CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về công nghệ in 3D 1. Công nghệ in 3D Trong thời gian gần đây, thuật ngữ xây nhà bằng công nghệ in 3D hay “in nhà” đã được quan tâm và tìm hiểu nhiều hơn trong lĩnh vực xây dựng ở Việt Nam. Công nghệ in 3D đã và đang mở ra một cuộc cách mạng cho nghành xây dựng trên khắp thế giới với nhiều công trình tiêu biểu [1-5].
Với sự áp dụng khoa học – kĩ thuật tiên tiến vào công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa, không ngoại lệ chúng ta đã và đang đón nhận kĩ thuật mới – công nghệ xây dựng bằng máy in 3D vào việc thi công các công trình dân dụng, công nghiệp đến các loại kiến trúc đòi hỏi sự tinh xảo và chuyên nghiệp hơn. So với công nghệ xây dựng bằng phương pháp truyền thống hiện nay, phương pháp xây dựng bằng công nghệ in 3D có rất nhiều lợi thế. Công nghệ in 3D trong xây dựng đang rút ngắn thời gian, giảm bớt chi phí, tạo nên chất lượng tốt hơn, đẹp hơn và gần như không có chất thải của vật liệu xây dựng, hệ ván khuôn hay giàn giáo. Việc sử dụng công nghệ này cũng giúp công nhân bảo vệ được sức khỏe của mình, vì họ không phải tiếp xúc nhiều với môi trường làm việc bụi bặm và độc hại như các quy trình xây dựng thông thường.
Bằng các nghiên cứu lí thuyết về cấp phối vật liệu in, nghiên cứu nguyên lý chế tạo thiết bị in và đặc biệt là các chương trình thí nghiệm đã được tiến hành nhằm đánh giá tính in được của vữa in và các tính năng của vật liệu in đã cho thấy tính khoa học và ứng dụng của công nghệ in 3D. Từ đó đưa ra được các kết luận có ý nghĩa, định hướng và phát triển các sản phẩm, các cấu kiện cho lĩnh vực xây dựng dân dụng tại Việt Nam. Một số công nghệ in 3D trong xây dựng a) In đường biên (Contour Crafting) [6] Là kỹ thuật chế tạo trong đó bê tông được in thành từng lớp. Đầu tiên máy in sẽ in đường biên ngoài của cấu kiện để tạo thành một phần kín, sau đó tiếp tục in các lớp bên trong.
CC có thể in trên cùng một mặt cắt với các vật liệu khác nhau nhờ vào số lượng đầu in. Các nguyên liệu khác nhau được điều khiển bằng máy tính, được đưa vào hệ thống vòi phun CC và trộn trong thùng vòi phun. Đây là công nghệ in 3D hứa 12 hẹn nhất và cho phép chế tạo ngôi nhà hoàn chỉnh tại chỗ. Hai hoặc nhiều vòi phun di chuyển đồng thời dọc theo giàn và in đồng thời các thành phần vật liệu khác nhau của kết cấu.
Tuy nhiên, việc bố trí nhiều hơn 1 đầu in và với vật liệu in khác nhau vẫn còn là một bài toán công nghệ phức tạp.1: In đường biên 1. In đầy (Concrete printing) In bê tông là một quá trình vòi phun ép đùn vật liệu trong khi di chuyển theo một con đường xác định trước trong một quá trình liên tục. Máy in sẽ in toàn bộ hình học của một lớp thay vì in mép ngoài trước trong một chu trình di chuyển. Với một cấp phối nào đó, nguyên liệu được phối trộn trước và lưu trữ trong máy bơm bên ngoài máy in và được đưa vào máy in bằng ống bơm.
Phễu phía trên vòi phun chứa vật liệu in và được đẩy xuống đầu in. So với CC, CP có tốc độ in cao hơn nhưng độ phân giải thấp hơn. Việc thi công các cấu kiện hoặc công trình với máy in 3D có thể được di chuyển bằng hệ thống giàn, rô bốt hoặc hệ thống cần trục. In hình khối (D-Shape) Vật liệu in dạng bột được đặt và nén theo độ dày thiết kế.
