CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CO NGẮN CỘT VÀ BÙ CO TRONG XÂY DỰNG NHÀ SIÊU CAO TẦNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Nhà siêu cao tầng bê tông cốt thép (BTCT) đổ tại chỗ Định nghĩa nhà siêu cao tầng thay đổi theo từng quốc gia, khu vực gắn liền với các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và xã hội riêng biệt. Hội thảo Quốc tế lần thứ IV về nhà cao tầng của Ủy ban nhà cao tầng và môi trường đô thị (CTBUH) tổ chức tại Hồng Kông năm 1990 đưa ra khái niệm: “nhà cao tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng tới ý đồ và cách thức thiết kế”[4]và phân thành 4 loại như sau: - Nhà cao tầng loại 1: từ 9 ÷ 16 tầng hoặc cao nhất 50 mét - Nhà cao tầng loại 2: từ 17 ÷ 25 tầng hoặc cao nhất 75 mét - Nhà cao tầng loại 3: từ 26 ÷ 40 tầng hoặc cao nhất 100 mét - Nhà cao tầng loại 4: từ 40 tầng trở lên hoặc cao trên 100m gọi là nhà cực cao hay nhà siêu cao tầng (SCT). Cách phân loại này cũng hợp với quan niệm về nhà cao tầng của Việt Nam. Như vậy có thể hiểu một cách tương đối rằng nhà siêu cao tầng (hay nhà chọc trời) là những công trình có số tầng lớn hơn 40 tầng hoặc chiều cao công trình lớn hơn 100m.
Tuy nhiên cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và các công nghệ xây dựng hiện đại, nhà cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều và chiều cao thì ngày càng lớn hơn trước kia. Năm 2007, trong thông cáo báo chí hàng năm, tổ chức CTBUH đưa ra khái niệm “supertall” trong nhà cao tầng, theo đó chỉ những công trình có chiều cao lớn hơn 200 mét thì mới được coi là nhà siêu cao tầng. Ở Việt Nam, vẫn tồn tại hai quan điểm: thứ nhất là nhà siêu cao tầng là công trình lớn hơn 40 tầng (Văn bản số 6262/BXD-KHCN của Bộ Xây dựng ngày 29/12/2020 v/v xác định tầng cao và chiều cao công trình) [2] và quan điểm thứ hai là nhà siêu cao tầng là công trình từ 60 tầng trở lên [4]. Xét trên nhiều khía cạnh, quan điểm thứ 2 là phù hợp với quy định của nhiều nước trên thế giới và cũng là quan điểm được chấp nhận trong việc xác định phạm vi và đối tượng nghiên cứu của luận án.
9 Hiện nay, với ưu việt của vật liệu BTCT trong chống cháy nổ, xu hướng nhà siêu cao sử dụng kết cấu khung chịu lực bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ, với nhiều sơ đồ kết cấu lõi cứng khác nhau ngày càng gia tăng. Việc lựa chọn khung chịu lực là BTCT đổ tại chỗ vượt trội so với kết cấu thép và kết cấu liên hợp. Có thể kể đến các công trình siêu cao tầng tiêu biểu như Burj - Dubai Tower (Dubai –Các tiểu vương quốc Ả Rập thống nhất, 828 mét, 164 tầng) (Hình 1.1); Petronas Twin Tower (Kuala Lumpur - Malaixia, 432 mét, 88 tầng); Bank of China Tower (Hồng Kông – Trung Quốc, 369 mét, 70 tầng); Jin Mao Building (Thượng Hải – Trung Quốc, 421 mét, 88 tầng); Texas Commerce Tower (Texas - Mỹ, 305 mét, 75 tầng); Federasia Tower – Moscow City (Mátxcơva – LB Nga, 506 mét, 94 tầng); Bitexco Financial Tower (TP Hồ Chí Minh – Việt Nam, 269m, 68 tầng),Keangnam Landmark 72 (Hà Nội – Việt Nam, 350m, 72 tầng,); Lotte Center Hanoi (Hà Nội – Việt Nam, 272 mét, 65 tầng); Vincom Landmark 81 (TP Hồ Chí Minh – Việt Nam, 461 mét, 81 tầng) (Hình 1.2) và nhiều công trình khác.1 Burj Khalifa Tower[12] Hình 1.2 Khái niệm co ngắn cột và bù co trong xây dựng nhà siêu cao tầng Hiện tượng co ngắn cột (Column Shortening - CS): Là hiện tượng cấu kiện bê tông cốt thép chịu lực theo phương thẳng đứng (lõi, cột, vách) bị biến dạng dọc trục dưới tác dụng của tải trọng, co ngót và từ biến của bê tông [32]. Một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng: - Co ngắn cấu kiện cột là giá trị co ngắn xác định riêng cho cột đơn lẻ.
