Các kỹ sư thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Mỹ, đã chế tạo thành công dầm bê tông dài 3m bằng khuôn vải may ghép, sử dụng khoảng ⅓ lượng bê tông và một nửa lượng thép cốt so với dầm thông thường được thiết kế để chịu cùng tải trọng. Nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận mới trong tối ưu hóa kết cấu bê tông, góp phần giảm tiêu hao vật liệu trong xây dựng.
Nghiên cứu tập trung vào việc kết hợp thiết kế kết cấu bằng máy tính với phương pháp tạo hình khuôn vải, qua đó thay đổi cách chế tạo các cấu kiện bê tông có hình dạng phức tạp. Thử nghiệm trên dầm bê tông dài 3m cho thấy tiềm năng ứng dụng giải pháp này trong tối ưu hóa hình dạng kết cấu và giảm lượng vật liệu sử dụng.
Thử nghiệm chế tạo dầm bê tông bằng khuôn vải nhằm tối ưu hóa kết cấu và giảm lượng vật liệu sử dụng. (Nguồn: MIT News)
Tối ưu hóa kết cấu, giảm lượng bê tông và cốt thép
Nghiên cứu được công bố trên Journal of Building Engineering, giới thiệu phương pháp thiết kế và chế tạo dầm bê tông có hình dạng tối ưu bằng khuôn vải thay cho khuôn gỗ hoặc thép truyền thống.
Nhóm nghiên cứu kết hợp 2 phương pháp tính toán gồm tĩnh học đồ họa và tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Trong đó, tĩnh học đồ họa giúp xác định đường truyền lực và bố trí cốt thép hợp lý, còn tối ưu hóa cấu trúc liên kết xác định những vị trí cần bố trí bê tông và những khu vực có thể loại bỏ vật liệu mà không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả chịu lực.
Dầm được thiết kế với phần trên, hai chân nghiêng hẹp và phần đáy mỏng để bố trí cốt thép. Hình dạng này cho phép tập trung vật liệu tại những vị trí cần thiết thay vì sử dụng tiết diện đồng nhất như dầm bê tông thông thường.
Kết quả chế tạo dầm thử nghiệm dài 3m cho thấy lượng bê tông sử dụng chỉ bằng khoảng ⅓ và lượng thép cốt bằng một nửa so với dầm đối chứng có cùng khả năng chịu tải thiết kế. Đây là kết quả đáng chú ý, cho thấy tiềm năng tiết kiệm vật liệu thông qua tối ưu hóa hình dạng và cấu tạo kết cấu bê tông.
Chế tạo bằng khuôn vải và kiểm chứng thực nghiệm
Từ mô hình kết cấu 3D, nhóm nghiên cứu sử dụng quy trình tự động để chuyển đổi mô hình thành các mảnh vải phẳng, sau đó cắt và may ghép thành khuôn. Khuôn được tính toán để kiểm soát biến dạng dưới áp lực của bê tông tươi và cố định bằng một khung gỗ đơn giản trong quá trình đổ bê tông.
Do vải cotton có khả năng thấm nước, nhóm nghiên cứu sử dụng hỗn hợp bê tông có độ ẩm vừa phải, giàu cát và chỉ chứa một lượng nhỏ đá để hạn chế mất nước, đồng thời bảo đảm bê tông có thể chảy qua các phần chân nghiêng và đáy dầm hẹp. Bê tông được đưa vào khuôn bằng phương pháp thủ công, kết hợp điều chỉnh khuôn từ bên ngoài để hỗn hợp phân bố đều.
Để đánh giá ảnh hưởng của cấu tạo khuôn, nhóm nghiên cứu chế tạo ba phiên bản gồm 36, 56 và 76 mảnh vải. Dữ liệu quét 3D cho thấy số lượng đường may nhiều hơn giúp kiểm soát chi tiết hình dạng tốt hơn, nhưng không nhất thiết nâng cao độ chính xác tổng thể. Khuôn gồm 56 mảnh vải cho kết quả cân bằng tốt nhất giữa khả năng tạo hình, thời gian chế tạo và độ phức tạp lắp ráp.
