nhà nhịp lớn – nhà không gian

Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

NỘI DUNG:
NHÀ NHỊP LỚN – NHÀ KHƠNG GIAN
I.

Khái niệm về kết cấu khơng gian nhịp lớn

II.

Các kiểu kết cấu nhà nhịp lớn và ứng dụng thực tế.

1. Kiểu kết cấu phẳng
a. Kiểu dầm, dàn
b. Kiểu khung
c. Kiểu vòm
2. Kiểu kết cấu khơng gian
a. Kiểu hệ lưới khơng gian phẳng
b. Kiểu hệ lưới khơng gian dạng vỏ
c. Kiểu mái cupon
3. Kiểu kết cấu dây treo
a. Kiểu mái dây treo
b. Kiểu hổn hợp dây và thanh cứng

I.

Khái niệm về kết cấu khơng gian nhịp lớn

- Các loại kết cấu kiểu dầm, khung, vòm đều là các hệ kết cấu phẳng (trong đó, các kết

cấu chịu lực chính là dầm, khung, vòm đều nằm trong mặt phẳng chịu lực), được liên kết
với nhau bằng hệ giằng. Về thực chất, hệ giằng này góp phần cho hệ làm việc có tính khơng
gian. Tuy nhiên, trong tính tốn, chỉ có hệ giằng đóng vai trò gữi ổn định cho kết cấu phẳng
chịu lực, nó khơng được tính cho chịu lực, mà tồn hệ kết cấu phẳng chịu lực.

Trang 1


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

- Ngồi hệ kết cấu phẳng còn hệ kết cấu khơng gian: các kết cấu chịu lực khơng nằm
trong 1 mặt phẳng mà phân bố đều trong khơng gian. Nội lực giàn đều trên mặt phẳng mái
nên kết cấu nhẹ hơn kết cấu phẳng và dáng kiến trúc cũng đẹp hơn. Tuy nhiên việc tính tốn
phức tạp hơn, thi cơng đòi hỏi độ chính xác cao, nên nó bị hạn chế sử dụng.
- Ngày nay với sự phát triển của khoa học máy tính, thiết kế thi cơng ngày hiện đại,
việc sử dụng kết câu khơng gian sẽ đêm lại những ưu điểm sau:
+Số nút và số thanh được định hình hóa lớn nhất.
+Nâng cao độ cứng cho mái, độ an tồn và thẩm mỹ.
+Giảm kích thước và trọng lượng mái.
+Sử dụng các phương pháp thi cơng hiện đại.
Các loại kết cấu khơng gian: cupơn, hệ dây treo, dàn khơng gian, kết cấu dạng vỏ…..

II.

Các kiểu mái nhà nhịp lớn và kết cấu chịu lực
1. Kiểu kết cấu phẳng
a.
Kiểu dầm, dàn:

 Đặt điểm:
- Là kết cấu không gây lực đạp lên gối tựa

Trang 2


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

- Bản thân kết cấu gối tựa có thể là khung rất cứng
nhưng chỉ xem là gối tựa cố đònh.
- Phân tố chòu lực: thường là dàn rỗng (dàn phẳng hoặc
dàn 3 mặt)
- Nhòp: L = 40-60 m, tối đa là 80m.
- Thường dùng trong cung thể thao, nhà hát, nhà triển lãm,
…
- Nếu nhòp lớn, dùng dàn càng giống biểu đồ Momen càng
lợi
- Chiều cao vận chuyển không lớn hơn 3,85m; được chế tạo
tại công trường, chia dàn thành từng đoạn vận chuyển: 9-12m
và lắp ráp.
 Cấu tạo:
- Hình dáng bên ngoài dàn có thể là dàn có cánh song
song, hình thang, tam giác, hình cung…
- Hệ thanh bụng chọn phụ thuộc vào tải trọng tác dụng,
liên kết các cấu kiện khác và chọn sao cho trọng lượng của
dàn và công chế tạo là ít nhất.
- Trên mặt bằng nhà, có thể dùng hệ chòu lực phổ thông
khi bước dán <=12m. Khi bước dàn lớn hơn, có thể dùng hệ

phức tạp khi đó giữa 2 dàn chính là các dàn trung gian đặt
theo phương dọc nhà.
- Chiều cao giữa dàn được lấy như sau:
+
Dàn có cánh song song: (1/8 - 1/14)L (hình d,e)
+
Dàn hình thang : (1/8 - 1/12)L (hình c)
+
Dàn tam giác : (1/6 - 1/9)L (hình a,b)
+
Dàn cánh trên song song, cánh dưới thanh căng : (1/61/10) L; cánh trên (1/12-1/20)L
+
Với dàn nhòp lớn phải cấu tạo độ vồng xây dựng
dàn thường lấy bằng độ võng cho phép. (hình f,g,h)
- Khi nội lực thanh cánh thay đổi nhiều, vò trí thay đổi tiết
diện là vò trí khuếch đại dàn tại hiện trường

