So sánh và phân tích kết cấu thép nhẹ nhà ở dân dụng

So sánh và phân tích kết cấu thép nhẹ nhà ở dân dụng

Tóm tắt—Nhà ở kết cấu thép nhẹ có đặc tính xanh, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, v.v. Trong vài thập kỷ qua, ngày càng có nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng kết cấu thép cán nguội trong mọi khía cạnh của xây dựng công trình và ở nhiều nước phát triển, đã có những bước phát triển đáng kể về nhà ở kết cấu thép cán nguội. Tuy nhiên, ở một số nước đang phát triển, nhà ở kết cấu thép nhẹ mới chỉ bắt đầu. Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu một số đặc tính của nhà ở kết cấu thép nhẹ và tình hình nghiên cứu hiện tại. Trên cơ sở đó, chúng tôi phân tích và nghiên cứu chi tiết về nhà ở kết cấu thép nhẹ ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu và đưa ra một số đặc điểm của chúng. Sau đó, theo các điều kiện cụ thể của Trung Quốc, tình hình phát triển và đặc tính của nhà ở kết cấu thép nhẹ được giới thiệu, bao gồm một số khái niệm nhà ở truyền thống và nhà ở kết cấu thép chuyên sâu. Dựa trên các cuộc điều tra trên, một số đề xuất và biện pháp đối phó được đưa ra. Người ta tin rằng điều này có ý nghĩa và hữu ích để thúc đẩy công nghiệp hóa nhà ở của Trung Quốc.

Từ khóa- kết cấu thép nhẹ; thành phần; tòa nhà dân cư; kết cấu cán nguội; nhiều lớp thấp

I. GIỚI THIỆU

Với sự phát triển của ngành xây dựng, những thay đổi về hệ thống xây dựng và vật liệu xây dựng đã trở thành xu hướng hiện tại trong phát triển các tòa nhà dân dụng. Trong những năm gần đây, do mức sống của người dân không ngừng được cải thiện, họ có yêu cầu cao hơn về nhà ở, tính ổn định, v.v., đặc biệt là đối với nhà ở thấp tầng, có nhu cầu cấp thiết về nghiên cứu, phát triển và thúc đẩy kiểu dáng đẹp, hiệu suất kết cấu tuyệt vời, sử dụng tiện lợi, tốc độ xây dựng, kinh tế và hệ thống tòa nhà dân dụng hợp lý để thay thế kiến trúc hiện có.

Nhà ở kết cấu thép nhẹ dựa trên các thành phần thép kinh tế làm bộ xương chịu lực, sử dụng tấm áp lực hoặc vật liệu tấm làm lớp vỏ tường nhẹ và bu lông cường độ cao và các đầu nối và vật liệu bịt kín khác sẽ là các thành phần chịu lực, các thành phần bao che tòa nhà như lớp nhà ở lắp ghép tại chỗ [1]. Có thể thấy rằng vật liệu xây dựng chính cho nhà ở kết cấu thép nhẹ là thép nhẹ mạ kẽm làm thành phần kết cấu chính, lợi thế quan trọng nhất khi sử dụng vật liệu này là bạn có thể đảm bảo tính chất nhà ở tốt, nhưng cũng có thể đảm bảo rằng ngôi nhà được xây dựng có trọng lượng chết nhẹ, mức độ chế tạo sẵn cao, tốc độ thi công, cường độ lao động nhỏ của những lợi thế [2,3]. Nhà ở kết cấu thép nhẹ so với truyền thống trước đây có những ưu điểm sau: kết cấu ổn định; chi phí thấp; nhịp nhà biệt thự kết cấu thép nhẹ hơn so với nhịp nhà bê tông; khả năng chống ăn mòn của thép mạ kẽm khi sử dụng có thể tuyệt vời, bền, tuổi thọ sử dụng dài. Tuy nhiên, nhà ở thép nhẹ ở Trung Quốc vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Vẫn còn một số vấn đề nghiêm trọng trong quá trình thiết kế nhà ở cần nghiên cứu thêm. Để đạt được mục đích này, bài báo này phân tích và so sánh nhà ở bằng thép nhẹ, giới thiệu đặc điểm của nhà ở bằng thép nhẹ trong và ngoài nước, đồng thời đưa ra một số đề xuất hợp lý.

Bài báo được tổ chức như sau. Phần 2 mô tả đặc điểm của nhà thép nhẹ ở nước ngoài. Phần 3 mô tả sự phát triển hiện tại của thép nhẹ Trung Quốc và đặc điểm nhà ở dân dụng bằng thép. Kết luận được đưa ra trong phần cuối.

