khung khơng gian thường được dùng cho cả dàn liên kết khớp và liên kết cứng. Hầu hết các khung khơng gian được hình thành từ những mơ-đun đồng nhất, với hai lớp trên và dưới song song nhau.
Hình thức hình học của các khung khơng gian rất đa dạng. Tuy nhiên, khối bán bát diện (hình kim tự tháp bốn mặt bên) và khối tứ diện (hình kim tự tháp ba mặt bên) được sử dụng rộng rãi hơn trong các cơng trình kiến trúc (Hình 6.1).
Mặc dù thường được sử dụng cho kết cấu mái phẳng ngang khoảng vượt lớn, cấu trúc khung khơng gian cũng thích ứng với nhiều hình thức kết cấu khác, như tường và kết cấu mái dốc hoặc mái cong. Chiều cao khung khơng gian cĩ thể bằng 3 phần trăm khoảng vượt; tuy nhiên, chiều cao kinh tế nhất là khoảng 5 phần trăm khoảng vượt giữa hai gối tựa hoặc 11 phần trăm đoạn vượt cơng-xon. Kích thước mơ-đun kinh tế nhất là từ 7 đến 14 phần trăm khoảng vượt, xét đến việc kích thước mơ-đun giảm sẽ dẫn đến số lượng các thành phần (và chi phí nhân cơng) tăng rất nhiều. Chiều cao của một khung khơng gian nhỏ hơn của hệ vì kèo và xà gồ tương ứng (Hình 6.2). Khung khơng gian là cấu trúc hiệu quả và an tồn, trong đĩ các tải trọng được phân chia và chịu bởi từng thanh thành phần. Tính ổn
định của khung khơng gian khơng bị ảnh hưởng nhiều nếu một vài thanh thành phần bị mất khả năng làm việc; mà khi đĩ, đường phân bố các lực tác động sẽ theo đường vịng qua chỗ hổng, và các thanh thành phần cịn lại cùng chịu thêm lực theo một tỉ lệ tuỳ thuộc độ cứng hoặc sức chịu lực.
Hình 6.1: Các mơ-đun hình học của khung khơng gian thường dùng: (a) khối bán bát diện, và (b) khối tứ diện. Trong đĩ, khối bán bát diện cĩ mặt bằng vuơng, thích hợp hơn cho các cơng trình hình khối chữ nhật.
LIÊN KẾT
Vì các thanh hợp với nhau theo ba phương, các nút liên kết của khung khơng gian khá phức tạp. Đối với khoảng vượt nhỏ, nút liên kết cĩ thể cĩ thể là bản thép dập hình và liên kết bu-lơng với các thanh. Các thanh này thơng thường cĩ tiết diện ngang hình chữ nhật, thuận tiện cho việc lắp đặt với các tấm sàn, tấm mái lấy sáng, vách kính, và các bộ phận khác. Đối với khoảng vượt lớn, nút thường được dùng là khối hình cầu đặc với các lỗ cĩ rãnh để xiết với các thanh hình trụ. Cĩ khả năng cho khoảng vượt đến 200 m, các nút liên kết kiểu này cho phép các đường kính và bề dày thanh khác nhau tùy thuộc lực xuất hiện trong mỗi thành phần (Hình 6.3).
Hình 6.2: Sự so sánh khung khơng gian và hệ vì kèo-xà gồ. (a) Khung khơng gian là cấu trúc ba chiều và vượt hai phương (hoặc hơn). (b) Ngược lại, sự kết hợp vì kèo- xà gồ về cơ bản là hai chiều và vượt chỉ theo một phương cho từng thành phần. Vì các nút liên kết trong khung khơng gian cĩ hình thức phức tạp và chịu lực tương đối lớn, thép và nhơm là vật liệu được sử dụng nhiều nhất. Tuy nhiên, người ta cũng đã xây dựng khung khơng gian bằng gỗ cho các bộ phận nội thất khơng chịu lực.
GỐI TỰA
Nếu khung khơng gian được đỡ bởi các cột tại nhiều vị trí, các lực bên trong các thanh xung quanh gối tựa sẽ lớn hơn đáng kể so với ở
Hình 6.3: Các hình thức nút liên kết trong khung khơng gian : (a) hệ I được chế tạo từ các thành phần thép cán liên kết bu-lơng với nhau và thích hợp với khoảng vượt nhỏ; (b) hệ triodetic bao gồm một nút kéo dài bằng nhơm cĩ các rãnh khĩa và các thanh ống bằng thép khơng rỉ cĩ một đầu dẹp gắn khớp với rãnh khố; và (c) hệ nút cầu KK Mero bao gồm các thanh thành phần hình trụ rỗng xiết được với nút cầu và thích hợp cho khoảng vượt lớn.
các thanh khác. Các thanh gần gối tựa được gia tăng tiết diện ngang để chịu lực lớn hơn đĩ.