Trang 3


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

 Các dạng tiết diện thanh dàn thường gặp

Trang 4


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

 Ứng dụng:

Khung nhà c

Trang 5

GVHD:


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

Cầu trục consool

Trang 6

GVHD:


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

Cổng
trục

Trang 7


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

Kiểu dầm (sân trược băng châu âu)

Kiểu dàn
b.

Kiểu khung:
Trang 8

GVHD:


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

 Đặc điểm:
- Rường ngang liên kết cứng với cột → làm việc như một
kết cấu thống nhất → tiết kiệm VL
- Chiều cao rường ngang trong khung nhỏ hơn trong dàn có
nhòp tương ứng.
- So với hệ dầm, hệ khung có độ cứng lớn hơn, chòu lực
lớn hơn nên tiết kiệm vật liệu hơn.
- Dùng khi nhòp lớn L = 50 – 150m nhưng chiều cao không lớn.
 Phân loại:
Khung đặc

- Tiết diện đặc, thường là tiết diện chữ I tổ hợp, tùy
từng đoạn chọn nội lực để tính tiết diện. Kiểm tra điều kiện
ổn đònh tổng thể và điều kiện ổn đònh cục bộ
- Chế tạo đơn giản nhưng nặng do trọng lượng bản thân,

nên nhòp không lớn: 50-60m
- Khung đặc thường được thiết kế sơ đồ khung 2 khớp (ở
chân cột).
- Thường được dùng cho khung nhà kho, chợ và được chế tạo
từng đoạn rồi chuyển tới công trường lắp ráp.
- Với cột: có thể thay đổi tiết diện cột nhưng thay đổi
đều từ trên xuống dưới. Chú ý kiểm tra ở 3 tiết diện: mắt
khung, giữa cột và chân cột. Chủ yếu chòu nén uốn
- Với dầm : chiều cao tiết diện xà ngang thường chọn
bằng (1/30-1/40)L. Bản bụng nên chọn mỏng vì còn có sườn
cấu tạo → làm tăng độ ổn đònh cho bản bụng. Có thể thay
đổi tiết diện.

Trang 9


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép
h
td

GVHD:

1

sườ
n
1

h = (1/40 - 1/30) L
td

1-1

L <= 50m

- Ở mắt nách khung: trong trường hợp chòu lực lớn, ứng
suất tập trung lớn →bản cánh trong được bo tròn theo một
vòng lượn sóng và nên dùng 1 bán kính cong để dễ chế tạo.
Cần gia cường 1 số sườn để chống ứng suất tập trung ở
nách khung
- Sườn cục bộ: ở trong phạm vi bán kính cong. Sườn phụ đặt
về phía bản bụng chòu nén để tăng cường chòu nén và đặt
hướng tâm.
sườ
n đầ
u
sườ
n đặ
t ché
o

sườ
n gia cườ
ng
đểchố
ng ứ
ng suấ
t cục bộ

gó

c lượn

đi qua vù
ng né
n và
đi qua tâ
m

Ứng dụng

Trang 10


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

Khung nhà xưởng nhà cơng nghiệp

Trang 11

GVHD:


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

- Gặp nhiều, được tạo nên từ hệ thanh
- Sơ đồ khung 2 khớp hoặc không khớp
Trang 12

GVHD:

Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

- Khớp ở chân : tiết diện cột ở chân bé nên không
chiếm mặt bằng lớn → thường được dùng nhiều nhất
- Khớp ở đỉnh: chân lớn nên chiếm diện tích mặt bằng
lớn, Ít dùng
- khung không khớp: Có khả năng vượt nhòp lớn. Chân lớn
(5-6m) nên chỉ dùng khi khi nhòp lớn.
- Khung chòu tải trọng lớn và nhòp lớn, tiết diện dàn khung
tương tự như tiết diện của dàn nặng: chữ I hoặc [ ], chiều cao
xà ngang thường chọn bằng (1/12-1/20)L
- Bản giằng: là bản mắt ghép ốp 2 bên
- Bản giằng đặt gián đoạn → Tiết diện rỗng
- Bản giằng đặt liên tục → Bản giằng trở thành 1 bộ phận
trong tiết diện ( tiết diện ống)
- Tiết diện ống: liên kết với bản mắt rất phức tạp, đòi
hỏi độ chính xác và trình độ thi công cao.
- Nhòp nhỏ, tải trọng nhỏ. Dàn khung rỗng giống dàn
thường, được ghép bởi các thép góc
- Bản mắt phải là đa giác lồi. Kích thước bản mắt đủ
liên kết các thanh
- Chiều dày khung phải như nhau mới ốp được bản mắt,
nếu không, bản mắt sẽ bò kênh
- Do nội lực trong từng thanh khác chọn chiều dày thanh
cánh, thanh bụng thay đổi, nhưng h không thay đổi
- Đường hàn liên kết thanh vào bản mắt: chỉ dùng đường
hàn mép.

- Thanh thượng được cắt chéo, liên kết đối đầu với thanh
cánh ngoài của cột
- Thanh cánh hạ cũng cắt chéo và liên kết với thanh cánh
trong của cột bằng liên kết đối đầu.
- Các thanh khác nên đặt úp để không bò đọng bụi và
ẩm. Thanh cánh hạ được đặt ngửa
- Vẽ thanh rồi vẽ mắt. Mắt đủ hở bên ngoài để hàn
đường hàn sống.

Trang 13


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:
Ởchỗgã
y khú
c luô
n
cóthanh đứ
ng

H = 20-30m (lớ
n)

(1/15 - 1/25) L

L/H < 2

L = 40-50m (khô

ng lớ
n)

c.

Kiểu vòm:
 Đặc điểm:
So với kết cấu dầm, khung, kết cấu vòm nhẹ hơn và tiết kiệm vật liệu. Nhịp càng
lớn thì kết cấu vòm càng tiết kiệm được vật liệu.
Lực xơ ngang lớn do đó phải tạo kết cấu chịu lực xơ ngang như dây căng
 Phân loại:
Theo liên kết:
Vòm 2 khớp: Thường được dùng nhiều nhất vì nó dễ chế tọa, dựng lắp, mặt khác
nhờ khớp ở gối nên vòm có thể uốn cong và quay tự do tại khớp nên khơng xảy ra ứng suất
do nhiệt độ và lún ở gối tựa.

Vòm 3 khớp: Là kết cấu tĩnh định, khơng được dùng phổ biến vì tuy khơng chịu
ảnh hưởng của nhiệt độ và lún ở gối nhưng nội lực trong các thanh phân bố khơng đều và
phức tạp, mặt khác dựng lắp vòm 3 khớp khó khăn hơn so với các loại dàn khác.

Trang 14


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

Vòm khơng khớp: là kết cấu siêu tĩnh, mơmen phân bố tương đối đều nên tiết
kiệm vật liệu. Tuy nhiên móng của vòm khơng khớp tương đối đều nên tiết kiệm vật liệu.
Tuy nhiên, móng của vòm khơng khớp thường to hơn và chịu ảnh hưởng của sự biến thiên

nhiệt độ và độ lún gối tựa. Ngồi ra còn có các loại vòm một khớp (khớp ở đỉnh), vòm 4
khớp nhưng ít được dùng.

Chú ý: Khi chọn loại vòm phải chú ý đến cường độ đất nền.
Đất rất yếu sử dụng loại vòm 3 khớp;
Đất vừa sử dụng loại vòm 2 khớp;
Đất đá sử dụng loại vòm khơng khớp.
Theo hình dáng:
Vòm kê trực tiếp lên mặt đất: ít khi dùng vì giảm khơng gian sử dụng nhà. Để
khắc phục nhược điểm này người ta có thể làm thẳng phần gần gối vòm. Trong trường hợp
này để giảm kích thước móng hoặc khi nền đất yếu có thể làm thêm dây kéo để chịu lực xơ
ngang.
Vòm gối lên các khung: khung sẽ chịu lực xơ ngang kết hợp làm khán đài và các
phòng chức năng
Trang 15


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

Theo tiết diện:
Tiết diện đặc: Ln có hai cánh song song.
Tiết diện rỗng (dàn): Hai cánh song song hoặc khơng, được dùng cho nhịp lớn.
Hình ảnh nhà vòm.

