Chương 8. Kết cấu thép nhà nhịp lớn , CÔNG TY CỔ PHẦN ĐÀO TẠO VÀ TƯ VẤN ĐẦU TƯ HÀ NỘI

Chương 8. Kết cấu thép nhà nhịp lớn

Chương 8

KẾT CẤU THÉP NHÀ NHỊP LỚN

8.1. Phạm vi sử dụng và đặc điểm kết cấu nhà nhịp lớn

8.1.1. Phạm vi sử dụng

Kết cấu mái nhà nhịp lớn thường gặp trong các công trình dân dụng và công nghiệp

hay các công trình có công dụng đặc biệt.

Công trình dân dụng như rạp hát, nhà triển lãm, sân vận động, nhà ga, chợ… do yêu

cầu kiến trúc và yêu cầu sử dụng (nâng cao chất lượng âm thanh, độ nhìn rõ, tận dụng

diện tích).

Công trình công nghiệp như nhà xưởng đóng tàu, lắp ráp máy bay để xe cộ đi lại dễ

dàng.

8.1.2. Đặc điểm của nhà nhịp lớn

- Công trình nhịp lớn không phải là những công trình xây dựng hàng loạt mà là

các công trình đơn chiếc. Biện pháp giải pháp về kiến trúc và cấu tạo mang tính

chất hoàn toàn riêng biệt cho công trình kiến trúc đó, vì vậy rất khó tiêu chuẩn

hoá và định hình hóa.

- Kích thước của công trình nhà nhịp lớn thay đổi trong phạm vi rất rộng. Ví dụ:

Nhịp nhà công nghiệp khoảng 50 – 100m; Xưởng lắp ráp nhà máy: L = 100 –

120m, H = 8 – 10m. Xưởng đóng tàu thủy: L = 20 – 60m, H = 30 – 40m.

Vì vậy khó có thể có một môđun thống nhất xác định cho kết cấu nhà nhịp lớn.

- Kết cấu nhịp lớn chủ yếu chịu tải trọng do trọng lượng bản than và tấm lợp nên

việc giảm trọng lượng kết cấu là nhiệm vụ cơ bản của người thiết kế.

Có thể giảm trọng lượng bản thân kết cấu bằng cách sử dụng vật liệu bằng thép

cường độ cao, hợp kim nhôm, vật liệu mái nhẹ… hay sử dụng phương án kết cấu

hợp lý (kết cấu ứng suất trước, hệ không gian, hệ mái dây…).

Các dạng kết cấu chịu lực của nhà nhịp lớn: hệ dầm khung, vòm cuón, cupôn,

mái hệ thanh, hệ treo.

- Kết cấu kiểu dầm, khung: thường được dùng nhất vì rất phù hợp với không gian

thông thường trong nhà là hình chữ nhật.

- Hệ vòm: Có hình dáng kiến trúc đẹp hơn, tiết kiệm vật liệu hơn (khi nhịp >

80m).

- Hệ treo: Dùng khi nhịp rất lớn ( ≥ 200m), khó cấu tạo, điểm neo dây xa nên góc

chết lớn, ít được sử dụng.

- Cupôn: Dùng khi mặt bằng nhà có hình tròn hoặc hình đa giác.

8.2. Nhà nhịp lớn với kết cấu phẳng chịu lực

8.2.1. Kết cấu kiểu dầm dàn

8.2.1.1. Phạm vi sử dụng

Kết cấu kiểu dầm dàn thường dùng khi gối tựa không chịu lực xô ngang như tường,

cột gách đá, cung thể thao… có mặt bằng hình chữ nhật.

8-1

Chương 8. Kết cấu thép nhà nhịp lớn

Kết cấu kiểu dầm tuy có ưu điểm là sản xuất đơn giản, dễ bảo dưỡng nhưng nhịp

chỉ trong khoảng từ 35 – 40m nên cũng ít khi được sử dụng. Để khắc phục nhược điểm

này người ta dùng kết cấu kiểm dàn.

8.2.1.2. Phân loại

- Về hình thức:

Kết cấu dàn được chọn theo yêu cầu sử dụng, yêu cầu kiến trúc… và được chia ra

thành các dạng như sau:

Dàn cánh song song (L = 60m). Chế tạo đơn giản nên được sử dụng rộng rãi.

Dàn cánh hình thang: Dùng khi dộ dốc không lớn.

Dàn đa giác: Tiết kiệm vật liệu nhưng chế tạo phức tạp (L = 60 – 90m).

Dàn tam giác: Được dùng khi cần độ dốc lớn (i = 1/5 – 1/7), (L = 40 – 50m).

