Phân tích chi tiết Hệ kết cấu diagrid

Kết cấu Diagrid đã được sử dụng rộng rãi cho nhiều thể loại công trình với nhịp vượt, hình dáng khác nhau. Kết cấu Diagrid có thể hỗ trợ chịu lực tốt cho cả những công trình có đường nét cong hoặc xiên xéo, không cần một kết cấu lõi truyền thống. Hệ Diagrid cũng có thể được dùng cho kết cấu mái để tạo ra những khoảng vượt lớn không dùng cột.

Trang 1

Nguyễn Anh Duy

Hồ Hoàng Duy Trần Bạch Ngọc Nguyễn Thanh Nhã

Lê Tấn Khoa Nguyễn Tấn Thông Trương Lê Trung Tín

BỘ MÔN KẾT CẤU MỚI

HỆ KẾT CẤU DIAGRID

Trang 2

1. GIỚI THIỆU

2. ƯU ĐIỂM VÀ KHUYẾT ĐIỂM

3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

4. VẤN ĐỀ KỶ THUẬT – KHẢ THI

PHẦN II KẾT CẤU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT

1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỂN LỰC

Trang 3

PHẦN 1: DIAGRID - GIỚI THIỆU

Trang 4

Kết cấu Diagrid đã được sử dụng rộng rãi cho nhiều thể loại công trình với nhịp vượt, hình dáng khác nhau Kết cấu Diagrid có thể hỗ trợ chịu lực tốt cho cả những công trình có đường nét cong hoặc xiên xéo, không cần một kết cấu lõi truyền thống Hệ Diagrid cũng có thể được dùng cho kết cấu mái để tạo ra những khoảng vượt lớn không dùng cột.

GIỚI THIỆU

1

Trang 5

PHẦN 1 : DIAGRID – GIỚI THIỆU

DIAGRID = DIAgonal + GRID là sự kết hợp giữa mạng lưới của các cấu trúc có sẵn trong tự nhiên với nguyên tắc tổ chức hệ thanh đan chéo trong

không gian Quá trình phát triển tự nhiên của cấu trúc đan chéo đã cho ra đời Hệ thống lưới thanh không gian DIAGRID, các mạng lưới thanh đan chéo

theo tỷ lệ nhất định và đồng dạng, liên kết tại các mắt nối đặc biệt và sự hỗ trợ lẫn nhau đón nhận tất cả các đối tượng tải trọng lên công trình

Hệ thống lưới thanh Diagrid (gọi tắt là Hệ Diagrid) tạo ra một hệ thống kết cấu không gian dạng vỏ công trình, tiếp nhận tải trọng của các tầng

nhà và tải trọng gió Với hệ khung - vỏ này, có thể giảm nhẹ hệ thống kết cấu khung nhà, tạo sự linh hoạt trong bố trí không gian sử dụng và bố trí hệ thống trang thiết bị ngôi nhà.

Đường nét của một mảng nút đơn giản (mô đun cơ bản ban đầu dạng tam giác, sau mở rộng thành tứ giác, hình tròn ) Nhưng khả năng phát triển hình thái học các mảng nút của Diagrid lại gần như là vô tận.

Biểu tượng của Hệ Diagrid , dựa trên hình ảnh tinh thể kim cương

ĐỊNH NGHĨA

1

Trang 6

ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM

2

ƯU ĐIỂM

Khả năng giải phóng cột rất cao, dễ bố trí không gian, khả năng xử lý hình khối tốt.

• Tính năng chịu lực vượt trội so với các dạng kết cấu thông thường.

• Khả năng tính toán, thiết kế dựa trên công nghệ máy tính cho phép tối ưu hoá và kiểm soát các tham số mà 5 hoặc 6 năm trước đây chưa từng có; Cấu trúc diagrid là nổi trội về thẩm mỹ và biểu cảm.

Tiếp nhận có hiệu quả ánh sáng tự nhiên tại vỏ công trình, qua đó có thể giảm tiêu thụ năng lượng;

Tạo ra các hình thức kiến trúc mới mà các dạng kết cấu hiện tại khó đáp ứng

• Giảm 1/5 lượng thép so với cấu trúc khung

• Khai thác tối đa các vật liệu kết cấu.

Trang 7

PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM

2

NHƯỢC ĐIỂM

• Thiết kế và thi công gặp nhiều khó khăn

• Hệ Diagrid vẫn chưa phải là hệ kết cấu có thể áp dụng cho các công trình có tham vọng vươn cao Vẫn còn khá nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết.

