hơi nước.
Tháo dỡ khuôn.
Kiểm tra mẫu thí nghiệm, nếu cường độ mẫu nén đạt 70% của R28 ngày thì có thể cắt thép dự ứng lực.
Cắt thép và cẩu chuyển kê xếp, hoàn thiện sản phẩm.
Kiểm tra chất lượng, ghi nhãn mác sản phẩm, cấp chứng chỉ xuất xưởng.
Vận chuyển cấu kiện đến chân công trình.

* Mô tả về hệ kết cấu nhà cao tầng

Lõi trung tâm bằng bê tông cốt thép được thiết kế chịu toàn bộ tải trọng ngang (gió và động đất). Cột đúc sẵn và lõi được thiết kế chịu tải trọng đứng. Sàn làm việc như tấm phẳng truyền tải trọng động đất sinh ra do trọng lượng bản thân sàn và các tải trọng khác trên sàn tới kết cấu chịu lực động đất (lõi nằm ở trung tâm công trình). Sự truyền tải trọng này được thực hiện thông qua lớp bê tông cốt thép đổ tại chỗ trên mặt của sàn tiền chế. Lớp bê tông này liên kết các cấu kiện đúc sẵn với nhau và truyền tải trọng ngang tới hệ lõi chịu lực. Phương pháp cấu tạo này cũng áp dụng để chịu tải trọng gió.

Hệ chịu lực chính là lõi sử dụng công nghệ trượt, lõi được
Chi tiết liên kết sàn vào lõi
đúc liên tục không có mạch ngừng và bê tông có chất lượng cao.

* Mối nối liên kết lắp dựng

Trong kết cấu sử dụng bê tông tiền chế, các mối liên kết giữa các cấu kiện có vai trò quan trọng trong việc tạo ra khả năng chịu lực cũng như độ bền của kết cấu tạo bởi các cấu kiện riêng rẽ. Ngoài ra, các mối liên kết giữa các cấu kiện cần phải đủ độ cứng và cường độ để thoả mãn điều kiện ổn định, khả năng chịu lửa, sự phá hoại dây chuyền và động đất. Điều đó có nghĩa là một hệ kết cấu được tạo nên từ các cấu kiện riêng lẻ với các mối liên kết đủ lớn có thể đảm bảo được tính liên tục và liền khối. Vì vậy việc thiết kế các chi tiết liên kết có vai trò đặc biệt quan trọng trong kết cấu sử dụng bê tông tiền chế. Trong các dự án đã thực hiện tại Việt Nam, các mối liên kết hàn đã không được sử dụng mà thay vào đó là các mối liên kết bằng bê tông cốt thép có cường độ rất cao. Liên kết này được áp dụng cho bản sàn và lõi cứng, console và dầm, cột và dầm...
Console liên kết dầm vào lõi
Liên kết tấm sàn vào dầm dẹt

*. Những ưu điểm của bê tông ứng lực trước tiền chế

Qua thời gian ứng dụng công nghệ bê tông dự ứng lực kéo căng trước chúng tôi nhận thấy có một số ưu điểm sau:

1.Chất lượng cao

Điều kiện kiểm soát chất lượng tốt, bê tông được sản xuất tại nhà máy với mác 450 đến 600, thép dự ứng lực cường độ cao 18.600 kg/cm2 và 17.700 kg/cm2. Qui trình kiểm soát theo hệ thống quản lý chất lượng tiêu chuẩn ISO 9001 nên đảm bảo chất lượng tốt hơn.

2.Tiết kiệm vật liệu

Bảng 1: Bảng so sánh vật liệu dùng cho công trình 17T1 và 17T2

Bê tông
Cốt thép
Tỉ lệ thép/bê tông
17 T1(bê tông tại chỗ)
8702 m3
2559 T
294 kg/m3
17 T2(bê tông tiền chế)
7461 m3
1109 T
149 kg/m3
Chênh lệch
1241 m3
1450 T

3. Tốc độ thi công nhanh:

Hầu hết cấu kiện được sản xuất trong công xưởng nên thời gian thi công trên công trường giảm rất nhiều so với xây dựng truyền thống. Vì dưỡng hộ nhiệt nên tổng thời gian cắt thép cường độ cao, tháo khuôn và quay vòng nhanh. Tốc độ thi công nhanh có thể đạt được qua sự kết hợp nhiều yếu tố như: Mức độ điển hình hoá cấu kiện, trình độ tay nghề công nhân và sự tổ chức thi công hợp lý. Trong dự án khu đô thị cao tầng Trung Hoà - Nhân Chính (Hà Nội), tốc độ thi công trung bình là một tuần cho một tầng sàn 1100 m2 và còn có thể rút ngắn hơn nữa. Trong khi đổ tại chỗ phải mất 10 ngày cho một tầng.

