Sự Biến Chất Kết Cấu Của Sàn Rỗng:...

 Từ trang FB Trần Nguyên Duy Thịnh.

Sự Biến Chất Kết Cấu Của Sàn Rỗng: Từ Mô Hình Dầm Chữ I Lý Thuyết Đến Hệ Sàn Hai Lớp Không Cốt Đai Trong Thực Tế

Tóm tắt: Nền tảng lý thuyết của kết cấu sàn rỗng dựa trên sự mô phỏng thành một hệ lưới dầm chữ I trực giao, hiệu quả về mặt chịu uốn. Tuy nhiên, mô hình này phụ thuộc một cách sống còn vào hai giả định cơ bản: tính thẳng hàng của các sườn dầm và sự toàn khối của tiết diện. Bài báo này tiến hành phân tích cách các khiếm khuyết thi công phổ thông, đặc biệt là lỗi "lắp đặt hộp không thẳng hàng", đã phá vỡ cả hai giả định trên. Chúng tôi lập luận rằng, một khi các sườn dầm (bụng dầm) bị gãy khúc và trong bối cảnh thiết kế vốn đã không có cốt đai chịu cắt, kết cấu không còn làm việc như một hệ dầm chữ I nữa. Thay vào đó, nó biến chất thành một hệ sàn hai lớp – bao gồm hai bản bê tông mỏng trên và dưới – chỉ được liên kết yếu bởi các móc chữ C và sườn bê tông xiên vẹo. Hệ kết cấu mới này có khả năng chịu cắt cực kỳ yếu và có nguy cơ bị phá hoại giòn, đặt ra một thách thức an toàn nghiêm trọng, vượt xa các sai số tính toán trong mô hình quy đổi.

Từ khóa: sàn rỗng, tiết diện chữ I, không cốt đai, sàn hai lớp, lỗi thi công, phá hoại do cắt, an toàn kết cấu.

1. Đặt vấn đề

Hiệu quả lý thuyết của sàn rỗng được xây dựng trên một sự tương đồng thanh lịch: nó là một hệ lưới dầm chữ I làm việc hai phương. Tuy nhiên, sự thanh lịch của lý thuyết đang đối mặt với một thực tế thi công thô ráp. Trong khi các cuộc tranh luận học thuật thường tập trung vào việc tìm ra hệ số quy đổi chính xác, một câu hỏi nền tảng hơn lại thường bị bỏ qua: Liệu kết cấu được xây dựng ngoài thực tế có thực sự là một hệ dầm chữ I hay không? Bài viết này sẽ chứng minh rằng, các lỗi thi công phổ biến đang biến đổi bản chất của kết cấu, từ một hệ dầm thành một hệ sàn hai lớp nguy hiểm.

2. Mô Hình Lý Thuyết và Các Giả Định Bị Vi Phạm

Mô hình thiết kế của sàn rỗng có hai giả định ngầm nhưng tối quan trọng:

Giả định 1: Các sườn dầm thẳng và liên tục. Toàn bộ việc tính toán và phân phối nội lực đều dựa trên việc các bụng dầm chữ I phải tạo thành một hệ lưới thẳng, song song với các trục kết cấu chính.

Giả định 2: Tiết diện làm việc toàn khối. Lớp bê tông cánh trên, cánh dưới và bụng dầm phải được liên kết thành một khối duy nhất để có thể kháng lại các ứng suất uốn và cắt.

Tuy nhiên, thực tế thi công thường xuyên vi phạm cả hai giả định này.

3. Khiếm Khuyết Thi Công: "Bụng Dầm Gãy Khúc" và Sự Vắng Mặt Của Cốt Đai

Tài liệu kỹ thuật của chính các nhà cung cấp đã thừa nhận lỗi thi công chí mạng: "Hộp được lắp đặt không thẳng, không đảm bảo tiết diện của hệ dầm chìm chữ I trực giao"

Hệ quả hình học: Khi các hộp nhựa bị xô lệch, các sườn bê tông xen kẽ không còn là những đường thẳng. Chúng trở thành những trục dầm gãy khúc, xiên vẹo. Sơ đồ truyền lực lý tưởng bị phá vỡ hoàn toàn.

Sự vắng mặt của cốt đai: Một đặc điểm cố hữu trong thiết kế sàn rỗng là các sườn dầm hẹp này không được bố trí cốt đai chịu cắt dọc theo chiều dài của nó (cốt đai chỉ xuất hiện dưới dạng thép chống cắt, chống chọc thủng ở các khu vực đặc quanh cột). Toàn bộ khả năng chịu cắt của "bụng dầm" phụ thuộc vào sự toàn khối, cường độ của vật liệu bê tông và vài móc C liên kết 2 lớp sàn.

