Nghiên cứu khả năng giảm chấn của kết cấu panel 3d và ứng dụng váo các công trình cao tầng chống động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

----------

TRẦN CÔNG LAI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA KẾT CẤU
PANEL 3D VÀ ỨNG DỤNG VÀO CÁC CÔNG TRÌNH
CAO TẦNG CHỐNG ĐỘNG ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ NGÀNH

: 23.04.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 12 NĂM 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
----------

----------

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Đỗ Kiến Quốc
Chủ nhiệm Bộ môn Cơ Kết Cấu - Sức Bền Vật Liệu, Khoa Kỹ Thuật Xây
Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn Thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày.....tháng.....năm 2004.
Có thể tìm hiểu luận văn tại Thư viện Trường Đại Học Bách Khoa,
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
-----

-----

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
----------

----------

Tp. Hồ Chí Minh, ngày.....tháng 7 năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên

Ngày, tháng, năm sinh
Chuyên ngành
Mã số học viên

: TRẦN CÔNG LAI
Phái
: 14/8/1978
Nơi sinh
: Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp
: XDDD12-022

: Nam
: Quảng Nam

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA KẾT CẤU PANEL 3D VÀ ỨNG DỤNG
VÀO CÁC CÔNG TRÌNH CAO TẦNG CHỐNG ĐỘNG ĐẤT
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ:
- Nghiên cứu khả năng giảm chấn, xác định tỷ số cản ξ của vật liệu 3D.
- Lựa chọn lý thuyết tính và tính toán ứng dụng kết cấu panel 3D vào công trình cao
tầng chịu tải động đất.
2. Nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan về vật liệu và kết cấu panel 3D.
- Phân tích, đánh giá và lựa chọn lý thuyết tính toán kết cấu panel 3D phù hợp với ứng
xử của kết cấu.
- Nghiên cứu khả năng giảm chấn, xác định tỷ số cản ξ của vật liệu 3D bằng thực
nghiệm.
- Tính toán bằng số cho công trình cao tầng sử dụng vật liệu 3D làm tường và sàn chịu
lực, chịu tác động của tải trọng động đất; so sánh khi công trình sử dụng bê tông cốt

thép.
- Kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 01/7/2004

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: 01/12/2004

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC

TS. CHÂU NGỌC ẨN

Nội dung và đề cương luận văn Thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày.....tháng.....năm 2004
TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CÁM ƠN

Những kiến thức quý báu mà em đã tích lũy được trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu của khoá học để hoàn thành luận văn này chính là nhờ sự dạy bảo tận tình của các
Thầy, các Cô trong ban giảng huấn Sau Đại Học chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng và Công
Nghiệp. Em xin trân trọng dành trang đầu của luận văn để tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu
sắc nhất đến quý Thầy Cô - Người đã mang đến cho em những kiến thức khoa học và tri thức
làm người, giúp em vững bước trong cuộc sống cũng như trên con đường nghiên cứu khoa học
về sau.
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Đỗ Kiến Quốc, Người đã truyền đạt cho em
những kiến thức quý báu trong quá trình học, Người đã định hướng và tận tình chỉ dẫn em hoàn
thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Chu Quốc Thắng; thầy TS. Châu Ngọc Ẩn;
thầy TS. Bùi Công Thành; cô TS. Nguyễn Thị Hiền Lương...đã truyền đạt cho chúng em những
kiến thức quý báu, làm hành trang giúp chúng em vững vàng trong công tác và cuộc sống.
Xin chân thành cám ơn các Cấp lãnh đạo cơ quan, các đồng nghiệp và những người
bạn đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có thể vừa đảm bảo công tác, vừa có thể
học tập và nghiên cứu tốt.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn Gia đình và những người thân đã tạo điều kiện tốt nhất và
động viên tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu, thực hiện luận văn hoàn tất
khoá học này.
Trân trọng ghi ơn !

Trần Công Lai


TÓM TẮT LUẬN VĂN
I. TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM CHẤN CỦA KẾT CẤU PANEL 3D VÀ ỨNG
DỤNG VÀO CÁC CÔNG TRÌNH CAO TẦNG CHỐNG ĐỘNG ĐẤT