• Quá trình xây dựng cần có đội ngũ kinh nghiệm, nếu không, chỉ một sai sót nhỏ trong lắp ghép cũng làm cho kết cấu bị yếu đi.

• Khi số lượng các công trình sử dụng hệ diagrid tăng lên như hiện nay, công chúng đã quen với hình thức các thanh chéo đan nhau, vì vậy người

KS, KTS cần phải tiếp tục cải tiến để tạo ra những công trình có mặt ngoài đẹp và hiệu quả về mặt chịu lực

Trang 8

Tác phẩm kiến trúc đầu tiên của Vladimir Shukhov là một tháp nước ở Nga.

Cấu trúc tháp được tạo nên từ những thanh thép đan chéo liên tục từ chân cho đến đỉnh, liên kết với nhau bằng các nút tại những giao điểm của các thanh.

Đây được xem là công trình kinh điển là tiền đề cho khái niệm mà sau này người ta gọi là Diagrid.

Trang 9

Pittsburgh, PA, USA

13 tầng

TÒA NHÀ VĂN PHÒNG ĐẦU TIÊN ỨNG DỤNG DIAGRID( BIỂU HIỆN CỦA 1 HÌNH THỨC THIẾT KẾ KIẾN TRÚC MỚI DẠNG LƯỚI “GRID”)

Trang 10

SỰ XUẤT HIỆN CỦA HỆ THỐNG CÁC THANH DẰNG CHÉO TRÊN

BỀ MẶT CÔNG TRÌNH, CÓ VAI TRÒ LÀ KHUNG CHỊU LỰC KẾT CẤU GIÚP GIẢI PHÓNG CỘT BÊN TRONG CÔNG TRÌNH ĐƯỢC GỌI LÀ :

“DIAGONALIZED CORE SYSTEM”

- KẾT CẤU NÀY TẠO HIỆU QUẢ THẨM MỸ ĐẶC TRƯNG TRÊN MẶT ĐỨNG CỦA CÁC NHÀ CAO TẦNG

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

3

1969

John Hancock Center

Chicago, IL, USA

1990

Bank Of China Tower

Hong Kong, China

72 tầng , cao 367m

1996

Puerta De Europa

Madrid, Spain 114m/26 floors

Trang 11

Hearst MagazIne Tower

New York City, NY, USA

2008

Tornado Tower

Doha, Qatar

51 tầng, 195m

- THEO THỜI GIAN KHÁI NIỆM DIAGRID DẦN TRỞ NÊN PHỔ BIẾN

- PHONG TRÀO ỨNG DỤNG CẤU TRÚC DIAGRID VÀO CÁC CÔNG

TRÌNH KIẾN TRÚC CAO TẦNG ĐÃ TẠO NÊN NGUỒN CẢM HỨNG MỚI

MẺ CHO SÁNG TẠO HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC THẾ KỶ XXI

3

Trang 12

Auckland, New Zealand

2015

Lotte Super Tower

Seoul, South Korea 112 tầng, cao 555m

2016

Zhongguo Zun Tower

Trang 13

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, đặc biệt là ứng dụng mô hình BIM (building information modeling) vào thiết kế và thi công công trình kiến trúc đã tạo nên bước đột phá trong việc tính toán giải quyết những hình khối phức tạp, những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao của “diagrid” tạo nên những công trình vô cùng

ấn tượng độc đáo chỉ trong thời gian ngắn

3

Trang 14

YÊU CẦU KỸ THUẬT

4

- Công trình ngày nay có thể đạt tới giới hạn của chiều cao, hình dạng và vật liệu, kết quả của sự tiến

bộ công nghệ mà chúng ta dùng để thiết kế và xây dựng

- Cách chúng ta thiết kế và xây dựng đã thay đổi nhanh chóng, phép thử-sai đã lỗi thời từ lâu, nhất là

khi thiết kế hệ kết cấu Các vấn đề về gió, chấn động và hỏa hoạn phải được đánh giá từ giai đoạn rất

sớm của thiết kế bởi chúng sẽ xác định phạm vi khả dụng của việc ứng dụng Diagrid vào dự án

