Về ứng dụng tiêu chuẩn cho kết cấu mái thép của sân vận động quốc gia Mỹ Đình I. Mở đầu Hiện nay nhu cầu sử dụng kết cấu thép có khẩu độ lớn và không gian lớn cho sự phát triển của các ngành xây dựng cầu, công nghiệp và dân dụng (sân bay, bến cảng, thể thao, trung tâm văn hoá, hội nghị…) ngày càng nhiều. Tại Việt Nam, việc phải thiết kế, gia công, chế tạo và lắp dựng các kết cấu thép này đặt ra cho những người đang hoạt động xây dựng nhiều thách thức trong việc quản lý chất lượng và tiết kiệm chi phí. Qua một số năm ứng dụng các khung thép hình nhịp lớn chúng ta cũng đã phần nào có được những kinh nghiệm để hoàn thiện công trình, tiêu chuẩn làm cơ sở cho việc phổ biến áp dụng. Nhưng ở những kếy cấu thép dạng giàn mái không gian hay hỗn hợp có khẩu độ lớn thì còn nhiều vấn đề rất cần rất cần được nghiên cứu thấu đáo từ thiết kế tới gia công, chế tạo, thi công và nghiệm thu. Kết cấu mái thép của Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình là một ví dụ. Các tác giả bài viết này là những người đã vinh dự được tham gia trực tiếp vào quá trình từ xem xét, đánh giá thiết kế đến gia công, chế tạo và thi công lắp dựng, nghiệm thu kết cấu mái thép Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình. Do vậy, trong phạm vi bài viết này chúng tôi muốn đề cập đến vấn đề sử dụng tiêu chuẩn đối với kết cấu thép mái của Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình, để từ đó có một só ý kiến đề xuất trong lĩnh vực này. II. Các vấn đề cần xem xét. 1. Mô tả sơ bộ hệ kết cấu mái thép: Kết cấu mái thép gồm: Cột đèn, giàn thép, hệ dầm thép, cáp, tấm lợp. - Cột đèn đỡ mái: ф1219 x 19,1mm, cao 54m, trọng lượng 50 tấn/1 cột; - Giàn thép (big- span steel truss): dài 166m, nhịp 156m (khoảng cách 2 cột đèn), mặt cắt giữa giàn là 16mx12m (hình thoi), trọng lượng 400tấn, gồm: + Ống thép trên và dưới (up and down chord) có ф1016 x19,1mm; + Ống thép trái và phải có ф915 x15,9mm; + Ống thép ở giữa có ф457 x12,7mm; - Hệ dầm thép (steel meshwork): trọng lượng 650tấn: + Dầm dọc và cột dầm cong (longitude): ф711 x15,9mm; + Dầm ngang (latitude): ф610 x12,7mm; + Ống thép vuông: 200x300x6,4mm; - Cáp: ф5x55, ф 5x109. - Tấm lợp: Aucubond Như vậy tổng trọng lượng mái của khán đài khoảng: 2x50 + 400+650 = 1150tấn. Lưu ý là có ống thép vuông trong hệ kết cấu, đây là vấn đề dẫn đến phức tạp sau này. 2. Về thiết kế 2.a. Về tiêu chuẩn thiết kế: Tư vấn thiết kế nước ngoài sử dụng tiêu chuẩn của Việt nam (về tải trọng), Mỹ (về động đất), Trung Quốc (tiêu chuẩn thiết kế, quy phạm thi công và nghiệm thu kết cấu thép), Ban quốc tế nghiên cứu phát triển kết cấu ống – CIDECT (Design Guide for Circular Hollow Section Joints). Dù tại thời điểm đó các tiêu chuẩn của Trung Quốc (TCTQ), tài liệu của CIDECT và các tài liệu liên quan khác chưa được cho phép áp dụng tại Việt Nam. Theo tính toán của tư vấn thiết kế thì tải trọng gió tác động vào kết cấu mái là chủ yếu và nguy hiểm hơn tải trọng động đất, TCTQ có quy định về những trường hợp không tính tải trọng động đất và thiết kế đã sử dụng TCTQ trong trường hợp này để bỏ qua tải trọng động đất của hệ kết cấu mái. Thiết kế cũng không tính tải trọng nhiệt độ, tư vấn thiết kế giải thích hệ kết cấu mái tự đảm bảo khả năng biến dạng nhiệt. 