CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược lịch sử nhà lắp ghép Nhà lắp ghép hình thành và phát triển từ thế kỷ 17 tại Anh. Năm 1624, khi một ngôi nhà làm bằng các tấm panel gỗ được chuyển từ Anh đến Cape Ann (thuộc địa của Anh) để phục vụ nhu cầu về chỗ ở cho thuỷ thủ của một đội tàu đánh cá. Sau đó, nhà lắp ghép bắt đầu phát triển và trở nên phổ biến ở Mỹ từ năm 1849. Các bộ phận trong căn nhà được sản xuất sẵn ở nhà máy sau đó được vận chuyển đến California nhằm phục vụ nhu cầu về chỗ ở cho những người khai thác vàng ở California.
Khi chiến tranh thế giới lần thứ nhất (1914 -1918) gần kết thúc, nhà ở lắp ghép trở nên phổ biến tại tại Anh và Đức nhằm phục vụ nhu cầu nhà ở nhanh cho lực lượng quân nhân trở về sau chiến tranh. Dưới đây giới thiệu một ngôi nhà lắp ghép bằng tấm panel gỗ (xem Hình 1-1) được quảng cáo vào thế kỷ 17 Hình 1-1: Một ngôi nhà lắp ghép được quảng cáo vào thế kỷ 17 [1] Với lịch sử lâu đời và sự phát triển của công nghệ hiện đại ngày nay, nhà ở lắp ghép không chỉ dừng lại ở một số kiểu mẫu nhất định. Vật liệu sử dụng để lắp ghép cũng ngày càng đa dạng và cao cấp hơn. Hiện nay, nhà ở lắp ghép tại các nước phát triển đã đạt đến mức độ thiết kế tuỳ theo sở thích của chủ nhà.
Nhà ở lắp ghép đã không còn mang ý nghĩa theo cách thức xây dựng lắp ghép nữa, nó được hiểu như một phong cách, một kiểu nhà ở hiện đại với bộ khung sườn được lắp đặt vô cùng chắc chắn và bền vững qua thời gian.2 Một số công trình được thi công theo phương pháp tiền chế Dưới đây giới thiệu một số công trình tiêu biểu thi công lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn. Vào năm 2015, một công ty xây dựng Trung Quốc đã tuyên bố hoàn thiện công trình xây dựng nhanh nhất thế giới. Theo Guardian, họ đã xây xong toà nhà 57 tầng có tên Mini Sky City chỉ trong 19 ngày (xem Hình 1-2). Tòa nhà bằng kính và thép được xây dựng tại tỉnh Hồ Nam, Trung Quốc.
Công ty phụ trách Broad Sustainable Building (BSB) đã áp dụng phương pháp xây dựng tiền chế. Các module được chế tạo tại nhà máy, sau đó được vận chuyển đến công trường để lắp lại với nhau. Công ty đã lắp được 3 tầng mỗi ngày bằng phương pháp lắp ghép. Hình 1-2: Tòa nhà Mini Sky City tại Trung Quốc cao 57 tầng [2] Tại Singapore Công ty ADDP Architects đã triển khai dự án nhà ở lắp ghép mang tên Avenue South Residences (xem Hình 1-3).
Dự án này bào gồm 988 căn hộ được tạo thành từ gần 3.000 moduyn xếp chồng lên nhau theo chiều dọc. Các moduyn đã được hoàn thiện 80% tại nhà máy ở Senai, Malaysia sau đó được vận chuyển đến một cơ sở ở Singapore để hoàn thiện và lắp đặt trang thiết bị trước khi chuyển đến công trường. Khi thi công chúng sẽ được ráp nối lại để tạo thành khung chịu lực. Phương pháp xây dựng tiền chế giúp tiết kiệm 8% chi phí và tăng 40% năng suất lao động.
