GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG HIỆN HỮU VỚI BỘ GIẢI PHÁP ĐỒNG BỘ TỪ HILTI

Trong hơn hai thập kỷ qua, ngành xây dựng chịu áp lực ngày càng lớn trong việc giảm tác động môi trường và tái sử dụng các công trình hiện hữu nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội và kinh tế ngày càng tăng — đặc biệt tại các khu vực đô thị, nơi có một lượng lớn công trình và cầu bê tông cốt thép đã đến hoặc vượt quá tuổi thọ khai thác, cần được sửa chữa, gia cường hoặc tháo dỡ. Ngoài lý do hết hạn sử dụng, một số nguyên nhân phổ biến khiến kết cấu bê tông hiện hữu cần được gia cường có thể kể đến:

• Thay đổi công năng hoặc mục đích sử dụng công trình.

• Mở rộng diện tích xây dựng.

• Xây thêm tầng tại khu vực đô thị đông đúc, nơi việc mở rộng theo phương ngang không khả thi.

• Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế mới.

• Phát hiện lỗi kỹ thuật hoặc thiếu sót trong thi công ban đầu.

• Khắc phục các vấn đề về độ bền do tác động của các nguy cơ như cháy nổ, động đất.

Việc lựa chọn giữa gia cường kết cấu hiện hữu hay phá dỡ và xây mới không phải lúc nào cũng đơn giản, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Tình trạng thực tế của kết cấu công trình, yêu cầu của chủ đầu tư, giá trị văn hóa, lịch sử hoặc ý nghĩa xã hội của công trình. Nếu các kỹ sư kết cấu xác định rằng công trình có thể được gia cường an toàn và hiệu quả, các nghiên cứu cho thấy phương án này có thể giúp rút ngắn thời gian thi công từ 15–70% (tính từ lúc dừng khai thác đến khi đưa công trình quay lại hoạt động) so với phương án phá bỏ và xây mới.

Ngoài việc tiết kiệm thời gian, phương án gia cường còn giúp giảm 10–75% lượng tài nguyên tiêu thụ, nhờ giảm khối lượng nhân công và vật liệu, từ đó giảm trực tiếp lượng phát thải carbon và tác động môi trường của công trình [1]. Đặc biệt, với chủ đầu tư, việc công trình sớm quay lại vận hành và chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn cũng là những yếu tố kinh tế quan trọng không thể bỏ qua.

Tuy nhiên, những tiềm năng tiết kiệm thời gian và chi phí kể trên phụ thuộc rất lớn vào năng lực của kỹ sư kết cấu trong việc lựa chọn giải pháp phù hợp và khả năng của nhà thầu, đơn vị thi công trong việc cung cấp và lắp đặt chính xác các giải pháp gia cường đáp ứng đúng các điểm yếu cục bộ và/hoặc tổng thể của công trình. Trong thực tế, hầu hết các dự án gia cường đều phải kết hợp nhiều giải pháp khác nhau. Một số phương án có thể bị loại bỏ do: Hạn chế về kiến trúc, công năng sử dụng hoặc hình dáng kết cấu, thiếu kinh nghiệm trong thiết kế hoặc thi công giải pháp gia cường đặc thù, không có sẵn thiết bị chuyên dụng phù hợp điều này khiến danh sách các phương án khả thi bị thu hẹp lại, và việc lựa chọn còn phải dựa trên ưu – nhược điểm riêng của từng giải pháp, bởi không có một phương án “vạn năng” nào có thể giải quyết tất cả vấn đề kết cấu một cách triệt để.

Thêm vào đó, nếu thi công sai kỹ thuật hoặc lắp đặt không đồng bộ, các giải pháp gia cường có thể làm tăng khả năng chịu lực của một vị trí nhưng lại gây suy yếu ở khu vực khác — một thực tế thường gặp trong các công trình cải tạo. Ví dụ điển hình cho vấn đề này sẽ được minh họa qua 2 trường hợp sau, gồm: Một tình huống tác động cục bộ và một tình huống ảnh hưởng đến toàn bộ hệ kết cấu

1. Cục bộ: Gia cường bản sàn bằng cách đổ thêm lớp bê tông tăng chiều dày, nhưng không tính toán đến tải trọng bổ sung truyền xuống các dầm chịu lực bên dưới.