II. NHÀ THÉP NHẸ Ở NƯỚC NGOÀI

A. Nhà thép nhẹ Bắc Mỹ Nhà thép nhẹ Bắc Mỹ là kết cấu bằng gỗ với đặc điểm kết cấu bằng gỗ nhẹ. Trong thị trường nhà ở Bắc Mỹ, chúng chiếm 20% thị phần [4]. Bộ khung nhà chủ yếu là hệ thống keel thép hình chữ C được tạo hình nguội và thường là nhà biệt thự một đến hai tầng được xây dựng ở những nơi có tần suất động đất cao ở California và các khu vực khác. Một số nhà thép nhẹ ở Bắc Mỹ được đưa ra trong Hình .1.

Trên thực tế, hệ thống thép nhẹ này đã rất phát triển ở Bắc Mỹ. Hiện nay, họ có thể xây dựng tòa nhà dân dụng nhiều tầng bằng kỹ thuật này từ năm lớp đến sáu lớp. Điều đáng nói là phần nghiên cứu tích cực nhất ở Hoa Kỳ là về kết cấu thép cán nguội. Lý do cho điều này là sự mở rộng của ngành công nghiệp hỗ trợ, đặc biệt là trong lĩnh vực nhà ở gia đình riêng lẻ và chi phí gỗ tăng cao. Do đó, nhà khung thép ngày càng trở nên kinh tế hơn [5]. Pekoz [6] nêu rằng tại Hoa Kỳ, có khoảng 500 ngôi nhà được xây dựng bằng thép khổ nhẹ vào năm 1992. Con số này tăng lên 15.000 vào năm 1993 và 75.000 vào năm 1994. Ước tính đến năm 2002, con số này sẽ tăng gấp năm lần nữa. Các thành phần khung chính cho hình thức xây dựng này là các thanh tường và dầm sàn bằng thép cán nguội. Các vì kèo hoặc xà nhà bằng thép khổ nhẹ cũng được sử dụng. Hiện tại, Hoa Kỳ đã sản xuất hệ thống keel như vậy cho một trăm công ty. Trong số đó, công ty nổi tiếng là công ty Dietrich, công ty con của Công ty Công nghiệp Worthington. Họ đã phát triển hệ thống DBS để xây dựng nhà thép nhẹ nhiều tầng [4]. Sử dụng hệ thống công nghệ DBS có thể xây dựng kết cấu thép nhẹ nhà ở nhiều tầng. Tường của nó sử dụng tấm thạch cao kênh C ở cả hai mặt và sàn sử dụng ke thép nhẹ loại C đặt tấm xi măng sợi dày 20mm và được lấp đầy bằng miếng đệm cách nhiệt bằng bông thủy tinh, tạo hiệu ứng âm thanh. Ở Hoa Kỳ, các tiết diện chữ C được tạo hình nguội thường được sử dụng làm thành phần giàn mái [7]. Trên thực tế, các hình dạng xà gồ ban đầu là các kênh có mép đơn giản và các tiết diện Zed. Kênh đơn giản đã phát triển thành Multibeam Marks I, II và III, sau này có mép kép. Có thể thấy xu hướng tương tự trong quá trình phát triển của Zed thành các hình dạng Zeta và Ultrazed, như thể hiện trong Hình .2[6]. Các thành phần được tạo hình nguội có thể được sản xuất theo nhiều dạng tiết diện khác nhau. Các thành phần được sử dụng phổ biến nhất là các kênh C và các tiết diện Z được thể hiện trong Hình .3[10]. Loại thép nhẹ này ở Bắc Mỹ tồn tại ở dạng nhà riêng hoặc nhà chung cư vì khả năng cách âm kém. Để chống lại tải trọng gió ngang và tác động động đất, hệ thống nhà ở kết cấu thép nhẹ đa năng của Hoa Kỳ có hai loại phương pháp: sử dụng tường chịu lực nhẹ bằng thép hoặc kết cấu hỗ trợ khung thép chéo. Tường chịu lực nhẹ bằng thép thường được bố trí trong hộ gia đình, sử dụng thép tấm mạ kẽm Mông Cổ 0,5 mm trong tấm thạch cao, sau đó cố định trên các thanh thép nhẹ trên tường, tương tự như sự hình thành ứng suất cắt trong kết cấu da, giữa mỗi lớp có một thành phần đặc biệt của tường chịu lực để kết nối các tầng trên và dưới để truyền lực cắt và lực căng theo chiều ngang một cách hiệu quả do lực ngang tác động lên các thanh tường tạo ra. Trong vùng động đất, để đảm bảo an toàn cho kết cấu, giá đỡ của Cape có hình chữ thập được sử dụng làm kết cấu khung thép chịu lực ngang để tạo thành hệ thống kiến trúc lai, trong đó thép nhẹ chịu được tải trọng thẳng đứng và thép thông thường chịu được tải trọng ngang. Để đảm bảo hiệu quả cách nhiệt của tường, ngoài các thanh tường được lấp đầy bằng sợi thủy tinh, một lớp cách nhiệt trên vật liệu tường bên ngoài được dán. Sử dụng phương pháp này có hiệu quả cắt đứt cầu nhiệt từ các thanh tường đến tấm tường.

