Dù đang ở trong giai đoạn khó khăn,
ngành xây dựng vẫn sẽ phát triển theo xu hướng phát triển chung của đất nước.
Chúng ta sẽ còn cần rất nhiều nhà cao tầng để phục vụ nhu cầu thực tế không nhỏ
của đa số người dân. Chính những khó khăn trong khủng hoảng đã đặt ra cho các
công ty tư vấn thiết kế nói chung và các kỹ sư kết cấu nói riêng một nhiệm vụ mới:
thiết kế tối ưu. Bởi ngoài những yếu tố khách quan, một trong những nguyên nhân
làm giá thành các sản phẩm xây dựng cao đó là sự chưa tối ưu của các hồ sơ thiết
kế. Thiết kế tối ưu thực chất là tìm ra phương án kết cấu thỏa mãn các yêu cầu
kỹ thuật và có giá thành thấp nhất. Bài viết này nêu lên những khả năng có thể
giảm tối đa giá thành xây dựng phần móng cọc, từ đó tiết kiệm chi phí đầu tư
cho công trình.
Cân nhắc lựa chọn sức chịu tải của Cọc
Sức chịu tải của cọc thay đổi phụ thuộc
vào kích thước tiết diện và chiều sâu chôn cọc. Thực tế thiết kế cho thấy, khi
cọc đã nằm trong vùng đất tốt, đôi khi tăng chiều dài cọc lên một đoạn không lớn,
nhưng có thể tăng khá nhiều sức chịu tải và do đó có thể giảm được một số lượng
lớn các cọc. Để thực hiện được điều này, người thiêt kế cần có bước thiết kế sơ
bộ và đánh giá phương án thông qua các hệ số an toàn. Hệ số an toàn của môt đài
cọc được xác định là tỉ số giữa sức chịu tải của cọc và tải trọng lớn nhất tác
dụng lên đầu cọc. Ví dụ, cọc ép 300x300 có sức chịu tải 40T ở chiều dài 36m, và
43T ở chiều dài 38m. Với tải trọng chân cột là 170T, nếu sử dụng cọc dài 36m
thì chúng ta phải lựa chọn phương án 5 cọc (hệ số an toàn 1,17), trong khi nếu
dùng cọc 38m thì chúng ta chỉ cần 4 cọc (hệ số an toán 1,01). Như vậy số lượng
cọc giảm 20% trong khi chiều dài cọc chỉ tăng 6%. Về sơ bộ phương án 2 tiết kiệm
hơn phương án 1 là 28m cọc. Trong những trường hợp này, người thiết kế cần có
phương án sơ bộ, đánh giá cụ thể và có cái nhìn tổng quát để đưa ra phương án
thiết kế hợp lý nhất.
Cân nhắc sử dụng tải trọng tiêu chuẩn để
tính toán
Sức chịu tải của cọc được quyết định dựa
vào đất nền hoặc theo vật liệu cọc. Chỉ trong trường hợp được cắm vào lớp đất rất
tốt thì sức chịu tải của cọc mới được quyết định dựa vào sức chịu tải theo vật
liệu cọc. Phá hoại của cọc lúc đó là phá hoại do ứng suất trong cọc vượt quá giới
hạn bền của vật liệu cọc, tải trọng dùng để kiểm tra lúc này là tải trọng tính
toán. Trong trường hợp còn lại, sức chịu tải của cọc được quyết định dựa vào sức
chịu tải theo đất nền. Phá hoại của cọc lúc này là phá hoại do cọc bị lún quá độ
lún giới hạn. Tải trọng dùng để kiểm tra lúc này là tải trọng tiêu chuẩn. Thống
nhất được điều này, người thiết kế cần xác định trường hợp phá hoại của cọc và
lựa chọn tải trọng dùng để kiểm tra. Đối với trường hợp sức chịu tải của cọc được
xác định dựa vào sức chịu tải theo nền đất, việc sử dụng tải trọng tiêu chuẩn
có thể đưa tới phương án thiết kế tiết kiệm 13% do hệ số vượt tải nói chung
không thấp hơn 1,15.