- Co ngắn cột (vách, lõi) để tính toán bù co là giá trị co ngắn tích lũy sau thời điểm đổ bê tông sàn được xác định theo cao độ mốc chuẩn các mức sàn thiết kế (co ngắn tuyệt đối) - Vênh co ngắn cột hay gọi là vênh co (Differential Column Shortening - DCS): Là chênh lệch giữa giá trị co ngắn lõi cứng và cột (vách) liền kề, có thể dẫn tới hiện tượng vênh của kết cấu nằm ngang như dầm, sàn (Vênh co là giá trị tương đối) - Bù co ngắn cột hay gọi tắt là bù co (Shortening Compensation): Là việc sử dụng các giải pháp cung cấp trước cho cột một lượng chiều cao thiếu hụt theo chiều ngược lại với chiều co ngắn trong quá trình thi công cột nhằm cân bằng với giá trị co ngắn cột tương ứng, diễn ra trong giai đoạn sử dụng công trình sau này. - Vênh co tích lũy (Accumulated Differential Column Shortening) tại mỗi cấp sàn là chênh lệch của co ngắn tích lũy của cột (vách) và co ngắn tích lũy của lõi của mỗi tầng tương ứng. - Sai số bù co (Compensation Error) tại mỗi cấp sàn là hiệu số của giá trị vênh co thiết kế/thực tế và giá trị bù co tại cấp sàn tương ứng. - Sai số bù co tích lũy (Accumulated Compensation Error) tại mỗi cấp sàn là tổng đại số các sai số bù co của các cấp sàn ở phía dưới.
- Ngày mục tiêu là thời điểm giá trị co ngắn có thể đạt được giá trị cực đại - Ngày hoàn thiện sàn là thời điểm tiến hành thi công công tác hoàn thiện sàn 11 1.3 Các nguyên nhân và dự báo co ngắn cột Nguyên nhân gây ra co ngắn cột là do biến dạng đàn hồi, co ngót bê tông và từ biến bê tông cốt thép [32]. - Biến dạng đàn hồi là do cột chịu tải trọng nén và nó phụ thuộc vào: Cường độ bê tông; thời gian chất tải; giá trị của tải trọng. - Co ngót bê tông là hiện tượng thay đổi thể tích và nó phụ thuộc vào: Độ ẩm môi trường xung quanh; kích thước cấu kiện; thành phần bê tông và hàm lượng cốt thép. - Từ biến của bê tông là hiện tượng biến dạng theo thời gian và phụ thuộc vào: Độ ẩm môi trường xung quanh; kích thước cấu kiện; thành phần bê tông và hàm lượng cốt thép; cường độ bê tông; giá trị của tải trọng; thời gian chất tải.
Có thể thấy, co ngắn của cột là hàm số phụ thuộc vào các biến số khác nhau như đặc tính vật liệu, lịch sử chất tải, tiến độ và trình tự thi công, điều kiện khí hậu v. Do đó, việc dự báo chính xác giá trị vênh co là rất phức tạp, đặc biệt là đối với các công trình siêu cao tầng kiến trúc hiện đại. Nhiều mô hình đã được phát triển để dự báo co ngắn cột, đặc biệt là đối với nhà cao tầng và siêu cao tầng BTCT. Trong đó phải kể đến các nghiên cứu sau: Mô hình của Fintel và cộng sự, (1987) và Viện Bê tông Mỹ, 1992 phân tích co ngắn cột dựa vào các yếu tố ảnh hưởng như: lịch sử chất tải; mô đun đàn hồi bê tông; kích thước cấu kiện; điều kiện môi trường nhiệt độ và độ ẩm.