B. Xây dựng nhà ở bằng tấm thép tại Nhật Bản

Do Nhật Bản là vùng dễ xảy ra động đất và thép nhẹ có đặc tính tốt về tác động địa chấn nên thép nhẹ được ưa chuộng tại địa phương. Theo đặc điểm riêng của mình, Nhật Bản xây dựng nhà thép nhẹ, cụ thể là nhà thép tấm, như thể hiện trong Hình .4 bên dưới [8,9]. Cấu trúc này sử dụng quy trình xây dựng mới, tức là sử dụng kết hợp thép mạ kẽm cán nguội không hàn, còn được gọi là Thép 2 × 4, là một nghề thủ công dân dụng có cấu trúc gân tấm. Cấu trúc là một dạng kiến trúc từ Bắc Mỹ trước đây. Tấm tường và sàn được xây dựng bằng cách sử dụng gỗ làm từ hộp. Tuy nhiên, trong nhà thép tấm, vật liệu tấm được thay thế bằng thép có độ dày khoảng 1,0 mm. Ở hai mặt, tấm thạch cao nhẹ được gắn vào. Bằng phương pháp này, hiệu suất tổng thể của cấu trúc như ổn định, độ bền, cách nhiệt, cách âm, v.v., đã đạt được.

Trên thực tế, tòa nhà kết cấu thép tấm này là một công trình kết hợp các điểm mạnh và lợi thế của quy trình thép và gân tấm. Các thí nghiệm của các đơn vị xây dựng đã chứng minh rằng nó có các đặc tính hiệu suất tuyệt vời như khả năng chống động đất, hiệu suất tải trọng gió và hiệu suất tải trọng chống tuyết. Năm 2003, vật liệu xây dựng của Nhật Bản đã thay đổi từ gỗ sang keel thép mỏng. Hướng đến các đặc điểm kiến trúc, quy định xây dựng tại Nhật Bản, hướng dẫn đặc biệt khi xây dựng, hệ thống chữa cháy tự động và hệ thống xả tự động, trang trí nội thất làm giảm sự truyền nhiệt trong nhà giữa các bức tường.

C. Tòa nhà dân cư tiết kiệm năng lượng ở Châu Âu

Đức bắt đầu triển khai thông số kỹ thuật năng lượng xây dựng mới từ năm 2002 [9]. Cốt lõi của nó là định lượng mức tiêu thụ năng lượng. Mức tiêu thụ năng lượng của mỗi ngôi nhà được yêu cầu cung cấp các tính toán năng lượng xây dựng cho các cơ quan có thẩm quyền khi cần thiết tài liệu nhà ở. Nó có tác động lớn đến sự phát triển nhà ở và thị trường vật liệu xây dựng của đất nước. Trong các tòa nhà dân cư tiết kiệm năng lượng, Thụy Điển sử dụng năng lượng tái tạo ở mức có thể, bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt và các nguồn năng lượng khác, và tích hợp các công nghệ này. Tóm lại, các nước châu Âu tập trung nhiều hơn vào nghiên cứu hiệu quả năng lượng và tòa nhà xanh. Hiện nay, các thành phần thép cán nguội có thể được lắp ráp nhanh chóng và chính xác thành các đơn vị kết cấu hoàn chỉnh để giao đến công trường. Tại Vương quốc Anh, hầu hết các khách sạn và nhà nghỉ ngoại thành hiện được xây dựng theo cách này. Ngành xây dựng của Vương quốc Anh hiện sử dụng hơn 300.000 tấn sản phẩm thép cán nguội hàng năm và tỷ lệ tiêu thụ này đang tăng đều đặn [10].