Sau khi hoàn thiện, một dầm được thử tải bằng cách đặt dần 36 xô chứa đầy nước lên phía trên, tương đương khoảng 30% tải trọng thiết kế, nhằm mô phỏng điều kiện làm việc thông thường. Kết quả đo tại giữa dầm cho thấy độ võng thực tế chênh lệch khoảng 2% so với dự báo của mô hình tính toán.
Kết quả này cho thấy hình dạng cấu kiện sau chế tạo tương đối phù hợp với thiết kế. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu vẫn cần tiếp tục thử nghiệm đến khi phá hoại để đánh giá đầy đủ khả năng chịu lực và giới hạn làm việc của dầm.
Tiềm năng ứng dụng trong xây dựng
Khuôn vải có trọng lượng nhẹ, thuận tiện vận chuyển và có thể được may, gia công bên ngoài công trường. Quá trình chế tạo không đòi hỏi hệ thống thiết bị chuyên dụng phức tạp, mà chủ yếu sử dụng bản thiết kế kỹ thuật số, máy may, loại vải phù hợp và khung gỗ làm giá đỡ. So với các phương pháp chế tạo khuôn sử dụng robot hoặc máy CNC, giải pháp này có yêu cầu đầu tư thiết bị thấp hơn.
Hiệu quả kinh tế của phương pháp phụ thuộc đáng kể vào chi phí vật liệu và nhân công tại từng khu vực. Tại các nước thuộc khu vực Nam bán cầu, nơi chi phí vật liệu thường cao hơn tương đối so với chi phí nhân công, cả 3 phương án khuôn vải đều có chi phí thấp hơn khoảng 10 - 20% so với phương pháp truyền thống. Ngược lại, tại Bắc bán cầu, chi phí nhân công may cao khiến phương pháp này đắt hơn khoảng 16 - 55%.
Vì vậy, khuôn vải được đánh giá phù hợp hơn với các cấu kiện bê tông có hình dạng đặc biệt, sản xuất đơn chiếc hoặc theo lô nhỏ như dầm lộ thiên, kết cấu mái, dầm nhịp lớn, công trình dành cho người đi bộ và cấu kiện cảnh quan. Với các loại dầm hình chữ nhật được sản xuất hàng loạt, khuôn truyền thống vẫn có lợi thế kinh tế tại những thị trường có chi phí nhân công cao.
Dầm dài 3m trong nghiên cứu lần này cũng là bước tiến so với mẫu dầm dài 1,2m mà nhóm đã chế tạo trước đó. Tuy nhiên, việc mở rộng kích thước đòi hỏi phải tính toán lại do trọng lượng bản thân dầm và áp lực tác động lên khuôn vải thay đổi theo chiều dài cấu kiện. Nhóm nghiên cứu dự kiến tiếp tục chế tạo nhiều dầm và thử nghiệm đến khi phá hoại để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế.
Xét dưới góc độ giảm phát thải, nghiên cứu cho thấy tối ưu hóa thiết kế cấu kiện là một hướng tiếp cận nhằm giảm nhu cầu sử dụng vật liệu trong xây dựng. Sản xuất xi măng hiện chiếm khoảng 8% tổng lượng phát thải carbon do con người gây ra trên toàn cầu. Do đó, bên cạnh các giải pháp giảm phát thải trong sản xuất, việc sử dụng bê tông hiệu quả hơn cũng có thể góp phần giảm tác động môi trường của ngành xây dựng.
Tuy nhiên, mức giảm lượng bê tông không đồng nghĩa với tỷ lệ giảm tương ứng về lượng xi măng hoặc phát thải CO₂, bởi kết quả còn phụ thuộc vào cấp phối và hàm lượng xi măng trong từng cấu kiện.
Nguồn tham khảo: MIT News.
Cem.Info