2. Tổng thể: Bố trí mật độ lớn vách cứng chịu cắt (shear wall) tập trung ở một phía công trình. Tuy nhiên, điều này lại làm tăng nhu cầu chịu tải và nội lực ở phía đối diện.

Ở cấp độ cục bộ, các điểm yếu có thể xảy ra tại từng cấu kiện riêng lẻ như dầm, cột, sàn, tường hoặc móng — khi các cấu kiện này không đủ khả năng chịu lực để đảm bảo an toàn trước các tác động mới về tải trọng hoặc điều kiện khai thác. Các dạng thiếu hụt thường gặp gồm: thiếu khả năng chịu kéo, chịu nén, không đủ khả năng chịu uốn, cắt, chọc thủng hoặc xoắn hoặc không đáp ứng tiêu chuẩn khi tải trọng thay đổi. Các giải pháp gia cường cho từng cấu kiện đơn lẻ có thể bao gồm:

• Đổ bổ sung lớp bê tông phủ ngoài như minh họa trong Hình 1

• Gia cố bằng thép khoan cấy

• Bọc thép tấm bao quanh cấu kiện

• Dán thép tấm hoặc gắn chìm gần bề mặt

• Quấn sợi composite cường độ cao

• Gia cường bằng neo dự ứng lực bên ngoài

Hình 1: Ví dụ về gia cố hoặc bọc bê tông cho cột.

Gia cường ở cấp độ “tổng thể” thường nhằm giải quyết các vấn đề ảnh hưởng đến toàn bộ kết cấu như động đất, cháy, mỏi vật liệu, và tác động của gió. Các giải pháp phổ biến bao gồm:

• Vách chịu cắt bổ sung như minh họa trong Hình 2

• Giằng thép

• Cọc nhỏ bổ sung

• Hệ thống cách ly nền

• Thiết bị hấp thụ năng lượng / giảm chấn

Hình 2: Ví dụ về tường chèn kháng cắt bố trí giữa các cột.

3. Gia cường các cấu kiện bê tông thiếu khả năng chịu cắt

Giả sử một tòa nhà trước đây dùng làm văn phòng nay chuyển đổi thành khu thương mại do thay đổi chủ sở hữu, lượng người ra vào tăng cao sẽ làm tăng tải trọng lên sàn, ảnh hưởng đến tất cả các cấu kiện chịu lực - bao gồm sàn, dầm, cột và móng. Sau khi kiểm tra, kỹ sư có thể nhận thấy rằng dầm không đủ khả năng chịu lực uốn và cắt hoặc trong một số trường hợp chỉ thiếu khả năng chịu cắt. Theo các tiêu chuẩn thiết kế phổ biến như Mục 6.2 trong EN 1992-1-1:2004 [2], khả năng chịu lực cắt của cấu kiện bê tông phụ thuộc vào sáu thông số chính sau:

1. Cường độ bê tông

2. Chiều rộng và chiều cao tiết diện

3. Chiều cao hiệu dụng đến lớp thép chịu uốn từ phía trên lớp chịu nén

4. Chiều dài nhịp

5. Cốt thép dọc

6. Cốt thép đai

Việc áp dụng nhiều giải pháp gia cường ở cấp độ “cục bộ” để cải thiện một hoặc nhiều trong số các thông số (1) đến (6) có thể nâng cao khả năng chịu lực cắt với mức độ khác nhau. Tuy nhiên, các giải pháp này sẽ phải đánh đổi về: Mức độ can thiệp vào kết cấu, chi phí thi công, khả năng thực hiện, các yếu tố khác liên quan đến điều kiện công trình Một số giải pháp có thể không khả thi, ví dụ như việc tăng cường cường độ bê tông cho dầm hiện hữu thường rất khó thực hiện. Ngoài ra, việc thêm cột phụ để giảm tải cho một dầm có thể làm tăng tải trọng lên các dầm khác và buộc phải tính toán lại để truyền lực xuống móng. Do đó, phạm vi các giải pháp khả thi để gia tăng các thông số (1) đến (6) có thể được tóm tắt trong Bảng 3.1.

Bảng 3: Các giải pháp tiềm năng để gia cường bê tông thiếu khả năng chịu cắt

Việc tăng trực tiếp lượng thép đai sẽ giúp gia tăng khả năng chịu lực cắt của cấu. Hiện nay trong ngành xây dựng, các giải pháp tăng thép đai bổ sung thường là ít can thiệp và hạn chế ảnh hưởng đến các cấu kiện khác. Ngược lại, với phần khả năng chịu cắt của bản thân bê tông, các giải pháp gia cường khác thường không mang lại khả năng tương xứng so với công sức và chi phí bỏ ra. Ngoại trừ phương án đổ thêm lớp bê tông phủ ngoài có thể giúp tăng khả năng chịu cắt đáng kể, nhưng đi kèm với những đánh đổi của riêng phương pháp đó.