II. TÓM TẮT :

Kết cấu panel 3D ra đời với nhiều ưu điểm nổi bật đã có một đóng góp lớn
cho ngành xây dựng, tuy nhiên vì là vật liệu mới nên những hiểu biết về bản chất
cũng như ứng xử của vật liệu dưới tác động của các loại tải trọng đang trong quá
trình xây dựng và hoàn thiện dần. Trong một thời gian dài, các nước trên thế giới
quan niệm và tính toán kết cấu panel 3D như là kết cấu bê tông cốt thép, nhưng
trong nghiên cứu mới đây của PGS.TS Đỗ Kiến Quốc cùng các cộng sự cho thấy
loại vật liệu này lại thể hiện rất rõ tính trực hướng, đồng thời cũng xây dựng lý
thuyết tính toán kết cấu panel 3D theo mô hình vỏ trực hướng, làm cơ sở cho công
tác thiết kế ứng dụng cao hơn loại vật liệu này.
Thực tiễn ứng dụng cho thấy vật liệu 3D có khả năng chịu được gió bão và
động đất rất tốt. Vì vậy việc nghiên cứu khả năng giảm chấn của vật liệu 3D và
ứng dụng vào các công trình cao tầng chống động đất rất có ý nghóa thực tiễn.
Trong đề tài này tác giả sẽ nghiên cứu đánh giá lý thuyết tính toán kết cấu panel
3D và tiến hành xác định tỉ số cản ξ của 3D bằng thực nghiệm; kết quả thu được
đưa vào phân tích tính toán trên các công trình cao tầng cụ thể sử dụng vật liệu
3D làm tường và sàn chịu lực chịu tác động của động đất, so sánh và đánh giá khi
công trình sử dụng vật liệu bê tông cốt thép.
Phân tích các mô hình không gian khung sàn bê tông cốt thép; khung bê
tông cốt thép, sàn panel 3D; khung bê tông cốt thép, kể đến tường và sàn panel
3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn. So sánh và đánh giá.
Nêu lên các kết luận rút ra từ quá trình nghiên cứu, đánh giá nhận định ban
đầu của đề tài; tính khả thi và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặt Vấn Đề.............................................................................................2

1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu............................................................................4
1.3 Tổng Quan Về Vật Liệu 3D...................................................................5
1.3.1 Cấu Tạo.............................................................................................5
1.3.2 Ưu Điểm Của Vật Liệu Và Công Trình 3D ........................................7
1.4 Sơ Lược Tình Hình Nghiên Cứu & Ứng Dụng Panel 3D Trên
Thế Giới và Trong Nước......................................................................12
1.4.1 Trên Thế Giới ..................................................................................12
1.4.2 Trong Nước .....................................................................................13
1.5 Nhận Xét ...............................................................................................14
Chương 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU PANEL 3D
2.1 Lý Thuyết Tính Kết Cấu Panel 3D Như Vật Liệu Bê Tông
Cốt Thép Thông Thường.....................................................................17
2.1.1 Đặc Trưng Vật Liệu .........................................................................17
2.1.2 Xác Định Nội Lực ............................................................................18
2.1.3 Tính Toán Tiết Diện ........................................................................18
2.2 Lý Thuyết Tính Kết Cấu Panel 3D Theo Mô Hình
Vỏ Trực Hướng ....................................................................................24
2.2.1 Modul Đàn Hồi Tương Đương Eg Và Modul Trượt Gm Theo Hai
Phương Của Lớp Vật Liệu Giữa ..........................................................24

2.2.2 Modul Đàn Hồi Tương Đương Etd Và Modul Trượt
Tương ĐươngGtd Theo Hai Phương Của Toàn Bộ Tiết Diện .............30
2.2.3 Xác Định Nội Lực..................................................................................... 33
2.2.4 Tính Toán Tiết Diện ................................................................................. 34

2.3 Nhận Xét ...............................................................................................36
Chương 3: ĐÁNH GIÁ SỰ GIA TĂNG MODUL ĐÀN HỒI TRƯT CỦA LỚP
GIỮA & XÁC ĐỊNH TỈ SỐ CẢN ξ BẰNG THỰC NGHIỆM

3.1 Phương Pháp Xử Lý Kết Qủa Thực Nghiệm .....................................38

3.1.1 Phương Trình Đường Hồi Quy ................................................................. 38
3.1.2 Phương Pháp Bình Phương Cực Tiểu ....................................................... 41

3.2 Đánh Giá Sự Gia Tăng Modul Đàn Hồi Trượt Gm Của Lớp Giữa ..45
3.2.1 Sơ Đồ Thí Nghiệm .................................................................................... 45
3.2.2 Xử Lý Số Liệu Và Đánh Giá ..................................................................... 45
3.2.3 Nhận Xét ................................................................................................. 55

3.3 Xác Định Tỉ Số Cản ξ Bằng Thực Nghiệm ........................................ 56
3.3.1 Công Thức Tính........................................................................................ 56
3.3.2 Sơ Đồ Thí Nghiệm .................................................................................... 57
3.3.3 Bố Trí Thí Nghiệm ................................................................................... 57
3.3.4 Xử Lý Số Liệu ........................................................................................... 59

3.4 Nhận Xét ...............................................................................................68
Chương 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU 3D LÀM TƯỜNG & SÀN CHỊU LỰC
TRONG NHÀ CAO TẦNG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT – SO
SÁNH ĐÁNH GIÁ KHI CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU
BÊ TÔNG CỐT THÉP