Sau đó, chất kết dính được bơm vào những nơi cần thiết bằng vòi phun. Sau khi quá trình đông cứng hoàn tất, có thể loại bỏ bột rời và lấy riêng mô hình đã cứng. Phương pháp này phù hợp với vật liệu in là polyme, kim loại và gốm.3: In hình khối 1. Tổng quan về cấu kiện dầm bẹt Hình 1.4: Dầm bẹt BTCT trong công trình Cấu kiện dầm là một trong những bộ phận kết cấu quan trọng trong hệ kết cấu của các công trình, đặc biệt là loại kết cấu khung.
Cấu kiện dầm là bộ phận đỡ sàn, đỡ tường và liên kết các cột lại tạo thành hệ khung. Dạng tiết diện phổ biến nhất của các dầm là hình chữ nhật với các quy trình thiết kế và yêu cầu cấu tạo đơn giản, cũng như việc xây dựng các dầm này không yêu cầu phức tạp hoặc cần các công cụ đặc biệt. Thông thường căn cứ vào tỉ lệ giữa chiều rộng/chiều cao hoặc tỉ lệ giữa nhịp dầm và chiều cao dầm của dầm để phân loại thành dầm cao, dầm bẹt và dầm phổ thông. Dầm phổ thông thường có tỉ lệ bề rộng với chiều cao từ khoảng 0,5 đến 0,75.
Dầm bẹt và dầm phổ thông thường có tỉ lệ giữa nhịp dầm và chiều cao lớn hơn 5 còn lại được xem 14 là dầm cao. Dầm phổ thông và dầm bẹt được dùng rộng rãi trong tất cả các hệ kết cấu, và được thiết kế về khả năng chịu uốn, cắt và biến dạng để đảm bảo sự làm việc của công trình. Trong khi đó, các dầm cao thì ít được sử dụng hơn, được dùng như các dầm chuyển để đỡ các cột bổ sung. Loại dầm này đóng vai trò làm các dầm vành trong hệ thống nhà cao tầng giúp tăng độ cứng của hệ kết cấu và giảm tác động của các tải trọng ngang.
Sự có mặt của hệ các dầm trong hệ kết cấu của các công trình thường làm giảm chiều cao thông thủy của tầng. Đối với nhà nhiều tầng nếu chọn tiết diện dầm theo các phương pháp truyền thống để đảm bảo các điều kiện về độ bền và độ võng chúng ta sẽ có các dầm có chiều cao rất lớn để vượt các khẩu độ lớn, dẫn đến chiều cao nhà sẽ cao theo, và một số điều kiện về kinh tế, nhất là thẩm mỹ công trình sẽ không đạt yêu cầu. Do vậy người ta cần nghiên cứu các phương pháp tính toán để đi đến lựa chọn một cách hợp lý kích thước dầm sao cho chiều cao dầm giảm được đến mức tối thiểu mà vẫn thỏa mãn được tất cả các yêu cầu về độ võng và khả năng chịu lực. Từ đó khái niệm dầm bẹt ra đời.
Do vậy, xu hướng thiết kế chiều cao các dầm càng nhỏ thì sẽ càng có lợi về mặt sử dụng không gian nhưng lại bất lợi về khả năng chịu lực và biến dạng so với cấu kiện dầm thông thường có cùng diện tích tiết diện. Tuy nhiên, xu hướng lựa chọn dầm bẹt thay vì dầm thông thường ngày càng phổ biến bởi hai mục tiêu đồng thời đạt được đó là: giảm chiều cao tầng của các công trình và tăng tính thẩm mỹ của không gian sử dụng. 15 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CẤU KIỆN DẦM BẸT 2. Cấu kiện dầm bẹt trong kết cấu công trình Để đáp ứng được yêu cầu về khả năng làm việc cũng như sự phát triển của xu hướng sử dụng dầm bẹt trong các công trình, việc nghiên cứu sự làm việc của loại dầm này là một yêu cầu tất yếu khách quan.
Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, dầm bẹt thường được nghiên cứu về khả năng chịu cắt bởi đây là dạng phá hoại phổ biến của kiểu dầm này. Tuy nhiên, đối với dầm bẹt được chế tạo bằng máy in bê tông thì dầm không có cốt thép nên được thiết kế các sườn bụng. Đối với cấu kiện dầm bẹt được chế tạo bằng máy in bê tông, các kiểu sườn bụng cũng được thiết kế phong phú tuỳ thuộc các yêu cầu khác nhau nhờ tính in được của vật liệu – điều hoàn toàn không thể làm được bằng phương pháp đổ bê tông dùng ván khuôn. Trong nghiên cứu này, bụng dầm được thiết kế theo kiểu các thanh xiên của dàn.
Do vậy, dạng phá hoại theo tiết dện nghiêng do lực cắt sẽ không xảy ra mà thay vào đó là sự phá hoại trên các tiết diện thẳng góc do bê tông đạt tới giới hạn chịu kéo do mô men gây ra bởi dầm không có cốt thép. Vì vậy, nghiên cứu dầm bẹt với ứng xử chịu uốn thay vì ứng xử chịu cắt như dầm bê tông có cốt thép thông thường. Lựa chọn kích thước dầm bẹt a) Cơ sở tính toán Hiện nay việc ứng dụng dầm bẹt trong các công trình nhà nhiều tầng đã dần được các kỹ sư xây dựng dân dụng và công nghiệp quan tâm, chú ý đến nhiều hơn. Một số công trình thực tế cũng đã sử dụng loại kết cấu sàn phẳng có dầm bẹt.
Dầm bẹt là dầm có chiều cao bé hơn nhiều so với bề rộng. Dầm được bố trí một phương hay hai phương tùy thuộc vào hệ lưới cột đỡ bản. Dầm bẹt có ưu điểm: tiết kiệm vật liệu, tăng được số tầng, tạo được không gian lớn với kết cấu thanh mảnh, trần phẳng, không cần làm thêm trần treo che kết cấu; giải quyết cơ bản vướng mắc giữa yêu cầu công năng sử dụng trong thiết kế kiến trúc và giải pháp kết cấu phù hợp. Tuy nhiên khi dùng hệ kết cấu này, điều quan trọng là tìm bề rộng phù hợp của dầm bẹt nhằm thỏa mãn sự làm việc đồng thời của dầm và sàn, nhằm hạn chế độ võng.
16 Cần xét ảnh hưởng của hệ sàn có dầm bẹt đến độ cứng ngang của công trình, đặc biệt là trong kết cấu nhà nhiều tầng. Thông thường loại dầm này thích hợp với nhịp sàn ≤ 9m, nhịp dầm ≤ 15m. Áp dụng lý thuyết tính toán độ võng của dầm BTCT theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2002, có xét đến độ võng ngắn hạn, dài hạn và sự hình thành vết nứt để đề xuất cách lựa chọn tiết diện hợp lý cho dầm bẹt thỏa mãn yêu cầu kiến trúc. Khi một dầm bê tông chịu tải trọng, nó bị võng ngay và xuất hiện độ võng tức thời ∆i.
Nếu tải trọng vẫn đặt trên dầm, độ võng do tải trọng duy trì phụ thêm sẽ xuất hiện do hiện tượng từ biến. Giá trị độ võng tính toán theo lý thuyết này là tổng các độ võng tức thời do các hoạt tải cộng với phần độ võng duy trì do tĩnh tải và phần hoạt tải duy trì nào đó: + λ (t0, ∞ ) +λ∞ (2.