Tải trọng gió trong công trình cao tầng và yêu cầu kỹ thuật đối với hạng mục kính

Tải trọng gió không chỉ là thông số dùng trong thiết kế kết cấu, mà còn chi phối trực tiếp hiệu năng của hệ mặt dựng, đặc biệt tại các mối nối – vị trí phải liên tục hấp thụ chuyển vị và chênh lệch áp suất.

Việc hiểu đúng cơ chế tải trọng gió và lựa chọn đúng vật liệu cho từng vị trí là yếu tố quyết định độ bền và khả năng vận hành lâu dài của toàn bộ hệ facade.

1. Tải trọng gió trong công trình cao tầng là gì?

Theo TCVN 2737:2023, tải trọng gió là một trong những tải trọng bắt buộc phải xem xét trong thiết kế công trình, đặc biệt với nhà cao tầng. Khác với tải trọng tĩnh, tải trọng gió mang tính biến thiên theo thời gian và không gian, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi địa hình, cao độ và hình thái kiến trúc.

Trong thực tế, vận tốc gió tăng dần theo chiều cao theo dạng profile, dẫn đến áp lực tác động lên công trình có sự phân tầng rõ rệt. Tại các tầng cao, vận tốc gió có thể lớn hơn đáng kể so với khu vực gần mặt đất, kéo theo sự gia tăng của cả áp lực dương và lực hút âm.

Bên cạnh đó, hình khối kiến trúc làm thay đổi hướng và trạng thái dòng khí, gây ra hiện tượng tách lớp và hình thành các vùng xoáy. Điều này khiến tải trọng gió thực tế trở nên phức tạp hơn so với mô hình tính toán lý thuyết ban đầu.

2. Cơ chế tải trọng gió tác động lên facade

Trong điều kiện thực tế, gió tác động lên công trình theo nhiều dạng lực khác nhau, không chỉ đơn thuần là áp lực theo một phương cố định. Các dạng tác động chính bao gồm:

• Áp lực dương tại mặt đón gió, tạo lực ép trực tiếp lên bề mặt công trình
• Áp lực âm tại mặt khuất gió, tạo lực hút kéo các cấu kiện ra khỏi bề mặt
• Lực xoáy tại các mép, góc và vị trí chuyển tiếp hình học, nơi dòng khí bị tách lớp

Các nghiên cứu mô phỏng CFD cho thấy tại khu vực mép và góc công trình, lực hút có thể cao hơn khoảng 1.5–2 lần so với áp lực tại mặt đón gió. Đây là những vùng chịu tải khắc nghiệt nhất trong toàn bộ hệ facade.

Điều này đồng nghĩa với việc các chi tiết liên kết, đặc biệt là mối nối facade, không chỉ chịu lực trực tiếp mà còn phải thích ứng liên tục với biến thiên áp suất và chuyển vị theo thời gian.

3. Ảnh hưởng của tải trọng gió đến hạng mục kính

Trong công trình cao tầng, hạng mục kính bao gồm nhiều cấu phần như hệ mặt dựng kính, cửa sổ nhôm kính, cửa đi kính và các lớp bao che sử dụng kính. Đây là nhóm hạng mục chịu tác động trực tiếp từ tải trọng gió do tiếp xúc với môi trường bên ngoài và nằm tại các vị trí chịu áp lực gió lớn.

Trong đó, hai hệ chịu ảnh hưởng rõ rệt nhất là mặt dựng kính (curtain wall) và hệ cửa sổ nhôm kính, do phải đồng thời đảm bảo khả năng chịu áp lực gió, kiểm soát chuyển vị và duy trì độ kín trong quá trình vận hành.

3.1. Ảnh hưởng của tải trọng gió đến hệ mặt dựng kính

Đối với hệ mặt dựng kính đặc biệt là hệ mặt dựng nhôm kính, tải trọng gió tác động trực tiếp lên bề mặt kính và được truyền vào hệ khung thông qua các liên kết. Đây là hệ bao che có yêu cầu kỹ thuật cao, chịu tác động liên tục của tải gió và chuyển vị.