4.1 Giới Thiệu Công Trình Tính Toán ......................................................70
4.2 Tính Toán ..............................................................................................75
4.3 Nhận Xét ...............................................................................................81
Chương 5: KẾT LUẬN
................................................................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 86
PHUÏ LUÏC.................................................................................................................. 89

Chương 1

TỔNG QUAN


1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Kết cấu panel 3D ra đời vào những năm 80 và mở ra một triển vọng lớn

cho việc ứng dụng vào các công trình xây dựng. Với nhiều ưu điểm nổi bật so với
vật liệu truyền thống (bê tông cốt thép, thép...) như nhẹ, bền, chắc...làm cho mức
độ và phạm vi ứng dụng của vật liệu 3D là rất lớn [3], [4], [8]. Tuy nhiên là vật
liệu mới nên những hiểu biết về bản chất vật liệu, các thông số đặc trưng vật liệu
cũng như ứng xử của vật liệu dưới tác động của các loại tải trọng đang trong quá
trình xây dựng và hoàn thiện dần. Còn nhiều vấn đề kỹ thuật chưa được hiểu kỹ
hoặc giải quyết triệt để [3].
Ý tưởng ban đầu của loại vật liệu này xuất phát từ các nhà khoa học Mỹ và
sau đó được nhiều nhà nghiên cứu các nước phát triển thêm và đưa vào ứng dụng
[3], [4], đạt được kết quả rất khả quan trong thực tế ứng dụng của loại kết cấu
panel 3D này. Về mặt cấu tạo, đây là một loại kết cấu hỗn hợp (composite) gồm
ba lớp, hai lớp ngoài gồm vữa mác cao và lưới thép, lớp giữa gồm mốp và các
thanh thép xiên. Như vậy, panel 3D lưới thép thực chất là một kết cấu rất phức tạp
[3].
Trong một thời gian dài các cấu kiện panel 3D được quan niệm theo sơ đồ
dạng thanh như dầm chịu uốn, cột chịu nén uốn, do đó các công trình ứng dụng
kết cấu này được tính toán chịu lực một phương theo phương cứng của các thép
xiên. Quan niệm này đã ghi nhận tính trực hướng của kết cấu 3D, tuy nhiên chưa
đánh giá được mức độ dị hướng theo hai phương. Các nghiên cứu ứng dụng mới

nhất gần đây cho các nhà cao đến 7 tầng nhưng cấu tạo sàn chịu lực một phương
theo kiểu có dầm gân.
Gần đây, năm 2001, PGS.TS. Đỗ Kiến Quốc (ĐH Bách Khoa-ĐH Quốc
Gia Tp. HCM) cùng các cộng sự xây dựng lý thuyết tính cho kết cấu Panel 3D
theo mô hình vỏ trực hướng [3]. Lý thuyết này cho kết quả khá phù hợp với kết
quả thực nghiệm về sự làm việc của kết cấu, có thể làm cơ sở tính toán thiết kế

-2-


kết cấu panel 3D. Điều này rất có ý nghóa thực tiễn trong việc sử dụng vật liệu 3D
để xây dựng các công trình nhà ở, trường học, trụ sở làm việc... ở những nơi có kết
cấu nền đất yếu như nền đất ở các tỉnh đồng bằng nước ta: đồng bằng sông Hồng,
đồng bằng sông Cửu Long và cả một số vùng của Tp.HCM như ở huyện Nhà Bè,
Bình Chánh... dựa trên một trong những ưu điểm là trọng lượng riêng nhẹ hơn rất
nhiều so với bê tông, bê tông cốt thép [3], [8].... Mở ra khả năng ứng dụng cao
hơn loại vật liệu này vào các công trình cao tầng, chịu tải lớn hơn... như việc tính
toán đưa loại vật liệu này tham gia vào những vị trí trong công trình cao tầng như
sàn, tường nhằm giảm tải trọng truyền xuống móng công trình...
Phương hướng nghiên cứu tính toán kết cấu Panel 3D theo mô hình vỏ trực
hướng bước đầu đạt được kết quả khả quan, cho kết quả gần sát với kết quả thu
được khi tiến hành thực nghiệm trên các mẫu. Tuy nhiên, việc mô tả một loại kết
cấu 3 lớp khác nhau thành một loại kết cấu đồng nhất một lớp còn tồn tại vấn đề
cần xem xét: trong thực tế chế tạo và làm việc của kết cấu 3D, khi phun bê tông
cho hai lớp biên nước xi măng sẽ ngấm vào bên trong lớp mốp, đồng thời lớp mốp
bị ép chặt lại bởi trọng lượng của các lớp bê tông lưới thép hai bên làm gia tăng
mô đun đàn hồi trượt Gm của lớp giữa [3], để kể đến sự gia tăng này lý thuyết tính
kết cấu panel 3D đưa ra hệ số thực nghiệm k và ước chọn k trong khoảng từ 2÷4.
Hệ số này không ảnh hưởng nhiều đến chuyển vị khi xét vật liệu 3D làm việc
theo phương chịu lực nhưng lại đóng vai trò quan trọng khi tính chuyển vị theo