4. Sự Biến Chất Kết Cấu: Hệ Sàn Hai Lớp Thép

Khi một hệ kết cấu có các bụng dầm gãy khúc và không có cốt đai, nó không còn có thể được xem là một hệ dầm chữ I nữa. Nó đã biến chất về mặt cấu trúc thành một hệ sàn hai lớp.

Cấu tạo: Hệ này bao gồm hai bản bê tông mỏng (tương ứng với lớp thép trên và lớp thép dưới). Hai bản này được liên kết với nhau một cách yếu ớt bởi các sườn bê tông khuyết tật về hình học.

Ứng xử chịu lực: Trong hệ kết cấu này, hai lớp sàn có xu hướng làm việc gần như độc lập với nhau. Khả năng kháng mô men uốn tổng thể bị suy giảm nghiêm trọng.

Nguy cơ phá hoại do cắt: Đây là rủi ro lớn nhất. Vì không có cốt đai và các sườn bê tông liên kết đã bị suy yếu do gãy khúc, khả năng chống lại lực cắt theo phương đứng của hệ là cực kỳ thấp. Lực cắt sẽ gây ra các vết nứt xiên tại các sườn dầm và có thể dẫn đến sự trượt phá hoại giữa hai lớp sàn, gây sụp đổ đột ngột mà không có dấu hiệu báo trước.

5. Kết luận và Kiến nghị

Bài viết này đã chỉ ra rằng, sự kết hợp giữa lỗi thi công phổ biến (lắp đặt hộp không thẳng hàng) và một đặc điểm thiết kế cố hữu (không có cốt đai trong sườn dầm) đã làm biến chất kết cấu sàn rỗng từ một hệ dầm chữ I lý thuyết thành một hệ sàn hai lớp nguy hiểm trong thực tế.

Sự an toàn của công nghệ này không chỉ bị đe dọa bởi các sai số trong mô hình quy đổi, mà còn bị tấn công ngay từ bản chất kết cấu được hình thành trên công trường. Từ phân tích trên, chúng tôi kiến nghị:

1.  Cần phải xem xét lại một cách cơ bản mô hình tính toán: Các mô hình quy đổi hiện nay vẫn giả định một kết cấu lý tưởng. Cần có những nghiên cứu sâu hơn để đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu lực khi có các sai lệch thi công hình học.

2.  Tăng cường các yêu cầu về cấu tạo: Cần nghiên cứu các giải pháp cấu tạo bổ sung, chẳng hạn như các thanh thép nối theo phương đứng (dù không phải cốt đai đầy đủ) trong các sườn dầm để tăng cường liên kết giữa hai lớp sàn, nhằm ngăn chặn sự phá hoại giòn do cắt.

Nếu không giải quyết được mâu thuẫn giữa một bản vẽ lý tưởng và một thực tế thi công đầy khiếm khuyết, chúng ta đang chấp nhận một rủi ro mà không một hệ số an toàn nào có thể bù đắp được.

Trần Nguyên Duy Thịnh: Bài Học Eindhoven Và Sự Thật Của Những Vết Nứt

Trong bối cảnh xã hội hiện nay, một cuộc tranh luận kỹ thuật gay gắt đã nảy sinh, phản ánh một cuộc khủng hoảng niềm tin sâu sắc.

Một bên là đại diện của đơn vị thi công/cung cấp sản phẩm, đưa ra kinh nghiệm thực tế làm bằng chứng. Họ tuyên bố đã thực hiện "một năm gần trăm dự án" với các nhịp lớn (lên tới 16m) sử dụng công nghệ sàn rỗng (sàn hộp). Mấu chốt trong lập luận của họ là một lời thừa nhận đáng báo động: "Sự cố thì thiếu gì, đa số là nứt và rỗ sàn", nhưng ngay lập tức được trấn an bằng cam kết "mà xử lý hết rồi". Quan trọng nhất, họ bác bỏ tuyệt đối nguy cơ nghiêm trọng nhất: "chứ bảo phá hoại giòn sụp đổ đột ngột... thì không có chuyện đấy nhé".

