Kết cấu cầu treo có lịch sử rất sớm. Những dạng cầu treo đơn giản đã xuất hiện trước Công nguyên ở Trung Quốc. Kết cấu cầu treo hiện đại được xây dựng từ đầu thế kỷ XIX. Cầu treo Clinfton vượt qua nhịp lớn nhất là 214m xây dựng xong năm 1864. Thế kỷ XX và XXI chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ xây dựng cầu treo nhịp rất lớn lên tới 2km (cầu treo Akashi - Kaikyo ở Nhật, có nhịp dài 191m, xây dựng năm 1998). Cầu treo Runyang ở Trung Quốc vượt qua nhịp lớn nhất là 1490m xây dựng xong năm 2005. Như vậy có thể thấy là kết cấu cầu treo có lịch sử lâu đời và được sử dụng để vượt qua những khẩu độ lớn. Điều đáng chú ý là từ trước những năm 60 của thế kỷ XX, khi nhà máy tính điện tử còn chưa phát triển thì các nhà thiết kế những cây cầu vượt khẩu độ tới 1,3km (cầu Cổng Vàng ở Mỹ được xây dựng năm 1937 có nhịp dài 1,280m).
Năm 1968, kiến trúc Gunnar Birkerts đã ứng dụng kết cấu cầu treo cho thiết kế toà nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss ở Mỹ. Toà nhà được xây dựng xong năm 1972, được giới kiến trúc đánh giá cao, được coi là một thành tựu kiến trúc và dành được một số giải thưởng kiến trúc uy tín năm 1974. Toà nhà này sử dụng kết cấu hai dây cáp treo gắn vào hai tháp ở hai đầu vượt qua nhịp 100m. Toà nhà thông hai tầng dưới cùng để cho người đi bộ qua. Bên trên là 11 tầng kết cấu khung thép. Phần ngầm bên dưới chiếm hai phần ba không gian của toà nhà là các hầm chứa và văn phòng. Lõi thang máy gắn vào phía đông của toà nhà. Năm 2000, toà nhà được cải tạo lại thành 15 tầng, cao 67m và được sử dụng tốt cho đến ngày nay.
Năm 2008, công ty kiến trúc DP của Singapore đề xuất thiết kế kiến trúc cho dự án căn hộ cao cấp Dolpin Plaza ở Hà Nội. Dự án gồm bốn toà nhà cao 121. Mỗi toà nhà có hai vách bê tông cốt thép ở hai đầu đỡ toàn bộ kết cấu vượt qua khẩu độ 52m. Toà nhà để thông 30m kể từ mặt đất dành cho không gian siêu thị và nghỉ ngơi. Bên trên là 22 tầng kết cấu bê tông cốt thép. Thiết kế kiến trúc đặc sắc này đặt ra một thách thức lớn cho các kỹ sư kết cấu. Dự án được rất nhiều chuyên gia kết cấu trong nước và quốc tế quan tâm và đề xuất một số giải pháp kết cấu.
Giải pháp phổ biến nhất là giảm bớt khẩu độ nhà bằng cách thêm các cột bê tông cốt thép vào khoảng giữa hai vách. Giải pháp thứ hai là tăng kích thước của dầm truyền nối hai tháp. Giải pháp thứ ba là kết hợp cả hai giải pháp trên. Các giải pháp này phá vỡ ý tưởng kiến trúc độc đáo của công trình kiến trúc và làm tăng chi phí xây dựng. Bài báo này trình bày giải pháp ứng dụng nguyên lý hệ kết cấu cầu treo do Công ty cổ phần xây dựng ACH đề xuất. Hệ kết cấu này giúp cho công trình có vẻ đẹp thẩm mỹ cao và tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí xây dựng.
Nghiên cứu ứng dụng hệ kết cấu cầu treo cho nhà cao tầng- dự án Dolpin Plaza
So với toà nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss, mỗi toà nhà trong dự án Dolpin Plaza có nhịp chỉ nhỏ bằng một nửa (52m) nhưng có chiều cao tháp tính từ mặt dầm truyền lớn gấp đôi (90m). Như vậy có thể thấy là sử dụng kết cấu cầu treo tương tự như toà nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapolis, tức là sử dụng hai cáp treo, Dolpin Plaza sẽ cứng hơn rất nhiều. Nói một cách khác, về mặt chịu lực, thiết kế dự án này dễ hơn toà nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss.
Về mặt công nghệ xây dựng, giải pháp kết cấu cầu treo có tính khả thi cao đứng trên khía cạnh thiết kế và thi công. Chúng ta thấy toà nhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minneapoliss được thiết kế từ năm 1968, khi máy tính điện tử và các phần mềm tính toán kết cấu còn chưa phát triển. Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính điện tử và các phần mềm phân tích kết cấu, công việc thiết kế và thi công có thể được thực hiện với chất lượng và độ chính xác cao hơn nhiều.
Giải pháp kết cấu do Công ty ACH đề xuất
Trong dự án Dolpin Plaza, kết cấu cầu treo được áp dụng những điều chỉnh nhất định.Dây cáp lớn được thay thế bằng hệ dầm và sàn của các tầng còn các dây cáp nhỏ được thay thế bởi các cột. Dưới đây là chi tiết về giải pháp kết cấu:
- Thông tin chung về toà nhà: toà nhà có 2 tầng hầm, phần nổi cao 121m, để thông tầng với cao độ 30m dành cho không gian siêu thị và nghỉ ngơi. Bên cạnh dầm truyền gồm 22 tầng căn hộ cao 90m, chiều cao tầng điển hình là 3,5m. Trong bốn toà nhà của dự án, hai toà nhà đặt cạnh nhau được nối với nhau bằng một lõi cứng chứa thang máy. Việc tính toán kết cấu thực hiện trên từng cặp hai toà nhà.
- Kích thước chính của các cấu kiện là: vách đầu hồi dày 1,5m, dầm truyền dày 1m, sàn tăng điển hình dày 0,2m, dầm tăng điểnn hình kích thước 0,6 x 0,6m.
Công trình sử dụng bê tông B30- B60, thép AI- AIII. Tải trọng tính toán tác dụng lên công trình áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam. Riêng tải trọng động đất tính theo tiêu chuẩn UBC 97 và áp dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng với các thông số sau: vùng động đất 2A, dạng đất nền SD, hệ số gia tốc Ca=0,22, hệ số vận tốc Vc= 0,32.
Kết quả phân tích tính toán cho thấy các cấu kiện đảm bảo khả năng chịu lực. Chuyển vị tính toán theo phương ngang do gió hoặc động đất tối đa là 18cm. Giá trị này nhỏ hơn giá trị cho phép là H/500 = 24cm. Chuyển vị tính toán lớn nhất theo phương đứng ở đáy dầm truyền là 8cm. Giá trị này nhỏ hơn gia strị cho phép là L/500= 10cm. Như vậy là kết cấu thoả mãn điều kiện chịu lực và biến dạng.
Kết luận: kết cấu cầu treo là một giải pháp ưu việt khi phải vượt qua nhịp lớn. Kết cấu này không chỉ sử dụng cho cầu mà còn được ứng dụng cho nhà cao tầng từ rất sớm khi mà máy tính điện tử còn chưa phát triển. Điều này chứng tỏ tính cách mạng của nhà đầu tư và các nhà quản lý xây dựng trong việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật tạo nên hiệu quả to lớn về kinh tế xã hội, tạo ra các công trình kiến trúc đặc sắc.
Nguồn: Tạp chí Kiến trúc Việt Nam, số 8/2009