- Trong khi đây là yêu cầu đối với tất cả các công trình, nó có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các

công trình Diagrid vì hiện nay chúng ta chỉ ở giai đoạn đầu của việc sử dụng Diagrid trong lĩnh vực

này

Mô hình tỉ lệ 1:50 của tháp Canon (Quảng Châu, TQ) trong thử nghiệm bàn rung

Trang 15

PHẦN II: KẾT CẤU VÀ YÊU CẦU KỶ THUẬT

2 KHẢ NĂNG CỦA DIAGRID

4 LỢI ÍCH TRONG KẾT CẤU

1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

Trang 16

ĐỊNH NGHĨA HỆ DIAGRID

1

- Diagrid mô tả một mạng lưới cấu trúc đường chéo Hệ thống này bao gồm các thanh xiên, bình thường chế tạo từ kết cấu thép, được

liên kết tại các điểm nút Hệ thống hình kim cương đòi hỏi các mặt tam giác được phân chia đồng dạng trong cấu trúc

Với trọng lượng khá nhẹ so với khả năng chịu lực của nó, kết cấu này thường được đặt trên vỏ ngoài công trình và liên kết với dầm sàn

- Đây là một ý tưởng thiết kế cấu trúc để xây dựng các tòa nhà kết hợp sự kháng lại trọng lực và tải trọng ngang thành một hệ thống

hình tam giác, loại bỏ vai trò của cột dọc tiết kiệm chi phí và giải phóng không gian bên trong.

Trang 17

1

Góc của hệ diagrid được xác định bởi góc tạo thành giữa đường chéo và sàn nằm ngang

Các đặc trưng và điều kiện của diagrid:

-Kích thước Module được xác định bởi số tầng mà thanh chéo của hình kim cương kéo dài

từ đầu này đến đầu kia

-Các Nút là các điểm giao nhau của các thanh chéo

-Đai biên (horizontal bracing ring) được tạo ra bởi sự kết nối của các nút Diagrid với dầm biên

của sàn

Kết cấu Diagrid thích hợp cho các cấu trúc hữu cơ hoặc các thiết kế phức tạp hơn trong hình thức thẩm mỹ

Trang 18

Một phần lớn các chi phí của kết cấu Diagrid nằm trong việc chế tạo các nút, vì vậy việc thiết kế và xây dựng hướng tới việc giảm thiểu biến đổi số lượng các nút và đơn giản hóa việc kết nối giữa các nút và các đường chéo để tăng tốc

độ lắp dựng

1

Trang 19

KHẢ NĂNG CỦA KẾT CẤU DIAGRID

2

Cấu trúc diagrid có xu hướng không thay đổi đáng kể hình dạng thẳng cơ bản của tháp, các ứng dụng hiện tại của diagrid đang khai thác khả năng của lưới tam giác để dễ dàng phù hợp với nhiều hình thức hình học ngẫu nhiên Thuật ngữ "lưới" chi phối trực tiếp đến kỹ thuật lập bản đồ của phần mềm thiết kế 3D và các phương thiết kế kiến trúc, thông qua phần mềm BIM để chế tạo chi tiết Các khái niệm về một lưới và các đường cong phức tạp là cơ sở của việc thiết kế lưới diagrid hiện đại

Hầu hết các tháp diagrid đều hướng tới việc loại bỏ các cột nằm giữa cấu trúc bên ngoài và lõi Ấn tượng hơn là việc sử dụng chiếu sáng tự nhiên hiệu quả và giảm độ dày sàn Điều này hỗ trợ và thúc đẩy xu hướng kiến trúc bền vững phát triển

Trang 20

- Trái ngược với chiến lược cấu trúc hiện đại trước đó, tòa nhà diagrid đương đại có xu hướng kiến trúc độc đáo, củng cố ý tưởng tham vọng của kiến trúc đẩy mạnh các kỹ thuật công nghệ trong kết cấu

- Đối với các công trình tạo hình phức tạp, Thiết kế nút, các thanh xiên và cấu trúc Diagrid là rất khác biệt về chiều cao, hình dáng, kết cấu,… Đây là một thách thức trong tìm kiếm sự tối ưu hóa của mô hình Diagrid

2

Trang 21

2

Những tiến bộ trong tính toán và mô hình song song với

sự phát triển của cấu trúc Diagrid, dễ dàng hỗ trợ thiết kế

các đường cong trong mọi hình dáng từ kết cấu cho đến

chi tiết, việc tạo ra các bản vẽ thi công và chế tạo

Trang 22

LỰA CHỌN VẬT LIỆU

3

Mặc dù Diagrid có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, nhưng vật liệu phổ biến nhất vẫn là thép Tuy nhiên, gỗ hoặc bê tông cốt thép cũng có thể được sử dụng