Các tác động chính của tải trọng gió bao gồm:

• Áp lực gió tác động trực tiếp lên bề mặt kính, gây biến dạng uốn và phát sinh ứng suất trong tấm kính
• Tải trọng được truyền từ kính vào hệ khung nhôm thông qua các liên kết và vật liệu liên kết, sau đó phân phối về kết cấu công trình
• Dao động vi mô của toàn bộ hệ mặt dựng dưới tác động của gió mạnh hoặc dòng xoáy, tạo ra chuyển vị lặp theo chu kỳ
• Tập trung ứng suất tại các vị trí mép, góc và khu vực chuyển tiếp hình học, nơi xuất hiện lực hút gió lớn
• Chênh lệch áp suất giữa hai phía của hệ bao che, tạo ra lực hút và lực ép tác động liên tục lên kính, khung nhôm và các vị trí liên kết

Mặt dựng kính cần được thiết kế như một hệ bao che đồng bộ, sử dụng kính và vật liệu liên kết có khả năng chịu biến dạng và phân tán ứng suất, nhằm đảm bảo ổn định trước tải trọng gió và các tác động môi trường liên tục

Hệ mặt dựng kính cần được thiết kế như một hệ thống đồng bộ, trong đó kính và vật liệu liên kết phải có khả năng chịu biến dạng và phân tán ứng suất, nhằm đảm bảo ổn định dưới tác động của tải trọng gió.

3.2. Ảnh hưởng của tải trọng gió đến hệ cửa sổ kính

Đối với hệ cửa sổ nhôm kính, mặc dù không phải là kết cấu chịu lực chính của công trình, nhưng vẫn phải làm việc dưới tác động trực tiếp của tải trọng gió và các chuyển vị của khung bao.

Các tác động chính bao gồm:

• Tấm kính: chịu áp lực và lực hút gây biến dạng uốn, phát sinh ứng suất tại bề mặt và cạnh kính
• Khung nhôm: xuất hiện biến dạng nhỏ dưới áp lực gió, làm thay đổi kích thước khe hở và phát sinh chuyển vị
• Hệ kín nước, kín khí: chênh lệch áp suất tạo điều kiện cho nước và không khí thẩm thấu qua các điểm tiếp giáp
• Lớp keo trám: hấp thụ chuyển vị giữa kính và khung; khi vượt ngưỡng biến dạng sẽ xuất hiện nứt, bong tách và mất kín

Tóm lại, tải trọng gió không chỉ là áp lực một chiều mà bao gồm cả lực hút và lực xoáy, đặc biệt nguy hiểm tại các mép và góc công trình – nơi các mối nối facade chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất.

4. Tiêu chuẩn xác định tải trọng gió trong thiết kế facade

Tại Việt Nam, việc xác định tải trọng gió cho hệ mặt dựng kính được triển khai dựa trên hệ thống tiêu chuẩn quốc gia, trong đó trọng tâm là TCVN 2737 – tiêu chuẩn quy định phương pháp xác định tải trọng và tác động lên công trình. Tiêu chuẩn này cung cấp cơ sở tính toán thông qua các yếu tố như phân vùng gió, hệ số chiều cao, điều kiện địa hình và các hệ số hiệu chỉnh liên quan.

Trong thực tiễn thiết kế facade, TCVN 2737 đóng vai trò làm nền tảng để xác định áp lực gió thiết kế, từ đó phục vụ cho việc tính toán khả năng chịu lực của kính, khung nhôm và hệ liên kết. Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn liên quan đến kết cấu bao che và an toàn công trình được sử dụng để kiểm soát các chỉ tiêu kỹ thuật như giới hạn biến dạng, độ an toàn khi vỡ kính và khả năng làm việc của các cấu kiện dưới tác động tải gió.

Đối với các dự án thông thường, việc tuân thủ đầy đủ hệ thống TCVN là yêu cầu bắt buộc nhằm đảm bảo tính pháp lý trong các bước thẩm tra, phê duyệt và nghiệm thu công trình. Tuy nhiên, với các công trình cao tầng, công trình có hình khối phức tạp hoặc yêu cầu kỹ thuật cao, chỉ dựa trên tiêu chuẩn trong nước có thể chưa đủ để phản ánh chính xác các điều kiện khí động học thực tế.

Các hệ tiêu chuẩn quốc tế phổ biến bao gồm:

• Hệ tiêu chuẩn EN của Châu Âu, tập trung vào kiểm soát biến dạng và độ an toàn của hệ facade, phù hợp với các công trình cao tầng và hệ mặt dựng unitized
• Hệ tiêu chuẩn ASTM của Hoa Kỳ, nhấn mạnh vào thử nghiệm thực nghiệm, khả năng chịu áp lực gió và kiểm soát độ võng của hệ kính
• Hệ tiêu chuẩn BS của Anh và AS/NZS của Úc, thường được áp dụng cho các công trình tại khu vực có điều kiện gió khắc nghiệt như ven biển hoặc vùng có bão

Việc kết hợp tiêu chuẩn Việt Nam với các hệ tiêu chuẩn quốc tế giúp nâng cao độ chính xác trong xác định tải trọng gió, đặc biệt đối với các trường hợp có điều kiện dòng chảy phức tạp, hình khối kiến trúc đặc biệt hoặc yêu cầu cao về độ an toàn vận hành. Đây là cơ sở quan trọng để đảm bảo hiệu năng làm việc ổn định và độ bền dài hạn của toàn bộ hệ facade trong điều kiện thực tế.