Khung khơng gian cần tối thiểu ba gối tựa để ổn định, mặc dù hầu hết cĩ ít nhất bốn gối tựa. Nĩi chung, khung khơng gian càng cĩ nhiều gối tựa thì kết cấu càng hiệu quả. Ví dụ, lực thành phần tối đa trong các thanh của một khung khơng gian hình vuơng cĩ các gối tựa liên tục theo chu vi chỉ bằng 11% lực đĩ trong các thanh của cùng hệ khung nhưng với bốn gối tựa ở gĩc. Hơn nữa, sự khác biệt về lực chịu trong các thanh thành phần cũng nhỏ. Sự khác biệt này càng nhỏ thì các thanh càng mang tính đồng bộ và tiêu chuẩn hĩa cao; do đĩ, kích cỡ các thanh và nút liên kết sẽ kinh tế hơn. Tuy nhiên, khi đĩ chi phí xây dựng cho nhiều cột và mĩng hơn lại tăng (Hình 6.4).
Đối với hệ khung khơng gian cĩ các thanh đồng nhất với số lượng cột hạn chế, ứng suất tại gối tựa cĩ thể được giảm đi bằng cách phân bố
các phản lực gối tựa qua nhiều thanh thành phần hơn. Điều này cĩ thể thực hiện bằng việc sử dụng cột dạng cành cây với nhiều thanh hơn ở điểm tiếp xúc với khung khơng gian (Hình 6.5).
Hình 6.4: Các hình thức gối tựa của khung khơng gian : (a) tại các gĩc, và (b) dọc theo chu vi. Hình thức gối tựa dọc theo chu vi giảm rất nhiều lực cực đại trong các thanh nhưng tăng chi phí cho nhiều mĩng và cột.
CẤU TRÚC TENSEGRITY
Tensegrity là một cấu trúc khung khơng gian ba chiều ổn định được hình thành từ các dây cáp và thanh chống, trong đĩ dây cáp nối tiếp nhau liên tục nhưng các thanh chống khơng chạm với nhau. Được điêu khắc gia Kenneth Snelson sáng chế năm 1948, và được Buckminster Fuller phát triển và lấy bằng sáng chế năm 1961, những cấu trúc này ổn định nhờ vào những thanh chống chịu nén được đỡ chịu giữa các bộ dây cáp căng đối nhau. Snelson, một sinh viên của Fuller, đã hồn hồn chỉnh một số hình thức dựa trên cấu trúc hình học tensegrity (Hình 6.6 đến 6.11).
Hình 6.5: Các hình thức gối tựa của khung khơng gian: (a) gối tựa đầu cột (điểm), (b) gối tựa hình kim tự tháp lật ngược, và (c) các dầm bắt chéo. Gối tựa điểm gây ra các lực rất lớn trong các thành phần gần gối tựa. Các lực này cĩ thể hoặc được giảm đi bằng cách phân bố chúng trên một diện tích lớn hơn nhờ vào các gối tựa cĩ nhánh, hoặc được gia chịu bằng cách tăng kích thước của các thành phần gần gối tựa.
Năm 1961, Fuller lấy bằng sáng chế cho cấu trúc mái aspension sử dụng hình thức tensegrity để tạo nên một cấu trúc nhẹ chịu được sự chuyển vị bởi lực giĩ. Tuy nhiên, cho đến gần đây, khơng cĩ cơng trình thực tế nào ứng dụng lý thuyết của hai ơng được xây dựng.
David Geiger đã chuyển đổi lý thuyết này để áp dụng được trong thực tiễn, qua việc giảm đi sự rườm rà trong hình thức tổ hợp tam giác của Fuller. Theo cách của Geiger, những dây cáp liên tục và các thanh chống khơng liên tục được bố trí tỏa trịn, đơn giản hĩa các đường phân bố lực và tạo nên hình thức vịm dây cáp. Với hình thức này, các đường cong nhẹ được sử dụng, dẫn đến kết quả cĩ lợi là lực tốc mái nhỏ đi và diện tích bề mặt cũng giảm (giảm chi phí xây dựng).
Hình 6.6: Khối 12 mặt tensegrity, do Buckminster Fuller xây dựng, 1949.
Hình 6.7: Free Ride Home (1974, nhơm và thép khơng rỉ) là một trong nhiều mơ hình tensegrity của Kenneth Snelson.
Hình 6.8: Phiên bản hình vuơng của cấu trúc mái aspension cĩ bằng sáng chế của Fuller: (a) hình chiếu trục đo, và (b) sơ đồ tải trọng.
Hình 6.9: Bản vẽ mái vịm aspension cĩ bằng sáng chế của Fuller.
Hình 6.10: Các mái vịm tensegrity so sánh.
Hình 6.11: Phiên bản vịm dây cáp được đơn giản hĩa từ hình thức của Geiger, cĩ tám cạnh, với ba vịng dây cáp.
7
VỊM TRẮC ĐỊA
Vịm trắc địa là một khung khơng gian cong hình cầu, phân bố lực