Bê tông đúc sẵn được đánh giá là vật liệu xây dựng hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhờ được sản xuất trong nhà máy thay vì thi công tại chỗ. Tuy nhiên, việc kết nối các cấu kiện tại công trường luôn là thách thức lớn. Các kỹ sư thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã phát triển các giải pháp kết nối tiên tiến, giúp công trình an toàn và bền vững hơn.
Nhu cầu xây dựng hiện đại đòi hỏi công trình không chỉ vững chắc trong điều kiện bình thường mà còn phải chống chịu tốt trước động đất, ngập lụt hay các sự cố bất ngờ. Bê tông đúc sẵn đang dần trở thành giải pháp tối ưu, song điểm yếu nằm ở các mối nối. Nghiên cứu từ NIST đã mang đến bước tiến quan trọng: những giải pháp kết nối tiên tiến, giúp kiểm soát rủi ro sụp đổ dây chuyền và bảo đảm an toàn cho hàng triệu công trình trong tương lai.
Bê tông đúc sẵn là gì?
Đổ bê tông trực tiếp tại công trường tốn kém, phức tạp và dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Vật liệu phải được vận chuyển khi còn ướt, đổ vào khuôn dùng một lần, thậm chí cần hệ thống bơm và ống dẫn dài để đưa bê tông vào vị trí. Thêm vào đó, nhiệt độ, độ ẩm hay mưa đều ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng.
Theo kỹ sư Malcolm Ammons của NIST, kiểm soát chất lượng dễ dàng hơn nhiều và chi phí thi công thường rẻ hơn nếu bê tông được sản xuất trong nhà máy, nơi có điều kiện ổn định.
Chính vì vậy, bê tông đúc sẵn ra đời. Tại nhà máy, các cấu kiện lớn được đúc sẵn và chờ đến khi đủ cường độ trước khi đưa đến công trình. Khi lắp ráp, các mảnh ghép hoạt động tương tự như “đồ nội thất dạng module”, vừa nhanh chóng vừa đảm bảo tính đồng nhất. Tuy nhiên, hạn chế lớn là số lượng mối nối nhiều, đòi hỏi giải pháp kết nối phải thật sự đáng tin cậy.
Ghép nối các mảnh ghép
Hiện nay, mối nối bê tông đúc sẵn thường sử dụng thanh thép gắn sẵn trong cấu kiện. Thép có ưu điểm dẻo, khi chịu kéo mạnh sẽ giãn ra trước khi đứt, trong khi bê tông thì giòn, dễ nứt gãy đột ngột.
Chính vì vậy, mối nối được thiết kế sao cho khi có sự cố, phần thép sẽ biến dạng trước, trong khi bê tông vẫn giữ được khả năng chịu lực. Cách này giúp kỹ sư kiểm soát hư hỏng và ngăn sự cố lan rộng ngoài tầm kiểm soát.
Theo Ammons, điều quan trọng là không để sự cố xảy ra một cách bất ngờ mà phải xác định trước vị trí và cách thức hỏng hóc. Cách tiếp cận này giúp đảm bảo khi một cột bị mất, hư hại không lan sang các cấu kiện khác, ngăn chặn nguy cơ sụp đổ dây chuyền là vấn đề đã được NIST nghiên cứu suốt nhiều thập kỷ.
Kiểm soát sụp đổ dây chuyền
Vụ sụp đổ tại chung cư Ronan Point (London, 1968) là minh chứng điển hình. Khi khí gas rò rỉ phát nổ, một bức tường chịu lực bị phá hủy khiến cả một góc tòa nhà sụp xuống, làm 4 người chết và 17 người bị thương. Những sự cố lớn khác như sự kiện 11/9 (2001) hay vụ nổ tòa nhà Alfred P. Murrah (1995) cũng là ví dụ đau lòng của hiện tượng này.
Trong các thử nghiệm trước đây, NIST nhận thấy nhiều mối nối bê tông đúc sẵn không chịu được khi một cột bị phá hủy, thậm chí nứt gãy ở những vị trí không dự đoán được. Điều đó thúc đẩy nhóm nghiên cứu phát triển các giải pháp kết nối tiên tiến và bền vững hơn.
Các giải pháp kết nối tiên tiến
Phối hợp cùng ngành công nghiệp bê tông đúc sẵn thông qua Viện Bê tông Đúc sẵn Hoa Kỳ (PCI), NIST đã phát triển nhiều loại kết nối tiên tiến, cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và khả năng thi công. Các giải pháp có hình dạng và kích cỡ đa dạng, tiêu biểu gồm:
- Tấm thép hàn cố định để ghép nối nhanh chóng và chắc chắn.
- Giá đỡ kết nối bằng bu lông cỡ lớn, tăng khả năng chịu lực.
- Hệ thống chốt - lỗ với thanh thép và vữa gắn kết, linh hoạt khi lắp ráp.
Một trong những giải pháp kết nối mới do các kỹ sư NIST phát triển. Bốn tấm thép dạng “quả tạ” có một đầu được gắn trong dầm bê tông, đầu kia được hàn vào cột trung tâm. Hình dạng quả tạ tạo ra các “điểm yếu có chủ đích” cho phép thép giãn nở. Kỹ sư gọi chúng là “cầu chì kết cấu” vì giống như cầu chì điện, chúng được thiết kế để hỏng trước nhằm bảo vệ toàn bộ công trình.
Các mẫu kết nối được chế tạo ở tỷ lệ 5/8, gắn cảm biến để theo dõi lực tác động. Tại phòng thí nghiệm NIST ở Maryland, chúng được thử nghiệm với lực trên 34 tấn. Kết quả chứng minh các giải pháp này đều hiệu quả hơn đáng kể so với các mối nối cũ, giúp duy trì khả năng đứng vững ngay cả khi một cột bị phá hủy bất ngờ.
Ứng dụng thực tế và ý nghĩa
Không chỉ vượt trội về độ an toàn, các thiết kế này còn dễ dàng áp dụng trong quy trình sản xuất hiện tại của ngành bê tông đúc sẵn. Chúng có thể được chế tạo ngay trong nhà máy, đồng thời thuận tiện lắp ráp tại công trường.
Theo nhà nghiên cứu Joseph Main của NIST, nhóm mong muốn các giải pháp mới được ngành công nghiệp áp dụng để tạo ra những công trình có khả năng chống chịu các tải trọng bất ngờ như va chạm xe hay nổ, qua đó kéo dài thời gian sơ tán và giúp cứu sống nhiều người.
Với việc phát triển các giải pháp kết nối tiên tiến, NIST đã mang đến bước tiến quan trọng giúp bê tông đúc sẵn trở thành lựa chọn an toàn, hiệu quả và bền vững hơn cho ngành Xây dựng toàn cầu.
Cem.Info