phương ngang. Vì vậy cần thiết phải đánh giá chặt chẽ hơn giá trị của hệ số k
này.
Mặt khác, do khả năng liền khối và tấm có độ cứng lớn nên khả năng chịu
tải trọng ngang của kết cấu 3D là rất lớn, thực tế ứng dụng loại kết cấu này cho
thấy ngôi nhà xây bằng vật liệu 3D có thể chịu được gió lốc hơn 300 km/h và chịu
được động đất đến 7.5 độ Richter [4]. Điều này chứng tỏ công trình sử dụng kết
cấu panel 3D chịu lực kháng chấn tốt hơn các công trình sử dụng vật liệu truyền
thống (gạch, bêtông...) chịu lực; cho thấy khả năng có thể sử dụng loại kết cấu

-3-


này làm kết cấu chịu lực trong các công trình cao tầng chịu tải trọng ngang lớn
(tải gió, động đất). Vấn đề này cho đến nay chưa thấy có nghiên cứu nào công bố.
1.2

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Trong phạm vi ở đây đề tài này, các mục tiêu đặt ra cần được nghiên cứu

giải quyết là :
+ Tìm hiểu, hệ thống về tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng
kết cấu panel 3D trên thế giới và trong nước. Đánh giá và lựa chọn phương
pháp nghiên cứu.
+ Trên cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu panel 3D theo mô hình vỏ
trực hướng, đánh giá sự gia tăng mô đun đàn hồi trượt Gm và xác định tỉ số
cản ξ của vật liệu 3D bằng thực nghiệm.
+ Thực hiện tính toán trên sơ đồ kết cấu nhà nhiều tầng cụ thể
khung bê tông cốt thép sử dụng vật liệu 3D làm tường và sàn chịu lực, chịu
tác động của tải trọng địa chấn. So sánh khi công trình sử dụng vật liệu
truyền thống như bê tông cốt thép, thép...

-4-


1.3

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU 3D

1.3.1

CẤU TẠO

Hệ kết cấu 3D là những tấm không gian 3 chiều (three dimensions panel3D) kết hợp từ nhiều loại vật liệu khác nhau tạo nên một kết cấu hỗn hợp 3 lớp
cùng chịu lực : Hai lớp biên được tạo ra từ bê tông cốt thép hoặc xi măng lưới
thép, chúng gồm có một lưới thép đều theo hai phương được bao phủ bằng bê tông
hoặc vữa xi măng. Lớp giữa được cấu tạo chủ yếu là vật liệu mốp, rất nhẹ, có xen
kẽ bởi các thanh thép giống như cốt xiên xuyên qua và hàn vào hai tấm lưới thép
ở hai bên.

H1.1 : Cấu tạo của panel 3D
Mốp: là loại vật liệu EPS (Expanded polystyrene) thường được cấu tạo
gồm 94% hạt polystyrene và 6% pentane khi gia nhiệt sẽ trương nở thành hình
dạng tùy thuộc khuôn đúc và yêu cầu sử dụng. Thường được ép đúc hình, ép đúc
khối hay độn xốp [3].
Các tấm 3D được chế tạo theo hai công đoạn : ban đầu các tấm cơ bản gồm
lớp mốp và hai lưới thép kẹp hai bên liên kết với nhau bởi những thanh thép xiên
xuyên qua lớp mốp, các thanh và lưới thép được hàn với nhau bằng máy hàn tại
nhà maùy.

-5-

H1.2 : Các tấm cơ bản được sản xuất hàng loạt tại nhà máy
Các tấm cơ bản được sản xuất hàng loạt tại nhà máy do đó chất lượng sản
phẩm đảm bảo sự đồng đều và kích thước chuẩn xác, tuy nhiên để tuỳ biến theo
hình dáng kiến trúc công trình có thể dễ dàng tạo hình mà không làm mất đi tính
toàn khối của kết cấu.
Các tấm cơ bản này được mang đến công trường, lắp ghép và liên kết lại
với nhau thành một hệ thống không gian bao gồm cả tường và sàn. Sau khi lắp đặt
hệ thống kỹ thuật ( đường ống nước, điện, điện thoại...) người ta tiến hành phun
hoặc trát bê tông để trở thành một hệ toàn khối , bề mặt tấm sau khi phun có mức
độ hoàn thiện cao nên có thể không cần trát hoàn thiện như các tường gạch xây
hoặc sàn bê tông cốt thép thông thường, khi đó chỉ cần quét vôi hoặc sơn. Đây là
một trong những ưu điểm của vật liệu 3D đáp ứng được yêu cầu mun hoá , công
nghiệp hoá trong xây dựng, xây dựng hàng loạt các công trình trong thời gian
ngắn nhờ vào việc chế tạo sẵn từ trong nhà máy và dựng lắp nhanh chóng tại công
trường.