Sử dụng hệ số giảm hoạt tải
Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 cho phép giảm
tác dụng của hoạt tải do xét tới xác suất xuất hiện của yếu tố này. Việc giảm
hoạt tải phụ thuộc vào chức năng và diện tích của phòng. Trong đa số trường hợp,
hoạt tải có thể giảm xuống chỉ còn 80%.
Tối ưu hóa tiết diện các cấu kiện phần
thân
Việc thiết kế tối ưu hóa tiết diện các
cấu kiện phần thân sẽ dẫn tới tải trọng truyền xuống móng là nhỏ nhất. Thực tế
cho thấy các đơn vị thiết kế rất ngại phải điều chỉnh thiết kế, và thường thiết
kế theo cách thức: chọn lựa sơ bộ tiết diện và ... chọn luôn tiết diện đó để bố
trí cốt thép. Điều này sẽ dẫn tới không chỉ lãng phí vật liệu bê tông mà còn
lãng phí vật liệu cốt thép do phải bố trí để không nhỏ hơn hàm lượng tối thiểu
cho phép. Việc thiết kế tối ưu tiết diện đem lại khá nhiều hiệu quả mang tính dây
chuyền: tiết kiệm chi phí vật liệu, tiết kiệm chi phí nhân công cho vật liệu và
công tác lắp dựng ván khuôn, giảm tải trọng cho móng... Lựa chọn phương án kết
cấu hợp lý trên thực tế không chỉ phát huy hiệu quả khả năng chịu lực của hệ kết
cấu, nó còn ảnh hưởng đến ứng xử động của công trình và do đó, ảnh hưởng tới
tác động của tải trọng gió và động đất tác dụng lên công trình.
Sử dụng vật liệu hoàn thiện nhẹ
Việc sử dụng vật liệu nhẹ sẽ trực tiếp
làm giảm tải trọng tác dụng lên móng. Gạch nhẹ có trọng lượng xấp xỉ và nhỏ hơn
trọng lượng của nước, so với gạch rỗng thì trọng lượng giảm 30%.
Sử dụng mô hình phân tích kết cấu có kể
đến sự làm việc đồng thời giữa phần móng và phần thân
Việc sử dụng mô hình làm việc đồng thời
giữa phần móng và phần thân sẽ tận dụng được khả năng làm việc của hệ giằng
móng, đồng thời cũng phát huy được sự làm việc theo nhóm của hệ cọc, trong đó,
sự phân phối lại tải trọng giữa các cọc sẽ làm giảm tải trọng tác dụng lên đầu
cọc chịu lực lớn nhất.
Tăng 20% sức chịu tải của cọc đối với
trường hợp tổ hợp có tải trọng ngang
Một cách không chính thống như trong
các tiêu chuẩn. Hiện nay các đơn vị thiết kế đang sử dụng sức chịu tải cho phép
lớn hơn 20% sức chịu tải cho phép tính toán để kiểm tra đối với tổ hợp có tải
trọng ngang. Một căn cứ của việc áp dụng này là Chú thích 1, phụ lục A.1, tiêu
chuân TCXD 205-1998. Tuy căn cứ này không chặt chẽ, nhưng việc áp dụng cũng
mang lại hiệu quả không nhỏ trong thiết kế móng cọc.
Cuối cùng
Việc thiết kế tối ưu đòi hỏi phải xem
xét tỉ mỉ các phương án và lựa chọn ra phương án thiết kế đạt hiệu quả kinh tế
cao nhất trong khi vẫn đảm bảo điều kiện kỹ thuật. Để làm được điều này, cần có
sự hỗ trợ của các phần mềm thiết kế kết cấu nhằm giảm khối lượng công việc, tạo
điều kiện đi sâu vào đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
Tác giả: Hồ Việt Hùng
Trong thiết kế: Phần kết cấu móng chiếm một tỷ trọng đáng kể trong giá thành xây dựng phần thô công trình. Với những công trình xây chen, công trình có tầng hầm, phần móng-cọc có thể chiếm từ 30%-40% giá thành xây dựng phần thô công trình (Đoàn Ngọc Tứ)
Viết và chia sẻ bình luận:
Like để cập nhật các bài viết qua facebook. Cảm ơn bạn đã ghé thăm, ủng hộ!