đặc điểm và phạm vi sử dụng kết cấu nhà nhịp lớn , tính toán kết cấu nhà nhịp lớn, kết cấu khung nhà , kết cấu mái dầm, ưu khuyết điểm của khung nhà nhịp lớn, đặc điểm và phạm vi sử dụng kết cấu nhà nhịp lớn
1 Chơng 2: kết cấu thép nhà nhịp lớn Đ2.1 phạm vi sử dụng đặc điểm kết cấu nhà nhịp lớn Nhà nhịp lớn nhà có khoảng cách cột theo phơng ngang lớn (thông thờng 40m) nhằm mục đích hạn chế số lợng cột bên nhà Kết cấu nhà nhịp lớn đợc dùng công trình dân dụng công nghiệp Trong công trình dân dụng nh rạp hát, nhà triển lãm, sân vận động, nhà ga, nhà thi đấu, chợ Trong công trình công nghiệp nh gara ô tô, hăngga máy bay, xởng đóng tàu, xởng lắp ráp máy bay Kết cấu nhà nhịp lớn có đặc điểm sau: Công trình nhịp lớn công trình xây dựng hàng loạt mà công trình đơn chiếc, yêu cầu kiến trúc cao để phù hợp với tính công trình Kích thớc công trình thay đổi phạm vi rộng Nhịp nhà công nghiệp thay đổi từ 50ữ100m, Xởng lắp ráp máy bay có nhịp 100ữ120m, chiều cao ữ10m, Xởng đóng tàu có nhịp 20 ữ 60m, chiều cao 30ữ 40m Hình dáng phong phú phục vụ nhu cầu riêng nên khó có mô đun điển hình Do phải triệt để điển hình hoá cấu kiện thiết kế Kết cấu nhà nhịp lớn chủ yếu chịu tải trọng trọng lợng thân lợp Việc giảm trọng lợng kết cấu nhiệm vụ ngời thiết kế Để giảm trọng lợng thân ngời ta sử dụng cách sau: sử dụng vật liệu thép cờng độ cao, dùng hợp kim nhôm, dùng vật liệu lợp mái nhẹ nh tôn mỏng, chất dẻo, vải bạt , dùng kết cấu ứng suất trớc, hệ không gian dùng mái dây Kết cấu chịu lực nhà nhịp lớn bao gồm dạng sau: Kết cấu phẳng chịu lực: hệ dầm, hệ khung hệ vòm o Kết cấu kiểu dầm khung thích hợp với mặt hình chữ nhật o Hệ vòm có hình dáng kiến trúc đẹp, tiết kiệm vật liệu, hợp lý sử dụng vợt nhịp 80m Kết cấu không gian chịu lực: Hệ không gian, cupôn, mái dây o Hệ không gian đợc cấu tạo từ dàn phẳng đan chéo nhau, chịu lực theo phơng nên tiết kiệm vật liệu o Mái cupôn đợc sử dụng nhà có mặt hình tròn đa giác o Hệ mái dây đợc sử dụng nhịp lớn, đem lại hiệu cao Đ Nhà nhịp lớn với kết cấu phẳng chịu lực Kết cấu kiểu dầm, dàn Kết cấu kiểu dầm dàn đợc dùng công trình công cộng nh rạp hát, nhà văn hoá, công trình thể thao có mặt hình chữ nhật Nhịp kết cấu kiểu dầm dàn 40 ữ 90m, thông thờng ngời ta sử dụng dàn nhiều dầm Kết cấu kiểu dầm sử dụng tơng đối nhà nhịp lớn, nhịp chúng khoảng 35ữ 40m Kết cấu kiểu dầm có u điểm: sản xuất đơn giản, dễ bảo dỡng Kết cấu dầm mái sân trợt băng châu âu xây dựng năm 1969, mặt 100x73m kê cột cao 12m; dầm dạng hộp 700x4300, dầm phụ theo phơng ngang nhà Kết cấu kiểu dàn: Kết cấu sân trợt băng nghệ thuật Hệ giằng dọc theo mặt phẳng cánh dàn; Dàn