Độ lớn khẩu độ luôn có mối quan hệ chặt chẽ với chiều cao kết cấu, và không phải lúc nào cũng được áp dụng một cách hợp lý trong mỗi công trình. Tại các tòa tháp của Trung tâm Thương mại Thế giới tại New York (Mỹ) trước đây, với khẩu độ 20 m, khối tích kết cấu sàn giữa các tầng chỉ chiếm 25% tổng khối tích của tòan bộ công trình. Khi khẩu độ của sàn giữa các tầng từ 6 -10 m, khối tích sàn giữa các tầng không vượt quá 10% khối tích của tòa nhà.
Công nghệ xây sàn vượt nhịp cho các nhà cao tầng
Yêu cầu về độ bền và độ cứng của công trình sẽ hạn chế việc giảm chiều cao bản sàn giữa các tầng trong một tòa nhà khẩu độ lớn. Bởi vậy khi thiết kế các công trình dạng này, cần nghiên cứu kỹ các giải pháp hình khối để có thể tận dụng tối đa chiều cao bản sàn.
Tại London (Anh), hơn 50 năm trước, một cửa hàng bách hóa tổng hợp nhiều tầng đã được khánh thành; trong đó kho bãi, phòng hành chính, gian hàng dân dụng…đều được bố trí trong phạm vi chiều cao kết cấu các bản sàn được xây theo công nghệ sàn không dầm, chiều cao sàn 4 m và khẩu độ đạt 20 m. Công nghệ tương tự cũng được áp dụng trong việc xây dựng các tổ hợp thể dục thể thao nhiều tầng tại Moskva (Nga) những năm 1970. Các phòng thay đồ, phòng tập thể thao, bể bơi, phòng hành chính…cũng được bố trí trong phạm vi chiều cao sàn không dầm.
Trong công nghệ mới sàn không dầm, các trụ đỡ sẽ kiến tạo nội thất cho từng phòng, tương tự như các phòng trong một tòa nhà có khung (bằng thép hoặc bê tông cốt thép) thông thường. Việc tăng khẩu độ sàn dường như không hợp lý, bởi vì trong mặt cắt các trụ khi đó sẽ xuất hiện moment uốn lớn. Đứng về mặt kết cấu, ứng dụng công nghệ có dầm hợp lý hơn. Song, thực tiễn xây dựng tại nhiều quốc gia trên thế giới đã chứng minh một điều: so với bê tông cốt thép thông thường, sàn không dầm cho phép đạt tỷ lệ chiều cao lớn hơn. Thông thường, chiều cao của tầng nhà phụ thuộc vào kết cấu có dầm hay không có dầm. Nếu hệ kết cấu sàn không có dầm với bước cột lớn thì chiều cao tầng có thể giảm (hay cùng một chiều cao tòa nhà và cùng một số tầng thì chiều cao thông tầng tăng); đồng thời tính linh hoạt của không gian trong các tòa nhà sẽ cao hơn nhiều so với nhà có bước cột bé, hoặc nhà có bước cột lớn nhưng lại có dầm. Đặc biệt, với những tòa nhà có sử dụng hệ thống điều hòa không khí trung tâm, hệ kết cấu không dầm là giải pháp tối ưu – tính linh hoạt trong việc tổ chức không gian sống và làm việc được phát huy tối đa, do có thể cải tạo hoặc thay đổi tùy theo nhu cầu trong tương lai.
Cung Băng (Sochi, Nga) - công trình cao tầng vượt khẩu độ
Trong xây toàn khối, kết cấu tổ ong (hổng) thường được ứng dụng. Tổ hợp các tường ngang, tường dọc, vách ngăn liên kết với nhau và với các bản sàn phía trên và phía dưới trong phạm vi các tầng của một tòa nhà tạo nên kết cấu không gian chịu lực thống nhất. Ngoài ra, giữa các trụ đỡ, một không gian thông thoáng dành cho những gian phòng lớn hoặc những không gian mở cũng được thiết lập. Những tòa nhà được xây dựng theo kết cấu tổ ong luôn tiêu hao một lượng bê tông cốt thép xây tường ít hơn so với nhà có kết cấu dầm cột, bởi vì tòan bộ các tường - trừ những tường đóng vai trò là điểm chống đỡ - đều chỉ đảm nhiệm chức năng về mặt không gian, và chịu ít lực tác động hơn tại bất cứ độ cao nào.