-6-


H1.3-H1.4 : Các tấm cơ bản được dựng lắp tại công trường

1.3.2

ƯU ĐIỂM CỦA VẬT LIỆU VÀ CÔNG TRÌNH 3D

Một vật liệu xây dựng tốt phải thoả mãn được càng nhiều những yêu cầu cơ
bản như khả năng chịu lực cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống cháy, khả năng
tạo hình... ngoài ra tuỳ thuộc vào vị trí, công năng mà công trình còn đòi hỏi

những yếu tố khác như khả năng cách âm cách nhiệt, độ bền chắc trong những
môi trường thời tiết khác nhau...Vật liệu 3D đã tích hợp được khá nhiều những ưu
điểm đáp ứng những yêu cầu trên.

-7-


a.

Khả năng chịu lực cao
Theo EVG - Viện nghiên cứu công nghệ thuộc Trường Đại Học Kỹ Thuật

Graz [4], đã tiến hành thí nghiệm nén một tấm tường 3D có kích thước rộng
100cm, cao 240cm, dày 12cm trong đó lớp mốp ở giữa dày 6cm, hai lớp bê tông
biên dày 3cm mỗi lớp. Kết quả đạt tải trọng gây nứt 70 tấn, tải trọng phá hoại 110
tấn; giá trị này là rất lớn, trong tính toán có thể lấy bằng một nửa giá trị trên. Thử
làm một phép so sánh với các tường gạch thông thường như sau :
Loại tường ..........................................................Khả năng chịu lực
Tường gạch 110..................................................Không coi là tường chịu lực
Tường gạch 220..................................................20 tấn/mét
Tường 3D dày 100, bê tông 25+25.....................30 tấn/mét
Theo [8], với khả năng chịu lực cao như vậy cùng với trọng lượng bản thân
nhẹ giúp giảm đáng kể tải trọng xuống móng công trình, các tấm tường 3D có thể
dùng chịu lực cho các công trình cao đến 7-8 tầng mà không cần hệ khung.
b.

Trọng lượng nhẹ
Trọng lượng các tấm cơ bản chế tạo từ nhà máy gồm lưới thép hai bên và

tấm cách ở giữa chỉ vào khoảng từ 6-8 kg/m2 [4], [8], như vậy công tác vận

chuyển và lắp ghép tại công trường không cần đến máy móc thiết bị mà có thể
thực hiện thủ công, vì vậy có thể phổ biến rộng rãi và tiến hành được cả những
nơi vùng sâu vùng xa mà xe máy thiết bị không vào được.
Trọng lượng trung bình của sàn, tường sau khi trát hoàn thiện vào khoảng
130 kg/m2 , so sánh với các loại vật liệu khác như sau :
Tường gạch 110..................................................270 kg/m2
Tường gạch 220..................................................450 kg/m2
Sàn bê tông cốt thép dày 8 cm ...........................250 kg/m2
Tấm 3D ..............................................................130 kg/m2

-8-


Nếu tính trung bình tải trọng tác động trên 1m2 sàn gồm tónh tải & hoạt tải
sử dụng thì nhà có tường xây 110 nặng gấp khoảng 1.7 lần và nhà xây tường 220
nặng gấp 2.6 lần so với nhà bằng vật liệu 3D.
Với trọng lượng nhẹ như vậy , kết cấu 3D trở thành một giải pháp ưu việt
cho vấn đề xây dựng trên nền đất yếu như các vùng đồng bằng châu thổ sông
Hồng, đồng bằng sông Cửu Long và một số vùng của thành phố Hồ chí Minh, nơi
mà thông thường hiện nay để xây nhà từ 4 tầng trở lên phải dùng đến kết cấu
móng cọc bê tông cốt thép để xử lý làm cho giá thành công trình đội lên rất cao
do phần móng đã chiếm từ 30-40%, thậm chí đến trên 50% giá trị xây dựng của
công trình. Trong khi đó với cũng nền đất ấy nếu dùng vật liệu 3D thì có thể chỉ
dùng giải pháp móng nông cho nhà cao đến 7-8 tầng , tiết kiệm được đáng kể chi
phí xây dựng công trình [3].
Trong công tác cải tạo, cơi tầng cũng có thể sử dụng vật liệu 3D một cách
hiệu quả, với trọng lượng nhẹ có thể dùng 3D để cơi 1-2 tầng cho những công
trình đã sử dụng ổn định từ 4-5 năm mà không cần phải gia cố nền móng và phần
bên dưới công trình [3], [8].
Dùng 3D kết hợp với hệ thống sườn có khả năng làm những kết cấu nhịp

lớn, phức tạp như dạng mái vòm, mái vỏ...nhờ vào ưu điểm về lắp ghép khi dựng
lắp và khả năng toàn khối hoá khi hoàn thiện [8], giảm đáng kể các công tác cốp
pha dàn giáo nên sẽ giảm được chi phí công trình.
Sử dụng vật liệu 3D cho công trình cao tầng sẽ làm giảm tải trọng động đất
đồng thời vừa làm tăng khả năng kháng chấn nhờ vào tính toàn khối hoá và độ
cứng lớn của công trình.
c.