Ngoài ra nó cũng giúp giảm ô nhiễm tiếng ồn và chất thải. Dự án Avenue South Residences đã bắt đầu được xây dựng năm 2020 và hoàn thành vào năm 2023. 2 Hình 1-3: Dự án Avenue South Residences cao 192m lắp ghép tại Singapore [3] Tọa lạc trên đại lộ Clementi ở Singapore, Dragages Singapore, một công ty con của Bouygues Batiment International đã thi công dự án Clement Canopy (xem Hình 1-4). Tòa tháp cao nhất thế giới bao gồm 40 tầng, 505 căn hộ với tổng diện tích 46.
Tất cả các moduyn tạo nên các tòa nhà đều được chế tạo sẵn tại nhà máy. Các phụ kiện và hoàn thiện nội ngoại thất đều được thử nghiệm trong xưởng trước khi được vận chuyển đến địa điểm và lắp ráp. Dự án được khởi công năm 2016 và hoàn thành năm 2019. Hình 1-4: Dự án Clement Canopy cao 140m thi công lắp ghép tại Singapore [4] 3 Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình được thiết kế theo phương pháp xây dựng tiền chế để tận dụng hết các ưu điểm của loại hình xây lắp này.
Mặt khác cũng có nghiên cứu điều chỉnh trong khâu thiết kế và thi công để hệ khung chịu lực của công trình phù hợp với khí hậu, phù hợp với vật liệu cũng như yêu cầu kỹ thuật trong nước. Một trong số các công trình công cộng đang được thi công đó là công trình đường sắt trên cao ở thủ đô Hà Nội và ở thành phố Hồ Chí Minh. Dưới đây là hình ảnh thi công lắp ghép đoạn đường sắt đầu tiên trên tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên tại thành phố Hồ Chí Minh (xem Hình 1-5) hay một công trình dân dụng được thiết kế theo phương pháp tiền chế đang được thi công (xem Hình 1-6). Hình 1-5:Thi công lắp ghép đoạn đầu tiên tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên [5] Hình 1-6: Một công trình lắp ghép đang được thi công [6] 4 1.2 Tổng quan về các loại liên kết dầm-cột Bê tông đúc sẵn Muốn cho công trình được xây dựng lắp ghép bê tông đúc sẵn làm việc như một kết cấu liên tục thì việc thiết kế và thi công những liên kết giữa các cấu kiện liền kề để chúng làm việc như một liên kết liền khối là rất quan trọng.
Ví dụ như liên kết giữa cột với móng, liên kết giữa dầm với cột, liên kết giữa dầm với dầm, liên kết cột với cột…. Hiệu quả làm việc của kết cấu bê tông đúc sẵn trong việc chịu các loại tải trọng phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc của liên kết các cấu kiện trong công trình. Một liên kết điển hình trong những liên kết đó là liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn. Liên kết dầm-cột có chức năng truyền tất cả các loại lực: nén, kéo, cắt, uốn và xoắn từ cấu kiện bê tông đúc sẵn này sang cấu kiện bê tông đúc sẵn khác và phải mang tính ổn định.
Một liên kết tốt không chỉ phải có đủ độ bền để chống lại lực mà nó sẽ phải chịu trong suốt thời gian tồn tại của nó mà còn phải có đủ độ dẻo để chịu được các biến dạng lớn trước khi bị hỏng. Ngoài ra, liên kết tốt phải đáp ứng các tiêu chí khác như độ bền, khả năng chống cháy, chế tạo đơn giản và lắp dựng nhanh chóng… Hơn nữa, liên kết đó làm việc phải có độ tin cậy cao. Dưới đây giới thiệu một mẫu liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn điển hình (xem Hình 1-7). Hình 1-7: Một liên kết dầm-cột điển hình [7] Trong thiết kế truyền thống, hầu hết các liên kết dầm-cột được giả định là mô hình liên kết cứng (rigid connection) hoặc liên kết khớp (hinge) để đơn giản hóa mô hình phân tích.