2.b. Vật liệu chính đều từ Trung Quốc 1 Vật liệu và xuất sứ Tiêu chuẩn - Thép, sơn, hàn: Trung Quốc - Cáp ứng suất trước: Trung Quốc - Alucubond: Trung Quốc - Băng dính, keo: mua từ các hãng - TCTQ - TCTQ - TCTQ, DIN - Chỉ tiêu kỹ thuật của nhà sản xuất 2.c. Về phần mềm: - Tư vấn thiết kế: + Sử dụng phần mềm LARSA để tính toán nội lực; + Tính toán thiết kế các nút sử dụng tài liệu của CIDECT; + Tính toán động lực sử ụng phần mềm của Anh (CFX) - Nhà thầu của Trung Quốc thi công phần căng cáp ứng suất trước sử dụng SAP2000 để tính toán phân tích kết cấu tép mái ở từng giai đoạn căng cáp. Ở đây tư vấn thiết kế đã khôn khéo sử dụng kinh nghiệm của nhà thầu thi công trong việc tính toán xử lý căng cáp tại hiện trường. Việc xử lý số liệu khi căng cáp chúng tôi cũng không được rõ. Về phần mềm sử dụng cũng cần được quan tâm,ví dụ như phần mềm SAP không phải là chuyên dùng và tiện lợi cho kết cấu thép như STAAD. Các phần mềm như: SAP, STAAD, LARSA chưa có thiết kế các nút liên kết bằng thép ống. Việc phải thí nghiệm mô hình các mút liên kết của kết cấu mái thép cũng một phần do chưa có phần mềm tính toán thiết kế các loại nút, cũng như thiết kế nút thực tế không thể hoàn toàn theo mẫu nút chuẩn đã có trong các tiêu chuẩn hay tài liệu. 2.d. Mô hình tính toán: Đặc điểm hệ kết cấu mái: + Được đặt trên mặt bằng rộng, bằng phẳng ; + Dùng 2 cột đèn chịu tải trọng chính + Hệ dây cáp kết hợp. + Nút liên kết thép ống. + Có một số nút liên kết chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán. Đây là hệ kết cấu hiếm được sử dụng trên thế giới, ngay tư vấn thiết kế cũng đánh giá đây là dạng kết cấu hỗn hợp mới, kết cấu mái Sân vận động Quốc guia Mỹ Đình được làm theo thiết kế kiến trúc của Úc. Thêm nữa các nút là liên kết của thép ống cũng ít sử dụng (tiêu chuẩn Trung Quốc chưa đầy đủ) nên thiết kế đã phải sử dụng tài liệu của CIDECT để tính toán thiết kế chi tiết các nút, tuy nhiên vẫn có một số nút chưa có trong tài liệu (CIDECT có một số nút điển hình:K, Y, T, X…). Do các yếu tố nêu trên (về phần mềm tính toán, đặc điểm hệ kết cấu…) mà tư vấn thiết kế đã phải thực hiện một số thí nghiệm tại Thượng Hải =. (1)Thí nghiệm ống khi động trên mô hình gồm 2 thí nghiệm: thí nghiệm 1 để xác định ảnh hưởng và đó áp lực gió lên kết cấu mái, dùng làm cơ sở tính toán kết cấu mái; Thí nghiệm 2 nghiên cứu sự phân bố gió trên mặt sân, phục vụ cho việc sử dụng sân khi thi đấu, có 26 bảng số liên quan. Mô hình thí nghiệm tỷ lệ 1:150. Tuy nhiên chúng tôi cũng chưa rõ tư vấn thiết kế đã sử dụng kết quả thí nghiệm trên mô hình như thế nào để xác định tải trọng gió lên kết cấu. (2) Thí nghiệm thử tải một số nút phức tạp, tính toán khó chính xác, không phù hợp thực tế để kiểm tra, đánh giá lại thiết kế: Nút tang trống (vị trí liên kết các dầm thép nhịp 156m vào cột đèn) - thiết kế đơn giản hoá thành nút K để tính: Nút ít gặp- nút nối ống vuông với tròn và thí nghiệm với một số nút khác. Tư vấn thiết kế phân thành 11 loại nút. Nút thí nghiệm tỷ lệ 1:1 và 1:3. Phương pháp thí nghiệm là phá huỷ hoàn toàn. 3. Về gia, thi công lắp dựng: 3.a. Về gia công, chế tạo cấu kiện: 2 Như trên đã có khối lượng 1mái khán đài khoảng 1150tấn thép, 2 mái khán đài là 2300tấnthép Quá trình gia công thực hiện tại Thượng Hải, một số công đoạn thực hiện tại Quảng Châu sau đó chuyển về Thượng Hải.Vật liệu mà nhà máy