Tiểu luận kết cấu mới

Bài tiểu luận môn kết cấu mới

KẾT CẤU HỆ LƯỚI THANH KHÔNG GIAN VỎ GVHD: Trần Quốc Hùng Tên: Phạm Thị Xuân Quyên Lớp: KT18/A3 MSSV: 18510101288

A.

Giới thiệu

B.

Nội dung 1.Kết cấu giàn không gian

MỤC LỤC

1.1/ Lịch sử 1.2/ Định nghĩa 1.3/ Đặc điểm chung 1.4 Ứng dụng 1.5/ Phân loại a) Hệ kết cấu mái lưới thanh không gian b) Hệ kết cấu mái lưới thanh không gian dạng vỏ 2. Phân tích hệ kết cấu lưới thanh không gian dạng vỏ 2.1/ Đặc điểm 2.2/ Các dạng bố trí sơ đồ thanh trong khung giàn không gian 2.3/ Lựa chọn hệ thanh bố trí 2.4/ Các nút liên kết của khung giàn 2.5/ Kĩ thuật thiết kế và thi công 3. Các công trình có hệ kết cấu giàn không gian dạng vỏ C.

Kết luận - Cảm nhận về môn học

1

Giới thiệu Giàn không gian là hệ kết cấu giàn mà các phần tử kết cấu của nó chịu lực theo nhiều chiều trong không gian. Giàn không gian được thiết kế mô phỏng theo mô hình kết cấu phân tử hóa học của Natri, Cacbon , kim cương…

Giàn không gian có ưu điểm vượt trội là có kết cấu vững chắc, kiến trúc đẹp, độc đáo. Kết cấu giàn không gian được sử dụng nhiều trong việc xây dựng các công trình công cộng trên thế giới do tận dụng tối đa khả năng làm việc của các phần tử thanh (chịu lực dọc) dẫn đến tiết kiệm vật liệu và an toàn trong sử dụng

2

1. Kết cấu giàn không gian 1.1/ Lịch sử Khung giàn không gian được Alexander Graham Bell thiết kế vào những năm 1900, tuy nhiên nó không thực sự được nhận ra cho tới khi Richard Buckminster Fuller sử dụng nó để xây dựng các cấu trúc vòm của ông. Bell và Fuller chính là những người đầu tiên tạo ra loại kết cấu kỳ diệu này. Alexander Graham Bell là người phát triển khung giàn không gian sớm nhất để giải quyết vấn đề trọng lượng. Sự phát triển của máy tính làm cho việc tính toán và thiết kế dễ dàng hơn. Cùng với việc nâng cao chất lượng và khả năng sử dụng khung kim loại một cách chính xác, khung giàn không gian đã được sử dụng trên quy mô lớn hơn trong những năm 50 và 60.

Richard Buckminster Fuller đã phát triển khung giàn thành các hình mẫu theo mô hình tứ diện, có trọng lượng nhẹ và độ ổn định đáng kinh ngạc. Để thể hiện khả năng của khung không gian, Fuller đã xây dựng Khu Sinh quyển cho Triển lãm Thế giới năm 1967.Ngoài các lợi ích kỹ thuật của khung không gian, thiết kế cũng tập trung vào việc sử dụng vật liệu và nguồn lực ở mức tối thiểu để tạo ra kích thước tối đa cho không gian, từ đó mà loại khung này trở nên kinh tế hơn rất nhiều so với những kết cấu khác.

Bảo tàng sinh quyển Montreal bởi Fuller

3

Kỹ thuật thi công và tính toán giàn không gian khá phức tạp nhưng nhờ vào sự phát triển của khoa học kĩ thuật máy móc trợ giúp cho con người nên giàn không gian có tính khả thi cao trong thi công và xây dựng. Công trình bảo tàng sinh quyển Montreal là công trình có kết cấu giàn không gian đầu tiên, được xây dựng vào thời điểm máy tính điện tử và các phần mềm tính toán chưa thực sự phát triển. Nhưng từ những năm 1950, dàn không gian đã phổ biến hơn được ứng dụng trong các công trình lớn tại các quốc gia phát triển như Đức, Pháp, Nga, Mỹ… Khoảng chục năm trở lại đây, kết cấu dàn không gian của Việt Nam cũng bắt đầu có những bước tiến vượt bậc. Đặc biệt là vài năm gần đây, dàn không gian đã dần thay thế cho những kết cấu mái thép và bê tông thông thường.

Sân bay quốc tế Kansai ở Nhật Bản

Khu liên hợp Olympic ở Sydney 4

1.2/ Định nghĩa kết cấu giàn không gian Kết cấu giàn không gian hay kết cấu giàn không gian thép là một kết cấu chịu lực trong công trình xây dựng, được tổ hợp bởi các phần tử kết cấu dạng thanh, thường được làm bằng thép. Do phân tán lực đều mà khung giàn chịu ít tác động của trọng lực nên kết cấu này thường dùng khi người ta muốn tạo nhịp lớn (có thể đến hàng chục mét) mà với kết cấu bê tông, gạch đá thì khó làm hoặc làm không hiệu quả. Kết cấu này được thấy nhiều nhất ở phần mái của công trình có không gian lớn (như nhà thi đấu, sân vận động, nhà hát, nhà công nghiệp, giàn khoan trên biển,…). Hình thức kết cấu này có thể rất đa dạng và linh hoạt, dễ dàng trong việc tạo hình khối độc đáo cho các công trình mang lại nét đẹp thẩm mỹ khác biệt cho kiến trúc.

1.3/ Đặc điểm chung - Hệ kết cấu giàn không gian thép có tải trọng được truyền theo hai phương; cấu thành từ hệ lưới thanh mọi phân tố dọc, ngang của hệ đều tham gia trong quá trình chịu lực giúp lực phân tán đều khắp khung giàn - Nhờ đó mà kết cấu không gian nhẹ hơn kết cấu phẳng và có tính linh hoạt cao trong việc tạo hình nên thông thường các công trình xây từ kết cấu giàn không gian có hình dáng kiến trúc đẹp hơn - Việc tính toán chính xác kết cấu không gian đòi hỏi rất nhiều công sức khác với kết cấu bê tông cốt thép và cần phải có sự giúp đỡ của các phần mềm tính toán kết cấu - Hệ kết cấu thép không gian nhịp lớn thường dùng là dạng hệ lưới thanh không gian liên kết nhưng nhược điểm của cách liên kết này là các nút giao liên kết rất phức tạp vì vậy việc chế tạo và lắp ráp nó đòi hỏi độ chính xác cao - Kết cấu giàn không gian chủ yếu được sử dụng trong các công trình có nhịp nhỏ ( L<30m), nhịp vừa ( L từ 30 - 60m) hoặc nhịp lớn ( L >60m) 5

* Ưu điểm:

* Nhược điểm:

Kết cấu giàn không gian có khá nhiều ưu điểm khắc phục được những nhược điểm của các kết cấu thông thường khác Có tính thẩm mỹ cao đáp ứng được các yêu cầu về kiến trúc Có khả năng vượt nhịp lớn Giảm thiểu tối đa trọng lượng cho phần móng Có độ ổn định, bền vững cao, giúp chống chọi với thời tiết khắc nghiệt như gió, mưa, bão…

Dễ dàng vận chuyển do khối lượng nhẹ Dễ dàng lắp ráp và thi công Dễ dàng thay thế, sửa chữa những bộ phận bị hư hỏng

Bên cạnh những ưu điểm thì kết cấu giàn không gian cũng có nhược điểm riêng Quá trình tính toán kết cấu phức tạp cần nhiều công sức và phần mềm hỗ trợ Thi công, lắp ráp khó khăn đòi hỏi đội ngũ có tay nghề cao và sự hỗ trợ của máy móc Chỉ phù hợp với các công trình có nhịp lớn để tối ưu chi phí

1.4/ Ứng dụng Giàn không gian có ưu điểm vượt trội là có kết cấu vững chắc, kiến trúc đẹp, độc đáo. Kết cấu giàn không gian được sử dụng nhiều trong xây dựng các công trình công cộng trên thế giới do tận dụng tối đa khả năng làm việc của các phần tử thanh (chịu lực dọc) dẫn đến tiết kiệm vật liệu và an toàn trong sử dụng.

Hệ giàn không gian đáp ứng nhu cầu công trình có vượt nhịp lớn như nhà thi đấu, nhà xưởng, mái che… Sự ra đời của kết cấu không giàn không gian là một giải pháp tối ưu cho sự dung hòa giữa mỹ thuật và kinh tế.

Giàn không gian được xây dựng trên cơ sở 1 phần tử phát triển theo 3 phương, trong phần tử giàn gồm nút và các thanh liên kết.

Hệ kết cấu giàn có thể ứng dụng trong việc xây dựng hệ mái vượt nhịp, dựng lớp vỏ bao che, là hệ kết cấu chịu lực cho công trình,...

6

1.5/ Phân loại kết cấu giàn không gian a)

Hệ kết cấu mái lưới thanh không gian

- Hệ kết cấu mái lưới thanh không gian dùng cho các công trình nhịp lớn L = 50-60m, được cấu tạo từ ba lớp lưới thanh gồm: lớp lưới cánh trên theo mặt mái, lớp lưới cánh dưới thường bố trí song song với cánh trên và lớp thứ ba là hệ thanh bụng liên kết lưới thanh cánh trên với lưới thanh cánh dưới, để bảo đảm độ cứng cần thiết cho hệ kết cấu.

- Mặt bằng có thể bố trí theo dạng 2 phương hoặc 3 phương, dạng chữ nhật, tam giác, đa giác bất kì…

- Kết cấu mái lưới thanh không gian có cột được bố trí theo nhiều kiểu như bố trí cột theo hai hàng biên, cột bố trí theo chu vi, cột bố trí lui vào trong.

Trung tâm hội nghị Javits ở New York

Trụ sở chính của Hertz ở Florida

7

b) Hệ kết cấu không gian dạng vỏ - Là dạng kết cấu không gian bao bên ngoài công trình có vai trò là một lớp vỏ bao che vừa để bảo vệ cho công trình vừa có tác dụng tạo hình mang lại vẻ đẹp thẩm mỹ - Giải pháp kết cấu của hệ thanh dạng vỏ có thể thiết kế một hoặc hai lớp phụ thuộc vào diện tích và mục đích sử dụng hay tạo hình của công trình - Hệ thanh không gian dạng vỏ một lớp thường có ô lưới dạng hình thoi, có thể thiết kế có hoặc không có thanh dọc nhà hoặc thanh ngang nhà. Góc nghiêng thanh với phương dọc từ 45˚~60˚ - Hệ khung vỏ có thể sử dụng thép hình, thép ống, thép dập hoặc dàn nhẹ, tiết diện tỉ lệ 1/80~1/120 với chiều cao nhịp vỏ.

- Phải tính toán đến tính ổn định của vỏ một lớp, cấu tạo biên của vỏ phải chịu được lực xô ngang và hai đầu hồi nhà phải đặt vách cứng.

- Trên thực tế đã có nhiều công trình sử dụng kết cấu không gian cho vỏ bao che để tạo hình kiến trúc và chịu lực tác động mạnh của tự nhiên mà các kết cấu khác bị hạn chế

San Diego Innovation Center ở California

8

Phân tích

2. Phân tích hệ kết cấu lưới thanh không gian dạng vỏ 2.1/ Đặc điểm Khung không gian thường đủ cứng mặc dù nhẹ. Điều này là do đặc tính ba chiều của nó và sự tham gia đầy đủ của các yếu tố cấu thành. Các kỹ sư đánh giá cao độ cứng vốn có và độ cứng lớn của khung không gian và khả năng đặc biệt của chúng để chống lại tải trọng tập trung nặng hoặc không đối xứng. Sở hữu độ cứng cao hơn, các khung không gian cũng cho phép linh hoạt hơn trong việc bố trí và định vị các cột. Vì thế ứng dụng hệ kết cấu vào vỏ bao che cho công trình là vô cùng hợp lý.

Khung không gian có tính linh hoạt về hình dạng và hình thức và có thể sử dụng một mô-đun tiêu chuẩn để tạo ra các lưới không gian khác nhau, vỏ mạng hoặc thậm chí là các hình dạng tự do. Các kiến trúc sư đánh giá cao vẻ đẹp thị giác và sự đơn giản ấn tượng của các đường nét trong các khung không gian. Một xu hướng rất đáng chú ý trong đó các thành phần cấu trúc được để lộ ra ngoài như một phần của biểu hiện kiến trúc. Mong muốn về độ mở cho cả tác động thị giác cũng như khả năng đáp ứng các yêu cầu về không gian thay đổi luôn gọi các khung không gian là giải pháp thuận lợi nhất.

10

Khung không gian thường được thiết kế bằng cách sử dụng ma trận độ cứng. Tính chất đặc biệt của ma trận độ cứng trong khung không gian kiến trúc là tính độc lập của các yếu tố góc. Nếu các mối nối đủ cứng, các góc lệch có thể được bỏ qua, đơn giản hóa việc tính toán. Các thanh giàn trong hệ khung được gọi là ma trận vector đằng hướng hoặc giàn quãng tám trong một đơn vị chiều rộng, Các biến thể phức tạp hơn làm thay đổi chiều dài của thanh chống để làm cong cấu trúc tổng thể hoặc có thể kết hợp các hình dạng hình học khác .

11

2.2/ Các dạng bố trí sơ đồ thanh trong khung giàn không gian Gồm các giàn phẳng đặt giao nhau theo hai hướng hoặc ba hướng

12

Hệ mái ghép bởi các đơn nguyên định hình tháp 4 mặt, 5 mặt hay 7 mặt. Các cách ghép này tạo nên các giàn đặt chéo trong mái.

a) b) c) d)

Sơ đồ mái ghép bởi các đơn nguyên hình tháp Sơ đồ mái ghép bởi các đơn nguyên hình chóp 4 mặt Sơ đồ mái ghép bởi các đơn nguyên hình chóp 5 mặt Sơ đồ mái ghép bởi các đơn nguyên hình chóp 7 mặt

13

Về phương diện cấu tạo, hệ kết cấu lưới thanh là hệ bao gồm nhiều cấu trúc giống nhau ghép lại, được gọi là hệ cấu trúc tinh thể các đơn nguyên cấu thành từ nhiều hình dạng như hình chóp, hình tháp, khối hình hộp,... Đây là kiểu cấu trúc thường dùng trong hệ kết cấu dạng vỏ vì tính chắc chắn, chịu lực tốt và mang lại hiệu ứng 3D cho không gian

14

2.3/ Lựa chọn hệ thanh bố trí Việc lựa chọn cách bố trí hệ thanh cho công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dạng mặt bằng, cỡ vượt nhịp, sơ đồ bố trí gối kê, cấu tạo nút liên kết giữa các thanh, dạng tiết diện các thanh,...

Mái có các ô lưới hình vuông có các đơn nguyên hình chóp 5 mặt hợp dùng cho kết cấu mái che có mặt bằng hình vuông hoặc hình chữ nhật, khi tỉ số hai cạnh < 1: 0,8 khi đó sự làm việc của khung giàn theo hai hướng là gần như nhau. Mái có mặt bằng hình chữ nhật khi tỉ số 2 cạnh > 1: 0,8 nên dùng mái có các dàn đặt chéo góc 45 độ so với chu vi, với các đơn nguyên chóp 4 mặt Mái có các thanh cánh tạo nên các ô lưới hình vuông với các đơn nguyên hình chóp 5 mặt hoặc hình chóp 7 mặt có thể bị biến hình nên không chịu được moment xoắn. Vì vậy khi hệ khung cấu tạo có conson thì cần bố trí sao cho phần conson chỉ chịu uốn ngang.

Mái có các cánh tạo nên hình tam giác, từ các đơn nguyên hình chóp 4 mặt tạo nên hệ lưới không gian có tính bất biến và độ cứng tăng, vì vậy thích hợp cho các mặt bằng hình dạng phức tạp và có các bộ phận làm việc dạng conson Tuy nhiên phức tạp hơn khi chế tạo và lắp ráp.

2.4/ Các loại nút liên kết của khung giàn không gian Nhờ sự phát triển của khoa học - công nghệ mà càng ngày kỹ thuật về chế tạo các nút liên kết càng đa dạng giúp cho việc thi công và lắp ráp hệ khung giàn dễ dàng chắc chắn hơn. Hiện nay ở Việt Nam chủ yếu sử dụng 3 loại nút liên kết sau

Nút cầu

Nút công nghiệp

Nút trụ

15

2.5/ Kĩ thuật thiết kế và thi công -

Lựa chọn tiết diện thanh + Tiết diện hình ống là loại được sử dụng nhiều nhất so với tiết diện tổ hợp từ thép góc đều cánh và nếu các thanh có độ mảnh như nhau thì tiết diện thép ống tiết kiệm được khoảng 15% trọng lượng thép chữ C + Tiết diện thép góc đơn hoặc tổ hợp + Tiết diện là định hình mỏng dập nguội ( vuông, hình chữ nhật) + Chiều dày của thép làm thanh không được nhỏ hơn 2,5mm; thép ống dùng nhỏ nhất là 48 x 2,5mm; thép góc nhỏ nhất là L = 50 x 3mm và L = 63 x 40 x 3mm. Các loại tiết diện trên có thể lấy theo các bảng thép hình có sẵn

-

Thi công và lắp đặt + Hình dạng thiết kế giàn không gian. Kết cấu của khung giàn không gian là một yếu tố quan trọng cần phải tính toán và được lên kế hoạch rõ ràng, có như vậy sẽ dễ dàng cho cả hai khả năng chịu lực và trọng lượng của kết cấu. Các kích thước mô-đun được tính toán hợp lý từ kích thước tổng thể, trong khi cần phải phù hợp với tải trọng và độ sâu của mô hình thi công giàn không gian dạng kết cấu lưới (trong trường hợp hai lớp). Kích thước giàn không gian của lớp bọc và vị trí của các giá đỡ cũng sẽ có ảnh hưởng rõ rệt đến các chi tiết cụ thể nhất. + Trong thực tế thi công giàn không gian mái đón. Đối với bề mặt cong của giàn không gian vòm cung, cho phép số đo tính toán cũng liên quan đến độ cong, hoặc cụ thể hơn là sự kết nối chịu lực để gia tăng thêm liên kết của các nhịp. Một sự tương đồng phân tán lực tải giữa các khía cạnh của từng mô đun khác nhau thường phải được thực hiện để đạt được một giải pháp thỏa đáng trong việc tính toán và thiết kế giàn không gian tối ưu nhất.

16

Giàn không gian có nhiều đặc tính ưu việt hơn so với kết cấu truyền thống. Chúng đem lại sự vững chãi cho các công trình có không gian lớn. Như nhà hát, nhà thi đấu, trạm thu phí, sân vận động.

Biện pháp thi công cho giàn không gian là những giải pháp, phương pháp thực hiện công trình an toàn và bền vững. Có những phương pháp thực tế khi thi công như sau:

Phương pháp lắp rời trên cao Một trong những biện pháp để thi công giàn không gian an toàn đó là phương pháp lắp rời trên cao. Để thực hiện biện pháp này thì bạn cần lần lượt đặt các loại thanh dưới, thanh bụng, thanh cánh trên lên hệ sàn công tác bằng buli. Bạn cũng nên chú ý hệ sàn công tác cần được đảm bảo độ vững chắc an toàn.

Ngoài ra trong khi thi công, bạn phải thường xuyên kiểm tra các đường trục, tia. Và các cao độ, độ thẳng. Nếu có thấy sai số thì phải tiến hành điều chỉnh ngay để đúng với quy định xây dựng.

17

Phương pháp lắp theo khối hay đoạn Để có biện pháp thi công giàn không gian được hiệu quả và an toàn.

Thì phương pháp lắp đặt theo khối hay đoạn được ưu tiên. Để dễ lắp ghép mái, tạo vị trí liên kết với đoạn, bạn nên sử dụng liên kết bu lông.

Tại các vị trí liên kết khối với khối, đoạn với đoạn thì cần có hệ giáo vững chắc. Cũng như sàn thao tác phục vụ cho công tác lắp ghép, để đặt các cột chống trộm.

Biện pháp chuyển trượt trên cao ● ●

Phương pháp chuyển trượt từng đoạn: với biện pháp này, từng đoạn được cẩu lắp vào hệ ray trượt. Sau đó trượt đoạn này đến vị trí cần nối để lắp ghép lại.

Phương pháp chắp dần từng đoạn rồi chuyển trượt: Toàn hệ sẽ được lắp các đoạn lại rồi trượt toàn bộ trên ray trượt vào vị trí.

18

Biện pháp nâng lắp toàn khối Biện pháp thi công còn là phương pháp nâng lắp toàn khối. Với thiết kế bằng các thiết bị nâng như kích thủy lực, bàn nâng chạy điện.

Phương pháp này khá được nhiều công trình xây dựng. Để bảo đảm sự bền vững khi sử dụng và an toàn cho người thi công.

Phương pháp cẩu lắp toàn khối: Dùng 1 hay nhiều cột cẩu (1 hay nhiều cần trục) để lắp mái vào vị trí thiết kế. Số lượng cột cẩu được quyết định bởi sức nâng của cột cẩu và trọng lượng của mái lưới.

19

Tham Khảo

3. Một số công trình có kết cấu thanh không gian dạng vỏ a)

Trung tâm thể thao Datong ở Đại Đồng - Trung Quốc

Là công trình thể thao có kết cấu giàn không gian dạng vỏ, khung giàn bao bọc công trình từ tầng trệt lên tới mái vừa là lớp vỏ bao che vừa là hệ mái cho công trình. Giàn có kết cấu lưới ô hình vuông xếp theo kiểu trực giao.

Kiến trúc sư muốn tạo hình công trình thành biểu tượng như bông hoa, mỗi một đơn nguyên kết cấu không gian là một cánh hoa cúp lại che cho phần ghế khán đài bao quanh khu vực sân vận động, mỗi đơn nguyên có kích thước không giống nhau Kết cấu của công trình chủ yếu là hệ khung giàn thép có kết hợp với bê tông cốt thép, bên ngoài được ốp những tấm kim loại có kích thước phù hợp được chế tạo riêng. Được xây dựng ở khu vực có tác động của động đất nên kiến trúc sư đã lựa chọn kết cấu giàn không gian cho lớp vỏ bớt số lượng cột dầm của bê tông cốt thép giảm được trọng lượng của công trình và tăng số lượng thanh trong hệ khung để nâng cao khả năng chịu lực 20

Để chống đỡ được hệ kết cấu không gian bên dưới là hệ thống cột thép bố trí lùi vào trong theo chu vi của công trình với mức độ dày đặc.

Tiết diện của các thanh thép trong hệ giàn có hình tròn đường kính là d = 250mm, còn cột có kích thước lớn hơn d= 35 - 40mm Nhờ sử dụng kết cấu không gian mà công trình có tạo hình khá độc đáo mang tính biểu tượng của khu vực 21

b) Trung tâm thể thao Olympic ở Hàng Châu Được thiết kế từ hình tượng cánh hoa sen của châu á công trình có lớp vỏ bao che khá độc đáo nhìn tổng thể công trình như một đóa sen trắng giữa lòng đô thị. Có kết cấu khung giàn không gian vỏ bao che của công trình là từng cá thể đơn nguyên ghép lại, nhưng điểm đặc biệt ở đây mỗi đơn nguyên là mỗi khung giàn không gian riêng biệt và được liên kết với nhau nhờ hệ lưới thép.

Nhờ vào việc tận dụng các kịch bản tham số tiên tiến và kỹ thuật mô hình hóa để phát triển và tối ưu hóa lớp vỏ bên ngoài của sân vận động Hàng Châu.

Hệ thống vỏ thép và tô bê tông được phối hợp và liên kết để tạo sự ổn định và tối ưu hóa việc sử dụng thép.

22

Công trình hướng đến mục tiêu tiết kiệm và bảo vệ môi trường nên đã sử dụng những biện pháp đặc biệt trong hệ kết cấu không dựng cả hệ khung lớn bao trùm toàn bộ công trình mà chia ra thành từng khung nhỏ dạng đơn nguyên và ghép lại nhờ hệ lưới thép theo phương ngang. Khi thiết kế các kỹ sư đã chú trọng trong việc tính toán số lượng vật liệu xây dựng và các biện pháp giảm được tối đa mức thép sử dụng cho công trình vì vậy sân vận động ở Hàng Châu so với các sân vận động khác tương tự như Tổ chim hay sân vận động Quốc gia tiết kiệm được tới 67% thép.

23

Hệ kết cấu có dạng liên kết tinh thể hình chóp 4 mặt, liên kết với nhau nhờ mối hàn, thanh thép có tiết diện hình ống d=250mm. Bên dưới có hệ thống cột thép chịu lực và chống đỡ cho lớp vỏ. Bằng cách liên kết vỏ thép và phần bê tông với nhau, cung cấp cấu trúc bổ sung ở phần trên để giảm công xôn mái mà hệ thống thép và bê tông hoạt động đồng bộ do đó giảm lượng thép sử dụng

24

c) Nhà hát opera Cáp Nhĩ Tân ở Trung Quốc Thiết kế bởi công ty Mad Architecture là dự án công trình công cộng mang tính biểu tượng của Cáp Nhĩ Tân. Công trình có tạo hình khá độc đáo với những đường cong uốn lượn mềm mại, để thực hiện được ý tưởng đó các kiến trúc sư đã chọn hệ kết cấu giàn không gian cho công trình.

Hệ kết cấu có tiết diện thanh hình ống giúp giảm khối lượng thép sử dụng cho giàn, đơn giản hóa việc tính toán. Các thanh giàn kết nối và truyền nội lực cho nhau thông qua một khớp bi được thực hiện bằng công nghệ hàn ở nhiệt độ thấp giúp giảm khả năng biến dạng.

Kích thước các thanh giàn phương thẳng đứng L = 1,5m; 2m; 3m; độ dày ống là 3,1mm; mác thép Q345B Kích thước các thanh giàn phương ngang d=250mm; L = 0,6-1,8m; độ dày là 2,75mm; mác thép Q235B Kích thước các thanh nghiêng 0.6х1.0 m, 0.6х1.5 m, 0.9х1.0 m, 0.9 х1.5 m, 1.0х1.5 m, 1.5х1.5 m, 1.8х1.5 m, 2.4х1.5 m; độ dày ống là 2,75mm; mác thép 235B

25

26

Các thanh thép kết nối với nhau bằng nút liên kết hình cầu, đây là loại nút khá phổ biến và dễ dàng lắp ráp trong quá trình thi công nhờ đó mà tiết kiệm được thời gian xây dựng. Sử dụng loại thép không gỉ cho hệ khung với tiết diện các thanh thép thích hợp được tính toán để chịu lực cho từng vị trí nên khung giàn không gian tiết kiệm đáng kể về trọng lượng và vật liệu sử dụng từ đó giảm sức nặng đè lên hệ kết cấu bê tông cốt thép của phần lõi.

Phần kết cấu lớp vỏ khung giàn không gian được thiết kế và tính toán nhờ vào sự trợ giúp của các phần mềm tính toán vì có hình dạng khá phức tạp nên quá trình tính toán trọng lực hay các lực tác động để đưa ra giải pháp thi công phù hợp là khá khó khăn.

27

d) Tòa thị chính mới ở Seoul Có kiến trúc khá đặc biệt với hệ kết cấu không gian bao che toàn bộ công trình và cũng là hệ khung để lắp ráp các tấm kính cho vỏ bao che. Nhờ vào hệ kết cấu giàn không gian mà lớp vỏ bao che của công trình khá độc đáo không chỉ đáp ứng được nhu cầu thẩm mỹ mà còn đáp ứng được vấn đề năng lượng - mục đích thiết kế của công trình.

Có cấu tạo từ các hệ vì kèo đan vào nhau theo kiểu trực giao khiến hệ khung giàn có cảm giác 3 chiều tăng độ chắc chắn và tạo hiệu ứng về thị giác.

Hệ khung sử dụng tiết diện thép dạng ống có d = 250mm liên kết với nhau qua các mối hàn Hệ kết cấu còn có vai trò chịu lực cho toàn bộ mặt tiền của công trình và vừa là lớp vỏ bao che nhưng để hoàn thiện lớp bao che, bên ngoài của hệ kết cấu giàn là một hệ khung lưới có ốp kính được ghép từ các đơn nguyên hình tam giác.

Hệ khung này được liên kết với giàn không gian nhờ vào nút liên kết đặc biệt có cấu trúc tương tự nút liên kết trụ 28

Công trình có hệ kết cấu thép là chủ yếu với khung giàn không gian bao trọn lớp vỏ bên ngoài, nhờ vào hệ khung mà kiến trúc sư có thể uốn cong tạo hình cho bề mặt công trình. Lớp vỏ bao che gồm có 2 lớp kích thước khá dày nhưng nhờ sử dụng vật liệu kính nên không mang lại cảm giác nặng nề, toàn bộ hệ khung giàn đều được làm từ thép không gỉ liên kết chủ yếu nhờ các mối hàn

Khung giàn không gian thép dạng vỏ

Kết cấu bê tông cốt thép bên trong

29

30

e) Sân bay quốc tế Bảo An ở Thâm Quyến Công trình có lớp bao che là hệ kết cấu không gian vượt nhịp lớn, kỹ thuật sử dụng vật liệu đặc biệt kết hợp với hệ khung giàn tạo nên nét đặc sắc cho công trình, dù có diện tích lớn tới 400.000m2 nhưng công trình không có cảm giác nặng nề mà rất nhẹ nhàng nhờ vào hệ kết cấu.

Điều đặc biệt công trình có hệ kết cấu uốn lượn không đồng đều, các giàn có kích thước không giống nhau tạo nên mặt phẳng gợn sóng giúp không gian bên trong không nhàm chán. Thanh bố trí theo dạng sơ đồ chéo nhau vừa có tác dụng chịu lực vừa có tác dụng bao che cho công trình. Bên trong và bên ngoài hệ khung giàn đều được ốp vật liệu bao che là những tấm lưới dạng ô tròn không che hoàn toàn hệ kết cấu nhờ đó mà công trình không bị cảm giác nặng hoặc bí.

31

32

Hệ kết cấu liên kết cái thanh nhờ nút liên kết dạng cầu, tiết diện của các thanh thép hình ống, với mực độ khá dày. Kết cấu chủ yếu là những hệ vì kèo đan chéo nhau thành một lưới bao che bao toàn bộ các kết cấu bê tông cốt thép bên trong nhờ vậy mà lớp vỏ bên ngoài có thể dễ dàng tạo hình theo ý muốn của người thiết kế.

33

f) Trung tâm văn hóa Heydar Allyev ở Baku Là một công trình khá nổi tiếng đặc trưng phong cách kiến trúc của kiến trúc sư Zaha Hadid. Công trình được thiết kế chủ yếu bằng những đường cong khá táo bạo bởi vậy nên kết cấu không gian là một lựa chọn phù hợp cho hệ thống vỏ bao che của công trình. Trung tâm văn hóa là sự kết hợp của kết cấu bê tông cốt thép và khung giàn không gian để tạo được một không gian vượt nhịp lớn không làm cản trở nội thất bên trong. Cả hệ thống vỏ bao che không hề có đường thẳng, toàn bộ phần bên ngoài được ốp từ hơn 12000 tấm ốp tường chất liệu tổng hợp mỗi tấm đều có hình dạng cong khác nhau với kích thước tối đa rộng 1,5m và dài 7m, không tấm nào bằng tấm khác có 40.000 m ống kim loại cấu trúc phụ do máy tính tạo ra bên dưới các tấm, không có ống nào bằng ống khác, khớp hoàn hảo với các tấm và vị trí cố định của chúng Hệ thống khung không gian cho phép xây dựng cấu trúc dạng tự do và tiết kiệm thời gian đáng kể trong suốt quá trình xây dựng, trong khi kết cấu phụ được phát triển để kết hợp mối quan hệ linh hoạt giữa lưới cứng của khung không gian và các đường nối ốp bên ngoài dạng tự do.

34

Toàn bộ vỏ bao che của công trình đều được xây dựng từ hệ kết cấu giàn không gian không có cột chống vì vậy các kỹ sư phải tính toán kỹ càng các tải trọng gió, động đất, trọng lực tác động lên hệ khung để đảm bảo được độ chắc chắn và ổn định lớp vỏ

35

Hệ kết cấu được thiết kế và tính toán bởi sự trợ giúp của các phần mềm. Có cấu trúc dạng tinh thể hình chóp 5 mặt được tạo nên từ các thanh thép tiết diện tròn và có đường kính nhỏ nhất là 250mm. Nút liên kết dùng trong hệ khung phần lớn là nút dạng trụ và nút hình cầu đây là các loại nút phổ biến trong kết cấu giàn không gian dễ dàng trong việc thi công. Hệ kết cấu vừa có tác dụng chịu lực vừa là hệ khung cho các cửa kính lớn của công trình.

36

Công trình có kết cấu khung khá độc đáo các thanh thép dùng trong khung có kích thước khác nhau ở những vị trí nhất định và được kết nối bởi nút liên kết đặc biệt, không chỉ có một loại mà tùy vị trí cũng có những loại nút liên kết khác nhau. khung không gian có mô men uốn lớn ở vị trí tiếp xúc với mặt đất nên để giải quyết vấn đề này và đảm bảo sự ổn định của cấu trúc, các kỹ sư kết cấu sẽ để các lưới không gian ở đây dày lên, từ các phần khác của lớp đơn thành nhiều lớp, để cung cấp khả năng chống uốn phù hợp.

37

Kết cấu không gian sử dụng 19.000 tấn thép để tạo thành, dựa vào kết cấu bê tông cốt thép để chịu lực nên không có cột chống. Lớp vỏ bao che có 2 lớp là khung giàn không gian và hệ khung để lắp các tấm bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRC) vì vậy lớp vỏ bao che bên ngoài công trình khá dày có trọng lượng lớn.

38

Kết luận

Kết luận Kết cấu lưới thanh không gian vỏ ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn nhờ vào sự phát triển của khoa học - kĩ thuật về xây dựng bởi nó có những ưu điểm đặc biệt sau: Có trọng lượng nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép giúp giảm thiểu được đáng kể trọng lượng cho phần móng công trình Có khả năng vượt nhịp rất lớn lên đến hàng chục thậm chí là hàng trăm mét nên là một hệ kết cấu thích hợp áp dụng xây dựng vỏ bao che cho các công trình Kết cấu lưới thanh không gian vỏ có tính thẩm mỹ khá cao nhờ khả năng tạo hình vượt trội, đối với các công trình có thiết kế đường nét đặc biệt thì khung giàn không gian là giải pháp thích hợp Dễ dàng trong việc lắp ráp và vận chuyển vì có trọng lượng nhẹ và các thành phần được sản xuất trước ở nhà xưởng nên quá trình thi công khá thuận tiện tiết kiệm thời gian Ở Việt Nam hiện nay các công trình sử dụng hệ kết cấu lưới thanh không gian vỏ chưa nhiều và chưa phổ biến vì quá trình thi công và tính toán khá phức tạp đòi hỏi tay nghề cao và sự trợ giúp của các phần mềm tân tiến. Nhưng trong tương lai không xa khi đời sống người dân cao hơn, yêu cầu về thẩm mỹ và sự hòa hợp với các công trình kiến trúc cũng tăng thì chắc chắn số lượng công trình sử dụng hệ kết cấu lưới thanh không gian vỏ sẽ tăng đáng kể vì công nghệ thi công ở nước ta đang ngày một tiên tiến hơn. Mà loại kết cấu này vừa đảm bảo được tiến độ thi công, tiết kiệm được nguyên vật liệu, đảm bảo an toàn và mang lại dấu ấn độc đáo về kiến trúc và thẩm mỹ.

39

Cảm nhận về môn học Trước đó em cũng đã từng được học qua các môn về kết cấu như kết cấu công trình 1, kết cấu công trình 2 và không gian nhịp lớn ở các môn học này em đã được biết đến những kiến thức cơ bản nhất về tính chất, đặc điểm của vật liệu hay các lọai kết cấu. Nhưng đến với môn kết cấu mới thì những kiến thức ấy được giới thiệu một cách rõ ràng và bao quát rộng hơn từ đó mà e có thể hiểu kĩ và sâu sắc hơn những kiến thức trước đây qua các chương về kết cấu thép, kết cấu cho những nhà nhịp lớn hay kết cấu liên hợp thép và bê tông ( Compisite). Qua mỗi bài học em lại hiểu thêm về các đặc tính, tính chất và những phương pháp tính toán hay áp dụng đối với các loại kết cấu này trong thực tế. Nó có tác dụng rất lớn đối với em trong quá trình làm đồ án hay đi làm sau này.

Và đặc biệt hơn là nhờ vào bài tiểu luận kết cấu mới cuối môn học em đã có thêm thời gian và cơ hội để tìm hiểu, nghiên cứu về một chuyên đề kết cấu mà em cảm thấy hứng thú đó là kết cấu lưới thanh không gian vỏ. Đối với sinh viên kiến trúc như tụi em thì có thể nói đây là loại hình kết cấu khá được yêu thích vì tính linh hoạt của nó có thể đáp ứng được những đầu óc bay bổng của sinh viên trong việc tạo hình công trình, nhưng trước đây do chưa được học và nghiên cứu qua nên luôn gặp trở ngại khi đi sâu vào kết cấu. Nhờ vào môn học và bài tiểu luận này em có thể xác định được những loại kết cấu cần được áp dụng vào đồ án của mình khi thiết kế.

Một công trình kiến trúc nổi tiếng có thể đạt được một hình khối ấn tượng thì phải kết hợp với hệ thống kết cấu riêng của nó, như những công trình kiến trúc có tiếng trên thế giới đều có hệ kết cấu đặc biệt phù hợp với mặt bằng với vỏ ngoài và với mục đích thiết kế.

Qua đó có thể thấy tầm quan trọng của kết cấu trong ngành kiến trúc và xây dựng, cần phải tìm hiểu nghiên cứu để vận dụng một cách tốt nhất vào phương án.

Theo em thì kết cấu mới thực sự là một môn học vô cùng thiết thực và hữu ích đối với sinh viên kiến trúc vì trong một công trình thì kết cấu luôn gắn kết chặt chẽ cùng phát triển song song và hỗ trợ cho công trình thậm chí còn đóng vai trò làm đẹp cho công trình.

40