Dàn hình cung: Nội lực trong thanh cánh gần bằng nhau, nội lực thanh bụng nhỏ

nên tiết kiệm vật liệu.

- Theo sơ đồ thanh bụng:

Hình 8.2. Các dạng tiết diện thanh dàn.

- Theo sơ đồ kết cấu:

· Dạng phổ thông

· Dạng phức tạp: (L = 70 – 80).

Gối tựa: Khi L ≥ 35 – 40m, trong 2 gối tựa phải có gối di động để khỏi truyền lực

ngang lên tường (lực xô ngang sinh ra do nhiệt độ, dây kéo dàn…).

Chú ý: Khi nhịp lớn có thể dùng dàn không gian 3 mặt ứng suất trước (kinh tế, dễ

chế tạo, dựng lắp).

8.2.2. Kết cấu khung

8.2.2.1. Các loại khung

a) Đặc điểm

- Tiết kiệm vật liệu hơn kết cấu kiểu dầm nên nhẹ hơn.

- Độ cứng ngang của khung lớn hơn.

Chiều cao xà ngang giảm nên tiết kiệm được vật liệu làm tường và giảm thể tích

thừa của nhà.

- Nhược điểm: Chiều cao tiết diện của cột lớn nên ảnh hưởng đến không gian nhà.

b) Phân loại:

- Theo tiết diện:

· Tiết diện đặc: Ta có khung đặc (L = 50 – 60m), dễ gia công, chế tạo, lắp

dựng, tốn vật liệu.

· Tiết diện rỗng: Ta có khung rỗng (L = 100 – 150m).

- Theo sơ đồ kết cấu:

· Khung 2 khớp: khớp có thể ở móng hoặc ở đầu cột.

Khớp đặt tại hai đầu cột mômen giữa xà ngang lớn, tuy nhiên đơn giản cho

lắp ráp.

8-3

Hình 8.4: Khung đa giác.

8.2.2.2. Đặc điểm tính toán và cấu tạo

a) Đặc điểm tính toán

- Khung đặc hoặc rỗng hỗn hợp (cột đặc, xà rỗng) đã giới thiệu trong phần tính

toán khung ngang nhà công nghiệp.

- Khung rỗng nhẹ (L không lớn): có thể đưa về khung đặc có độ cứng tương

đương để tính.

- Khung rỗng nặng (L lớn): phải tính như một hệ thanh có kể đến biến dạng của

tất cả các thanh.

- Khi nhịp lớn ( L ≥ 50m ) cột thấp, cứng phải kể đến tác dụng của nhiệt độ.

- Khi thiết kế khung nhịp lớn, độ võng chỉ tính toán do hoạt tải gây ra, còn độ

võng do tĩnh tải thì được triệt tiêu với độ vồng của kiến trúc.

8-4

Hình 8.6: Mái nhà triển lãm với khung rỗng.

Hình 8.7. Các kiểu vòm.

- Vòm 2 khớp: Thường được dùng nhiều nhất vì nó dễ chế tọa, dựng lắp, mặt khác

nhờ khớp ở gối nên vòm có thể uốn cong và quay tự do tại khớp nên không xảy

ra ứng suất do nhiệt độ và lún ở gối tựa.

- Vòm 3 khớp: Là kết cấu tĩnh định, không được dùng phổ biến vì tuy không chịu

ảnh hưởng của nhiệt độ và lún ở gối nhưng nội lực trong các thanh phân bố

không đều và phức tạp, mặt khác dựng lắp vòm 3 khớp khó khăn hơn so với các

loại dàn khác.

- Vòm không khớp: là kết cấu siêu tĩnh, mômen phân bố tương đối đều nên tiết

kiệm vật liệu. Tuy nhiên móng của vòm không khớp tương đối đều nên tiết kiệm

vật liệu. Tuy nhiên, móng của vòm không khớp thường to hơn và chịu ảnh

hưởng của sự biến thiên nhiệt độ và độ lún gối tựa. Ngoài ra còn có các loại vòm

một khớp (khớp ở đỉnh), vòm 4 khớp nhưng ít được dùng.

Chú ý: Khi chọn loại vòm phải chú ý đến cường độ đất nền.

Đất rất yếu sử dụng loại vòm 3 khớp;

Đất vừa sử dụng loại vòm 2 khớp;

Đất đá sử dụng loại vòm không khớp.

b) Theo hình dáng

- Vòm kê trực tiếp lên mặt đất: ít khi dùng vì giảm không gian sử dụng nhà. Để

khắc phục nhược điểm này người ta có thể làm thẳng phần gần gối vòm.

Trong trường hợp này để giảm kích thước móng hoặc khi nền đất yếu có thể làm

thêm dây kéo để chịu lực xô ngang.

