Tổng quan về nhu cầu tăng cường kết cấu

1.0 Giới thiệu

Trong hơn hai thập kỷ qua, ngành xây dựng chịu áp lực ngày càng lớn trong việc giảm tác động môi trường và tái sử dụng các công trình hiện hữu nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội và kinh tế ngày càng tăng — đặc biệt tại các khu vực đô thị, nơi có một lượng lớn công trình và cầu bê tông cốt thép đã đến hoặc vượt quá tuổi thọ khai thác, cần được sửa chữa, gia cường hoặc tháo dỡ. Ngoài lý do hết hạn sử dụng, một số nguyên nhân phổ biến khiến kết cấu bê tông hiện hữu cần được gia cường có thể kể đến:
• Thay đổi công năng hoặc mục đích sử dụng công trình.
• Mở rộng diện tích xây dựng.
• Xây thêm tầng tại khu vực đô thị đông đúc, nơi việc mở rộng theo phương ngang không khả thi.
• Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế mới.
• Phát hiện lỗi kỹ thuật hoặc thiếu sót trong thi công ban đầu.
• Khắc phục các vấn đề về độ bền do tác động của các nguy cơ như cháy nổ, động đất.
Việc lựa chọn giữa gia cường kết cấu hiện hữu hay phá dỡ và xây mới không phải lúc nào cũng đơn giản, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Tình trạng thực tế của kết cấu công trình, yêu cầu của chủ đầu tư, giá trị văn hóa, lịch sử hoặc ý nghĩa xã hội của công trình. Nếu các kỹ sư kết cấu xác định rằng công trình có thể được gia cường an toàn và hiệu quả, các nghiên cứu cho thấy phương án này có thể giúp rút ngắn thời gian thi công từ 15–70% (tính từ lúc dừng khai thác đến khi đưa công trình quay lại hoạt động) so với phương án phá bỏ và xây mới.
Ngoài việc tiết kiệm thời gian, phương án gia cường còn giúp giảm 10–75% lượng tài nguyên tiêu thụ, nhờ giảm khối lượng nhân công và vật liệu, từ đó giảm trực tiếp lượng phát thải carbon và tác động môi trường của công trình [1]. Đặc biệt, với chủ đầu tư, việc công trình sớm quay lại vận hành và chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn cũng là những yếu tố kinh tế quan trọng không thể bỏ qua.

2.0 Giải pháp gia cường kết cấu và quy trình lựa chọn phương án

Tuy nhiên, những tiềm năng tiết kiệm thời gian và chi phí kể trên phụ thuộc rất lớn vào năng lực của kỹ sư kết cấu trong việc lựa chọn giải pháp phù hợp và khả năng của nhà thầu, đơn vị thi công trong việc cung cấp và lắp đặt chính xác các giải pháp gia cường đáp ứng đúng các điểm yếu cục bộ và/hoặc tổng thể của công trình. Trong thực tế, hầu hết các dự án gia cường đều phải kết hợp nhiều giải pháp khác nhau. Một số phương án có thể bị loại bỏ do: Hạn chế về kiến trúc, công năng sử dụng hoặc hình dáng kết cấu, thiếu kinh nghiệm trong thiết kế hoặc thi công giải pháp gia cường đặc thù, không có sẵn thiết bị chuyên dụng phù hợp điều này khiến danh sách các phương án khả thi bị thu hẹp lại, và việc lựa chọn còn phải dựa trên ưu – nhược điểm riêng của từng giải pháp, bởi không có một phương án “vạn năng” nào có thể giải quyết tất cả vấn đề kết cấu một cách triệt để.
Thêm vào đó, nếu thi công sai kỹ thuật hoặc lắp đặt không đồng bộ, các giải pháp gia cường có thể làm tăng khả năng chịu lực của một vị trí nhưng lại gây suy yếu ở khu vực khác — một thực tế thường gặp trong các công trình cải tạo. Ví dụ điển hình cho vấn đề này sẽ được minh họa qua 2 trường hợp sau, gồm: Một tình huống tác động cục bộ và một tình huống ảnh hưởng đến toàn bộ hệ kết cấu
1. Cục bộ: Gia cường bản sàn bằng cách đổ thêm lớp bê tông tăng chiều dày, nhưng không tính toán đến tải trọng bổ sung truyền xuống các dầm chịu lực bên dưới.
2. Tổng thể: Bố trí mật độ lớn vách cứng chịu cắt (shear wall) tập trung ở một phía công trình. Tuy nhiên, điều này lại làm tăng nhu cầu chịu tải và nội lực ở phía đối diện.
Ở cấp độ cục bộ, các điểm yếu có thể xảy ra tại từng cấu kiện riêng lẻ như dầm, cột, sàn, tường hoặc móng — khi các cấu kiện này không đủ khả năng chịu lực để đảm bảo an toàn trước các tác động mới về tải trọng hoặc điều kiện khai thác. Các dạng thiếu hụt thường gặp gồm: thiếu khả năng chịu kéo, chịu nén, không đủ khả năng chịu uốn, cắt, chọc thủng hoặc xoắn hoặc không đáp ứng tiêu chuẩn khi tải trọng thay đổi. Các giải pháp gia cường cho từng cấu kiện đơn lẻ có thể bao gồm:
• Đổ bổ sung lớp bê tông phủ ngoài như minh họa trong Hình 1,
• Gia cố bằng thép khoan cấy,
• Bọc thép tấm bao quanh cấu kiện,
• Dán thép tấm hoặc gắn chìm gần bề mặt,
• Quấn sợi composite cường độ cao.
• Gia cường bằng neo dự ứng lực bên ngoài.