gia công tại Thượng Hải phải nhập là khoảng 1200tấn thép, chiếm 50% khối lượng. Thực hiện teo dây chuyền vừa hiện đại, vừa thủ công: Cắt ống bằng tay và máy, dùng máy mài tay để gia công tin, phun cát, sơn và hàn. Các cấu kiện gia công chế tạo không quá 12m. Các mối nối đều là hàn đối đầu, có sử dụng lót. Toàn bộ quá trình gia công, chế tạo cấu kiện, kiểm tra siêu âm mối nối hàn đều thực hiện theo TCTQ. 3.b. Giải pháp thi công chính: - Các cấu kiện ống thép được gia công, chế tạo tại Thượng Hải – Trung Quốc và vận chuyển bằng đường thuỷ sang Việt Nam. - Lắp dựng hệ khung (cột, dầm) giàn giáo tạm bằng bê tông cốt thép (BTCT) lắp ghép, các cột BTCT được đặt vào vị trí có cột của khán đài. Trên hệ kết cấu BTCT này đặt hệ khung giàn giáo thép và sàn công tác, trên độ cao khoảng 24m. - Khuếch đại tiếp cấ kiện thép bằng liên kết hàn ở mặt đất, dùng cẩu đưa lên cao độ thiết kế và hàn, sơn phủ tại vị trí mối nối hàn. Trong toàn bộ quá trình khuếch đại này thì tải trọng của kết cấu mái (chưa lợp) do các kích, kệ giàn giáo tạm bằng thép và BTCT và cuối cùng là cột BTCT của khán đài chịu. - Sau khi khuếch đại xong ở các cao độ thiết kế thì hạ kích, tháo dỡ hệ giáo tạm. Tiếp đó là quá trình căng cáp ở 2 cột đèn đỡ mái, mỗi cột đèn cs 6 dây cáp, cuối cùng là lợp mái. Phương án căng kéo cáp được đánh giá là việc mới ở Việt nam, chúng ta chưa có kinh nghiệm, việc này hoàn toàn do nhà thầu Trung Quốc thực hiện. Ở mỗi giai đoạn lắp dựng mái, từng thời điểm căng cáp đều được đo đạc kiểm tra độ võng, độ nghiêng. Có thể thấy rằng, do thi công trên cao là chủ yếu nên công tác giám sát, nghiệm thu là hết sức vất vả, khó khăn. Để quản lý được chất lượng và tiến độ thì yêu cầu đầu tiên và có tính quyết định phải là năng lực, trình độ của nhà thầu thi công, nhà thầu thí nghiệm, kiểm định. Toàn bộ công việc chính thi công mái đều do nhà thầu Trung Quốc thực hiện. 4. Tóm tắt các tiêu chuẩn chính áp dụng cho phần kết cấu mái thép: Tư vấn Trung Quốc thiết kế Tư vấn thẩm tra vật liệu chính Gia công, chế tạo cấu kiện Lắp dựng Thí nghiệm kiểmđịnh Nhà thầu thi công chính Nghiệm thu Trung Quốc, TCVN2737- 95, UBC (Hoa Kỳ) CIDECT. Phần mềmchính: LARSA,SAP TCVN, API, Phần mềm chính: SAP Trung Quốc Trung Quốc, CIDECT(gia công tại Trung Quốc) Trung Quốc, TCVN Trung Quốc, TCVN, ISO Trung Quốc Trung Quốc, TCVN, ISO, Quy định của thiết kế (API: Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ, CIDECT: Ban quốc tế nghiên cứu phát triển kết cấu ống). Có thể thấy rằng với vật liệu, gia công chế tạo và lắp dựng đều của Trung Quốc thì việc phải sử dụng TCTQ cho kết cấu mái thép bắt đầu từ thiết kế là thoả đáng. Tuy nhiên các TCVN và TCTQ đều chưa có đầy đủ để áp dụng cho kết cấu mái thép này (đã phải sử dụng: ISO, CIDECT), và cũng phải dựa vào quy định của thiết kế để làm căn cứ nghiệm thu. Rõ ràng là khi thực hiện dự án đầu tư xây dựng việc lựa chọn phải áp dụng tiêu chuẩn của quốc gia hay tổ chức có đầy đủ và đồng bộ hoặc ngược lại là phải xem xét lựa chọn hệ kết cấu phù hợp, thoả mãn theo tiêu chuẩn Việt Nam không là một điều rất đáng được quan tâm sớm. III. Kết luận và kiến nghị: 3 Qua các vấn đề đã nêu trên đối với kết cấu mái thép Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình, để có thể quản lý được chất lượng và giá thành từ thiết kế đến thi công, nghiệm thu, chúng tôi thử kiến nghị phương tức áp dụng cho các công trình tương tự như sau: Sử dụng tiêu chuẩn có 2 phương án sau: + Phương án 1: Sử dụng toàn bộ tiêu chuẩn nước ngoài (TCNN) + Phương án 2: Sử dụng kết hợp tiêu chuẩn nước ngoài + Việt Nam.