Các cấu trúc thuộc hệ cong dạng dây cáp được hình thành mang hình dáng ứng trả tải trọng tác dụng, sao cho những ứng suất xảy ra bên trong các bộ phận chỉ là ứng suất kéo hoặc là ứng suất nén.
8
DÂY CÁP VÕNG CATENARY
ĐƯỜNG CONG DẠNG DÂY CÁP
Hình thức võng catenary là hình dạng dây cáp bị võng chỉ dưới tác động của tải trọng bản thân (đồng đều dọc chiều dài dây cáp). Hình thức parabola là hình dạng dây cáp treo chịu tải trọng phân bố đều trên phương ngang của khoảng vượt, khơng kể tải trọng bản thân. Khi tỉ lệ giữa khoảng vượt và độ võng lớn hơn 5, hai hình thức trên gần như đồng nhất, và hình thức parabola thơng thường được dùng cho tính tốn (Hình 8.1).
Trong tập tài liệu này, thuật ngữ cấu trúc dây cáp võng chỉ cấu trúc dây cáp chịu lực dưới hình thức catenary và các hình thức dây cáp treo khác chịu tải trọng dọc theo chiều dài của nĩ, khơng xét đến sự phân bố tải trọng cụ thể.
ỨNG LỰC CATENARY
Đối với một tình huống chịu tải xác định, chiều sâu độ võng của cấu trúc dây cáp võng quyết định lực xơ ngang sinh ra (hướng vào trong); độ võng càng nhỏ, lực xơ ngang càng lớn (Hình 8.2).
Cấu trúc dây cáp võng cĩ thể vượt khoảng vượt rất lớn. Với mỗi trường hợp cụ thể của khoảng vượt và tải trọng, tỉ lệ giữa độ võng và khoảng vượt luơn là yếu tố tiên quyết trong thiết kế kết cấu và cấu tạo. Các lực dây cáp, chiều dài, và đường kính đều phụ thuộc tỉ số
này. Tỉ số này cũng quyết định chiều cao cột chống và các lực nén cũng như cách thức chống lại lực xơ ngang hướng vào trong do dây cáp gây ra.
Hình 8.1: Các hình thức võng của dây cáp treo dưới tác động của tải trọng: (a) catenary đối với tải trọng phân bố đều dọc theo chiều dài cong của dây cáp, và (b) parabola đối với tải trọng phân bố đều trên phương ngang của khoảng vượt. Khi tỉ lệ giữa khoảng vượt và độ võng lớn hơn 5, hai hình thức này gần như đồng nhất. Một cách tổng quát, các lực dây cáp tỉ lệ nghịch với độ võng; nĩi cách khác, khi chiều dài dây cáp giảm nĩ địi hỏi đường kính tăng. Một dây cáp cĩ độ võng nhỏ thì ngắn nhưng yêu cầu đường kính lớn để chịu lực kéo rất lớn; ngược lại, một dây cáp cĩ độ võng lớn cĩ thể cĩ đường kính nhỏ vì lực kéo nhỏ nhưng lại trở nên khá dài. Đối với
một tải trọng đơn đặt tại trung điểm, độ võng tối ưu là 50% khoảng vượt; đối với dây cáp chịu tải trọng phân bố hình thức parabola, độ võng tối ưu xấp xỉ 33% khoảng vượt. Tuy nhiên trên thực tế, các vấn đề khác (chiều sâu cho phép của độ võng và thiết kế của gối tựa theo phương đứng) làm giảm tỉ lệ này đáng kể; hầu hết các dây cáp cho kết cấu mái cơng trình kiến trúc cĩ tỉ lệ độ võng:khoảng vượt là 1:8 đến 1:10.
Hình 82.2: Phản lực xơ ngang thay đổi tỉ lệ nghịch với chiều sâu độ võng của dây cáp.
Cấu trúc dây cáp võng cĩ thể được chia làm ba hình thức: cấu trúc một chiều cong, cấu trúc hai hệ cáp, và cấu trúc hai chiều cong (Hình 8.3).
Hình 8.3: Các hình thức cấu trúc dây cáp võng.
CẤU TRÚC MỘT CHIỀU CONG
Cấu trúc một chiều cong bao gồm hai hay nhiều dây cáp catenary
song song treo giữa các gối tựa chính. Hệ dây cáp này cĩ thể chịu kết cấu bao che một cách trực tiếp (tạo nên một mái cong chẳng hạn) hoặc gián tiếp (sử dụng hệ dây cáp phụ thẳng đứng để chịu kết cấu mái phẳng hay sàn cầu treo, v.v.)
CẤU TRÚC HAI HỆ CÁP
Cấu trúc hai hệ cáp tương tự cấu trúc một hệ cáp nhưng cĩ thêm một hệ cáp giằng hệ cáp treo chính để chống lại lực tốc mái. Nếu hai hệ cáp nằm trong cùng mặt phẳng thì cần cĩ thêm các hình thức đảm bảo sự ổn định theo phương ngang (vuơng gĩc với mặt phẳng này) (Hình 8.4, 8.5).
CẤU TRÚC HAI CHIỀU CONG
Cấu trúc hai chiều cong cĩ hình dạng yên ngựa (một chiều cong dương theo một phương và một âm theo phương ngược lại), theo đĩ, hệ cáp treo vượt giữa các gối tựa theo một phương trong khi hệ cáp giằng theo phương vuơng gĩc hướng xuống để tránh lực tốc mái (Hình 8.6).
Hình 8.4: Ba ví dụ của cấu trúc hai hệ cáp cho thấy sơ đồ truyền lực của hệ cáp treo (bên trái) và hệ cáp giằng (bên phải).
Hình 8.6: Hình dạng yên ngựa là hình đặc trưng của cấu trúc dây cáp hai chiều cong và cấu trúc màng căng, cĩ khả năng chống lại sự dao động do lực tốc mái.
9
MAØNG CĂNG
Cấu trúc màng căng là một màng mỏng, cong hai chiều ngược nhau, được chịu bởi vịm cung hay cột chống chịu nén. Cĩ thể xem đây là một biến dạng của cấu trúc dây cáp võng hai chiều cong mà khoảng cách giữa các dây cáp giảm nhỏ bằng khơng và bề mặt trở nên là một màng liên tục (Hình 9.1). Trong cấu trúc màng căng, tấm màng chịu tất cả hoặc một phần lực kéo. Khi khoảng vượt gia tăng, lực kéo gia tăng, diện tích bề mặt phải được chia nhỏ bởi các dây cáp—chịu tải trọng kéo chủ yếu—và màng căng vượt giữa các dây cáp.
Hình 9.1: Cấu trúc màng căng với các hình thức gối tựa chịu nén khác nhau: (a) cột chống bên trong, (b) vịm cung bên trong, và (c) cột chống bên ngồi.
Nếu cạnh biên của cấu trúc khơng được cố định liên tục, nĩ thường mang dáng cong lõm để đảm bảo nĩ vẫn trong trạng thái kéo. Vì các cạnh biên là nơi tập trung ứng suất cao, chúng thường được gia cường bằng dây cáp chạy liên tục đến điểm neo. Điểm neo cĩ thể liên kết với dây cáp giằng (truyền lực kéo xuống mĩng), hoặc cĩ thể được chịu bởi cột chống hay trụ chịu nén (truyền tải trọng nén xuống đất nền).
VIỆC THIẾT KẾ CẤU TRÚC MAØNG CĂNG
Horst Berger, một kỹ sư tham gia trong nhiều thiết kế cấu trúc màng căng gần đây, đã viết “Mặc dù vật liệu và cơng nghệ đã phát triển đáng kể trong những năm gần đây, nhiều kiến trúc sư vẫn thấy xa lạ với những thiết kế và cách thức làm việc của màng căng. Đặc tính tạm thời và khơng ổn định gắn liền với các tên gọi tấm bạt hay màng
che đậy một sự thật là những cấu trúc này đã trở nên an tồn và đáng tin cậy hơn so với nhiều hình thức thơng dụng khác―bởi vì chúng hầu như là khơng cĩ tải trọng và tạo nên một bề mặt kín nước liên tục, mềm dẻo. Tính phức tạp về hình thức cong ba chiều của cấu trúc màng căng làm sai lệch đặc điểm làm việc giản đơn của nĩ―phụ thuộc chỉ vào ứng suất kéo và độ cong để đảm bảo tính ổn định khi chịu tải. Sự giản đơn này tạo ra hình thức biểu hiện của màng căng là hình thức thực sự của chính sự truyền lực.