Gia cường ở cấp độ “tổng thể” thường nhằm giải quyết các vấn đề ảnh hưởng đến toàn bộ kết cấu như động đất, cháy, mỏi vật liệu, và tác động của gió. Các giải pháp phổ biến bao gồm:
• Vách chịu cắt bổ sung như minh họa trong Hình 2,
• Giằng thép.
• Cọc nhỏ bổ sung
• Hệ thống cách ly nền.
• Thiết bị hấp thụ năng lượng / giảm chấn

3.0 Gia cường các cấu kiện bê tông thiếu khả năng chịu cắt

Giả sử một tòa nhà trước đây dùng làm văn phòng nay chuyển đổi thành khu thương mại do thay đổi chủ sở hữu, lượng người ra vào tăng cao sẽ làm tăng tải trọng lên sàn, ảnh hưởng đến tất cả các cấu kiện chịu lực - bao gồm sàn, dầm, cột và móng. Sau khi kiểm tra, kỹ sư có thể nhận thấy rằng dầm không đủ khả năng chịu lực uốn và cắt hoặc trong một số trường hợp chỉ thiếu khả năng chịu cắt. Theo các tiêu chuẩn thiết kế phổ biến như Mục 6.2 trong EN 1992-1-1:2004 [2], khả năng chịu lực cắt của cấu kiện bê tông phụ thuộc vào sáu thông số chính sau:
1. Cường độ bê tông
2. Chiều rộng và chiều cao tiết diện
3. Chiều cao hiệu dụng đến lớp thép chịu uốn từ phía trên lớp chịu nén
4. Chiều dài nhịp
5. Cốt thép dọc
6. Cốt thép đai
Việc áp dụng nhiều giải pháp gia cường ở cấp độ “cục bộ” để cải thiện một hoặc nhiều trong số các thông số (1) đến (6) có thể nâng cao khả năng chịu lực cắt với mức độ khác nhau. Tuy nhiên, các giải pháp này sẽ phải đánh đổi về: Mức độ can thiệp vào kết cấu, chi phí thi công, khả năng thực hiện, các yếu tố khác liên quan đến điều kiện công trình
Một số giải pháp có thể không khả thi, ví dụ như việc tăng cường cường độ bê tông cho dầm hiện hữu thường rất khó thực hiện. Ngoài ra, việc thêm cột phụ để giảm tải cho một dầm có thể làm tăng tải trọng lên các dầm khác và buộc phải tính toán lại để truyền lực xuống móng. Do đó, phạm vi các giải pháp khả thi để gia tăng các thông số (1) đến (6) có thể được tóm tắt trong Bảng 3.1.



Việc tăng trực tiếp lượng thép đai sẽ giúp gia tăng khả năng chịu lực cắt của cấu. Hiện nay trong ngành xây dựng, các giải pháp tăng thép đai bổ sung thường là ít can thiệp và hạn chế ảnh hưởng đến các cấu kiện khác. Ngược lại, với phần khả năng chịu cắt của bản thân bê tông, các giải pháp gia cường khác thường không mang lại khả năng tương xứng so với công sức và chi phí bỏ ra. Ngoại trừ phương án đổ thêm lớp bê tông phủ ngoài có thể giúp tăng khả năng chịu cắt đáng kể, nhưng đi kèm với những đánh đổi của riêng phương pháp đó.

4.0 Gia cường khả năng chịu cắt bằng thép khoan cấy



Giải pháp này được lắp đặt tương tự như bu lông hóa chất: Khoan lỗ theo chiều vuông góc với bề mặt bê tông đến độ sâu neo yêu cầu theo thiết kế, làm sạch kỹ lỗ khoan bằng chổi thép và dụng cụ thôi bụi, bơm keo Hilti HIT-RE 500 v4 vào lỗ khoan sau đó cấy thanh ren HAS(-U) vào lỗ, xoay đều để keo bám đều quanh thanh neo. Sau khi keo đông cứng đủ thời gian theo quy định, có thể siết đai ốc đến giá trị lực siết tối đa cho phép.
Lưu ý: Không được khoan cắt xuyên qua thép chịu uốn chính trừ khi điều này đã được tính toán trong thiết kế. Trong trường hợp bất khả kháng, việc khoan xuyên qua thép chịu uốn chỉ được thực hiện khi có phương án bù cốt thép và được kỹ sư phụ trách thiết kế phê duyệt bằng văn bản. Điều này nhằm tránh làm suy giảm khả năng chịu uốn và tính an toàn của cấu kiện.

5.0 Giải pháp gia cường mới chịu cắt khoan cấy “HIT-Shear”

Giải pháp gia cường mới chịu cắt khoan cấy Hilti HIT-Shear bao gồm các thành phần sau:



Giải pháp này kết hợp Hóa chất khoan cấy Hilti HIT-RE 500 V4 với thanh ren Hilti HAS, gồm các kích thước M12, M16, M20 và M24, với tùy chọn vật liệu thép cacbon và thép không gỉ (inox), phù hợp cho cả công trình trong nhà và ngoài trời. Phần thép của giải pháp được hoàn thiện với Hilti Filling Set, bao gồm: long đền cao su (sealing washer), long đền cầu (spherical washer), ê cu (nut), và ê cu khóa (locknut) (tùy chọn). Tất cả các phụ kiện này cũng có sẵn với cả thép cacbon và thép không gỉ, tương thích với từng đường kính thanh ren sử dụng trong giải pháp.
Tính linh hoạt của hệ thống này đến từ việc sử dụng loại hóa chất khoan cấy hiệu suất cao, cho phép ứng dụng trong bê tông:
• Có độ dày từ 200 mm đến 2200 mm,
• Có cường độ từ C20/25 đến C50/60,
• Bê tông khô hoặc bão hòa nước, thậm chí trong các lỗ khoan chứa đầy nước,
• Chịu được nhiệt độ tối đa ngắn hạn là +60°C và nhiệt độ dài hạn là +43°C,
• Áp dụng cho các cấu kiện chịu tải tĩnh, bán tĩnh và tải mỏi.
Mặc dù việc lắp đặt thanh ren vào cấu kiện bê tông có thể thực hiện từ cả hai phía, ví dụ như từ trên xuống hoặc dưới lên ở dầm hoặc bản sàn, một điểm đặc biệt của hệ thống là yêu cầu lắp đặt thanh ren với chiều dài cố định gọi là 𝑙𝑠𝑤.
Chiều dài này phụ thuộc vào độ dày cấu kiện, ℎ, và lớp bê tông bảo vệ còn lại, 𝑐𝑟𝑒𝑠, giúp ngăn ngừa hiện tượng bê tông bị nứt vỡ ở bề mặt đối diện với vị trí khoan. Lớp bảo vệ còn lại này thay đổi tùy theo đường kính thanh ren, như minh họa trong Hình 5. Về mặt thiết kế, chiều dài lắp đặt cố định này đảm bảo thanh ren được neo chắc chắn, tái tạo mô hình khung đai (truss model) tương tự như thép đai đổ sẵn trong bê tông.



6.0 Phạm vi áp dụng của giải pháp theo Chứng nhận Quốc gia Đức

Trong trường hợp chưa có Tài liệu Đánh giá Châu Âu (EAD) hoặc tiêu chuẩn Châu Âu (hEN) hiện hành, giải pháp gia cường chịu cắt cấy sau Hilti HIT-Shear đã được Viện Kỹ thuật Xây dựng Đức (Deutsches Institut für Bautechnik – DIBt) thẩm định về mức độ phù hợp cho ứng dụng gia cường này và cấp phép sử dụng dưới dạng “Giấy phép kỹ thuật xây dựng tổng quát” (aBG), mã số Z-15.5-383 [4].
Giấy phép này đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật quốc gia về công trình xây dựng theo quy định MVV TB (Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen) — là bộ quy định mẫu được áp dụng thống nhất tại cấp bang và liên bang ở Đức cho các quy phạm kỹ thuật xây dựng.

7.0 Chủ động thiết kế — làm chủ mọi giải pháp với PROFIS Engineering

Phần mềm thiết kế trên nền tảng đám mây PROFIS Engineering - nay tích hợp thêm module chuyên dụng giúp đánh giá và gia cường chịu cắt cho các cấu kiện bê tông thiếu khả năng chịu lực. Giải pháp này hỗ trợ kỹ sư kết cấu trong việc kiểm tra khả năng chịu cắt của cấu kiện hiện hữu và thiết kế phương án gia cường phù hợp, đảm bảo quy trình làm việc an toàn, hiệu quả và tối ưu chi phí. Module Gia Cường Chịu Cắt mới trong PROFIS Engineering cho phép:
• Lựa chọn loại cấu kiện: cột, dầm, sàn hoặc vách và khai báo thông số vật liệu cùng kích thước hình học.
• Kiểm tra khả năng chịu cắt hiện hữu của bê tông theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 + Phụ lục quốc gia hoặc SIA 262:2017 [5].
• Tính toán phương án gia cường với 4 tùy chọn đường kính thép gia cường bằng thép cacbon hoặc thép không gỉ, linh hoạt nhập khoảng cách thép và khoảng cách mép cấu kiện.
• Chia cấu kiện thành các vùng tính toán riêng và sử dụng phương pháp góc nghiêng thanh chống biến thiên (Variable Strut Inclination Method) để tối ưu khả năng chịu cắt với số lượng thép khoan cấy tối thiểu.
• Xuất báo cáo thiết kế chi tiết, đầy đủ kiểm tra điều kiện tính toán, chi tiết thép gia cường và hướng dẫn thi công cụ thể tại công trình



8.0 Kết luận
Việc cải tạo và tái sử dụng các công trình hiện hữu có thể mang lại nhiều lợi ích hơn so với xây mới, với mỗi công trình cần đáp ứng những mục tiêu cụ thể khi gia cường kết cấu. Dựa trên nguyên lý thiết kế được lựa chọn, kỹ sư kết cấu có thể xử lý các vấn đề thiếu khả năng chịu cắt của cấu kiện bê tông thông qua nhiều phương pháp khác nhau từ ít can thiệp đến can thiệp toàn phần. Một ví dụ điển hình là phương pháp gia cường chịu cắt bằng neo khoan cấy, sử dụng hệ thống thanh ren HAS(-U) kết hợp hóa chất khoan cấy Hilti HIT-RE 500 v4. Đây là giải pháp ít can thiệp nhiều đến kết cấu, nhưng giúp tăng cường đáng kể khả năng chịu cắt cho cấu kiện bê tông mà không ảnh hưởng đến kết cấu hiện hữu.
Giải pháp này đã được DIBt thẩm định và cấp phép sử dụng dưới dạng giấy phép kỹ thuật xây dựng tổng quát (aBG), cho phép kỹ sư sử dụng phương pháp tính toán quen thuộc dựa trên Eurocode 2, được tích hợp sẵn trong phần mềm Hilti PROFIS Engineering. Thông qua việc lựa chọn các tham số thiết kế chính như đường kính thanh ren, khoảng cách neo, và góc nghiêng biến thiên của thanh chống (variable inclined strut). Với giao diện trực quan, module Gia cường chịu cắt mới giúp kỹ sư tiết kiệm thời gian trong giai đoạn thiết kế, gia tăng giá trị cho chủ đầu tư và đồng thời đóng góp vào việc xây dựng công trình an toàn hơn, bền vững hơn.

Bắt đầu thiết kế ngay tại: https://profisengineering.hilti.com hoặc tìm hiểu thêm về phần mềm tại Trang chủ Hilti Việt Nam.

Tài liệu tham khảo
[1]. N. Addy, “Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, in Sustainable
Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, Ed., Abingdon, Routledge, 2015, pp. 57-73.
[2]. EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for
buildings”, Brussels: CEN, 2004.
[3]. K. S and G. Genesio, “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG,
Liechtenstein, Dec. 2023.
[4]. Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-383 - Hilti Querkraft-Verstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”,
DIBt, Berlin, 2024.
[5]. SIA, “SIA 262: Concrete Structures,” SIA, Zürich, 2017.