Liên kết cứng là liên kết mà ở đó không xảy ra góc xoay giữa các cấu kiện liên kết và truyền toàn bộ mômen uốn, lực cắt và lực dọc. Người ta đã chỉ ra rằng liên kết có thể được phân loại là cứng nếu hệ số cố định không nhỏ hơn 0,73 và sự phân phối lại momen khả dụng từ giữa nhịp đến các gối tựa không nhỏ hơn sự phân phối lại momen yêu cầu lấy kết quả từ việc phân tích khung bán cứng. Ngược lại, liên kết khớp được đặc trưng bởi chuyển vị xoay tự do giữa các cấu kiện liên kết và không có truyền mômen uốn giữa các cấu kiện của liên kết mà chỉ truyền lực dọc và lực cắt. 5 Tuy nhiên trong thực tế, các liên kết không thể hiện được ứng xử lý tưởng như vậy.
Các liên kết giữa dầm và cột có ứng xử nằm ở giữa ứng xử của liên kết cứng và liên kết khớp do đó những liên kết này được gọi là nửa cứng (semi-rigid connection). Liên kết nửa cứng được đặc trưng bởi đường cong quan hệ mômen-góc xoay riêng của từng loại liên kết. Tùy thuộc vào độ cứng của liên kết mà nó có thể huy động một lượng mômen dầm nhất định. Một trong những công việc quan trọng nhất trong việc thiết kế kết cấu chịu lực cho công trình là việc đánh giá chính xác về ứng xử của mô hình đại diện cho ứng xử của liên kết dầm-cột ngoài thực tế.
Vấn đề này đã là chủ đề của nhiều nghiên cứu.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1 Các nghiên cứu ngoài nước Theo tìm hiểu của Học viên thì trên thế giới đã có một số tác giả nghiên cứu về ứng xử của liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn chịu nhiều loại tải trọng như tải trọng tĩnh, tải trọng tuần hoàn, tải trọng ngang. Các loại liên kết được nghiên cứu cũng khá đa dạng, từ liên kết dầm-cột bằng thép hình đến liên kết bằng bê tông thường và bằng bê tông có cường độ cao. Dưới đây là một số công bố khoa khọc về ứng xử của liên kết dầm- cột bê tông đúc sẵn : - L. Raths [8] đã khảo sát độ bền của các vai cột thông qua nghiên cứu “Connections in Precast Concrete Structures—Strength of Corbels” và công bố các kết quả vào tháng 2/1965.
Với mục tiêu việc xây dựng các tiêu chí thiết kế về độ bền của các vai cột. - Parastesh, Hossein Hajirasouliha, Iman Ramezani, Reza [9]. đưa ra nghiên cứu trong baifbaos “A new ductile moment-resisting connection for precast concrete frames in seismic regions: An experimental investigation” về một kết nối dầm-cột chịu mômen dẻo mới được phát triển cho khung bê tông cốt thép đúc sẵn (RC) ở vùng có địa chấn cao. Kết nối được đề xuất mang lại tính toàn vẹn về cấu trúc tốt trong các kết nối và có thể giảm thời gian xây dựng bằng cách loại bỏ nhu cầu sử dụng ván khuôn và hàn, đồng thời giảm thiểu khối lượng bê tông đúc tại chỗ.
và các cộng sự [10] đã nghiên cứu ”Performance of precast concrete beam-to-column connections subject to cyclic loading” về Một nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của liên kết dầm với cột bê tông đúc sẵn chịu tải trọng không đàn hồi theo chu kỳ được thực hiện tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia. Nghiên cứu được khởi xướng để cung cấp dữ liệu cho việc phát triển quy trình thiết kế hợp lý cho 6 các kết nối như vậy ở các khu vực có hoạt động địa chấn. Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển kết nối bê tông đúc sẵn chịu mô men, tiết kiệm và có thể thi công dễ dàng.