III. NHÀ THÉP NHẸ Ở TRUNG QUỐC

A. Tình hình phát triển nhà thép nhẹ

Trong một thời gian dài, xây dựng nhà ở chủ yếu là bê tông ở Trung Quốc. Nó không còn phù hợp với chủ đề về các tòa nhà xanh ngày nay vì nó cần vật liệu lớn và thời gian xây dựng dài. Vì Trung Quốc là nước sản xuất thép lớn nhất thế giới kể từ năm 1996, như thể hiện trong Hình 5, chính quyền tiểu bang đã bắt đầu khuyến khích sử dụng thép trong ngành công nghiệp xây dựng dân dụng. Với ngành chế biến thép xây dựng ngày càng phát triển, xây dựng kết cấu thép ở Trung Quốc đã bước vào giai đoạn phát triển tốc độ cao [11]. từ kết cấu bê tông đến tòa nhà thép thông thường và từ tòa nhà thép thông thường đến kết cấu thép nhẹ. Phát triển nhà ở bằng thép không theo đuổi công nghệ tiên tiến và các công cụ đặc biệt mà nên tập trung vào công nghệ nhà ở trưởng thành, tích hợp và thiết thực như các nước châu Âu. Trong quá trình hội nhập, chìa khóa là cấu trúc chi tiết và sự hội tụ lẫn nhau.

Vì các thành phần thép nhẹ dễ dàng được sản xuất tại nhà máy với mức độ cơ giới hóa cao, mức độ thương mại hóa cao và tốc độ thi công nhanh tại công trường. Và nó không ảnh hưởng đến cư dân gần đó và việc xây dựng nền văn minh được ưa chuộng rất cao. Thép nhẹ là sản phẩm phát triển bền vững, thân thiện với môi trường và các chỉ số kinh tế toàn diện của nó không cao hơn kết cấu bê tông cốt thép. Do đó, trọng lượng nhẹ, hiệu suất địa chấn tốt của tòa nhà thép nhẹ phải trở thành xu hướng chính trong ngành xây dựng. Bây giờ, tòa nhà đang trải qua quá trình chuyển đổi

B. Đặc điểm của nhà thép nhẹ

Thép nhẹ ban đầu là một khái niệm mới. Với sự cải thiện mức sống của người dân, nó dần đi vào cuộc sống của mọi người. Tại một số thành phố lớn của Trung Quốc như Bắc Kinh, Thượng Hải và các nơi khác, tòa nhà dân cư có kết cấu thép nhẹ đã được thành lập bằng cách du nhập công nghệ từ Bắc Mỹ và Nhật Bản vào Trung Quốc. Hiện nay, hầu hết nhà ở bằng thép nhẹ ở Trung Quốc đều thuộc loại nhà ở tiết kiệm năng lượng nhẹ sử dụng kết cấu khung thép, tường nhẹ, sàn nhẹ, hệ thống kết cấu mái nhẹ. Sử dụng thép hàn dầm chữ H thông thường, phần nhỏ dầm chữ H cán nóng hoặc thép tiết diện thẳng và kết hợp hệ số lực ngang của tường chống định hình, có thể xây dựng kết cấu nhiều lớp. Và nó phù hợp với hệ thống thông số kỹ thuật hiện tại của chúng tôi và đáp ứng các yêu cầu về động đất [9]. Năm 2011, Trung Quốc đã ban hành và thực hiện "quy chuẩn kỹ thuật xây dựng nhà thép cán nguội cấp thấp", kết hợp hệ thống keel thép cán nguội ở Bắc Mỹ và thúc đẩy hệ thống keel này. Trong quá trình thiết kế sử dụng thép cán nguội kênh C và thép hình chữ U, tường chịu lực bao gồm cột, dầm dẫn hướng trên và dưới, dầm dẫn hướng, giá đỡ, thanh giằng và thanh chống, tấm tường và các thành phần kết cấu khác [12], như thể hiện trong Hình .6 bên dưới. Mặc dù có các quy định của các thông số kỹ thuật có liên quan, nhưng kết cấu này vẫn chưa được ưa chuộng rộng rãi. Mặc dù kết cấu thép nhẹ có một số ưu điểm, ví dụ như trọng lượng nhẹ, hiệu suất chịu động đất tuyệt vời, thời gian thi công ngắn, độ ổn định của kết cấu và các đặc điểm khác, nhưng nó cũng có một số vấn đề cần được giải quyết thêm, chẳng hạn như tiếng ồn lớn và khả năng chịu lửa kém. Thời gian thi công ngắn này của tòa nhà hiện không được mọi người công nhận và độ an toàn và độ tin cậy của nó chưa được kiểm chứng.