Khả năng cách âm, cách nhiệt cao
Kết cấu panel 3D có cấu trúc 3 lớp, trong đó lớp giữa là mốp nên khả năng

cách âm và cách nhiệt rất toát.

-9-


Khả năng cách nhiệt tốt của vật liệu 3D giúp giảm đáng kể các chi phí làm
mát trong mùa nóng ở những vùng có khí hậu nóng cũng như chi phí giữ ấm trong
mùa đông ở những vùng lạnh, hoặc trong những công trình đòi hỏi sự ổn định
nhiệt độ như các kho lạnh, kho lưu trữ nguyên liệu thực phẩm, hoá mỹ
phẩm...Trong các công trình này nếu dùng vật liệu 3D thay cho các loại mái nặng
thì sẽ đạt hiệu quả cao hơn đồng thời vượt khẩu độ lớn, tiết kiệm chi phí, giảm giá
thành xây lắp công trình.
Theo thí nghiệm của EVG- Viện nghiên cứu công nghệ thuộc Trường Đại
Học Kỹ Thuật Graz, khi nhiệt độ một mặt panel lên đến 1000oC trong 3 giờ thì
phía mặt bên kia của panel có thể giữ được nhiệt độ là 75oC [4].
d.

Khả năng tạo hình và công nghệ thi công
Các tấm cơ bản được mang ra công trường và lắp ghép dễ dàng theo hình

dáng kiến trúc, các vị trí lổ cửa, lổ quạt được cắt đi và được gia cường tại các góc
bằng các lưới thép bổ sung.
Nhờ sự kết dính rất tốt của bê tông hạt nhỏ và khả năng hoàn thiện bề mặt
cao mà bê tông được phun trực tiếp lên các tấm cơ bản sau khi dựng lắp, không
cần đến hệ thống cốp pha cây chống.
Công nghệ lắp ghép giúp làm tăng tốc độ thi công , đảm bảo chất lượng
công trình đồng đều nhờ các tấm cơ bản được chế tạo hàng loạt tại nhà máy, và vì
vậy có thể tiến hành xây dựng đồng loạt các công trình đòi hỏi sự kịp thời như
trường học, bệnh viện, các cụm dân cư tránh lũ ở đồng bằng sông Cửu Long...

- 10 -


H1.5 : Phun bê tông sau khi lắp dựng tại công trường
e.

Giá thành hạ
Giá thành tấm 3D của Việt Nam rẻ hơn nhiều so với giá thành ở các nước

khác, cụ thể [8]:
+ Tại Việt Nam

: 65000 - 95000đ/m2 ≈ 4 - 6 USD/m2.

+ Tại Áo, Hoa Kỳ

: 15 – 18 USD/m2.

+ Tại Hàn Quốc, Hồng Công

: 12 – 15 USD/m2.

Giá thành xây dựng hoàn thiện kể cả hệ thống kỹ thuật điện, nước ...trong
giai đoạn thử nghiệm tại Việt Nam vào khoảng 750.000÷1.000.000 đồng/m2 ,
tương đương với nhà khung bê tông cốt thép thông thường xây tường 110, tuy
nhiên giá thành sẽ thấp hơn nhiều trong những trường hợp xây dựng trên nền đất
yếu, cao trên 4-5 tầng hoặc công trình nâng tầng, vượt khẩu độ lớn...
Ngoài ra, kết cấu panel 3D còn có một số ưu điểm đã được kiểm nghiệm
qua những thí nghiệm và thực tế xây dựng như [4], [8]:
-

Tuổi thọ của cấu trúc xây dựng kéo dài

-

Chỉ tô một lớp vữa xi măng mỏng hoặc không cần tô mà quét vôi hay sơn
hoàn thiện ngay.

- 11 -


-

Bề mặt bên trong và bên ngoài của panel thích ứng đến sự đa dạng vô hạn
của toàn bộ công trình và tính tương tác với các nguyên vật liệâu khác rất
linh động....

-

Loại bỏ được mối, nấm, khô nứt và các điều kiện môi trường trái ngược
khác.

-

Khả năng chịu đựng bão động đất, gió xoáy và lũ lụt rất cao.

-

Cơ cấu phục vụ toàn vẹn và có thể thích nghi dễ dàng với việc cài đặt hệ
thống điện và nối hệ thống nước.