Hình 3: Hilti HIT-RE 500 V4, thanh HAS(-U) và bộ vật liệu chèn được sử dụng để gia cường thép chịu lực cắt lắp đặt bổ sung.

Giải pháp này được lắp đặt tương tự như neo hóa chất: tiến hành khoan vuông góc với bề mặt bê tông đến độ sâu cố định, làm sạch hoàn toàn bụi và mảnh vụn trong lỗ khoan, sau đó bơm vữa và đặt thanh ren vào. Khi vữa đã đông cứng, có thể siết đai ốc đến giá trị mô-men xoắn tối đa quy định.

Lưu ý: Trừ khi đã được tính toán trong thiết kế, cần tránh khoan cắt qua cốt thép chịu uốn bất cứ khi nào có thể để không làm suy yếu thêm kết cấu. Nếu không thể tránh được, ví dụ như để khoan ở khu vực có nhiều cốt thép, cần thực hiện các biện pháp bổ sung và phải có sự đồng ý rõ ràng từ Kỹ sư phụ trách thiết kế nhằm bù đắp cho phần cốt thép chịu uốn bị giảm

Giải pháp gia cường HIT-Shear mới của Hilti bao gồm các thành phần sau:

Hình 4: Hilti HIT-RE 500 V4, thanh ren HAS(-U), và các dụng cụ lắp đặt khác.

Giải pháp này kết hợp keo rót HIT-RE 500 V4 với dòng thanh ren Hilti HAS các kích cỡ M12, M16, M20, và M24, mỗi loại đều có sẵn bằng thép carbon hoặc thép không gỉ phù hợp cho cả trong nhà lẫn ngoài trời. Bộ phận thép hoàn chỉnh với Bộ dụng cụ lắp đầy Hilti bao gồm long đen làm kín, long đen cầu, đai ốc và đai ốc khóa tuỳ chọn, tất cả đều có sẵn bằng cả thép carbon và thép không gỉ cho từng đường kính thanh ren.

Hệ thống này linh hoạt nhờ sử dụng keo rót hiệu suất cao, cho phép ứng dụng trong bê tông:

• Áp dụng cho độ dày từ 200-2200 mm.

• Áp dụng cho cường độ từ C20/25 & C50/60.

• Bê tông khô hoặc bão hòa nước, cũng như trong lỗ khoan chứa nước.

• Chịu được nhiệt độ tối đa ngắn hạn và dài hạn lần lượt là +60°C và +43°C.

• Thành phần chịu được tải trọng tĩnh, gần tĩnh và mỏi.

Việc lắp đặt vào kết cấu bê tông có thể tiến hành từ cả hai phía, ví dụ từ trên xuống hoặc từ dưới lên đối với dầm hoặc sàn. Một điểm nổi bật của hệ thống này là lắp đặt các thanh ren đến chiều sâu lắp đặt quy định, , phụ thuộc vào độ dày, ℎ, và lớp bảo vệ còn lại, , nhằm tránh nứt mặt bê tông ở phía đối diện vị trí khoan. Lớp bảo vệ này, như minh họa ở Hình 5, sẽ thay đổi tùy theo đường kính thanh ren. Xét về mặt thiết kế, chiều sâu lắp đặt cố định bảo đảm khả năng neo giữ chắc chắn các thanh ren, mô phỏng mô hình giàn được tạo bởi đai thép đúc sẵn.

Hình 5: Mặt cắt minh họa độ sâu lắp đặt và lớp bê tông bảo vệ còn lại của giải pháp gia cường HIT-Shear.

Trong trường hợp chưa có Tài liệu Đánh giá Châu Âu (EAD) hoặc tiêu chuẩn Châu Âu hài hòa (hEN), giải pháp gia cố chịu cắt Hilti HIT đã được Viện Kỹ thuật Xây dựng Đức (DIBt) thẩm định về mức độ phù hợp cho ứng dụng gia cố này và cấp phép “công nghệ xây dựng tổng quát”, hay còn gọi là aBG, Z-15.5-383 [4]. Điều này đáp ứng yêu cầu quốc gia cho các công trình xây dựng theo MVV TB (Quy định kỹ thuật xây dựng mẫu), là cơ sở cho các Quy định Quản lý – Kỹ thuật Xây dựng được áp dụng ở cấp liên bang tại Đức.