Một số nhà thiết kế thiên về việc áp dụng sơ đồ thiết kế tổ ong, với các tường không chịu tải không trùng nhau theo độ cao tòa nhà. Trong trường hợp này có thể tăng kích thước các phòng gấp đôi mà không thay đổi độ dày bản sàn được ứng dụng trong hệ thống dầm cột; hoặc giảm độ dày bản sàn mà vẫn giữ nguyên kích thước căn phòng. Về nguyên tắc, trong hệ thống dầm cột, bản sàn chịu lục uốn trong phạm vi chu tuyến giữa tường dọc và tường ngang. Còn trong hệ thống tổ ong, bản sàn được cố định chắc thêm bằng các điểm chống đỡ của tường hướng tới tâm khẩu độ. Điều này giúp giảm lực căng của sàn, và đương nhiên, việc tiêu hao nguyên vật liệu cũng giảm theo. Nhìn chung, các kết cấu chịu lực dạng tổ ong có thể giúp giảm việc tiêu thụ bê tông cốt thép tới 50%.
Sân băng chính bên trong Cung Băng Sochi
Có thể tạo kết cấu tầng chịu lực bằng cách giảm số lượng các tầng tổ ong xuống 01; có nghĩa là có thể liên kết các kết cấu tổ ong và các tầng chịu lực để tạo một không gian thông thoáng tại bất cứ mức nào của một tòa nhà cao tầng. Có thể lấy tòa nhà chung cư dạng tháp tại Moskva làm ví dụ. Các căn hộ được bố trí theo chu vi tòa tháp; không gian bên trong - nhờ các tường chịu lực - được chia thành những tiểu không gian làm khu vui chơi của trẻ em, khu tập thể thao, sân vườn…Trong không gian của các tầng chịu lực là các phòng kỹ thuật, phòng dịch vụ,…
Việc áp dụng hệ thống kết cấu không dầm đối với khẩu độ lớn hơn 20 m (vượt khẩu độ) là hoàn tòan hợp lý.Gia tăng khẩu độ của hệ kết cấu này có thể bằng cách chuyển hệ thống thành dầm bản rỗng (giảm lỗ rỗng trong đó). Có thể tiếp tục giảm lỗ rỗng trong các thanh dầm để gia tăng khả năng chịu tải của dầm tường. Đồng thời, có thể tiếp tục tăng khẩu độ bằng cách gối tường chịu tải theo cả 4 phương. Trường hợp này, các thanh dầm tường sẽ đi về 2 hướng; các bản sàn trong phạm vi chu tuyến giữa tường dọc và tường ngang cũng cùng tham gia hệ thống, và như vậy, khẩu độ được tăng lên gấp đôi. Toàn bộ kết cấu tầng chịu lực như một tấm đệm chân không lớn.
Với những khẩu độ lớn (vượt nhịp), có thể ứng dụng hệ kết cấu bê tông cốt thép không dầm thay cho các thanh dầm. Đai của giàn thép được đổ bê tông thành tấm. Tương tự các dầm có thể tựa (gối) vào kết cấu giàn đan nhau theo 4 hướng. Khi đó, nếu độ cao tầng chịu lực là 5 m, không gian cỡ 100 x 100 m có thể được che phủ.
Bước cột hoặc dầm tường như nhau (đặc biệt về hai phía) thực sự sẽ hạn chế tính tự do trong các giải pháp quy hoạch trong phạm vi tầng chịu lực. Để thiết lập những căn phòng có diện tích khác nhau, bước cột hoặc dầm có thể được gia tăng bằng cách tiệm cận tới tâm khẩu độ; khi đó, diện tích các gian phòng tại tâm khẩu độ có thể lớn hơn (tới hai lần).