(TCNN+TCVN) (Việc sử dụng các tiêu chuẩn không phải là áp dụng tuyệt đối. Khi không có đầy đủ tiêu chuẩn thì đều sẽ phải sử dụng các tiêu chuẩn khác phù hợp, được cơ quan có thẩm quyền chấp thuận) Bảng so sánh, đánh giá giữa 2 phương án Phương án 1: TCVN Phương án 2: TCNN + TCVN 1. Về giá trị công trình - Có được công trình theo tiêu chuẩn áp dụng - Khó đánh giá công trình đạt tiêu chuẩn của quốc gia nào đó hay Việt Nam. 2. Về triển khai - Đạt được chất lượng, tiến độ. - Dễ cho việc đánh giá -Có thể chậm tiến độ - Khó đánh giá 3. Sử dụng trong thi công, nghiệm thu - Gặp một số khó khăn nếu áp dụng TCNN: về con người và tiêu chuẩn, địa điểm gia công, chế tạo - Không gặp nhiều khó khăn. Có phức tạp về việc tìm hiểu sự đúng đắn trong việc sử dụng bản vẽ thi công với bản vẽ thiết kế kỹ thuật. - Nếu TCVN+TCNN thì cơ hội làm thầu chính không nhiều 4. Biện pháp khắc phục - Cần yêu cầu cung cấp đầy đủ tiêu chuẩn liên quan. - Nếu cần thiết thì thành lập phòng LAS phục vụ riêng cho công trình này. - Giám sát tác giả là người của nước ngoài với 100% thời gian tại công trường - Chỉ cần cung cấp một phần. - Sử dụng các phòng LAS hiện có. - Giám sát tác giả theo quy định hiện hành. Kiến nghị: - Trong thời gian nước ta chưa có đầy đủ các tiêu chuẩn TCVN thì cũng cần nghiên cứu để lựa chọn một hoặc nhiều bộ tiêu chuẩn phù hợp và đáp ứng được với điều kiện Việt Nam để thông báo, hướng dẫn sử dụng cho các công trình trong nước, đặc biệt là những công trình xây dựng bằng vốn Ngân sách Nhà nước; - Nên sử dụng đồng bộ tiêu chuẩn của quốc gia hay tổ chức (tiêu chuẩn: thiết kế. gia công, chế tạo, thi công, thí nghiệm, kiểm định và nghiệm thu) cho cả quá trình tạo ra sản phẩm; - Ngay từ khi thiết kế sơ bộ phải xem xét, khảo sát và đánh giá được các vấn đề sau nhằm đảm bảo được chất lượng, giá thành và tiến độ của dự án: + Năng lực của các nhà thầu trong và ngoài nước tham gia vào công trình; + Vật liệu sử dụng có phù hợp điều kiện Việt Nam về chất lượng và giá thành, phù hợp với tiêu chuẩn sử dụng, khả năng của phòng LAS và khả năng sản xuất. - Có phòng thí nghiệm kết cấu để có thể thực hiện thí nghiệm và phân tích trên các mô hình chịu các tải trọng nước, gió, nhiệt độ, động đất… - Có hay không nhà máy gia công kết cấu thép lớn có khả năng đáp ứng các yêu cầu của công trình trong thời gian sớm nhất. (Nguồn: Tài liệu Hội thảo KH về kết cấu thép dùng trong xây dựng, 2006) 4 . Về ứng dụng tiêu chuẩn cho kết cấu mái thép của sân vận động quốc gia Mỹ Đình I. Mở đầu Hiện nay nhu cầu sử dụng kết cấu thép có khẩu độ lớn và không gian lớn cho sự phát triển của các. với kết cấu thép mái của Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình, để từ đó có một só ý kiến đề xuất trong lĩnh vực này. II. Các vấn đề cần xem xét. 1. Mô tả sơ bộ hệ kết cấu mái thép: Kết cấu mái thép. dạng kết cấu hỗn hợp mới, kết cấu mái Sân vận động Quốc guia Mỹ Đình được làm theo thiết kế kiến trúc của Úc. Thêm nữa các nút là liên kết của thép ống cũng ít sử dụng (tiêu chuẩn Trung Quốc