Nhưng tòa nhà thép nhẹ này là xu hướng phát triển của kiến trúc Trung Quốc và cần nhiều nhà nghiên cứu hơn nữa nghiên cứu về tính an toàn, độ tin cậy và độ bền của nó. Nói một cách ngắn gọn, Trung Quốc đang ở giai đoạn đầu của các tòa nhà dân dụng nhẹ bằng kết cấu thép và còn một chặng đường dài phía trước. So với các nước phát triển, có rất nhiều câu hỏi và Trung Quốc vẫn còn thiếu rất nhiều. Nó cần được cải thiện và hoàn thiện liên tục [13].

C. Đề xuất và Chiến lược

Vì nhà ở kết cấu thép nhẹ có hiệu suất tốt, trọng lượng nhẹ, trình độ nhà máy cao, tốc độ xây dựng, cường độ lao động thấp, v.v., nó đã dần phát triển ở Hoa Kỳ và Châu Âu trong ba thập kỷ qua và đã tạo ra một bộ công nghệ rất trưởng thành. Hiện nay, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước luôn muốn di chuyển công nghệ nhà ở kết cấu thép nhẹ sang Trung Quốc, nhưng họ không có ý nghĩa. Lý do như sau:

1) Không có thông số kỹ thuật về thép nhẹ có hệ thống.

Mặc dù "quy chuẩn kỹ thuật kết cấu thép cán nguội" đã được ban hành vào năm 2011, nhưng hầu như không xem xét đến việc chế tạo các thành phần chịu lực chính có độ dày thép 2 mm trở xuống. Đối với hệ thống khung thép mạ kẽm sử dụng rộng rãi độ dày thành 0,8-1,6 mm ở nước ngoài, không có phân tích lý thuyết cũng như dữ liệu thực nghiệm có liên quan về kết cấu, điều này khiến việc thiết kế kết cấu thép nhẹ ở Trung Quốc trở nên rất khó khăn.

2) Toàn thể xã hội cần có một quá trình để chấp nhận hệ thống nhà ở mới này.

Mọi người vẫn còn rất lạ lẫm với loại kết cấu này và họ vẫn chưa hiểu rõ về tính an toàn, ổn định, tiện nghi, v.v. của nó.

3) Chi phí dự án cao.

Vì công nghệ vẫn còn trong giai đoạn sơ khai, thiếu hụt công nhân lành nghề và nhu cầu về các thành phần thép nhẹ nhập khẩu từ nước ngoài dẫn đến giá nhà tăng cao. Để giải quyết các vấn đề trên, các khuyến nghị và chiến lược sau đây:

1) Để cải thiện thông số kỹ thuật của thép nhẹ, việc xây dựng một số dự án thí điểm sẽ làm cho khía cạnh này của công nghệ bị thiếu hụt. Các doanh nghiệp lớn đang thực hiện nghiên cứu trong lĩnh vực này nên được hỗ trợ.

2) Trên cơ sở xây dựng các dự án thí điểm và kinh nghiệm đã tích lũy, cần nắm bắt cơ hội để biên soạn các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật nhà kết cấu thép nhẹ tương ứng.

3) Sau khi tiêu chuẩn kỹ thuật được ban hành, hệ thống công nghệ phải được đưa vào các trường chuyên nghiệp như một nội dung giảng dạy.

4) Tiếp thu một số kinh nghiệm thành công của nước ngoài. Nghiên cứu khoa học hướng đến tình hình cụ thể. Các quốc gia nên có chính sách hỗ trợ nghiên cứu kỹ thuật này để kết cấu thép nhẹ từng bước được phổ biến. Thông qua phương pháp này, hy vọng nhiều người hơn sẽ nhận ra kết cấu này.

IV. KẾT LUẬN

Tóm lại, nhà ở nhiều tầng bằng thép nhẹ ở Trung Quốc có triển vọng phát triển tốt với ít vật liệu, ít ô nhiễm, thời gian thi công ngắn và phù hợp với xu hướng phát triển của kiến trúc trong nước. Nó sẽ trở thành một tình hình mới của các tòa nhà dân cư của Trung Quốc. Với việc ban hành các hướng dẫn kỹ thuật và thông số kỹ thuật của nhà ở bằng thép, nhà ở nhiều tầng bằng thép nhẹ cũng phải được phát triển hơn nữa. Bằng cách tiếp thu và cải tiến công nghệ hệ thống kết cấu thép nhẹ ở nước ngoài, tăng năng lực sản xuất và phát triển năng lực công nghệ thép, tôi tin rằng kết cấu thép nhẹ sẽ được sử dụng rộng rãi và phát triển ở Trung Quốc.