BÀI GIẢNG NHÀ NHỊP LỚN CỦA PGS LÊ KIỀU

Giã thæi n©ng c¸i dï lµm cho c¸i dï phång lªn. Tõng ph©n tè líp dï ®Òu chÞu lùc kÐo hÕt kh¶ n¨ng cña m×nh. Kh«ng gian ®­îc dï che gîi ý cho d¹ng kÕt cÊu m¸i nhÞp lín, máng, nhÑ. Tr¸i bãng cao su bay l¬ löng, c¸c ph©n tè trªn vá bãng chØ cã lùc kÐo. ThÓ tÝch tr¸i bãng kh¸ lín nªn chiÒu dµy cña tr¸i bãng lµ rÊt máng so víi c¸c kÝch th­íc kh¸c cña tr¸i bãng. Sîi d©y máng manh cã thÓ v­ît nh÷ng kho¶ng kh«ng lín. Nh÷ng h×nh ¶nh võa nªu cã thÓ gîi ý cho lä¹i kÕt cÊu máng, nhÞp lín. VËt liÖu chÞu lùc cã thÓ sö dông lo¹i mÒm. Líp che phñ cã thÓ máng. Tõ ®ã cã d¹ng kh¸c nhau cña kÕt cÊu vá máng, kÕt cÊu d©y nhÞp lín ra ®êi.

Nhà nhịp lớn

Bài giảng của PGs Lê Kiều

Chủ nhiệm Bộ môn Trờng Đại học Kiến trúc

Đại cơng

1 ý tởng

Gió thổi nâng cái dù làm cho cái dù phồng lên Từng phân tố lớp dù đều chịu lực kéo hết khả năng của mình Không gian đợc dù che gợi ý cho dạng kết cấu mái nhịp lớn, mỏng, nhẹ Trái bóng cao su bay lơ lửng, các phân tố trên vỏ bóng chỉ có lực kéo Thể tích trái bóng khá lớn nên chiều dày của trái bóng là rất mỏng so với các kích thớc khác của trái bóng Sợi dây mỏng manh có thể vợt những khoảng không lớn Những hình ảnh vừa nêu có thể gợi ý cho lọại kết cấu mỏng, nhịp lớn Vật liệu chịu lực có thể sử dụng loại mềm Lớp che phủ có thể mỏng Từ đó có dạng khác nhau của kết cấu vỏ mỏng, kết cấu dây nhịp lớn ra

Nhà mái nhịp lớn kiểu kết cấu dây cũng sử dụng nhiều ở các nhà công cộng và công nghiệp

Bề mặt của vỏ bê tông cốt thép đợc phân biệt bằng độ cong (một hay hai

độ cong), dấu của độ cong (dơng, âm, không) và phơng pháp tạo thành (mặt dịch

Chơng 1

Vỏ thoải có độ cong dơng theo hai phơng

1.1 Khái niệm

Theo đề nghị của V.Z Vlasov, mặt vỏ đợc đặc trng bằng độ cong Gauss là

đờng cong tích của đờng cong chính

Mặt vỏ có độ cong Gauss dơng khi tâm đờng cong của các mặt cắt qua pháp tuyến đi qua điểm đang xét ở mặt vỏ nằm trên pháp tuyến về các phía của mặt vỏ

Đối với vỏ có đờng cong Gauss dơng theo, theo phân loại thì P.L Pastenak gọi là vỏ êliptic

Đặc trng quan trọng của mặt vỏ là độ lớn của đoạn nâng của vỏ f tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa đoạn nâng kích thớc mặt bằng của vỏ mà ta gọi là vỏ cao hay vỏ thoải

Vỏ thoải là vỏ có độ nâng không quá 1/5 của nhịp trên mặt bằng của vỏ Nếu mặt bằng tròn thì f ≤ D/5 trong đó D là đờng kính của mặt bằng của vỏ Vỏ thoải hay đợc sử dụng làm các công trình kết cấu không gian

Lấy vỏ sau đây làm thí dụ cho một vỏ thoải có độ cong Gauss dơng, mặt bằng vỏ vuông

Trong trờng hợp này, độ nâng toàn phần của vỏ f = 2h và tỷ lệ

5

1

=

l f

Các thông số hình học của vỏDiện tích bề mặt của vỏ thoải có mặt bằng vuông đợc tính theo công thức:

S = 4r2 [ϕ02 – 0,125 (ϕ0 – 0,5 sin2ϕ0)2] ≈ 0,134l2

Thể tích của phần không gian chứa trong vỏ tính nh sau:

3 0

0 2 0

sin ( 5 ,

ϕ ϕ

Trong hai công thức tính diện tích và thể tích này:

; 13 / 5 sin ϕ0 = ctgϕ0 = 12 / 5 và ϕ0 = arcsin 5 / 13.