Để tăng bước của các dầm tường chịu tải hay cột, trong các khẩu độ giữa chúng cần bố trí các khung (giàn ) thép hoặc bê tông cốt thép hỗ trợ cho bản sàn phía trên và phía dưới tầng chịu lực có độ cao nhỏ hơn độ cao tầng (0,3 – 0,5m). Nếu các khung này được thực hiện dưới dạng cột (trụ đỡ), trong phạm vi chiều cao tầng, việc bố trí hệ thống điều hòa không khí rất phù hợp.
Trong quá trình xây dựng các nhà thấp tầng có khẩu độ lớn (chẳng hạn, các trung tâm thể thao), việc áp dụng sơ đồ các tầng chịu tải sẽ mang lại hiệu quả cao. Ví dụ: để giảm diện tích bên trong của công trình, có thể xây một tòa nhà 3 tầng với bể bơi lớn dưới tầng hầm. Tầng hai bố trí các phòng tập thể thao. Phòng thay đồ, phòng nghỉ được bố trí ở tầng một và tầng ba của công trình hê neo (các tầng này đóng vai trò là tầng chịu lực được bao che bởi bể bơi và các phòng tập).
Có thể mở rộng khẩu độ bằng cách tăng độ cao nếu có nhiều tầng được thống nhất trong một kết cấu chịu lực.Cung Băng tại thành phố Sochi (Nga) – tác phẩm của khoa Kiến trúc, Đại học Xây dựng Moskva là một ví dụ cho một công trình cao tầng vượt khẩu độ. Tầng một của công trình là sân băng chính với các khán đài sức chứa tới 18 nghìn người, được che bởi hai giàn mái có khẩu độ 100 m và chiều cao 19 m. Giữa các giàn này là 3 sân băng nhỏ để luyện tập. Khoảng cách giữa các giàn, giữa các giàn và tường ngoài cũng được che phủ bởi hệ kết cấu có dạng “tầng chịu lực”. Kết cấu này gồm các giàn cao 4 m, khẩu độ 40 m và bước cột 8 m, có thể che phủ toàn bộ các đai phía trên và phía dưới bằng các tấm bê tông cốt thép liền khối. Việc thiết kế các phòng tập ngay phía trên sân băng chính đã giúp tiết kiệm tới 1,5 ha đất (đúng bằng tổng diện tích 3 sân băng nhỏ dành cho việc luyện tập).
Nếu ứng dụng các bản sàn khẩu độ lớn, lượng nguyên vật liệu bị tiêu hao (tính trên 1m2 diện tích) luôn tăng, song có thể bù lại phần nào bằng giá trị của diện tích đất tiết kiệm được khi xây nhà cao tầng. Tuy nhiên, ở đây cần có các giải pháp về kết cấu để một hạng mục nào đó có thể kiêm nhiều chức năng. Chẳng hạn: bản sàn bằng bê tông cốt thép có thể đóng vai trò là sàn chịu nén của giàn bằng kim loại và bê tông cốt thép dọc theo khẩu độ, đồng thời kiêm chức năng tấm chịu uốn giữa các giàn ngang khẩu độ. Ngoài ra, nó còn có chức năng cách âm khá tốt.
Trong các tầng chịu lực và tầng tổ ong, các bản sàn đều chịu tác động uốn hoặc căng kéo khi tham gia vào tổng thể kết cấu không gian với khẩu độ lớn cơ bản. Tất cả các kết cấu chịu lực của tường và sàn đồng thời thực hiện chức năng quy hoạch hình khối, phân chia tòa nhà thành những gian phòng và diện tích cần thiết. Do đó, hiệu quả kinh tế của tòa nhà phụ thuộc rất nhiều vào việc: liệu các kiến trúc sư và công trình sư có thể kết hợp thành công các chức năng này với nhau hay không.
Kết cấu xây dựng được đề cập trên đây là yếu tố căn bản của dạng công trình cao tầng khẩu độ lớn, đang trở nên phổ biến trong những năm gần đây.
Tác giả: V.Biriukov
Tạp chí Xây dựng sinh thái (Nga)