2. Kiểu kết cấu khơng gian.
a.
Kiểu hệ lưới thanh khơng gian phẳng:

b-Lưới với thanh dàn làm từ mắt lưới tam giác đều; c. Lưới với thanh dàn từ mắt lưới
hình vng; d. Lưới với thanh dàn từ mắt lưới hình vng có thanh giằng chéo tại góc.
1- Thanh cánh trên; 2- Thanh cánh dưới; 3- Thanh bụng xiên; 4- Giằng chéo cánh
trên; 5- Giằng chéo cánh dưới, 6- vành biên.
 Đặc điểm:
Trong dàn có những hình khối lặp lại gọi là tinh thể mắt lưới (hình 8.5d). Tuỳ
thuộc vào dạng tinh thể mắt lưới sử dụng trong dàn mà lưới thanh khơng gian rất đa dạng.
Lưới thanh khơng gian phẳng được tạo bởi các dàn giao nhau từ ba hướng khác
nhau (hình 8.5a) có cấu trúc tinh thể bất biến hình và ổn định nên chịu xoắn tốt.

Trang 16


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

Lưới thanh khơng gian phẳng được tạo bởi các dàn giao nhau từ hai hướng khác
nhau (hình 8.5b) có cấu trúc tinh thể dễ biến hình nên khơng chịu xoắn. Để tăng cường khả
năng chịu xoắn người ta có thể gia cường thêm các thanh chéo ở thanh chéo ở các ơ góc
(hình 8.5c), song số thanh ở các nút càng nhiều thì việc chế tạo lắp dựng càng phức tạp
 Phân loại
Loại 3 dàn giao nhau theo 3 hướng.
+
Có cấu trúc chống xoắn tốt nên độ cứng là lớn nhất nhưng phức tạp về mặt
chế tạo và dựng lắp

Loại 2 dàn giao nhau theo 2 hướng.
+
Chịu xoắn kém nên độ cứng nhỏ. Có thể gia cường bằng các thanh theo

phương đừng chéo.

 Ứng dụng:

Trang 17


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

b.

GVHD:

Kiểu hệ lưới khơng gian dạng vỏ:

 Đặc điểm
Là hệ khơng gian 1 lớp có mặt ngồi cong theo 1 chiều, dùng cho cơng trình có
mặt bằng hình chữ nhật nhịp đến 90m.
Các ơ lưới của vỏ đơn giản nhất là dạng hình thoi, nếu được bố trí thêm các thanh
dọc nhà thì độ cứng sẽ tăng lên.
Độ cứng đạt giá trị lớn nhất cùng chi phí vật liệu có lợi nhất khi được bố trí thêm
các thanh chéo xiên góc 45o so với thanh dọc.
 Phân loại
Lưới thanh dạng vỏ trụ một lớp

Trang 18


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép
Lưới thanh dạng vỏ trụ hai lớp

 Các dạng mặt lưới

 Ứng dụng:

Trang 19

GVHD:


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

c.

GVHD:

Kiểu mái cupon:
Gồm hệ lưới, hệ sườn, không kể vỏ mái lợp vào
trong hệ chòu lực chính. Nhòp không lớn, thường L = 50-60m. Rất
ít khi cupôn có nhòp > 100m
 Đặc điểm:
Không gian bên trong lớn (về mặt bằng và chiều cao),
nên được đưa vào hệ kết cấu nhòp lớn. Sử dụng không gian
bên trong không có cột.
 Phân loại:
Thể hiện tính không gian, Gồm 3 loại:
Cupôn sườn

Trang 20

Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

vò
ng đỉ
nh (-)
tấ
m lợp

vòtrí xàgồ

h
sườ
n
lực vò
ng

vò
ng đá
y (+)
(vò
ng tựa, vò
ng gố
i)

vòtrí đặ
t hệxàgồ
củ

a cupô
n

sườ
n

+
Gồm các sườn phẳng hoặc sườn 3 mặt, được đặt
theo phương bán kính. Cánh trên của sườn tạo thành mặt
ngoài của vỏ cupôn, có thể là mặt tròn xoay hình cầu hoặc
mặt parapoloid, ellipsoid. Thường thiết kế cupôn có mặt tròn
xoay hình cầu.
+
Sườn của cupôn có tiết diện đặc hoặc rỗng. Sườn
tì lên vòng đỉnh và vòng đáy. Các điểm tì có liên kết khớp
+
Sườn đặc: tương tự như tiết diện vòm đặc, chế tạo
đơn giản, thường là tiết diện I (nhưng nặng nên ít dùng)
+
Sườn rỗng: Với đường kính nhỏ TD giống tiết diện
dàn thường, Với đường kính lớn dùng tiết diện 3 mặt
+
Vòng đỉnh: chòu nén và xoắn nên độ cứng phải
lớn, có thể đặt thêm thanh chống trong mặt phẳng vòng để
tăng độ cứng, gọi là thanh giằng của vòng đỉnh.
+
Vòng đáy: chòu lực xô chân của sườn → chòu kéo, ít
khi gây xoắn. Thường bằng thép hoặc bằng BTCT nhưng chỉ có
cốt thép chòu lực (BT chỉ đóng vai trò bọc ngoài)
+