Nghiên cứu đã thực hiện phân tích co ngắn đối với một số công trình cao tầng có hệ kết cấu đơn giản và được kiểm chứng bằng việc đo quan trắc trong thời gian khá dài 19 năm cho kết quả đáng tin cậy. Kết quả báo cáo cho thấy, giá trị co ngắn các cấu kiện đứng có thể lên đến 0,73 mm cho một tầng có chiều cao 3,6 mét và trong một tòa nhà 50 tầng tổng co ngắn có thể sẽ lên tới 36,5 mm trong 2 năm đầu xây dựng. Đối với công trình 70 tầng vênh co giữa cột và lõi có thể lên đến (21,3 – 31,6) mm và vênh co xảy ra giữa cột và lõi cứng là chủ yếu, giữa các cột là không đáng kể. Trong mô hình này đề xuất cần có biện pháp kiểm soát co ngắn đối với các công trình trên 40 tầng [7].
12 Mô hình của Moragaspitiya và cộng sự, 2010 nghiên cứu phân tích co ngắn trên cơ sở mô hình của Fintel và cộng sự, (1987). Tuy nhiên phân tích của Moragaspitiya và cộng sự có kể đến thành phần cốt thép trong bê tông kìm hãm biến dạng co ngắn dọc trục. Kết quả nghiên cứu thấy rằng, co ngắn do đàn hồi và từ biến là hai thành phần chiếm tỷ lệ lớn (khoảng 75 – 80%), thành phần co ngót chiếm khoảng (20 – 25%) tổng co ngắn; giá trị co ngắn bị giảm do thành phần cốt thép trong bê tông kìm hãm lại khoảng 7-15% tổng co ngắn các thành phần theo nghiên cứu của Fintel và cộng sự, (1987) [62] Mô hình của Samarakkody và cộng sự, 2017 là mô hình phân tích co ngắn theo hình thức mô phỏng kết cấu theo các giai đoạn của quá trình xây dựng có kể đến hiệu ứng rất nhạy của biến dạng từ biến khi chiều cao tăng mạnh, độ phức tạp hình dáng kết cấu của kiến trúc hiện đại và sự phân phối lại tải trọng do co ngắn gây ra. Đồng thời, mô hình này đã áp dụng phân tích dự báo co ngắn cho hai tòa nhà siêu cao tầng, đo quan trắc thực tế trong suốt thời gian 7 năm cho kết quả rất đáng tin cậy.
Báo cáo mô hình này cho thấy: Sự tăng chiều cao công trình có hình dáng kiến trúc hiện đại sử dụng bê tông cường độ cao rất nhạy với hiệu ứng co ngắn cột, do đó hiệu ứng co ngắn phải được quan tâm thiết yếu hàng đầu. Ngoài ra, mô hình này cũng đề xuất cần điều chỉnh hệ số hiệu chỉnh cường độ nén theo bê tông địa phương; nên dự báo co ngót và từ biến bê tông theo tiêu chuẩn AS3600-2001, ACI209R-92 và AS3600-2009. Giá trị co ngắn sẽ được chính xác hơn nếu sử dụng kết hợp nhiều mô hình để tính co ngắn thay vì việc chỉ sử dụng một mô hình duy nhất [74]. Mô hình Song và Yoon (2006) phân tích dự báo giá trị co ngắn theo độ tin cậy.
Báo cáo mô hình cho rằng, việc tính toán giá trị co ngắn chính xác theo thời gian là rất cần thiết trong các tòa nhà SCT do nó ảnh hưởng mạnh đến hệ kết cấu và quá trình sử dụng. Giá trị co ngắn là một đại lượng không ổn định và chắc chắn, mang tính dự báo bởi vì nó là một hàm số phụ thuộc nhiều biến như: đặc tính vật liệu, lịch sử chất tải, điều kiện môi trường xây dựng, hàm lượng cốt thép, công nghệ đo quan trắc biến dạng, sai số trong thi công.