- Vòm gối lên các khung: khung sẽ chịu lực xô ngang kết hợp làm khán đài và các

phòng chức năng.

c) Theo tiết diện

- Tiết diện đặc: Luôn có hai cánh song song.

- Tiết diện rỗng (dàn): Hai cánh song song hoặc không, được dùng cho nhịp lớn.

8-6

Hình 8.9. Sơ đồ tính vòm với tác dụng của tải trọng gió.

Kết cấu mái vòm được chia thành từng vòm thẳng và dùng phương pháp trong cơ

học kết cấu để xãc định nội lực. Các tải trọng tác dụng lên hệ vòm gồm có: tĩnh tải, hoạt

tải, tải trọng gió.

Trong đó tải trọng gió là tải trọng chính tác dụng lên vòm, tải trọng gío đối với vòm

không có tường đứng lấy theo sơ đồ đơn giản hoá: Áp lực gió dương chỉ có ở mặt phía

trước còn suốt mặt cong và mặt đứng phía sau là áp lực gió hút.

Xác định nội lực:

· Ngoài mặt phẳng vòm:

Nói chung ngoài mặt phẳng, vòm không mất ổn định do đã được đảm bảo bằng

hệ thanh giằng ngang và hệ xà gồ thành các điểm chống chuyển vị ngang. Vì

vậy yêu cầu khoảng cách giữa các điểm giằng ngang khong được lớn hơn 16 –

20 lần bề rộng cánh.

- Ổn định cục bộ:

· Vòm đặc: Ổn định cục bộ của cánh và bụng như một phân tố chịu nén lệch

tâm.

· Vòm rỗng: Từ nội lực trong các thanh, tính ỏn định trong và ngoài mặt phẳng

vòm.

8.2.3.3. Khớp vòm

Khớp vòm thường được dùng 3 kiểu: khớp bản, khớp cối, khớp đu.

8-10

Sơ đồ vòm

f/L

0,05

0,2

0,3

0,4

Ba khớp

Hai khớp

Không khớp

1,2

0,7

1,2

1,1

0,75

1,2

0,8

1,4

1,3

0,85

⎛ S ⎞

Hình 8.13: Các loại khớp gối của vòm và khung.

Sơ đồ tính của khớp bản; b) Khớp cối; c) Khớp đu.

- Khớp bản:

Được sử dụng khi phản lực gối không lớn lắm.

Có cấu tạo đơn giản nhất, gồm một bản, có mặt cong để dễ quay và dầm chon

trong bêtông móng.

- Khớp cối:

Được dùng khi phản lực gối lớn hơn.

Bao gồm 2 mặt vỏ trụ cứng tiếp xúc nhau, bulông neo để gắn cối dầm vào móng.

- Khớp đu:

Được dùng khi phản lực gối rất lớn.

Bao gồm: 2 thớt trên và dưới, ở giữa tạo thanh một ổ trong có một trục hình trụ

dùng làm khớp quay. Vòm được liên kết với thớt trên qua tấm thép bằng đường

hàn theo chu vi tiết diện vòm và bulông, bề mặt thớt dưới rộng hơn thớt trên để

truyền áp lực lên móng.

Chú ý: Ở các vòm nhẹ, để đề phòng gió bốc, nên dùng thêm bulông neo, bulông neo

nên được bố trí ở trục vòm để không cản trở sự quay của khớp.

8-11

Chương 8. Kết cấu thép nhà nhịp lớn

8.3. Kết cấu mái không gian nhà nhịp lớn

8.3.1. Khái niệm

Các kết cấu kiểu khung, dầm, vòm đã giới thiệu là nhưng dạng kết cấu phẳng, gòm

những hệ kết cấu riêng lẻ liên kết với nhau bằng hệ giằng, vì vậy sự làm việc không gian

của các kết cấu này là không lớn. Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng kết cấu

không gian cho nhà nhịp lớn. Kết cấu không gian là các kết cấu mà các cấu kiện chịu lực

không nằm trong một mặt phẳng. Vì vậy nội lực được dàn đều lên mặt mái làm cho kết

cấu không gian nhẹ và tạo được dáng kiên trục đẹp hơn kết cấu phẳng. Nhưng bên cạnh

đó việc tính toán và thi công cũng khó khăn hơn.

Dưới đây sẽ trình bày một dạng kết cấu không gian, đó là cupôn.

8.3.2. Mái cupôn

Mái cupôn được dùng cho các công trình có mặt bằng hình tròn hoặc đa giác đều.

Có các loại: cupôn sườn, cupôn sườn vòng, cupôn lưới…

8.3.2.1. Cupôn sườn

Cấu tạo:

- Sườn: các sườn được đặt theo phương bán kính liên kết với nhao bằng xà gồ và

giằng.

Cánh trên sườn tạo ra mặt phẳng ngoài của cupôn (mặt tròn xoay, hình cầu hoặc

hình elipxoit).

Sườn có thể đặc hoặc rỗng. Loại sườn đặc nặng nhưng có cấu tạo đơn giản hơn

sườn rỗng.

- Vành đỉnh:

Đầu trên các sườn được kê vào vành đỉnh, vành đỉnh phải có độ cứng lớn vì phải

chịu nén, uốn, xoắn đồng thời

Hình 8.14: Sơ đồ cupôn.

a) Cupôn sườn; b) Cupôn sườn vòng; c) Cupôn lưới; d) Cupôn sườn dầm.

Nếu là sườn liên kết khớp với vành đỉnh và đường kính vành nhỏ thì có thể coi

các cặp sườn đối xứng nhau tạo thành vòm ba khớp (nếu không là vòm hai

khớp).

- Vành gối:

Ở dưới chân sườn kê lên cột, có thể bằng thép hoặc bằng bêtông cốt thép, chỉ

cần cố định để ngăn cản chuyển vị ngang khi chịu tải trọng gió.

- Xà gồ:

Giữa các cặp sườn đặt các xà gồ, trên đó là lớp mái, xà gồ đảm bảo ổn định tổng

thể ngoài mặt phẳng cho các sườn.

Chương 8. Kết cấu thép nhà nhịp lớn

Xà gồ có thể thiết kế cánh trên cong hoặc dùng xà gồ thẳng bên dưới cầu phong

đỡ mái thì đặt tấm đệm.

- Hệ giằng:

Tăng độ cứng chung của cupôn.

- Cửa mái: Có tác dụng thông gió và chiếu sáng.

b) Tính toán

Tải trọng tác dụng lên cupôn gồm: tĩnh tải, hoạt tải mái, tải trọng gió. Các tải trọng

này được quy thành 2 dạng để tính toán: tải trọng đối xứng qua trục và tải trọng không

đối xứng qua trục.

- Đối với tải trọng đối xứng qua trục (tĩnh tải, trọng lượng bản thân):

· Nguyên tắc tính:

o Với tải trọng đối xứng, các vòm liên kết giống nhau nên tách riêng ra

một vòm để tính.

o Thay vành gối bằng một thanh căng quy ước nằm trong mặt phẳng

vòm.

o Vành đỉnh chịu nén do tác dụng các lực ngang thì phải kiểm tra bền

và ổn định.

· Tính tiết diện thanh căng quy ước ( Ath )

Hình 8.15: Sơ đồ tính cupôn sườn chịu tải trọng thẳng đứng.

a) Sơ đồ vòm; b,c) Biến dạng của vành gối tròn; d) Biến dạng của vành gối tam giác.

8-14

Hình 8.16. Sơ đồ tác dụng của tải trọng gió.

· Nguyên tắc tính:

o Các đôi sườn (vòm) của cupôn làm việc khác nhau nhưng vẫn tách ra

từng vòm để tính toán.

o Khi chịu tải trọng gió, vòm được chia thành 4 phần: Ở phần tư I, III,

áp lực gió cùng phương, gây chuyển vị ngang. Ở phần tư II, IV, áp lực

gió không cùng phương, không gây chuyển vị ngang. Vì vậy, tính

toán với những vòm nằm trong góc II, III quy tất cả các vòm này về

một vòm tương đương, sau đó phân phối lại cho các vòm ở góc phần

tư thứ I, III tỷ lệ với độ cứng tương của chúng.

· Tính vòm tương đương:

o Độ cứng của vòm tương đương:

i=1

Trong đó:

J _ Mômen quán tính của một vòm;

ϕ _ Góc nghiêng của vòm thứ i với phương của hợp lực gió;

m _ Số lượng vòm ở góc I, III.

Hình 8.17. Gối đàn hồi đỉnh vòm.

o Tải trọng: Được chia thành hai phần. Phần đỉnh là gió hút đối xứng,

tính như phần trên. Phần gần chân vòm là gió không đối xứng.

o Liên kết: Vòm liên kết khớp ở chân. Ngoài ra, góc vòm ở góc II, IV

không bị chuyển vị ngang đồng thời gây một lực làm cản trở chuyển

vị ngang của các vòm ở góc I, III. Vì vậy tại đỉnh vòm tương đương

đặt gối đàn hồi (theo cả hai phương ngang và đứng).

Chuyển vị ngang và đứng của mắt đỉnh do x = 1 và y = 1 gây ra:

ä xx

ä yy

= ∫

EJ td

E∑ J

EJ ∑ cos ϕ

Em J

Hình 8.18. Sơ đồ tính cupôn sườn vòng.

Nguyên tắc tính toán: giống như cupôn sườn nhưng có kế đến sự làm việc của xà gồ

vòng. Tải trọng được chia ra làm hai loại để tính toán:

- Tải trọng đối xứng:

Xà gồ vòng làm việc giống như vành gối nên thay xà gồ vòng bằng các thanh

căng quy ước đặt tại vị trí xà gồ. Từ đó tìm Ath giống như cupôn sườn.

- Tải trọng không đối xứng:

Các xà gồ vòng khi chịu tải không đối xứng sẽ chuyển vị song song với chính

nó, vì vậy có thể coi như nó không chịu nội lực gì. Việc tính toán giống như

cupôn sườn.

8.3.2.3. Cupôn lưới

a) Cấu tạo

Cupôn lưới là sự phát triển hơn nữa về tính không gian.

Giữa hai sườn và hai xà gồ đặt thêm 1 thanh chéo nên nội lực sẽ dàn đều hơn trong

mặt cupôn, trọng lượng kết cấu giảm và dễ tạo được mặt ngoài đẹp. Vì vậy, khi xây dựng

8-18

∫ M M p dx

Chương 8. Kết cấu thép nhà nhịp lớn

cupôn có đường kính lớn, ngày nay người ta thường sử dụng phương án cupôn lưới.

Cupôn lưới thường có cấu tạo là các thanh thép ống liên kết khớp với nhau tại nút.

b) Tính toán:

Tính như vỏ mỏng.

8.4. Hệ mái treo

8.4.1. Khái niệm chung

8.4.1.1. Định nghĩa

Hệ mái treo là kết cấu mà các bộ phận chịu lực chính là dây (chủ yếu chịu lực kéo)

và tựa lên gối tựa).

8.4.1.2. Đặc điểm

- Hệ mái treo là loại kết cấu nhẹ nhất có thể phủ được nhịp lớn nhất.

Ví dụ: Cầu treo qua vịnh Mecxich (Mỹ) có nhịp dài 1542m.

- Hệ mái treo là loại kết cấu tiết kiệm vật liệu nhất (vì kết cấu chỉ chịu kéo, không

bị mất vật liệu để đảm bảo ổn định).

- Chế tạo và lắp dựng đơn giản (do dây treo được làm bằng thép có cường độ cao

và các kết cấu cứng khác treo vào dây có nhịp nhỏ nê kiến trúc nhẹ, dễ vận

chuyển dựng lắp).

- Có thể chế tạo được hình dáng bất kỳ theo mặt bằng và mái nên dễ tạo được kiến

trúc đẹp.

- Dễ biến dạng nên ít dùng trong nhà công nghiệp (không dùng trong nhà công

nghiệp có cầu trục).

- Kết cấu gối tựa lớn nên tốn kém.

- Khó thoát nước.

8.4.1.3. Tính biến hình của kết cấu mái treo

a) Nguyên nhân

- Do kết cấu dây mềm.

- Vật liệu làm dây treo là thép cường độ cao, nhưng môđun đàn hồi E thấp.

b) Các dạng biến hình

- Biến hình động học: do tải trọng gây ra.

- Biến hình đàn hồi: do sự co giãn của dây.

c) Biện pháp khắc phục tính biến hình của hệ

- Chọn hình dạng ban đầu của dây phù hợp với dạng tải trọng.

- Tăng tải trọng mái để bản thân trọng lượng mái đã tạo nên sự ổn định của dây,

nhưng làm như vậy lại không kinh tế.

- Dùng các dây căng để tạo ứng suất trước.

8-19

8-20

Hình 8.20: Sơ đồ kết cấu hệ dây hai lớp.

Hình 8.20a – dây chịu lực cao hơn dây căng → các hệ thanh chịu lực đều chịu kéo

tốt.

Hình 8.20b – xen kẽ có thanh chống chịu nén, kéo.

Hình 8.20c – dây căng cao hơn dây chịu lực tiết kiệm được 1 vành trong hệ thanh

chống chịu nén → không tốt.

8.4.2.3. Kết cấu mái dây hình yên ngựa

Kết cấu mái dây hình yên ngựa là kết cấu không gian tạo nên từ 2 lớp dây trực giao.

Kết cấu cũng bao gồm 2 lớp dây: lớp dây chịu lực và lớp dây căng.

Lớp dây căng đặt trực tiếp lên lớp dây chủ và được căng trước.