Phần mềm thiết kế dựa trên nền tảng đám mây của Hilti – PROFIS Engineering – nay đã tích hợp thêm một mô-đun chuyên biệt hỗ trợ đánh giá và gia cường các cấu kiện bê tông thiếu khả năng chịu cắt, giúp các kỹ sư kết cấu dễ dàng kiểm tra sức chịu lực của các cấu kiện hiện có và tăng cường chúng, đảm bảo quy trình làm việc an toàn và hiệu quả hơn. Mô-đun mới PROFIS Engineering Gia cường kháng cắt cho phép:

• Lựa chọn giữa dầm, cột, sàn và tường, đồng thời xác định đặc tính vật liệu và hình học của từng loại

• Kiểm tra khả năng chịu lực của bê tông hiện tại theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 + Phụ lục quốc gia hoặc SIA 262:2017 [5].

• Gia cường với lựa chọn bốn đường kính cốt thép bằng thép cacbon hoặc thép không gỉ, cùng với việc nhập tự do khoảng cách và khoảng cách mép.

• Phân vùng cấu kiện thành các khu vực riêng biệt và áp dụng Phương pháp thay đổi góc nghiêng thanh giằng để tối đa hóa sức chịu lực với lượng cốt thép tối thiểu.

• Lập báo cáo thiết kế đầy đủ với toàn bộ các kiểm tra, chi tiết cốt thép và hướng dẫn lắp đặt.

Hình 6: Giao diện phần mềm PROFIS Engineering thể hiện mô hình gia cường kết cấu.

Việc cải tạo và tận dụng lại các công trình cũ có thể mang lại nhiều lợi ích so với xây mới, với mỗi công trình cần đáp ứng các mục tiêu cụ thể khi gia cường. Dựa vào triết lý thiết kế đã chọn, kỹ sư kết cấu có thể xử lý các vấn đề thiếu hụt về khả năng chịu cắt của các cấu kiện bê tông dạng tuyến tính hoặc mặt phẳng thông qua nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có những phương pháp ít xâm lấn hơn. Việc sử dụng hệ thống gia cường cắt lắp sau, như giải pháp thanh ren HAS(-U) kết hợp với vữa HIT-RE 500 V4 của Hilti, là một ví dụ mới mẻ về phương pháp tối giản xâm lấn, giúp nâng cao đáng kể khả năng chịu cắt của cấu kiện kết cấu.

Sau khi được thẩm định và cấp giấy phép kỹ thuật xây dựng tổng thể (aBG) bởi DIBt, các kỹ sư có thể áp dụng phương pháp thiết kế dựa trên Eurocode 2 quen thuộc, tích hợp trong bộ phần mềm Hilti PROFIS Engineering Suite, để tìm ra giải pháp tối ưu thông qua việc lựa chọn các thông số thiết kế chủ chốt như đường kính, khoảng cách và thanh nghiêng thay đổi. Với giao diện trực quan, module Tăng cường Chịu Cắt mới giúp các kỹ sư tiết kiệm thời gian trong quá trình thiết kế, mang lại giá trị cho khách hàng đồng thời góp phần xây dựng môi trường bền vững và an toàn hơn.

Để bắt đầu thiết kế, hãy truy cập https://profisengineering.hilti.com/

[1]. N. Addy, “Đảm bảo hiệu quả tài chính cho việc cải tạo bền vững các tòa nhà hiện hữu”, trong Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, Chủ biên, Abingdon, Routledge, 2015, tr. 57-73.

[2]. EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Thiết kế kết cấu bê tông - Phần 1-1: Quy định chung và quy tắc cho các công trình xây dựng”, Brussels: CEN, 2004.

[3]. K. S và G. Genesio, “Bản báo cáo chuyên sâu về ứng dụng ma sát cắt và lớp phủ bê tông”, Hilti AG, Liechtenstein, tháng 12 năm 2023.

[4]. Viện Kỹ thuật Xây dựng Đức, “Z-15.5-383 - Hệ thống tăng cường chịu lực Hilti với Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2024.

[5]. SIA, “SIA 262: Kết cấu bê tông,” SIA, Zürich, 2017.