Vò trí xà gồ trên mặt bằng không đều nhau, càng
vào trong càng xa nhau. Xà gồ không đóng vai trò vòng ( vì
không có liên kết, chỉ được đặt tựa lên)
+
Nếu vòng đỉnh bé thì coi như từng đôi sườn đối
xứng qua tâm, xem như là vòm 3 khớp.
+
Mặt bằng cupôn hình tròn hoặc đa giác đều (thường
là bát giác).
Trang 21


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

+
Để tạo mặt cong cho cupôn, có thể tạo mặt cong cho
xà gồ
+
Xà gồ bằng thép đònh hình: uốn theo mặt cong và
kê trên sườn
+
Xà gồ lớn dạng dàn nằm trong chiều cao sườn, có
cánh trên cong, hoặc là cánh trên thẳng nhưng có thanh đệm,
miếng đệm
tấ
m lợp

tấ

m lợp

Thanh đệ
m

Miế
ng đệ
m
Xàgồdạng dà
n
cá
nh trê
n cong
Sườ
n

Xàgồdạng dầ
m

Sườ
n

Cupôn sườn vòng
uố
n + ké
o

Chỉcóvò
ng đỉ
nh chòu né

n
cá
c vò
ng khá
c chòu ké
o

bá
t giá
c

+
Trong cupôn sườn: Xà gồ: đỡ tấm vật liệu lợp, tạo
mặt cong cho vỏ; đảm bảo ổn đònh cho các sườn theo phương
ngoài mặt phẳng. Và liên kết khớp với sườn
+
Trong cupôn sườn vòng, xà gồ liên kết cứng vào
sườn, khi chòu lực, xà gồ không những chòu uốn mà còn chòu
kéo (do các lực vòng gây ra) → Xà gồ tham gia trực tiếp chòu
lực cùng sườn
+
Tính không gian của xà gồ vòng tăng cao hơn cupôn
sườn, không còn coi từng đôi sườn đối xứng qua tâm là
phẳng, nên tiết kiệm vật liệu hơn, tải trọng nhẹ hơn

Trang 22


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

GVHD:

+
Không phải nhất thiết toàn bộ là xà gồ vòng, mà
chỉ cần làm vài xà gồ vòng ở 1 số vò trí, còn các xà gồ
còn lại đóng vai trò như xà gồ thường.
Cupôn vỏ lưới
vò
ng đỉ
nh
c
b
Dạng lướ
i tổong
a

1

đườ
ng ché
o
vò
ng đá
y
2

3 4 5 6 7
Cupô
n vỏlướ
i tạo thà

nh từcá
c đườ
ng
kinh tuyế
n, vótuyế
n vàđườ
ng ché
o

Sâ
n vậ
n độ
ng dù
ng má
i cupô
n lướ
i
xâ
y dựng tại Mỹ(D = 195,5m, H = 28m)

+
Là một bước phát triển cao nhất của tính không gian
trong cupôn thép
+
Sự chòu lực phân bố đều trên hệ vỏ lưới nên các
thanh chòu lực như nhau → nhẹ
+
Nhược điểm: khó khăn trong chế tạo
+
Có 2 cách:

o
Tạo vỏ lưới từ những đường kinh tuyến, vó
tuyến và thêm vào các đường chéo. Nhược điểm: kích thước
thay đổi theo chiều cao → chưa đạt vì sự làm việc chưa hoàn
toàn dàn đều trong không gian
o
Tạo lưới là các cạnh của đa giác đều nội tiếp
trong hình cầu (như dạng lưới tổ ong): thống nhất hóa nhưng
khó chế tạo. Các kết cấu chòu lực đều nhất.
 Ứng dụng:

Trang 23


Tiểu luận: Chuyên Đề Kết Cấu Thép

Trang 24

GVHD: