Tweet
Bài 1: Một số kinh nghiệm trong công tác thiết kế kết cấu
Qua gần 40 năm làm công tác thiết kế kết cấu và tình hình thiết kế kết cấu hiện nay, tôi rút được một số bài học sống muốn trao đổi với các kỹ sư kết cấu trẻ nhằm nâng cao năng lực và tránh lặp lại những sai lầm đáng tiếc trong công việc:
Theo kế hoạch chúng ta thường thiết kế 3 bước:
- Thiết kế sơ bộ dự án
- Thiết kế kỹ thuật
- Thiết kế bản vẽ thi công
Sơ bộ là giai đoạn để kiến trúc hình thành tư duy thiết kế theo mục đích yêu cầu của chủ đầu tư. Giai đoạn này rất quan trọng đối với kỹ sư nhằm tìm hiểu thông tin về vật liệu cũng như địa chất công trình và địa chất thuỷ văn nơi xây dựng. Nếu tích luỹ được nhiều thông tin và phân tích kỹ về các phương án dự kiến sẽ đem lại hiệu quả thiết thực khi làm thiết kế kỹ thuật.
Giai đoạn thiết kế kỹ thuật thực ra là thực hiện các qui trình tính toán cụ thể cũng như thể hiện bản vẽ đủ chi tiết để chứng minh tính khả thi cũng như giá trị kinh tế của phương án là hợp lý.
Còn giai đoạn thiết kế thi công thực ra là công việc thể hiện chi tiết đầy đủ, ít phải suy nghĩ tính toán phức tạp.
Trong thực tế các chủ trì kết cấu không nhận thức đầy đủ ý nghĩa của 3 giai đoạn thiết kế trên. Thường ít quan tâm đến việc thu thập số liệu liên quan đến công trình. Đặc biệt là phần địa chất - thuỷ văn. Đôi khi tài liệu khảo sát được cấp không đầy đủ các thí nghiệm trong phòng như nén mẫu 3 trục, nén cố kết hoặc thiếu nhiều số liệu hiện trường như số liệu thử động trên chuẩn SPT, thử cắt cánh, nén ngang Menard. Đặc biệt là độ sâu khảo sát thường chỉ khảo sát dến độ sâu đặt cọc, thiếu cả một đoạn sâu từ dưới đấy cọc trở xuống. Do đó phương án thiết kế móng thường xa thực tế đôi lúc phải khoan khảo sát bổ sung ở giai đoạn thi công đại trà.
Có thể nói nhiều bạn trẻ chủ trì kết cấu còn mơ hồ nhiều về vai trò địa kỹ thuật trong thiết kế công trình, chưa thấy rõ mối tương quan giữa kết cấu phần thân và phần móng. Những vùng đất yếu dày thường nhạy cảm với lún trong môi trường nước ngầm thường xuyên biến động. Chúng ta thường tách hai nhiệm vụ tuy khác nhưng thực chất là một. Đó là kỹ sư địa chất và kỹ sư kết cấu. Chúng tôi cho rằng đã đến lúc phải nâng cao hiểu biết cho kỹ sư địa chất về tính chất đặc điểm kết cấu. Ngược lại kỹ sư kết cấu cần trau dồi về yêu cầu của địa kỹ thuật. Đó là vai trò thu thập thông tin về cơ cấu địa chất thuỷ văn và phân tích điều kiện địa chất để đề ra được giải pháp thiết kế móng hợp lý. Người ta đã tổng kết trong số 100% công trình bị hư hỏng thì có tới trên 50% là hư hỏng nền móng.
Ví dụ về báo cáo kết quả khảo sát chưa chính xác làm thay đổi về chiều dài cọc đóng giữa thiết kế kỹ thuật và thi công thực tế. Hậu quả là tổng kinh phí tăng hàng tỉ đồng (2003). Đó là một công trình ở tỉnh Hưng Yên (1) và một công trình ở Hải Phòng. Hai công trình này thay đổi chiều dài cọc một cách khó tưởng tượng.
Theo tài liệu khảo sát công trình (1) thiết kế đã quyết định chọn cọc đóng tiết diện 30 x 30 cm cọc dài 20 m đạt sức chịu tải tính toán là 45 tấn. Trong thực tế dựa trên đóng thử đã phải thay đổi chiều dài thiết kế là 20 m sang chiều dài thi công đại trà là 30 m.
Công trình thứ (2) tài liệu khảo sát chỉ đến độ sâu 17 m đã cho kết quả gặp đá. Qua đóng thử thì cọc đạt độ sâu 30, 36, 41 m mới gặp đá phong hoá.
Sai sót trên là do tài liệu khảo sát phi thực tế. Nguyên nhân là người viết đề cương khảo sát không phải là kỹ sư kết cấu, người khảo sát lại là quân “da đen”. Do đó báo cáo kết quả khảo sát không đạt yêu cầu. Song kỹ sư kết cấu không đánh giá quyết đoán loại trừ và cần bổ sung tài liệu địa chất khi bắt tay vào thiết kế kỹ thuật.
Một số ví dụ khác nhà ở cao tầng ở một khu đô thị mới ở Thanh Trì, Hà Nội. Theo yêu cầu của chủ đầu tư, các Công ty thiết kế cùng thiết kế các mẫu nhà trên mảnh đất có địa tầng phức tạp nhưng cùng chung 1 giải pháp là móng cọc đóng tiết diện 25 x 25, sâu 14 m mũi cọc tựa trên tầng cát chặt vừa, mỏng dưới đó là tầng đất yếu dày, yêu cầu sức chịu tải tính toán cọc đơn nén dọc trục là 45 tấn. Đã thí nghiệm nén tĩnh PTN = 90 tấn. Thí nghiệm cho kết qủa với PTN = 90 tấn độ lún cọc trên 40 mm > 10%B = 30 mm và độ lún dư 33 mm >độ lún dư cho phép 8 mm và sức chịu tải cọc đơn không dùng được 45 tấn mà chỉ thiết kế với tải cho phép 30 tấn. Phương án này có nhược điểm là số cọc nhiều và lâu dài rất có khả năng lún nhiều vì tầng đất yếu phía dưới bị ép và lún lâu dài.
Cuối cùng thiết kế đề nghị chủ đầu tư thay đổi quan điểm kinh doanh chỉ vì lợi nhuận mà quên sự an toàn. Phương án được chọn thay thế cọc 30 x 30 bằng cọc 40 x 40 cm, thay đổi độ sâu 14 m sang độ sâu 40 m và đạt tải trọng 120 tấn thay cho 30 tấn.
Những thí dụ trên cho ta bài học: cần hiểu biết sâu rộng hơn nữa về địa chất công trình nơi xây dựng. Đồng thời người kỹ sư phải tự tin và giám nói sự thật không sợ mất lòng. Thiết kế nền móng một phần dựa trên kinh nghiệm bản thân và kinh nghiệm những người đi trước. Hoàn toàn khác với kỹ sư kết cấu có thể dùng các chương trình phần mềm như ETABS, SAP2000 … nên rất ít gặp các sai sót quan trọng như thiết kế móng.
PGS. TS. Nguyễn Bảo Huân
Qua gần 40 năm làm công tác thiết kế kết cấu và tình hình thiết kế kết cấu hiện nay, tôi rút được một số bài học sống muốn trao đổi với các kỹ sư kết cấu trẻ nhằm nâng cao năng lực và tránh lặp lại những sai lầm đáng tiếc trong công việc:
Theo kế hoạch chúng ta thường thiết kế 3 bước:
- Thiết kế sơ bộ dự án
- Thiết kế kỹ thuật
- Thiết kế bản vẽ thi công
Sơ bộ là giai đoạn để kiến trúc hình thành tư duy thiết kế theo mục đích yêu cầu của chủ đầu tư. Giai đoạn này rất quan trọng đối với kỹ sư nhằm tìm hiểu thông tin về vật liệu cũng như địa chất công trình và địa chất thuỷ văn nơi xây dựng. Nếu tích luỹ được nhiều thông tin và phân tích kỹ về các phương án dự kiến sẽ đem lại hiệu quả thiết thực khi làm thiết kế kỹ thuật.
Giai đoạn thiết kế kỹ thuật thực ra là thực hiện các qui trình tính toán cụ thể cũng như thể hiện bản vẽ đủ chi tiết để chứng minh tính khả thi cũng như giá trị kinh tế của phương án là hợp lý.
Còn giai đoạn thiết kế thi công thực ra là công việc thể hiện chi tiết đầy đủ, ít phải suy nghĩ tính toán phức tạp.
Trong thực tế các chủ trì kết cấu không nhận thức đầy đủ ý nghĩa của 3 giai đoạn thiết kế trên. Thường ít quan tâm đến việc thu thập số liệu liên quan đến công trình. Đặc biệt là phần địa chất - thuỷ văn. Đôi khi tài liệu khảo sát được cấp không đầy đủ các thí nghiệm trong phòng như nén mẫu 3 trục, nén cố kết hoặc thiếu nhiều số liệu hiện trường như số liệu thử động trên chuẩn SPT, thử cắt cánh, nén ngang Menard. Đặc biệt là độ sâu khảo sát thường chỉ khảo sát dến độ sâu đặt cọc, thiếu cả một đoạn sâu từ dưới đấy cọc trở xuống. Do đó phương án thiết kế móng thường xa thực tế đôi lúc phải khoan khảo sát bổ sung ở giai đoạn thi công đại trà.
Có thể nói nhiều bạn trẻ chủ trì kết cấu còn mơ hồ nhiều về vai trò địa kỹ thuật trong thiết kế công trình, chưa thấy rõ mối tương quan giữa kết cấu phần thân và phần móng. Những vùng đất yếu dày thường nhạy cảm với lún trong môi trường nước ngầm thường xuyên biến động. Chúng ta thường tách hai nhiệm vụ tuy khác nhưng thực chất là một. Đó là kỹ sư địa chất và kỹ sư kết cấu. Chúng tôi cho rằng đã đến lúc phải nâng cao hiểu biết cho kỹ sư địa chất về tính chất đặc điểm kết cấu. Ngược lại kỹ sư kết cấu cần trau dồi về yêu cầu của địa kỹ thuật. Đó là vai trò thu thập thông tin về cơ cấu địa chất thuỷ văn và phân tích điều kiện địa chất để đề ra được giải pháp thiết kế móng hợp lý. Người ta đã tổng kết trong số 100% công trình bị hư hỏng thì có tới trên 50% là hư hỏng nền móng.
Ví dụ về báo cáo kết quả khảo sát chưa chính xác làm thay đổi về chiều dài cọc đóng giữa thiết kế kỹ thuật và thi công thực tế. Hậu quả là tổng kinh phí tăng hàng tỉ đồng (2003). Đó là một công trình ở tỉnh Hưng Yên (1) và một công trình ở Hải Phòng. Hai công trình này thay đổi chiều dài cọc một cách khó tưởng tượng.
Theo tài liệu khảo sát công trình (1) thiết kế đã quyết định chọn cọc đóng tiết diện 30 x 30 cm cọc dài 20 m đạt sức chịu tải tính toán là 45 tấn. Trong thực tế dựa trên đóng thử đã phải thay đổi chiều dài thiết kế là 20 m sang chiều dài thi công đại trà là 30 m.
Công trình thứ (2) tài liệu khảo sát chỉ đến độ sâu 17 m đã cho kết quả gặp đá. Qua đóng thử thì cọc đạt độ sâu 30, 36, 41 m mới gặp đá phong hoá.
Sai sót trên là do tài liệu khảo sát phi thực tế. Nguyên nhân là người viết đề cương khảo sát không phải là kỹ sư kết cấu, người khảo sát lại là quân “da đen”. Do đó báo cáo kết quả khảo sát không đạt yêu cầu. Song kỹ sư kết cấu không đánh giá quyết đoán loại trừ và cần bổ sung tài liệu địa chất khi bắt tay vào thiết kế kỹ thuật.
Một số ví dụ khác nhà ở cao tầng ở một khu đô thị mới ở Thanh Trì, Hà Nội. Theo yêu cầu của chủ đầu tư, các Công ty thiết kế cùng thiết kế các mẫu nhà trên mảnh đất có địa tầng phức tạp nhưng cùng chung 1 giải pháp là móng cọc đóng tiết diện 25 x 25, sâu 14 m mũi cọc tựa trên tầng cát chặt vừa, mỏng dưới đó là tầng đất yếu dày, yêu cầu sức chịu tải tính toán cọc đơn nén dọc trục là 45 tấn. Đã thí nghiệm nén tĩnh PTN = 90 tấn. Thí nghiệm cho kết qủa với PTN = 90 tấn độ lún cọc trên 40 mm > 10%B = 30 mm và độ lún dư 33 mm >độ lún dư cho phép 8 mm và sức chịu tải cọc đơn không dùng được 45 tấn mà chỉ thiết kế với tải cho phép 30 tấn. Phương án này có nhược điểm là số cọc nhiều và lâu dài rất có khả năng lún nhiều vì tầng đất yếu phía dưới bị ép và lún lâu dài.
Cuối cùng thiết kế đề nghị chủ đầu tư thay đổi quan điểm kinh doanh chỉ vì lợi nhuận mà quên sự an toàn. Phương án được chọn thay thế cọc 30 x 30 bằng cọc 40 x 40 cm, thay đổi độ sâu 14 m sang độ sâu 40 m và đạt tải trọng 120 tấn thay cho 30 tấn.
Những thí dụ trên cho ta bài học: cần hiểu biết sâu rộng hơn nữa về địa chất công trình nơi xây dựng. Đồng thời người kỹ sư phải tự tin và giám nói sự thật không sợ mất lòng. Thiết kế nền móng một phần dựa trên kinh nghiệm bản thân và kinh nghiệm những người đi trước. Hoàn toàn khác với kỹ sư kết cấu có thể dùng các chương trình phần mềm như ETABS, SAP2000 … nên rất ít gặp các sai sót quan trọng như thiết kế móng.
PGS. TS. Nguyễn Bảo Huân
Ghi chú