Bên còn lại, đại diện cho tiếng nói phản biện, đã dựa trên lý thuyết kỹ thuật cơ bản. Họ chỉ ra rằng, việc "sườn không có đủ thép chống cắt" vốn dĩ "có nguy cơ dẫn đến phá hoại giòn". Họ đặt ra một câu hỏi nền tảng: Phải chăng lời cam đoan thực tế kia đang đi ngược lại "những gì đã được dạy ở các trường kỹ thuật"?

Cuộc tranh luận này không còn là về bê tông. Đây là cuộc đối đầu giữa một bên là "Báo cáo Thực nghiệm" (chấp nhận vá lỗi) và một bên là "Nguyên tắc An toàn Căn bản" (không chấp nhận rủi ro hệ thống).

Để kiểm chứng hai luận điểm trên, chúng ta phải nhìn vào bằng chứng thực nghiệm. Trường hợp sụp đổ Gara P+R tại Sân bay Eindhoven, Hà Lan, cung cấp một dữ liệu bi thảm và chính xác.

Công nghệ được sử dụng tại Eindhoven (BubbleDeck) có cùng triết lý với sàn hộp: sử dụng các quả cầu nhựa rỗng để "tiết kiệm chi phí, trọng lượng và thời gian thi công". Đây chính là logic của "Báo cáo Kinh nghiệm" mà bên thi công đã bảo vệ.

Tuy nhiên, thảm họa đã xảy ra. Báo cáo điều tra chỉ rõ:

1.  Hiện tượng: Đã xảy ra một "sự sụp đổ dây chuyền" (progressive collapse). Đây chính xác là định nghĩa kỹ thuật của "phá hoại giòn" — thảm họa mà vị chuyên gia kia khẳng định là "không có chuyện đấy".

2.  Nguyên nhân gốc: "Thất bại về liên kết bê tông" (concrete bond failures)

3.  Tác nhân kích hoạt (Trigger): Một yếu tố mà mô hình dường như đã bỏ qua: "biến đổi nhiệt độ chênh lệch do mặt trời" (differential solar gain), vốn bị khuếch đại bởi chính đặc tính cách nhiệt của các quả cầu nhựa

4.  Vị trí sụp đổ: Thất bại xảy ra "dọc theo một khớp nối dọc", và đây cũng chính là "khu vực có mô men uốn dương tối đa" — tức là nơi chịu ứng suất và lực căng lớn nhất.

Việc đối chiếu dữ liệu Eindhoven với cuộc tranh luận trong nước mang lại một kết luận rõ ràng:

Thứ nhất, lời cam đoan "không có phá hoại giòn" là một sự tự tin nguy hiểm, đã bị thực tế quốc tế bác bỏ. Hệ thống sàn rỗng, về bản chất, có nguy cơ sụp đổ dây chuyền khi các điều kiện bất lợi hội tụ.

Thứ hai, và quan trọng nhất: Sự thừa nhận "nứt và rỗ sàn là chuyện thiếu gì" chính là lời thú nhận về sự tồn tại của "thất bại liên kết bê tông" (bond failures).

Lời bào chữa rằng các vết nứt đó đã "xử lý hết rồi" bỏ qua một sự thật khoa học: Anh có thể vá (xử lý) một triệu chứng bề mặt, nhưng anh không thể vá lại một sự mất liên kết (bond failure) đã xảy ra ở cấp độ cấu trúc bên trong.

Báo cáo Eindhoven cho thấy, một khi sự liên kết cơ bản đã thất bại (do thi công, thiết kế, hoặc vật liệu), toàn bộ kết cấu chỉ còn chờ đợi một "tác nhân kích hoạt" (như chênh lệch nhiệt độ) để sụp đổ tại điểm chịu ứng suất cao nhất.

Đây không chỉ là bài học về kỹ thuật; đây là bài học về niềm tin. Khi những kỹ sư thừa nhận rằng các vết nứt (triệu chứng của sự mất liên kết) là "chuyện thường ngày" - có thể vì áp lực "tiết kiệm chi phí và thời gian" —họ đã tự phá hủy cơ sở khoa học và lương tâm cho những lời cam đoan của chính mình.

Báo cáo của Hà Lan (TNO) kết luận rằng cần phải có "một sự liên kết đầy đủ hơn" (a more adequate bond). Đó cũng chính là điều xã hội yêu cầu. Chúng ta không thể đặt cược sự an toàn của mình vào một hệ thống chấp nhận "vết nứt" như một tiêu chuẩn, và chỉ hy vọng rằng sẽ không có một "cú sốc" bất ngờ nào kích hoạt thảm họa.