1.4

SƠ LƯC TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PANEL 3D
TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC

1.4.1

TRÊN THẾ GIỚI

Vật liệu có kết cấu ba lớp với tấm cách nhẹ có khả năng cách âm cách
nhiệt tốt để dùng trong các công trình xây dựng đã được một số tác giả người Mỹ
nghó đến từ những năm 60 [3], [4].... Nhưng mãi đến tận thập niên 80, các tác giả
ở Áo mới đưa ra mô hình đầu tiên về các tấm cấu kiện bê tông lưới thép có tấm
cách polyuethan, với kết quả nghiên cứu phù hợp với ý tưởng ban đầu.
Vào những năm 80, theo đề nghị của tiến só Mars, chuyên gia công nghệ
vật liệu của EVGmbH (Austria), Viện nghiên cứu công nghệ thuộc Trường Đại
Học Kỹ Thuật GRAZ đã tiến hành nghiên cứu và đưa vào sản xuất các tấm panel
dùng làm tường, sàn, mái nhà... với tấm cách polystyrene nhẹ và rẻ tiền hơn. Đầu

năm 1987 những tấm panel kiểu mới 3D (Three Dimension System) đã được giới
thiệu với giới Kiến trúc và Xây dựng.
Hiện nay panel 3D được sử dụng rất rộng rãi ở Châu Âu và Bắc Mỹ sau đó
tới các nước đang phát triển ở Nam Mỹ, Châu Á, Châu Phi, Châu Úc [4], [10].
Vào cuối những năm 80, đầu những năm 90 ở Hàn Quốc người ta cũng đạt được
kết quả tốt về nghiên cứu và sản xuất kết cấu dạng 3D. Sau đó Trung Quốc cũng

- 12 -


dựa vào các thành tựu này để phát triển công nghệ sản xuất tấm Sulatso và đã
thành công trong việc sử dụng vật liệu này làm dầm chịu lực...
1.4.2

TRONG NƯỚC

Cuối năm 1992, một số chuyên gia của viện nghiên cứu kỹ thuật và phát
triển đô thị đã tiếp xúc với công nghệ sản xuất 3D ở Mỹ và Áo. Từ đầu năm 1993,
Viện nghiên cứu và phát triển đô thị đã tiến hành nghiên cứu và sản xuất tại Việt
Nam [8].
Ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long và cả một số vùng của Tp.HCM, do
đặc điểm nền đất yếu, phương tiện giao thông khó khăn và vật liệu xây dựng
khan hiếm nên Công ty Xây Dựng Cổ Phần 3D đã đưa vào sản xuất tấm panel 3D
lắp ghép với tấm cách bằng mốp đan thép xiên ở giữa và hai bên bằng bê tông cốt
thép. Kết cấu này đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng làm nhà ở liên kế tại huyện
Bình Chánh.
Năm 2001, PGS.TS. Đỗ Kiến Quốc (ĐH Bách Khoa-ĐH Quốc Gia Tp.
HCM) cùng các cộng sự xây dựng lý thuyết tính cho kết cấu Panel 3D theo mô
hình vỏ trực hướng [3]. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng bằng thực
nghiệm và bước đầu ứng dụng vào tính toán thiết kế và xây dựng nhà ở liên kế tại

huyện Bình Chánh.

- 13 -


1.5

NHẬN XÉT
Như vậy, vật liệu 3D đã đáp ứng các yêu cầu cũng như kết hợp hài hoà các

nguyên tắc cơ bản về vật liệu và kết cấu xây dựng :
+ Tối ưu sự làm việc của kết cấu và sử dụng tối đa khả năng chịu lực của
vật liệu nhờ phân bố vật liệu chịu lực ra xa trục trung hoà.
+ Kết hợp được tính công nghiệp hoá của kết cấu lắp ghép và tính đồng
nhất cao của kết cấu bê tông cốt thép toàn khối. Do đó dễ dàng đáp ứng được
những yêu cầu về tiến độ đồng thời vẫn có thể đảm bảo về mặt chất lượng công
trình.
+ Nâng cao và đa năng hoá về chất từ các loại vật liệu thông thường như
bê tông lưới thép, thép và mốp ... bằng cách phối kết hợp chúng một cách hợp lý.
+ Vì đây là loại vật liệu mới nên những hiểu biết về bản chất cũng như ứng
xử của vật liệu cần được nghiên cứu thấu đáo làm cơ sở ứng dụng cao hơn trong
thực tiễn. Vì vậy song song với việc cải tiến thiết bị, quy trình sản xuất nhằm đảm
bảo chất lượng và sự đồng đều của vật liệu 3D, cần có những nghiên cứu xây
dựng lý thuyết tính toán làm cơ sở cho công tác thiết kế khi tính toán sử dụng vật
liệu 3D vào công trình xây dựng cũng như làm cơ sở khoa học cho việc ứng dụng
cao hơn loại vật liệu này vào các công trình quan trọng như nhà cao tầng, mái
vòm vượt khẩu độ lớn ...