Thép vẫn giữ được hình dạng của nó với tải trọng cao rất tốt khi làm việc trong hình dạng các module vì vậy

thép là vật liệu lý tưởng

Bê tông cốt thép có thể được sử dụng để làm lớp vỏ bao che Có thể lấy ví dụ như O-14 Tower ở Dubai sử dụng

bê tông để tách biệt hình dáng khung kim cương điển hình của diagrid Với bê tông công trình có tạo hình như

miếng phomat khổng lồ.

Trang 23

3

- Lựa chọn các vật liệu lõi có thể khác

nhau tùy theo địa phương

- Việc lựa chọn thép cho hệ thống diagrid

còn vì khả năng chế tạo hàng loạt, phục

vụ thi công lắp ráp tiết kiệm được thời gian

xây dựng

Trang 25

3

- Các nút kết nối bằng bê tông cũng rất phức tạp so với xây dựng hệ thống trực giao điển hình Các nút được đúc sẵn và tăng chi phí xây dựng do tính phức tạp của chúng Đối với các công trình hình dạng phức tạp thì số lượng nút cũng tăng và việc thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn

- Hệ thống diagrid bê tông đòi hỏi một lượng lớn công việc khi thi công dẫn đến chi phí xây dựng cao hơn

Trang 26

LỢI ÍCH TRONG KẾT CẤU

4

- Hệ thống diagrid hiện nay thường sử dụng một khung bên ngoài độc lập bao gồm toàn bộ hệ các thanh chống xiên như phương tiện chịu lực chính Các diagrid thường liên kết với các lõi trung tâm góp phần nâng đỡ và cung cấp thêm độ cứng Loại kết cấu này chịu tải trọng ngang của gió hiệu quả hơn so với cột dọc, tạo độ cứng được bổ sung bởi khả năng làm việc của các thanh chống xiên

- So với các cấu trúc khung thông thường mà không có đường chéo, cấu trúc diagrid hiệu quả hơn trong việc giảm thiểu biến dạng cắt nhờ sự phối hợp của các thanh xiên, trong khi cấu trúc khung thông thường bị biến dạng cắt bởi sự bẻ cong của cột dọc

Trang 27

LỢI ÍCH TRONG KẾT CẤU

4

Việc thiết kế hình khối tương đối thẳng

của các tháp diagrid cho phép thu hẹp

khoảng cách đáng kể giữa các tòa

nhà, đó là một vấn đề quan trọng đối

với mật độ đô thị.

Trang 28

NHỮNG TÒA NHÀ DIAGRID ĐƯƠNG ĐẠI ĐẦU TIÊN

5

- Những tòa nhà diagrid đương đại đã xuất hiện trong đầu những năm 2000 là ba dự án đã gần như đồng thời tiến hành tại các văn phòng của Foster + Partners

- London City Hall đã được hoàn thành vào năm 2002

- Swiss Re Tower (còn được gọi là 30 St Mary Axe hoặc "The Gherkin"), cũng ở ở London, bắt đầu thiết kế vào năm 1997, bắt đầu xây dựng vào năm 2000 và được hoàn thành vào năm 2004

- Hearst Magazine Tower ở Thành phố New York đã khởi công trong năm 2003 và được hoàn thành vào năm 2006

London City Hall Swiss Re Tower Hearst Magazine Tower

Trang 29

5

Mặt phía Bắc của tòa nhà có hình dạng cong

sử dụng cấu trúc diagrid, phía Nam sử dụng

khung và cột nghiêng để thích ứng với các góc

độ khác nhau của hình bầu dục và các tấm

sàn Cấu trúc diagrid bao gồm các thanh thép

tròn rỗng

5.1 LONDON CITY HALL

Trang 30

5

5.1 LONDON CITY HALL

Vỏ Diagrid, mặc dù rất cứng, nhưng cần phải được liên kết với các tầng của tòa nhà vì nó được hình thành là một phần của cấu trúc tòa nhà Về bản chất, nó được thiết kế chủ yếu để đỡ các kính cong cũng như để neo giữ các đoạn ramp xoắn ốc lớn bên trong khi nó đi qua mặt tiền