5. Vai trò của keo trám trong hạng mục kính

Trong các hạng mục sử dụng kính như cửa sổ nhôm kính và hệ mặt dựng, keo trám không chỉ đóng vai trò làm kín khe hở mà còn tham gia hấp thụ chuyển vị phát sinh do tải trọng gió, giãn nở nhiệt và dao động công trình.

Dưới tác động lặp của áp lực gió và lực hút, các mối nối giữa kính, nhôm và kết cấu luôn phát sinh biến dạng nhỏ theo chu kỳ. Keo giúp duy trì độ kín nước, kín khí và hạn chế tập trung ứng suất tại các vị trí tiếp giáp vật liệu.

Trong các hạng mục kính, đặc biệt tại công trình cao tầng, keo trám có vai trò duy trì độ kín nước, kín khí và khả năng hấp thụ chuyển vị tại các mối nối giữa kính, nhôm và các vật liệu xây dựng. Dưới tác động của tải trọng gió, giãn nở nhiệt và chuyển vị của công trình, các khe nối có thể biến dạng lặp lại. Vật liệu trám phù hợp giúp duy trì tính liên tục của mối nối, hạn chế thấm nước và bảo vệ hệ thống trước tác động lâu dài của môi trường.

Tuy nhiên, cần phân biệt mối nối thời tiết không chịu lực với liên kết kết cấu trong hệ mặt dựng. Đây là cơ sở để lựa chọn đúng loại keo theo chức năng của từng vị trí, thay vì sử dụng một loại keo cho toàn bộ hệ thống.

5.1 Apollo Weatherseal A68 cho mối nối thời tiết trong hệ kính và mặt dựng cao tầng

Apollo Weatherseal A68 là keo thời tiết cao cấp chuyên dùng cho các mối nối kính và khung nhôm, đáp ứng yêu cầu trám kín và chống chịu thời tiết trong các công trình thương mại, cao tầng. 

Một số ứng dụng nổi bật của Apollo Weatherseal A68:

• Mối nối giữa kính và khung nhôm.
• Khe nối giữa các module của hệ mặt dựng.
• Đường tiếp giáp quanh ô cửa và vách kính.
• Khe nối giữa hệ nhôm kính với tường hoặc bê tông.
• Các mối nối hoàn thiện bên ngoài cần khả năng chống chịu thời tiết.

Sản phẩm có khả năng co giãn ±35% (ASTM C920), độ giãn tối đa 550% và sức căng tối đa theo tiêu chuẩn ASTM D412 (MPa) đạt 1,2, giúp mối nối duy trì độ đàn hồi ổn định dưới tác động của tải trọng gió. Đồng thời, khả năng kháng UV, ozone và môi trường giúp đảm bảo hiệu năng lâu dài trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

5.2 Keo kết cấu cho các vị trí liên kết chịu lực của mặt dựng

Trong hệ mặt dựng kính, các vị trí liên kết giữa kính và khung yêu cầu vật liệu có khả năng chịu lực và duy trì độ bám dính ổn định. DOWSIL 795 là dòng keo kết cấu được sử dụng phổ biến cho cả hệ mặt dựng kính kết cấu và không kết cấu. Sản phẩm thuộc hệ sinh thái sản phẩm của Apollo Silicone, với khả năng bám dính trên nhiều loại vật liệu như kính, nhôm, thép, bê tông và các bề mặt phủ, trong nhiều trường hợp không yêu cầu sơn lót.

Keo duy trì tính đàn hồi và độ ổn định trong dải nhiệt độ rộng, từ khoảng -40°C đến 149°C, giúp đảm bảo hiệu năng liên kết trong điều kiện môi trường và tải trọng biến đổi.

6. Checklist khi thiết kế facade chịu tải trọng gió

• Xác định chính xác phân vùng tải trọng gió theo chiều cao công trình, làm cơ sở cho toàn bộ thiết kế hệ mặt đứng
• Đánh giá đầy đủ khu vực chịu tác động bất lợi nhất của gió, đặc biệt là mép, góc và vùng chuyển tiếp hình học nơi xuất hiện lực hút lớn
• Kiểm soát khả năng làm việc của hệ mối nối trong điều kiện chuyển vị do gió, đảm bảo vật liệu duy trì đàn hồi và không suy giảm liên kết theo chu kỳ tải
• Thiết lập đúng vai trò vật liệu trong hệ facade, phân biệt rõ keo kết cấu chịu lực và keo trám đảm nhiệm chức năng kín và hấp thụ chuyển vị
• Lựa chọn vật liệu theo điều kiện vận hành thực tế, bao gồm UV, dao động nhiệt và độ ẩm kéo dài trong môi trường ngoài trời
• Đảm bảo các điểm liên kết duy trì được độ kín nước và kín khí dưới tác động tải trọng gió lặp, tránh rủi ro thấm phát sinh theo thời gian
• Kiểm tra tính tương thích hệ vật liệu giữa kính, nhôm và sealant facade, đảm bảo toàn bộ hệ bao che làm việc đồng bộ dưới tải trọng gió