- 14 -

Chương 2

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU
PANEL 3D


Ý tưởng cho việc xuất hiện vật liệu mới panel 3D xuất phát từ nhu cầu sử
dụng thực tiễn, vì vậy từ khi ra đời đến nay đã được ứng dụng rất rộng rãi. Trong
đó đi đầu là các nước phát triển phương Tây, tuy nhiên trái với sự đa dạng và
phong phú trong việc ứng dụng loại vật liệu này thì các nghiên cứu về 3D lại
không nhiều, chủ yếu tập trung vào việc xác định các chỉ tiêu cơ lý như khối
lượng riêng, khả năng cách nhiệt, chống thấm, chống cháy [4], [8]... của vật liệu
mà không nghiên cứu sâu vào bản chất và lý thuyết tính. Điều này là bởi hầu hết
các nước quan niệm rằng vật liệu 3D cũng chỉ là loại bê tông cốt thép sử dụng các
loại vật liệu thông thường là lưới thép và bê tông cốt liệu nhỏ nên chủ yếu chỉ đưa
ra những chỉ dẫn về cấu tạo hoặc những chỉ dẫn về tính toán khá đơn giản như là
những cấu kiện bê tông cốt thép thông thường.
Tuy nhiên vật liệu 3D lại thể hiện rất rõ tính dị hướng theo hai phương. Vì
vậy việc áp dụng các mô hình vật liệu đẳng hướng vào tính toán kết cấu 3D sẽ có
nhiều điều không thấu đáo mà điều nguy hiểm nhất là làm cho kết cấu thiếu an
toàn, nguy hiểm cho công trình khi đưa vào sử dụng [3].
Năm 2001, PGS.TS Đỗ Kiến Quốc cùng nhóm nghiên cứu đã đưa ra mô
hình và lý thuyết tính kết cấu panel 3D theo mô hình vỏ trực hướng, trong đó nhấn
mạnh đến tính dị hướng của vật liệu 3D.
Trong khuôn khổ đề tài này tác giả sẽ lần lượt trình bày các quan điểm tính
toán vật liệu 3D, đánh giá và lựa chọn lý thuyết làm cơ sở tính toán cho đề tài.

- 16 -

2.1

LÝ THUYẾT TÍNH KẾT CẤU PANEL 3D NHƯ VẬT LIỆU BÊ
TÔNG CỐT THÉP THÔNG THƯỜNG [8]

2.1.1

ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU

Khi tính toán kết cấu panel 3D, xác định các đặc trưng độ cứng để tính biến
dạng của cấu kiện như độ võng của dầm, sàn, hệ số uốn dọc các cấu kiện chịu

hb2

yo

d

hb1

nén lệch tâm...thì tính toán như tiết diện nguyên với các thông số điều chỉnh sau :

b

H2.1 : Các ký hiệu tiết diện
Diện tích tiết diện :
F=b(hb1+hb2)

(2.1)

Trong đó :
b

: bề rộng của tiết diện.

hb1, hb2

: chiều dày tương ứng của hai lớp bê tông.

Mô men quán tính của tiết diện :
Jn=b[hb1×(d-yo)2+hb2×yo2]

(2.2)

Trong đó :
d

: khoảng cách trọng tâm của hai lớp bê tông.

yo

: khoảng cách từ trọng tâm lớp bê tông thứ hai đến trọng tâm
chung của tiết diện.
yo=hb1×d/(hb1+hb2)

(2.3)

Bình thường thì chiều dày hai lớp bê tông bằng nhau : hb1=hb2=hb
==>

F=2×b×hb

(2.1a)
- 17 -


Jn=(b×hb×d2)/2

(2.2a)

Khi tính toán, mô men quán tính của tiết diện lấy bằng 0.2Jn
J=0.2×Jn

(2.4)

Các thông số mô đun đàn hồi, mô đun trượt lấy theo giá trị tương ứng của
bê tông
Khi xác định nội lực bằng các chương trình tính toán có yêu cầu các thông
số độ cứng thì từ độ cứng cơ bản nêu trên mà xác định các thông số cần thiết.
2.1.2

XÁC ĐỊNH NỘI LỰC

Để tính toán nội lực cho hệ kết cấu 3D, có thể sử dụng các chương trình
tính toán hiện hành như SAP, STAAD III...trong trường hợp hệ tấm thì có thể tính
theo lý thuyết tấm như trong nhà tấm lắp ghép hoặc có thể dùng các chỉ dẫn thiết
kế nhà ở tấm lớn để tính.
2.1.3

TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN

a.

Tính toán tiết diện chịu mô men uốn

a.1

Tiết diện đặt cốt thép đơn
Sử dụng sơ đồ ứng suất như trường hợp tiết diện bê tông đặc đặt cốt thép

đơn như hình vẽ :

x

hn

hn

x

Rn

ho
h

hk
a

a

hk

h

ho

Mgh

Fa

b

b

Fa

Ra .Fa

H2.2 : Sơ đồ ứng suất của trường hợp tính cốt đơn
Các công thức cơ baûn :
RaFa = αRnbho
- 18 -

(2.5)