Nhà nhịp lớn, bài giảng của PGs Lê Kiều

Bề mặt của vỏ bê tông cốt thép được phân biệt bằng độ cong một hay hai độ cong, dấu của độ cong dương, âm, không và phương pháp tạo thành mặt dịch chuyển, mặt xoay… Mái có kết cấu chịu l

Nhà nhịp lớn

Bài giảng của PGs Lê Kiều

Chủ nhiệm Bộ môn Trường Đại học Kiến trúc

Đại cương

1 ý tưởng

Gió thổi nâng cái dù làm cho cái dù phồng lên Từng phân tố lớp dù đều chịu lực kéo hết khả năng của mình Không gian được dù che gợi ý cho dạng kết cấu mái nhịp lớn, mỏng, nhẹ Trái bóng cao su bay lơ lửng, các phân tố trên vỏ bóng chỉ có lực kéo Thể tích trái bóng khá lớn nên chiều dày của trái bóng là rất mỏng so với các kích thước khác của trái bóng Sợi dây mỏng manh có thể vượt những khoảng không lớn Những hình ảnh vừa nêu có thể gợi ý cho lọại kết cấu mỏng, nhịp lớn Vật liệu chịu lực có thể sử dụng loại mềm Lớp che phủ có thể mỏng Từ đó có dạng khác nhau của kết cấu vỏ mỏng, kết cấu dây nhịp lớn ra

Nhà mái nhịp lớn kiểu kết cấu dây cũng sử dụng nhiều ở các nhà công cộng và công nghiệp

Bề mặt của vỏ bê tông cốt thép được phân biệt bằng độ cong (một hay hai

độ cong), dấu của độ cong (dương, âm, không) và phương pháp tạo thành (mặt dịch chuyển, mặt xoay…)

Mái có kết cấu chịu lực cơ bản vượt hết nhịp, sử dụng dây cáp là mái dây

Có các loại sau: kết cấu dây, mái treo, hệ thống tổ hợp, mái có dây treo ngoài…

Chương 1

Vỏ thoải có độ cong dương theo hai phương

1.1 Khái niệm

Theo đề nghị của V.Z Vlasov, mặt vỏ được đặc trưng bằng độ cong Gauss

là đường cong tích của đường cong chính

Mặt vỏ có độ cong Gauss dương khi tâm đường cong của các mặt cắt qua pháp tuyến đi qua điểm đang xét ở mặt vỏ nằm trên pháp tuyến về các phía của mặt vỏ

Đối với vỏ có đường cong Gauss dương theo, theo phân loại thì P.L Pastenak gọi là vỏ êliptic

Đặc trưng quan trọng của mặt vỏ là độ lớn của đoạn nâng của vỏ f tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa đoạn nâng kích thước mặt bằng của vỏ mà ta gọi là vỏ cao hay vỏ thoải

Vỏ thoải là vỏ có độ nâng không quá 1/5 của nhịp trên mặt bằng của vỏ Nếu mặt bằng tròn thì f ≤ D/5 trong đó D là đường kính của mặt bằng của vỏ Vỏ thoải hay được sử dụng làm các công trình kết cấu không gian

Lấy vỏ sau đây làm thí dụ cho một vỏ thoải có độ cong Gauss dương, mặt bằng vỏ vuông

Trong trường hợp này, độ nâng toàn phần của vỏ f = 2h và tỷ lệ

5

1



l f

Mặt vỏ là mặt thoải Ta có

f

f l r

Các thông số hình học của vỏ Diện tích bề mặt của vỏ thoải có mặt bằng vuông được tính theo công thức:

S = 4r2 [0 – 0,125 (0 – 0,5 sin2 0)2]  0,134l2

Thể tích của phần không gian chứa trong vỏ tính như sau:

3 0

0 2 0 3

134 , 0 ) sin

( 5 ,

Để xác định vị trí của một điểm bất kỳ nằm trên mặt vỏ, dùng cho khu vực giữa của vỏ, hệ toạ độ x, y, z có dạng:

2 2 2 2

) (

Theo công thức tính diện tích bề mặt của vỏ thoải so sánh với diện tích nền dưới vỏ, ta thấy diện tích vỏ thường lớn hơn diện tích nền khoảng 5%

Ta hãy xem phép so sánh như bảng sau đây:

Lưới cột biên (m) Diện tích sàn (m2) Diện tích mái dốc

Xét trên quan điểm làm việc tĩnh họ của vỏ dưới tác động của tải trọng, vỏ làm việc trong điều kiện tình trạng ứng suất “phi mômen”

Để điều này là hiện thực thì, theo giác độ hình học, mặt vỏ phải đáp ứng những điều kiện:

+ Mọi điểm trên vỏ mặt phải liên tục, nghĩa là bất kỳ đường cong nào nằm trên mặt vỏ cũng không được có vết gấp

+ Bán kính cong r hay độ cong 1/r của bất kỳ đường cong nào nằm trên mặt vỏ cũng không được có vết gấp

+ Bán kính cong của bất kỳ đường cong nào nằm trên mặt vỏ cũng không

được có nếp nhăn

Như thế, mômen uốn do tải trọng phân bố đều của các bộ phận của vỏ sẽ không hình thành và có thể tính toán điều đó theo lý thuyết màng mỏng không

có mômen có kể đến mômen tắt nhanh phát sinh ở vùng gối

Nội lực ở vùng có tác động của kết cấu biên được xác định theo lý thuyết môme Tính toán theo uốn cho thấy mômen suy giảm nhanh khi truyền lên kết cấu biên của vỏ và chỉ cần đặt thép theo cấu tạo là đủ

Theo lý thuyết mômen, nội lực ở kết cấu biên tính theo lý thuyết màng chắn diafragm

Vỏ được tính có tải trọng sau đâu đây tác động:

+ Tải trọng không thường xuyên: tuyết (nếu có), tải trọng gió, tải trọng tập trung khi vận chuyển mái, các tải trọng do quá trình lắp ghép gây ra như tại các

điểm treo buộc…

Khi tính vỏ thoải cong theo hai phương sử dụng cách tính của V.Z Vlasov

Sơ đồ tính vỏ dạng vỏ sò như hình vẽ:

Sơ đồ nội lực do tải trọng phân bố N1 và N2 là các lực pháp tuyến; S là lực

tiếp tuyến; a và b là nửa nhịp

Một số viện thiết kế đã lập bảng để tra tìm nội lực trong vỏ Thường giá trị nội lực được cung cấp phụ thuộc tải trọng phân bố và bán kính cong Khi bố trí

vỏ đối xứng, ứng suất giống nhau ở 4 giải biên của vỏ như hình vẽ

Các nội lực N1, N2, và S được xác định theo các công thức phụ thuộc ứng suất chính và các nội lực cực đại và các cực tiểu của màng mỏng trong vỏ sò Các dải biên, nội lực xác định uốn cục bộ trong lý thuyết mô men Trước đây Liên Xô cũ có viện thiết kế NIIJB và SNIISK đã soạn ra tài liệu “Chỉ dẫn thiết kê mái và sàn mỏng không gian bằng bê tông cốt thép” Nếu so sánh nội lực theo cách tính các bài toán mômen và bài toán phi mômen thì ở khu vực, kết quả khác nhau không đáng kể

Chiều rộng của dải biên ở những nơi có tình trọng có ứng suất do mômen cục bộ phụ thuộc chủ yếu vào độ nâng của vỏ với chiều dày của vỏ (với vở sò có sườn có dạng chiều dày chuyển dẫn) Khi độ cao nâng của vỏ tăng thì chiều rộng vùng này giảm khi tải trọng phân bố đều, vỏ đối xứng và phản xứng, chiều rộng của dải biên sẽ bằng đến 0,06 đến 0,12 của nhịp

Sơ đồ dẫn đến bảng tính vỏ sò

Sơ đồ trạng thái ứng suất của vỏ

1 Vùng trạng thái phi mômen

2 vùng trạng thái ứng suất co mômen

3 Vùng nội lực chịu kéo chính

Như thế, sự làm việc tĩnh học của vỏ sò được đặc trưng như sau:

+ Vùng chịu nén theo các phương chiếm phần lớn diện tích mặt vỏ

+ Vùng có mômen uốn (vùng biên)

Khi các lực tập trung tác động lên vỏ ở điểm đặt lực phát sinh các lực pháp tuyến và lực trượt cũng như mômen uốn và lực cắt

Khi kết cấu làm việc không gian thì các phân tố biên có ý nghĩa hết sức to lớn Lực ở ciên của vỏ sẽ cho màng điafragm chịu có hai đại lượng là lực tiếp tuyến (lực trượt) S và lực ngang Q

Độ lớn của những lực này được tính theo lý thuyết mômen đưa thành bảng

mà một số Viện thiết kế đề nghị Nội lực tính toán cho các bộ phận điafragm biên (vòm hoặc dàn) được xác định từ các lực trượt lực ngang tác động lên lớp trên của điafragm và trọng lượng bản thân tương ứng Trong điafragm, lớp bên trên làm việc theo nén lệnh tâm và lớp dưới làm việc theo kéo lệch tâm

Khi tính toán vỏ không gian mỏng điều ý nghĩa quan trọng là sự mất ổn

định theo trạng thái ứng suất - biến dạng Ngoài ra, dựa vào những kết quả nghiên cứu và quan sát cần chú ý vấn đề ổn định khi kể đến từ biến của bê tông cốt thép cũng như sự nâng cao chất lượng vật liệu sử dụng, điều này cũng làm nâng cao được chất lượng của ổn định của vỏ

Theo các kết quả nghiên cứu thì cường độ giới hạn của lực kéo được xác

định cho vỏ nhẵn:

2 2

20 ) ( 2 , 0

r

E r E

b

F E E





Tình trạng ứng suất và nội lực phát siinh trong vỏ thoải hai chiều dùng để tính toán những dữ liệu như là xác định tiết diện của các bộ phận riêng biệt, số thanh và tiết diện thanh thép, bố trí các mối nối…

Biểu đồ tính toán tải trọng tác động lên điafragm biên

Bảng tung độ biểu đồ tải trọng Biểu

1.2 Giải pháp cấu tạo vỏ thoải lắp ghép hai phương:

Vỏ thoải hai phương bê tông cốt thép có mặt cong dương nếu làm tại chỗ

có vấn đề cốppha và đà giáo khá phức tạp Việc đặt cốt thép và đổ bê tông cũng khó khăn Người ta nghĩ đến phương án lắp ghép Khi thiết kế vở lắp ghép phải

Vỏ có cạnh biên 40 x 40 mét phân chia tấm phân tố thành các tấm hình xuyến có cạnh hướng tâm

Thí dụ về những tấm định hình cấu tạo nên vỏ thoải

cong theo hai phương

Với kích thước đã trình bày ở trên, người ta thấy thích hợp là các tấm phân tốn có kích thước 3x3 mét Những đường chéo của các tấm liền kề sẽ tạo thành các hình thoi Khe giữa các tấm có chiều rộng thay đổi từ 70~120mm

Theo vị trí lắp của tấm mà chia ra thành tấm trong hàng, tấm ở dải biên và tấm góc

Hình vẽ dưới đây giới thiệu định hình cho mái vỏ thoải:

Tấm định hình cho vỏ sò

Bảng sau đây giới thiệu về cách xếp các tấm định hình tạo vỏ thoải

18x1

8 18x21 18x30 18x36 21x21 21x30 21x36 30x30 30x36 36x36

Số lượng tấm Tấm

Kết cấu biên thường có các dạng đầm hay dàn và phổ biến là dàn Hình dưới đây

là một thí dụ một kết cấu biên khá phổ biến:

Một loại dàn được sử dụng làm kết cấu biên

1.3 Chế tạo các tấm định hình của vỏ thoải:

Cốp pha làm các tấm định hình của vỏ thoải có thể bằng gỗ, bằng kim loại, bằng gỗ kết hợp với kim loại cho các phần tử thành cốp pha Đáy của cốp pha nên sử dụng phương pháp sàn in, nghĩa là làm bằng bê tông cốt thép hoặc xây gạch sau đó láng vữa xi măng có đánh màu Việc đánh màu để tiện cho thoa lên mặt cốp pha lớn chống dính bằng loại dàn thích hợp

Dàn biên có thể làm theo dạng dầm bê tông cốt thép có mặt trên có dạng cong vòm Tuy vậy phổ biến kết cấu biên làm có dạng dàn Để tăng hiệu quả

Kết cấu dàn biên có thể làm thành các phân tố có kích thước khoảng ~ 3 mét rồi khuếch đại

Các tấm dàn tạo nên dàn ứng suất trước

Thiết bị để tạo bó thép ứng suất trước

Số lượng các tấm định hình trong các vỏ thoải có các kích thước mặt bằng khác nhau như bảng:

Tên các

loại tấm

Kích 18x18 18x24 24x24 24x30 30x30 30x36 36x36

Chú thích cho hình vẽ thiết bị tạo ứng suất trước cho dàn biên:

1 Cuộn dây 2 Tấm thép bản có lỗ dẫn hướng 3 Cơ cấu dẫn thắng

4 Dao cắt 5 Các thanh thép 6 ống vỏ 7 Mâm chấu

8 Kích thủy lực 9 ốc nối thanh vào kích 10 Dây cáp 11 Thiết bị bù

1.4 Vận chuyển cấu kiện của vỏ:

1.4 Việc vận chuyển cấu kiện của vỏ:

Việc vận chuyển cấu kiện thường dùng xe moóc dài Khi vận chuyển cần

kê đệm những thanh gỗ dưới các tấm Thường kê 2 thanh hoặc khi cần kê 4 thanh Vị trí kê đệm nên trải đều dưới đáy tấm Các tấm có thể kê nằm Tốt nhất

là kê dựng đứng và xếp ép vào nhau, có vỏ bào hay bao tải ngăn cách giữa các tấm Cần đóng thành khung cho 10!12 tấm thành một khung Dưới đây là một thí

dụ cho việc xếp các tấm trong thùng xe moóc

Xếp đứng các tấm trên thùng xe moóc 8 bánh

Xếp đứng ở tư thế nằm trên thùng xe moóc 8 bánh xe

Việc vận chuyển những dàn biên thường sử dụng sơ-mi rơ-moóc dài tối thiểu bằng một nửa nhịp để vận chuyển 1/2 dàn Nếu làm dàn thành những đoạn ngắn thì việc xếp trên moóc cũng giống như việc vận chuyển các tấm

Vận chuyển dàn biên bằng sơ-mi rơ-moóc

Với phần nửa dàn: Chiều dài: 17.550mm, rộng 200mm, cao 3.700mm, số nửa dàn nằm trên một sơ-mi rơ-moóc là 1 cái, nặng 18 tấn

Hình ảnh chung vận chuyển hai nửa dàn trên một sơ-mi rơ-moóc

1.5 Lắp ghép vỏ

Vỏ có thể được lắp khuyếch đại toàn bộ ở cao trình mặt đất rồi nâng lên vị trí trên cao nhờ sử dụng cần cẩu Thông thường khi nâng lên ở vị trí trên đầu cột trên cao hay dùng hai cần cẩu giống nhau về chủng loại, mã hiệu, tính năng kỹ thuật Các dụng cụ dùng cho lắp ghép cũng phải giống nhau, không những về hình dạng, tính năng và cả trọng lượng Sai số về trọng lượng không được quá 1%

Sơ đồ dưới đây là một thí dụ cho biện pháp lắp một vỏ dùng hai cần cẩu Trong hình này:

1 Vỏ bê tông cốt thép 2 Cần cẩu dùng lắp ghép 3 Đòn cẩu 4 Cột

Để nâng vỏ từ mặt đất lên đầu cột còn có thể dùng kích có hành trình dài hoặc hệ thống tời kéo móc cẩu thông qua hệ thống khung dàn để đưa những vỏ lên cao

Dưới đây là hình ảnh hệ thống dàn treo móc cẩu sử dụng tời để đưa vỏ lên

vị trí

Cũng có thể lắp ghép vỏ ngay trên cao trình đúng của nó Làm theo phương pháp này cần sử dụng hệ thống giáo chống để đỡ một khung tạo nên hình dạng mặt dưới của vỏ Khung này không cần lát mặt kín như cốp pha của vỏ

mà chỉ là những khung đỡ dưới các khe nối của các tấm vỏ

Hệ thống giáo có thể là những cây chống trực tiếp, nhưng nên làm thành các khung vuông kiểu chuồng, cũi

Hình nhìn từ trên xuống để thấy khung đỡ các tấm vỏ lắp ghép Mặt trên của khung này là mặt dưới của vỏ

Sơ đồ chân các chuồng giáo đỡ khung dùng dẫn mặt đưới vỏ lắp ghép Dưới đây là một thí dụ chân giáo chống cho vỏ có nhịp là 36 mét

H×nh ¶nh l¾p ghÐp c¸c dµn biªn dïng cÇn trôc K254

Khung dẫn để đặt các tấm vỏ lên trên khi lắp ghép có thể làm cả khung dưới đất, cũng có thể làm từng khối Sau đây, chúng tôi giới thiệu khung dẫn

được lắp trước ở dưới đất và hình ảnh đã đưa khung dẫn lên cao trình thiết kế

Việc lắp dựng vỏ có thể cơ giới hóa cao độ Sơ đồ sau đây giới thiệu một thí dụ trong việc cơ giới hóa đồng bộ lắp dựng một khu liên hiệp có 16 mái vỏ che kín một diện tích đến 1 vạn mét vuông

Trong việc lắp ghép kết cấu vỏ thì việc lắp hệ thống khung dẫn hết sức quan trọng Hệ khung dẫn quyết định chất lượng hình dạng của vỏ Dưới đây là một thí dụ về trình tự lắp một hệ khung dẫn

Trình tự lắp dựng hệ khung dẫn

a Lắp các khung giá đỡ khung dẫn

b Lắp hai kèo cửa khung dẫn

c Lắp các xà gồ

d Lắp các giằng đảm bảo cho ổn định khung dẫn

1 Móng 2 Cột 3 Đường ray 4 Trụ đỡ 5 Cần trục

6 Dàn của khung dẫn 7 Giá khuyếch đại dàn 8 Xà gồ

9 Giằng 10 Thanh giằng cưng 11 Tời Q = 5T

Cũng có thể làm những khung dẫn không phải là những kèo phẳng mà làm thành những khung không gian như sơ đồ tiếp đây:

Sơ đồ khung dẫn kiểu kết cấu không gian có các thanh ngang

a Sơ đồ mặt trên của khung dẫn b Nút giao

1.6 Toàn khối hóa vỏ bằng cách chèn kẽ giữa các tấm vỏ

Bê tông chèn kẽ có cốt liệu lớn không quá 10mm, độ sụt bê tông từ 3 đến

5 cm Cường độ bê tông ít ra bằng cường độ bê tông chế tạo tấm vỏ Có thể làm

bê tông có cường độ cao hơn cường độ tấm vỏ khoảng 30% Nên cho vào trong

bê tông chèn kẽ này phụ gia không co ngót như sikagrout với lượng 2% so với trọng lượng xi măng Cần thiết sử dụng đầm rung có chày nhỏ để đầm cho khe

kẽ được đầy ắp bê tông và bê tông này thật chắc đặc

Hình ảnh chèn kẽ giữa các tấm vỏ để toàn khối hóa vỏ

Đường cong chính của mặt vỏ loại này có thể là hình một đoạn cung của

đường tròn, có thể có eliptic có thế có parabol… Thường làm trong thực tế là

đoạn cung tròn vì mặt trụ loại này đơn giản, dễ như côppha cũng như thi công dễ dàng

Loại vỏ mặt trụ có thể có các dạng sau đây:

+ Vỏ mỏng hoàn toàn, là vỏ có mặt là tấm mỏng nhẵn hoặc có sườn, được chế tạo theo mặt trụ

+ Vỏ có các màng điafragm ngăn ngang (như là màng ngăn ở các đốt tre,

nứa) giữa hai mép biên gọi là chiều dài sóng (l 1) Khoảng cách giữa hai mép biên

gọi là chiều dài sóng (l 2) Chiều cao của vỏ là đoạn tính từ đường dây cung mức

Khi l1/l2  4 ta có loại vỏ gọi là vỏ rất dài khi 4 l1/l2  1 ta có loại vỏ dài,

a Panen cong có sườn có kết cấu biên b Panen sườn cong có một biên

c Tấm có sườn phẳng hay tấm đặc có dầm biên và điafragm

d Panen cong kích thước lớn có dầm biên và điafragm

e.Vòm cong, dàn cong và panen phẳng có sườn

Hình sau đây giới thiệu sự phân bố nội lực và biến dạng của vỏ mặt tru

Nội lực và biến dạng của vỏ mặt trụ

a Sơ đồ nội lực tính toán trong một đơn vị chiều dài

b Các vết nứt đặc trưng do tải trọng phân bố đều sinh ra

Vỏ mặt trụ được thí nghiệm để đo nội lực, biến dạng và kết quả cho thấy sư làm việc khá ổn định

Việc lắp ghép vỏ mặt trụ đơn giản vỏ thoải hai chiều Ta có thể hình dung các bước lắp ghép vỏ mặt trụ như những hình minh hoạ sau đây

Khung dẫn để khuếch đại vỏ mặt trụ

1 Khung dẫn để khuyếch đại vỏ mặt trụ

2 Các tấm vỏ mặt trụ kích thước 3 x 6 m

Vỏ hai độ cong được lắp bằng các tấm mặt hình trụ

tựa vào điafragm dạng vòm

Thiết kế kéo dây căng trước khi lắp vỏ tấm

a Giá di động 1 Gối dỡ bằng gỗ 2 Thanh căng bằng dây cáp

b Lắp ghép neo tạm các tấm 1 Khoá lắp ghép 2.Tăng - đơ

3 Móc lắp ghép 4 Đoạn tết đầu cáp

5 Điafragm dạng vòm 6 Tấm vỏ

Chương 3

Vỏ cong kiểu đoạn lốp xe

Loại này là những vỏ có chiều rộng 6 ~ 8 mét cong như mặt cắt của lốp xe

đạp và nhịp đến 100 mét theo đường kính vành bánh xe đạp

Toàn cảnh một mái kiểu hình lốp xe

Loại vỏ này có độ cứng rất tốt vì bản thân vỏ có hai độ cong Độ cong của mặt cắt từng đoạn vỏ độ cong theo nhịp Loại vỏ này có thể có nhịp khá lớn, từ 80 ~

120 mét

Xét một đoạn vỏ, chiều rộng ngang 7,5, đoạn này cong và có sườn nhỏ Sườn song son với bề ngang vỏ Dọc theo nhịp vỏ cong có độ lớn đến 100 mét cũng có sườn biên vỏ Sườn vỏ có thể là điafragm hình vòm, có thể là dàn vòm

Đôi khi cũng làm sườn biên có dạng dầm cong có dây căng hoặc không có dây căng

Sơ đồ một vỏ dạng vỏ lốp xe đã sử dụng lam nhà đỗ xe số 5 Matsskva

Sơ đồ và kích thước cơ bản của một loại đoạn lốp xe

Sơ đồ đà giáo sử dụng lắp mái dạng đoạn lốp xe thường di động được để lắp xong đoạn này, luân chuyển sang đoạn khác

Sơ đồ đà giáo dùng lắp vỏ đoạn lốp xe theo hướng cắt ngang vòm

Trình tự lắp loại vỏ này có thể diễn tả qua 6 bước sau:

Bước 1: Lắp đà giáo và không dẫn

Bước 3: Bắt đầu lắp hàng tấm chân vỏ

Bước 4: Lắp hàng sườn chân vỏ

Bước 5: Lắp tấm vỏ từ kết cấu biên vào giữa

Bước 6: Lắp đến hoàn thiện Những chú giải

1 Dang giáo 2 Giáo công tác

3 Mặt lắp ghép ở phía dưới dàn giáo

4 Mặt bằng lắp ghép ở phía trên dàn giáo

Sơ đồ căng ứng suất trước cho kết cấu sườn

a Thứ tự các dây ứng suất trước (Căng theo thứ tự)

1 Tời tiện