“Trong cấu trúc màng căng, hình thức kiến trúc và vai trị kết cấu là một và như nhau. Do vậy, kết cấu và kiến trúc là khơng thể tách rời, và sự am hiểu về mặt cấu trúc là một cơng cụ thiết kế quan trọng. Vì hình dáng biểu hiện liên hệ chặt chẽ với sự làm việc về mặt kết cấu, sự am hiểu này khơng khĩ để nắm bắt. Quan sát những cấu trúc này là một cách rất tốt để bước đầu cĩ thể thiết kế chúng.” (Berger, 1995).
Một cách khác để cĩ được những hiểu biết trực giác về hình thức thích hợp của cấu trúc màng căng là thực hiện mơ hình thí nghiệm bằng vải mỏng co giãn được với các gối tựa là vịm cung, cột chống hay dây. Mặc dù đối với kích thước cơng trình thật, người ta cần mức độ kéo giãn tối thiểu; và thực tế, vải bạt được chọn dùng phải chống lại sự kéo giãn khi nhận tải trọng (cùng với những đặc điểm khác). Trong các thiết kế cấu trúc màng căng hiện nay, mơ hình máy tính ba chiều được sử dụng để thể hiện hình dáng của cấu trúc và các tấm riêng lẻ và để tính tốn ứng suất kéo nội tại. Để ổn định trước tải trọng giĩ (và gia tăng tuổi thọ), cấu trúc màng căng cần được thiết kế là cấu trúc hai độ cong (Hình 9.2).
GỐI TỰA
Cấu trúc màng căng được chống đỡ dễ dàng nhất là bởi hệ cột trung tâm, nhưng hình thức này lại khơng tối ưu về mặt kết cấu. Vịm cung hay cấu trúc chịu nén phức tạp hơn cĩ thể được áp dụng làm nhiệm vụ chống đỡ. Hệ dây cáp cĩ thể được treo giữa các cột chống bên để chịu các đỉnh màng căng tại nhiều điểm (Hình 9.3). Khi sử dụng các cột chống trung tâm, cĩ thể làm giảm ứng suất của vải bạt bằng cách phân bố tải trọng trên một diện tích lớn hơn thơng qua các mũ cột hình nấm (Hình 9.4).
Hình 9.2: Đặc tính mặt cong hình yên ngựa của hầu hết cấu trúc màng căng cĩ thể được tạo ra và nghiên cứu bằng cách kéo căng bốn gĩc của một tấm vật liệu co giãn được ra khỏi mặt phẳng của nĩ. Để ý rằng, vì các cạnh biên một cách tự nhiên mang hình dáng cong lõm, chúng luơn chịu ứng suất kéo (các cạnh thẳng sẽ cĩ khuynh hướng phập phồng). Trong các cấu trúc màng căng kích thước thật, những cạnh biên này, là nơi tập trung ứng suất cao, được gia cường bằng dây cáp võng
catenary.
VẬT LIỆU
Trước đây, cấu trúc màng căng được cho là chỉ thích hợp cho cơng trình ngắn hạn vì lý do vật liệu vải bạt dễ bị phá hủy dưới tác động trực tiếp của nắng mặt trời. Sự phát triển trong việc sản xuất vải bạt cải tiến chất lượng (đáng chú ý là sợi thủy tinh) và lớp bao che bảo vệ trước sự phá hoại của ánh nắng (Dupont Teflon, chẳng hạn) đã làm gia tăng tuổi thọ sử dụng của vải bạt căng đến hơn 20 năm.
Hình 9.4: Imagination Building (1994; London; Herron Associate, văn phịng kiến trúc sư): mặt cắt qua nhà triển lãm cho thấy các thanh chống cĩ mũ hình nấm để chống đỡ bên trong mái nhà bằng vải bạt.
Hình 9.3: Hệ dây cáp treo giữa các cột chống cĩ thể được dùng để chịu các đỉnh màng căng: (a) cột chống bên ngồi, (b) cột chống bên ngồi với dây cáp treo,
(c) cột chống bên trong với dây cáp treo bên dưới các thanh chống căng màng. CẠNH BIÊN
Các cạnh biên của màng căng thường được gia cường bằng dây cáp , nếu chúng tự do. Những dây cáp này sẽ cĩ dáng cong lõm, vì lý do của sơ đồ ứng suất hợp lý của màng căng và hệ chống đỡ cả cấu trúc. Các hình thức cạnh biên cố định, như tường, dầm, vịm cung, cĩ thể cĩ hình dạng linh hoạt miễn là chúng tạo ra được đường cong hợp lý dọc theo cạnh biên của màng căng và cĩ khả năng chống lại ứng suất sinh ra.
10
MAØNG KHÍ NÉN
Cấu trúc màng khí nén phân bố tải trọng đến gối tựa nhờ vào các màng được điều áp. Nĩ chỉ truyền các lực kéo thơng qua bề mặt màng. Hình dáng của cấu trúc màng khí nén được xác định hồn tồn từ áp lực khí nén và tải trọng tác động. Cách thức các lực điều áp tác động lên màng bao che là cơ sở cho việc thiết kế và phân tích cấu trúc màng khí nén. Nguyên lý là áp suất khí hình thành tải trọng phân bố đều vuơng gĩc với mọi điểm trên bề mặt màng.
Hình 10.1: Các hình thức cấu trúc màng khí nén.
Cĩ hai hình thức cơ bản của cấu trúc màng khí nén: cấu trúc chịu lực bằng khí nén và cấu trúc bơm phồng bằng khí (Hình 10.1). Cấu trúc chịu lực bằng khí nén cĩ lớp màng đơn, được bịt kín theo đường chu vi và chịu bởi áp suất bên trong cao hơn bên ngồi. Như vậy, tồn bộ thể tích bên trong được điều áp.
Cấu trúc bơm phồng bằng khí bao gồm các cấu kiện (như vịm cung, cột) được điều áp bằng khí và trở nên ổn định để chịu lớp bao che; khơng gian bên trong khơng bị điều áp.
CẤU TRÚC CHỊU LỰC BẰNG KHÍ NÉN CẤU TRÚC CỦA BONG BĨNG XAØ PHỊNG
Bong bĩng xà phịng là một cấu trúc chịu lực bằng khí nén tự nhiên được hình thành bởi các áp lực khơng cân bằng ở hai mặt của màng nước. Ứng suất kéo của bề mặt màng nước làm hạn chế bong bĩng phồng to. Khi ứng suất bề mặt đạt đến mức giới hạn sức chịu kéo của màng nước, bong bĩng sẽ bể. Bởi vì áp suất bên trong tác động đồng đều theo mọi phương, màng bong bĩng cĩ xu hướng hình thành một hình dạng cĩ diện tích bề mặt tối thiểu. Đối với bong bĩng trong khơng khí, hình dạng này là hình cầu; đối với bong bĩng nằm trên mặt phẳng nằm ngang, hình dạng tự nhiên sẽ là hình bán cầu. Các áp lực bên trong bong bĩng luơn tác động vuơng gĩc với bề mặt. Nếu mặt đáy của bong bĩng trên một mặt phẳng bị giới hạn theo một
hình khác hình trịn, bong bĩng sẽ tự nhiên biến đổi hình dạng thành hình cĩ diện tích bề mặt nhỏ nhất thích ứng với hình dáng đường bao và áp suất bên trong (áp suất cao hơn sinh ra bong bĩng cao hơn). Nếu hai bong bĩng lơ lửng cĩ kích cỡ giống nhau (áp suất giống nhau) gặp nhau, chúng sẽ hợp với nhau và bề mặt màng sẽ giao nhau theo gĩc 120º đối với mỗi bong bĩng và với mặt phân cách (mặt phân cách phẳng trong trường hợp áp suất hai bên bằng nhau). Nếu kích cỡ của hai bong bĩng khác nhau, áp suất bên trong khác nhau và mặt phân cách sẽ phình cong về một bên; nhưng gĩc giữa bề mặt ngồi của hai bong bĩng và mặt phân cách luơn là 120º. Một khối giao nhau của nhiều bong bĩng cĩ kích cỡ bất kỳ luơn tuân theo hình dáng hình học 120º như trên (Hình 10.2).
Hình 10.2: Hình dáng giao nhau theo gĩc 120º của các bong bĩng xà phịng kề nhau: (a) hai bong bĩng cùng kích cỡ cĩ nmặt phân cách phẳng, (b) hai bong bĩng khác kích cỡ (mặt phân cách cong), và (c) các khối ba và bốn bong bĩng.
HÌNH DÁNG
Tất cả cấu trúc chịu lực bằng khí nén cĩ xu hướng mang hình dạng bán cầu. Độ cong phải là lồi theo ít nhất một phương (cĩ thể cĩ hình dáng yên ngựa); độ cong lồi theo hai phương phổ biến hơn. Các hình dáng đường bao cĩ gĩc cạnh sẽ sinh ra sự tập trung ứng suất tại các gĩc; do vậy, các gĩc thường là cong trịn (Hình 10.3, 10.4).
CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA TẢI TRỌNG
Cũng như các cấu trúc khác, cấu trúc chịu lực bằng khí nén chịu ảnh hưởng bởi tải trọng bản thân (tải trọng bản thân tấm bạt và những tải trọng bất dịch khác được treo đỡ từ màng căng) và tải trọng động (tải trọng giĩ, mưa, tuyết, tác động tạm thời). Ngồi ra, cấu trúc cịn chịu ảnh hưởng bởi tải trọng điều áp giúp màng căng trong trạng thái chịu kéo và như thế chịu được các tải trọng bản thân và tải trọng động.
Tải trọng bản thân
Trong các cấu trúc chịu lực bằng khí nén bằng vật liệu mỏng như vải bạt thì tải trọng bản thân khơng đáng kể so với các tải trọng khác. Hầu như tất cả các cấu trúc chịu lực bằng khí nén hiện nay và trước đây đều trong trường hợp này. Tuy nhiên, nếu vật liệu nặng hơn được sử dụng (vì lý do cách ly hay tuổi thọ chẳng hạn), tải trọng bản thân cĩ thể được tính đến.
Nĩi chung, tải trọng bản thân khơng nên tập trung nhằm tránh ứng suất cục bộ và biến dạng lớn xảy ra. Tải trọng nên được phân bố đều trên diện tích càng rộng càng tốt và màng căng cần được gia cường thích hợp.
Hình 10.3: Các hình dáng cấu trúc chịu lực bằng khí nén dạng cầu: (a) một phần tư hình cầu, (b) bán cầu, và (c) ba phần tư hình cầu.
Hình 10.4: Các hình dáng cấu trúc chịu lực bằng khí nén khác dạng cầu: (a) hình yên ngựa trịn xoay, (b) hình ê-líp trịn xoay, (c) hình chữ nhật với các gĩc bo trịn.
Tải trọng động
Tải trọng tích tụ của tuyết là một vấn đề quan trọng đối với cấu trúc chịu lực bằng khí nén, đặc biệt khi chiều cao tương đối thấp (thường là khoảng vượt lớn). Tải trọng tuyết tích tụ tương đối phân tán đồng đều và cĩ thể dự tính; phức tạp hơn, tuyết trơi sẽ gây cho bề mặt bị vặn méo khơng thể lường trước.
Sự tác động của giĩ là một vấn đề được cân nhắc rất kỹ đối với cấu trúc chịu lực bằng khí nén. Trong cấu trúc cĩ độ dốc lớn, áp lực giĩ