Công ty kiến trúc nội thất và xây dựng Tân Gia Cát » Ứng dụng hệ kết cấu cầu treo cho nhà cao tầng ở Việt Nam

Ứng dụng hệ kết cấu cầu treo cho nhà cao tầng ở Việt Nam

Posted by admin on Tháng Mười Hai 20, 2009 at 12:52 chiều

Năm 1968, kiến trúc sư Gunnar Birkerts đã ứng dụng kết cấu cầu treo cho thiết kế tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minnesota ở Mỹ. Tòa nhà được xây dựng xong năm 1972, được giới kiến trúc đánh gia cao, được coi là một thành tựu kiến trúc và dành được một số giải thưởng kiến trúc uy tín năm 1974.
Lịch sử kết cấu cầu treo

Kết cấu cầu treo
là một trong những kết cấu được dùng phổ biến khi thiết kế cầu nhịp lớn
do những ưu điểm của nó. Hệ kết cấu cầu treo điển hình gồm hai tháp cao
ở hai đầu, sàn cầu bê tông cốt thép hoặc thép, hai dây cáp lớn căng
ngang nối hai đỉnh tháp và các dây cáp nhỏ treo sàn bê tông cốt thép
vào hai dây cáp lớn. Dạng kết cấu này có ưu điểm là các cấu kiện chính
chỉ chịu lực đơn giản: tháp chịu nén là chính, các dây cáp lớn và nhỏ
chỉ chịu kéo, sàn cầu chịu mô men uốn tương đối nhỏ.
Hình 1: Tòa nhà ngân hàng dự trữ liên bang (Marquette Plaza) ở TP Minneapoliss, tiểu bang Minnesota (Mỹ)

Kết
cấu cầu treo có lịch sử rất sớm. Những dạng cầu treo đơn giản đã xuất
hiện trước công nguyên ở Trung Quốc. Kết cấu cầu treo hiện đại được xây
dựng từ đầu thế kỷ XIX. Cầu treo Clifton vượt qua nhịp lớn nhất là 214m
xây dựng xong năm 1864. Thế kỷ XX và XXI chứng kiến sự phát triển mạnh
mẽ công nghệ xây dựng cầu treo nhịp rất lớn lên tới 2 km (Cầu treo
Akashi-Kaikyo ở Nhật, có nhịp dài 1991 m xây dựng năm 1998). Hình 2 thể
hiện hình ảnh cầu treo Runyang ở Trung Quốc vượt qua nhịp lớn
nhất là 1490 m xây dựng xong năm 2005. Như vậy có thể thấy là kết cấu
cầu treo có lịch sử lâu đời và được sử dụng để vượt qua những khẩu độ
lớn. Điều đáng chú ý là từ trước những năm 60 của thế kỷ XX, khi mà máy
tính điện tử còn chưa phát triển thì các nhà thiết kế đã có thể thiết
kế những cây cầu vượt khẩu độ tới 1,3km (Cầu Cổng Vàng ở Mỹ xây dựng
năm 1937 có nhịp dài 1,280m).

Năm 1968, kiến trúc sư Gunnar Birkerts đã ứng dụng kết cấu cầu treo cho thiết kế tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang
của bang Minnesota ở Mỹ (Hình 1). Tòa nhà được xây dựng xong năm 1973,
được giới kiến trúc đánh giá cao, được coi là một thành tựu kiến trúc
và dành được một số giải thưởng kiến trúc uy tín năm 1974. Tòa nhà này
sử dụng kết cấu hai dây cáp treo gắn vào hai tháp ở hai đầu vượt qua
nhịp 100m. Tòa nhà thông hai tầng dưới cùng để cho người đi bộ qua. Bên
trên là 11 tầng kết cấu khung thép. Phần ngầm bên dưới chiếm hai phần
ba không gian của tòa nhà là các hầm chứa và văn phòng. Lõi thang máy
gắn vào phía đông của tòa nhà. Năm 2000, tòa nhà được cải tạo lại thành
15 tầng, cao 67m và được sử dụng tốt đến ngày nay.

Hình 2: Cầu treo Runyang ở Trung Quốc có nhịp lớn nhất là 1.490m

Năm
2008, công ty kiến trúc DP của Singapore đề xuất thiết kế kiến trúc cho
dự án căn hộ cao cấp Dolphin Plaza ở Hà Nội (Hình 3). Dự án gồm bốn tòa
nhà cao 121m. Mỗi tòa nhà có hai vách bê tông cốt thép ở hai đầu đỡ
toàn bộ kết cấu vượt qua khẩu độ 52m. Tòa nhà để thông 30m kể từ mặt
đất dành cho không gian siêu thị và nghỉ ngơi. Bên trên là 22 tầng kết
cấu bê tông cốt thép. Thiết kế kiến trúc đặc sắc này đặt ra một thách
thức lớn cho các kỹ sư kết cấu. Dự án được rất nhiều chuyên gia kết cấu
trong nước và quốc tế quan tâm và đề xuất một số giải pháp kết cấu.

Giải
pháp phổ biến nhất là giảm bớt khẩu độ nhà bằng cách thêm các cột bê
tông cốt thép vào khoảng giữa hai vách. Giải pháp thứ hai là tăng kích
thước của dầm truyền nối hai tháp. Giải pháp thứ ba là kết hợp cả hai
giải pháp trên. Các giải pháp này phá vỡ ý tưởng kiến trúc độc đáo của
công trình và làm tăng chi phí xây dựng. Bài báo này trình bày giải
pháp ứng dụng nguyên lý hệ kết cấu cầu treo do công ty Cổ phần Tư vấn
Xây dựng ACH đề xuất. Hệ kết cấu này giúp cho công trình có vẻ đẹp thẩm
mỹ cao và tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí xây dựng.

So với
tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss, mỗi tòa nhà
trong dự án Dolphin Plaza có nhịp chỉ nhỏ bằng một nửa (52m) nhưng có
chiều cao tháp tính từ mặt dầm truyền lớn gấp đôi (90m). Như vậy có thể
thấy là nếu sử dụng kết cấu cầu treo tương tự như tòa nhà Ngân hàng dự
trữ liên bang của bang Minneapoliss, tức là sử dụng hai cáp treo,
Dolphin Plaza sẽ cứng hơn rất nhiều. Nói một cach khác, về mặt chịu
lực, thiết kế dự án này dễ hơn tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của
bang Minneapoliss.

Về
mặt công nghệ xây dựng, giải pháp kết cấu cầu treo có tính khả thi cao
đứng trên khía cạnh thiết kế và thi công. Chúng ta thấy là tòa nhà Ngân
hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss được thiết kế từ năm 1968,
khi máy tính điện tử và các phần mềm tính toán kết cấu còn chưa phát
triển. Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính điện tử và các phần mềm phân
tích kết cấu, công việc thiết kế và thi công có thể được thực hiện với
chất lượng và độ chính xác cao hơn nhiều.

Hình 3 (bên) : Nghiên cứu ứng dụng hệ kết cấu cầu treo cho nhà cao tầng – dự án Dolphin Plaza

Giải pháp kết cấu do Công ty ACH đề xuất:

Trong
dự án Dolphin Plaza, kết cấu cầu treo được áp dụng với những điều chỉnh
nhất định. Dây cáp lớn được thay thế bằng hệ dầm và sàn của các tầng
còn các dây cáp nhỏ được thay thế bởi các cột. Dưới đây là chi tiết về
giải pháp kết cấu:

Thông tin chung về tòa nhà:

Tòa
nhà có hai tầng hầm, phần nổi cao 121m, để thông tầng tới cao độ 30m
dành cho không gian siêu thị và nghỉ ngơi. Bên trên dầm truyền gồm 22
tầng căn hộ cao 90m, chiều cao tầng điển hình là 3,5m.

Trong
bốn tòa nhà của dự án, hai tòa nhà đặt cạnh nhau được nối với nhau bằng
một lõi cứng chứa thang máy. Việc tính toán kết cấu thực hiện trên từng
cặp hai tòa nhà.

Kích thước chính của các cấu kiện là:

Vách đầu hồi dày 1,5m;
Dầm truyển dày 1m;
Sàn tầng điển hình dày 0,2m;
Dầm tầng điển hình kích thước 0,6 x 0,6m.

Công
trình sử dụng bê tông B30-B60, thép AI-AIII. Tải trọng tính toán tác
dụng lên công trình áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam. Riêng tải trọng động
đất tính theo tiêu chuẩn UBC 97 và áp dụng phương pháp phân tích phổ
phản ứng với các thông số sau:

Vùng động đất: 2A
Dạng đất nền: SD
Hệ số gia tốc: Ca = 0,22
Hệ số vận tốc: Cv = 0,32

Kết
quả phân tích tính toán cho thấy các cấu kiện đảm bảo khả năng chịu
lực. Chuyển vị tính toán theo phương ngang do gió hoặc động đất tối đa
là 18cm. Giá trị này nhỏ hơn giá trị cho phép là H/500 = 24cm. Chuyển
vị tính toán lớn nhất theo phương đứng ở đáy dầm truyển là 8cm. Giá trị
này nhỏ hơn giá trị cho phép là L/500 = 10cm. Như vậy là kết cấu thỏa
mãn điều kiện chịu lực và biến dạng.

Kết cấu cầu treo là một
giải pháp ưu việt khi phải vượt qua nhịp lớn. Kết cấu này không chỉ sử
dụng cho cầu mà còn được ứng dụng cho nhà cao tầng từ rất sớm khi mà
máy tính điện tử còn chưa phát triển. Điều nay chứng tỏ tính cách mạng
của các nhà đầu tư và các nhà quản lý xây dựng trong việc ứng dụng các
tiến bộ khoa học kỹ thuật tạo nên hiệu quả to lớn về kinh tế xã hội,
tạo ra các công trình kiến trúc đặc sắc.