KẾ cấu mái dây TREO môn CHUYÊN đề kết cấu mới

MỞ ĐẦUKết cấu dây treo là một kết cấu được áp dụng rộng rói trong nhiều công trình dândụng, công nghiệp và giao thông trên thế giới về những ưu điểm nổi bật của nó: trọnglượng nhẹ, vượt

MỤC LỤC CHUYÊN ĐỀ KẾT CẤU MÁI TREO

Mở đầu 2

1 Kết cấu mái treo 3

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển kết cấu treo 3

1.2 Định nghĩa kết cấu dây và mái treo 5

1.3 Đặc điểm chung 5

1.4 Phân loại kết cấu 6

a) Kết cấu mái dây 1 lớp 6

b) Kết cấu mái dây 2 lớp 9

2 Một số công trình sử dụng kết cấu treo trên thế giới 18

3 Một số công trình sử dụng kết cấu treo tại Việt Nam 48

Kết luận 54 Cảm nhận về môn học 55

MỞ ĐẦU

Kết cấu dây treo là một kết cấu được áp dụng rộng rói trong nhiều công trình dândụng, công nghiệp và giao thông trên thế giới về những ưu điểm nổi bật của nó: trọnglượng nhẹ, vượt nhịp lớn, thi công lắp ráp nhanh, hình dáng kiến trúc đa dạng và phongphú Ở nước ta kết cấu dây treo đó được nhiều tác giả nghiên cứu áp dụng và từ đó tạonhiều thành tựu to lớn Trong thời kì mở cửa và hội nhập, kết cấu dây treo đã và đanggớp phần quan trọng vào các công trình tải điện và quyết định trong việc đảm bảo giaothông miền núi và đồng bằng sông Cửu long, mái che các công trình nhịp lớn như sân vậndộng nhà triển lãm, nhà ga

Nghiên cứu kết cấu treo giúp tìm được các giải pháp về thiết kế và thi công phù hợpvới các dạng công trình phức tạp và mới chưa được áp dụng nhiều tại Việt Nam

Việc lựa chọn giải pháp kết cấu và phương pháp thi công hợp lí đảm bảo được chấtlượng của công trình, tiến độ thi công, đảm bảo an toàn, bảo vệ môi trường và đem lạinhiều dấu ấn riêng về kiến trúc và thẩm mỹ

Ýnghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Vận dụng kiến thức về kết cấu, biện phápthi công, sử dụng các phần mềm tính toán kết cấu Sử dụng làm tài liệu phục vụ cho họctập

1. Kết Cấu treo

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển kết cấu treo:

Năm 1968, kiến trúc sư Gunnar Birkerts đã ứng dụng kết cấu cầu treo cho thiết kế tòanhà Ngân hàng dự trữ liên bang của bang Minnesota ở Mỹ Tòa nhà được xây dựng xongnăm 1972, được giới kiến trúc đánh gia cao, được coi là một thành tựu kiến trúc và dànhđược một số giải thưởng kiến trúc uy tín năm 1974;

Kết cấu cầu treo là một trong những kết cấu được dùng phổ biến khi thiết kế cầu nhịplớn do những ưu điểm của nó Hệ kết cấu cầu treo điển hình gồm hai tháp cao ở hai đầu,sàn cầu bê tông cốt thép hoặc thép, hai dây cáp lớn căng ngang nối hai đỉnh tháp và cácdây cáp nhỏ treo sàn bê tông cốt thép vào hai dây cáp lớn Dạng kết cấu này có ưu điểm

là các cấu kiện chính chỉ chịu lực đơn giản: tháp chịu nén là chính, các dây cáp lớn vànhỏ chỉ chịu kéo, sàn cầu chịu mô men uốn tương đối nhỏ

Hình 1.1 Tòa nhà ngân hàng dự trữ liên bang (Marquette Plaza) ở TP Minneapoliss, tiểu bang Minnesota (Mỹ) (sưu tầm)

Về mặt công nghệ xây dựng, giải pháp kết cấu cầu treo có tính khả thi cao đứng trênkhía cạnh thiết kế và thi công Chúng ta thấy là tòa nhà Ngân hàng dự trữ liên bang củabang Minneapoliss được thiết kế từ năm 1968, khi máy tính điện tử và các phần mềm tínhtoán kết cấu còn chưa phát triển Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính điện tử và cácphần mềm phân tích kết cấu, công việc thiết kế và thi công có thể được thực hiện với chấtlượng và độ chính xác cao hơn nhiều.

Kết cấu cầu treo là một giải pháp ưu việt khi phải vượt qua nhịp lớn Kết cấu nàykhông chỉ sử dụng cho cầu mà còn được ứng dụng cho nhà cao tầng từ rất sớm khi màmáy tính điện tử còn chưa phát triển Điều nay chứng tỏ tính cách mạng của các nhà đầu

tư và các nhà quản lý xây dựng trong việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật tạo nênhiệu quả to lớn về kinh tế xã hội, tạo ra các công trình kiến trúc đặc sắc

Hình 1.2 Nghiên cứu ứng dụng hệ kết cấu cầu treo cho nhà cao tầng

Dự án Dolphin Plaza (sưu tầm)

1.2 Định nghĩa kết cấu dây và mái treo:

Kết cấu dây và mái treo là hệ kết cấu được cấu tạo từ những dây mềm, chỉ chịu kéo, bỏ qua khả năng chịu uốn của dây Các dạng kết cấu dây bao gồm dây tải điện, dây văng, cầu dây các loại và mái treo Kết cấu dây còn được dùng liên hợp với các hệ kết cấu cứng khác như: dầm, dàn hoặc tấm tạo nên hệ kết cấu liên hợp như mái treo dầm cứng, cầu dây văng;

Cáp dùng trong kết cấu dây có loại, có cường độ gấp sáu lần nhưng giá thành chế tạo chỉ đắt hơn hai lần thép xây dựng thông thường] Do tận dụng được sức chịu kéo lớn như vậy, nên kết cấu dây có trọng lượng nhẹ, cho phép vượt được nhịp lớn Hình dạng kiến trúc của kết cấu dây nói chung và mái treo bằng dây nói riêng cũng đa dạng và phong phú.

1.3 Đặc điểm chung

Khả năng chịu lực của kết cấu dây treo được xác định theo độ bền, bởi chúng chỉ cónội lực kéo Kết cấu làm việc chịu kéo nên cho phép sử dụng triệt để khả năng chịu lựccủa dây cáp, đồng thời với cường độ cao của vật liệu nên trọng lượng của kết cấu ở đâytương đối nhỏ;

Đây là hệ kết cấu chịu lực được tạo bởi hệ dây cáp chịu kéo có cường độ cao (σb

=120 – 140 KN/cm2) Các dây cáp này được neo vào các gối cứng là các dàn, dầm,khung… bằng thép hay BTCT Dùng cho các công trình có nhịp lớn với dạng kết cấu khácnhau: hệ dây một lớp, hệ dây hai lớp, hệ dàn dây, hệ yên ngựa, hệ yên ngựa, hệ hỗn hợp,

vỏ mỏng…

 Ưu điểm:

Khả năng chịu lực của mái dây được xác định theo độ bền bởi chúng chí có lực kéo.Kết cấu làm việc chịu kéo lên chúng sử dụng triệt dể khả năng chịu lực của dây cáp, đồngthời với cường đô cao cua vật liệu trọng lượng của kết cấu chịu lực tương dối nhỏ Vớidạng kết cấu này khi nhịp tăng cho hiê u quà sư dụng kết cấu tăng Ưu việt hơn nưa làkết cấu dây treo dễ vận chuyền và có khả năng lắp ráp không cần dàn giáo, chúng vượtnhịp lớn, dễ vận chuyển và thi công

 Kết cấu chịu kéo nên sử dụng được hết khả năng chịu lực của cáp.

 Hệ kết cấu mái dây 2 lớp : nhờ có lớp dây căng cùng làm việc với lóp dây chulàm tăng dô ồn định hình dạng của hệ dây , làm cho hệ có độ cứng và có khảnăng chịu được tải trọng đổi chiều

 Kêt cấu dàn dây : làm cho hệ có độ cứng cao hơn , có ổn định hình dạng cao , chuyển vị nhỏ sát giả thiết

 Kết cấu mái dây hình yên ngựa : nhờ có lớp dây căng trước sao cho trong dâyluôn có lực kéo với bất kì tải trọng bất lợi nào , dà làm tăng tính ôn dịnh hìnhdạng về độ cứng cho hệ cũng như làm giảm được sự gia tăng độ võng của hệchịu tai trọng

 Khuyết điểm:

Có biến dạng lớn do mô-đun đàn hồi của cáp thấp (E=1.5 – 1.8.106 daN/ cm2) nhỏ hơnthép cán và khả năng làm việc của thép cường độ cao lại lớn hơn thép thường nên biếndạng tỉ đối của cáp trong giai đoạn đàn hồi lớn hơn so với thép CT3 vài lần

Có tính biến hình lớn Khi sơ đồ tác dụng của tải trọng thay đổi thì sơ đồ hình học của

hệ thay đổi lớn Để giảm nhẹ chuyển vị đó, các mái thường được thiết kế căng trước và

có giải pháp cấu tạo đặc biệt làm tăng khả năng ổn định hình dạng của hệ

1.4 Phân loại kết cấu treo

a) Kết cấu mái dây 1 lớp

- Dùng trong cấc công trình hangar, nhà triển lãm, thi đấu, sân vận động

vượt nhịp khoảng 70 – 100 m

- Kết cấu dây có hai loại: dây mềm bằng cáp và dây cứng bằng thép hình

- Dây được neo vào hệ gối cúng và vành cứng

- Các tấm máibằng BTCT hay hợp kim nhôm được liền kết cứng với nhau

Hình 1.3 Sơ đồ kết cấu mái dây một lớp ở Kraxnoyarxk



Hình 1.4 Sơ đồ kết cấu mái dây một lớp của sân vận động ở Montebydeo

Hệ một lớp dây mềm:

- Dùng cho mặt bằng hình chữ nhật hoặc hình tròn

- Với mặt bằng chữ nhật: hệ gồm dây rải đều neo chắc vào gối cứng ở hai biên songsong với mặt bằng mái, hệ gối này thường là các dầm biên song song với mặtbằng mái

- Với mặt bằng hình tròn: kết cấu gồm các dây chịu lực đặt hướng tâm neo vào vànhbiên và vành ở trung tâm; vành biên làm bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép chịunén; vành trung tâm bằng thép, chiu kéo

- Hệ dây là chỗ tựa cho các lớp mái, các tầm mái liên kết vào dây và liên kết với nhau

 Hệ một lớp dây cứng:

- Hệ kết cấu gồm các dây thép hình I cán sẵn, được cố định vào hai gối cứng haiđầu Các gối cứng là dàn dây cáp hoặc kết cấu cứng đảm bảo liên kết chắc cácdây cứng vào nó

- Dây được làm bằng thép hình chữ I và được liên kết cố định với hai gối cứng

ở hai đầu

- Dây cứng làm việc chịu kéo và uốn dưới tác dụng của tải trọng

- Các gối cứng phải đảm bảo liên kết chắc và chịu được lực từ các dây cứng truyền vào

Hình 1.5 Hệ một lớp dây cứng (một nhà hàng ở Yalta)

b) Kết cấu mái dây 2 lớp

Kết cấu mái dậy hai lớp gồm:

- Lớp dây võng xuống là lớp dây chịu lực, gọi là lớp dây chủ

- Lớp dây vồng lên là lớp dây căng, làm tăng độ ổn định hình dạng, tạo độ cứng vàlàm cho hệ dây có khả năng chịu lực đổi chiều Để dây căng đủ khả năng làm việcvới dây chủ, lực căng trước trong lớp dây này phải lớn hơn nội lực nén do tải trọngsinh ra

- Nối hai lớp dây trên là các thanh chống cứng chịu nén

HÌnh 1.6 Sơ đồ kết cấu hệ dây hai lớp

Hình1.7 Kết cấu dây â lớp của sân vận dộng Yubileinui ở Nga

c) Hệ mái treo dạng consol (Kết cấu hỗn hợp dây và thanh)

- Sử dụng cho công trình hăng ga, nhà triển lãm

- Là dạng đơn giản nhất, làm việc tương tự như consol Đây là hệ kết cấu mái kếthợp giữa dây và kết cấu cứng Hệ kết cấu gồm các xà consol và các dây cáp treocác xà này, các dây liên kết chắc vào xà kèo vượt qua đỉnh cột trụ neo vào kết cấuphụ

- Hệ kết cấu đáp ứng nhu cầu sử dụng không gian rộng lớn và yêu cầu kinh tế của công trình

- Có thể tăng số lượng dây neo và điều chỉnh lực kéo trong chúng có thể giảm tối đa mômen uốn trong xà hợp lý hơn

- Tải trọng được đặt trên kết cấu cứng

- Hệ số giản nở nhiệt độ tương đối lớn Vì vậy, gối tựa không thể ngàm cứng được

mà phải là liên kết khớp

- Khi căng dây, tải trọng mái đè xuống, làm cho kết cấu bị căng Mái cong ở trên truyền tải thẳng xuống → Làm consol ổn định

- VD: Hệ kết cấu chịu lực Công trình Norkfol Sunset

Hình 1.8 Toàn bộ kết cấu xem như là hệ consol

d) Kết cấu dàn dây

 Hệ dàn treo (Hệ dàn dây):

- Là hệ thống có hai hệ thống dây cải tiến, các thanh cánh dàn dây là dây chủ và dâycăng, dây trên và dưới nối nhau bằng hệ dây trung gian (giống thanh bụng), hệthanh bụng tam giác đó là các dây xiên

- Sơ đồ làm việc của hệ giống như dàn

- Yêu cầu: Gối tựa phải lớn và rất cứng

- Trong hệ kết cấu dây, dây nào cong xuống thì dây chịu lực → cáp chịu lực Hệ dây nào vồng lên là hệ cáp căng

- Để hệ dàn dây chịu lực được thì phải căng trước dây dưới, kéo toàn hệ bị căng

- Để kết cấu làm việc như dàn cần căng trước tạo cho các thanh có lực kéo dưới bất

e) Kết cấu mái dây hình yên ngựa

- Được tạo nên từ hai lớp dây trực giao, neo chắc chắn vào các gối cứng là các vành biên và dầm biên

- Lớp dây chủ chịu lực võng xuống

- Lớp dây căng (dây vồng lên) đặt trực tiếp lên dây chủ và được căng trước sao chonội lực trong các dây luôn chịu nén → tăng độ cứng, độ ổn định hình dáng, giảm độvõng của mái

- Các tấm mái cứng được liên kết để tạo thành vỏ cứng

- Ổn định hình dạng và chuyển vị dộng học của hệ dây phụ thuộc vào hình dạng củamặt cong Mặt cong Paraboloid – Hyperbolic cho chuyển vị động nhỏ nhất

Hình 1.11 Một số sơ đồ kết cấu mái dây hình yên ngựa

Hình 1.12 Sơ đồ kết cấu mái dây hình yên ngựa

Hình 1.13 Công trình Minh họa cho loại kết cấu mái dây hình yên ngựa

Hình 1.14 Công trình minh họa cho Kết cấu mái dây hình yên ngựa

Hình 1.15 Mái dây yên ngựa ở nhà hát Kharkov - Ukraina

f) Mái treo vỏ mỏng

- Hệ chịu lực của mái treo có thể là vỏ mỏng bằng các tấm kim loại Vỏ được tạo từcác bản thép dày 6mm hàn với nhau, liên kết với vành biên BTCT tiết diện4000x1000mm, vành này tựa lên hệ dầm biên BTCT tiết diện 1400x500mm

- Kết cấu vỏ chịu kéo và được tăng cường theo nguyên lý của hệ dây hai lớp; vỏtương ứng như lớp dây chủ, vùng giữa là các dàn hướng tâm đặt trên vỏ, ở vùngbiên được tăng cường bằng lớp dây căng hướng tâm

- Hệ kết cấu như trên tạo cho công trình chịu lực tốt nhất khi chịu gió bốc, tăng tính

ổn định, hạn chế biến dạng quá mức của vỏ mỏng khi chịu tải không đều đồng thờigiải quyết việc thoát nước mái

g) Hệ mái dây kiểu vành bánh xe đạp

- Dùng thích hợp cho mặt bằng hình tròn, bàu dục, đa giác đều

- Hệ đơn giản nhất: Hệ chỉ 1 lớp dây Hệ chịu lực chỉ có một lớp dây Lúc này các tấm lợp phải đặt dốc hướng vào trong → Khó thoát nước

- Hệ vỏ hai lớp: Vòng ngoài vẫn giữ nguyên một lớp, còn vòng trong được tách ralàm đôi Hệ dây dưới sẽ là hệ chịu lực, hệ dây trên là hệ cáp căng Vật liệu lợp đặttrên cáp căng và hệ mái dốc thoát nước ra phía ngoài

- Có thể tách vòng ngoài thành hai lớp, vòng trong hai lớp, làm hệ dây nối từ tầngtrên vòng ngoài nối tầng dưới vòng trong và ngược lại Giữa hai hệ này đặt thêmcác thanh chống đứng, làm cho cả hệ bị căng

- Trường hợp tách vòng ngoài và vòng trong ra làm đôi, tạp khối cứng đủ sức chịulực căng dây Người ta căng các hệ cáp căng, và nối hai hệ này bằng các thanhchống

Hình 1.16 Sơ đồ kết cấu mái kiểu vành bánh xe đạp

2. Một số công trình sư dụng kết cấu treo tren thế giới

Kết cấu mái treo đầu tiên trên thế giới xuất hiệnnăm 1896 tại Hội chợ triển lãm Thành phố Nhigiegorod(Nga) với các dạng tròn (D=68m), ô van (Dmax=100m)

và hình chữ nhật (30x70m) do kỹ sư xây dựng ngườiNga V G Shukhov thiết kế

Tháp nước Hyperboloid - cấu trúc kéo đầu tiên

trên thế giới của kỹ sư người Nga và nhà khoa họcVladimir Shukhov (1853-1939) năm 1896 Triển lãmcông nghiệp và triển lãm toàn Nga năm 1896 ở NizhnyNovgorod Sou

HÌnh 2.1 Tháp nước Hyperboloid

Nhưng mãi sau đó, đến năm 1932 mới có công trình tiếp theo được xây dựng ở Mỹ làbăng tải nâng hàng ở Allbaney Từ thời gian đó, nhiều công trình lớn sử dụng kết cấu dây

và mái treo ra đời

Cầu treo xuất hiện sớm hơn, cầu treo đầu tiên được xây dựng vượt sông Tess ở Anhnăm 1741 có nhịp 21m Một số công trình cầu treo, mái treo đã trở thành biểu tượng vănhóa, điểm thăm quan du lịch hoặc biểu tượng khoa học kỹ thuật của địa phương và của

cả quốc gia Có thể nêu một số công trình ví dụ như sau:

2.1 Nhóm các công trình thể thao

Công trình sân vận động Olimpic Seun (Hàn Quốc) có mặt bằng tròn với đường kính393ft (khoảng 120m); nhà thi đấu tại Dortmund (CHLB Đức) có mặt bằng chữ nhật80x110m [17], công trình bể bơi thành phố Wuppertal (CHLB Đức) [14] kích thước mái38x65m; bể bơi tại Bil (Thuỵ Sĩ) kích thước mái 35x70m[9],[10]; nhà thi đấu tại Zheshuv(Ba Lan) kích thước mái37,6x39,2m; sân băng Juhenneshof tại Stockholn (Thuỵ Điển)kích thước mái 83x118m; bể bơi Olimpic tại Tokyo (Nhật Bản) [15] kích thước mái120x214m…

a) Công trình sân vận động Olympic Seun (Hàn Quốc)

Sử dụng hệ mái dây treo kiểu vành bánh xe đạp Có 1 trục ở giữ neo phía trên hệ dànmái, các dây treo neo vào trục này và thanh dàn mái Mặt bằng tròn với đường kính 393ft(khoảng 120m)

HÌnh 2.4 Mặt bằng tổng thể công trình

c Seun

19

Mặt cắt Công trình sân vận động Olympic Seun

Hình 2.5

Hình 2.6 Kết cấu mái Công trình sân vận động

Olimpic Seun

Hình 2.7

Hình 2.8

b) Nhà thi đấu Signal Iduna Park tại Dortmund (CHLB Đức)

Sử dụng hệ mái treo dạng consol (kết cấu hỗn hợp thanh và dây) Có mặt bằng chữ nhật

Hình 2.15

c) Công trình Stadtbad Wuppertal bể bơi ở thành phố Wuppertal (CHLB Đức)

Sử dụng kết cấu dàn dây Kích thước mái 38 x 65m

d) Sân vận động J.S Dorton Arena (Hoa Kỳ)

Sử dụng loại kết cấu mái dây hình yên ngựa Diện tích 5261 m2

Hình 2.21

Hình 2.22 Sân vận động J.S Dorton Arena

e) Bể bơi Olympic tại Tokyo (Nhật Bản)

Sử dụng kết cấu mái dây treo Khái

niệm cơ cấu được dựa trên cột sống chính

gồm hai dây cáp thép 13 ", neo vào hai

tấm bê tông lớn, nằm ở cả hai đầu của tòa

nhà, và hai cột bê tông trung tâm, cáp mô

f) Sân vận dộng quốc gia Warsaw

Công trình sử dụng loại kết cấu mái

treo dạng kết cấu hỗn hợp dây và thanh

cứng Sân vận động xây dựng bao gồm hai

phần - sân vận động được xây dựng bằng

các cấu kiện bê tông đã được chế tạo trước

và mái lưới thép với một màng dệt dệt treo từ

các giá đỡ thép không gỉ ngang với các thanh

nẹp trên đó Mái bên trong bao gồm một

màng buồm có thể thu vào, gấp lại với nhau

trên trung tâm sân Đây cũng chính là nơi đặt

"hình lập phương video" bốn màn hình để

cung cấp tầm nhìn tối ưu từ mọi chỗ ngồi

Tầng trên được truy cập qua 12 cầu thang có

Hình 2.32

hình vòm đơn

Hình 2.33

Hình 2.34 Kết cấu Sân vận động quốc gia Warsaw