Kết Cấu Thép 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 - Chịu ảnh hởng nhiệt độ móng lún không 2.1 Kết cấu khung đặc nhà nhịp lớn Nhịp thờng gặp: 40 ữ 100m (hợp lý: L = 40 ữ 50m) Chế tạo vận chuyển đơn giản Thờng dùng dạng khớp chân Giảm lực xô ngang móng dùng căng đặt mặt dới Chiều cao tiết diện xà ngang: h = (1/30 ữ 1/40)L Liên kết khớp chân cột dùng gối đu 2.2 Kết cấu khung rỗng nhà nhịp lớn Nhịp thờng gặp: L = 100 ữ 150m Dạng khớp: chân nút liên kết xà với cột Dạng không khớp (tăng độ cứng), cột ngàm với móng với xà ngang Xà ngang: h = (1/12 ữ 1/20)L Chiều cao cột: hc = d (khoảng cách nút dàn xà ngang) Biện pháp giảm mômen uốn cho xà khung hai khớp: tạo lệch tâm chân cột 2.3 đặc điểm cấu tạo nút khung tính toán khung nhịp lớn Đặc điểm cấu tạo: góc khung (nút) có ứng suất tập trung: - Khung đặc: có bổ sung sờn gia cờng - Khung rỗng: thêm ốp sờn 10 Tính toán: Mô hình hoá cấu kiện phần tử thanh, đặt vào trục cấu kiện + Khung đặc: liên kết theo sơ đồ ngàm cứng nút, khớp ngàm chân cột + Khung rỗng: tạo thành hệ nh dàn, đợc tính toán nh dàn có kể đến biến dạng tất thanh; Phơng pháp tìm nội lực: + Lực, chuyển vị nh môn học kết cấu + Chơng trình phần mềm tính toán kết cấu Sap Tính toán kiểm tra cấu kiện cột xà theo công thức cấu kiện chịu nén lệch tâm 32 Hỡnh 1.18 Gi chu nộn bỏn cu h) Tớnh toỏn dn li khụng gian dng phng Xỏc nh ti trng - Ti trng tỏc dng lờn kt cu dn li gm : ti trng thng xuyờn (trng lng bn thõn dn, cỏc lp lp, cỏc lp cỏch õm, cỏch nhit ), ti trng tm thi (hot ti mỏi, ti trng giú ), ti trng thi cụng, dng lp Tt c cỏc ti trng v t hp ti trng phi tuõn theo cỏc qui nh ca TCVN 2737 - 1995 Ti trng v tỏc ng - Tiờu chun thit k - Ti trng bn thõn dn cú th xỏc nh c sau ó s b chn tit din cỏc dn - Khi tớnh a ti trng thnh lc trung t ti cỏc nỳt vừng khng ch: - dn mỏi nh : l2 / 200; - dn sn nh : l2 /300 Vi l2 l nhp tớnh toỏn (thng l cnh ngn ca mỏi) Tớnh toỏn ni lc cỏc dn nh phn mm mỏy tớnh Khi tớnh ni lc cỏc a ti trng v thnh cỏc lc trung t ti cỏc nỳt, giỏ tr cỏc lc trung tớnh theo din chu ti ca cỏc nỳt xỏc nh ni lc cỏc dn, vừng ca kt cu cú th dựng cỏc chng trỡnh mỏy tớnh ó thng mi hoỏ nh: SAP-90; SAP- 2000; STAAD III Kt qu tớnh toỏn bng mỏy tớnh cú th coi nh chớnh xỏc v dựng kim tra bn, n nh ca cỏc dn 33 3.2 Hệ không gian dạng vỏ Vỏ lớp hệ không gian lớp, có mặt cong theo chiều, dùng cho công trình có mặt hình chữ nhật nhip đến 90m Yếu tố định làm việc vỏ kết cấu gối đỡ cấu tạo hệ lới Nu h gi c b trớ liờn tc dc theo v tr L, trng hp ny v tr lm vic ging nh vũm vi nhp B, b rng ca thõn vũm c ly ph thuc cu to h li dc theo thõn v; Nu v tr c ta lờn h gi (ct) ti bn gúc ca v, trng hp ny v tr lm vic theo s dm chu un vi nhp l L; Hệ lới hình thoi có cấu tạo đơn giản, có số lợng lớn chi tiết cấu kiện giống nhau, thông thờng đợc sử dụng cho vỏ trụ làm việc theo kiểu hệ vòm Trong trờng hợp góc hợp lý đợc lấy từ (45o-60o) Ngợc lại, trờng hợp vỏ trụ làm việc theo sơ đồ dầm với nhịp L yêu cầu < 30o Hệ lới hình thoi sờn ngang sử dụng hợp lý cho trờng hợp vỏ trụ làm việc theo kiểu vòm, sờn ngang tạo thành vòm cung làm tăng độ ccứng cho vòm giảm đợc chi phí vật liệu, sờn ngang đóng vai trò hệ giằng Hệ lới hình thoi có sờn dọc sử dụng hợp lý trờng hợp làm việc vỏ trụ theo kiểu dầm chịu uốn, sờn dọc làm tăng thêm độ cứng cho vỏ Hệ lới có sờn dọc ngang sử dụng hợp lý vỏ trụ có kích thớc L/B l 10 20 l 10 l 20 f bỏ qua biến dạng đàn hồi l 20 Khi 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 = Q2 x + H - Mmax; Qx vị trí x đợc xác định nh dầm đơn giản - Lực kéo lớn dây: T max = V2 + H2 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 2 l d = l(1 + ) D = Q x dx 2 ld l 3l D: đặc trng tải trọng (tra bảng 2.2 SGK) 4.3 Kết cấu mái dây hai lớp 44 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) Hệ chịu lực đợc chiều 45 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 46 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