Để xác định vị trí của một điểm bất kỳ nằm trên mặt vỏ, dùng cho khu vực giữa của vỏ, hệ toạ độ x, y, z có dạng:

2 2 2 2

) (

Theo công thức tính diện tích bề mặt của vỏ thoải so sánh với diện tích nền dới vỏ, ta thấy diện tích vỏ thờng lớn hơn diện tích nền khoảng 5%

Ta hãy xem phép so sánh nh bảng sau đây:

Lới cột biên (m) Diện tích sàn (m2) Diện tích mái dốc

Xét trên quan điểm làm việc tĩnh họ của vỏ dới tác động của tải trọng, vỏ làm việc trong điều kiện tình trạng ứng suất “phi mômen”

Để điều này là hiện thực thì, theo giác độ hình học, mặt vỏ phải đáp ứng những điều kiện:

+ Mọi điểm trên vỏ mặt phải liên tục, nghĩa là bất kỳ đờng cong nào nằm trên mặt vỏ cũng không đợc có vết gấp

+ Bán kính cong r hay độ cong 1/r của bất kỳ đờng cong nào nằm trên mặt

có mômen có kể đến mômen tắt nhanh phát sinh ở vùng gối

Nội lực ở vùng có tác động của kết cấu biên đợc xác định theo lý thuyết môme Tính toán theo uốn cho thấy mômen suy giảm nhanh khi truyền lên kết cấu biên của vỏ và chỉ cần đặt thép theo cấu tạo là đủ

+ Tải trọng không thờng xuyên: tuyết (nếu có), tải trọng gió, tải trọng tập trung khi vận chuyển mái, các tải trọng do quá trình lắp ghép gây ra nh tại các

điểm treo buộc…

Khi tính vỏ thoải cong theo hai phơng sử dụng cách tính của V.Z Vlasov.Sơ đồ tính vỏ dạng vỏ sò nh hình vẽ:

Sơ đồ nội lực do tải trọng phân bố N1 và N2 là các lực pháp tuyến; S là lực tiếp tuyến; a và b là nửa nhịp.

Một số viện thiết kế đã lập bảng để tra tìm nội lực trong vỏ Thờng giá trị nội lực đợc cung cấp phụ thuộc tải trọng phân bố và bán kính cong Khi bố trí vỏ

đối xứng, ứng suất giống nhau ở 4 giải biên của vỏ nh hình vẽ

Các nội lực N1, N2, và S đợc xác định theo các công thức phụ thuộc ứng suất chính và các nội lực cực đại và các cực tiểu của màng mỏng trong vỏ sò Các dải biên, nội lực xác định uốn cục bộ trong lý thuyết mô men Trớc đây Liên Xô cũ có viện thiết kế NIIJB và SNIISK đã soạn ra tài liệu “Chỉ dẫn thiết kê mái

và sàn mỏng không gian bằng bê tông cốt thép” Nếu so sánh nội lực theo cách tính các bài toán mômen và bài toán phi mômen thì ở khu vực, kết quả khác nhau không đáng kể

Chiều rộng của dải biên ở những nơi có tình trọng có ứng suất do mômen cục bộ phụ thuộc chủ yếu vào độ nâng của vỏ với chiều dày của vỏ (với vở sò có sờn có dạng chiều dày chuyển dẫn) Khi độ cao nâng của vỏ tăng thì chiều rộng vùng này giảm khi tải trọng phân bố đều, vỏ đối xứng và phản xứng, chiều rộng của dải biên sẽ bằng đến 0,06 đến 0,12 của nhịp

Sơ đồ dẫn đến bảng tính vỏ sò

Sơ đồ trạng thái ứng suất của vỏ

1 Vùng trạng thái phi mômen

2 vùng trạng thái ứng suất co mômen

3 Vùng nội lực chịu kéo chính

Khi các lực tập trung tác động lên vỏ ở điểm đặt lực phát sinh các lực pháp tuyến và lực trợt cũng nh mômen uốn và lực cắt.

Khi kết cấu làm việc không gian thì các phân tố biên có ý nghĩa hết sức to lớn Lực ở ciên của vỏ sẽ cho màng điafragm chịu có hai đại lợng là lực tiếp tuyến (lực trợt) S và lực ngang Q

Độ lớn của những lực này đợc tính theo lý thuyết mômen đa thành bảng

mà một số Viện thiết kế đề nghị Nội lực tính toán cho các bộ phận điafragm biên (vòm hoặc dàn) đợc xác định từ các lực trợt lực ngang tác động lên lớp trên của điafragm và trọng lợng bản thân tơng ứng Trong điafragm, lớp bên trên làm việc theo nén lệnh tâm và lớp dới làm việc theo kéo lệch tâm

Khi tính toán vỏ không gian mỏng điều ý nghĩa quan trọng là sự mất ổn

định theo trạng thái ứng suất - biến dạng Ngoài ra, dựa vào những kết quả nghiên cứu và quan sát cần chú ý vấn đề ổn định khi kể đến từ biến của bê tông cốt thép cũng nh sự nâng cao chất lợng vật liệu sử dụng, điều này cũng làm nâng cao đợc chất lợng của ổn định của vỏ

Theo các kết quả nghiên cứu thì cờng độ giới hạn của lực kéo đợc xác

định cho vỏ nhẵn:

2 2

20 ) ( 2 , 0

r

E r E

F là diện tích tiết diện có chiều rộng b (khoảng cách giữa các trục của sờn) của sờn tại chỗ các bộ phận của sờn liền kề nhau

I là mômen quán tính của tiết diện đó:

F

=

Tình trạng ứng suất và nội lực phát siinh trong vỏ thoải hai chiều dùng để tính toán những dữ liệu nh là xác định tiết diện của các bộ phận riêng biệt, số thanh và tiết diện thanh thép, bố trí các mối nối…

Biểu đồ tính toán tải trọng tác động lên điafragm biên

Bảng tung độ biểu đồ tải trọng Biểu

Các dạng hình học của vỏ thoải cong hai phơnga.- Cắt mặt vỏ thành các hình sông song với đờng biên

b.- Cắt vỏ thành hình xuyến rồi cắt xuyên tâm

Vá cã c¹nh biªn 40 x 40 mÐt ph©n chia tÊm ph©n tè thµnh c¸c tÊm h×nh xuyÕn cã c¹nh híng t©m

Thí dụ về những tấm định hình cấu tạo nên vỏ thoải

cong theo hai phơng

Với kích thớc đã trình bày ở trên, ngời ta thấy thích hợp là các tấm phân tốn có kích thớc 3x3 mét Những đờng chéo của các tấm liền kề sẽ tạo thành các hình thoi Khe giữa các tấm có chiều rộng thay đổi từ 70~120mm

Theo vị trí lắp của tấm mà chia ra thành tấm trong hàng, tấm ở dải biên và tấm góc

Hình vẽ dới đây giới thiệu định hình cho mái vỏ thoải:

Tấm định hình cho vỏ sò

Bảng sau đây giới thiệu về cách xếp các tấm định hình tạo vỏ thoải

18x1

8 18x21 18x30 18x36 21x21 21x30 21x36 30x30 30x36 36x36

Số lợng tấm Tấm

Kết cấu biên thờng có các dạng đầm hay dàn và phổ biến là dàn Hình dới đây là một thí dụ một kết cấu biên khá phổ biến:

Một loại dàn đợc sử dụng làm kết cấu biên

1.3 Chế tạo các tấm định hình của vỏ thoải:

Cốp pha làm các tấm định hình của vỏ thoải có thể bằng gỗ, bằng kim loại, bằng gỗ kết hợp với kim loại cho các phần tử thành cốp pha Đáy của cốp pha nên sử dụng phơng pháp sàn in, nghĩa là làm bằng bê tông cốt thép hoặc xây gạch sau đó láng vữa xi măng có đánh màu Việc đánh màu để tiện cho thoa lên mặt cốp pha lớn chống dính bằng loại dàn thích hợp