chính; Cột đỡ Hănga máy bay nhịp 60m Lựa chọn hình dáng dàn phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng, yêu cầu kiến trúc nh yêu cầu khác (thông gió, chiếu sáng ) Hình dáng dàn dàn cánh song song, dàn hình thang, dàn đa giác, dàn tam giác dàn cánh cung Dàn cánh song song (hình a, b): dùng cho nhà mái có độ dốc nhỏ o Sơ đồ đơn giản liên tục L 60m o Rất nhiều nút giống nhau, chiều dài bụng o Chiều cao dàn h=(1/8 ữ 1/14)L với dàn đơn giản, h=(1/10 ữ 1/18)L với dàn liên tục (giảm 15ữ20% so với dàn đơn giản) Dàn hình thang (hình c, d): o Độ dốc cánh phù hợp với yêu cầu độ dốc mái o i = 1/12 ữ 1/15 o Chiều cao dàn h=(1/8 ữ 1/12)L với dàn đơn giản, h=(1/10 ữ 1/15)L với dàn liên tục Dàn đa giác (hình e): o Cánh gãy khúc o Tiết kiệm vật liệu, chế tạo phức tạp o Dùng cho nhà nhịp có L = 60 ữ 90m Dàn cánh cung (hình i, k): o Nội lực phân bố hợp lý o Vợt nhịp lớn L = 60 ữ 100m o Dàn cánh cung có dạng parabôn (hình k) cho tiết diện cánh dới cánh nhau, độ ổn định dàn tăng trọng tâm dàn hạ thấp Dàn tam giác (hình g, h): o Dùng tải trọng nhỏ độ dốc i = 1/5 ữ 1/7 o Cấu tạo từ hai nửa dàn liên kết với căng dùng L=40ữ50m; Chiều cao dàn h=(1/6 ữ 1/9)L o Cấu tạo từ hai dàn cánh song song có căng đứng dùng L 90m, chiều cao dàn h=(1/6 ữ 1/10)L, chiều cao dàn cánh song song h=(1/12 ữ 1/20)L Việc lựa chọn hệ bụng dàn phụ thuộc vào hình dạng dàn, vào tải trọng tác dụng phụ thuộc vào kết cấu khác liên kết vào dàn Hệ bụng đợc lựa chọn cho trọng lợng dàn công chế tạo Trong nhà nhịp lớn hay sử dụng hệ bụng tam giác có bổ sung đứng, hệ bụng xiên Góc hợp lý bụng với cánh trọng hệ bụng tam giác 45 o hệ bụng xiên 35 o Do nhịp lớn, chiều cao dàn lớn, chiều dài bụng lớn, để giảm chiều dài tính toán mặt phẳng bụng cánh dới, ngời ta sử dụng hệ chống phụ (hình d, e) việc làm tăng công chế tạo nhng giảm trọng lợng dàn Trong dàn cánh cung, nội lực bụng không lớn, việc dụng hệ bụng chéo (làm việc chịu kéo) tiết kiệm vật liệu so với hệ bụng tam giác Dàn nhịp lớn cần phải tính toán độ võng dàn tĩnh tải hoạt tải tiêu chuẩn gây Độ võng cho phép 1/250 L Để giảm độ võng dàn, ngời ta cấu tạo độ vồng xây dựng dàn Độ vồng xây dựng dàn lấy tổng độ võng tĩnh tải tiêu chuẩn nửa hoạt tải tiêu chuẩn gây Tiết diện dàn đợc lựa chọn cho dễ cấu tạo nút, dễ liên kết với kết cấu khác Khi lựa chọn tiết diện dàn cần ý: Chiều cao tiết diện dàn không vợt (1/8 ữ1/10) chiều dài để giảm ứng suất phụ độ cứng nút Khi nội lực cánh thay đổi nhiều cần đổi tiết diện thanh, cố gắng để chỗ đổi tiết diện nút khuyếch đại dàn Độ lệch tâm thay đổi tiết diện không vợt 1,5% chiều cao tiết diện chữ H, chữ thập