4. Tạo ra những không gian lớn:

Việc sử dụng bê tông ứng lực trước cho phép áp dụng với những nhịp lớn và chiều cao kết cấu nhỏ, ít cột và tường đỡ, kết quả là tăng tính linh hoạt cho việc thiết kế nội thất, hiệu quả và kinh tế hơn.

5. Ít chịu ảnh hưởng của thời tiết như:

Mưa, nắng. Do toàn bộ quá trình sản xuất được tiến hành trong công xưởng.

6. Hiệu quả kinh tế

Qua kinh nghiệm và tính toán của nhiều nước cho thấy, giá thành phần kết cấu nhà cao tầng thường chiếm tới 28 - 32% giá thành xây dựng, mà trong phần kết cấu thì riêng lõi và sàn đã chiếm tới gần 80% giá thành. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy việc lựa chọn giải pháp giảm độ dày lõi cứng bằng cách tăng cường độ bê tông với công nghệ trượt đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Giải pháp kết cấu sàn cũng là một công tác chủ chốt có ảnh hưởng lớn tới thời gian thi công. Sử dụng sàn tiền chế ứng lực trước là biện pháp tối ưu để giảm thời gian thi công và tiết kiệm cốp pha đà giáo dẫn đến giảm đáng kể giá thành xây dựng. Do giảm được vật liệu và các chi phí trên công trường nên giá thành hạ hơn phương pháp xây dựng truyền thống. Một nhà 17 tầng tại Trung Hoà - Nhân Chính có tổng diện tích sàn 18.700 m2 tiết kiệm riêng phần thô so với thiết kế đổ tại chỗ được 4,5 tỷ đồng.

* Những ứng dụng khác của kết cấu ứng lực trước tiền chế ở Việt Nam

a. Đang áp dụng

Ngoài việc áp dụng cho các nhà cao tầng, công nghệ bê tông dự ứng lực tiền chế còn có thể áp dụng hiệu quả cho nhiều dạng công trình khác. Trên thực tế, công nghệ trên đã được áp dụng thành công cho các dự án khu công nghiêp và dân dụng như sau :

Công trình công nghiệp:

- Nhà máy Chế tác Kim cương ở khu công nghiệp Sài Đồng - Hà Nội; Nhà máy đá ốp lát cao cấp VINASTONE tại Phú Cát - Hà Tây; nhà máy gốm sứ cao cấp Chúc Sơn, Chương Mỹ - Hà Tây, nhà máy may công nghiệp tại Thái Bình, nhà máy sứ vệ sinh TOTO giai đoạn 2 tại khu công nghiệp Thăng Long...

Công trình dân dụng:

- Hai Trường trung học tại khu đô thị mới Thanh Trì và khu Trung Hoà-Nhân Chính - Hà Nội; Trường Đại Học Y Thái Nguyên; Bậc ghế ngồi Sân vận động Quốc Gia Mỹ Đình - Hà Nội; Sân vận động Việt Trì - Phú Thọ, Siêu thị METRO CASH & CARRY- Hà Nội, chung cư cao cấp 25 tầng SYRENA Tây Hồ và toà nhà 25 tầng VIMECO đường Phạm Hùng, Thanh Xuân - Hà Nội ....

b. Một vài xu hướng phát triển trong tương lai:

- Tạo ra các không gian lớn cho các nhà văn phòng, gara ô tô nhiều tầng.
- Áp dụng cho kết cấu các công trình cao tầng (tới 40 tầng).
- Sử dụng bê tông có cường độ cao từ 600 - 900 Kg/cm2 cho kết cấu cột.
- Sử dụng công nghệ dầm Prebeam và dầm phức hợp (Flexstress) cho xây dựng đường sắt trên cao, các cầu cạn.
- Tháp thông tin, truyền hình.

Bê tông ứng lực trước tiền chế đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới từ nhiều thập kỷ trước, hiện nay đã chiếm lĩnh phần lớn thị trường xây dựng, kể cả các nước đang phát triển ở khu vực Đông Nam Á. Ở Việt Nam, công nghệ này đã được áp dụng từ những thập kỷ 70, 80 của thế kỷ trước nhưng chưa được phát triển rộng rãi vì gặp không ít khó khăn khách quan và chủ quan. Song với những ưu điểm không thể phủ nhận, đây sẽ là hướng đi tất yếu trong quá trình phát triển kỹ thuật xây dựng ở Việt Nam, góp phần đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước.