So sánh và phân tích nhà ở kết cấu thép nhẹ

So sánh và phân tích nhà ở kết cấu thép nhẹ

Tóm tắt — Tòa nhà dân dụng kết cấu thép nhẹ có các đặc tính xanh, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, v.v. Trong vài thập kỷ qua, ngày càng có nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng kết cấu thép nguội trong mọi khía cạnh xây dựng tòa nhà , và ở nhiều nước phát triển, đã có những phát triển đáng kể về xây dựng cấu trúc hình thành lạnh. Tuy nhiên, ở một số nước đang phát triển, xây dựng nhà ở kết cấu thép nhẹ chỉ mới bắt đầu. Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu một số tính chất của công trình nhà ở kết cấu thép nhẹ và tình hình nghiên cứu hiện nay. Trên cơ sở đó, chúng tôi phân tích và nghiên cứu chi tiết các công trình nhà ở kết cấu thép nhẹ ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu, đồng thời đưa ra một số đặc điểm của chúng. Sau đó, theo điều kiện cụ thể của Trung Quốc, tình trạng phát triển và đặc tính được giới thiệu về xây dựng nhà ở kết cấu thép nhẹ, bao gồm một số khái niệm nhà ở truyền thống và xây dựng nhà ở bằng thép chuyên dụng. Dựa trên những điều tra trên, một số đề xuất và biện pháp đối phó được đưa ra. Người ta tin rằng nó có ý nghĩa và hữu ích cho việc thúc đẩy công nghiệp hóa nhà ở của Trung Quốc.

Từ khóa- kết cấu thép nhẹ; thành phần; xây dựng khu dân cư ; cấu trúc hình thành lạnh; nhiều lớp thấp

I. GIỚI THIỆU

Với sự phát triển của ngành xây dựng, những thay đổi trong hệ thống công trình và vật liệu xây dựng đã trở thành xu hướng hiện nay trong việc phát triển các công trình nhà ở. Trong những năm gần đây, do mức sống của người dân không ngừng được nâng cao, đòi hỏi cao hơn về nhà ở, sự ổn định,… đặc biệt đối với nhà ở thấp tầng, nhu cầu cấp thiết phải nghiên cứu, phát triển và phát huy các kiểu dáng đẹp, xuất sắc. công năng kết cấu, sử dụng tiện ích, tốc độ xây dựng, tính kinh tế và hệ thống xây dựng nhà ở hợp lý để thay thế kiến trúc hiện có.

Nhà ở kết cấu thép nhẹ dựa trên các thành viên thép nền kinh tế làm khung chịu lực, sử dụng vật liệu tấm hoặc tấm chịu lực làm lớp bao tường nhẹ và bu lông cường độ cao và các đầu nối và vật liệu bịt kín khác sẽ là thành phần chịu lực, thành phần vỏ của tòa nhà chẳng hạn như hạng nhà dân dụng đúc sẵn lắp ghép tại chỗ [1]. Có thể thấy, vật liệu xây dựng chính cho nhà ở kết cấu thép nhẹ là ke thép nhẹ mạ kẽm làm thành phần kết cấu chính, ưu điểm quan trọng nhất khi sử dụng vật liệu này là bạn có thể đảm bảo tính chất nhà ở tốt mà còn có thể đảm bảo công trình được xây dựng nhà có khối lượng riêng nhẹ, độ đúc sẵn cao, tốc độ xây dựng, cường độ lao động nhỏ là những lợi thế [2,3]. Nhà ở kết cấu thép nhẹ so với truyền thống trước đây có những ưu điểm sau: kết cấu ổn định; giá thấp; nhịp không gian nhà biệt thự kết cấu thép nhẹ hơn nhịp nhà bê tông; khả năng chống ăn mòn thép mạ kẽm của việc sử dụng nó có thể được tuyệt vời, bền, tuổi thọ sử dụng lâu dài. Tuy nhiên, nhà ở bằng thép nhẹ ở Trung Quốc vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Vẫn còn một số vấn đề nghiêm trọng trong quá trình thiết kế khu dân cư cần được nghiên cứu thêm. Cuối cùng, bài báo này phân tích và so sánh nhà ở bằng thép nhẹ, đồng thời giới thiệu các đặc điểm của nhà ở bằng thép nhẹ trong nước và nước ngoài. Và chúng tôi đưa ra một số gợi ý hợp lý.

Bài báo được tổ chức như sau. Phần 2 mô tả các đặc điểm của nhà ở bằng thép nhẹ ở nước ngoài. Phần 3 mô tả sự phát triển hiện tại của thép nhẹ và đặc điểm nhà ở dân dụng bằng thép của Trung Quốc. Kết luận được đưa ra trong phần cuối cùng.