7. Kết luận

Tải trọng gió trong công trình cao tầng tác động trực tiếp đến toàn bộ hệ facade, bao gồm kính, khung nhôm và các mối nối. Trong đó, mối nối là khu vực chịu chuyển vị lớn và liên tục, đóng vai trò quyết định trong việc duy trì độ kín và độ bền vận hành của công trình.

Việc lựa chọn đúng vật liệu theo từng hạng mục, đặc biệt phân biệt rõ giữa keo kết cấu và keo trám, giúp kiểm soát hiệu năng hệ bao che dưới tác động lặp của tải trọng gió. Đây là yếu tố then chốt để đảm bảo tuổi thọ công trình, hạn chế rủi ro thấm nước và tối ưu chi phí bảo trì dài hạn.

FAQ: Câu hỏi thường gặp về tải trọng gió và keo trám cho hạng mục facade

1. Tải trọng gió ảnh hưởng như thế nào đến hệ facade?

Tải trọng gió tạo ra áp lực và lực hút lên bề mặt công trình, gây biến dạng và chuyển vị liên tục cho hệ facade. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của kính, khung nhôm và đặc biệt là các mối nối.

2. Vì sao mối nối là vị trí dễ xảy ra sự cố trong facade?

Mối nối là khu vực phải hấp thụ chuyển vị giữa các vật liệu khác nhau như kính và khung nhôm dưới tác động của gió và nhiệt độ. Khi vật liệu trám không đáp ứng đủ khả năng biến dạng và bám dính, các hiện tượng nứt, bong tách và mất kín sẽ xuất hiện theo thời gian.

3. Độ bám dính của keo phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Độ bám dính phụ thuộc vào loại vật liệu nền, độ sạch bề mặt, điều kiện thi công và việc sử dụng sơn lót. Thi công không đúng quy trình có thể làm giảm đáng kể khả năng bám dính của keo.

4. Sự khác nhau giữa curtain wall và hệ cửa sổ kính là gì?

Curtain wall là một dạng hệ bao che có cấu tạo độc lập với kết cấu chính, chịu tải gió và truyền tải về hệ khung liên kết. Hệ cửa sổ nhôm kính không phải là kết cấu chịu lực chính của công trình, nhưng vẫn phải làm việc dưới tác động của tải trọng gió và chuyển vị của khung bao, yêu cầu vật liệu trám phù hợp cho từng vị trí.

5. Apollo Weatherseal A68 phù hợp cho những hạng mục nào?

Apollo Weatherseal A68 phù hợp cho các mối nối cửa sổ nhôm kính và các vị trí tiếp giáp vật liệu trong hệ bao che. Sản phẩm được thiết kế để đảm bảo độ kín và hấp thụ chuyển vị dưới tác động của tải trọng gió và giãn nở nhiệt.

Lý do vì sao trong các bài viết của Apollo Silicone luôn sử dụng linh hoạt 2 thuật ngữ Silicone (có chữ e) và Silicon (không có chữ e):

Silicon (Si) “không có chữ e” đơn giản chỉ là một nguyên tố hóa học. Còn với Silicone “có chữ e” là một hợp chất cấu trúc bao gồm các nguyên tử Silicon và Oxygen kết hợp với nhau tạo thành chuỗi Polymer giống cao su có khả năng kháng lại sự thay đổi của nhiệt độ, co giãn và đàn hồi tốt, không dẫn điện dẫn nhiệt.

Sản phẩm từ Silicone có tên thương mại là Silicone Sealant chuyên dùng để gắn, trám trét, bịt kín các khe hở, mối nối nhôm kính và nhiều loại vật liệu xây dựng khác. Trong thực tế, chúng ta thường gọi các sản phẩm này là Keo Silicon (không dùng chữ e theo thói quen, viết và hành vi tìm kiếm trên mạng), nhưng về mặt kỹ thuật, chất trám Silicone mới là thuật ngữ để chỉ những sản phẩm này. Và khi nhắc đến các sản phẩm này, Silicone “có chữ e” là cách sử dụng chính xác nhất.