Các module Diagrid hình tam giác không tương ứng với chiều cao tầng để mở rộng một số lớn tầng, như các điểm kết nối của diagrid không hoàn toàn đúng định mức sàn văn phòng Rõ ràng có thể nhìn thấy từ bên trong, sự liên kết của lưới Diagrid được đặt hơi cao hơn mức sàn Chiều cao module là khoảng bốn tầng

Trang 31

5

5.2 SWISS RE TOWER

- Cấu trúc tòa nhà cong được tạo ra bằng cách sử dụng các đoạn thẳng Không giống như các cấu trúc diagrid của London City Hall, quy mô của Swiss Re Tower đủ lớn để cho phép cho một cấu trúc bề mặt trong một hình dạng cong mà không gia tăng chi phí thi công uốn thép Hơn nữa

mô hình tam giác lưới diagrid bên trong hỗ trợ hệ thống mặt tiền tạo ra những ảo ảnh của bề mặt cong

- Cấu trúc diagrid chịu lực theo phương ngang được đỡ ở mỗi tầng tại các nút giao chéo của khung lưới thép, còn đồng thời giữ sự cân bằng cần thiết tránh tình trạng chịu lực không đồng đều Sự phối hợp hình thức hình học như vậy dẫn tới tình trạng các thanh dần được nén chặt hơn ở phần đỉnh của công trình

Trang 32

Trang 33

PHẦN II: KẾT CẤU VÀ YÊU CẦU KỶ THUẬT

2 TỐI ƯU HÓA MODULE

4 KÍCH THƯỚC MODULE

2 MODULE

Trang 34

HÌNH DẠNG CÔNG TRÌNH

HIỆU QUẢ KẾT CẤU ĐỘ CAO TẦNG

YÊU CẦU BỐ TRÍ BỀ MẶT VÀ KÍCH THƯỚC CỬA SỔ

LỰA CHỌN AESS HAY CSS

* AESS : Architecturally Exposed Structural Steel ( biểu hiện kết cấu thép) CSS : Concealed Steel Structure ( Kết cấu thép âm )

CÁC TẢI TRỌNG LỆCH TÂM (accentric load)

Trang 35

Các yếu tố về chiều cao, chiều rộng, tỉ lệ của công trình, thiết kế lõi (có hay không khả năng chịu lực phương ngang), tải gió và động đất có ảnh hưởng quan trong đến kích thước của module trong công trình tháp.

Trong công trình tháp, Module được dựa vào

số tầng giữa 2 nút liên kết Kích thước và sự

sắp xếp module ảnh hưởng đến thiết kế kết

cấu, kích thước các thanh và nút, và những

điều này lại ảnh hưởng trực tiếp đến kiến trúc

của tòa nhà

LỰA CHỌN MODULE

1

2 MODOLE

Trang 36

Nhiều nghiên cứu được tiến hành để xác định kích thước tối ưu, điều mà sẽ trực

tiếp tác động đến hình dạng của Diagrid, kích thước và vị trí các cửa sổ cũng như

số lượng phương án sử dụng cho dự án Ảnh hưởng của hình dạng được nhận định

khác nhau bởi các kiến trúc sư và kĩ sư

Nghiên cứu của Kyuong Sun Moon đại học Yale xác nhận rằng 69 ° là góc hiệu

quả nhất cho một kết cấu Diagrid đồng dạng vì nó dùng khối lượng thép tối thiểu

cho cùng hiệu quả chịu lực

Module và góc nghiêng của kết cấu Diagrid đề xuất cho Lotte Super Tower (Seoul), sử dụng các module có độ cao và góc nghiêng khác nhau để đáp ứng sự khác biệt trong tác dụng của lực theo độ cao của tháp Thanh xiên ở phần đế có góc lớn hơn thanh nghiêng ở phần đỉnh tháp (góc hợp với phương ngang) do ở phần đế chịu tác động của tải trọng nhiều hơn và phần đỉnh tháp chịu tác động của gió nhiều hơn với độ cao 555m

Những công trình cao tầng với tỉ lệ cao : rộng lớn hoạt động như một dầm chịu uốn Những module có góc nhọn hơn có thể chịu được moment uốn này hiệu quả hơn Đối với những kết cấu cao tầng có tỉ lệ cao:rộng từ 4:1 đến 9:1, góc tối ưu 60° đến 70°

Định dạng
Số trang	63
Dung lượng	30,14 MB