II. NHÀ Ở THÉP ÁNH SÁNG Ở TRÊN

A. Nhà ở bằng thép nhẹ Bắc Mỹ Nhà bằng thép nhẹ ở Bắc Mỹ là từ một cấu trúc bằng gỗ với các đặc điểm cấu trúc bằng gỗ nhẹ. Tại thị trường dân cư Bắc Mỹ, họ chiếm 20% thị phần [4]. Khung xương nhà ở chủ yếu là hệ thống keel thép hình chữ C được tạo hình nguội và thường là nhà ở biệt thự một đến hai tầng được xây dựng ở nơi có tỷ lệ động đất cao ở California và các vùng khác. Một số vỏ thép nhẹ ở Bắc Mỹ được đưa ra trong Hình 1.

Trên thực tế, hệ thống thép nhẹ này đã rất phát triển ở Bắc Mỹ. Giờ đây, họ có thể xây dựng tòa nhà dân cư nhiều tầng bằng cách sử dụng kỹ thuật này từ năm lớp đến sáu lớp. Điều đáng nói là phần nghiên cứu tích cực nhất ở Mỹ là về kết cấu thép nguội. Nguyên nhân của điều này là do sự mở rộng của ngành công nghiệp hỗ trợ, đặc biệt là trong lĩnh vực nhà ở của từng gia đình và sự gia tăng của giá gỗ. Như vậy, nhà khung thép ngày càng trở nên kinh tế hơn [5]. Pekoz [6] nói rằng ở Hoa Kỳ, khoảng 500 ngôi nhà đã được xây dựng bằng thép khổ nhẹ vào năm 1992. Con số này đã tăng lên 15 000 vào năm 1993 và 75 000 vào năm 1994. Con số này tăng gấp 5 lần ước tính vào năm 2002. Khung chính các yếu tố cho hình thức xây dựng này là đinh tán tường bằng thép hình thành nguội và các thanh giằng sàn. Hệ thống vì kèo hoặc vì kèo bằng thép nhẹ cũng được sử dụng. Hiện tại, Hoa Kỳ đã sản xuất một hệ thống keel như vậy cho hàng trăm công ty. Trong số đó, nổi tiếng là công ty Dietrich, là công ty con của Công ty công nghiệp Worthington. Họ đã phát triển hệ thống DBS để xây dựng nhà ở bằng thép nhẹ nhiều tầng [4]. Sử dụng hệ thống công nghệ DBS có thể xây dựng nhà dân dụng nhiều tầng kết cấu thép nhẹ. Tường của nó sử dụng tấm thạch cao kênh C ở cả hai bên và sàn sử dụng keel thép nhẹ loại C đặt tấm xi măng sợi dày 20mm và được lấp đầy bởi miếng đệm cách nhiệt bông thủy tinh, có tác dụng cách âm. Tại Hoa Kỳ, mặt cắt C dạng nguội thường được sử dụng làm thành viên giàn mái [7]. Trên thực tế, hình dạng xà gồ ban đầu là các kênh có rãnh đơn giản và các phần Zed. Kênh đơn giản đã phát triển thành Multibeam Marks I, II và III, kênh sau có môi phức hợp. Một xu hướng tương tự có thể thấy trong quá trình tiến hóa Zed thành hình dạng Zeta và Ultrazed, như trong Hình 2 [6]. Các thành viên được tạo hình nguội có thể được sản xuất trong nhiều loại cấu hình mặt cắt khác nhau. Các thành phần được sử dụng phổ biến nhất là các kênh C và các phần Z được thể hiện trong Hình 3 [10]. Loại thép nhẹ ở Bắc Mỹ này tồn tại trong nhà độc lập hoặc nhà phố vì khả năng cách âm kém. Để chống lại tải trọng gió bên và tác động của địa chấn, hệ thống nhà ở kết cấu thép nhẹ đa năng của Hoa Kỳ có hai loại phương pháp: sử dụng tường chịu cắt thép nhẹ hoặc kết cấu hỗ trợ khung thép chéo. Tường chống cắt thép nhẹ thường được bố trí trong gia đình, sử dụng thép tấm mạ kẽm 0,5 mm Mông Cổ trong tấm thạch cao, sau đó được cố định trên đinh tán tường thép nhẹ, tương tự như sự hình thành ứng suất cắt trong cấu trúc da giữa mỗi lớp có một thành phần đặc biệt của tường chịu cắt để kết nối tầng trên và tầng dưới để truyền lực cắt ngang và lực căng do lực ngang tác dụng lên đinh tán tường sinh ra một cách hiệu quả. Trong vùng động đất, để đảm bảo an toàn cho kết cấu, giá đỡ của Mũi bằng cây thánh giá được sử dụng như một kết cấu khung thép chịu lực ngang để tạo thành một hệ thống kiến trúc lai, trong đó thép nhẹ chịu được tải trọng thẳng đứng và thép thường chịu được tải trọng ngang. . Để đảm bảo hiệu quả cách nhiệt cho tường, bên cạnh các đinh tường bằng sợi thủy tinh, người ta sẽ dán một lớp cách nhiệt lên vật liệu tường bên ngoài. Sử dụng phương pháp này có hiệu quả cắt đứt cầu nhiệt từ đinh tán tường đến tấm tường.

B. Xây dựng nhà ở bằng thép tấm ở Nhật Bản

Vì Nhật Bản là khu vực dễ xảy ra động đất và thép nhẹ có đặc tính chịu tác động địa chấn tốt nên thép nhẹ được ưa chuộng tại địa phương. Phù hợp với những đặc điểm riêng của mình, Nhật Bản xây dựng nhà ở bằng thép nhẹ, cụ thể là nhà ở bằng thép tấm, như thể hiện trong Hình 4 bên dưới [8,9]. Cấu trúc này sử dụng quy trình xây dựng mới, tức là sử dụng kết hợp thép hình nguội mạ kẽm không hàn, còn được gọi là Thép 2 × 4, là một công trình dân dụng với cấu trúc sườn tấm. Công trình là một dạng kiến trúc từ Bắc Mỹ trước đây. Tấm tường và sàn được xây dựng bằng cách sử dụng gỗ dựa trên hộp. Tuy nhiên, trong nhà ở bằng thép tấm, vật liệu tấm được thay thế bằng thép, có độ dày từ 1,0 mm trở lên. Hai mặt được dán tấm thạch cao nhẹ. Bằng phương pháp này, đạt được hiệu suất tổng thể của cấu trúc như tính ổn định, độ bền, tính cách nhiệt, cách âm, v.v..

Trên thực tế, tòa nhà kết cấu thép tấm này là một công trình kết hợp những điểm mạnh và lợi thế của quá trình thép và thép tấm. Các thí nghiệm của các đơn vị xây dựng đã chứng minh rằng nó có các đặc tính hiệu suất tuyệt vời như khả năng chống địa chấn, hiệu suất tải trọng gió và hiệu suất chống tải trọng tuyết. Năm 2003, vật liệu xây dựng của Nhật Bản được thay đổi từ gỗ sang thép mỏng. Hướng đến đặc điểm kiến trúc, quy chuẩn xây dựng Nhật Bản, hướng dẫn đặc biệt khi xây dựng hệ thống chữa cháy tự động và thoát khí tự động, trang trí nội thất giảm truyền nhiệt giữa các bức tường.

C. Tòa nhà dân cư tiết kiệm năng lượng ở Châu Âu

Đức bắt đầu thực hiện quy chuẩn năng lượng xây dựng mới từ năm 2002 [9]. Cốt lõi của nó là định lượng tiêu thụ năng lượng. Mức tiêu thụ năng lượng của mỗi ngôi nhà được yêu cầu cung cấp tính toán năng lượng tòa nhà cho các cơ quan có thẩm quyền như các nhà tài liệu cần thiết. Nó có tác động lớn đến sự phát triển dân cư và thị trường vật liệu xây dựng của đất nước. Trong các tòa nhà dân cư tiết kiệm năng lượng, Thụy Điển sử dụng năng lượng tái tạo càng nhiều càng tốt, bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt và các nguồn năng lượng khác, đồng thời tích hợp các công nghệ này. Nói tóm lại, các nước châu Âu tập trung nhiều hơn vào việc nghiên cứu hiệu quả năng lượng và công trình xanh. Giờ đây, các thành phần thép nguội có thể được lắp ráp nhanh chóng và chính xác thành các đơn vị kết cấu hoàn chỉnh để giao đến công trường. Tại Vương quốc Anh, hầu hết các khách sạn và nhà nghỉ ven đô hiện nay đều được xây dựng theo cách này. Ngành công nghiệp xây dựng của Vương quốc Anh hiện sử dụng hơn 300.000 tấn sản phẩm thép nguội hàng năm và tỷ lệ tiêu thụ này đang tăng lên đều đặn [10].

III. NHÀ Ở THÉP ÁNH SÁNG TẠI TRUNG QUỐC

A. Tình trạng phát triển của nhà ở bằng thép nhẹ

Trong một thời gian dài, việc xây dựng nhà ở chủ yếu là bê tông ở Trung Quốc. Nó không còn phù hợp với chủ đề của các công trình xanh ngày nay vì nó cần vật liệu lớn và thời gian xây dựng dài. Vì Trung Quốc đã là nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới kể từ năm 1996, như thể hiện trong Hình 5, chính quyền bang bắt đầu khuyến khích sử dụng thép trong ngành xây dựng dân dụng. Với ngành công nghiệp chế biến thép xây dựng đang lớn mạnh từng ngày, kết cấu thép xây dựng ở Trung Quốc đã bước sang giai đoạn phát triển với tốc độ cao [11]. từ kết cấu bê tông đến kết cấu thép thông thường và từ kết cấu thép thông thường sang kết cấu thép nhẹ. Phát triển nhà ở bằng thép không theo đuổi công nghệ tiên tiến và các công cụ đặc biệt mà cần tập trung vào công nghệ nhà ở hoàn thiện, tích hợp và thực tiễn như các nước châu Âu. Trong quá trình hội nhập, mấu chốt là cấu trúc chi tiết và sự hội tụ lẫn nhau.

Do các cấu kiện thép nhẹ dễ dàng được sản xuất bởi nhà máy với mức độ cơ giới hóa cao, mức độ thương mại hóa cao và tốc độ thi công nhanh tại công trường. Và nó không ảnh hưởng đến cư dân lân cận và việc xây dựng văn minh ủng hộ là rất cao. Thép nhẹ là sản phẩm thân thiện với môi trường, phát triển bền vững và các chỉ tiêu kinh tế tổng hợp của nó không cao hơn kết cấu bê tông cốt thép. Vì vậy, trọng lượng nhẹ, khả năng chịu chấn động tốt của nhà thép nhẹ phải trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành xây dựng. Bây giờ, tòa nhà đang trải qua quá trình chuyển đổi

B. Đặc điểm của nhà ở bằng thép nhẹ

Thoạt đầu, thép nhẹ là một khái niệm mới. Với việc nâng cao mức sống của người dân dần đi vào đời sống của người dân. Ở một số thành phố lớn của Trung Quốc như Bắc Kinh, Thượng Hải và những nơi khác, xây dựng nhà ở kết cấu thép nhẹ đã được thành lập bằng cách đưa công nghệ từ Bắc Mỹ và Nhật Bản vào Trung Quốc. Hiện tại, hầu hết nhà ở bằng thép nhẹ ở Trung Quốc thuộc loại xây dựng nhà ở tiết kiệm năng lượng nhẹ sử dụng kết cấu khung thép, tường nhẹ, sàn nhẹ, hệ thống xây dựng mái nhẹ. Sử dụng thép hàn dầm H thông thường, tiết diện nhỏ của dầm H cán nóng hoặc thép tiết diện thẳng và kết hợp hệ số lực bên của tường chống định hình, có thể xây dựng kết cấu nhiều lớp. Và nó phù hợp với hệ thống thông số kỹ thuật hiện tại của chúng tôi và đáp ứng các yêu cầu về địa chấn [9]. Năm 2011, Trung Quốc đã ban hành và thực hiện "quy định kỹ thuật xây dựng nhà thép hình nguội cấp độ thấp", kết hợp hệ thống keel thép hình nguội ở Bắc Mỹ và thúc đẩy hệ thống keel này. Trong quá trình thiết kế sử dụng thép nguội kênh C và thép hình chữ U, tường chịu lực bao gồm cột, dầm dẫn hướng trên và dưới, gối đỡ, nẹp và thanh chống, tấm tường và các thành phần kết cấu khác [12] , như trong Hình 6 bên dưới. Mặc dù có các quy định của các thông số kỹ thuật có liên quan, nhưng cấu trúc này vẫn không phải là phổ biến lớn. Mặc dù kết cấu thép nhẹ có một số ưu điểm, chẳng hạn như trọng lượng nhẹ, khả năng chịu địa chấn tuyệt vời, thời gian xây dựng ngắn, độ ổn định của kết cấu và các đặc điểm khác, nhưng nó cũng có một số vấn đề cần được giải quyết thêm, chẳng hạn như tiếng ồn lớn và khả năng chịu lửa kém. Thời gian xây dựng ngắn ngủi này của tòa nhà hiện không được người dân công nhận và độ an toàn cũng như độ tin cậy của nó cũng không được kiểm chứng.

Nhưng tòa nhà thép nhẹ này đang là xu hướng phát triển của kiến trúc Trung Quốc và cần thêm nhiều nhà nghiên cứu nghiên cứu về độ an toàn, độ tin cậy và độ bền của nó. Nói một cách dễ hiểu, Trung Quốc đang ở giai đoạn đầu của các tòa nhà dân dụng nhẹ bằng kết cấu thép và còn một chặng đường dài phía trước. So với các nước phát triển thì còn rất nhiều câu hỏi và Trung Quốc còn thiếu phía sau rất nhiều. Nó cần được cải tiến và hoàn thiện liên tục [13].

C. Khuyến nghị và chiến lược

Vì nhà ở kết cấu thép nhẹ có hiệu suất tốt, trọng lượng nhẹ, mức độ nhà xưởng cao, tốc độ xây dựng, cường độ lao động thấp, v.v., nó dần dần được phát triển ở Hoa Kỳ và Châu Âu trong ba thập kỷ qua và đã tạo ra một bộ rất công nghệ hoàn thiện. Hiện nay, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước luôn muốn chuyển công nghệ nhà ở kết cấu thép nhẹ sang Trung Quốc, nhưng không hợp lý. Lý do như sau:

1) Không có đặc điểm kỹ thuật thép nhẹ có hệ thống.

Mặc dù “Quy chuẩn kỹ thuật kết cấu thép đúc nguội” đã được ban hành năm 2011, nhưng việc chế tạo các cấu kiện chịu lực chủ yếu bằng thép có chiều dày từ 2 mm trở xuống hầu như không được xem xét. Đối với hệ thống khung kim loại mạ kẽm chịu lực với việc sử dụng rộng rãi độ dày của tường 0,8- 1,6 mm ở nước ngoài, không có phân tích lý thuyết cũng như dữ liệu thực nghiệm liên quan của kết cấu, điều này làm cho việc thiết kế kết cấu thép nhẹ ở Trung Quốc rất khó khăn.

2) Toàn xã hội đòi hỏi một quá trình để chấp nhận hệ thống nhà ở mới này.

Mọi người vẫn còn rất xa lạ với một cấu trúc như vậy và họ vẫn chưa hiểu rõ về tính bảo mật, ổn định, tiện nghi, v.v. của nó.

3) Chi phí dự án cao.

Do công nghệ vẫn còn sơ khai, việc thiếu công nhân lành nghề và nhu cầu về các cấu kiện thép nhẹ từ nước ngoài khiến giá nhà ở cao hơn. Để giải quyết các vấn đề trên, các khuyến nghị và chiến lược sau:

1) Để cải thiện đặc điểm kỹ thuật thép nhẹ, việc xây dựng một số dự án thử nghiệm khiến khía cạnh này trở thành khoảng cách về công nghệ. Các doanh nghiệp lớn thực hiện nghiên cứu trong lĩnh vực này cần được hỗ trợ.

2) Trên cơ sở xây dựng các dự án thí điểm và có được kinh nghiệm, người ta nên nắm bắt cơ hội để chuẩn bị các tiêu chuẩn và quy phạm kỹ thuật nhà kết cấu thép nhẹ tương ứng.

3) Sau khi tiêu chuẩn kỹ thuật được ban hành, hệ thống công nghệ cần được đưa vào các trường chuyên nghiệp làm nội dung giảng dạy.

4) Tiếp thu một số kinh nghiệm thành công của nước ngoài. Nhắm vào tình hình cụ thể mà tiến hành nghiên cứu khoa học. Các quốc gia cần đưa ra một số chính sách hỗ trợ việc nghiên cứu kỹ thuật này để kết cấu thép nhẹ từng bước được phổ biến. Bằng phương pháp này, nó hy vọng rằng nhiều người sẽ nhận ra cấu trúc này.

IV. PHẦN KẾT LUẬN

Tóm lại, công trình nhà ở nhiều tầng bằng thép nhẹ ở Trung Quốc có triển vọng phát triển tốt với ít vật liệu hơn, ít ô nhiễm, thời gian xây dựng ngắn và phù hợp với xu hướng phát triển của kiến trúc trong nước. Nó sẽ trở thành một tình huống mới của các tòa nhà dân cư của Trung Quốc. Với việc ban hành hướng dẫn kỹ thuật và thông số kỹ thuật xây dựng nhà ở bằng thép, nhà ở nhiều tầng bằng thép nhẹ cũng phải phát triển hơn nữa. Với việc tiếp thu và cải tiến công nghệ hệ thống kết cấu thép nhẹ ở nước ngoài, nâng cao năng lực sản xuất và phát triển năng lực công nghệ thép, tôi tin rằng kết cấu thép nhẹ sẽ được sử dụng và phát triển rộng rãi tại Trung Quốc.