Kết cấu dàn biên có thể làm thành các phân tố có kích thớc khoảng ~ 3 mét rồi khuếch đại

Các tấm dàn tạo nên dàn ứng suất trớc

Thiết bị để tạo bó thép ứng suất trớc

Số lợng các tấm định hình trong các vỏ thoải có các kích thớc mặt bằng khác nhau nh bảng:

Tên các

loại tấm

Kích 18x18 18x24 24x24 24x30 30x30 30x36 36x36

12 Tời 13 Gối tựa

1.4 Vận chuyển cấu kiện của vỏ:

1.4 Việc vận chuyển cấu kiện của vỏ:

Việc vận chuyển cấu kiện thờng dùng xe moóc dài Khi vận chuyển cần

kê đệm những thanh gỗ dới các tấm Thờng kê 2 thanh hoặc khi cần kê 4 thanh

Vị trí kê đệm nên trải đều dới đáy tấm Các tấm có thể kê nằm Tốt nhất là kê dựng đứng và xếp ép vào nhau, có vỏ bào hay bao tải ngăn cách giữa các tấm Cần đóng thành khung cho 10!12 tấm thành một khung Dới đây là một thí dụ cho việc xếp các tấm trong thùng xe moóc

Xếp đứng các tấm trên thùng xe moóc 8 bánh

Xếp đứng ở t thế nằm trên thùng xe moóc 8 bánh xe

Việc vận chuyển những dàn biên thờng sử dụng sơ-mi rơ-moóc dài tối thiểu bằng một nửa nhịp để vận chuyển 1/2 dàn Nếu làm dàn thành những đoạn ngắn thì việc xếp trên moóc cũng giống nh việc vận chuyển các tấm.

Vận chuyển dàn biên bằng sơ-mi rơ-moóc

Với phần nửa dàn: Chiều dài: 17.550mm, rộng 200mm, cao 3.700mm, số nửa dàn nằm trên một sơ-mi rơ-moóc là 1 cái, nặng 18 tấn

Hình ảnh chung vận chuyển hai nửa dàn trên một sơ-mi rơ-moóc

1.5 Lắp ghép vỏ

Vỏ có thể đợc lắp khuyếch đại toàn bộ ở cao trình mặt đất rồi nâng lên vị trí trên cao nhờ sử dụng cần cẩu Thông thờng khi nâng lên ở vị trí trên đầu cột trên cao hay dùng hai cần cẩu giống nhau về chủng loại, mã hiệu, tính năng kỹ thuật Các dụng cụ dùng cho lắp ghép cũng phải giống nhau, không những về hình dạng, tính năng và cả trọng lợng Sai số về trọng lợng không đợc quá 1%

Sơ đồ dới đây là một thí dụ cho biện pháp lắp một vỏ dùng hai cần cẩu.Trong hình này:

1 Vỏ bê tông cốt thép 2 Cần cẩu dùng lắp ghép 3 Đòn cẩu 4 Cột

Để nâng vỏ từ mặt đất lên đầu cột còn có thể dùng kích có hành trình dài hoặc hệ thống tời kéo móc cẩu thông qua hệ thống khung dàn để đa những vỏ lên cao.

Dới đây là hình ảnh hệ thống dàn treo móc cẩu sử dụng tời để đa vỏ lên vị trí

Cũng có thể lắp ghép vỏ ngay trên cao trình đúng của nó Làm theo phơng pháp này cần sử dụng hệ thống giáo chống để đỡ một khung tạo nên hình dạng mặt dới của vỏ Khung này không cần lát mặt kín nh cốp pha của vỏ mà chỉ là những khung đỡ dới các khe nối của các tấm vỏ

Hệ thống giáo có thể là những cây chống trực tiếp, nhng nên làm thành các khung vuông kiểu chuồng, cũi

Hình nhìn từ trên xuống để thấy khung đỡ các tấm vỏ lắp ghép Mặt trên của khung này là mặt dới của vỏ

Sơ đồ chân các chuồng giáo đỡ khung dùng dẫn mặt đới vỏ lắp ghép

Dới đây là một thí dụ chân giáo chống cho vỏ có nhịp là 36 mét

H×nh ¶nh l¾p ghÐp c¸c dµn biªn dïng cÇn trôc K254

Khung dẫn để đặt các tấm vỏ lên trên khi lắp ghép có thể làm cả khung

d-ới đất, cũng có thể làm từng khối Sau đây, chúng tôi gid-ới thiệu khung dẫn đợc lắp trớc ở dới đất và hình ảnh đã đa khung dẫn lên cao trình thiết kế

Việc lắp dựng vỏ có thể cơ giới hóa cao độ Sơ đồ sau đây giới thiệu một thí dụ trong việc cơ giới hóa đồng bộ lắp dựng một khu liên hiệp có 16 mái vỏ che kín một diện tích đến 1 vạn mét vuông.

Trong việc lắp ghép kết cấu vỏ thì việc lắp hệ thống khung dẫn hết sức quan trọng Hệ khung dẫn quyết định chất lợng hình dạng của vỏ Dới đây là một thí dụ về trình tự lắp một hệ khung dẫn.

Trình tự lắp dựng hệ khung dẫn

a Lắp các khung giá đỡ khung dẫn

b Lắp hai kèo cửa khung dẫn

c Lắp các xà gồ

d Lắp các giằng đảm bảo cho ổn định khung dẫn

1 Móng 2 Cột 3 Đờng ray 4 Trụ đỡ 5 Cần trục

Cũng có thể làm những khung dẫn không phải là những kèo phẳng mà làm thành những khung không gian nh sơ đồ tiếp đây:

Sơ đồ khung dẫn kiểu kết cấu không gian có các thanh ngang

a Sơ đồ mặt trên của khung dẫn b Nút giao

1.6 Toàn khối hóa vỏ bằng cách chèn kẽ giữa các tấm vỏ

Bê tông chèn kẽ có cốt liệu lớn không quá 10mm, độ sụt bê tông từ 3 đến

5 cm Cờng độ bê tông ít ra bằng cờng độ bê tông chế tạo tấm vỏ Có thể làm bê tông có cờng độ cao hơn cờng độ tấm vỏ khoảng 30% Nên cho vào trong bê tông chèn kẽ này phụ gia không co ngót nh sikagrout với lợng 2% so với trọng l-ợng xi măng Cần thiết sử dụng đầm rung có chày nhỏ để đầm cho khe kẽ đợc

đầy ắp bê tông và bê tông này thật chắc đặc

Hình ảnh chèn kẽ giữa các tấm vỏ để toàn khối hóa vỏ

Đờng cong chính của mặt vỏ loại này có thể là hình một đoạn cung của ờng tròn, có thể có eliptic có thế có parabol… Thờng làm trong thực tế là đoạn cung tròn vì mặt trụ loại này đơn giản, dễ nh côppha cũng nh thi công dễ dàng.

đ-Loại vỏ mặt trụ có thể có các dạng sau đây:

+ Vỏ mỏng hoàn toàn, là vỏ có mặt là tấm mỏng nhẵn hoặc có sờn, đợc chế tạo theo mặt trụ

+ Vỏ có các màng điafragm ngăn ngang (nh là màng ngăn ở các đốt tre, nứa) giữa hai mép biên gọi là chiều dài sóng (l 1) Khoảng cách giữa hai mép biên gọi là chiều dài sóng (l 2) Chiều cao của vỏ là đoạn tính từ đờng dây cung mức

Khi l1/l2 ≥ 4 ta có loại vỏ gọi là vỏ rất dài khi 4 ≥l1/l2 ≥ 1 ta có loại vỏ dài,

a Panen cong có sờn có kết cấu biên b Panen sờn cong có một biên

c Tấm có sờn phẳng hay tấm đặc có dầm biên và điafragm

Hình sau đây giới thiệu sự phân bố nội lực và biến dạng của vỏ mặt tru.

Nội lực và biến dạng của vỏ mặt trụ

a Sơ đồ nội lực tính toán trong một đơn vị chiều dài

b Các vết nứt đặc trng do tải trọng phân bố đều sinh ra

Vỏ mặt trụ đợc thí nghiệm để đo nội lực, biến dạng và kết quả cho thấy s làm việc khá ổn định

Việc lắp ghép vỏ mặt trụ đơn giản vỏ thoải hai chiều Ta có thể hình dung các bớc lắp ghép vỏ mặt trụ nh những hình minh hoạ sau đây

Khung dẫn để khuếch đại vỏ mặt trụ

1 Khung dẫn để khuyếch đại vỏ mặt trụ

2 Các tấm vỏ mặt trụ kích thớc 3 x 6 m

Vỏ hai độ cong đợc lắp bằng các tấm mặt hình trụ

tựa vào điafragm dạng vòm

Thiết kế kéo dây căng trớc khi lắp vỏ tấm

a Giá di động 1 Gối dỡ bằng gỗ 2 Thanh căng bằng dây cáp

Chơng 3

Vỏ cong kiểu đoạn lốp xe

Loại này là những vỏ có chiều rộng 6 ~ 8 mét cong nh mặt cắt của lốp xe

đạp và nhịp đến 100 mét theo đờng kính vành bánh xe đạp

Toàn cảnh một mái kiểu hình lốp xe

Loại vỏ này có độ cứng rất tốt vì bản thân vỏ có hai độ cong Độ cong của mặt cắt từng đoạn vỏ độ cong theo nhịp Loại vỏ này có thể có nhịp khá lớn, từ 80 ~

120 mét

Xét một đoạn vỏ, chiều rộng ngang 7,5, đoạn này cong và có sờn nhỏ Sờn song son với bề ngang vỏ Dọc theo nhịp vỏ cong có độ lớn đến 100 mét cũng có sờn biên vỏ Sờn vỏ có thể là điafragm hình vòm, có thể là dàn vòm Đôi khi cũng làm sờn biên có dạng dầm cong có dây căng hoặc không có dây căng

Sơ đồ một vỏ dạng vỏ lốp xe đã sử dụng lam nhà đỗ xe số 5 Matsskva

Sơ đồ đà giáo sử dụng lắp mái dạng đoạn lốp xe thờng di động đợc để lắp xong đoạn này, luân chuyển sang đoạn khác.

Sơ đồ đà giáo dùng lắp vỏ đoạn lốp xe theo hớng cắt ngang vòm

Trình tự lắp loại vỏ này có thể diễn tả qua 6 bớc sau:

Bớc 1: Lắp đà giáo và không dẫn

Bíc 3: B¾t ®Çu l¾p hµng tÊm ch©n vá

Bíc 4: L¾p hµng sên ch©n vá

Bớc 6: Lắp đến hoàn thiệnNhững chú giải

1 Dang giáo 2 Giáo công tác

3 Mặt lắp ghép ở phía dới dàn giáo

4 Mặt bằng lắp ghép ở phía trên dàn giáo

Chơng 4 Khái niệm về mái dây 4.1 Khái niệm:

Mái có kết cấu chịu lực chính, nhịp chịu lực chủ yếu làm việc chịu kéo

đ-ợc gọi là mái dây tình trạng chịu lực ngđ-ợc với các dạng mái vỏ ở những chơng trên Kết cấu dây có rất nhiều dạng Tuỳ thuộc các đặc trng của sơ đồ mái dây

mà chia ra loại kết cấu dây treo, loại hệ thống kết cấu có cáp ngoài

Mái dây treo cũng nh các mái treo khác đều có hình trụ đỡ Các trụ đỡ bên gọi là kết cấu biên thờng có dạng hình xuyến kín, hình vuông hoặc các hình đa giác khác làm kết cấu đỡ mái

Mái dây có thể vợt qua những dịp lớn Loại kết cấu này đợc cập khá sớm,

từ cuối thế kỷ trớc (1896) Tuy thế, chỉ sau chiến tranh thế giới lần 2 kết cấu này mới sử dụng sử dụng nhiều làm những công trình công cộng nh mái nhà triển lãm, mái sân vận động, mái nhà ga…

Dới tác động của tải trọng, dây bị biến dạng và có hình sau:

Hình dạng dây bị uốn khi có tải trọng:

a Tải trọng tập trung giữa nhịp b.Tải trọng phân bố điều

Khái niệm cơ bản của kết cấu dây trong lý thuyết vỏ là độ cong của đờng cong và của mặt cong

Độ cong của đờng cong tại điểm M là giới hạn của góc giữa hai pháp tuyến

kề nhau từ hai điểm mà đoạn dài của cung tạo nên từ hai điểm đó tiến đến 0