chữ T, không vợt 4% cho tiết diện chữ I tiết diện kín Nếu độ lệch tâm lớn phải kể đến tính toán Tiết diện dàn dùng dạng sau: Tính toán dàn nhịp lớn tiến hành nh với dàn thờng Kết cấu khung Dùng để phủ mái có nhịp 40 m - 150 m Thờng có loại: khung đặc khung rỗng Khung đặc: Tiết diện cột xà dạng đặc, dùng cho nhịp 50 m - 60 m, thờng sử dụng khung hai khớp, đặt căng để giảm bớt lực xô ngang móng Giảm công chế tạo chuyên chở Khung hai khớp có căng dới Xà ngang; Thanh căng; Cầu trục treo Để giảm mô men uốn xà tải trọng thẳng đứng, thiết kế cho độ cứng đơn vị xà cột xấp xỉ nhau, tỷ lệ chiều cao tiết diện xà nhip 1/30 - 1/40 Khung rỗng: Tiết diện xà cột dạng rỗng Dùng cho nhịp từ 100 m- 150 m, sơ đồ kết cấu khung hai khớp khung không khớp Ưu khuyết điểm kết cấu khung: - Trọng lợng bé kết cấu dàn dầm nhịp - Độ cứng lớn kết cấu dàn dầm nhịp - Chiều cao xà ngang nhỏ kết cấu dàn dầm nhịp - Chiều cao tiết diện cột lớn 10 - Chịu ảnh hởng nhiệt độ móng lún không 45 b) Tính toán cu pôn sờn b.1) Tải trọng: Tĩnh tải: trọng lợng thân cupôn, lớp mái, hệ giằng, xà gồ Hoạt tải: Hoạt tải mái, gió Do tính chất tải trọng, cupôn chịu tải trọng đợc chia thành hai thành phần: Tải trọng đối xứng Tải trọng không đối xứng b.2) Tính cupôn sờn chịu tải trọng đối xứng Do tính chất tải trọng đối xứng, sờn chịu tải nh nhau, với diện tích truyền tải tơng ứng với vòm, nên chia cupôn thành vòm riêng rẽ để tính Sơ đồ tính: thay ảnh hởng vành căng qui ớc, cho biến dạng theo phơng đờng kính vành biến dạng đàn hồi căng: v = th Khi đợc sơ đồ vòm khớp có căng Sơ đồ tính vòm với căng qui ớc Với sờn đặt tơng đối dày đặc nên thay lực xô ngang H chân vòm tải trọng phân bố p Diện tích tiết diện căng quy ớc: - Với cupôn sờn có vành gối hình tròn: A th = ì ì Av ì Ev ; n: số lợng sờn cupôn n ì E th - Với cupôn sờn có vành gối hình đa giác: A th = ì r ì Av ì Ev sin ; lk - chiều dài cạnh đa giác; - góc l k ì E th hai sờn Tính nội lực: - Hệ có ẩn số lực căng 46 - Giải phơng pháp học kết cấu học 47 b.3) Tính toán cupôn sờn chịu tải trọng không đối xứng (Chịu tải trọng gió) Sơ đồ chịu tải trọng gió: chia làm vùng - Vùng II vùng I V chịu tải trọng đối xứng nên không gây chuyển vị cho cupôn - Vùng I vùng III chịu tải trọng không đối xứng hớng nên gây chuyển vị cho cupôn Phơng pháp tính: vòm nằm vùng có tải trọng không đối xứng (I III ) đợc quy vòm tơng đơng đặt vào trọng tâm vùng Lu ý: - Tải trọng gió tác dụng lên vòm tơng đơng gồm hai thành phần: thành phần gió hút đỉnh đối xứng, thành phần gió chân vòm không đối xứng (TCVN 2737:1995 tải trọng tác động); - Khi xét đến làm việc tổng thể cupôn, vòm nằm cung II IV ngăn cản chuyển vị ngang đứng đỉnh vòm, nên bố trí gối đàn hồi đỉnh vòm Sơ đồ tính: m Với J td = J ì cos i i =1 J : mô men quán tính vòm i : góc vòm i so với vòm tơng đơng m: số vòm vùng chịu tải trọng không đối xứng Nội lực: 48 Nội lực vòm = Nội lực vòm tơng đơng ì cos cos i 49 d) cu pôn sờn vòng Giống cu pôn sờn nhng xà gồ vòng làm nhiệm vụ: - Đỡ mái - Tham gia chịu lực giống nh vành chân Liên kết sờn vòng với sờn hớng tâm thờng dùng khớp Xà gồ vòng có tiết diện đặc rỗng (dạng dàn) Tính toán: - Vành chân nh sờn vòng đợc thay quy ớc cho vòm phẳng - Về sơ đồ tính: hệ có nhiều ẩn số - Giải hệ phơng trình n ẩn (n số căng quy ớc) - Tải trọng gió: tơng tự cu pôn sờn 50 e) cu pôn lới e.1) Đặc điểm cấu tạo Là dạng kết cấu vỏ lới Kết cấu gồm sờn hớng tâm, xà gồ vòng chéo, thép ống, liên kết khớp nút Nội lực chủ yếu lực trục (Mcb bé) Nội lực dàn bề mặt cu pôn Nhẹ loại kể Cấu tạo nút phức tạp Mặt chia ô theo nhiều dạng: a sờn, xà gồ chéo b chia ô hình chám c chia ô kiểu 51 đặc điểm kết cấu mái dây (kết cấu mái treo) Đặc điểm cấu tạo: Hệ kết cấu mái dây đợc treo vào kết cấu gối cứng thờng dàn, dầm, khung thép bêtông cốt thép, dây treo làm từ dây cáp xoắn ốc bện từ sợi thép cờng độ cao Đợc sử dụng chủ yếu cho mặt tròn, ôvan, sử dụng cho mặt chữ nhật Ưu điểm: - Kết cấu chịu lực dây, nội lực chủ yếu kéo - Dùng đợc vật liệu có cờng độ cao (b = 12 ữ 14 T/m2) - Trọng lợng thân nhỏ - Dễ chế tạo, dựng lắp vận chuyển, vợt nhịp lớn - Hình dáng đặc biệt Nhợc điểm: - Dễ biến dạng: + chuyển vị động học tải trọng + chuyển vị đàn hồi dây co dãn - Tốn kết cấu gối tựa (thờng cao, lớn) - Khó thoát nớc Biện pháp khắc phục biến dạng: - ứng lực trớc cho dây lợp mái để giảm chuyển vị đàn hồi Phạm vi ứng dụng: - Các dạng thờng gặp: + Hệ dây lớp + Hệ dây trực giao + Hệ dây lớp + Hệ hỗn hợp 52 - Thờng đợc dùng cho công trình thể thao cho công trình có công dụng riêng nhịp lớn 53 4.1 Hệ lớp dây Hệ mái dấy lớp dùng vợt nhịp từ 70-100m, dây đợc neo vào hệ gối cứng, vành cứng Gồm hai loại, dây mềm cáp dây cứng bằn thép hình a) Hệ lớp dây mềm: Thờng dùng cho mái có mặt hình chữ nhật, hình tròn 54 Gối cứng biên song song mặt bằng; gồm dầm biên tựa vào khung cứng Đây kết cấu chịu lực chính, mái liên kết với với dây làm tăng độ cứng cho hệ Để dễ thoát nớc mái: từ dây đầu hồi đến dây căng dần tạo độ dốc phía đầu hồi Khi lợp mái thờng gia tải cho dây dãn, chèn mạch mái, bỏ tải dây co lại, nén mái vào tạo cứng cho mái (đây phơng pháp ứng lực cho dây) Dây đợc tính toán với sơ đồ làm việc riêng rẽ Một số dạng liên kết mái bêtông cốt thép với hệ dây mái Một số dạng liên kết cáp với gối 55 4.2 Tính toán dây mềm không dãn Tỷ lệ hợp lý dây: f 1 f = ữ ; > dây trùng; l 10 20 l 10 f < dây căng l 20 Khi f bỏ qua biến dạng đàn hồi l 20 Vì vị trí dây có M=0, phơng trình cân tiết diện x nh sau: Mx - Hy = => y = Mx / H Lực kéo dây vị trí x: Tx = Q x + H - Mmax; Qx vị trí x đợc xác định nh dầm đơn giản - Lực kéo lớn dây: Tmax = V + H V: phản lực đứng gối tựa H: Phản lực ngang gối tựa: H = M max f Với tải trọng phân bố đều, chiều dài dây l d đợc xác định theo: H= l lì D 8f D = Q 2x dx l d = l(1 + ) ld l 3l D: đặc trng tải trọng (tra bảng 2.2 SGK) 56 4.3 Kết cấu mái dây hai lớp Lớp võng xuống lớp chịu lực Lớp vồng lên dây căng (lớp dây ổn định) Các chống chịu nén (có kéo nh sơ đồ sau) 57 Hệ chịu lực đợc chiều 58 4.4 Kết cấu mái dây trực giao (mái yên ngựa) Đợc hình thành từ lớp dây vuông góc nhau: - Dây võng xuống dây chủ - chịu lực - Dây vồng lên dây căng Tựa, liên kết, neo vào gối cứng vành (hoặc dầm biên) Dây luôn căng với tải trọng tác dụng mái ổn định 59 4.5 kết cấu hỗn hợp dây cứng Đáp ứng nhu cầu không gian rộng Xà đợc treo dây vào cột trụ Giảm mô men xà nhiều lớp dây Thờng dùng cho nhà triển lãm, hăng ga máy bay [...]...11 2.1 Kết cấu khung đặc nhà nhịp lớn Nhịp thờng gặp: 40 ữ 100m (hợp lý: L = 40 ữ 50m) Chế tạo và vận chuyển đơn giản Thờng dùng dạng 2 khớp ở chân Giảm lực xô ngang ở móng dùng thanh căng đặt ở mặt dới nền Chiều cao tiết diện xà ngang: h = (1/30 ữ 1/40)L Liên kết khớp ở chân cột dùng gối đu 2.2 Kết cấu khung rỗng nhà nhịp lớn 12 Nhịp thờng gặp: L = 100 ữ 150m Dạng 2 khớp: ở... (trờng hợp nếu có thể sảy ra) - Phơng trình đờng cong của vòm có thể là đờng parabol, cung tròn, đờng cong hình elíp + Phơng trình đờng cong của vòm parabol có dạng sau: y = 4f l2 x (l x ) 22 - Nội lực: Mx= Md - H.y; Nx= Qd.sin + H.cos; Qx= Qd.cos - H.sin H: lực xô ngang; y: tung độ trục vòm (ymax = f) : góc tiếp tuyến (trục vòm với phơng ngang) Md, Qd: mô men và lực cắt của dầm đơn giản cùng nhịp Với vòm... toán khung nhịp lớn Đặc điểm cấu tạo: tại góc khung (nút) có ứng suất tập trung: - Khung đặc: có bổ sung sờn gia cờng - Khung rỗng: thêm bản ốp và sờn 14 Tính toán: Mô hình hoá các cấu kiện bằng phần tử thanh, đặt vào trục của các cấu kiện + Khung đặc: các thanh liên kết theo sơ đồ ngàm cứng ở nút, khớp hoặc ngàm ở chân cột + Khung rỗng: tạo thành hệ thanh nh dàn, đợc tính toán nh dàn có kể đến biến... tại 1/4 nhịp; à - hệ số chiều dài tính toán, kể đến độ cong của vòm, phụ thuộc sơ đồ vòm và tỷ số f/l Điều kiện ổn định của vòm N th > 1,2 ữ 1,3 N 26 Đ 3 giới thiệu kết cấu mái không gian của nhà nhịp lớn Đặc điểm: là dạng mái có kết cấu mà trục của các bộ phận chịu lực không cùng nằm trong một mặt phẳng và truyền lực theo cả hai phơng, nội lực đợc dàn đều trên mặt mái, nên mái nhẹ hơn và có hình dáng... môn cơ học kết cấu + Chơng trình phần mềm tính toán kết cấu Sap Tính toán và kiểm tra các cấu kiện của cột và xà theo công thức của cấu kiện chịu nén lệch tâm 15 3 kết cấu vòm 3.1 Giới thiệu về kết cấu vòm Kết cấu mái vòm sân vận động Kết cấu mái vòm nhiều nhịp ga tàu hoả 16 Phạm vi sử dụng: - Triển lãm - Cung văn hoá - Bể bơi, nhà thi đấu, Các kích thớc chính của vòm: nhịp L, mũi tên võng f f... và gối phải vòm c) Với vòm hình parabol, hai khớp chịu tải phân bố đều trên một nửa nhịp: 3 1 ql 2 Lực xô ngang: H A = H B = ; Phản lực đứng: R A = ql ; R B = ql 8 8 16f Mx= Md - H.y; Nx= Qd.sin + H.cos; Qx= Qd.cos - H.sin Md, Qd: mô men và lực cắt của dầm đơn giản cùng nhịp chịu tải trọng phân bố đều trên một nửa nhịp d) Vòm hai khớp với ứng suất do sự thay đổi đều của nhiệt độ = 0,937Et h f t -... hợp hàn 18 h=( 1 1 ữ ) L ; h không lớn hơn 2m 50 80 - Nhịp thờng gặp: L=50 ữ 60m - Chế tạo thành từng đoạn vận chuyển 6 ữ 9m Vòm rỗng: h = ( 1 1 ữ )L 30 60 - Tiết diện thân vòm rỗng a) Liên kết khớp bản; b) liên kết khớp cối; c) liên kết khớp đu 1 con lăn; 2 thanh trụ đặc; 3 thớt trên và dới 19 Liên kết khớp bản cấu tạo đơn giản, sử dụng khi phản lực gối không lớn Cấu tạo gồm con lăn mặt trụ đợc... phí về vật liệu, hệ kết cấu là tĩnh định, lắp dựng khó khăn do phải tạo nút khớp, không chịu ảnh hởng của nhiệt độ và lún gối tựa Nội lực ở chân vòm lớn - Vòm không khớp: là hệ siêu tĩnh bậc 3, nội lực nhỏ dẫn tới tiết kiệm đợc vật liệu, chịu ảnh hởng lớn của nhiệt độ và lún gối tựa - Biểu đồ mô men của 3 loại khi chịu tải phân bố đều 1 Biểu đồ mômen đối với vòm 3 khớp; 2 biểu đồ mômen vòm hai khớp;... parabol, hai khớp chịu tải phân bố đều trên toàn nhịp : Lực xô ngang: H = ql 2 ql 2 1 ; Lực dọc: N = ; - góc nghiêng với tiếp 8f 8f cos tuyến của cung vòm; tg = 4f (l 2x ) l2 23 b) Với vòm hình parabol, hai khớp khi chịu lc tập trung: M sẽ đợc tính bằng hiệu M của dầm liên kết hai đầu khớp chịu tải tập trung và M sinh ra do lực xô ngang H đợc tính bằng công thức sau: H = 0,625P ab ab (1 + 2 ) fl l... f - phụ thuộc vào điều kiện sử dụng, kiến trúc, kinh tế Tỷ số lợi nhất f/L = 1/5 - 1/6 Khi f tăng sẽ giảm đợc mômen và lực dọc trong vòm Do các điều kiện về kiến trúc, tối đa có thể lấy f/L = 1/2 - 1/5 Đặc điểm: lực xô ngang lớn do đó phải tạo kết cấu chịu lực xô ngang nh dây căng; khung chịu xô ngang Các kiểu vòm: - Vòm 2 khớp: là loại dùng rất phổ biến, tiết kiệm đợc vật liệu, tỷ lệ vùng chịu mômen